October 23, 2024
バルブポジショナー (Valve Controller) は,制御バルブの位置を正確に制御し,調節するために使用される装置である.制御器から入力信号を受け取ることで,望ましいセットポイントにバルブ開口を調整します定位装置は,産業自動化とプロセス制御において重要な役割を果たします.石油とガスに広く使用されています化学,製薬,水処理など
機械式スプリングはフックの法則に従う傾向があるため,気圧制御弁の幹位置は,アクチュエータに施された空気圧と線形的に関係しています.噴出物 (x) の運動量は,施された力 (F=kx) に直比例するパンネマティックアクチュエータによって施される力は,空気圧とピストン/弁の面積 (F=PA) の関数であり,スプリングは,その代わり圧縮または伸縮します.反応力は同じで逆の力になります最終結果は,アクチュエータ圧力が直線的に幹運動に変換される (x=PA/k).
1制御バランブ位置付け器
この気圧信号と幹の位置との間での線形で繰り返しの関係が成立する場合は,駆動弁/ピストンとスプリングが幹に作用する唯一の力信号圧と幹位置の関係は理想的にはなれない.
不幸にも,動力力とスプリング反応力に加えて,幹に作用する他の多くの力があります. 幹包装の摩擦は,これらの力の一つです.スロール領域の差圧によって引き起こされるスロール上の反応力は,別のものですこれらの力は,幹の移動が動力流体圧力と正確に関係していないように幹を再配置するために結合します.
このジレンマに対する一般的な解決策は,制御バルブ組にバルブポジショナーを追加することです. 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:
バルブポジショナー自体は基本的に制御システムです. バルブの幹位置はプロセス変数 (PV),ポジショナーへのコマンド信号はセットポイント (SP),位置付け装置からバルブアクチュエータへの信号は操作変数 (MV) または出力ですこのように,プロセスコントローラが位置付け装置を備えたバルブにコマンド信号を送信すると,定位装置は,そのコマンド信号を受け取って,望ましい幹位置を達成するために必要な量の空気圧をアクチュエータに施します.このように,位置付け器は,コマンド信号に従って明確で正確な位置付けを達成するために,バルブ幹に作用する他のいかなる力にも抵抗します.正しく機能する位置付け装置は,制御バルブがコマンド信号に反応することを保証します..
2. パンネマティックバルブ位置付け器の例
下の図は,制御バルブに搭載されたフィッシャー 3582型気圧定位装置を示しています.定位装置は,右側にある3つの圧力計を搭載した灰色の箱です.
この位置付け器の左側にフィードバックメカニズムの一部が見えます. 位置付け器の側から伸びる腕に固定される幹接続器にボルト付きの金属支架です.すべての制御バルブ定位装置は,幹の位置を感知するいくつかの手段を装備する必要があります.位置付け装置は,命令信号と幹の位置を比較することができません.
より近代的な位置計であるフィッシャー DVC6200 (再び右側にある圧力計の灰色の箱) が次の写真に表示されます.
このDVC6000は,以前のモデル3582の位置付け機と同様に,左側にあるフィードバックリンクを使用して,バルブ幹の位置を感知します.DVC6200は,磁気ホール効果センサーを使用して,幹にボルトされた磁石の位置を感知しますこの非機械的な位置フィードバックデザインは,メカニカルリンクに関連した反発,磨き,干渉,および他の潜在的な問題を排除します.バルブ位置付けの改善には,より良いフィードバックが重要です.
制御バルブポジショナーは,通常,高気流を生成し放出するように構築されているため,ポジショナーは音量ブースターとして機能している850. その結果,位置付け器は,より正確な幹位置を保証するだけでなく,バルブ・アクチュエータより,より速い速さ (より短い時間遅延) もあり,直接 I/P センサーで動いています.
3バルブ 位置
パンネマティック制御バルブにバルブポジショナーを追加するもう一つの利点は,バルブがより密封 (緊密に閉じる) ということです.この利点は一目で明らかではないので,説明が必要です..
まず,制御バルブでは,スロールと座席との接触だけでは,密閉を保証するのに十分ではないことを理解する必要があります.バルブを通るすべての流れを完全に停止するために,スロールは座席に強く押さなければならない.漏れやすい水槽 (ガーデンスプット) のハンドルを締めたことがある人は誰でも この原則を直感的に理解しますプラグと座席の間には,いくつかの接触力が必要で,この2つの部分がわずかに変形します.この機械的要求の技術用語は座席の負荷である.
