محرک پنوماتیکی یک مجموعه از جزء یک شیر کنترل است که نیرو و حرکتی را برای عملکرد یک شیر بر اساس سیگنال کنترل دریافتی ارائه می دهد. عملگرها به محرک هایی گفته می شود که به منبع انرژی نیاز دارند که می تواند از نوع پنوماتیک، هیدرولیک یا الکتریکی باشد. بنابراین اساساً عملگرها سیگنال پنوماتیک، هیدرولیک یا الکتریکی را به نیرو و حرکت تبدیل می کنند تا دریچه را به سمت بسته شدن یا باز شدن حرکت دهند.
یک طراحی ساده از محرک پنوماتیک به صورت زیر نشان داده شده است:
طبقه بندی محرک ها
طبقه بندی محرک منطقه وسیعی برای بررسی است. انواع مختلفی از محرک ها برای عملکرد یک شیر کنترل وجود دارد. طبقه بندی گسترده ای در زیر آورده شده است.
طبقه بندی محرک بر اساس حرکت
- محرک خطی
- محرک چرخشی
طبقه بندی محرک بر اساس طراحی
- محرک دستی
- محرک دیافراگم
- محرک پیستون
- محرک های رک و پینیون
طبقه بندی محرک بر اساس منبع کنترل
- محرک های پنوماتیکی
- محرک های هیدرولیک
- محرک های الکتریکی (موتوری)
- محرک های الکترو هیدرولیک
- محرک های گازی
طبقه بندی محرک بر اساس پورت های فعال
- سینگل
- دبل
طبقه بندی محرک بر اساس اقدامات کنترلی/عملکرد شکست
- محرک مستقیم (هوا برای باز کردن / بسته شدن با شکست)
- عملگر معکوس (هوا برای بسته شدن/باز نشدن)
- نوع قفل نشد
طبقه بندی محرک بر اساس حرکت
محرک یک منبع انرژی کنترل شده را دریافت می کند و به حرکت تبدیل می کند که حرکت می تواند از نوع خطی یا چرخشی باشد. هنگامی که عملگرها حرکت خط مستقیم را برای عملکرد شیر فراهم می کنند، به عنوان محرک خطی نامیده می شوند. و هنگامی که سیگنال/انرژی کنترلی به دریچه محرک در حرکت دایره ای، به آن محرک چرخشی گفته می شود. با این حال محرک خطی همچنین می تواند خروجی چرخشی را با کمک چرخ دنده های مکانیکی ارائه دهد. و خروجی خطی را می توان با استفاده از محرک های دوار مانند با استفاده از دنده مکانیکی / مونتاژ تبدیل به دست آورد.
یک نمودار ساده برای محرک خطی و چرخشی به صورت زیر نشان داده شده است:
طبقه بندی محرک بر اساس طراحی
محرک دستی
محرک‌های دستی آنهایی هستند که برای راه‌اندازی یک شیر در آنها مداخله دستی لازم است. برای جابجایی محرک های دستی نیازی به هیچ نوع منبع انرژی نیست. از این عملگرها می توان برای کنترل حرکت خطی یا دریچه های چرخشی استفاده کرد. محرک دستی از مکانیزم اهرم و دنده برای فعال کردن حرکت سوپاپ استفاده می کند. محرک های دستی با مکانیزم های عملکردی متفاوت به شرح زیر ارائه می شوند:
- محرک های دستی با دسته
- محرک دستی با گیربکس
- محرک دستی با چرخ زنجیر / نوار زنجیر
محرک دیافراگمی
محرک های دیافراگمی رایج ترین نوع هستند که به طور گسترده در کاربردهای صنعتی استفاده می شود. یک دیافراگم انعطاف پذیر در بین دو محفظه قرار می گیرد. در یک طرف دیافراگم (با صفحه) از مجموعه فنری استفاده شده است که فنری را در مقابل نیروی ایجاد شده در محفظه فشار محرک نگه می دارد تا موقعیت ایمن خرابی را فراهم کند. طرف دیگر دیافراگم، فشار کنترل شده (تامین هوا) اعمال می شود که منجر به نیروی موقعیت یابی ساقه برای عملکرد شیر می شود.
