Memahami Posisi Valve Dalam Artikel Ini

Valve positioner (Valve Controller) adalah perangkat yang digunakan untuk mengontrol dan mengatur posisi katup kontrol dengan tepat.Hal ini menyesuaikan pembukaan katup ke titik pengaturan yang diinginkan, sehingga memastikan bahwa parameter proses (misalnya, tekanan, suhu, aliran, dll) tetap dalam kisaran yang telah ditentukan sebelumnya.dan banyak digunakan dalam minyak dan gas, kimia, farmasi, pengolahan air dan industri lainnya.

Posisi batang dari katup kontrol pneumatik secara linier berhubungan dengan tekanan udara yang diterapkan pada aktuator karena pegas mekanik cenderung mengikuti Hukum Hooke,yang menyatakan bahwa jumlah gerakan pegas (x) secara langsung proporsional dengan gaya yang diterapkan (F = kx)Kekuatan yang diterapkan oleh aktuator pneumatik adalah fungsi tekanan udara dan area piston/diafragma (F=PA), dan pegas, pada gilirannya, memampatkan atau meregangkan,menghasilkan kekuatan reaksi yang sama dan berlawananHasil akhirnya adalah bahwa tekanan aktuator diterjemahkan secara linier ke gerakan batang (x = PA / k).

1. Pengendali Valve Positioner

Hubungan linier dan berulang antara tekanan sinyal pneumatik dan posisi batang hanya berlaku jika, dan hanya jika,diafragma penggerak / piston dan pegas adalah satu-satunya kekuatan yang bertindak pada batangJika kekuatan lain bertindak pada mekanisme, hubungan antara tekanan sinyal dan posisi batang tidak akan lagi ideal.

Sayangnya, ada banyak kekuatan lain yang bertindak pada batang selain kekuatan aktuator dan kekuatan reaksi pegas. gesekan pengemasan batang adalah salah satu kekuatan ini,dan gaya reaksi pada gulungan yang disebabkan oleh tekanan diferensial di daerah gulungan adalah lain. Kekuatan ini bergabung untuk memposisikan kembali batang sehingga perjalanan batang tidak secara tepat terkait dengan tekanan cairan penggerak.

Solusi umum untuk dilema ini adalah menambahkan posisi katup ke rangkaian katup kontrol. 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:

Posisi katup itu sendiri pada dasarnya adalah sistem kontrol: posisi batang katup adalah variabel proses (PV), sinyal perintah ke posisi adalah titik pengaturan (SP),dan sinyal posisi untuk alat penggerak katup adalah variabel yang dimanipulasi (MV) atau outputDengan demikian, ketika pengontrol proses mengirim sinyal perintah ke katup yang dilengkapi dengan posisi,posisi menerima sinyal perintah dan menerapkan tekanan udara sebanyak atau sedikit ke aktuator yang diperlukan untuk mencapai posisi batang yang diinginkanDengan demikian, posisier akan “lawan” kekuatan lain yang bertindak pada batang katup untuk mencapai posisi batang yang jelas dan akurat sesuai dengan sinyal perintah.Posisier yang berfungsi dengan baik memastikan bahwa katup kontrol “berperilaku ” untuk sinyal perintah.

2. Contoh posisi katup pneumatik

Gambar berikut menunjukkan positioner pneumatik Fisher Model 3582 yang dipasang pada katup kontrol. positioner adalah kotak abu-abu dengan tiga pressure gauge di sisi kanan:

Bagian dari mekanisme umpan balik dapat dilihat di sisi kiri positioner ini: bracket logam yang diborgol ke konektor batang yang menempel pada lengan yang membentang dari sisi positioner.Setiap posisi katup kontrol harus dilengkapi dengan beberapa cara untuk mendeteksi posisi batang, jika tidak posisi tidak akan dapat membandingkan posisi batang dengan sinyal perintah.

