Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Elektrické lineární servopohony AUMA s havarijní funkcí

číslo 1/2006

Elektrické lineární servopohony AUMA s havarijní funkcí

V mnoha průmyslových procesech a v technologických zařízeních se z bezpečnostních důvodů požaduje, aby lineární servopohony byly vybaveny tzv. havarijní funkcí (fail-safe function). Při přerušení dodávky energie se v každém případě musí aktivovat havarijní funkce zabezpečující nouzový provoz a ovládaná armatura se musí buď zcela otevřít, nebo zavřít nezávisle na přívodu energie – např. prostřednictvím síly pružiny. Tuto podmínku dosud splňovaly převážně pneumatické a hydraulické pohony. Jako alternativní řešení pro úlohy s nejvyššími požadavky na bezpečnost nabízí nyní firma AUMA, přední evropský výrobce elektrických otočných a kyvných servopohonů, také elektrické lineární servopohony řady ALS s havarijní funkcí. Elektrické servopohony mají z pohledu uživatele v porovnání s pneumatickými a hydraulickými pohony tyto hlavní přednosti:

  • elektrickou energii lze k pohonu přivést mnohem snáze a hospodárněji než stlačený vzduch nebo hydraulickou kapalinu,

  • elektrická vedení nepotřebují, na rozdíl od rozvodů stlačeného vzduchu nebo hydrauliky, téměř žádnou údržbu,

  • elektrické servopohony spotřebovávají energii pouze tehdy, mají-li vykonávat pohyb, zatímco u pneumatických a hydraulických pohonů se musí provozní tlak média stále udržovat na stanovené hodnotě.

Použití elektrických servopohonů také znamená značné snížení provozních nákladů. Existují tedy technické i ekonomické důvody, které jednoznačně hovoří ve prospěch elektrických lineárních servopohonů.

Elektrické lineární servopohony AUMA řady ALS se uplatní všude, kde je třeba zajišťovat elektromotoricky automatizovaný přímočarý pohyb s požadavkem na havarijní funkci. Příkladem jsou přímočaré pohony ventilů v úlohách důležitých z hlediska bezpečnosti. Servopohony řady ALS jsou nabízeny ve variantách ALS 25.1 a ALS 75.1, lišících se maximální výstupní silou (tab. 1).

Koncepce elektrických lineárních servopohonů ALS

Elektrické lineární servopohony AUMA řady ALS (obr. 1) jsou modulové konstrukce, které se skládají z pěti hlavních částí: motoru, převodovky, výstupní jednotky, ovládací jednotky a zabezpečovací jednotky.

Obr. 1.

Obr. 1. Elektrický lineární servopohon řady ALS s havarijní funkcí (foto: AUMA)

Nejdůležitější částí každého elektrického servopohonu je motor. V servopohonech řady ALS se používají motory s elektronickou komutací a nastavitelnými otáčkami, které se vyznačují velkým krouticím momentem při relativně malých rozměrech. Jejich kompaktní provedení umožňuje použít koaxiální uspořádání motoru, převodovky a výstupní jednotky, které je důležitým předpokladem pro dosažení příznivého poměru rozměrů a výkonu servopohonu. Dalšími přednostmi použitých motorů jsou:

  • nastavitelné otáčky a tím i doba přestavení pohonu,
  • konstantní krouticí moment při podpětí i přepětí v napájecí síti,
  • konstantní otáčky v celém rozsahu zátěže,
  • možnost brzdění motorem.

Ochranu motoru před přehřátím zajišťují termistory vložené do jeho vinutí, a tudíž měřící oteplení motoru přímo v místě jeho vzniku, které tak, ve spojení s vyhodnocovací elektronikou v ovládací jednotce pohonu, poskytují lepší ochranu než běžná nadproudová relé. Servopohon se vypíná, jakmile teplota vinutí překročí 140 °C, a znovu se automaticky zapíná při jejím poklesu pod 120 °C.

