0086 15335008985
Trong tự động hóa công nghiệp hiện đại, việc chọn loại thiết bị truyền động phù hợp có thể xác định xem hệ thống có chạy chính xác hay bị lỗi khi tải hay không. Thiết bị truyền động điện đã trở thành xương sống của việc kiểm soát quá trình trong dầu khí, xử lý nước, sản xuất điện và sản xuất. Không giống như các lựa chọn thay thế bằng khí nén hoặc thủy lực, bộ truyền động điện cung cấp khả năng lắp đặt sạch hơn, điều khiển có thể lập trình và tích hợp phản hồi chặt chẽ hơn. Nhưng không phải tất cả các bộ truyền động điện đều giống nhau - công suất cơ học, loại chuyển động và phạm vi mô-men xoắn của chúng khác nhau đáng kể tùy thuộc vào ứng dụng.
Hướng dẫn này chia nhỏ ba loại chính được sử dụng trong môi trường công nghiệp: bộ truyền động điện nhiều vòng, một phần tư và tuyến tính. Mỗi loại phục vụ một chức năng cơ học riêng biệt và việc hiểu những khác biệt đó là rất quan trọng đối với các kỹ sư đưa ra quyết định mua sắm hoặc thiết kế.
Thiết bị truyền động điện công nghiệp là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành chuyển động cơ học để vận hành van, bộ giảm chấn, cổng hoặc các bộ phận điều khiển dòng chảy khác. Cơ chế cốt lõi thường bao gồm một động cơ điện điều khiển hộp số, sau đó tạo ra mô-men xoắn hoặc lực đẩy cần thiết. Các thiết bị điện tử tích hợp xử lý phản hồi vị trí, chuyển mạch giới hạn và liên lạc với các hệ thống điều khiển như SCADA, DCS hoặc PLC.
Sự chuyển đổi sang truyền động bằng điện đã tăng tốc vì một số lý do:
Các ước tính của ngành cho thấy thiết bị truyền động điện hiện chiếm hơn 35% trong tổng số lắp đặt tự động hóa van mới trên toàn cầu, với thị phần tăng khoảng 6% mỗi năm khi các cơ sở theo đuổi các chương trình chuyển đổi kỹ thuật số.
Bất kể loại chuyển động đầu ra nào, các bộ truyền động điện công nghiệp đều có chung kiến trúc bên trong:
| thành phần | chức năng | Công nghệ chung |
|---|---|---|
| Động cơ điện | Tạo ra năng lượng quay | Cảm ứng AC, DC không chổi than, bước |
| Hộp số/Tàu dẫn động | Tăng mô-men xoắn, giảm tốc độ | Bánh răng trục vít, bánh răng trụ, bánh răng hành tinh |
| Cảm biến vị trí | Báo cáo vị trí van hoặc thân | Chiết áp, bộ mã hóa, bộ phân giải |
| Điều khiển điện tử | Giải thích tín hiệu, điều khiển động cơ | PCB với vi điều khiển, cầu H |
| Công tắc giới hạn | Xác định ranh giới cuối hành trình | Cam cơ, từ tính, quang học |
| Ghi đè thủ công | Cho phép thao tác bằng tay khi mất điện | Tay quay có cơ cấu giảm ly hợp |
| bao vây | Bảo vệ nội bộ khỏi môi trường | Nhôm hoặc không gỉ, được xếp hạng IP67/IP68 |
A Thiết bị truyền động điện đa vòng tạo ra đầu ra quay liên tục đòi hỏi nhiều hơn một vòng quay đầy đủ để hoàn thành hành trình van. Loại này chủ yếu được sử dụng để vận hành van cổng, van cầu, cửa cống và van bi thân tăng trong đó thân phải di chuyển qua nhiều vòng để đạt đến vị trí mở hoàn toàn hoặc đóng hoàn toàn.
Động cơ điện dẫn động một bộ bánh răng trục vít hoặc bộ bánh răng xoắn ốc đồng thời giảm tốc độ và nhân mô-men xoắn. Đầu ra thường được phân phối thông qua đai ốc trục hoặc ống dẫn động được tiêu chuẩn hóa, gắn trực tiếp vào trục tăng hoặc không tăng của van. Bởi vì trục đầu ra quay liên tục theo một hướng để mở và quay ngược lại để đóng nên việc theo dõi vị trí chính xác là điều cần thiết.
