Bộ truyền động van là gì?

Bộ truyền động van (valve actuator) là cơ cấu đóng mở van. Van vận hành thủ công cần có người điều chỉnh bằng cơ cấu trực tiếp hoặc cơ cấu bánh răng gắn vào thân van. 

Bộ truyền động van vận hành bằng điện, sử dụng áp suất khí, áp suất thủy lực hoặc điện, cho phép điều chỉnh van từ xa hoặc cho phép vận hành nhanh các van lớn. Bộ truyền động van vận hành bằng điện có thể là thành phần cuối cùng của một vòng điều khiển tự động, tự động điều chỉnh lưu lượng, mức hoặc các quy trình khác. 

Bộ truyền động van có thể chỉ dùng để đóng mở van, hoặc có thể cho phép định vị trung gian; một số Bộ truyền động van bao gồm công tắc hoặc các phương pháp khác để chỉ báo vị trí van từ xa.

Các loại bộ truyền động van

Các loại Bộ truyền động van phổ biến là: Bộ truyền động van thủ công, bộ truyền van động khí nén, Bộ truyền động van thủy lực, Bộ truyền động van điện và Bộ truyền động van lò xo.

Bộ truyền động van thủ công

Bộ truyền động van thủ công sử dụng đòn bẩy, bánh răng hoặc bánh xe để di chuyển trục van với một tác động nhất định. Bộ truyền động van thủ công được vận hành bằng tay. Bộ truyền động van thủ công có giá thành thấp, thường là loại độc lập và dễ vận hành.

Tuy nhiên, một số van lớn không thể vận hành thủ công và một số van có thể được đặt ở những nơi xa xôi, độc hại hoặc môi trường khắc nghiệt, ngăn cản việc vận hành thủ công trong một số điều kiện. Vì lý do an toàn, một số loại tình huống nhất định có thể yêu cầu vận hành nhanh hơn Bộ truyền động van thủ công để đóng van.

Bộ truyền động van khí nén

Áp suất không khí (hoặc khí khác) là nguồn năng lượng cho Bộ truyền động van khí nén. Chúng được sử dụng trên van tuyến tính hoặc van một phần tư vòng. Áp suất không khí tác động lên màng ngăn piston hoặc ống thổi tạo ra lực tuyến tính lên trục van.

Ngoài ra, Bộ truyền động van kiểu cánh gạt một phần tư vòng tạo ra mô-men xoắn để cung cấp chuyển động quay vận hành van một phần tư vòng. Bộ truyền động van khí nén có thể được bố trí để đóng hoặc mở bằng lò xo, với áp suất không khí vượt qua lò xo để tạo chuyển động. Bộ truyền động van “tác động kép” sử dụng khí nén được cung cấp cho các cửa hút khác nhau để di chuyển van theo hướng mở hoặc đóng.

Một hệ thống khí nén trung tâm có thể cung cấp khí nén sạch, khô cần thiết cho các Bộ truyền động van khí nén. Trong một số loại, ví dụ như bộ điều chỉnh khí nén, áp suất cung cấp được cung cấp từ dòng khí quy trình và khí thải được xả ra không khí hoặc xả vào đường ống quy trình có áp suất thấp hơn.

Bộ truyền động van thủy lực

Bộ truyền động van thủy lực chuyển đổi áp suất chất lỏng thành chuyển động. Tương tự như Bộ truyền động van khí nén, chúng được sử dụng trên van tuyến tính hoặc van một phần tư vòng. Áp suất chất lỏng tác động lên piston tạo ra lực đẩy tuyến tính cho van cửa hoặc van cầu.

Bộ truyền động van một phần tư vòng tạo ra mô-men xoắn để cung cấp chuyển động quay để vận hành van một phần tư vòng. Hầu hết các loại Bộ truyền động van thủy lực đều có thể được trang bị các tính năng an toàn để đóng hoặc mở van trong trường hợp khẩn cấp. Áp suất thủy lực có thể được cung cấp bởi một bơm áp suất thủy lực độc lập.

Trong một số ứng dụng, chẳng hạn như trạm bơm nước, chất lỏng quy trình có thể cung cấp áp suất thủy lực, mặc dù Bộ truyền động van phải sử dụng vật liệu tương thích với chất lỏng.

