Cosa sono le valvole di controllo? Come funzionano le valvole di controllo?

Come funzionano le valvole di controllo?

Nella moderna produzione industriale, il controllo preciso del flusso di fluidi (come gas, vapore, acqua o miscele chimiche), la pressione, la temperatura e il livello del liquido sono fondamentali per garantire l'efficienza della produzione, la qualità del prodotto, la sicurezza operativa e la protezione ambientale. Come "elemento di controllo finale" nei sistemi di automazione industriale, le valvole di controllo svolgono un ruolo centrale in questa catena di controllo complessa e precisa. Non sono semplicemente semplici dispositivi di onda/off, ma piuttosto rispondono ai segnali dei controller alterando le dimensioni del percorso di flusso, ottenendo così una regolazione diretta e precisa delle variabili di processo. Le prestazioni delle valvole di controllo influiscono direttamente sull'efficienza economica, la sicurezza e l'impatto ambientale dei processi industriali, rendendoli un investimento strategico piuttosto che un semplice acquisto di attrezzature.

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Componenti di base di una valvola di controllo

Una valvola di controllo non è un singolo componente ma un sistema integrato che comprende più componenti di precisione che lavorano in tandem. I suoi componenti principali includono il corpo della valvola, gli interni della valvola, l'attuatore e il posizionatore della valvola, insieme a vari accessori come convertitori, regolatori di pressione di alimentazione dell'aria, operatori manuali, smorzatori o interruttori di limite.

Corpo valvola: via del fluido e componente portante

Il corpo della valvola è il principale componente strutturale della valvola di controllo e il suo design determina il percorso di flusso del fluido all'interno della valvola. Serve da recipiente a pressione con porte di ingresso e uscita, attraverso le quali il fluido scorre attraverso le porte e le aperture o gli orifizi all'interno del corpo della valvola. Le funzioni primarie del corpo della valvola sono per resistere alla pressione del fluido e fornire supporto e un ambiente sigillato per gli interni della valvola. Inoltre, la struttura del corpo della valvola influenza indirettamente le caratteristiche di regolazione del flusso, poiché la resistenza al flusso del fluido e le caratteristiche della caduta di pressione sono strettamente correlate alla progettazione dei passaggi interni all'interno del corpo della valvola.

Valve Interna: componenti direttamente a contatto con il fluido, componenti del core per la regolazione del flusso

Gli interni della valvola sono le parti della valvola di controllo che entrano direttamente in contatto con il fluido controllato e sono i componenti del core per raggiungere la regolazione del flusso. In genere sono costituiti da una sede della valvola, disco valvola (o spina della valvola) e stelo della valvola. Gli interni della valvola controllano con precisione la quantità di fluido che passa alterando la posizione relativa e la clearance con la sede della valvola. Ad esempio, quando il disco o la spina della valvola viene sollevato o ruotato, l'area del canale di flusso cambia di conseguenza, regolando così il flusso del fluido. La forma geometrica e la selezione del materiale degli interni della valvola hanno un impatto decisivo sulle loro caratteristiche di flusso, resistenza all'usura, resistenza alla corrosione e prestazioni di tenuta.

Attuatore: fornisce la forza trainante per il funzionamento della valvola

L'attuatore è il "muscolo" della valvola di controllo, responsabile della conversione dei segnali astratti dal sistema di controllo in forza meccanica per guidare gli interni della valvola per il movimento fisico. Dopo aver ricevuto il segnale di controllo, guida di conseguenza la valvola per ottenere una posizione completamente aperta, completamente chiusa o di qualsiasi intermedia, realizzando così il controllo preciso della limitazione del flusso di fluido.

Gli attuatori possono essere classificati in vari tipi in base alla loro fonte di alimentazione e modalità di movimento:

Classificazione per modalità di movimento:

• Attuatori lineari:Produrre un movimento push-pull lineare, adatto alle valvole che richiedono che lo stelo della valvola si muova su e giù, come valvole a globo, valvole di gate e valvole per diaframmi.
• Attuatori rotanti:Produrre un movimento rotazionale, adatto per le valvole che richiedono la ruota del disco della valvola o della sfera, come valvole a sfera, valvole a farfalla e valvole a spina.