Bộ truyền động nhiều vòng được thiết kế cho các ứng dụng mô-men xoắn cao. Các đơn vị công nghiệp thường trải rộng trong các phạm vi sau:
Thời gian vận hành động cơ trên mỗi hành trình liên quan trực tiếp đến tỷ số truyền và tốc độ động cơ, thường dao động từ 15 giây đến vài phút tùy thuộc vào số vòng quay yêu cầu và tốc độ đầu ra đã chọn.
Khi chỉ định bộ truyền động điện nhiều vòng cho một dự án công nghiệp, các kỹ sư phải đánh giá các thông số sau đối với các yêu cầu về van và quy trình:
| tham số | Phạm vi điển hình | Tác động đến việc lựa chọn |
|---|---|---|
| đầu ra Torque | 10 - 32.000 Nm | Phải vượt quá mô men xoắn của van với hệ số an toàn |
| Số lượt | 1,5 - 500 lượt | Xác định tỷ số truyền và thời gian hành trình |
| Điện áp cung cấp | Điện xoay chiều 110V, 220V, 380V, 480V | Phải phù hợp với cơ sở hạ tầng điện của trang web |
| Chu kỳ nhiệm vụ | 15 phút, 30 phút, S2/S4 | Xác định tần số hoạt động cho phép |
| bao vây Rating | IP65 đến IP68 | Quản lý sự phù hợp cho việc sử dụng dưới nước hoặc ngập nước |
| Giao thức truyền thông | 4-20mA, HART, PROFIBUS | Phải tương thích với hệ thống điều khiển hiện có |
Thiết bị truyền động nhiều vòng xuất hiện trong hầu hết mọi lĩnh vực của ngành công nghiệp nặng. Các trường hợp sử dụng định kỳ bao gồm van cổng thân tăng trên đường ống nước chính, van cầu trên đầu điều khiển hơi nước, cửa cống trong xử lý nước thải và van cổng dao trong mạch bùn khai thác mỏ. Trong mỗi trường hợp, khả năng điều chỉnh dòng chảy tại bất kỳ điểm nào trong hành trình của thân van — không chỉ ở vị trí mở hoàn toàn hoặc đóng hoàn toàn — là một lợi thế nổi bật so với các lựa chọn bật/tắt đơn giản hơn.
A Thiết bị truyền động điện quay quý cung cấp chính xác góc quay 90 độ để mở hoặc đóng van. Danh mục này bao gồm các van bi, van bướm, van cắm và bộ giảm chấn - tất cả đều chuyển từ mở hoàn toàn sang đóng hoàn toàn thông qua một phần tư vòng quay của trục.
Động cơ dẫn động một bộ truyền bánh răng giảm tốc tạo ra góc quay 90 độ với mô-men xoắn cao ở tốc độ thấp. Khớp nối đầu ra tuân theo tiêu chuẩn ISO 5211, tiêu chuẩn này xác định kích thước mặt bích lắp và hình dạng ổ cắm truyền động. Tiêu chuẩn hóa này cho phép một mô hình thiết bị truyền động duy nhất được gắn trên nhiều nhà sản xuất van mà không cần bộ điều hợp tùy chỉnh.
Bộ truyền động quay một phần tư tạo ra mô-men xoắn đầu ra được hiệu chỉnh theo mô-men điện trở của van tại điểm đòi hỏi khắt khe nhất trong hành trình. Đối với van bi, điểm đó thường là giữa hành trình khi lỗ khoan ở góc 45 độ để chảy và chênh lệch áp suất là cao nhất. Các quy ước về kích thước thường áp dụng hệ số an toàn từ 1,25 đến 1,5 so với mô-men xoắn định mức của van.
