Ventilantrieb

Ein Ventilantrieb dient zum Öffnen und Schließen eines Ventils . Manuell betätigte Ventile erfordern eine Person, die sie über einen direkt oder indirekt am Ventilschaft angebrachten Mechanismus einstellt. Kraftbetriebene Antriebe, die mit Gasdruck, Hydraulikdruck oder Strom arbeiten, ermöglichen die Fernsteuerung eines Ventils oder die schnelle Betätigung großer Ventile. Kraftbetriebene Ventilantriebe können die letzten Elemente eines automatischen Regelkreises bilden, der Durchfluss, Füllstand oder andere Prozesse automatisch regelt. Antriebe können das Ventil nur öffnen und schließen oder auch Zwischenpositionen ermöglichen; manche Ventilantriebe verfügen über Schalter oder andere Möglichkeiten zur Fernanzeige der Ventilposition.

Stellantriebe werden zur Automatisierung von Industriearmaturen eingesetzt und finden sich in allen Arten von Prozessanlagen. Sie kommen in Kläranlagen, Kraftwerken , Raffinerien , im Bergbau, in Kernkraftwerken, in Lebensmittelbetrieben und im Rohrleitungsbau zum Einsatz. Ventilstellantriebe spielen eine zentrale Rolle bei der Automatisierung der Prozesssteuerung . Die zu automatisierenden Armaturen unterscheiden sich sowohl in ihrer Bauart als auch in ihren Abmessungen. Ihre Durchmesser reichen von wenigen Millimetern bis zu mehreren Metern.

Die gebräuchlichsten Aktuatorarten sind: manuelle, pneumatische, hydraulische, elektrische und Federaktuatoren.

Ein manueller Stellantrieb nutzt Hebel, Zahnräder oder Räder, um die Ventilspindel gezielt zu bewegen. Er wird von Hand betätigt. Manuelle Stellantriebe sind kostengünstig, in der Regel autark und einfach zu bedienen. Allerdings lassen sich manche große Ventile nicht manuell betätigen, und manche Ventile befinden sich in abgelegenen, toxischen oder lebensfeindlichen Umgebungen, was eine manuelle Bedienung unter bestimmten Bedingungen ausschließt. Aus Sicherheitsgründen kann in bestimmten Situationen ein schnelleres Schließen des Ventils erforderlich sein, als es mit manuellen Stellantrieben möglich ist.

Luftdruck (oder der Druck anderer Gase) dient als Energiequelle für pneumatische Ventilantriebe. ^{[ 1 ]} Sie werden bei Linear- oder Vierteldrehventilen eingesetzt. Der Luftdruck wirkt auf einen Kolben oder eine Balgmembran und erzeugt so eine lineare Kraft auf die Ventilspindel. Alternativ erzeugt ein Vierteldreh-Flügelzellenantrieb ein Drehmoment, um die Drehbewegung zur Betätigung eines Vierteldrehventils zu ermöglichen. Ein pneumatischer Antrieb kann federbelastet geschlossen oder geöffnet sein, wobei der Luftdruck die Federkraft überwindet und so die Bewegung erzeugt. Ein doppeltwirkender Antrieb nutzt Luft, die an verschiedenen Einlässen zugeführt wird, um das Ventil zu öffnen oder zu schließen. Ein zentrales Druckluftsystem kann die für pneumatische Antriebe benötigte saubere, trockene Druckluft bereitstellen . Bei manchen Antriebsarten, beispielsweise bei Druckgasreglern, wird der Versorgungsdruck aus dem Prozessgasstrom erzeugt, und das Abgas wird entweder in die Umgebungsluft abgeleitet oder in Niederdruck-Prozessleitungen eingeleitet.

Hydraulische Aktuatoren wandeln Flüssigkeitsdruck in Bewegung um. Ähnlich wie pneumatische Aktuatoren werden sie bei Linear- oder Vierteldrehventilen eingesetzt. Der auf einen Kolben wirkende Flüssigkeitsdruck erzeugt einen linearen Schub für Schieber- oder Kugelventile. Ein Vierteldrehaktuator erzeugt ein Drehmoment, um die Drehbewegung zur Betätigung eines Vierteldrehventils zu ermöglichen. Die meisten hydraulischen Aktuatoren sind mit Sicherheitsfunktionen ausgestattet, die ein Ventil im Notfall öffnen oder schließen. Der Hydraulikdruck kann von einer autarken Hydraulikpumpe bereitgestellt werden. In manchen Anwendungen, wie beispielsweise Wasserpumpstationen, kann die Prozessflüssigkeit den Hydraulikdruck liefern; in diesem Fall müssen die Aktuatoren jedoch aus flüssigkeitskompatiblen Materialien bestehen.

