October 23, 2024
Позиционировщик клапана (Valve Controller) - устройство, используемое для точного управления и регулирования положения клапана управления.он регулирует открытие клапана к желаемой установке, таким образом обеспечивая, чтобы параметры процесса (например, давление, температура, скорость потока и т. д.) оставались в заранее определенных диапазонах.и широко используются в нефти и газе, химической, фармацевтической, очистки воды и других отраслей.
Положение ствола пневматического клапана регулирования линейно связано с давлением воздуха, наносимым на приводящий механизм, потому что механические пружины, как правило, следуют закону Хука,который гласит, что количество движения пружины (x) прямо пропорционально приложенной силе (F=kx)Сила, применяемая пневматическим приводом, зависит от давления воздуха и площади поршень/диафрагмы (F=PA), а пружина, в свою очередь, сжимается или растягивается.производит равную и противоположную силу реакцииКонечный результат заключается в том, что давление привода линейно переводится в движение ствола (x = PA / k).
1. Управляющий клапан позиционировщик
Эта линейная и повторяемая связь между давлением пневматического сигнала и положением ствола действительна только в том случае, если:Действующая диафрагма/поршень и пружина являются единственными силами, действующими на стволЕсли на механизм действует какая-либо другая сила, отношение между давлением сигнала и положением ствола перестанет быть идеальным.
К сожалению, есть много других сил, действующих на ствол в дополнение к силам привода и силам реакции пружины.и реакционная сила на катушке, вызванная дифференциальным давлением в области катушки является другойЭти силы объединяются, чтобы переставить ствол так, чтобы движение ствола не было точно связано с давлением жидкости.
Обычное решение этой дилеммы заключается в добавлении позиционирующего клапана к комплекту регулирующего клапана. A valve positioner is a motion control device designed to actively compare the stem position to a control signal and adjust the actuator diaphragm or piston pressure until the correct stem position is achieved:
Сам позиционировщик клапана является в основном системой управления: положение ствола клапана - переменная процесса (PV), сигнал команды позиционировщику - точка настройки (SP),и сигнал позиционирующего устройства для привода клапана - манипулируемая переменная (MV) или выходТаким образом, когда контроллер процесса посылает командный сигнал в клапан, оборудованный позиционером,позиционировщик получает этот командный сигнал и применяет к приводу столько или столько же воздушного давления, сколько необходимо для достижения желаемого положения ствола.Таким образом, позиционировщик будет "бороться" с любой другой силой, действующей на ствол клапана, чтобы достичь четкого, точного позиционирования ствола в соответствии с командным сигналом.Правильно функционирующий позиционировщик обеспечивает, чтобы клапан управления "обращался" с командным сигналом.
2Пример пневматического позиционирования клапана
На следующем рисунке изображен пневматический позиционировщик Fisher Model 3582 установленный на клапан управления.
Часть механизма обратной связи можно увидеть на левой стороне этого позиционирующего устройства: металлическая скоба, прикрепленная к соединителю ствола, который прикрепляется к руке, которая простирается с боковой стороны позиционирующего устройства.Каждый позиционировщик клапана управления должен быть оборудован некоторыми средствами для определения положения ствола, иначе позиционировщик не сможет сравнить положение ствола с командным сигналом.
Более современный позиционировщик, Fisher DVC6200 (опять же в серой коробке с датчиком давления справа), появляется на следующей фотографии:
Как и более ранний позиционировщик модели 3582, этот DVC6000 использует обратную связь на левой стороне для определения положения ствола клапана.Новейший DVC6200 использует магнитный сенсор эффекта Холла, чтобы почувствовать положение магнита, прикрепленного к стволуЭта немеханическая конструкция обратной связи положения устраняет негативные реакции, износ, помехи и другие потенциальные проблемы, связанные с механическими связями.Лучшая обратная связь имеет решающее значение для лучшего расположения клапана.
Позиционирующие клапаны, как правило, построены для генерации и сброса высоких потоков воздуха, поэтому позиционирующие устройства также функционируют как усилители объема850.позиционировщик не только обеспечивает более точное позиционирование стебля, но также более быстрые скорости ствола (краткие задержки времени) чем клапанные приводы, которые "приводятся в действие" непосредственно датчиком В/В.