Sebuah posisi yang lebih modern, Fisher DVC6200 (lagi dalam kotak abu-abu dengan alat pengukur tekanan di sisi kanan), muncul di foto berikut:

Seperti posisier Model 3582 sebelumnya, DVC6000 ini menggunakan tautan umpan balik di sisi kiri untuk merasakan posisi batang katup.DVC6200 yang lebih baru menggunakan sensor efek Hall magnetik untuk merasakan posisi magnet yang dibalut ke batangDesain umpan balik posisi non-mekanik ini menghilangkan reaksi, keausan, gangguan dan masalah potensial lainnya yang terkait dengan tautan mekanik.Umpan balik yang lebih baik sangat penting untuk posisi katup yang lebih baik.

Positioner katup kontrol biasanya dibangun untuk menghasilkan dan melepaskan aliran udara yang tinggi, sehingga positioner juga berfungsi sebagai volume booster850.posisier tidak hanya memastikan posisi batang yang lebih akurat, tetapi juga kecepatan batang yang lebih cepat (penundaan waktu yang lebih pendek) daripada alat pemicu katup yang "dihidupkan" langsung oleh sensor I / P.

3. Katup di posisi

Keuntungan lain dari penambahan posisi katup ke katup kontrol pneumatik adalah bahwa katup menyegel (menutup erat) lebih baik.Keuntungan ini tidak jelas pada pandangan pertama dan oleh karena itu membutuhkan beberapa penjelasan.

Pertama, harus dipahami bahwa pada katup kontrol, kontak antara gulungan dan kursi saja tidak cukup untuk memastikan penutupan yang ketat.gulungan harus ditekan keras terhadap kursi untuk benar-benar menutup semua aliran melalui katupSiapa pun yang pernah mengencangkan gagang keran yang bocor (garten spout) memahami prinsip ini secara intuitif:jumlah tertentu dari gaya kontak diperlukan antara colokan dan kursi untuk mendistorsi dua bagian sedikitIstilah teknis untuk persyaratan mekanis ini adalah beban kursi.

Bayangkan diafragma-diaktifkan, lurus melalui katup kontrol pembukaan pneumatik dengan pengaturan bangku dari 3 sampai 15 Psi.diafragma menghasilkan kekuatan yang cukup untuk mengatasi preload dari actuator musim semi, tapi tidak cukup untuk memindahkan gulungan dari kursi.

Dengan kata lain, pada tekanan diafragma 3 Psi, gulungan akan bersentuhan dengan kursi, tetapi akan ada sedikit kekuatan untuk memberikan segel shutdown ketat.Jika katup kontrol ini didukung langsung dari sensor I / P yang dikalibrasi dari 3 sampai 15 Psi, ini berarti bahwa katup hampir tidak akan menutup pada 0% dari nilai sinyal (3 Psi), daripada menutup erat.semua tekanan udara harus dikeluarkan dari diafragma untuk memastikan bahwa tidak ada gaya diafragma terhadap pegasIni tidak mungkin untuk I / P dengan kisaran kalibrasi 3-15 Psi.

Sekarang bayangkan bahwa katup yang sama dilengkapi dengan posisier yang menerima sinyal 3 sampai 15 Psi dari I / P dan menggunakannya sebagai perintah (set point) untuk posisi batang,menerapkan tekanan sebanyak atau sedikit pada diafragma yang diperlukan untuk mencapai posisi batang yang diinginkanCara yang benar untuk mengkalibrasi posisi adalah untuk batang untuk mulai mengangkat hanya ketika sinyal telah meningkat menjadi sedikit di atas 0%,yang berarti bahwa pada 0% (4mA) posisier akan mencoba untuk memaksa katup ke posisi batang sedikit negatifDalam upaya untuk mencapai persyaratan yang mustahil ini, output posisier akan mencapai jenuh rendah, tidak memberikan tekanan pada diafragma penggerak,mengakibatkan batang katup menggunakan kekuatan pegas penuhnya pada kursi katupPerbandingan kedua skenario ditunjukkan dalam grafik di bawah ini:

Sementara posisier berguna untuk alat penggerak katup yang dilengkapi pegas, mereka sangat penting untuk beberapa jenis alat penggerak lainnya.Pertimbangkan berikut aksi ganda pneumatik piston aktuator tanpa pegas:

Tanpa mata air untuk memberikan kekuatan penahan untuk mengembalikan katup ke posisi “fail-safe”, tidak ada hubungan Hukum Hooke antara tekanan udara yang diterapkan dan posisi batang.Posisier harus secara bergantian menerapkan tekanan udara ke kedua permukaan piston untuk mengangkat dan menurunkan batang.