Der elektrische Stellantrieb nutzt einen Elektromotor , um das Drehmoment für die Ventilbetätigung zu erzeugen. Er ist leise, ungiftig und energieeffizient. Allerdings muss Strom verfügbar sein, was nicht immer der Fall ist; alternativ kann er auch mit Batterien betrieben werden.

Federbasierte Stellantriebe halten eine Feder gespannt. Sobald eine Störung erkannt wird oder die Stromversorgung ausfällt, wird die Feder freigegeben und das Ventil betätigt. Sie können nur einmalig ohne Zurücksetzen betätigt werden und werden daher für einmalige Anwendungen wie Notfälle eingesetzt. Ihr Vorteil besteht darin, dass sie keine starke Stromversorgung zum Bewegen des Ventils benötigen und somit mit begrenzter Batterieleistung oder automatisch bei vollständigem Stromausfall funktionieren können.

Linearantriebe öffnen und schließen Ventile, die durch eine lineare Kraft betätigt werden können, wie sie auch als „steigende Spindelventile“ bezeichnet werden. Zu diesen Ventilen gehören Absperrventile, steigende Spindelkugelventile, Regelventile und Schieber. ^{[ 2 ]} Die beiden Haupttypen von Linearantrieben sind Membran- und Kolbenantriebe .

Membranantriebe bestehen aus einer runden Gummimembran, die zwischen zwei Seiten eines Zylinders oder einer Kammer eingepresst wird. Durch den Luftdruck kann die Membran von beiden Seiten in die eine oder andere Richtung gedrückt werden. Eine Stange ist mit der Mitte der Membran verbunden und bewegt diese bei Druckbeaufschlagung. Die Stange ist wiederum mit einem Ventilschaft verbunden, der die lineare Bewegung des Ventils ausführt und es so öffnet oder schließt. Membranantriebe eignen sich besonders für Anwendungen mit moderatem Versorgungsdruck und geringem Ventilhub und -schub.

Kolbenantriebe nutzen einen Kolben, der sich entlang eines Zylinders bewegt. Die Kolbenstange überträgt die auf den Kolben wirkende Kraft auf die Ventilspindel. Kolbenantriebe ermöglichen höhere Drücke, größere Hubwege und höhere Schubkräfte als Membranantriebe.

Eine Feder sorgt für ein definiertes Verhalten bei Stromausfall. Dies ist wichtig bei sicherheitsrelevanten Vorfällen und oft ausschlaggebend für die Spezifikationen. Ein Beispiel für Stromausfall ist der Ausfall des Kompressors (der Hauptquelle für die Druckluft, die das Fluid für die Bewegung des Stellantriebs liefert). Befindet sich im Stellantrieb eine Feder, drückt diese das Ventil auf oder zu und hält es in dieser Position, bis die Stromversorgung wiederhergestellt ist. Stellantriebe können als „ausfallsicher offen“ oder „ausfallsicher geschlossen“ spezifiziert werden, um ihr Verhalten zu beschreiben. Bei einem elektrischen Stellantrieb bleibt das Ventil bei Stromausfall stehen, sofern keine Notstromversorgung vorhanden ist.

Ein typisches Beispiel für ein zu automatisierendes Ventil ist ein Kegelventil. Ähnlich wie der Stöpsel in der Badewanne in den Abfluss gedrückt wird, wird der Stöpsel durch eine Hubbewegung in den Ventilsitz gepresst. Der Druck des Mediums wirkt auf den Stöpsel, und die Schubeinheit muss die gleiche Schubkraft aufbringen, um den Stöpsel gegen diesen Druck zu halten und zu bewegen.

Robuste, dreiphasige Asynchronmotoren dienen meist als Antriebskraft; für einige Anwendungen kommen auch einphasige Wechsel- oder Gleichstrommotoren zum Einsatz. Diese Motoren sind speziell für die Ventilautomatisierung geeignet, da sie im Vergleich zu herkömmlichen Motoren höhere Drehmomente aus dem Stillstand liefern – eine notwendige Voraussetzung, um festsitzende Ventile zu lösen. Die Aktuatoren sind für den Betrieb unter extremen Umgebungsbedingungen ausgelegt, werden jedoch aufgrund der potenziell zu hohen Wärmeentwicklung im Motor in der Regel nicht für den Dauerbetrieb eingesetzt.