Valvola di controllo pneumatico Fisher

Classificato per fonte di alimentazione:

• Attuatori pneumatici:
• Principio di lavoro:Utilizza aria o gas compressa come fonte di alimentazione, applicando la pressione dell'aria a un diaframma o pistone per generare movimento lineare o rotante. La pressione dell'aria può agire alternativamente su entrambi i lati del pistone per raggiungere il movimento bidirezionale (doppio azione) o agire su un solo lato con una molla che fornisce la forza di ritorno (ad azione singola). Il movimento rotante è in genere raggiunto attraverso un meccanismo a rack-and-pinion.
• Vantaggi:
1. Velocità di risposta rapida: in genere raggiunge 50–500 mm/s, più veloce dei sistemi idraulici o elettrici.
2. Intrinsecamente sicuro: non si basa sull'elettricità e non produce scintille, rendendolo altamente adatto per ambienti pericolosi infiammabili ed esplosivi.
3. Struttura semplice, leggera, facile da installare e mantenere: in genere a un costo inferiore.
4. Facile regolazione della forza di uscita e della velocità operativa.
5. Alta affidabilità e lunga durata.
6. Può immagazzinare energia, consentire l'approvvigionamento d'aria centralizzato e rilasciare rapidamente energia per ottenere una risposta ad alta velocità.
7. Una forte adattabilità ai carichi e ai sovraccarichi.
8. Può essere utilizzato in ambienti ad alta temperatura.
• Svantaggi:
1. Forza di uscita limitata: rispetto agli attuatori idraulici, la loro forza di uscita è generalmente più piccola.
2. Precisione relativamente bassa: a causa della compressibilità dell'aria, la velocità operativa del cilindro è facilmente influenzata dalle variazioni di carico e la sua stabilità a bassa velocità è inferiore a quella dei cilindri idraulici.
3. Richiede un sistema di fornitura di aria compressa: ciò include costi aggiuntivi per compressori e tubazioni.
4. Il fallimento del compressore può causare malfunzionamento di tutti gli attuatori pneumatici: tuttavia, questo rischio può essere mitigato da un sistema di compressore di backup.
5. Il ciclo rapido può causare effetti di martello ad acqua.
6. Le prestazioni sono suscettibili di acqua e temperature estreme.
• Applicazioni tipiche: ampiamente utilizzato nel controllo del processo, chimico, alimentare e bevande, trattamento delle acque reflue, energia, mining e industrie di energia nucleare in cui sono necessarie rapide prestazioni a prova di esplosione.
• Attuatori elettrici:
• Principio di lavoro:Spinto da un motore elettrico, il movimento di rotazione del motore viene convertito in movimento lineare o rotazionale attraverso meccanismi di trasmissione come viti, ingranaggi o cinture per guidare le valvole. I motori a passo d'appalto o i servi motori sono comunemente usati per ottenere un controllo ad alta precisione.
• Vantaggi:
1. Posizionamento ad alta precisione e ripetibile: fornisce un posizionamento della valvola estremamente accurato e ripetibile, rendendolo ideale per attività automatizzate.
2. Facile da programmare e integrare: si collega perfettamente ai sistemi di controllo digitale e può essere programmato per ottenere modelli di movimento complessi.
3. Elevata efficienza energetica: in genere consuma meno energia rispetto agli attuatori idraulici o pneumatici nelle applicazioni di carico statico.