3. Вентиль на месте
Еще одним преимуществом добавления позиционирующего клапана к пневматическому клапану управления является то, что клапан лучше запечатывается (жестко закрывается).Это преимущество не очевидно на первый взгляд и поэтому требует объяснения..
Во-первых, следует понимать, что в клапане управления для обеспечения плотной закрытости недостаточно одного контакта между катушкой и сиденьем.катушка должна быть сильно нажата на сиденье, чтобы полностью отключить весь поток через клапанЛюбой, кто когда-либо затягивал ручку протекающего крана (садовый ров) понимает этот принцип интуитивно:определенное количество контактной силы требуется между розеткой и сиденьем, чтобы слегка деформировать две частиТехнический термин для этого механического требования - загрузка сиденья.
Представьте себе пневматический клапан управления открытием с диафрагмой с регулировкой от 3 до 15 ПСИ.диафрагма генерирует достаточно силы, чтобы преодолеть предварительную нагрузку привода, но не достаточно, чтобы снять катушку с сиденья.
Другими словами, при давлении диафрагмы 3 ПСИ катушка соприкасается с сиденьем, но будет мало сил, чтобы обеспечить плотное уплотнение.Если этот клапан управления питается непосредственно от датчика I / P, калиброванного от 3 до 15 ПСИДля того, чтобы катушка была полностью закреплена для плотной уплотнения, клапан должен быть полностью закрыт.все давление воздуха должно быть удалено из диафрагмы, чтобы гарантировать отсутствие силы диафрагмы против пружины.Это невозможно для I/P с калибровочным диапазоном 3-15 Psi.
Теперь представьте, что тот же клапан оснащен позиционировщиком, который получает сигнал от 3 до 15 ПСИ от I / P и использует его в качестве команды (точка настройки) для положения ствола,применение столько или столько же малого давления на диафрагму, сколько необходимо для достижения желаемого положения стволаПравильный способ калибровки позиционировщика заключается в том, чтобы ствол начал подниматься только тогда, когда сигнал поднялся чуть выше 0%,что означает, что при 0% (4mA) позиционировщик будет пытаться заставить клапан в несколько отрицательное положение стволаПри попытке достичь этого невозможного требования, выход позиционирующего устройства достигнет низкой насыщенности, не оказывая давления на управляющую диафрагму,в результате чего ствол клапана оказывает полную силу пружины на сиденье клапанаСравнение двух сценариев показано в таблице ниже:
В то время как позиционировщики полезны для приводов клапанов с пружинами, они абсолютно необходимы для некоторых других типов приводов.Рассмотрим следующий двойной пневматический поршневый приводящий без пружин:
Без пружины, обеспечивающей сдерживающую силу для возвращения клапана в положение "безопасное от сбоев", не существует отношения закона Хука между наложенным давлением воздуха и положением ствола.Позиционировщик должен поочередно накладывать давление воздуха на обе поверхности поршня, чтобы поднять и опустить ствол.
Motorized control valve actuators are another actuator design that absolutely requires some form of positioner system because the motorized unit cannot “sense” the position of its own shaft to move the control valve accuratelyПоэтому, a positioner circuit using a potentiometer or LVDT/RVDT transducer to detect the position of the valve stem and a set of transistor outputs to drive the motor is required to enable the electric actuator to respond to analog control signals.
4. Пневматический позиционировщик баланса сил
Ниже показана простая конструкция пневматического позиционирующего клапана с сбалансированной силой:
Сигнал управления для этого клапана представляет собой пневматический сигнал от 3 до 15 ПСИ от датчика I/P или пневматического контроллера (ни один из них не показан на схеме).Это давление сигнала управления оказывает на силовой пучок силу вверхУвеличение обратного давления в ножовке заставляет пневматическое усилительное реле выводить больше давления воздуха в приводящий механизм клапана,который в свою очередь поднимает ствол клапана (открывает клапан)По мере того, как ствол клапана поднимается, пружина, соединяющая приводящий механизм с стволом клапана, растягивается дальше, применяя дополнительную силу к правой стороне приводящего механизма.Когда эта дополнительная сила сбалансирована с силой меха, система стабилизируется в новой точке равновесия.
