Khi một nhà máy quy trình bị mất nguồn điện, một số lượng lớn các van phải di chuyển đến một vị trí an toàn được xác định – đóng mặc định để ngừng cấp cho thiết bị phản ứng, mở mặc định để xả áp cho một đường ống hoặc giữ nguyên vị trí cuối cùng để duy trì sự phân tách nhạy cảm. Cung cấp chuyển động này mà không có điện lưới là nhiệm vụ của bộ truyền động an toàn khi hỏng, và câu hỏi kỹ thuật về cơ bản là câu hỏi lưu trữ năng lượng: năng lượng cho hành trình quyết định đó đến từ đâu, và nó có được đảm bảo nhiều năm sau khi đưa vào vận hành không? Có ba câu trả lời đã được khẳng định – một lò xo cơ khí được nạp trong quá trình hoạt động bình thường, một phần tử lưu trữ điện như siêu tụ điện hoặc một bộ pin sạc –, và các sản phẩm hàng đầu minh họa cả ba con đường, từ các bộ dùng lò xo lực không đổi được chứng nhận cho các mức toàn vẹn an toàn cao đến các bộ truyền động điện-thủy lực và dự phòng pin. Bài đầu tiên này mổ xẻ cấu hình tải để đưa van về vị trí an toàn, định lượng năng lượng mô-men và hành trình liên quan, giải thích hành vi nhiều hành trình rồi chuyển sang chế độ chờ của các bộ truyền động fail-safe điện hiện đại, và đặt bộ dự phòng niken-kim loại hydrua (NiMH) kín một cách trung thực bên cạnh lò xo và siêu tụ điện trong khuôn khổ an toàn chức năng IEC 61508 chi phối toàn bộ quyết định.
Một bộ truyền động an toàn khi hỏng phải, khi mất nguồn bình thường, cung cấp đủ mô-men được kiểm soát để di chuyển van trọn hành trình đến vị trí an toàn, giữ hoặc ép nó đúng cách – và làm điều đó sau nhiều năm chờ, trong đó năng lượng dự phòng có thể chưa bao giờ được sử dụng. Năng lượng cần thiết là tích phân của mô-men theo hành trình của trục van – mô-men tách để nhả khỏi đế van, mô-men trong suốt hành trình và mô-men ép để đóng chống lại môi trường quy trình –, được biểu thị so với mô-men định mức của van bằng newton-mét, cộng với tổn thất của động cơ và hộp số.
Điểm mấu chốt: bộ dự phòng phải được chứng minh là sẵn sàng vào cuối tuổi thọ, ở nhiệt độ tối thiểu quy định (khi chất bôi trơn đặc lại và trở kháng của pin tăng) và sau những giai đoạn không hoạt động kéo dài. Yêu cầu «luôn sẵn sàng, hiếm khi dùng» này là thách thức đặc trưng của lưu trữ năng lượng fail-safe và là lý do mỗi trong ba công nghệ chiếm một ngách riêng.
Giải pháp cổ điển lưu trữ năng lượng cơ khí trong một lò xo được nạp bởi động cơ điện trong quá trình hoạt động bình thường; khi mất điện, một solenoid hoặc chốt cơ khí nhả ra và lò xo đưa van về an toàn trong một hành trình nhanh duy nhất. Các sản phẩm như bộ an toàn khi hỏng AUMA FQM/FQMEx sử dụng lò xo lực không đổi và được cung cấp dưới các phiên bản phù hợp cho ứng dụng toàn vẹn an toàn cao (lên đến SIL 3), trong khi Emerson Bettis RTS FQ thực hiện hành động an toàn của mình bằng lò xo cơ khí mà không phụ thuộc chút nào vào tụ điện hoặc pin.
Điểm mạnh của lò xo là sự độc lập với hóa chất lưu trữ điện và một hành động tự chủ tương đối dễ đưa lên mức toàn vẹn cao; chi phí của nó là một hành trình duy nhất không điều chỉnh được, tải cơ khí và hao mòn cơ cấu lò xo, kích thước lớn hơn và nhu cầu phải được nạp lại bằng điện trước khi tiếp tục hoạt động. Lò xo rất tốt cho một chuyển động an toàn quyết định nhưng không thể dễ dàng thực hiện nhiều lần định vị lại có kiểm soát hoặc các chuỗi kéo dài.
Các tụ điện hóa hai lớp lưu trữ năng lượng fail-safe dưới dạng điện và giải phóng nó ở công suất cao, với tuổi thọ chu kỳ gần như không giới hạn và hoạt động trên dải nhiệt độ rộng; chúng sạc nhanh bất cứ khi nào có lưới và chịu được các chu kỳ tự chẩn đoán thường xuyên mà một bộ truyền động hiện đại thực hiện. Chúng hấp dẫn khi bộ truyền động thực hiện một hành trình ngắn công suất cao và khi các kiểm tra xác nhận thường xuyên làm việc với bộ dự phòng.
Giới hạn của chúng là năng lượng: siêu tụ điện lưu trữ ít hơn nhiều năng lượng trên một đơn vị thể tích và trên mỗi euro so với pin, và sự tự xả của chúng đòi hỏi phải duy trì sạc liên tục; do đó chúng phù hợp với các hành động an toàn kéo dài vài giây đến một phút, không phải các chuỗi nhiều phút hoặc nhiều hành trình đầy đủ. Chúng cũng đòi hỏi quản lý cân bằng điện áp các cell trong suốt tuổi thọ dài. Cho một lần tác động nhanh duy nhất chúng xuất sắc; cho hành vi fail-safe phong phú hơn chúng bị thiếu năng lượng.