این نوع محرک را تک اثر با نیروی موقعیت یابی برگشت فنر برای حرکت خطی می نامند. قطعات محرک به گونه‌ای طراحی شده‌اند که محرک را می‌توان در دو موقعیت ایمن مونتاژ کرد (باز کردن یا بسته شدن ناموفق). مزیت اصلی محرک دیافراگم، سادگی (طراحی) آن است که باعث کاهش تعمیر و نگهداری و قطعات می شود. قطعات یک محرک دیافراگمی معمولی به شرح زیر است:
چندین پیکربندی از محرک دیافراگمی وجود دارد که در زیر ذکر شد:
محرک پیستون
محرک های پیستونی نوع دیگری از محرک ها هستند که به طور گسترده در محرک های صنعتی استفاده می شود. از یک مجموعه سیلندر پیستون برای ایجاد حرکت نهایی ساقه متصل به پیستون استفاده می کند. محرک پیستون دارای پیکربندی یا نوع برگشت فنری یا دو عملگر برای عملکرد شیر است. در فنر بازگشت به شکست موقعیت ایمن می تواند باز یا بسته باشد. در محرک پیستونی نوع برگشت فنری، فشار کنترل شده به انتهای دیگر پیستون اعمال می شود. هنگامی که یک محرک پیستون برای عملکرد دوگانه استفاده می شود، فشار کنترل شده در هر دو طرف پیستون اعمال می شود. هنگامی که حداکثر فشار در یک انتها اعمال می شود، سوپاپ را کاملا باز کنید. و هنگامی که حداکثر فشار در انتهای دیگر اعمال شد، سوپاپ را کاملا بسته کنید. عملگرهای پیستونی می توانند به صورت پنوماتیک و یا فشار هیدرولیک کار کنند. قسمت های مختلف یک محرک پیستونی معمولی به صورت زیر نشان داده شده است:
محرک های رک و پینیون
نوع دیگری از محرک، محرک Rack & pinion است که بیشتر برای کاربردهای روشن و خاموش (یعنی باز و بسته کردن شیرها) شیرهای یک چهارم چرخشی مانند شیرهای پروانه ای، توپی، پلاگ و دمپرها معمولاً در کاربردهای صنعتی استفاده می شود. “رک و پینیون” یک اصطلاح عمومی برای یک جفت چرخ دنده است که حرکت خطی را به حرکت چرخشی تبدیل می کند. یک میله دنده خطی به نام “رک” دندانه ها را روی یک چرخ دنده دایره ای به نام “پینیون” درگیر می کند. نیروی خطی اعمال شده بر روی قفسه باعث ایجاد حرکت چرخشی پینیون می شود. یک ساختار ساده از محرک به صورت زیر نشان داده شده است:
مکانیزم Rack & Pinion از دو قفسه پیستونی استفاده می‌کند که در جهت مخالف حرکت می‌کنند تا نیروهای متعادل روی پینیون را تضمین کنند. به طور معمول، فشار هوای پنوماتیک برای تغذیه محرک استفاده می شود. با اعمال فشار به قفسه های پیستون می توان پینیون را به موقعیت مورد نظر چرخاند. پایین پینیون به میل شیر متصل می شود تا با چرخش پینیون شیر باز و بسته شود. این عملگرها در دو ساختار موجود هستند:
بازگشت فنری: بازگشت فنری مکانیکی برای کاربردهای ایمن است و می توان آن را برای عملکرد ایمنی Fail Close یا Fail Open مونتاژ کرد.
عملکرد دوگانه: محرک های دوگانه را می توان برای عملکرد ایمنی “قفل نشدن موقعیت” استفاده کرد.
