Как спроектировать электроприводы с функцией сброса неисправностей

В системах автоматизации для регулирования расхода жидкости, энергетической, химической, нефтегазовой промышленности электроприводы служат основными приводными элементами, обеспечивающими надежную работу клапанов и заслонок. Для соответствия требованиям безопасности производства электроприводы должны быть оснащены функциями защиты от сбоев (FO/FC/FL). FO (Fail-Open), FC (Fail-Close) и FL (Fail-Lock) представляют собой не только стратегии обеспечения безопасности, но и полный системный проект, охватывающий механическую конструкцию, схемы, логику управления и программные алгоритмы.

I. Цели проектирования для устранения неисправностей

Большинство обычных электроприводов сохраняют свое текущее положение при отключении питания или пропадании сигнала (FL). Однако стандартные электроприводы не подходят для применений, требующих закрытия (FC) или открытия (FO) клапана при пропадании питания или сигналов управления.

Конструктивные задачи для устранения неисправностей:

1. Надежно переведите устройство в безопасное положение при возникновении неисправности;

2. Разрешите ручной или автоматический выход из состояния неисправности после устранения неисправности;

3. Выполните сброс без воздействия, отрыва или ложных срабатываний;

4. Поддержите локальный сброс, удаленный сброс и сброс главной системы.

II. Две основные конструктивные схемы для безотказного сброса

1. Механическая конструкция с пружинным приводом (классическое решение FO/FC) Внутри двигателя установлена пружина сброса. При нормальном питании двигатель сжимает или растягивает пружину для накопления энергии. При отключении питания или пропадании сигнала пружина немедленно высвобождает энергию, приводя клапан в полностью открытое или полностью закрытое положение. Применение: Сценарии с высоким уровнем безопасности, где при отключении питания требуется сброс положения.

2. Конструкция с резервным питанием (конденсатор / батарея). Основные конструктивные особенности: Суперконденсаторы или резервные аккумуляторы заряжаются от обычного источника питания. При отключении основного источника питания плата управления и двигатель питаются от резервного источника питания для выполнения заданных действий FO / FC. Преимущества: Плавное перемещение, контролируемая скорость и отсутствие механических ударов.

iii. Общая концепция функции сброса неисправностей

Сброс неисправностей - это не просто кнопка, это полный набор защитных механизмов, логики разблокировки и конечного автомата.

1. Схема обнаружения неисправностей Привод должен сначала идентифицировать неисправности, прежде чем можно будет выполнить сброс: Обнаружение неисправностей питания: пониженное напряжение, потеря фазы, перенапряжение; Обнаружение неисправностей сигнала: обрыв контура 4-20 мА, потеря связи; Защита двигателя: перегрузка по току, перегрев, остановка; Механическая защита: чрезмерный момент размыкания, чрезмерное замыкание крутящий момент. Как только эти сигналы поступают на микроконтроллер, привод переходит в состояние заблокированной защиты.

2. Настройка полномочий и режимов сброса Для обеспечения безопасности и удобства, как правило, предусмотрены три уровня сброса: Локальный сброс с помощью кнопки: короткое или длительное нажатие клавиши сброса на панели; Удаленный сброс терминала: внешний ввод с сухим контактом, запускаемый системой DCS или полевой кнопкой; Сброс связи: сброс с помощью протокольных сообщений, таких как как Modbus, Profibus, Profinet.

3. Логическая схема состояния сброса (критическая) Для предотвращения ложного сброса реализована логика условного разрешения: Источник неисправности исчез: перегрузки по току нет, перегрев отсутствует, сигнал восстановлен; Привод не находится в запрещенной рабочей зоне; Неисправности, не поддающиеся автоматическому сбросу, не срабатывают (например, сильное превышение крутящего момента, механическое повреждение).. Команды сброса вступают в силу только при соблюдении всех условий.

IV. Основные правила проектирования для сброса неисправностей

1. Любая операция сброса не должна нарушать логику защиты от сбоев FO/FC.

2. Неисправности, не поддающиеся автоматическому сбросу: серьезные неисправности, такие как превышение крутящего момента, перегрев и короткое замыкание, необходимо устранять вручную.

3. Синхронизация положения клапана: автоматическая калибровка положения клапана после сброса для обеспечения соответствия обратной связи фактическому положению.

4. Конструкция защиты от блокировки: переключение между удаленным/локальным режимом и автоматическим / ручным режимом позволяет избежать конфликтующих команд.

5. Регистрация и отслеживание неисправностей: записывайте тип неисправности, временную метку, оператора и метод сброса для технического обслуживания.