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Elektrische Stellantriebe im Prozessbetrieb

Präzise Durchflussregelung mit elektrischen Ventilantrieben

Der Betrieb einer verfahrenstechnischen Anlage erfordert eine präzise Steuerung der Ventile. Daher hängt die Modulation des Durchflusses im gesamten System vom Betrieb des Ventilaktuators ab. Diese kritischen Ausrüstungsgegenstände müssen unter extremen Bedingungen arbeiten - sehr hohe, sehr niedrige Temperaturen, in trockenen oder regenreichen Umgebungen, in abgelegenen Situationen in Wüsten oder in der arktischen Tundra, oder sie müssen die korrosiven Wirkungen von zuverlässig abwehren hohe Luftfeuchtigkeit oder Salzgehalt.

Beim Betrieb in explosionsgefährdeten Bereichen sind Explosionsschutz, Ausfallsicherheit und Brandschutz erforderlich.

Von Paul Hopkins - MD, AUMA Actuators Limited

Paul Hopkins - Geschäftsführer, AUMA Actuators Limited

Dieser Artikel befasst sich mit der elektrischen Ventilbetätigung. Daher bildet der Stellantrieb neben der Kernfunktion des Öffnens und Schließens des Ventils häufig die entscheidende Schnittstelle zwischen dem Prozess und dem Steuerungssystem und ermöglicht die Integration in das jeweils verwendete verteilte Steuerungssystem (DCS).

Und in einer Zeit, in der das IIoT und Edge Computing immer mehr an Fahrt gewinnen, spielen elektrische Stellantriebe mit leistungsstarker Elektronik eine Schlüsselrolle als Informationshubs, die direkten Zugriff auf eine Vielzahl von Prozess- und Diagnosedaten bieten.

Feste Geschwindigkeit, variable Geschwindigkeit, modulierend? Elektrische Ventilbetätigung gibt es in vielen Formen

Elektrische Ventilantriebe müssen in der Lage sein, die gesamte Palette von Ventilen zu bedienen - Absperrschieber, Kugelhähne und andere, um den Durchfluss von Gas und Flüssigkeiten zu steuern. Typischerweise erfordert die Betätigung von Kugel- oder Absperrklappen Schwenkantriebe, die eine Schwenkbewegung von im Allgemeinen 90 ° für den vollen Hub bereitstellen. Schieberventile benötigen andererseits typischerweise Drehantriebe, die mehrere vollständige Drehantriebe bereitstellen, um das Ventil von offen nach geschlossen und umgekehrt zu betätigen.

Eine weitere Unterscheidung zwischen Öffnungs- / Schließ- und Modulationspflicht ist erforderlich. Antriebe für den Auf-Zu-Betrieb müssen Absperrventile selten öffnen oder schließen. Modulierende (Positionierungs-) Aktuatoren bieten andererseits eine verbesserte Positionierungsgenauigkeit für Steuerventile, um die Strömung innerhalb von Rohren präzise zu modulieren.

Ein Beispiel aus der Öl- und Gaswelt sind Gasannahmeterminals in Gasleitungen, an denen Druckregelventile häufig und präzise arbeiten müssen, um den Gasdruck zu senken.

Für die ultimative Steuerung und den Prozessschutz bietet ein Stellantrieb mit variabler Drehzahl eine Reihe zusätzlicher Vorteile. Ventile und Rohrleitungsflansche können durch langsame Anfangs- und Endgeschwindigkeit des Ventils geschützt werden, während eine höhere Geschwindigkeit in der Zyklusmitte die Gesamtöffnungs- / Schließzeit verkürzt und Feinabstimmungen vorgenommen werden können, wenn eine modulierende Version angegeben ist.

In vielen alternden Anlagen und insbesondere bei kaltem Wetter können freiliegende Rohre und Flansche zum Reißen neigen, und so kann ein "sympathischer" Betätigungszyklus die Integrität des Prozesses schützen. Der Betrieb mit variabler Drehzahl reduziert auch den Stromverbrauch zu Beginn des Zyklus, sodass der Betrieb mit Solar-PV-Strom eine echte Option darstellt.

Modularer elektrischer Ventilantrieb

Es ist nicht ungewöhnlich, dass unterschiedliche Automatisierungsprozesse in einer Pipeline für jede einzelne Anwendung eine andere Ansteuerungslösung erfordern. Um den Kunden zu unterstützen, sind einheitliche Benutzeroberflächen und einheitliche Gerätehandhabung erforderlich: von der Installation über die Inbetriebnahme bis hin zu Betrieb und Wartung.