Die Endschalter signalisieren das Erreichen einer Endposition. Die Drehmomentschaltung misst das im Ventil vorhandene Drehmoment. Bei Überschreitung eines voreingestellten Grenzwerts wird dies auf die gleiche Weise signalisiert. Stellantriebe sind häufig mit einem Fernpositionsgeber ausgestattet, der die Ventilposition als kontinuierliches 4-20-mA- Strom- oder Spannungssignal anzeigt.

Häufig wird ein Schneckengetriebe eingesetzt, um die hohe Ausgangsdrehzahl des Elektromotors zu reduzieren. Dies ermöglicht ein hohes Untersetzungsverhältnis im Getriebe , was zu einem für die Aktuatoren erwünschten niedrigen Wirkungsgrad führt. Das Getriebe ist daher selbsthemmend, d. h. es verhindert unbeabsichtigte und unerwünschte Änderungen der Ventilstellung durch Einwirkung auf das Schließelement des Ventils.

Die Ventilbefestigung besteht aus zwei Elementen. Erstens: Dem Flansch , der den Stellantrieb fest mit dem Gegenstück auf der Ventilseite verbindet. Je höher das zu übertragende Drehmoment ist, desto größer muss der Flansch sein.

Zweitens: Die Art des Abtriebs, der das Drehmoment oder den Schub vom Stellantrieb auf die Ventilwelle überträgt. Genau wie es eine Vielzahl von Ventilen gibt, gibt es auch eine Vielzahl von Ventilaufsätzen.

Die Abmessungen und die Konstruktion von Ventilanschlussflanschen und Ventilbefestigungen sind in den Normen EN ISO 5210 für Mehrgangantriebe bzw. EN ISO 5211 für Teilgangantriebe festgelegt. Die Konstruktion von Ventilbefestigungen für Linearantriebe basiert im Allgemeinen auf DIN 3358.

Die meisten elektrischen Stellantriebe sind in ihrer Basisausführung mit einem Handrad zur Bedienung während der Inbetriebnahme oder bei Stromausfall ausgestattet. Das Handrad bewegt sich im Motorbetrieb nicht.

Die elektronischen Drehmomentbegrenzungsschalter sind im manuellen Betrieb nicht funktionsfähig. Mechanische Drehmomentbegrenzungseinrichtungen werden üblicherweise eingesetzt, um eine Drehmomentüberlastung im manuellen Betrieb zu verhindern.

Sowohl Aktorsignale als auch Betriebsbefehle des Prozessleitsystems (PLS) werden in der Aktorsteuerung verarbeitet. Prinzipiell kann diese Aufgabe auch von externen Steuerungen, z. B. einer SPS , übernommen werden . Moderne Aktoren verfügen jedoch über integrierte Steuerungen, die Signale verzögerungsfrei lokal verarbeiten. Die Steuerung umfasst auch die Schaltanlage zur Ansteuerung des Elektromotors. Hierbei kann es sich entweder um Wendeschütze oder Thyristoren handeln , die als elektrische Bauteile keinem mechanischen Verschleiß unterliegen. Die Steuerung nutzt die Schaltanlage, um den Elektromotor je nach anliegenden Signalen oder Befehlen ein- oder auszuschalten. Eine weitere Aufgabe der Aktorsteuerung ist die Bereitstellung von Rückmeldesignalen für das PLS, z. B. beim Erreichen einer Ventilendposition.

Die Zuleitungen des Motors und die Signalleitungen zur Übertragung der Befehle an den Aktor und zur Rückmeldung des Aktorstatus sind an den elektrischen Anschluss angeschlossen. Dieser kann als separat abgedichtete Klemme oder als Stecker/Buchse ausgeführt sein. Für Wartungsarbeiten sollte die Verkabelung leicht trennbar und wiederverwendbar sein.

Die Feldbustechnologie findet zunehmend Anwendung in der Prozessautomatisierung zur Datenübertragung. Elektrische Aktoren können daher mit allen gängigen Feldbusschnittstellen der Prozessautomatisierung ausgestattet werden. Für den Anschluss der Feldbus-Datenkabel sind spezielle Verbindungen erforderlich.