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 accuratelyOleh karena itu, 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. Force Balance Pneumatic Positioner

Desain posisi katup pneumatik yang seimbang gaya sederhana ditunjukkan di bawah ini:

Sinyal kontrol untuk katup ini adalah sinyal pneumatik 3 sampai 15 Psi dari sensor I/P atau pengontrol pneumatik (tidak ditunjukkan pada diagram).Tekanan sinyal kontrol ini memberikan kekuatan ke atas pada sinar kekuatan, menyebabkan baffle untuk mencoba mendekati muncung. peningkatan tekanan balik di muncung menyebabkan relay amplifikasi pneumatik untuk output lebih banyak tekanan udara ke alat penggerak katup,yang pada gilirannya mengangkat batang katup (membuka katup)Saat batang katup mengangkat, pegas yang menghubungkan aktuator ke batang katup membentang lebih jauh, menerapkan kekuatan tambahan ke sisi kanan aktuator.Ketika kekuatan tambahan ini seimbang dengan kekuatan dari balon, sistem stabil di titik keseimbangan baru.

Seperti halnya semua sistem keseimbangan gaya, gerakan pushrod dibatasi oleh gaya keseimbangan, sehingga gerakannya tidak signifikan dalam prakteknya.keseimbangan dicapai oleh satu kekuatan menyeimbangkan yang lain, seperti dua tim orang menarik tali: selama kekuatan dari kedua tim sama besarnya dan berlawanan arah, tali tidak akan menyimpang dari posisi aslinya.

Diagram di bawah ini menunjukkan PMV 1500 Force Balance Positioner untuk memposisikan aktuator katup putar dengan penutup di atas (atas) dan bawah (bawah):

Sinyal kontrol pneumatik 3 sampai 15 Psi memasuki balon dan mendorong ke bawah pada balok gaya horizontal (hitam).Pneumatic pilot katup perakitan di sisi kiri sinar kekuatan mendeteksi setiap gerakan dan meningkatkan tekanan udara ke katup yang menggerakkan diafragma jika gerakan ke bawah dideteksi, dan melepaskan tekanan udara ke aktuator jika gerakan ke atas terdeteksi:

Ketika udara terkompresi masuk ke aktuator katup melalui rangkaian katup pilot, katup putar akan mulai berputar ke arah terbuka.Gerakan putar poros dikonversi ke gerakan linier dalam positioner dengan cara cam: cam adalah cakram dengan jari-jari tidak teratur yang dirancang untuk menghasilkan pergeseran linier dari pergeseran sudut:

Pengikut roller yang terletak di ujung balok berwarna emas bergerak di sepanjang keliling cam.Gerakan cam dikonversi menjadi gaya pukulan lurus dengan kompresi mata air kumparan langsung terhadap gaya balon pneumatik pada balok kekuatanKetika gerakan cam cukup untuk memampatkan pegas cukup untuk mengimbangi kekuatan tambahan yang dihasilkan oleh balon pneumatik,sinar kekuatan kembali ke posisi keseimbangan (sangat dekat dengan posisi awal) dan katup berhenti bergerak.

Jika Anda melihat lebih dekat pada foto terakhir, Anda akan melihat sekrup nol posisi: batang berujung yang membentang di bawah balok berwarna emas.Sekrup ini menyesuaikan kompresi musim semi bias sehingga unit positioner berpikir cam berada dalam posisi yang berbedaSebagai contoh, memutar batang bergaris ini searah jarum jam (seperti yang dilihat dari ujung slotted dari keterlibatan sekrup) memampatkan pegas lebih lanjut, mendorong batang yang lebih gelap ke atas dengan kekuatan yang lebih besar,mencapai efek yang sama dengan sedikit putaran ke arah jarum jam dari camHal ini menyebabkan posisier untuk mengambil tindakan dan memutar cam searah jarum jam untuk mengkompensasi, membawanya lebih dekat ke posisi batang 0%.