Ein modulares Antriebskonzept erfüllt unterschiedliche Anforderungen mit einer Reihe von Standardkomponenten. Eine breite Palette von Dreh- und Schwenkantrieben ist für verschiedene Drehmomentbereiche, für verschiedene Stromquellen, verschiedene Ventilanbaugeräte usw. verfügbar. Auf Steuerungsebene bietet die Wahl zwischen einfachen oder intelligenten Stellantriebssteuerungen kostengünstige Lösungen für beide einfache und komplexeste Prozesssteuerungsaufgaben.

Das modulare Design in Kombination mit einer flexiblen Aktuatorgeometrie ermöglicht eine einfache Anpassung der Montagepositionen vor Ort, sodass Bedienelemente wie lokale Bedienelemente und Anzeigen auch bei beengten Platzverhältnissen immer leicht zugänglich sind.

Fallstudie - Anwendung auf begrenztem Raum für die KAEQC-Pipeline von Saudi Aramco

Platzbeschränkungen sind aufgrund ihrer sehr kompakten Bauweise häufig ein Problem für Filtergestelle. Dies ist in Abbildung 1 dargestellt, in der eine Filteranlage für das saudische Aramco KAEC-Pipeline-Projekt dargestellt ist.

AUMA lieferte für dieses Projekt die Antriebe für die Hauptleitungsventile und die Filterkufen. Die Stellantriebe können in verschiedenen Ausrichtungen montiert werden, um den Platzanforderungen des Kunden gerecht zu werden und gleichzeitig eine optimale Positionierung der Kabeleinführungen, des Handrads und der lokalen Steuerungen sicherzustellen.

Elektrischer Stellantrieb mit variabler Drehzahl und Modulationsbetrieb für "sympathische" Betätigung und Feinsteuerung

Elektroventilantrieb mit variabler Drehzahl und Regelbetrieb für "sympathische" Betätigung und Feinregelung

Ein modulares Konzept reduziert den Lagerbestand erheblich, da nur eine geringe Anzahl von Standard- / Kernkomponenten vom Endbenutzer vorrätig gehalten werden muss.

Durch die Kombination von Standardantrieben mit einem ergänzenden Getriebeportfolio können sehr große Ventile betrieben werden, wobei Drehmomente von bis zu 675,000 Newtonmetern erreicht werden.

Fallstudie - Modulierender Stellantrieb für das Kopenhagener Fernwärmenetz

Die 48-Zoll Absperrklappe von KOSO Kent Introl ist die größte, die sie geliefert haben und hat einen Cv von 59,531. Es verfügt über eine profilierte Schaufel, die die Energie ableitet, da ein Ventil bei einem großen Druckabfall arbeitet und die Wahrscheinlichkeit von Kavitation verringert. Der AUMA SEVEN HiMod liefert in Verbindung mit dem GS-Getriebe ein Drehmoment von 90,000Nm.

Ein Stellglied mit variabler Geschwindigkeit (modulierend) bedeutet eindeutig, dass die Geschwindigkeit der Bewegung des Ventils während seiner gesamten Bewegung variieren kann und sich während des Großteils des Zyklus schnell bewegt und sich verlangsamt, wenn es schließt, um den Verschleiß der mechanischen Komponenten zu verringern. Die variable Geschwindigkeit bietet auch die Möglichkeit für einen "sanften" Start und reduziert den Energieverbrauch.

Das modulare Design des elektrischen Stellantriebs trägt dazu bei, die beengten Platzverhältnisse bei einem Saudi Aramco-Filterrahmen zu erfüllen.

Das modulare Design des elektrischen Ventilantriebs trägt dazu bei, die beengten Platzverhältnisse auf einem Saudi Aramco-Filterrahmen zu erfüllen.

Explosionsschutz und Ausfallsicherheit

Explosionsgeschützte Antriebe sind so ausgelegt, dass sie nicht als Zündquelle für eine explosionsgefährdete Atmosphäre dienen. Sie erzeugen weder Funken noch heiße Oberflächen. Alle elektrischen, mechanischen und elektronischen Komponenten des Stellantriebs sind in einem Gehäuse integriert.

Um die korrekte Trennung von einer explosionsgefährdeten Atmosphäre zu gewährleisten, ist eine druckfeste Kapselung die ideale Lösung. Die Kapselung muss daher dem Druck standhalten können, der während einer internen Explosion auftreten kann, um zu verhindern, dass er auf ein explosionsfähiges Gas um die Kapselung übertragen wird.

