Auswahl der Ventilantriebe verstehen

Die Entscheidung, ein Ventil zu automatisieren, basiert in der Regel unter anderem auf Überlegungen wie Sicherheit, zuverlässigem Betrieb und Kosten. Foto mit freundlicher Genehmigung von SVF Flow Controls.

Der wichtigste Schritt bei der Entwicklung einer Ventilspezifikation ist die Festlegung eines Dimensionierungskriteriums.

Die Entscheidung, ein Ventil zu automatisieren, basiert normalerweise auf einer oder allen der folgenden Überlegungen.

Alle Aktuatoren haben mehrere unterschiedliche Zwecke, darunter:Bewegen Sie das VentilVerschlusselement (Scheibe, Kugel oder Stopfen) in die gewünschte Position bringen.Halten Sie das Ventil festVerschlusselement in die gewünschte Position bringen.Setzen Sie das Ventil einSchließelement mit ausreichendem Drehmoment, um die gewünschte Absperrspezifikation bereitzustellen.Geben Sie einen Fehlermodus an im Falle eines Systemausfalls. Je nach Anwendung kann es vollständig geöffnet, geschlossen oder unverändert sein.Sorgen Sie für den erforderlichen Drehweg (90°, 180° usw.). Zu den Ventilen, die eine Drehung von mehr als 90° erfordern, gehören Ventile mit mehreren Anschlüssen.Sorgen Sie für die erforderliche Betriebsgeschwindigkeit.Alle Antriebe können abhängig von den verwendeten Steuerelementen in der Taktgeschwindigkeit geregelt werden.

Manchmal muss sich ein Verfahrenstechniker für ein Prozesssystem zwischen einem pneumatisch oder elektrisch betätigten Ventil entscheiden. Beide Stile haben Vorteile und es ist wichtig, Daten zur Verfügung zu haben, um die beste Wahl treffen zu können.

Bei der Auswahl eines Antriebstyps (pneumatisch oder elektrisch) geht es in erster Linie darum, die effektivste Antriebsquelle für den Antrieb zu bestimmen. Zu berücksichtigende Punkte sind:

Die praktischsten pneumatischen Antriebe nutzen eine Luftdruckversorgung von 40 bis 120 psi (3 bis 8 bar). Im Allgemeinen sind sie für einen Versorgungsdruck von 4 bis 6 bar (60 bis 80 psi) ausgelegt.

Elektrische Stellantriebe werden häufig mit einer 110-VAC-Stromversorgung verwendet, sind jedoch mit einer Vielzahl von Wechsel- und Gleichstrommotoren in einphasiger und dreiphasiger Ausführung erhältlich.

Manchmal ist es schwierig, den Einsatz elektrischer Stellantriebe in gefährlichen Umgebungen zu rechtfertigen. Wenn jedoch keine Druckluft verfügbar ist oder ein pneumatischer Stellantrieb nicht die erforderlichen Betriebseigenschaften bietet, kann ein elektrischer Stellantrieb mit einem ordnungsgemäß klassifizierten Gehäuse verwendet werden.

Fast alle Hersteller elektrischer Stellantriebe haben die Möglichkeit, eine Version ihrer Standardproduktlinie zu erwerben, die NEMA VII entspricht. Eine weitere Quelle für Hinweise zu Gefahrenbereichen ist ATEX.

Andererseits sind pneumatische Antriebe von Natur aus „explosionsgeschützt“. Wenn elektrische Steuerungen mit pneumatischen Antrieben in explosionsgefährdeten Bereichen verwendet werden, sind sie im Allgemeinen kostengünstiger als elektrische Antriebe. Magnetgesteuerte Vorsteuerventile (bei denen es sich um elektrische Geräte handelt) können in einem ungefährlichen Bereich montiert und mit Strom versorgt und an den Aktuator angeschlossen werden. Endschalter – zur Positionsanzeige – können in einem NEMA VII-Gehäuse untergebracht werden. Die inhärente Sicherheit pneumatischer Antriebe in explosionsgefährdeten Bereichen macht sie zu einer praktischen Wahl für diese Anwendungen.

Ein weiteres Sicherheitszubehör, das in der Prozessindustrie bei Ventilantrieben weit verbreitet ist, ist die Option mit Federrückstellung (Fail-Safe). Bei Strom- oder Signalausfall treibt ein Federrückstellantrieb das Ventil in eine vorgegebene sichere Position. Dies ist eine praktische und kostengünstige Option bei pneumatischen Antrieben und ein wichtiger Grund für die breite Verwendung pneumatischer Antriebe in der gesamten Branche.