Bộ truyền động van điện

Bộ truyền động van điện sử dụng động cơ điện để tạo mô-men xoắn vận hành van. Chúng hoạt động êm ái, không độc hại và tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, cần phải có điện, điều này không phải lúc nào cũng xảy ra, chúng cũng có thể hoạt động bằng pin.

Bộ truyền động van lò xo

Bộ truyền động van dựa trên lò xo. Khi phát hiện bất kỳ sự bất thường nào hoặc mất điện, lò xo sẽ ​​được giải phóng, vận hành van. Chúng chỉ có thể hoạt động một lần, không cần đặt lại, do đó được sử dụng cho các mục đích sử dụng một lần như trường hợp khẩn cấp. Ưu điểm của chúng là không cần nguồn điện mạnh để di chuyển van, do đó chúng có thể hoạt động bằng nguồn pin hạn chế hoặc tự động khi mất điện hoàn toàn.

Đặc điểm của bộ truyền động van điện

Động cơ

Động cơ AC ba pha không đồng bộ mạnh mẽ thường được sử dụng làm động lực, trong một số ứng dụng, động cơ AC hoặc DC một pha cũng được sử dụng. Những động cơ này được thiết kế đặc biệt cho tự động hóa van vì chúng cung cấp mô-men xoắn cao hơn từ trạng thái dừng so với các động cơ thông thường tương đương, một yêu cầu cần thiết để mở van bị kẹt. Bộ truyền động van được kỳ vọng sẽ hoạt động trong điều kiện môi trường khắc nghiệt, tuy nhiên chúng thường không được sử dụng để hoạt động liên tục vì nhiệt độ động cơ có thể tăng quá mức.

Cảm biến giới hạn và mô-men xoắn

Công tắc giới hạn phát tín hiệu khi đạt đến vị trí cuối. Bộ chuyển đổi mô-men xoắn đo mô-men xoắn hiện có trong van. Khi vượt quá giới hạn đã đặt, tín hiệu này cũng được phát đi theo cách tương tự. Bộ truyền động van thường được trang bị bộ truyền vị trí từ xa, cho biết vị trí van dưới dạng tín hiệu dòng điện hoặc điện áp 4-20mA liên tục.

Bộ truyền động van

Bộ truyền động van trục vít thường được sử dụng để giảm tốc độ đầu ra cao của động cơ điện. Điều này cho phép tỷ số truyền cao trong giai đoạn truyền động, dẫn đến hiệu suất thấp, điều mong muốn đối với Bộ truyền động van. Do đó, hệ thống bánh răng tự khóa, tức là nó ngăn ngừa những thay đổi vị trí van một cách ngẫu nhiên và không mong muốn bằng cách tác động lên bộ phận đóng của van.

Khớp nối van

Khớp nối van bao gồm hai bộ phận. Thứ nhất: Mặt bích dùng để kết nối chắc chắn Bộ truyền động van với bộ phận tương ứng ở phía van. Mô-men xoắn cần truyền càng cao thì mặt bích càng lớn.

Thứ hai: Kiểu truyền động đầu ra dùng để truyền mô-men xoắn hoặc lực đẩy từ Bộ truyền động van đến trục van. Cũng giống như có rất nhiều loại van, cũng có rất nhiều loại khớp nối van.

Kích thước và thiết kế của mặt bích lắp van và khớp nối van được quy định trong tiêu chuẩn EN ISO 5210 đối với Bộ truyền động van nhiều vòng hoặc EN ISO 5211 đối với Bộ truyền động van một phần vòng. Thiết kế khớp nối van cho Bộ truyền động van tuyến tính thường dựa trên DIN 3358.

Vận hành thủ công

Ở phiên bản cơ bản, hầu hết các Bộ truyền động van điện đều được trang bị tay quay để vận hành Bộ truyền động van trong quá trình vận hành thử hoặc mất điện. Tay quay không di chuyển trong quá trình động cơ hoạt động.

Các công tắc giới hạn mô-men xoắn điện tử không hoạt động trong quá trình vận hành thủ công. Các thiết bị giới hạn mô-men xoắn cơ học thường được sử dụng để ngăn ngừa quá tải mô-men xoắn trong quá trình vận hành thủ công.