Nach Erhalt eines Betätigungsbefehls bewegt der Stellantrieb das Ventil in Richtung ÖFFNEN oder SCHLIESSEN. Beim Erreichen der Endposition wird ein automatischer Abschaltvorgang eingeleitet. Hierfür können zwei grundlegend verschiedene Abschaltmechanismen verwendet werden. Die Steuerung schaltet den Stellantrieb ab, sobald der eingestellte Auslösepunkt erreicht ist. Dies wird als Endlagenschluss bezeichnet. Es gibt jedoch Ventiltypen, bei denen das Schließelement mit einer definierten Kraft oder einem definierten Drehmoment in die Endposition bewegt werden muss, um einen dichten Verschluss zu gewährleisten. Dies wird als Drehmomentschluss bezeichnet. Die Steuerung ist so programmiert, dass der Stellantrieb beim Überschreiten des eingestellten Drehmomentgrenzwerts abgeschaltet wird. Die Endposition wird durch einen Endschalter signalisiert.

Die Drehmomentumschaltung dient nicht nur dem Drehmomentschluss in der Endlage, sondern auch dem Überlastschutz über den gesamten Hub und schützt das Ventil vor zu hohem Drehmoment. Wirkt in einer Zwischenlage ein zu hohes Drehmoment auf das Schließelement, beispielsweise durch einen eingeklemmten Gegenstand, löst die Drehmomentumschaltung beim Erreichen des eingestellten Auslösedrehmoments aus. In diesem Fall wird die Endlage nicht vom Endschalter signalisiert. Die Steuerung kann somit zwischen dem normalen Auslösen der Drehmomentumschaltung in einer der Endlagen und dem Abschalten in einer Zwischenlage aufgrund eines zu hohen Drehmoments unterscheiden.

Temperatursensoren sind erforderlich, um den Motor vor Überhitzung zu schützen. Bei einigen Anwendungen anderer Hersteller wird zusätzlich der Anstieg des Motorstroms überwacht. Thermoschalter oder PTC- Thermistoren , die in die Motorwicklungen integriert sind, erfüllen diese Aufgabe meist zuverlässig. Sie lösen aus, sobald der Temperaturgrenzwert überschritten wird, und die Steuerung schaltet den Motor ab.

Durch die zunehmende Dezentralisierung der Automatisierungstechnik und die Einführung von Mikroprozessoren wurden immer mehr Funktionen vom Prozessleitsystem (PLT) auf die Feldgeräte verlagert. Das zu übertragende Datenvolumen reduzierte sich entsprechend, insbesondere durch die Einführung der Feldbustechnologie. Auch elektrische Aktoren, deren Funktionen erheblich erweitert wurden, sind von dieser Entwicklung betroffen. Das einfachste Beispiel ist die Positionsregelung. Moderne Stellungsregler verfügen über eine Selbstadaption, d. h. das Positionierverhalten wird überwacht und kontinuierlich über Reglerparameter optimiert.

Elektrische Stellantriebe sind mittlerweile mit vollwertigen Prozessreglern (PID-Reglern) ausgestattet. Insbesondere bei entfernten Installationen, z. B. zur Durchflussregelung eines Hochbehälters, kann der Stellantrieb die Aufgaben einer SPS übernehmen, die andernfalls zusätzlich installiert werden müsste.

Moderne Stellantriebe verfügen über umfangreiche Diagnosefunktionen, die helfen, die Ursache einer Störung zu ermitteln. Sie protokollieren zudem die Betriebsdaten. Die Auswertung dieser Daten ermöglicht die Optimierung des Betriebs durch Anpassung der Parameter und die Reduzierung des Verschleißes von Stellantrieb und Ventil.

Wird ein Ventil als Absperrventil verwendet, so ist es entweder geöffnet oder geschlossen; Zwischenstellungen werden nicht gehalten.

Zur Einstellung eines statischen Durchflusses durch eine Rohrleitung werden definierte Zwischenpositionen angefahren. Es gelten die gleichen Laufzeitbegrenzungen wie beim Öffnen-Schließen-Betrieb.

Das markanteste Merkmal einer Regelungsanwendung ist, dass sich ändernde Bedingungen häufige Anpassungen des Aktuators erfordern, beispielsweise zur Einstellung eines bestimmten Durchflusses. Empfindliche Regelungsanwendungen erfordern Anpassungen innerhalb weniger Sekunden. Die Anforderungen an den Aktuator sind höher als bei Öffnungs-/Schließ- oder Positioniervorgängen. Die Aktuatorkonstruktion muss die hohe Anzahl an Starts ohne Einbußen in der Regelgenauigkeit bewältigen können.