3〜15psiのベンチ設定で 3psiのアクチュエータ圧力で弁は,アクチュエータスプリングのプレロードを克服するためにちょうど十分な力を発生します座席からスロールを移すには十分ではありません
つまり3psiの弁圧で スロールは座席に接触しますが 緊密なシャットオフシールを供給する力はほとんどありませんこの制御バルブが直接3から15psiから校正されたI/Pセンサーから供給されている場合信号値の 0% (3 Psi) でほとんど閉じるのではなく,しっかりと閉じる.すべての空気圧は,スプリングに対してスプラングの力がないことを確保するために,弁から取り除く必要があります.これは3~15psiの校正範囲のI/Pでは不可能です.
I/Pから3〜15psiの信号を受け取り 幹位置のコマンド (セットポイント) として使用します望ましい幹位置を達成するために必要なほどまたは少量の圧力を弁に施す位置付け器を校正する正しい方法は,信号が0%より少し上昇したときのみ,幹が引き上げ始めることです.これは 0% (4mA) で位置付け器が少し負のステム位置にバルブを強制しようとすることを意味しますこの不可能な要求を達成しようとすると,ポジショナータの出力は低飽和に達し,操作弁に圧力をかけません.バルブスタブがバルブシートに全スプリング力をかける結果この2つのシナリオの比較は下記の図で示されています.
位置付け器は,スプリング付きのバルブアクチュエータには有用ですが,他の特定のタイプのアクチュエータには絶対に必要です.噴泉のない次の二重作用の気圧活塞アクチュエータを考慮:
バルブを"故障防止"状態に戻すための拘束力を供給するスプリングがなければ,施された空気圧と幹位置の間にフックの法則関係はない.位置付け器は,交替に,スタムを上げ,下げるためにピストンの両方の表面に空気圧を適用する必要があります.
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 accuratelyだから, 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フォースバランス プレマティックポジショナー
下記に示されているのは,力バランスのとれた気圧弁位置装置のシンプルな設計です.
このバルブの制御信号は,I/Pセンサーまたは空気制御器 (図に示されていない) から3〜15psiの空気信号である.この制御信号圧力は,力ビームに上向きの力を行いますバルブ・アクチュエータにより多くの空気圧を出力する. バルブ・アクチュエータは,バルブストームを上げます (バルブを開きます)バルブ幹が上がるにつれて,アクチュエータとバルブ幹をつなぐスプリングはさらに伸び,アクチュエータの右側に追加の力をかけます.この余分な力と バルボの力にバランスをとるとシステムが新しい平衡点に安定します
すべての力バランスシステムと同様に,推力棒の動きはバランス力によって制限されているため,その動きは実際はほとんどありません.一つの力が他の力を平衡させることで平衡が達成されます縄を引っ張る2つのチームのようなものです 2つのチームの力が等しくて 方向が反対である限り 縄は元の位置から逸脱しません
下の図は,回転バルブアクチュエータを位置付けするためのPMV 1500フォースバランスポジショナーを示しています.カバーが上 (上) 下 (下) にあります.
3〜15psiの気圧制御信号が風吹に侵入し,水平力線 (黒) を押し下ろします.フォースビームの左側にある気力操縦バルブ組は,任意の動きを検知し,任意の下向きの動きが検知された場合,バルブ操作弁への空気圧を増加します., 上向きの動きが検出された場合,アクチュエータへの空気圧を放出します.
圧縮空気がパイロットバルブ装置を通ってバルブアクチュエータに入ると,回転バルブが開いた方向に回転し始める.軸の回転運動は,キャムによってポジショナー内の線形運動に変換されますカムは,角移動から線形移動を生むように設計された不規則半径の円盤である.
金色のビームの端に位置するローラーフォロワーは,カムの周りを移動します.カム運動は,力ビームの空気力バローの力に対して直接コイルスプリング圧縮によって,ストレートストローク力に変換されます. カム運動が,空気力バローによって生成される余剰力を対比するのに十分なスプリングを圧縮するのに十分であるとき,動力ビームが平衡状態に戻り (スタート位置に非常に近い) バルブが動かない.
最後の写真に よく見ると 位置付け器のゼロシールが見えます 金色のビームの下まで伸びる 糸付きの棒です位置付け装置は,カムが異なる位置にあると考えます例えば,このスローリング棒を時計回りの方向に回すと (スクリュードライバーのスローリングのスロット端から見ると) スプリングをさらに圧縮し,より暗い棒をより強い力で上に押し上げます.カムを時計回りの反対方向に軽く回転させることで同じ効果が得られるこれは,位置付け器が行動し,カムを時計回りの方向に回して補償し, 0% ステム位置に近づけるようにします.