Bộ điều khiển Bộ truyền động van 

Cả tín hiệu Bộ truyền động van và lệnh vận hành của DCS đều được xử lý trong bộ điều khiển Bộ truyền động van. Về nguyên tắc, nhiệm vụ này có thể được đảm nhiệm bởi các bộ điều khiển bên ngoài, ví dụ như PLC. 

Các Bộ truyền động van hiện đại bao gồm các bộ điều khiển tích hợp xử lý tín hiệu cục bộ mà không có bất kỳ độ trễ nào. Các bộ điều khiển cũng bao gồm thiết bị đóng cắt cần thiết để điều khiển động cơ điện. Thiết bị này có thể là contactor đảo chiều hoặc thyristor, là một thành phần điện, không bị mài mòn cơ học. 

Bộ điều khiển sử dụng thiết bị đóng cắt để bật hoặc tắt động cơ điện tùy thuộc vào tín hiệu hoặc lệnh hiện có. Một nhiệm vụ khác của bộ điều khiển Bộ truyền động van là cung cấp tín hiệu phản hồi cho DCS, ví dụ khi đạt đến vị trí cuối van.

Kết nối điện

Cáp nguồn của động cơ và cáp tín hiệu để truyền lệnh đến Bộ truyền động van và gửi tín hiệu phản hồi về trạng thái của Bộ truyền động van được kết nối với kết nối điện. Kết nối điện có thể được thiết kế dưới dạng một đầu nối kín hoặc đầu nối phích cắm/ổ cắm riêng biệt. Để bảo trì, hệ thống dây điện cần được tháo rời và kết nối lại dễ dàng.

Kết nối Fieldbus

Công nghệ Fieldbus ngày càng được sử dụng rộng rãi để truyền dữ liệu trong các ứng dụng tự động hóa quy trình. Do đó, các Bộ truyền động van điện có thể được trang bị tất cả các giao diện fieldbus phổ biến được sử dụng trong tự động hóa quy trình. Cần có các kết nối đặc biệt để kết nối cáp dữ liệu fieldbus.

Chức năng Bộ truyền động van 

Tự động tắt ở vị trí cuối

Sau khi nhận được lệnh vận hành, Bộ truyền động van di chuyển van theo hướng MỞ hoặc ĐÓNG. Khi đạt đến vị trí cuối, quy trình tự động tắt được bắt đầu. Có thể sử dụng hai cơ chế tắt cơ bản khác nhau. Bộ điều khiển tắt Bộ truyền động van ngay khi đạt đến điểm tác động cài đặt.

Điều này được gọi là định vị giới hạn. Tuy nhiên, có những loại van mà bộ phận đóng phải được di chuyển ở vị trí cuối với một lực hoặc một mô-men xoắn xác định để đảm bảo van được bịt kín. Điều này được gọi là định vị mô-men xoắn. ​​Bộ điều khiển được lập trình để đảm bảo Bộ truyền động van bị tắt khi vượt quá giới hạn mô-men xoắn cài đặt. Vị trí cuối được báo hiệu bằng công tắc giới hạn.

Chức năng an toàn

Chuyển đổi mô-men xoắn không chỉ được sử dụng để định vị mô-men xoắn ở vị trí cuối mà còn đóng vai trò bảo vệ quá tải trên toàn bộ hành trình và bảo vệ van khỏi mô-men xoắn quá mức. Nếu mô-men xoắn quá mức tác động lên bộ phận đóng ở vị trí trung gian, ví dụ do vật bị kẹt, chuyển đổi mô-men xoắn sẽ ngắt khi đạt đến mô-men xoắn tác động cài đặt.

Trong trường hợp này, công tắc hành trình không báo hiệu vị trí cuối. Do đó, bộ điều khiển có thể phân biệt giữa việc công tắc mô-men xoắn hoạt động bình thường bị ngắt ở một trong các vị trí cuối và việc ngắt ở vị trí trung gian do mô-men xoắn quá mức.

Chẩn đoán

Các Bộ truyền động van hiện đại có chức năng chẩn đoán mở rộng có thể giúp xác định nguyên nhân gây ra sự cố. Chúng cũng ghi lại dữ liệu vận hành. Việc nghiên cứu dữ liệu được ghi lại cho phép tối ưu hóa hoạt động bằng cách thay đổi các thông số và giảm thiểu độ mòn của cả Bộ truyền động van và van.