Aktuatoren werden hinsichtlich der gewünschten Lebensdauer und Zuverlässigkeit für bestimmte Anwendungsbedingungen spezifiziert. Neben der statischen und dynamischen Belastung sowie der Ansprechzeit des Ventils muss der Aktuator dem Temperaturbereich, der korrosiven Umgebung und weiteren Bedingungen der jeweiligen Anwendung standhalten. Da Ventilantriebe häufig sicherheitsrelevante Anwendungen haben, stellen Anlagenbetreiber hohe Anforderungen an deren Zuverlässigkeit. Der Ausfall eines Aktuators kann in prozessgesteuerten Anlagen zu Unfällen führen und das Austreten giftiger Substanzen in die Umwelt begünstigen.

Prozessleitanlagen werden oft über mehrere Jahrzehnte betrieben, was die höheren Anforderungen an die Lebensdauer der Geräte rechtfertigt.

Aus diesem Grund werden Aktuatoren stets mit hohem Schutzgehäuse konstruiert. Die Hersteller investieren viel Arbeit und Know-how in den Korrosionsschutz .

Die Schutzarten von Gehäusen sind gemäß den IP-Codes der EN 60529 definiert. Die Basisversionen der meisten elektrischen Stellantriebe sind für die zweithöchste Schutzart IP 67 ausgelegt. Dies bedeutet, dass sie gegen das Eindringen von Staub und Wasser bei kurzzeitigem Untertauchen (30 Minuten bei einer maximalen Wassersäule von 1 m) geschützt sind. Die meisten Stellantriebshersteller bieten darüber hinaus Geräte mit der Schutzart IP 68 an, die Schutz gegen kurzzeitiges Untertauchen bis zu einer maximalen Wassersäule von 6 m bieten.

In Sibirien können Temperaturen bis zu –60 °C auftreten, in technischen Anlagen sogar über +100 °C. Die Verwendung des richtigen Schmierstoffs ist unter diesen Bedingungen für den einwandfreien Betrieb unerlässlich. Fette , die bei Raumtemperatur verwendet werden können, verfestigen sich bei niedrigen Temperaturen so stark, dass der Aktor den Widerstand im Gerät nicht mehr überwinden kann. Bei hohen Temperaturen verflüssigen sich diese Fette und verlieren ihre Schmierwirkung. Bei der Dimensionierung des Aktors sind die Umgebungstemperatur und die Auswahl des richtigen Schmierstoffs von entscheidender Bedeutung.

Aktuatoren werden in Anwendungen eingesetzt, in denen explosionsgefährdete Atmosphären auftreten können. Dazu gehören unter anderem Raffinerien, Pipelines , die Öl- und Gasexploration sowie der Bergbau . Bei potenziell explosionsfähigen Gas-Luft- oder Gas-Staub-Gemischen darf der Aktuator nicht als Zündquelle wirken. Heiße Oberflächen am Aktuator sowie von ihm erzeugte Zündfunken müssen vermieden werden. Dies lässt sich durch ein explosionsgeschütztes Gehäuse erreichen, dessen Konstruktion verhindert, dass Zündfunken austreten, selbst bei einer Explosion im Inneren.

Für diese Anwendungen konzipierte Aktuatoren müssen als explosionsgeschützte Geräte von einer Prüfstelle ( benannte Stelle ) qualifiziert werden. Der Explosionsschutz ist weltweit nicht standardisiert. Innerhalb der Europäischen Union gilt die ATEX-Richtlinie 94/9/EG, in den USA der NEC (Zulassung durch FM ) und in Kanada der CEC (Zulassung durch die CSA ). Explosionsgeschützte Aktuatoren müssen die Konstruktionsanforderungen dieser Richtlinien und Vorschriften erfüllen.

Kleine elektrische Aktuatoren finden in einer Vielzahl von Montage- , Verpackungs- und Prüfanwendungen Verwendung . Sie können linear , rotatorisch oder eine Kombination aus beidem sein und lassen sich kombinieren, um Arbeiten in drei Dimensionen auszuführen. Häufig werden sie als Ersatz für pneumatische Zylinder eingesetzt . ^{[ 4 ]}