Aktuatoren sind eine wichtige Komponente in einer Vielzahl von Systemen, die in der Wasser-, Energie- und anderen Industriezweigen eingesetzt werden. Aber was genau is ein Aktuator? Neulinge in diesem Thema begnügen sich oft damit, sich diese Komponente einfach als eine Art Schalter vorzustellen – den Teil eines ventilbasierten Systems, der das Ventil in eine offene oder geschlossene Position bringt. Der Wert solcher Teile geht jedoch zunehmend über die einfache „Öffnen-Schließen“-Funktionalität hinaus und geht in einen Bereich über, in dem alle Arten anspruchsvoller Steuerung möglich werden Umwelttechnik entdeckt im Gespräch mit AUMA Actuators UK, dem britischen Zweig von AUMA-Gruppe, das über 2,800 Mitarbeiter an 30 Standorten weltweit beschäftigt.

Ventile spielen eine entscheidende Rolle in Systemen, in denen der Flüssigkeits- (oder Gas-)Strom gesteuert werden muss. Bei Anwendungen, bei denen Wasser beispielsweise durch Rohrleitungen fließt, kann es erforderlich sein, den Fluss zu stoppen, zu starten, zu verlangsamen oder seine Richtung zu ändern. In einigen Systemen werden Ventile benötigt, um den Druck an verschiedenen Stellen zu regulieren.

Die Wasserindustrie ist ein Hauptzielort für diese Komponenten, obwohl sie in einer Vielzahl von Prozesstechnologien und anderen Systemen vorkommen, einschließlich der Stromerzeugung, sei es aus Öl, Gas, Biomasse, Energie aus Abfall oder Kernkraft. Aktoren spielen im Steuerungsprozess eine entscheidende Rolle.

Heutige elektrische Stellantriebe können ferngesteuert werden und erhalten Befehle zum Öffnen oder Schließen von industriellen Steuerungssystemen wie SCADA oder DCS. Wenn der Aktuator eine bestimmte Stopp- oder Zwischenposition erreicht hat, meldet er diesen Status ebenfalls an das Steuerungssystem.

Diese Art von Funktionalität ist die Grundausstattung – und wird für viele Benutzer ausreichen – es ist jedoch eine weitaus ausgefeiltere Steuerung möglich, und das Angebot von AUMA umfasst zunehmend verschiedene Arten „intelligenter“ Funktionalität. Hier ist die Weiterentwicklung der Technologie rund um Ventile und Stellantriebe am deutlichsten sichtbar, meint Paul Hopkins, Geschäftsführer von AUMA in Großbritannien, der einen Eindruck von den Möglichkeiten vermittelte, die sich mit einem Subsystem ergeben, das, wie er sagte, „eigentlich ein spannendes Stück Technik ist“. .

Was bedeutet es?
Die elektrischen Stellantriebe von AUMA verfügen über eine Kombination aus Elektromotor und Getriebe, die speziell für die Armaturenautomatisierung entwickelt wurde. Aktuatoren liefern das Drehmoment, das zum Betätigen der beweglichen Teile des Ventils erforderlich ist, unabhängig davon, ob es sich um ein Schieberventil, eine Drosselklappe, ein Durchgangsventil oder einen anderen Ventiltyp handelt. Wie es auf der Website von AUMA heißt, decken die Stellantriebe des Unternehmens die gesamte Bandbreite an Möglichkeiten ab, vom 2-Zoll-Kugelhahn bis hin zu meterhohen Umlenkklappen (mehr zum Thema Ventile siehe „Ventile: Die Grundlagen“ am Ende des Artikels).

Das Drehmoment wird vom Stellantrieb über eine standardisierte mechanische Schnittstelle auf den Ventilschaft bzw. die Ventilwelle übertragen. Der Ventiltyp bestimmt also die Wahl des Stellantriebs, wobei Stellantriebe als „Teildrehungs“- oder „Mehrdrehungs“-Geräte erhältlich sind.
Die Schwenkantriebe erfordern nur eine kleine Drehbewegung (weniger als 90 Grad), um das Ventil zu öffnen oder zu schließen, und werden in der Regel für Ventile verwendet, die schnell ein- und ausschalten. Die Multiturn-Antriebe üben mehrere Drehungen auf den Ventilschaft aus, um das Ventil vollständig zu öffnen oder zu schließen, und werden dort eingesetzt, wo die Ventilpositionierung präzise gesteuert werden muss, wie z. B. bei Absperr-, Durchgangs- oder Hubventilen.