Nhiều ứng dụng quay một phần tư yêu cầu van di chuyển đến một vị trí xác định khi mất nguồn hoặc tín hiệu điều khiển. Điều này đạt được thông qua hai cơ chế chính:
| Cơ chế an toàn thất bại | Nguyên tắc hoạt động | Phù hợp nhất cho |
|---|---|---|
| Mùa xuân trở về | Van điều khiển lò xo tích điện khi mất điện | Hệ thống ngắt an toàn, đường dây phòng cháy chữa cháy |
| Pin dự phòng (ESD) | Động cơ điều khiển pin trên bo mạch bị mất tín hiệu | Van tắt khẩn cấp có kiểm soát thời gian hành trình |
| Trở lại tụ điện | Xả tụ điện để dẫn động động cơ | Van cách ly tác dụng nhanh |
Thiết kế hồi xuân làm tăng thêm độ phức tạp về mặt cơ học và yêu cầu kiểm tra lò xo định kỳ, trong khi thiết kế pin và tụ điện cung cấp các vị trí hỏng hóc có thể lập trình bao gồm cả hỏng hóc tại chỗ, giúp giữ van ở vị trí đã biết cuối cùng khi mất tín hiệu.
Bộ truyền động quay vòng một phần tư có hai loại chức năng. Bộ phận bật/tắt chỉ cần điều khiển van đến mức dừng cứng và được tối ưu hóa để chuyển đổi tốc độ và độ bền. Bộ điều biến bổ sung khả năng điều khiển vị trí tỷ lệ với đầu vào điều khiển 4-20mA hoặc 0-10V, cho phép van giữ bất kỳ góc nào trong khoảng từ 0 đến 90 độ dựa trên tín hiệu yêu cầu của quá trình. Bộ truyền động điều biến yêu cầu phản hồi vị trí có độ phân giải cao hơn và các thiết bị điện tử điều khiển phức tạp hơn nhưng vẫn cung cấp khả năng điều chỉnh lưu lượng cần thiết trong các ứng dụng điều tiết quy trình.
Khi đầu ra quay không thực tế hoặc khi thiết kế van yêu cầu chuyển động thẳng của thân van, thì bộ truyền động điện tuyến tính (còn gọi là bộ truyền động điện dạng lót trong danh mục công nghiệp) sẽ cung cấp giải pháp. Các bộ phận này chuyển chuyển động quay của động cơ thành lực đẩy dọc trục thông qua cơ cấu vít me, vít bi hoặc vít con lăn.
Loại vít chi phối hiệu quả, khả năng chịu tải và tuổi thọ sử dụng:
Công suất bộ truyền động tuyến tính được xác định bởi lực đẩy và chiều dài hành trình, thay vì mô-men xoắn và số vòng quay:
| lớp học | Lực đẩy đầu ra | Chiều dài hành trình | Loại van điển hình |
|---|---|---|---|
| Công nghiệp nhẹ | 0,5 kN - 5 kN | 25 - 150mm | Van điều khiển, van cầu nhỏ |
| Công nghiệp vừa | 5 kN - 50 kN | 100 - 400 mm | Van cổng, van màng |
| Công nghiệp nặng | 50 kN - 200 kN | 300 - 1.000 mm | Van cổng lớn, cổng dao, cửa cống |
Bộ truyền động điện tuyến tính cạnh tranh trực tiếp với xi lanh khí nén để chuyển động theo đường thẳng. Sự khác biệt hiệu suất chính bao gồm:
Các bộ truyền động tuyến tính được triển khai trong môi trường ngoài trời, trên biển hoặc có tính xâm thực hóa học đòi hỏi phải có thông số kỹ thuật vật liệu và bảo vệ chống xâm nhập cụ thể. IP67 (ngâm tạm thời) và IP68 (ngâm liên tục) là tiêu chuẩn cho việc lắp đặt dưới biển hoặc hầm có thể ngập nước. Đối với những vị trí nguy hiểm, bắt buộc phải có các thiết bị được chứng nhận ATEX Vùng 1/Khu 2 hoặc IECEx có vỏ động cơ chống cháy hoặc tăng độ an toàn. Phần cứng bên ngoài bằng thép không gỉ và thiết bị điện tử được phủ phù hợp giúp kéo dài tuổi thọ sử dụng trong môi trường ven biển và có độ ẩm cao.