Další klíčovou součástí servopohonu ALS je patentovaná převodovka s kluzným klínem, která při velké účinnosti umožňuje v jednom stupni realizovat redukční převod 80 : 1; to výrazně přispívá ke zmenšení celkových rozměrů servopohonu. Mimořádně malá vůle v ozubených převodech současně vede k velmi tichému chodu celého servopohonu. V následné výstupní jednotce se otočný pohyb rotoru převádí na lineární pohyb posuvné tyče (táhla) ovládající armaturu. V krytu výstupní jednotky servopohonu ALS je vestavěn tlumič zmenšující nadměrné síly, které mohou krátkodobě vzniknout při nouzovém havarijním provozu (fail-safe). Navíc je zde umístěn bezpečnostní mechanický koncový doraz, jenž omezuje zdvih servopohonu při otevírání armatury.

Významnou součástí elektrických lineárních servopohonů řady ALS je mikroprocesorově řízená ovládací jednotka Variomatic, tvořící rozhraní mezi nadřazeným řídicím systémem a pohonem. Ovládací jednotka zajišťuje zejména tyto úkoly:

  • regulaci otáček motoru nezávisle na jeho zatížení,
  • vyhodnocení povelů k přesunu táhla servopohonu do požadované polohy,
  • zpracování signálů vysílaných servopohonem,
  • odesílání hlášení o aktuálním stavu servopohonu nadřazenému řídicímu systému,
  • možnost servopohon snadno ovládat.

Ovládací jednotka a servopohon jsou navzájem optimálně přizpůsobeny tak, aby byla zajištěna rychlá odezva servopohonu na řídicí i regulační signály. V základním provedení jsou servopohony vybaveny ovládací jednotkou Variomatic MC a na přání ovládací jednotkou Variomatic – Profibus-DP s rozhraním pro připojení k průmyslové sběrnici Profibus-DP. Ovládací jednotku Variomatic lze namontovat přímo na skříň servopohonu (s možností natočení po 90°) nebo upevnit na nástěnný držák a s pohonem ji spojit kabelem. To je vhodné např. při ztíženém přístupu k servopohonu. Po připojení provozního napětí je servopohon ihned připraven k provozu a může být ovládán z panelu ovládací jednotky.

Základní funkce servopohonu

Elektrické lineární servopohony řady ALS jsou navrženy pro uzavírací provoz a příslušnými povely je lze nastavovat do koncových poloh otevřeno/zavřeno nebo do libovolné mezipolohy. Platí pro ně krátkodobý provozní režim S2-15 min podle VDE 0530, který respektuje obvyklé požadavky na ovládání armatur. Přípustná četnost spínání pro zajištění pohybu mezi koncovými polohami je maximálně 60 zapnutí za hodinu. Je závislá na posuvné síle, době potřebné na přestavení a na teplotě okolí.

Motor s nastavitelnými otáčkami dovoluje kdykoliv v širokých mezích změnit dobu přestavování servopohonu, tj. dobu potřebnou k přestavení armatury z jedné koncové polohy do druhé (tab. 1), a to volbou parametru v ovládací jednotce nebo během provozu při použití externího signálu z dozorny apod.

Tab. 1. Elektrické lineární servopohony řady ALS

Typové označení

Max. síla (kN)

Zdvih min./max. (mm)

Doba přestavení na max. zdvih (s)

Počet otáček ručního kola pro max. zdvih (–)

ALS 25.1

2,5

10/40

8 až 120

26,5

ALS 75.1

7,5

10/100

15 až 120

38,0

Servopohon se automaticky vypíná vždy, když v sedle armatur, popř. na vnitřním koncovém dorazu polohy otevřeno působí předem nastavená síla, která se spojitě měří speciálním snímačem síly, vestavěným patentovaným způsobem. Měřená hodnota se převádí na analogový proudový signál, vyhodnocovaný ovládací jednotkou. Dosažení koncových poloh servopohonu (otevřeno/zavřeno) je ovládací jednotce hlášeno prostřednictvím bezdotykových snímačů polohy (na principu Hallova jevu). Silové (momentové) vypínání slouží v celé pracovní dráze servopohonu také jako ochrana proti přetížení. Jestliže se při ovládání armatury zjistí v mezipoloze nepřípustně velká posuvná síla, způsobená např. vzpříčeným cizím předmětem v dráze armatury, servopohon se vypne. Protože v takovém případě chybí hlášení o dosažení koncové polohy v ovládací jednotce, lze dobře rozlišit, jde-li o správné (bezpečnostní) vypnutí v koncové poloze, nebo o vypnutí vyvolané přetížením v mezipoloze.