Как и при всех системах с балансировкой силы, движение толчок ограничено балансирующей силой, поэтому его движение на практике незначительно.Равновесие достигается, когда одна сила уравновешивает другую., как две команды людей, тянущих за веревку: до тех пор, пока силы двух команд равны по величине и противоположные по направлению, веревка не отклонится от своего исходного положения.
На следующей диаграмме показана установка PMV 1500 для позиционирования привода вращающегося клапана с крышкой (сверху) и нижней (внизу):
Пневматический сигнал управления от 3 до 15 ПС входит в мешок и нажимает на горизонтальный силовой луч (черный).Пневматический пилотный клапан на левой стороне силового луча обнаруживает любое движение и увеличивает давление воздуха на клапан, приводящий диафрагму, если обнаружено любое движение вниз, и высвобождает давление воздуха в приводе, если обнаружено какое-либо движение вверх:
Когда сжатый воздух попадает в приводящий механизм клапана через пилотный клапан, вращающийся клапан начинает вращаться в открытом направлении.Ротационное движение вала преобразуется в линейное движение внутри позиционировщика с помощью камеры: кама - это диск с нерегулярным радиусом, предназначенный для производства линейного смещения из углового смещения:
Следователь ролика, расположенный в конце золотистого луча, движется вдоль окружности камеры.Движение подшипника преобразуется в силы прямого хода путем сжатия катушки пружины непосредственно против силы пневматического метла на силовой пучокКогда движение винтовки достаточно для сжатия пружины, чтобы сбалансировать дополнительную силу, создаваемую пневматическими метлами,силовой луч возвращается в равновесное положение (очень близко к исходному положению) и клапан перестает двигаться.
Если внимательно посмотреть на последнюю фотографию, вы увидите нулевой винт позиционирующего устройства: натянутый стержень, простирающийся ниже золотистого луча.Этот винт регулирует сжатие предвзятого пружины так, что позиционирующее устройство думает, что камера находится в другом положенииНапример, поворачивая этот натянутый стержень по часовой стрелке (поскольку рассматривается с разрезанного конца зацепки отвертки) сжимает пружину еще больше, толкая более темный стержень вверх с большей силой,достигая того же эффекта, что и небольшое поворотное поворотное поворотное поворотное поворотное поворотное поворотное поворотное поворотное поворотноеЭто заставляет позиционировщик действовать и поворачивать вилку по часовой стрелке, чтобы компенсировать, приблизив ее к положению 0%.
Несмотря на то, что подвеска и следопыт в этом механизме позиционирования на самом деле двигаются в ответ на движение стебля,Он все еще может рассматриваться как механизм сбалансировки силы, поскольку перекресток, прикрепленный к пилотному клапану, не движется заметно.Уравняя силы на луче, пилотный клапан всегда находится в уравновешенном положении.
5Динамический балансирующий пневматический позиционировщик
Существуют также конструкции пневматического позиционирования клапана с балансировкой движения, где движение ствола клапана противодействует движению (а не силе) от другого элемента.Следующая схема выреза показывает, как работает простой балансированный позиционировщик движения:
В этом механизме увеличение давления сигнала заставляет луч продвигаться в сторону сопла, что приводит к более высокому обратному давлению сопла,что в свою очередь заставляет пневматическое усилительное реле доставлять больше воздушного давления к приводу клапанаПо мере того как ствол клапана поднимается, движение вверх правого конца луча компенсирует предыдущее продвижение луча в сторону сопла.пучок будет находиться в наклонном положении, где движение метла сбалансировано движением ствола.
Следующая фотография показывает более близкий вид механизма FISHER Model 3582 Pneumatic Balance Positioner:
В центре механизма находится металлическое кольцо в форме буквы D, которое преобразует движение мехла и движение ствола в движение баффла.мех (находящийся в правом верхнем углу кольца D) расширяетсяКогда позиционировщик настроен на непосредственное действие, это качающее движение подталкивает баффл ближе к сопла,который увеличивает обратное давление и доставляет больше сжатого воздуха к приводу клапана:
По мере движения ствола рычаг обратной связи поворачивает камеру в самом низу кольца D.Ролики? следующий? на этой каме переводит движение ствола клапана в другое качающее движение на балкеВ зависимости от того, как камера прикреплена к валю обратной связи, это движение может привести к тому, что клапан будет раскачиваться дальше от сопла или ближе к нему.Направление подвески должно быть выбрано, чтобы соответствовать действию привода: прямой (воздух расширяет ствол клапана) или обратный (воздух втягивает ствол клапана).