この位置付けメカニズムの カムとフォロワーは 幹の動きに応じて動きますパイロットバルブに固定された横肢は,かなり移動しないため,それはまだ力バランスメカニズムとして考えることができます波束の力バランスを取ることで,パイロットバルブは常にバランスの取れた位置にあります.
5. 動的バランス パンエマティックポジショナー
運動バランス型気圧弁位置装置の設計も存在し,弁幹の動きが他の要素からの動き (力ではなく) に反作用する.簡単な運動バランス位置付け器の動作を表示:
この仕組みでは 信号圧力の増加により 射線がノズルの向上に進み より高いノズルの反圧を 引き起こしますこれは,気力増幅リレーが,バルブアクチュエータにより多くの空気圧を供給することを引き起こします.バルブ幹が上がると,右端のビームの向上運動はビームの前進をノズルに向かって抵消します.平衡に達すると,梁は傾斜状態で,バローの動きは幹の動きによってバランスされます..
次の写真では,FISHER 3582 モデル パネウマティック バランス ポジショナー メカニズムの近似が示されています.
機械の中心は D 形の金属リングで 吹き込みの動きと 幹の動きを バフルの動きに変換しますDリングの右上角の下にある) 拡大定位器が直接作用する動作に設定されると,この揺れ動はバフルをノズルに近づけます.逆圧力を増加させ,バルブアクチュエータに圧縮空気を供給する:
幹が動くと,フィードバックレバーはDリングの最下部にあるカムを回転させますこのカム上のロールは,別の揺れる動きにバルブ幹の動きを翻訳このときは水平軸に沿って. カムがフィードバックシャフトに固定されている方法に応じて,この動きにより,バルブフラップがノズルから遠ざか거나近づく可能性があります.カム方向は,アクチュエータのアクションにマッチするように選択する必要があります直接 (空気はバルブ幹を伸ばす) または逆 (空気はバルブ幹を引き戻す)
Dリングのメカニズムは,リングの周りを横切る様々な点でバフル (ストッパー) 組成の角度を調整することによって,スパンプを簡単に調整することを可能にするという点でかなり巧妙です.バフル装置が水平に近く設定されている場合バルブが小さな動きを平衡するために,より遠く移動することを余儀なくします.バルブ組が垂直に近い位置に設定されている場合, 幹の動きに最大で,バローの動きに最小で敏感で,非常に小さなバルブストロック (つまり,微小な幹の動きをバランスするために,バローが大きく膨張する必要がある).
6デジタルバルブポジショナー
メカニカルバルブの位置が常にコマンドされた信号に一致することを保証することです.バルブポジショナー自体は,実際には閉ループ制御システムです: 操作装置に可能な限り多くまたは少ない圧力をかけ,常に指示されたスタム位置に到達します.この閉ループ制御を達成するために他の物理的部品.
デジタルバルブポジショナー (Fisher DVC6000モデルなど) は,電子センサーを使用して幹の位置を検出する.微プロセッサで,測定した幹位置を数学的減算による制御信号と比較する (エラー =位置 - 信号)バルブ・アクチュエータへの空気圧を送信する気圧信号変換器とリレー.下記は一般的なデジタルバルブ・ポジショナーの簡略化図です.
デジタルバルブポジショナーの内部構造は とても複雑です 制御アルゴリズムが1つだけではありませんしかし,2つの制御アルゴリズムは,正しいバルブ位置を維持するために並行作業動力装置に施された圧力を監視し制御する (弁の位置に影響を与える可能性のある供給圧の変動を補償する)バルブ幹の位置そのものをモニターし,制御圧力制御装置に 連続制御信号を送信する
コマンド信号 (プロセスループコントローラ,PLC,または他の制御システムからの) は,位置付け機にバルブ幹の位置を指示する.定位器内の最初のコントローラー (PI) は,アクチュエータが必要な幹位置に到達するために必要な空気圧を計算します. 次のコントローラ (PID) は,その圧力を達成するために必要なI/P (電流から圧力) 変換器を動かす.位置付け器内の2つのコントローラーは,正しい位置にバルブを強制するために一緒に働く.
機械的な位置付け装置に比べて 優れている位置制御を提供するだけでなく 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).
デジタルバルブポジショナーによって提供される診断データには,次のものが含まれます.
--空気供給圧
--アクチュエータの空気圧
--環境温度
位置と圧力の誤り
- 幹の総移動 (自動車の距離計に似ている)
デジタルバルブポジショナーに埋め込まれたマイクロプロセッサは,自己テスト,自己校正,機械的なバルブ位置付け装置で,儀器技術者が従来に行う例行手順. 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!