Zusätzliche Anforderungen können Aktuatoren in feuerfester Ausführung erfordern, die auch bei direkter Brandeinwirkung zuverlässig die gesamte Funktionalität aufrechterhalten. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, können Stellantriebe mit einem feuerfesten Gehäuse ausgestattet werden, das den Anforderungen von UL 1709 entspricht.

Im Brandfall nimmt das Gehäuse die Wärme auf und sorgt für einen zuverlässigen Betrieb des Stellantriebs bei Umgebungstemperaturen von bis zu 1,100 ° C für 30 Minuten. Dadurch kann das Feuer blockiert und die Ausbreitung des Feuers durch Schließen des Ventils verhindert werden.

Für einen allgemeineren ausfallsicheren Betrieb können elektrische Stellantriebe durch mechanische ausfallsichere Geräte wie das FQM von AUMA gesichert werden. Der AUMA FQM spannt eine „Zugfeder“. Bei Stromausfall gibt die Feder frei und bewegt das Ventil sicher in die sichere Position, entweder Ventil offen oder Ventil geschlossen.

Systemintegration mit intelligenten elektrischen Stellgliedsteuerungen


Elektrische Stellantriebe sind in den meisten Fällen mit intelligenten integrierten Steuerungen ausgestattet, die die Kommunikation zwischen DCS und Stellantrieb übernehmen. Die Steuerungen sind mit verschiedenen Schnittstellen zum DCS erhältlich - sowohl für die parallele Signalübertragung als auch für die Feldbuskommunikation.

Unterstützt werden beispielsweise Profibus DP, Modbus RTU, Devicenet, Foundation Fieldbus sowie HART und WirelessHART. Integrierte erweiterte Diagnosefunktionen ermöglichen die vorbeugende Wartung und Integration von Aktuatoren in Asset-Management-Systeme.

Elektrische Ventilantriebe mit patentierter K-Mass-Beschichtung bleiben auch bei Temperaturen bis zu 30 ° C für 1,100 Minuten voll funktionsfähig

Elektrische Ventilantriebe mit patentierter K-Mass-Beschichtung bleiben auch bei Temperaturen bis zu 30 ° C für 1,100 Minuten voll funktionsfähig

Zu den neuesten Entwicklungen zählen auch Schnittstellen für die Industrial Ethernet-Standards Profinet und Modbus TCP / IP. Dank einer beispiellosen Konnektivität und Echtzeit-Datenübertragung eignen sich diese Standards besonders für die Integration von Aktoren in IIoT / Edge-Anwendungen.

Elektrische Ventilantriebe können in diesen Systemen eine Schlüsselrolle spielen: Einerseits bedienen sie ferngesteuert Ventile zum Öffnen und Schließen. Auf der anderen Seite können elektrische Stellantriebe dank leistungsfähiger Elektronik als Informationsknoten für prozessbezogene Daten, z. B. Ventilstellungsrückmeldungen, und aktuatorbezogene Daten auf der Grundlage einer fortschrittlichen Selbstdiagnose fungieren.

Zum Beispiel überwachen intelligente Algorithmen die Eigenschaften des Stellantriebs, um anzuzeigen, wann eine Wartung durchgeführt werden sollte. Das auf gerätespezifischen Daten basierende Asset Management erhöht die Zuverlässigkeit der Anlage und reduziert unerwartete Ausfallzeiten.

Alle Informationen sind direkt im IT-Netzwerk verfügbar und können zur Prozessvisualisierung, Statistik, erweiterten Modellierung oder Simulation verwendet werden, um die Prozessleistung zu verbessern.

AUMA bietet TÜV-zertifizierte elektrische Stellantriebe für Anwendungen bis SIL 2 / SIL 3 an.

AUMA bietet TÜV-zertifizierte elektrische Stellantriebe für Anwendungen bis SIL 2 / SIL 3 an.

Befähigung des Benutzers

Je ausgefeilter Geräte, einschließlich Aktuatoren, werden, desto mehr müssen sie eingerichtet werden, und wenn etwas schief geht, ist ein fachmännisches Verständnis für ihre Funktionsweise erforderlich. Auf einer großen Baustelle, auf der möglicherweise Hunderte von Ventilen und Antrieben in Betrieb sind, kann dies zu Kopfschmerzen führen, insbesondere wenn bei der Fehlerdiagnose die ausgeprägte Möglichkeit berücksichtigt werden muss, dass Probleme eher mit der mechanischen Funktion des Ventils als mit dessen Funktion zusammenhängen Aktuator. Dies kann zu erheblichen Service- und Reparaturkosten sowie zu unnötigen Ausfallzeiten führen.