Meskipun cam dan pengikut dalam mekanisme posisi ini benar-benar bergerak sebagai tanggapan terhadap gerakan batang,Hal ini masih dapat dianggap sebagai mekanisme keseimbangan kekuatan karena anggota silang yang melekat pada katup pilot tidak bergerak secara nyataDengan menyeimbangkan kekuatan pada balok, katup pilot selalu berada dalam posisi seimbang.

5. Pemanas dinamika posisi pneumatik

Motion-balancing pneumatic valve positioner design juga ada, di mana gerakan batang katup melawan gerakan (bukan kekuatan) dari elemen lain.Diagram cutway berikut menunjukkan bagaimana gerakan sederhana seimbang posisier bekerja:

Dalam mekanisme ini, peningkatan tekanan sinyal menyebabkan sinar untuk maju ke arah muncung, menghasilkan muncung tekanan balik yang lebih tinggi,yang pada gilirannya menyebabkan relay amplifikasi pneumatik untuk memberikan lebih banyak tekanan udara ke aktuator katupKetika batang katup mengangkat, gerakan ke atas ujung kanan balok mengimbangi kemajuan sebelumnya balok ke arah muncung.balok akan berada dalam posisi miring di mana gerakan balok diseimbangkan oleh gerakan batang.

Foto berikut menunjukkan tampilan dekat dari mekanisme FISHER Model 3582 Pneumatic Balance Positioner:

Pada jantung mekanisme adalah cincin logam berbentuk D yang menerjemahkan gerakan bellow dan gerakan batang ke gerakan baffle.balon (terletak di bawah sudut kanan atas cincin D) memperluas, menyebabkan balok bergoyang di sepanjang sumbu vertikalnya. ketika posisier diatur untuk operasi langsung, gerakan goyang ini mendorong baffle lebih dekat ke nozzle,yang meningkatkan tekanan balik dan memberikan lebih banyak udara terkompresi ke aktuator katup:

Saat batang bergerak, tuas umpan balik memutar cam di bagian paling bawah cincin D.Roller? follower? pada cam ini menerjemahkan gerakan batang katup ke dalam gerakan goyang lain pada balokBergantung pada bagaimana cam dipasang pada poros umpan balik, gerakan ini dapat menyebabkan lempengan katup bergoyang lebih jauh dari nozel atau lebih dekat dengannya.Arah cam harus dipilih untuk mencocokkan tindakan aktuator: langsung (udara memanjangkan batang katup) atau terbalik (udara menarik kembali batang katup).

Mekanisme cincin D cukup cerdik karena memungkinkan penyesuaian rentang yang mudah dengan menyesuaikan sudut perakitan baffle (stopper) di berbagai titik di sepanjang keliling cincin.Jika perlengkapan baffle diatur dekat horizontal, ia akan paling sensitif terhadap gerakan beludru dan paling tidak sensitif terhadap gerakan batang, memaksa katup untuk bergerak lebih jauh untuk menyamakan gerakan kecil beludru (panjang stroke).jika rangkaian katup diatur dekat vertikal, akan sangat sensitif terhadap gerakan batang dan minimal sensitif terhadap gerakan bellow, menghasilkan stroke katup yang sangat kecil (yaitu,bola api akan perlu memperluas secara signifikan untuk menyeimbangkan jumlah kecil gerakan batang).

6. Digital Valve Positioner

Ingat bahwa tujuan posisi katup adalah untuk memastikan bahwa posisi katup mekanik selalu sesuai dengan sinyal yang diperintahkan.posisi katup itu sendiri sebenarnya adalah sistem kontrol loop tertutup: dengan menerapkan tekanan sebanyak mungkin atau sesedikit mungkin pada alat penggerak agar selalu mencapai posisi batang yang diperintahkan.dan komponen fisik lainnya untuk mencapai kontrol loop tertutup ini.