4. Bassi requisiti di manutenzione: a causa di un minor numero di parti e nessun sistema fluido coinvolto, i requisiti di manutenzione sono estremamente bassi.
5. Operazione tranquilla.
6. Non influenzato dalle fluttuazioni nella tensione e nella frequenza di alimentazione.
7. Velocità di rotazione regolabile.
• Svantaggi:
1. Costo più elevato: in genere più costoso degli attuatori pneumatici.
2. Velocità relativamente lenta: soprattutto nelle applicazioni che richiedono un'alta spinta.
3. Dipendente dall'alimentazione: richiede una fonte di alimentazione di backup o un meccanismo di ritorno a molla durante le interruzioni di corrente per garantire la sicurezza.
4. Non è adatto per ambienti esplosivi: se non appositamente progettato per la protezione dell'esplosione.
5. Design complesso, che richiede conoscenze specializzate per l'installazione e la manutenzione.
• Applicazioni tipiche:Ampiamente utilizzato nella generazione di energia, nel trattamento delle acque, nei prodotti farmaceutici, ai bracci robotici, alle cinture del trasportatore, alle linee di montaggio automatizzate, ai macchinari agricoli, ai sistemi di ventilazione e illuminazione e attrezzature per la movimentazione e la pulizia dei materiali in cui sono necessari un controllo preciso e alti livelli di integrazione di automazione.
• Attuatori idraulici:
• Principio di lavoro:Utilizza il fluido pressurizzato (in genere olio idraulico) come fonte di alimentazione per convertire la pressione del fluido in movimento meccanico. L'incompresibilità dell'olio idraulico garantisce un posizionamento della valvola stabile e affidabile, con pistoni piuttosto che diaframmi in genere utilizzati per generare una spinta potente.
• Vantaggi:
1. Forza/coppia di uscita elevata: in grado di generare una forza meccanica significativa, adatta per gestire valvole grandi, pesanti o ad alta pressione, con forza di uscita che supera di gran lunga quella degli attuatori pneumatici.
2. Posizionamento ad alta precisione: a causa dell'incompressibilità dell'olio idraulico, consente un posizionamento della valvola altamente preciso e stabile.
3. Velocità di risposta rapida: adatto per l'arresto di emergenza (ESD) e le applicazioni della valvola che richiedono un'azione rapida.
4. Durevole e robusto, con requisiti di manutenzione relativamente bassi e una lunga durata.
5. Può implementare meccanismi di protezione dei guasti.
• Svantaggi:
1. Sistema complesso con costi più elevati: richiede un sistema di pompe idrauliche dedicate, rendendo più complessi l'installazione e la progettazione del sistema.
2. Rischio di perdita di fluido: è necessario un manutenzione regolare per prevenire la perdita di olio idraulico.
3. Non è adatto a tutti gli ambienti: alcuni progetti possono avere limitazioni.
• Applicazioni tipiche:Utilizzato principalmente nelle condutture di petrolio e gas, centrali elettriche, industria del petrolio e del gas naturale, delle dighe e delle centrali idroelettriche: applicazioni industriali pesanti che richiedono alta forza, alta coppia e risposta rapida.
• Attuatori elettroidraulici:Questi attuatori combinano i vantaggi dei motori elettrici e delle unità di potenza idraulica, offrendo l'elevata forza di uscita dei sistemi idraulici, raggiungendo la precisione del controllo elettrico. Sono particolarmente adatti per posizioni remote che richiedono un controllo preciso della posizione della valvola.