Con đường thứ ba duy trì một pin sạc ở chế độ sạc nổi trong quá trình hoạt động bình thường và sử dụng nó để cấp cho động cơ và bộ điều khiển của bộ truyền động khi mất lưới. Các sản phẩm thực tế cho thấy hành vi mà điều này cho phép: một số bộ truyền động điện có dự phòng có thể định vị van nhiều lần – thực hiện không chỉ một lần tác động mà một chuỗi chuyển động – sau đó chuyển sang chế độ tiết kiệm năng lượng, tự động trở lại hoạt động bình thường khi nguồn được khôi phục; nguồn phụ duy trì hoạt động cho một bộ fail-safe điện-thủy lực như vậy bản thân nó bị giới hạn chặt chẽ (một giới hạn được ghi nhận khoảng 7,5 W trong một dòng sản phẩm hàng đầu).
Đây chính là nơi NiMH kín là một ứng viên mạnh: so với lò xo, nó cho phép nhiều hành trình có thể kiểm soát và cơ khí đơn giản hơn với chi phí thấp hơn; so với siêu tụ điện, nó lưu trữ nhiều hơn hẳn năng lượng trong một bộ gọn cho các chuỗi kéo dài; và so với lithium, nó chịu được sạc trong lạnh tốt hơn, đơn giản hơn để quản lý và không được phân loại là lithium cho vận chuyển. Hình ảnh động đầu tiên so sánh đặc tính năng lượng-so-với-công suất của ba con đường; hình thứ hai vẽ dòng điện của một bộ truyền động dự phòng pin qua sạc, mất lưới, nhiều hành trình và chờ.
Thực tiễn an toàn chức năng theo IEC 61508 đòi hỏi một chức năng an toàn phải định kỳ trải qua kiểm tra xác nhận để lộ ra các hỏng hóc nguy hiểm tiềm ẩn, và bộ dự phòng của một bộ truyền động fail-safe chính xác là một phần tử tiềm ẩn như vậy – nó có thể hỏng một cách âm thầm trong khi chờ. Do đó, các bộ truyền động thông minh thực hiện các kiểm tra hành trình một phần tự động và giám sát tình trạng sức khỏe của bộ dự phòng, báo cảnh báo chẩn đoán nếu năng lượng lưu trữ giảm xuống dưới mức cần thiết để tác động.
Công nghệ dự phòng định hình tải này: với lò xo, cơ khí được giám sát về mô-men và trạng thái chốt; siêu tụ điện báo cáo điện dung và điện trở tương đương; một bộ pin báo cáo điện áp, điện trở trong và xu hướng điện dung. Sự sụt giảm điện dung có thể dự đoán của NiMH và đường xả phẳng của nó làm cho xu hướng sức khỏe tương đối dễ theo dõi, và sự dung thứ với các lần sạc bổ sung thường xuyên hỗ trợ chế độ sẵn sàng liên tục và tự chẩn đoán mà không có các hạn chế sạc lạnh của lithium. Chẩn đoán tốt biến bộ dự phòng từ một ẩn số thành một phần tử an toàn được giám sát – trọng tâm để tuyên bố một mức toàn vẹn.
Phân tích tạo ra một đặc tả nhiều lớp: năng lượng hành trình đo được (mô-men tách, di chuyển và ép qua hộp số), số lượng và bản chất các hành trình cần thiết khi hỏng (một lần tác động so với chuỗi nhiều bước có kiểm soát), thời gian giữ và hành vi chờ yêu cầu, sự sẵn sàng được đảm bảo vào cuối tuổi thọ và ở nhiệt độ tối thiểu, chế độ sạc sẵn sàng liên tục, chẩn đoán sức khỏe hỗ trợ khoảng thời gian kiểm tra xác nhận IEC 61508, và xếp hạng bảo vệ vỏ (các bộ truyền động van thường đạt IP68).
Bài tiếp theo biến các yêu cầu này thành một thiết kế dự phòng NiMH cụ thể – kích thước cell theo năng lượng hành trình và số hành trình, kiến trúc sạc và giám sát, kết hợp lai với một tụ nhỏ cho dòng khởi động động cơ và so sánh trung thực với các giải pháp lò xo và siêu tụ điện. Bài thứ ba sau đó lập bản đồ IEC 61508 và tiêu chuẩn sản phẩm bộ truyền động EN 15714, chứng nhận vỏ và môi trường, cũng như các bằng chứng pin IEC 61951-2, IEC 62133-2 và UN 38.3 biến một bộ dự phòng pin thành một chức năng an toàn có thể chứng nhận.
Weijiang Power thiết kế và sản xuất các cell niken-kim loại hydrua kín và các bộ công nghiệp phù hợp cho thiết bị ở xa, ngoài lưới và gắn với an toàn, và hỗ trợ các đối tác OEM bằng hồ sơ hiệu suất IEC 61951-2, bằng chứng an toàn IEC 62133-2, đặc trưng hóa tải xung, kiểm tra dải nhiệt độ rộng và đồng xác nhận bộ sạc/bộ pin. Hãy cho chúng tôi biết chu kỳ làm việc, dòng đỉnh, dải nhiệt độ, mục tiêu thời gian chạy và các tiêu chuẩn sản phẩm của bạn phải đáp ứng, và các kỹ sư của chúng tôi sẽ chỉ định một tổ hợp cell-và-bộ pin bảo vệ thời gian chạy, độ tin cậy và tuổi thọ. Khám phá dòng sản phẩm trên trang sản phẩm.