Elektrické lineární servopohony řady ALS lze bez přepínání ovládat a nastavovat i ručně. Ruční ovládání je dostupné tehdy, je-li aktivována funkce nouzového zabezpečení (fail-safe). Pro přestavení v rozsahu celého zdvihu servopohonu je u typu ALS 25 třeba 26,5 otáček a u typu ALS 75 38 otáček ručního kolečka, při aktivované funkci fail-safe dvojnásobek. Na přání lze ruční kolečko opatřit uzamykacím zařízením, které zabraňuje neoprávněným osobám použít ruční ovládání servopohonu.

Aktuální polohu servopohonu, a tím i ovládané armatury, spojitě udává mechanický ukazatel polohy, který lze trvale pozorovat průzorem ve víku mechanické části servopohonu. Na kotouči ukazatele jsou symbolicky vyznačeny obě koncové polohy otevřeno/zavřeno. Jestliže je v dozorně požadována informace o skutečné poloze ovládané armatury, lze do servopohonu vestavět elektrický vysílač polohy. Na výstupu ovládací jednotky je potom k dispozici proudový signál 4 až 20 mA, popř. odpovídající digitální signál úměrný poloze armatury.

Zabezpečení funkce servopohonu

Důležitou součástí lineárních servopohonů řady ALS je integrovaná zabezpečovací jednotka, která zajišťuje havarijní funkci servopohonu. V zabezpečovací jednotce se uchovává (akumuluje) potřebná energie, umožňující v havarijní situaci podle požadavku okamžitě (za dobu kratší než 1 s) uzavřít (fail-close) nebo okamžitě otevřít (fail-open) ovládanou armaturu. Zabezpečovací jednotka má dvě základní části: pružinu působící jako střádač pomocné energie a magnetickou spojku pro aretaci natažené pružiny. Pružina se automaticky natáhne vždy po uvedení servopohonu do provozu nebo po každém nouzovém přestavení armatury. Spojka se vybavuje buď automaticky při výpadku napájecího napětí, nebo povelem, např. z dozorny apod. Při dimenzování armatury je třeba pamatovat na to, že při nouzovém chodu servopohonu na ni působí maximální posuvná síla, protože v tomto provozním režimu je silové i polohové vypínání servopohonu vyřazeno z činnosti. Velké dynamické síly případně vznikající při nouzovém režimu jsou s ohledem na ochranu armatury sníženy vestavěným tlumičem v krytu výstupní jednotky.


Ostatní vlastnosti

Elektrické lineární servopohony řady ALS se dodávají v kompaktním provedení se stupněm krytí IP67 (na přání IP68) a s dokonalou ochranou proti korozi k použití v prostředí s teplotou –10 až +70 °C. Pro napájení samotného motoru a ovládací jednotky stačí jednofázové napětí 230 V AC, popř. 115 V AC; navíc je ve standardním provedení zapotřebí pro napájení magnetické spojky v zabezpečovací jednotce napětí 24 V DC. Pro připojení napájecích napětí a řídicích signálů je servopohon vybaven kombinovaným kulatým konektorem (na přání s dvojím utěsněním). To umožňuje servomotor v případě servisní opravy nebo výměny snadno odmontovat.

Ing. Karel Kabeš

AUMA Servopohony spol. s r. o.
Kazaňská 121
102 00 Praha 10
tel.: 272 700 056
fax: 272 704 125
e-mail: auma-s@auma.cz
http://www.auma.cz