La tabella seguente confronta diversi tipi di attuatori:

Posizionatore della valvola: garantire un posizionamento preciso della valvola

Il posizionatore della valvola funge da "cervello" critico che consente alle valvole di controllo di ottenere alta precisione, reattività e stabilità. Ha un ruolo indispensabile all'interno dei gruppi di valvole di controllo, in particolare quando le valvole richiedono il controllo di limitazione.

Posizionatore di valvole Emerson Fisher

La funzione e l'importanza dei posizionatori della valvola

La funzione principale di un posizionatore della valvola è garantire che la posizione effettiva dello stelo della valvola o dell'albero della valvola corrisponda con precisione al segnale di comando emesso dal sistema di controllo. Monitorando continuamente la posizione effettiva della valvola e apportando correzioni, supera efficacemente i limiti meccanici intrinseci all'interno della valvola, come l'attrito dall'imballaggio dello stelo della valvola, il ritardo dell'attuatore e le forze sbilanciate esercitate dal fluido sulla spina della valvola.

Il posizionatore utilizza il suo meccanismo di controllo del feedback a circuito chiuso interno per regolare continuamente la pressione applicata all'attuatore, "contrastando qualsiasi altra forze che agisce sullo stelo della valvola," garantendo che la valvola "si comporta correttamente" e "obbedisci al segnale di controllo". Questa precisa capacità di controllo migliora significativamente le prestazioni complessive del sistema di controllo, tra cui:

Accuratezza del controllo migliorata: garantire che la portata effettiva corrisponda con precisione al segnale di controllo è fondamentale per i processi sensibili alle deviazioni persino minori.

• Tempo di risposta più veloce:Caricando e sfiato rapidamente, viene ridotto il tempo necessario per il processo di risposta alla valvola.
• Stabilità del processo migliorata:La compensazione delle variazioni delle condizioni di processo (come le fluttuazioni della pressione e le variazioni della portata) mantiene un controllo coerente, che è fondamentale per la qualità del prodotto e la sicurezza del sistema.
• Rifiuti ridotti e una migliore sicurezza:Ottimizza l'utilizzo delle risorse e riduce i rischi per incidenti attraverso un controllo preciso.
• Durata della valvola estesa e costi di manutenzione ridotti:Riduce al minimo l'usura compensando le variazioni delle prestazioni delle valvole nel tempo, consentendo la manutenzione predittiva.
• Amplificazione del segnale:Il posizionatore è in grado di gestire velocità di flusso d'aria più elevate, funzionando così anche come booster di volume, fornendo velocità più veloci dello stelo della valvola e ritardi nel tempo più brevi.
• Ottenere un arresto stretto:Saturando l'uscita al minimo al segnale 0%, il tappo della valvola è strettamente premuto contro il sedile, garantendo un arresto affidabile a zero-disperazione.
• Critico per attuatori di pistone a doppio azione senza primavera e attuatori elettrici senza capacità di rilevamento della posizione intrinseca.

Il principio di lavoro di un posizionatore della valvola: controllo del feedback a circuito chiuso

Il nucleo del funzionamento di un posizionatore della valvola è il suo sistema di controllo del feedback a circuito chiuso. Riceve segnali di ingresso (setpoint) dal sistema di controllo mentre misura la posizione effettiva dello stelo della valvola o dell'albero della valvola (segnale di feedback) tramite mezzi meccanici o elettronici. Il controller all'interno del posizionatore confronta la differenza tra il setpoint e la posizione effettiva, calcola il segnale di errore e regola il segnale di uscita (tipicamente pressione pneumatica) inviata all'attuatore in base a questo errore, spingendo così la valvola per spostarsi verso la posizione desiderata fino a quando l'errore non viene eliminato.

• Principio di lavoro dettagliato dei posizionatori pneumatici:
  I posizionatori pneumatici in genere operano in base al principio dell'equilibrio della forza. Quando il segnale dell'aria dello strumento aumenta, agisce sul diaframma del segnale, guidando lo stelo della valvola collegato al diaframma del segnale e la piastra collegata per spostarsi a destra. Ciò apre la piastra d'aria di alimentazione, consentendo alla pressione dell'aria di alimentazione di entrare nell'estremità di uscita collegata al diaframma dell'attuatore, mentre la piastra di scarico rimane chiusa. L'aumento della pressione interna all'interno dell'attuatore spinge lo stelo della valvola verso il basso, causando la ruota della leva del posizionatore in senso orario e comprimere la molla della gamma tramite la camma. Lo stelo della valvola continua a muoversi fino a raggiungere la posizione specificata dal controller, a quel punto la forza di compressione della molla di gamma bilancia la forza generata dal diaframma del segnale e si chiudono sia gli smorzatori di alimentazione che di scarico, fermando il movimento della valvola. Al contrario, quando il segnale di controllo diminuisce, la forza esercitata dal diaframma del segnale diminuisce e la forza della molla di gamma spinge lo stelo della valvola collegato all'ammortizzatore a sinistra, aprendo lo smorzatore di scarico, riducendo la pressione dell'attuatore e causando il passaggio dello stelo della valvola verso l'alto fino a quando non viene stabilito un nuovo equilibrio della forza.
• Principio di lavoro del posizionatore digitale:
  Il posizionatore digitale utilizza un microprocessore per eseguire algoritmi di controllo della posizione, piuttosto che travi di bilanciamento meccanico, camme e assiemi di serrande. Il microprocessore legge il segnale di controllo, lo elabora attraverso gli algoritmi digitali e lo converte in un segnale di corrente di azionamento inviato al convertitore I/P. Il convertitore I/P converte il segnale di corrente in un segnale di pressione pneumatica, che viene quindi trasmesso all'attuatore tramite un relè di amplificatore pneumatico. Il feedback sulla posizione della valvola (in genere tramite sensori non contatti come i sensori di effetto Hall) viene inviato al microprocessore. Lo stelo della valvola continua a muoversi fino a raggiungere la posizione corretta, a quel punto il microprocessore stabilizza il segnale di azionamento al convertitore I/P, ottenendo un equilibrio preciso.