Manchmal sei es wichtig, das beim Öffnen oder Schließen eines Ventils ausgeübte Drehmoment sorgfältig zu kontrollieren, um eine Beschädigung des Ventils oder des von ihm gesteuerten Prozesses zu vermeiden, erklärte Hopkins. Aktuatoren stellen auch die Schnittstelle zwischen den Ventil- und Steuerungssystemen (und der im Gesamtsystem eingebetteten Intelligenz) dar, und dieser Aspekt wird mit Trends wie IIoT und Industrie 4.0 immer wichtiger.

AUMA bietet in seiner AM-Reihe von Stellantriebssteuerungen die Basisebene der Steuerungsfunktionalität und diese Teile gelten als die perfekte Wahl, wenn Sie lediglich die Endposition und Fehlersignale des Stellantriebs melden möchten (die auch durch Lichter sichtbar angezeigt werden). auf dem Gerät). Mit der AC-Reihe von Steuerungen des Unternehmens sind zusätzliche Steuerungsfunktionen möglich. Diese gelten als geeignete Wahl, wenn Sie eine Datenprotokollierung oder selbstanpassende Steuerungsfunktionen benötigen oder wenn der Ventilantrieb in ein System integriert ist, das für Dinge wie Anlagenverwaltung und -verwaltung ausgestattet ist Fernwartung. Das Teil verfügt über eine Mikroprozessorsteuerung, die laut Hopkins eine wesentlich umfassendere Funktionalität bietet, sowie die Möglichkeit, es über Feldbus an die Prozessautomatisierung anzuschließen (wie bei den AM-Steuerungen ist auch eine parallele Schnittstelle verfügbar).

Die AC-Einheit bietet außerdem Funktionen wie einen Drehmomentbypass, um festsitzende Ventile zu lösen, und Funktionen zur Vermeidung von Wasserschlägen in Rohrleitungen. Hopkins ordnet Teile wie diese innerhalb des Industrie 4.0-Paradigmas und der drei Schichten des Steuerungssystems ein: die Sensoren („um Ihnen zu sagen, was vor sich geht“), die Prozesssteuerung („um dem System zu sagen, was es tun soll“) und die physikalische Schicht oder Ausgabegeräte. Aktoren passen in diese letzte Ebene des Systems.

Der AC bietet verschiedene Diagnosefunktionen, darunter einen zeitgestempelten Ereignisbericht und die Protokollierung von Drehmomenteigenschaften sowie der Anzahl der Starts und Motorlaufzeiten. Die kontinuierliche Überwachung von Temperatur und Vibration ist eine Funktion, die Endbenutzern helfen kann, ihre Anlagen zuverlässig laufen zu lassen, schlägt Hopkins vor und entspricht damit den Ansprüchen der modernen Wasserindustrie an „keine Ausfälle“ usw.

Wasserschlag bekämpfen
In der Wasserwirtschaft wird derzeit viel über das Thema Leckage diskutiert, und in England und Wales gingen 1/2021 mehr als 22 Billion Liter Trinkwasser durch undichte Rohre verloren, wie ein aktuelles AUMA-Video erklärt. In derselben Präsentation wird erläutert, wie Stellantriebe mit variabler Drehzahl so programmiert werden können, dass sie zur Beruhigung des Wassernetzes beitragen und Schäden an Rohren durch plötzliche vorübergehende Überspannungen vermeiden. Dieser „Wasserschlag“-Effekt entsteht, wenn Ventile plötzlich oder mit hoher Geschwindigkeit schließen und eine Hochdruckwelle erzeugen, die sich durch das Netzwerk ausbreitet, Ventile, Dichtungen und mechanische Komponenten belastet und manchmal auch Rohrleitungen beschädigt.

Eine Lösung besteht darin, die Geschwindigkeit, mit der diese Ventile öffnen oder schließen, auf intelligente Weise zu variieren und dabei die Gesamtwirkung auf die Druckänderungsdynamik im gesamten Netzwerk zu berücksichtigen. Die geschwindigkeitsvariablen Stellantriebe von AUMA sind programmierbar und der Ventilweg (sowohl in Öffnungs- als auch in Schließrichtung) kann in zehn verschiedene Abschnitte unterteilt werden, wobei jeweils unterschiedliche Geschwindigkeiten vorgegeben werden können.