Механизм D-кольца довольно изобретателен тем, что он позволяет легко регулировать протяженность, регулируя угол сборки бафлера (зажима) в различных точках вдоль окружности кольца.При установке баффла близко к горизонтали, он будет наиболее чувствителен к движению меха и наименее чувствителен к движению ствола, заставляя клапан двигаться дальше, чтобы уравновесить небольшое движение меха (длина длительного хода).если клапан расположен близко к вертикальной, она будет максимально чувствительна к движению ствола и минимально чувствительна к движению метла, что приводит к очень маленькому ходу клапана (т.е.мельницы должны значительно расшириться, чтобы сбалансировать небольшое количество движения стебля).
6Цифровой позиционировщик клапана
Напомним, что предназначение позиционирующего клапана заключается в том, чтобы обеспечить, чтобы положение механического клапана всегда соответствовало командуемому сигналу.позиционировщик клапана сам по себе на самом деле является замкнутой системой управления: применение максимального или минимального давления на приводе, чтобы всегда достигать заданного положения ствола.и другие физические компоненты для достижения этого управления замкнутым циклом.
Цифровые позиционирующие клапаны (например, модель Fisher DVC6000) используют электронные датчики для обнаружения положения ствола,микропроцессор для сравнения обнаруженного положения ствола с управляющим сигналом посредством математического вычитания (ошибка = положение - сигнал)Ниже приведена упрощенная схема обычного цифрового позиционирования клапана:
Как вы можете видеть на диаграмме, внутренняя структура цифрового позиционирующего клапана очень сложна.но два алгоритма управления работают в тандеме для поддержания правильного положения клапана: один контролирует и контролирует давление, применяемое к приводу (компенсируя изменения давления подачи, которые могут повлиять на положение клапана),и другие контролирует и контролирует положение ствола клапана самого, отправляя каскадные сигналы управления набор регулирования давления.
Сигнал команды (от контроллера цикла процесса, PLC или другой системы управления) сообщает позиционирующему местоположение ствола клапана.Первый контроллер (PI) внутри позиционировщика рассчитывает, сколько давления воздуха необходимо приводу для достижения требуемого положения ствола. Следующий контроллер (PID) управляет преобразователем I / P (текущий к давлению), по мере необходимости для достижения этого давления.два контроллера внутри позиционировщика будут работать вместе, чтобы заставить клапан в правильное положение.
Цифровой позиционировщик клапана не только обеспечивает превосходный контроль положения по сравнению с механическим позиционировщиком клапана, but its array of sensors and digital communication capabilities provide a higher level of diagnostic data for maintenance personnel and supervisory control systems (if programmed to monitor and act on that data).
Диагностические данные, предоставляемые цифровым позиционирователем клапана, включают:
- Давление подачи воздуха
- Давление воздуха в приводе
-- Температура окружающей среды
--Ошибка положения и давления
- Общий пробег ствола (похож на автомобильный километрометр)
Кроме того, микропроцессор, встроенный в цифровой позиционировщик клапана, способен выполнять самотесты, самокалибровку,и другие рутинные процедуры, традиционно выполняемые техниками приборов на механических позиционерах клапанов. The digital valve positioner also captures measurements such as total stem travel to predict when the packing will wear out and automatically sends out maintenance alerts to notify the operator and/or instrument technician when the stem packing needs to be replaced!
7Неисправность датчика положения клапана
Некоторые "умные" позиционировщики клапанов контролируют давление воздуха привода в дополнение к положению ствола,и, таким образом, обладают полезной особенностью поддержания некоторой степени управления клапаном в случае отказа датчика положения стволаЕсли микропроцессор обнаруживает сбой сигнала обратной связи положения (вне диапазона), он может быть запрограммирован на продолжение работы клапана только на основе давления:
То есть давление воздуха на приводе клапана регулируется на основе функции давления / положения, зарегистрированной в прошлом.Он больше не функционирует исключительно как позиционер., но все еще может функционировать как усилитель (по сравнению с частотой потока типичного I / P) и обеспечивать разумное управление клапаном,в то время как любой другой (не интеллектуальный) позиционировщик клапана фактически ухудшит ситуацию, когда он теряет обратную связь о положении ствола.
