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ほぼすべてのプロセスプラント、水処理施設、または地下採掘作業には、システムの稼働を維持するための物理的な作業を静かに実行する装置、つまりアクチュエーターが存在します。アクチュエーターの定義は、専門用語を取り除けば簡単です。アクチュエーターは、エネルギー源 (通常は電気、空気圧、または油圧) を制御された物理的な動きに変換する機械装置です。その動きは、バルブ、ダンパー、またはその他の最終制御要素を開閉したり、絞り込んだりするために使用されます。
簡単な定義: アクチュエーターは、自動バルブ制御の背後にある筋肉です。制御信号を受信し、蓄積または供給されたエネルギーを回転または直線運動に変換し、バルブ ステムまたはボールを指令された位置に移動します。
では、アクチュエーターは実際には何に使われるのでしょうか?アクチュエーターは、バルブ、ゲート、または機械的リンケージを遠隔操作、繰り返し操作、またはハンドルを回す人間では到底太刀打ちできない精度で操作する必要がある場合に使用されます。一般的な用途としては、パイプラインの流れの調整、緊急停止時のシステムの一部の隔離、HVAC ダクト内のダンパー位置の調整、石炭採掘における地下換気装置の制御などが挙げられます。アクチュエータがなければ、プラントのオペレータはすべてのバルブまで歩いて手動で調整する必要がありますが、これは時間がかかり、一貫性がなく、多くの場合安全ではありません。
さまざまな種類のアクチュエータについて尋ねられると、ほとんどの産業用カタログでは、エネルギー源に基づいてアクチュエータを 4 つの大きなカテゴリに分類しています。これら 4 種類のアクチュエータを理解することは、特定の用途に適切な機器を指定するための第一歩です。
| アクチュエータの種類 | エネルギー源 | 典型的な動き | 共通アプリケーション |
|---|---|---|---|
| 電気 | 電気 motor and gearbox | 回転式または直線式の正確な位置決め | プロセスバルブ、リモートオートメーション |
| 空気圧 | 圧縮空気 | 高速の 4 分の 1 回転または直線ストローク | オンオフおよび高速サイクルバルブ |
| 油圧 | 加圧流体 | 高い力、低速から中程度の速度 | 大口径バルブ、重機 |
| 手動または機械式 | 人の力とかバネの力とか | ハンドルまたはレバー駆動 | バックアップ運転、小型バルブ |
各カテゴリーにはそれぞれ独自の強みがあります。電気および空気圧アクチュエータは、制御システムと簡単に接続できるため、現代の産業オートメーションの主流を占めていますが、油圧ユニットは、生の力がコンパクトなサイズの必要性を上回る用途に使用されます。手動アクチュエータは、電力または空気の供給が中断された場合でも、フェールセーフ バックアップとして有効です。
電動アクチュエータ 一体型モーター、減速ギア、および制御モジュールを使用して、バルブステムまたはボールを指令された位置に移動します。移動時にのみ電力を消費するため、圧縮空気インフラが高価であるか利用できない施設に最適です。最新のユニットには通常、プラント全体の制御システムに統合するためのローカル制御ステーション、位置フィードバック、トルク制限、および通信インターフェイスが含まれています。
産業用バルブオートメーションにおける電気作動の主な利点は次のとおりです。
電動アクチュエータは一般に、水処理、発電、石油およびガス、および化学処理業界のゲート、グローブ、ボール、バタフライ、およびプラグ バルブ用に仕様化されています。
すべてのバルブが同じように動くわけではないため、正しい仕様を実現するには、複数回転アクチュエータと 1/4 回転アクチュエータの区別が重要になります。
A マルチターン電動アクチュエータ は、ゲートおよびグローブ バルブのねじ付きステムの移動量に合わせて、多くの全回転の出力トルクを提供するように設計されています。これらのアクチュエータは、バルブが完全に閉じた状態から完全に開くまでに数十、さらには数百の回転を必要とする場合に最適です。
A 1/4回転電動アクチュエータ ボールバルブとバタフライバルブの動作範囲に一致する90度の出力ストロークを実現します。フルストロークが短いため、これらのアクチュエータは通常、同様のトルク定格の多回転ユニットよりも高速にサイクルします。
| 特徴 | マルチターン | クォーターターン |
|---|---|---|
| 代表的なバルブタイプ | ゲート、グローブ、プラグ | ボール、バタフライ、ダンパー |
| 出力モーション | 複数の回転 | 90度回転 |
| サイクル速度 | ゆっくり、徐々に | より速く、ほぼ瞬時に |
| 最適な用途 | ロングステムバルブの絞りと隔離 | 素早い遮断と流れの転換 |