7バルブ位置センサーの不具合
スタム位置に加えて,アクチュエータの空気圧をモニターする幹位置センサーの故障の場合,バルブ制御の一定程度を維持する有用な機能を持っているマイクロプロセッサが位置フィードバック信号の障害 (範囲外) を検知した場合,圧力を基にバルブを継続するようにプログラムできます.
つまり,バルブアクチュエータへの空気圧は,過去に記録された圧力/位置関数に基づいて調整されます.位置付け器として 機能しなくなる標準的なI/Pの流量と比較して,バランスの合理的な制御を提供できます.他の (非インテリジェント) バルブポジショナーが 幹位置フィードバックを失えば 状況を悪化させる.
純粋に機械的な位置付け装置では,幹位置フィードバックリンクが解散した場合,制御弁は通常"飽和"し,完全に開くか完全に閉じる.これは最高の"スマート"ポジショナーには当てはまらない!
8. 動作装置の圧力と幹の位置
デジタルバルブポジショナーによって提供される最も重要な診断データは,通常グラフィカルに表現される,アクチュエータ圧力とストーム位置の比較である.動作装置の圧力は,動作装置によって幹に施された力の直接的な反映です,ピストンまたは弁の力と圧力の関係が単にF=PAであり,面積 (A) が定数であるため,スタム位置にアクチュエータ空気圧の比較は,実際には,バルブの力と位置の表現ですこのいわゆるバルブ特徴付けは,過剰な梱包摩擦,バルブ内部への干渉,スロール/シートフィットの問題などの問題を解決するために非常に有用です.
バルブ特徴を示すスクリーンショットです (エマーソンのソフトウェア製品 ValveLinkから取られています.AMSの部分) の空気で開いたフィッシャーEボディ直流制御弁の動作:
このグラフは動力装置の圧力と 幹の位置の2つのグラフを示しています 赤いグラフと青のグラフです
赤いグラフは,開いた方向のバルブの反応を示しています. バルブが開いているとき (上) は,梱包摩擦を克服するために追加の圧力が必要です.
青いグラフは,弁が閉ざされ,弁が休息する (閉じる) 時,スプリング圧縮が梱包摩擦を克服できるように,弁に施された圧力が減ったことを示しています.
この図の端にある急な回転は,弁の幹が最終位置に達し,アクチュエータ圧力のさらなる変化にもかかわらず,さらに動くことができない位置を示しています.
バルブスプリングの振る舞いを記述するフックの法則によると 各グラフはほぼ線形でスプリングに施された力は,そのスプリングの移動 (圧縮) に比例するF=kx 線形グラフからの偏差は,スプリング圧縮と空気圧以外の力が幹に作用することを示します.このグラフの2つの部分に垂直シフトが見られます.: パッキング摩擦は,スプリング圧縮とアクチュエータ弁に対する空気圧による力に加えて,幹に作用する別の力です.この偏差の大きさは比較的小さいバルブが経験するパッキング摩擦が大きければ大きいほど,2つのチャートの垂直偏差が大きい.
グラフの左端にある,バルブプラグがバルブ座席と接触する急落は座席プロファイルと呼ばれます.バルブプラグと座席の物理的な状態について多くの有用な情報を含みます.制御バルブでこれらのバルブ内部が磨き合っているので,座席プロファイルの形は変化する.不規則な座席プロファイルは座席の腐食,磨き,または他の多くの状態を診断することができます.
座席の輪郭は,弁の特徴図の左下端にズームインすることで詳細に調べることができます.次の図は,フィッシャーEボディ直流制御弁の座席プロフィールを示しています.:
装置の保守スタッフが,制御バルブが組み立てられたり再構築されたりした後にバルブ特性を記録するのに十分な注意を払う場合,特定の制御バランブの"原始"特性と,同じ制御バランブの"後期"特性とを比較できる., 検査のためにバルブを分解する必要なく磨きを決定することができます.
興味深いことに,このアクチュエータ圧力 (力) と幹位置の関係は,いくつかの近代的なモーター式バルブで使用されるデジタルバルブポジショナーにも適用されます.バルブ幹に施された力は,モーター電流と直接関係しています.デジタルバルブポジショナーで簡単に測定・解釈できます
結果として,同じタイプの診断データは,異なるアクチュエータ技術を使用しても,バルブ問題の診断を容易にするために,グラフィカルに提示できます.この診断は,スロットリングサービスで使用されない開閉モーターバルブにも適用され,特にゲート座席の接続が緊密なシャットオフのために重要です.