قسمت های مختلف یک محرک رک و پینیون به صورت زیر نشان داده شده است:
طبقه بندی محرک بر اساس منبع کنترل
محرک های پنوماتیکی
محرک‌های پنوماتیکی دستگاه‌های مکانیکی ساده‌ای هستند که از سیگنال پنوماتیک یا فشار هوا برای حرکت مکانیزم شیر استفاده می‌کنند، یعنی سیگنال پنوماتیک کنترل‌شده برای فشار دادن یک دیافراگم انعطاف‌پذیر یا یک پیستون در برابر فنر مکانیکی استفاده می‌شود که منجر به عمل مکانیکی یا ضربه شیر می‌شود. مزیت کلیدی این طراحی این است که یک محرک پنوماتیکی همیشه می تواند به یک شرایط ایمن از پیش تعریف شده برسد، حتی پس از از دست دادن منبع تغذیه اولیه خود (فشار هوا یا سیگنال الکتریکی به اجزای کنترل). امروزه مهمترین عامل تمایز بین محرک های پنوماتیکی و الکتریکی است. تقریباً همه محرک‌ها از محرک‌های تک‌عملی برگشت فنری طراحی شده‌اند (برخلاف عملکرد دوگانه). عملگرهای پنوماتیکی به طور گسترده در پالایشگاه ها، پتروشیمی ها، صنایع گاز، صنایع داروسازی و کارخانه های کود و غیره استفاده می شود.
یک محرک پنوماتیک برگشت فنر ساده در شکل نشان داده شده است:
ویژگی های مثبت اکچویتور های پنوماتیکی
از ویژگی های مثبت اکچویتور پنوماتیکی می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- سیستم های پنوماتیکی با فشار هوا کار می کنند که یک محیط سیال ایمن است.
- همه انواع موقعیت های ایمن در دسترس هستند و می توان آنها را با محرک پنوماتیک پیکربندی کرد.
- تجهیزات کنترل پنوماتیک به طور گسترده در دسترس و نسبتا ارزان هستند.
- سیستم های کنترل پنوماتیک را می توان برای دستیابی به طیف وسیعی از عملکردها پیکربندی کرد.
- از محرک های پنوماتیکی سنگین می توان برای تعدیل برنامه ها استفاده کرد.
- عملگرهای پنوماتیکی امکان کارکرد با سرعت بسیار بالا را فراهم می کنند.
- محرک های پنوماتیکی برای کاربرد دریچه های اندازه کوچک تا متوسط ترجیح داده می شوند
ویژگی های منفی اکچویتور های پنوماتیکی
از ویژگی های منفی اکچویتور می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- عملگرهای پنوماتیکی معمولاً با توجه به استفاده از اجزای کنترلی مانند شیرهای برقی، تنظیم کننده‌های فیلتر هوا و سایر ابزار دقیق پنوماتیک، گران‌تر از محرک‌های الکتریکی گشتاور معادل هستند.
- در حال حاضر، محرک های پنوماتیکی به راحتی در مدیریت پایگاه داده الکترونیکی ادغام نمی شوند.
- با افزایش اندازه سوپاپ، اندازه محرک پنوماتیکی نیز افزایش می‌یابد که منجر به کندی عملکرد شیر می‌شود.
- برای اندازه بزرگتر محرک، از سیلندرهای پنوماتیکی بزرگتر استفاده می شود که حجم هوای بسیار بالایی را ذخیره می کند، که منجر به هزینه انرژی بیشتر برای هوای فشرده و وزن بالا بر روی پشتیبانی ساخت لوله می شود.