Posisi katup digital (seperti model Fisher DVC6000) menggunakan sensor elektronik untuk mendeteksi posisi batang,sebuah mikroprosesor untuk membandingkan posisi batang yang terdeteksi dengan sinyal kontrol melalui pengurangan matematis (kesalahan = posisi - sinyal), dan kemudian konverter sinyal pneumatik dan relay untuk mengirim tekanan udara ke aktuator katup.

Seperti yang Anda lihat dari diagram, struktur internal dari posisi katup digital sangat kompleks.tapi dua algoritma kontrol bekerja secara tandem untuk menjaga posisi katup yang benar: satu memantau dan mengontrol tekanan yang diterapkan pada aktuator (mengimbangi variasi tekanan pasokan yang dapat mempengaruhi posisi katup),dan yang lain memantau dan mengontrol posisi batang katup itu sendiri, mengirim sinyal kontrol cascading ke kumpulan kontrol tekanan.

Sinyal perintah (dari pengontrol loop proses, PLC, atau sistem kontrol lainnya) memberi tahu posisi batang katup.Pengontrol pertama (PI) dalam positioner menghitung berapa banyak tekanan udara yang dibutuhkan aktuator untuk mencapai posisi batang yang diperlukan. Pengontrol berikutnya (PID) mengemudi I / P (sekarang-ke-tekanan) konverter yang diperlukan untuk mencapai tekanan itu.dua pengontrol dalam positioner akan bekerja sama untuk memaksa katup ke posisi yang benar.

Tidak hanya posisi katup digital memberikan kontrol posisi yang lebih unggul dibandingkan dengan posisi katup mekanik, 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).

Data diagnostik yang diberikan oleh posisi katup digital meliputi:

--tekanan pasokan udara

--tekanan udara aktuator

--Suhu lingkungan

--Kesalahan posisi dan tekanan

-Total perjalanan batang (mirip dengan odometer mobil)

Selain itu, mikroprosesor yang tertanam dalam posisi katup digital mampu melakukan pengujian diri, kalibrasi diri,dan prosedur rutin lainnya yang secara tradisional dilakukan oleh teknisi instrumen pada posisi katup mekanis. 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. Kesalahan sensor posisi katup

Beberapa posisi klep “smart” memantau tekanan udara aktuator selain posisi batang,dan dengan demikian memiliki fitur yang berguna untuk mempertahankan beberapa tingkat kontrol katup dalam hal kegagalan sensor posisi batangJika mikroprosesor mendeteksi kegagalan sinyal umpan balik posisi (di luar jangkauan), dapat diprogram untuk terus mengoperasikan katup berdasarkan tekanan saja:

Artinya, tekanan udara ke aktuator katup disesuaikan berdasarkan fungsi tekanan / posisi yang tercatat di masa lalu.tidak lagi berfungsi secara ketat sebagai posisi, tetapi masih dapat berfungsi sebagai penguat (dibandingkan dengan arus aliran dari I / P khas) dan memberikan kontrol yang masuk akal dari katup,sedangkan setiap posisi katup lain (tidak cerdas) akan benar-benar membuat situasi lebih buruk ketika ia kehilangan umpan balik posisi batang.

Dengan posisier yang murni mekanis, jika hubungan umpan balik posisi batang terputus, katup kontrol biasanya akan "penuh" dan terbuka sepenuhnya atau ditutup sepenuhnya.Ini tidak terjadi dengan posisi “smart” terbaik!

8. Tekanan aktuator dan posisi batang

Mungkin data diagnostik yang paling penting yang diberikan oleh posisi katup digital adalah perbandingan tekanan aktuator dengan posisi batang, biasanya diwakili secara grafis.Tekanan aktuator adalah refleksi langsung dari gaya yang diterapkan pada batang oleh aktuator, karena hubungan antara gaya piston atau diafragma dan tekanan adalah F = PA, di mana area (A) adalah konstan.perbandingan tekanan udara aktuator untuk posisi batang sebenarnya merupakan ekspresi kekuatan dan posisi katupKarakterisasi katup yang disebut ini sangat berguna dalam mengidentifikasi dan memperbaiki masalah seperti gesekan kemasan yang berlebihan, gangguan dengan bagian dalam katup, dan masalah pas spool / kursi.