Việc lựa chọn giữa các loại bộ truyền động nhiều vòng, một phần tư và tuyến tính yêu cầu phải khớp chuyển động đầu ra của bộ truyền động với các yêu cầu cơ học của van. Bảng dưới đây tóm tắt những khác biệt quan trọng nhất trong quyết định:
| Tiêu chí | Nhiều lượt | Lượt một phần tư | tuyến tính |
|---|---|---|---|
| đầu ra Motion | Đa vòng quay (liên tục) | Xoay 90 độ | Trục (đường thẳng) |
| Các loại van chính | Cổng, quả địa cầu, cống | Bóng, bướm, phích cắm | Quả cầu, cổng, màng ngăn, dao |
| Phạm vi mô-men xoắn / lực | 10 - 32.000 Nm | 5 - 8.000 Nm | Lực đẩy 0,5 - 200 kN |
| Vị trí Control | Điều chế, bật/tắt | Điều chế, bật/tắt | Điều chế, bật/tắt |
| Tùy chọn không an toàn | Pin, tụ điện | Lò xo, pin, tụ điện | Lò xo, pin |
| Tiêu chuẩn lắp đặt | ISO 5210 | ISO 5211 | EN ISO 15081, mặt bích tùy chỉnh |
| Độ phức tạp cài đặt | Trung bình | Thấp | Thấp to Medium |
Tất cả ba loại thiết bị truyền động đều hỗ trợ cả chuyển đổi bật/tắt và điều chế tỷ lệ. Tuy nhiên, mức độ phức tạp của việc điều khiển được tích hợp trong thiết bị rất khác nhau. Các thiết bị bật/tắt cấp đầu vào sử dụng các công tắc giới hạn cơ học đơn giản và một rơle điều khiển duy nhất. Các bộ điều chế tầm trung thêm phản hồi vị trí tương tự với I/O 4-20mA hoặc 0-10V. Bộ truyền động thông minh tiên tiến kết hợp bộ định vị kỹ thuật số với vòng lặp PID, giao tiếp bus trường, kiểm tra hành trình một phần và ghi dữ liệu chẩn đoán - tất cả đều nằm trong vỏ bộ truyền động.
Đối với các vòng điều khiển quan trọng trong đó độ chính xác của vị trí van ảnh hưởng đến chất lượng hoặc độ an toàn của sản phẩm, bộ truyền động điều biến thông minh có tính năng chẩn đoán tích hợp có thể giảm thời gian ngừng hoạt động ngoài dự kiến bằng cách phát hiện độ mòn của đệm, tăng ma sát của cụm trục và xu hướng phản ứng ngược của bánh răng trước khi chúng gây ra sự cố trong quá trình.
Trước khi lắp bất kỳ bộ truyền động điện nào, các bước xác minh sau đây sẽ giảm thiểu lỗi vận hành:
Hiệu chỉnh công tắc giới hạn không chính xác là nguyên nhân hàng đầu gây hư hỏng bộ truyền động trong năm đầu tiên sử dụng. Công tắc giới hạn đóng và mở phải được đặt để dừng công suất động cơ trước khi van đạt đến điểm dừng cứng cơ học. Đối với van cổng và van cầu, giới hạn đóng sẽ cắt công suất động cơ khi đĩa được đặt chắc chắn nhưng trước khi mô-men xoắn của động cơ vượt quá tải trọng tối đa cho phép của van. Đối với van bi và van bướm, điểm dừng di chuyển 90 độ được đặt trong cơ cấu cam bánh răng của bộ truyền động và cần được xác minh bằng chỉ báo độ thay vì bằng cảm giác.
| Hoạt động | Khoảng thời gian | Ghi chú |
|---|---|---|
| Kiểm tra trực quan các đầu vào vỏ và cáp | hàng tháng | Kiểm tra sự xâm nhập, ăn mòn, các tuyến bị lỏng |
| Kiểm tra chức năng ghi đè thủ công | Hàng quý | Đảm bảo cơ cấu nhả ly hợp vào và ra tự do |
| Kiểm tra công tắc giới hạn và công tắc mô-men xoắn | Mỗi 6 tháng | Vận hành dưới tải; xác nhận các vị trí khớp với việc đọc lại DCS |
| Kiểm tra hành trình một phần (đối với van an toàn) | hàng tháng to quarterly | Xác nhận chuyển động của bộ truyền động và van mà không cần chu trình đầy đủ |
| Hộp số grease renewal | Cứ sau 3-5 năm | Theo lịch trình của nhà sản xuất; sử dụng loại mỡ được chỉ định |
| Thay pin (nếu được lắp) | Cứ sau 3-5 năm | Kiểm tra năng lực đầu tiên; chủ động thay thế trước khi thất bại |
Hiểu được mối quan hệ giữa triệu chứng và nguyên nhân cho phép các nhóm bảo trì hành động trước khi xảy ra lỗi hoàn toàn:
Bộ truyền động nhiều vòng quay qua nhiều vòng quay đầy đủ để điều khiển van từ mở sang đóng, làm cho nó phù hợp với van cổng và van cầu có thân tăng hoặc không tăng. Bộ truyền động quay một phần tư cung cấp góc quay chính xác 90 độ, phù hợp với hành trình đóng-mở của van bi, van bướm và van cắm. Hai loại này có chung công nghệ điện tử và động cơ, nhưng khác nhau về thiết kế hộp số và tiêu chuẩn khớp nối đầu ra.