Classificazione e caratteristiche del posizionatore della valvola

Sulla base dei loro principi operativi e del tipo di segnali che ricevono, i posizionatori delle valvole possono essere classificati nelle seguenti categorie:

• Rapporti pneumatici:
• Principio operativo:Riceve segnali pneumatici (in genere 3-15 psi o 6-30 psi) e fornisce una pressione dell'aria corrispondente all'attuatore pneumatico per garantire che lo stelo della valvola o la posizione dell'albero della valvola siano proporzionali al segnale di ingresso pneumatico.
• Vantaggi:
1. Design e struttura semplice:Facile da produrre e mantenere.
2. Costo inferiore:In genere più economico di altri tipi.
3. Funzionamento affidabile:Noto per le sue prestazioni affidabili.
4. Intrinsecamente sicuro:Nessuna elettricità richiesta, nessuna scintilla generata, adatta per ambienti esplosivi.
5. Può fornire un'elevata spinta per chiudere le valvole.
• Svantaggi:
1. Precisione e risoluzione limitate: una precisione inferiore rispetto ai tipi più avanzati.
• Applicazioni tipiche:Adatto per applicazioni semplici e robuste in cui sia il segnale di controllo che l'attuatore della valvola sono pneumatici, nonché ambienti in cui l'elettricità non è disponibile o esistono rischi esplosivi, come piante chimiche o raffinerie.
• Posizionatori elettro-pneumatici:
• Principio di lavoro:Converte i segnali di controllo elettrici (in genere 4-20 mA o 0-10 VDC) in segnali di uscita pneumatici, che quindi controllano l'attuatore della valvola. Poiché molte unità di controllo di processo utilizzano segnali DC da 4-20 mA per regolare le valvole di controllo, i posizionatori elettroc-pneumatici (noti anche come posizionatori I/P o sensori) sono responsabili della conversione dei segnali di corrente elettronica in segnali di pressione pneumatica.
• Vantaggi:
1. Precisione e risoluzione più elevate: fornisce una maggiore precisione rispetto ai posizionatori pneumatici puri.
2. In grado di gestire segnali di controllo elettrico: adatti a sistemi che utilizzano segnali elettrici per il controllo.
3. Versatilità: combina la precisione del controllo elettronico con la robustezza e la sicurezza del funzionamento pneumatico.
4. Accuratezza del controllo migliorata e tempo di risposta.
• Svantaggi:
1. Design e struttura più complessi:Più complesso dei posizionatori pneumatici.
2. Costo più elevato:Più costoso dei posizionatori pneumatici.
• Applicazioni tipiche:Ampiamente utilizzato in ambienti industriali con infrastrutture sia elettriche che pneumatiche, nonché processi che richiedono una maggiore precisione e strategie di controllo complesse.
• Posizionatori digitali:
• Principio di lavoro:Utilizzando la tecnologia digitale avanzata, questi dispositivi impiegano microprocessori per posizionare attuatori di valvole e monitorare e registrare i dati. Ricevono segnali elettrici (come 4-20 Ma o protocolli di comunicazione digitale come Hart, Fondazione Fieldbus, Profibus, ecc.).
• Vantaggi:
1. Alta precisione e risoluzione:Fornire capacità di precisione e controllo eccezionali.
2. Funzioni diagnostiche avanzate:Rilevare anomalie della valvola e segni di deterioramento, eseguire l'autodiagnosi e supportare la manutenzione predittiva per ridurre i costi di manutenzione.
3. Auto-calibrazione e capacità di monitoraggio remoto:Semplifica la configurazione e il funzionamento, consentendo agli utenti di regolare e configurare le impostazioni sempre e ovunque.
4. Basso consumo d'aria:Più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ai posizionatori analogici.
5. Nessuna usura meccanica e isteresi minima:Soprattutto quando si utilizzano la tecnologia di feedback senza contatto, elimina problemi come usura meccanica, allentamento, corrosione e danni da vibrazione, migliorando significativamente l'affidabilità e la durata della vita.
6. Struttura semplice e affidabile con una lunga durata operativa.
7. Conveniente:Sebbene il costo iniziale sia più elevato, a lungo termine, può risparmiare costi significativi attraverso un funzionamento ottimizzato e una riduzione dei tempi di fermo.
• Svantaggi:
1. Costo più elevato:In genere più costoso degli attuatori pneumatici ed elettrici.
2. Possono ancora esistere problemi di usura meccanica se non viene utilizzata la tecnologia di feedback senza contatto.
• Applicazioni tipiche:Adatto per applicazioni ad alta precisione, altamente automatizzata, complessa e critica che richiedono l'acquisizione dei dati e l'integrazione dell'IoT, come petrolio e gas, raffinazione, energia, sostanze chimiche, polpa e carta, scienze della vita, alimenti e bevande e industrie minerarie.