Als Alternative zur Inhouse-Serviceabteilung eines Herstellers besteht ein Ansatz darin, den Benutzer zu befähigen und zu schulen, selbst an den Geräten zu arbeiten. In der Erkenntnis, dass ein Instrumententechniker in der Regel in der Lage sein wird, Anforderungen selbst zu bearbeiten, haben wir bei AUMA ein Protokoll für die Schulung von Mitarbeitern und Supportingenieuren mit dem Namen AUMA Certified Engineers (ACE) eingeführt.

In unserem Hauptsitz in Großbritannien wurde eine spezielle Schulungssuite eingerichtet, und über ein sicheres Login können akkreditierte ACE-Techniker über unser britisches Webportal auf eine Reihe von Ressourcen zugreifen. Dazu gehören Schaltpläne, spezifische Anleitungen und eine Bibliothek mit Kurzvideos, die das Training unterstützen und unterstützen. Das Video unten zeigt Ihnen, wie sie funktionieren.

Glasfaserkommunikation für große Entfernungen

Um den in Pipeline-Projekten häufig auftretenden großen Entfernungen zwischen den Geräten und den hohen Anforderungen an die Sicherheit der Datenübertragung gerecht zu werden, kann die Datenübertragung über Lichtwellenleiter eine praktikable Lösung darstellen. Die geringe Dämpfung von Signalen in Glasfaserkabeln ermöglicht große Entfernungen zwischen den Teilnehmern. Im Gegensatz zu Kupferkabeln sind Glasfaserkabel resistent gegen elektromagnetische Störungen. Eine separate Installation von Signal- und Stromkabeln ist daher nicht erforderlich.


Fallstudie: Datenübertragung von Glasfasern in der Transadriatischen Ölpipeline

Optische Fasern erwiesen sich als geeignete Lösung für das Projekt Trans-Adriatic Pipeline (TAP). Die Pipeline wird Gas von der türkisch-griechischen Grenze über Griechenland und Albanien über die Adria nach Italien transportieren, was die Versorgungssicherheit und die Diversifizierung der Gasversorger für die europäischen Märkte verbessert.

Für die erste Phase werden Kompressorstationen in Griechenland und Albanien sowie eine Messstation an der Grenze zwischen Griechenland und Albanien benötigt. Das TAP-System wird vom Hauptkontrollraum des Pipeline-Empfangsterminals in Italien aus gesteuert, wo die Pipeline endet und das Gas in das Snam Rete Gas (SRG) -Netz eintritt.

Die Pipeline verwendet ein SCADA-System mit einem Ring aus Glasfaserkabeln, die entlang der gesamten Pipelinestrecke verlegt sind. Glasfaserkomponenten müssen auch strenge Richtlinien erfüllen, wenn sie in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden sollen, da die Lichtleistung unter bestimmten Bedingungen ein Explosionsrisiko darstellt.

AUMA hat daher eine Lösung implementiert, die Glasfaserkonverter verwendet, die EN 60079-28 für inhärente optische Strahlung ("Op is") gemäß der ATEX-Richtlinie erfüllen. Diese LWL-Wandler wurden im Ex d-Gehäuse des elektrischen Anschlusses des Stellantriebs installiert.

Ein modularer Ansatz ermöglichte die Einführung dieser Lösung für alle Anwendungen, einschließlich Anwendungen mit hohem Drehmoment und Antrieben in Kombination mit Schwenkgetrieben sowie Linearanwendungen mit Antrieben in Kombination mit Lineareinheiten.


Elektrische Stellantriebe müssen extremen Umgebungsbedingungen standhalten

Elektrische Stellantriebe müssen extremen Umgebungsbedingungen standhalten.

Feldbus und die Zukunft

Die Herausforderungen und Chancen, die IIoT, Edge Computing und Big Data bieten, sind komplex, aber im Herzen steckt eine einfache Wahrheit. Der Materialfluss in der gesamten Prozessindustrie wird in Form von Daten mit immer größerer Granularität dargestellt. Wo Daten vorhanden sind, können diese Daten verwendet und manipuliert werden.

Sobald alles messbar ist und Datensicherheits- und Internetzuverlässigkeitsprobleme vollständig gelöst sind, werden neue Möglichkeiten für die Verwendung dieser Daten entstehen. Gleichzeitig wird von Sensoren und anderen Elementen der Steuerungsinfrastruktur im Hinblick auf die lokale Steuerung und Fernverwaltung mehr erwartet. Aktoren werden, da sie in jedem Prozess mit verteiltem Datenfluss vorhanden sind, die entscheidenden Faktoren für die kommende Datenrevolution sein.

AUMA Stellantriebe Ltd

Unterschrift: Bronze Mitgliedschaft

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