Bắt đầu với dữ liệu mô-men xoắn và mô-men xoắn đang chạy do nhà sản xuất van công bố ở áp suất chênh lệch tối đa mà van sẽ thấy. Áp dụng hệ số an toàn ít nhất là 1,25 để tính đến độ mòn của mặt ngồi, ảnh hưởng của nhiệt độ và sự thay đổi áp suất đường ống. Đối với các ứng dụng điều biến, cũng nên xem xét mô-men xoắn giữa hành trình ở vị trí 45 độ, thường là mức cao nhất đối với van bi. Mômen đầu ra của bộ truyền động đã chọn phải vượt quá yêu cầu tính toán này trong toàn bộ phạm vi nhiệt độ vận hành.
Trong hầu hết các trường hợp, có. Các yêu cầu chính là chiều dài hành trình và lực đẩy của bộ phận điện phù hợp hoặc vượt quá thông số kỹ thuật của xi lanh khí nén và hình dạng kết nối đầu thanh tương thích với đầu nối và đầu nối của van. Một số xi lanh khí nén cũng bao gồm bộ định vị tích hợp phải được sao chép trong thiết bị điện tử điều khiển của bộ truyền động điện. Cơ sở hạ tầng dây điện áp và tín hiệu phải được định tuyến đến vị trí van, có thể yêu cầu lắp đặt thêm ống dẫn.
Thiết bị truyền động điện công nghiệp hiện đại hỗ trợ nhiều giao thức tùy thuộc vào cấp sản phẩm. Ở cấp độ cơ bản, hệ thống dây điện rời rạc (lệnh mở/đóng, tiếp điểm phản hồi mở/đóng) và phản hồi vị trí analog 4-20mA là phổ biến. Bộ truyền động thông minh tầm trung bổ sung HART để liên lạc lớp phủ trên vòng 4-20mA. Các thiết bị nâng cao hỗ trợ PROFIBUS DP, Foundation Fieldbus, Modbus RTU/TCP, DeviceNet và các giao thức dựa trên Ethernet ngày càng tăng như PROFINET và EtherNet/IP để tích hợp với kiến trúc Công nghiệp 4.0.
Đối với các hệ thống lắp đặt trên cao ngoài trời điển hình tiếp xúc với mưa và làm sạch bằng ống mềm, IP65 (kín bụi và bảo vệ khỏi tia nước) là mức đánh giá tối thiểu có thể chấp nhận được. Trong môi trường ven biển hoặc các ứng dụng có khả năng bị ngập lụt, nên sử dụng IP67 (ngâm tạm thời đến 1 mét) hoặc IP68 (ngâm liên tục). Vật liệu vỏ cũng quan trọng như xếp hạng IP: nhôm đúc với lớp phủ epoxy phù hợp với hầu hết các môi trường, trong khi thép không gỉ 316 được chỉ định cho các điều kiện tiếp xúc ngoài khơi, biển và axit hoặc kiềm mạnh.
Tần suất kiểm tra hành trình một phần được yêu cầu phụ thuộc vào mục tiêu Mức độ toàn vẹn an toàn (SIL) cho chức năng an toàn và dữ liệu về tỷ lệ lỗi đã được chứng minh trong sử dụng của bộ truyền động. Trong thực tế, hầu hết các ứng dụng SIL 2 đều thực hiện kiểm tra đột quỵ một phần từ một đến ba tháng một lần để duy trì xác suất hỏng hóc cần thiết theo yêu cầu. Thử nghiệm hành trình một phần thường thực hiện van trong khoảng 10 đến 30 phần trăm hành trình của nó, đủ để xác minh khả năng tự do chuyển động cơ học mà không làm gián đoạn dòng chảy của quy trình.