محرک هیدرولیک
محرک های هیدرولیک محرک هایی هستند که از سیگنال هیدرولیک یا فشار سیال (بیشتر روغن) برای حرکت مکانیزم سوپاپ استفاده می کنند، یعنی فشار روغن هیدرولیک کنترل شده برای فشار دادن پیستون به جای دیافراگم در برابر فنر مکانیکی یا فشار متعادل کننده استفاده می شود که منجر به عمل مکانیکی یا ضربه سوپاپ می شود. بنابراین روغن هیدرولیک فشار بالا به پیستون اعمال می شود تا فشار سیال را به نیروی مکانیکی تبدیل کند. بنابراین لازم است که پیستون (رتبه فشار) برای اعمال فشار بالا طراحی شود. در اینجا سیال هیدرولیک (روغن) مورد استفاده برای محرک ها ماهیتی غیر قابل تراکم دارند و خاصیت روان کنندگی آن به غلبه بر مشکل اصطکاک محرک های پیستونی کمک می کند. فشار روغن هیدرولیک توسط یک پمپ موتور الکتریکی که از طریق یک مخزن روغن متصل است، تولید می شود. فشار روغن تا 400 بار (6000 PSI) قابل استفاده است. محرک های هیدرولیک برای اعمال نیروی بسیار زیاد استفاده می شود. یک نیاز اساسی سیستم هیدرولیک از جمله مجموعه محرک هیدرولیک در زیر آورده شده است:
- مخزن روغن
- سیستم مانیتورینگ دمای روغن
- بخاری
- پمپ موتور الکتریکی
- سیستم مانیتورینگ فشار در مراحل مختلف
- ریلیف ولو
- چک ولو ها
- فیلتر ذرات و فیلتر جذب کننده رطوبت
- شیرهای دستی، شیر برقی
- مبدل I/H
- شیلنگ/لوله فشار قوی
- مجموعه سیلندر پیستون (محرک)
یک بلوک دیاگرام ساده از سیستم هیدرولیک و محرک در زیر آورده شده است:
چند نکته برای یادآوری
محرک‌های هیدرولیک عمدتاً برای موقعیت ایمن از کار افتادن برای قفل کردن محرک طراحی شده‌اند و موقعیت بسته یا شکست با عملکرد باز شدن ESD به دست می‌آید. لازم به ذکر است که رهاسازی فشار سیال در اتمسفر باز امکان پذیر نیست، بنابراین بازگشت سیال به مسیر مخزن به صورت اضافی فراهم می شود.
محرک های هیدرولیک هم برای عملکرد خطی و هم برای عملکرد چرخشی طراحی شده اند. از آنجایی که فشار سیال بسیار بالا است، بنابراین بازرسی دوره ای لوله ها، شیلنگ ها در فواصل منظم به شدت توصیه می شود.
محرک های الکتریکی (موتوری) MOV
محرک های الکتریکی یا شیر های موتوری (MOV) برای کاربردهای بزرگ شیر مانند دمپر استفاده می شود. یک موتور الکتریکی برای کنترل موقعیت سوپاپ یا برای کاربرد خاموش و روشن از طریق مدار کنترل موتور ترتیب داده شده است که سیگنال کنترل را دریافت می کند و چرخش مورد نیاز را تولید می کند. پیشرفت در طراحی موتور و مدارهای کنترل موتور، فناوری سوپاپ موتوری (MOV) را به حدی رسانده است که در حال حاضر با فناوری‌های محرک قدیمی مانند پنوماتیک در راه‌اندازی شیر های گاز نیز رقابت می‌کند.
یک نمودار ساده از شیر موتوری در شکل نشان داده شده است:
ویژگی های منفی
- محرک های الکتریکی دقت موقعیت یابی فوق العاده ای را برای کنترل یا تعدیل عملکرد شیر فراهم می کنند.
- از آنجایی که محرک الکتریکی از نیروی الکتریکی برای کار استفاده می کند که نسبتاً ارزان، مدیریت آسان و به طور معمول در اکثر سایت های صنعتی در دسترس است.
- محرک های الکتریکی درجه بالایی از نظارت بر فرآیند، ثبت داده ها و بازخورد اطلاعات را ارائه می دهند.
- هزینه سرمایه محرک های الکتریکی معمولاً به ازای واحد معادل گشتاور/ رانش خروجی ارزان تر است.
- تمام عملکردهای کنترلی لازم مانند نظارت بر موقعیت باز، بسته و دریچه گاز جزء محرک های الکتریکی هستند.
- محرک های الکتریکی با فعال کردن کنترل توزیع شده به طور قابل توجهی هزینه های سیم کشی کنترل را کاهش می دهند. آنها منطق کنترل را با ادغام دستورات کنترل و بازخورد در سیستم های SCADA یا DCS مشتری ساده می کنند.