Chức năng điều khiển quy trình

Do sự phân cấp ngày càng tăng trong công nghệ tự động hóa và sự ra đời của bộ vi xử lý, ngày càng nhiều chức năng được chuyển từ DCS sang các thiết bị hiện trường. Khối lượng dữ liệu cần truyền tải cũng giảm theo, đặc biệt là nhờ sự ra đời của công nghệ fieldbus. Các Bộ truyền động van điện với chức năng được mở rộng đáng kể cũng bị ảnh hưởng bởi sự phát triển này.

Các loại chế độ làm việc của bộ truyền động van 

Chế độ đóng – mở

Nếu van được sử dụng như van ngắt, nó chỉ có hai trạng thái: mở hoàn toàn hoặc đóng hoàn toàn, và không duy trì vị trí trung gian.

Chế độ định vị

Van hoạt động ở các vị trí trung gian xác định để thiết lập lưu lượng tĩnh trong đường ống. Thời gian vận hành được quy định giống như trong chế độ open-close.

Chế độ điều chỉnh liên tục

Đặc điểm nổi bật của hệ thống điều khiển vòng kín là điều kiện vận hành thường xuyên thay đổi, yêu cầu Bộ truyền động van liên tục điều chỉnh để duy trì lưu lượng mong muốn.

Trong các ứng dụng điều khiển nhạy, các điều chỉnh có thể diễn ra trong vài giây một lần.

Do đó, yêu cầu đối với actuator cao hơn so với hai chế độ trên  thiết kế phải chịu được số lần khởi động lớn mà không giảm độ chính xác điều khiển.

Điều kiện vận hành của Bộ truyền động van 

Bộ truyền động van (actuator) được thiết kế để đạt tuổi thọ và độ tin cậy mong muốn trong một tập hợp các điều kiện vận hành cụ thể. Ngoài tải tĩnh, tải động và thời gian phản hồi cần thiết cho van, Bộ truyền động van còn phải chịu được dải nhiệt độ, môi trường ăn mòn và các điều kiện khác của ứng dụng cụ thể.

Bảo vệ vỏ

Các loại bảo vệ vỏ được xác định theo mã IP trong tiêu chuẩn EN 60529. Hầu hết các Bộ truyền động van điện cơ bản được thiết kế với cấp bảo vệ vỏ IP67  cấp bảo vệ cao thứ hai. Điều này có nghĩa là chúng được bảo vệ chống lại sự xâm nhập của bụi và nước khi bị ngâm trong 30 phút ở độ sâu tối đa 1 mét. 

Ngoài ra, nhiều nhà sản xuất còn cung cấp thiết bị đạt cấp bảo vệ IP68, cho phép chống nước khi ngâm ở độ sâu tối đa 6 mét.

Nhiệt độ môi trường

Ở Siberia, nhiệt độ có thể xuống đến –60 °C, và trong các nhà máy công nghiệp, nhiệt độ có thể vượt quá +100 °C. Việc sử dụng loại chất bôi trơn phù hợp là yếu tố then chốt để thiết bị có thể hoạt động bình thường trong các điều kiện này. Các loại mỡ bôi trơn dùng ở nhiệt độ phòng có thể trở nên quá rắn ở nhiệt độ thấp, khiến Bộ truyền động van không đủ lực để vượt qua sức cản bên trong. Ở nhiệt độ cao, các loại mỡ này có thể hóa lỏng và mất khả năng bôi trơn. 

Vì vậy, khi lựa chọn kích cỡ Bộ truyền động van, cần đặc biệt chú ý đến nhiệt độ môi trường và việc chọn loại mỡ bôi trơn thích hợp.

Bảo vệ chống nổ

Bộ truyền động van được sử dụng trong các ứng dụng có khả năng xuất hiện môi trường dễ cháy nổ, chẳng hạn như nhà máy lọc dầu, đường ống dẫn, khai thác dầu khí hoặc khai khoáng. Khi có hỗn hợp khí, không khí hoặc khí bụi có thể phát nổ, Bộ truyền động van không được trở thành nguồn gây cháy. Các bề mặt nóng hoặc tia lửa do Bộ truyền động van tạo ra phải được ngăn ngừa. 

Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng vỏ chống cháy nổ, trong đó vỏ được thiết kế để ngăn không cho tia lửa thoát ra ngoài ngay cả khi có vụ nổ xảy ra bên trong.