Eine solche Lösung kann in einem Wassernetz eingesetzt werden, das für die Überwachung, Analyse und Reaktion auf Drucktransienten ausgestattet ist, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Sachschäden verringert wird.

Teile zusammenfügen
In der realen Welt scheinen Ventilantriebssysteme ein Spektrum an Raffinesse und Komplexität abzudecken, und die AUMA-Produktpalette basiert auf einer modularen Designphilosophie, die sinnvoll auf die individuellen Anforderungen spezifischer Benutzer ausgerichtet ist.

Auf einer Ebene, so das Unternehmen, unterstützt das modulare Produktdesign beispielsweise eine einfache Nachrüstung und Reparatur, und Systeme können beispielsweise problemlos von AM- auf AC-Steuerungen aufgerüstet werden (und auch die Abwärtskompatibilität bleibt erhalten). Der Ansatz erleichtert auch die Bereitstellung optimaler, auf die Situation zugeschnittener Kombinationen von Komponenten innerhalb des Aktuators (z. B. Getriebe und Gestänge) sowie die besten Möglichkeiten, diese zu koppeln. Zu den Möglichkeiten gehören näher
Kopplung von Ventil und Stellantrieb (anstatt nur Universalgelenke zu verwenden) und die getrennte Anordnung von Teilen wie Getriebe und Motor von den Steuerungen – zum Beispiel in der Höhe, in einer Grube oder sogar unter Wasser. Ein Beispiel dafür, wo sich dies als nützlich erwies, war eine Unterwasserturbinen-Steuerungsanwendung im Wasserkraftwerk Sauerbrunn in der Nähe von Graz, Österreich, im Herbst 2022, die zu einer Lösung führte, die eine bessere Steuerung und Rückmeldung zu deutlich geringeren Kosten ermöglichte.

Das System erforderte einen Aktuator, der kontinuierlich unter Wasser arbeiten kann, um eine genaue Positionierung der Turbine zu ermöglichen und die Wasserversorgung optimal zu steuern. Bisher war die einzige Option ein hydraulischer Antrieb, aber AUMA konnte einen elektrischen Antrieb vorschlagen, der für den Unterwassereinsatz geeignet ist (AUMA SARV-UW), in Kombination mit Antriebssteuerungen, die über dem Schacht und getrennt vom Antrieb (und über Wasser) montiert sind. .

Unterschiedliche Umgebungen
Eine modulare Lösung kann aus Teilen ausgewählt werden, die für bestimmte Umgebungen spezifiziert sind. Während in Sektoren wie Öl und Gas, EfW und Kernenergie weitgehend ähnliche Technologien eingesetzt werden – beispielsweise in Bezug auf die Ventile und Antriebe für Kessel –, stellen einige Sektoren spezifische Anforderungen. Bei Öl-, Erdgas- oder EfW-Anlagen müssen die Teile beispielsweise explosionsgeschützt sein (AM- und AC-Produkte sind in dieser Form erhältlich).

Die Zertifizierung sei im Nuklearsektor von größter Bedeutung, sagte Hopkins, und Teile würden sich durch Dinge wie den Grad der Zertifizierung, die Materialbeschaffung und die mit dem Produkt verwendeten Maschinen oder Gehäuse unterscheiden.

AUMA interessiert sich sowohl für den aufstrebenden Bereich der kleinen modularen Reaktoren (SMRs) als auch für größere Projekte wie Hinkley Point C. Korrosionsschutz ist in Sektoren wie der Wasserwirtschaft wichtig, wo die Ausrüstung möglicherweise draußen in Gegenwart von Salzlösung oder an der Küste stehen muss Luft. AUMA hat hier eine eigene Lösung entwickelt, die beispielsweise standardmäßig bei seinen PROFOX-Antrieben zum Einsatz kommt, die kürzlich in Verbindung mit Absperrklappen bei Penybont Water Treatment Works an der Küste von Mittelwales eingesetzt wurden. Der Korrosionsschutz erfüllt die höchsten C5-M/C5-I-Anforderungen der EN ISO 12944-6.