- با افزایش نیاز به گشتاور و رانش، محرک های الکتریکی وزن کمتری دارند و در مقایسه با محرک های پنوماتیکی ردپای کوچکتری دارند.
- محرک های الکتریکی ممکن است با گیربکس های خارجی ترکیب شوند تا مقادیر نیروی رانش و گشتاور بسیار بالایی تولید کنند.
محرک های الکترو هیدرولیک (EHA)
محرک های الکتروهیدرولیک اساساً نوعی از محرک های هیدرولیک با فشرده سازی منحصر به فرد خود هستند. این عملگرها، محرک های مستقل تنها با توان الکتریکی هستند. محرک های الکتروهیدرولیک نیاز به پمپ ها و لوله های هیدرولیک جداگانه را از بین می برند. در شکل اصلی خود، محرک‌های الکتروهیدرولیک یک موتور محرک الکتریکی و مجموعه پمپ را برای تحت فشار قرار دادن ذخیره‌ای از سیال هیدرولیک، یک گروه کنترل هیدرولیک برای کنترل عملکرد باز و/یا بسته کردن، و یک سیلندر هیدرولیک با پیستون و میل محرک ترکیب می‌کنند. شیر فلکه. این طراحی اولیه را می توان به گونه ای گسترش داد که طیف وسیعی از اجزای کنترل الکتریکی یا الکترونیکی را در بر گیرد و قابلیت های فرمان و بازخورد معادل با محرک های الکتریکی را فراهم کند. کنترل موقعیت اغلب یکپارچه است، یعنی یک عنصر تعادل نیرو با یک سیگنال ورودی الکتریکی به طور کلی (4 تا 20) میلی آمپر و بازخورد مربوطه از طریق فنر برد.
یک ساختار ساده از محرک الکترو هیدرولیک با عملکرد کنترل آن به صورت زیر نشان داده شده است:
یک سیستم نازل فلپر فشار کنترل شده را در داخل سیلندر هیدرولیک دو اثره از طریق یک شیر فشار قوی هیدرولیک ویژه تا رسیدن به موقعیت مورد نظر میل سوپاپ فراهم می کند. این منجر به یک رابطه متناسب بین سیگنال ورودی و حرکت سوپاپ (سکته مغزی) می شود. مانند یک محرک الکترومکانیکی، امکان معکوس کردن جهت حرکت و نیرو وجود دارد. اگر یک نیروگاه دارای محرک های الکترو هیدرولیک متعدد باشد، اغلب از یک واحد هیدرولیک مرکزی استفاده می شود.
ویژگی های مثبت
- رانش محرک بسیار بالا قابل دستیابی است.
- نرخ کنترل نسبتاً بالا (سرعت نوازش) ممکن است.
- سفتی بالا (سفتی سفر) نوسانات ساقه سوپاپ را کاهش می دهد.
- موقعیت خرابی خودکار در صورت اتلاف انرژی کمکی.
ویژگی های منفی
- بسیار سنگین، ساخت و ساز گسترده، گران قیمت.
- در بیشتر موارد، هر موقعیت نصب مناسب نیست.
- حفاظت در برابر انفجار فقط با هزینه بالا قابل دستیابی است.
- برای دماهای بسیار بالا و پایین مناسب نیست.
- حساس به شرایط خدمات سخت، تعمیر و نگهداری مکرر مورد نیاز است
محرک های گازی
محرک های گازی به طور خاص برای کار با گاز طبیعی با فشار بالا یا هر سیال پنوماتیک یا هیدرولیک فشار بالا طراحی شده اند. این محرک‌ها برای کاربردهای خط لوله که در آن هیچ منبع خارجی نیروی محرکه وجود ندارد، ایده‌آل هستند و یک طراحی سنگین قوی و عمر طولانی با فواصل نگهداری پیشرو در صنعت ارائه می‌کنند. این باعث می شود آنها محرک انتخابی برای نصب در تاسیسات راه دور یا بدون سرنشین باشند. دو نوع محرک گازی وجود دارد.