Ditampilkan di sini adalah tangkapan layar yang menunjukkan karakteristik katup (diambil dari produk perangkat lunak Emerson ValveLink,bagian dari suite AMS) dari perilaku udara terbuka Fisher E-body katup kontrol lurus-melalui:

Grafik ini menunjukkan dua grafik tekanan aktuator versus posisi batang, satu merah dan satu biru.

Grafik merah menunjukkan respons katup di arah terbuka, ketika katup terbuka (ke atas), tekanan tambahan diperlukan untuk mengatasi gesekan pengemasan.

Grafik biru menunjukkan katup tertutup, dengan tekanan yang lebih sedikit sekarang diterapkan pada diafragma untuk memungkinkan kompresi pegas untuk mengatasi gesekan pengemasan saat katup ditutup (turun) untuk beristirahat.

Putar tajam di ujung diagram ini menunjukkan posisi di mana batang katup mencapai posisi akhir dan tidak dapat bergerak lebih jauh meskipun perubahan tekanan aktuator lebih lanjut.

Menurut Hukum Hooke, yang menggambarkan perilaku katup pegas, setiap grafik kira-kira linier,dengan gaya yang dilakukan pada pegas proporsional dengan perpindahan (kompresi) pegas tersebut: F=kx. Setiap penyimpangan dari grafik linier individu menunjukkan bahwa ada kekuatan selain kompresi pegas dan tekanan udara yang bertindak pada batang.Inilah sebabnya mengapa kita melihat pergeseran vertikal di dua plot: gesekan pengemasan adalah kekuatan lain yang bertindak pada batang selain kompresi pegas dan kekuatan yang dilakukan oleh tekanan udara pada diafragma aktuator.Besarnya pergeseran ini relatif kecil, dan konsistensinya menunjukkan bahwa gesekan pengemasan adalah "sehat" di katup ini. Semakin besar gesekan pengemasan yang dialami katup, semakin besar pergeseran vertikal dari dua grafik.

Penurunan tajam di ujung kiri grafik di mana colokan katup bersentuhan dengan kursi katup disebut profil kursi.Profil kursi terletak di akhir grafik di mana katup ditutup dan berisi banyak informasi berguna tentang kondisi fisik colokan katup dan kursi. Karena bagian dalam katup ini mengalami keausan pada katup kontrol, bentuk profil kursi berubah. Profil kursi yang tidak teratur dapat mendiagnosis korosi kursi, keausan, atau banyak kondisi lainnya.

Kontur kursi dapat diperiksa secara rinci dengan memperbesar pada ujung kiri bawah gambar fitur katup.Gambar berikut menunjukkan profil kursi katup kontrol lurus Fisher E-body dalam kondisi utuh:

Jika staf pemeliharaan fasilitas cukup rajin untuk mencatat karakteristik katup katup kontrol setelah mereka dirakit atau dibangun kembali,karakteristik asli dari katup kontrol tertentu dapat dibandingkan dengan karakteristik katup kontrol yang sama pada tanggal berikutnya, memungkinkan untuk menentukan keausan tanpa perlu membongkar katup untuk pemeriksaan.

Menariknya, hubungan antara tekanan aktuator (kekuatan) dan posisi batang juga berlaku untuk posisi katup digital yang digunakan dalam beberapa katup bermotor modern.kekuatan yang diterapkan pada batang katup secara langsung terkait dengan arus motor, yang dapat dengan mudah diukur dan ditafsirkan oleh posisi katup digital.

Akibatnya, jenis data diagnostik yang sama dapat disajikan secara grafis, bahkan ketika teknologi aktuator yang berbeda digunakan, untuk memudahkan diagnosis masalah katup.Diagnosis ini berlaku bahkan untuk membuka/menutup katup motor yang tidak digunakan dalam layanan throttling dan terutama berlaku untuk gerbang, katup kontrol plug dan lurus, di mana keterlibatan kursi penting untuk shutdown yang ketat.