При любом чисто механическом позиционирователе, если связь обратной связи с положением ствола отклоняется, клапан управления обычно "насыщается" и полностью открывается или полностью закрывается.Это не относится к лучшим "умным" позиционерам.!
8Давление привода и положение ствола
Вероятно, наиболее важными диагностическими данными, предоставляемыми цифровым позиционирователем клапана, является сравнение давления привода с положением ствола, обычно представленное графически.Давление привода является прямым отражением силы, применяемой к стволу приводом, поскольку отношение между силой поршень или диафрагмы и давлением просто F = PA, где площадь (A) является постоянной.сравнение давления воздуха привода к положению ствола на самом деле выражение силы и положения клапанаТакая так называемая характеристика клапана очень полезна для выявления и исправления таких проблем, как чрезмерное трение упаковки, помехи внутреннему оборудованию клапана и проблемы с натяжкой катушек/сидений.
Здесь показан снимок экрана, показывающий характеристику клапанов (взято из программного продукта Emerson ValveLink,части его комплекта AMS) поведения открытого воздухом прямого клапана управления корпуса Fisher E:
Этот график показывает два графика давления привода по отношению к положению ствола, один красным и один синим.
Красный график показывает реакцию клапана в открытом направлении, когда клапан открыт (вверх), требуется дополнительное давление для преодоления трения упаковки.
Синий график показывает, что клапан закрыт, при этом на диафрагму оказывается меньшее давление, чтобы позволить сжатию пружины преодолеть трение упаковки при закрытии клапана (вниз) для отдыха.
Резкие повороты в концах этой схемы показывают положение, в котором ствол клапана достигает своего конечного положения и не может двигаться дальше, несмотря на дальнейшие изменения давления привода.
Согласно закону Хука, который описывает поведение пружин клапана, каждый график примерно линейный,с силой, оказываемой на пружину, пропорциональной смещению (сжатию) этой пружиныЛюбое отклонение от отдельных линейных графиков указывает на наличие сил, кроме сжатия пружины и давления воздуха, действующих на ствол.Вот почему мы видим вертикальный сдвиг в двух участках: трение упаковки - это другая сила, действующая на ствол в дополнение к сжатию пружины и силе, оказываемой давлением воздуха на диафрагму привода.Величина этого смещения относительно мала, а его консистенция указывает на то, что трение упаковки является "здоровым" в этом клапане. Чем больше трение упаковки, испытываемое клапаном, тем больше вертикальное смещение двух графиков.
Резкое падение в левом конце графика, где клапанная розетка соприкасается с сиденьем клапана, называется профилем сиденья.Профиль сиденья расположен в конце диаграммы, где клапан закрыт и содержит много полезной информации о физическом состоянии клапана и сиденьяПоскольку эти внутренние части клапана изнашиваются в контрольном клапане, форма профиля сиденья меняется. Неравномерный профиль сиденья может диагностировать коррозию сиденья, изнашивание или многие другие состояния.
Контуры сидений можно детально изучить, увеличив в левом нижнем конце чертежа характеристик клапана.На следующем рисунке показан профиль сиденья прямопроходного клапана управления Fisher E-body в неповрежденном состоянии.:
Если персонал по техническому обслуживанию объекта достаточно тщательно регистрирует характеристики клапанов его регулирующих клапанов после их сборки или реконструкции,характеристики любого регулирующего клапана могут быть сопоставлены с характеристиками того же регулирующего клапана в любой более поздний период., что позволяет определить износ без необходимости демонтажа клапана для проверки.
Интересно, что это отношение между давлением привода (силой) и положением ствола также относится к цифровым позиционирующим клапанам, используемым в некоторых современных моторизованных клапанах.сила, применяемая к стволу клапана, напрямую связана с током двигателя., который может быть легко измерен и интерпретирован цифровым позиционирующим клапаном.
В результате один и тот же тип диагностических данных может быть представлен графически, даже если используются разные технологии приводов, чтобы упростить диагностику проблем с клапанами.Эти диагностические методы применяются даже для открытия/закрытия моторизованных клапанов, которые не используются в службе подачи газа и особенно применимы к шлюзу, подключения и прямопроходных клапанов управления, где привязка сиденья важна для плотной блокировки.