La tabella seguente confronta diversi tipi di posizionatori della valvola:

Considerazioni di selezione e punti di manutenzione

La selezione del posizionatore della valvola appropriata richiede una considerazione completa di più fattori per garantire prestazioni ottimali in applicazioni specifiche:

1. Supporto per il controllo diviso:Alcuni posizionatori possono rispondere a specifici intervalli di segnali di input, consentendo a un singolo controller di controllare due o più valvole per un controllo più preciso.
2. Comodità di regolazione zero e span:Alcuni posizionatori consentono una regolazione zero e span senza aprire la copertura, ma per motivi di sicurezza, tali regolazioni dovrebbero essere utilizzate con cautela o vietate.
3. Stabilità di zero e span:Se zero e span si spostano facilmente in variazioni di temperatura, vibrazione, tempo o pressione di ingresso, è necessaria una calibrazione frequente per garantire l'accuratezza del viaggio della valvola.
4. Precisione del posizionatore:Idealmente, per ciascun segnale di ingresso, i componenti interni della valvola (spina della valvola, lo stelo della valvola, la sede della valvola, ecc.) Dovrebbero raggiungere con precisione la posizione desiderata ogni volta, indipendentemente dalla direzione del viaggio o della dimensione del carico.
5. Requisiti di qualità dell'aria:Poiché l'approvvigionamento d'aria in loco spesso non soddisfa gli standard ISA, i posizionatori di valvole pneumatici devono essere in grado di resistere a determinati livelli di polvere, umidità e contaminazione dell'olio.
6. Compatibilità:Assicurarsi che il posizionatore sia compatibile con il tipo di valvola, l'attuatore e il controller di processo utilizzati.
7. Vincoli di spazio e caratteristiche di sicurezza:Prendi in considerazione lo spazio di installazione e seleziona un posizionatore con funzionalità di sicurezza come funzionalità di spegnimento di emergenza per ridurre i rischi nelle applicazioni pericolose.

Una corretta installazione, calibrazione e manutenzione regolare sono fondamentali per garantire prestazioni e longevità ottimali del posizionatore. Con funzionalità diagnostiche migliorate, come quelle dei posizionatori di valvole intelligenti della serie Azbil 700, è possibile il rilevamento online di anomalie della valvola e i segni di deterioramento, consentendo un passaggio dalla manutenzione basata sul tempo alla manutenzione predittiva basata sulle condizioni, riducendo significativamente i costi di mantenimento e migliorando l'efficienza del sistema.

Valvola di controllo Fisher

Il principio di lavoro delle valvole di controllo: dai segnali di controllo alla regolazione precisa

Le valvole di controllo svolgono il ruolo degli "elementi di controllo finali" nell'aut industriale