Entlastung
Die modulare Designphilosophie scheint eine wichtige Grundlage für zahlreiche Dinge zu sein, die dem Endbenutzer das Leben erleichtern können. Zum Beispiel in Situationen, in denen es viel sinnvoller ist, eine größtenteils vorgefertigte Lösung auf die Baustelle zu bringen, als alles vor Ort zusammenzubauen. Laut Hopkins trägt die Durchführung von Arbeiten außerhalb der Baustelle auch zur Sicherheit bei, sodass Elektroarbeiten beispielsweise getrennt und zu einem anderen Zeitpunkt als der Rest der Installation durchgeführt werden können.

Es gebe viel Flexibilität, um Möglichkeiten zur Verbesserung oder Aufrüstung der Ausrüstung eines Endbenutzers zu erkennen, schlägt er vor. Einer der größten Fehlerquellen in der Wasserwirtschaft liegt seiner eigenen Analyse zufolge darin, dass der Schacht in einem Druckrohrventil nicht richtig gefettet ist.

Er sagte, die Ingenieure von AUMA hätten sich bei einem Wasserversorgungskunden auf diese Stelle konzentriert und einen automatischen Fettschmierer bereitgestellt, der nicht nur die Lager schmiert, sondern auch in die Antriebsbasis eindringt und die Welle schmiert. Eine Änderung wie diese, sagt Hopkins, „ist einfach, spart aber möglicherweise Hunderttausende Pfund bei der Druckleitung“ und verringert die Anzahl der Wartungsarbeiten erheblich.

Diese Art des „Beratungsverkaufs“ scheint für die Arbeitsweise des Unternehmens von entscheidender Bedeutung zu sein und basiert auf technischem Fachwissen. Das Mutterunternehmen AUMA entwickelt und baut seit 60 Jahren elektrische Stellantriebe und Armaturengetriebe. Dank des großen Netzwerks von Büros auf der ganzen Welt können Ingenieure im Vereinigten Königreich auf das Fachwissen anderer zurückgreifen, die möglicherweise Erfahrung mit der Lösung einer bestimmten Art von Problem haben.

In den letzten Jahren gab es laut Hopkins auch große Turbulenzen in Bezug auf Materialien, Produktion und Lieferkettenprobleme, und die Bewältigung dieses Terrains wurde durch die „sehr vertikale Integration“ von AUMA mit Standorten wie dem Clevedon-Büro von AUMA Actuators erleichtert Limited führt die eigene Bearbeitung, Montage, Prüfung und Reparatur durch.

Die Teile selbst werden in Deutschland hergestellt, wobei die Fabriken nach einem „Kanban“-System arbeiten und die Nachfrage decken, anstatt Lagerbestände zu halten. Was die Kapazität angeht, sagt Hopkins, dass das Unternehmen täglich mehr als 500 elektrische Aktuatoren auf Bestellung herstellt.

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Ventile – die Grundlagen
Ventile gibt es in allen Formen und Größen, wobei unterschiedliche Ansätze zur Verfügung stehen, um spezifische Anforderungen in Bezug auf Kosten, Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit usw. zu erfüllen. Bei einigen Anwendungen muss das Ventil einfach geöffnet oder geschlossen werden, bei anderen möchten Sie es möglicherweise in verschiedenen Zwischenpositionen halten, um den Flüssigkeitsfluss zu regulieren.

Eine gängige Praxis besteht darin, die Welt der Regelventile in Teile zu unterteilen, die auf linearer Bewegung basieren (Schieber-, Durchgangs- und Membranventile), und solche, die auf Drehbewegung basieren (z. B. Kugel-, Kegel- und Absperrklappen). Absperrschieber werden heutzutage aufgrund ihrer relativen Einfachheit und geringen Kosten am häufigsten verwendet. Diese können verwendet werden, um den Flüssigkeitsfluss zu starten und zu stoppen, jedoch nicht, um ihn zu drosseln. Absperrschieber eignen sich nicht zum Drosseln des Durchflusses und können Vibrationen ausgesetzt sein, wenn sie in teilweise geöffneter Position gelassen werden. Im Vergleich zu Durchgangsventilen beispielsweise ist bei ihnen auch die Wahrscheinlichkeit eines Sitz- und Scheibenverschleißes sowie einer Undichtigkeit höher.
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