Elektrische Stellantriebe sind mit einer Federrücklaufoption oder einem Batterie-Backup-System erhältlich, um eine vorhersehbare „Fehler“-Positionierung zu ermöglichen.

Bevor ein pneumatischer oder elektrischer Stellantrieb für die Ventilautomatisierung spezifiziert wird, ist es wichtig, einige der wichtigsten Leistungsmerkmale jedes einzelnen zu berücksichtigen.

Auslastungsgrad: Pneumatische Antriebe haben eine Einschaltdauer von 100 %. Tatsächlich arbeiten sie umso besser, je härter sie arbeiten. Elektrische Stellantriebe sind am häufigsten mit Motoren mit 25 % Einschaltdauer erhältlich. Das bedeutet, dass der Motor häufig ruhen muss, um eine Überhitzung bei Anwendungen mit hoher Zyklenzahl zu verhindern. Da die meisten automatisierten Ein-/Aus-Ventile 95 % der Zeit im Leerlauf bleiben, ist die Einschaltdauer normalerweise kein Problem. Mit optionalen Motoren und/oder Kondensatoren kann ein elektrischer Aktuator auf 100 % Einschaltdauer aufgerüstet werden.

Abwürgen: Pneumatikantriebe können unbegrenzt blockiert werden, ohne dass es zu einer Überhitzung kommt. Elektrische Antriebe sollten nicht blockiert werden. Das Abwürgen eines elektrischen Stellantriebs führt zu einer übermäßigen Stromaufnahme, wodurch Hitze im Motor entsteht und Schäden verursacht werden können. Zum Schutz des Motors werden in elektrischen Stellantrieben häufig Drehmomentschalter oder Wärme- und Stromsensoren eingebaut.

Geschwindigkeitskontrolle: Die Möglichkeit, die Geschwindigkeit eines pneumatischen Aktuators zu steuern, ist ein wichtiger Vorteil der Konstruktion. Die einfachste Möglichkeit, die Geschwindigkeit zu steuern, besteht darin, den Aktuator mit einer variablen Öffnung (Nadelventil) an der Auslassöffnung des Luftpiloten auszustatten. Da es sich bei elektrischen Stellantrieben um Getriebemotoren handelt, ist es nicht möglich, sie schneller laufen zu lassen, ohne dass ein Getriebewechsel vorgenommen wird. Für einen langsameren Betrieb kann optional eine Pulsschaltung hinzugefügt werden.

Modulierende Regelung: Im Modulationsbetrieb lässt sich ein elektrischer Aktuator gut mit vorhandenen elektronischen Steuerungssystemen verbinden und macht elektropneumatische Steuerungen überflüssig. Ein pneumatischer oder elektropneumatischer Stellungsregler wird mit pneumatischen Stellantrieben verwendet, um die Ventilstellung zu steuern.

Diese Kennlinientabelle (Tabelle 1 links) fasst den Vergleich von pneumatischen und elektrischen Antrieben zusammen.

Der wichtigste Schritt bei der Entwicklung einer automatisierten Ventilspezifikation ist die Festlegung eines Dimensionierungskriteriums. Wenn ein Ventil in einem Prozess betrieben werden soll, in dem saubere Flüssigkeiten bei moderaten Drücken und Temperaturen verarbeitet werden, ist das vom Hersteller veröffentlichte Betriebsdrehmoment normalerweise für die Dimensionierung des Stellantriebs ausreichend. Unter bestimmten Bedingungen kann sich jedoch das zum Betätigen eines Ventils erforderliche Drehmoment erhöhen. In diesem Fall muss möglicherweise ein Sicherheitsfaktor für die Dimensionierung angewendet werden, der auf den folgenden Richtlinien in Tabelle 2 links basiert.

HINWEIS: Wenden Sie sich an den Ventilhersteller, um spezifische Empfehlungen zum Sicherheitsfaktor zu erhalten.

Wayne Ulanski ist Präsident von SVF Flow Controls und seit vielen Jahren ein einflussreiches Mitglied der Ventil- und Aktor-Community. SVF Flow Controls ist die technische Abteilung für Durchflusskontrolle von Matco-Norca.