一部のバルブや機械アセンブリはまったく回転しません。代わりに、直線的に移動するプッシュプルステムに依存しています。あ ライナー電動アクチュエーター 内部モーターの回転出力を親ネジまたは同様の機構を介して直線推力に変換するように構築されています。この設計は、制御バルブ、スライディング ゲートを備えたダンパー、および回転運動をステムに直接適用できない特定のリニア アイソレーション バルブで一般的です。
リニア電動アクチュエータを指定する際の主な考慮事項には、最大ストローク長、ステムの摩擦と圧力負荷に打ち勝つために必要な推力、動力損失時の手動オーバーライドの必要性などが含まれます。
空気圧アクチュエータ ピストンまたはダイヤフラムに作用する圧縮空気を使用して、回転力または直線力を生成します。圧縮空気はエネルギーを蓄えているため、空気圧アクチュエータは当然フェイルセーフ アクチュエータ システムに適しています。スプリングリターン設計により、空気の供給が失われた場合、電力にまったく依存せずにバルブが自動的に所定の安全位置に駆動されます。
空気圧作動の一般的な利点は次のとおりです。
その代償として、空気圧システムには信頼性が高く、適切に維持された空気供給が必要であり、正確な変調制御を実現するのは一般に電気作動よりも複雑です。
地下採掘は、あらゆる自動化機器にとって最も過酷な動作環境の 1 つです。可燃性ガス、石炭粉塵、高湿度、絶え間ない振動はすべて、バルブの作動にさらなる要求を課します。あ 炭鉱電動アクチュエータ は、内部の火花やアークを封じ込めるように設計された強化された耐燃性のエンクロージャで構築されているため、ハウジングの外部の爆発性雰囲気に点火することができません。
採掘用途に適切なアクチュエータを選択する場合、標準的な地表プラントのチェックリストを超えるいくつかの要素が考慮されます。
これらの要件により、炭鉱電動アクチュエータは、標準的な産業用ユニットの単純なバリエーションではなく、明確な製品カテゴリとなります。
電気、空気圧、多回転、4 分の 1 回転、または線形作動のいずれかを選択することは、工学的な質問の短いリストに帰着します。以下の図は、自動化エンジニアが新しいアクチュエータを指定するときに使用する一般的な決定シーケンスの概要を示しています。
ボールバルブのトルク要件はバルブの直径とライン圧力に応じて増加するため、メーカーは正確なサイズを示すトルクテーブルを公開しています。計画のみを目的とした一般的な参考情報として、エンジニアは一般に次のような相対的なパターンを目にします。
| ボールバルブのサイズ範囲 | 相対トルク要求 | 代表的なアクチュエータのクラス |
|---|---|---|
| 小口径、最大2インチ | 低い | コンパクトな 4 分の 1 回転の電気式または空気圧式 |
| ミディアムボア、3~8インチ | 中等度 | 標準の 4 分の 1 回転電動 |
| 大口径、8 インチ以上 | 高 | 耐久性の高い 4 分の 1 回転または油圧アシスト |
アクチュエータの選択を最終的に行う前に、シート摩擦および移動端のシート トルクに対する安全マージンを含む、実際に必要なトルクをバルブ メーカーのデータシートと照らし合わせて必ず確認してください。
可燃性ガス、石炭粉塵、またはその他の分類された危険区域を伴うプロジェクトの場合、危険な環境での電気作動と空気圧作動の選択には特に注意が必要です。
| 考察 | 電気 Actuator | 空気圧 Actuator |
|---|---|---|
| 供給喪失時のフェールセーフ | バッテリーバックアップまたは機械的フェイルセーフモジュールが必要です | スプリングリターン設計を採用 |
| 防爆方式 | 耐圧防爆または安全性を強化した筐体 | アクチュエータ本体での火花リスクが本質的に低い |
| 位置決め精度 | 高, suitable for modulating duty | ポジショナーが取り付けられていない限り、オンオフ勤務に最適 |
| インフラストラクチャへの依存性 | 信頼性の高い電源とケーブル配線 | 清潔で乾燥した、適切なサイズの圧縮空気ネットワーク |
実際には、多くの危険区域施設では両方の技術を組み合わせて使用しており、迅速でフェールセーフな遮断が重要な場合には空気圧作動を適用し、正確な遠隔制御の変調が優先される場合には電気作動を適用します。
アクチュエーターは、制御信号に基づいてバルブやダンパーを自動的に開閉したり、絞り込んだりするために使用され、オペレーターが手動でデバイスを調整する必要がなくなります。
一般的に参照される 4 つのカテゴリは、電気、空気圧、油圧、手動または機械式アクチュエータであり、それぞれがそのエネルギー源によって定義されます。
これはバルブのタイプによって決まります。ネジ付きステムを備えたゲート バルブやグローブ バルブには通常、複数回転の電動アクチュエータが必要ですが、90 度のストロークを持つボール バルブやバタフライ バルブには 4 分の 1 回転の電動アクチュエータが必要です。
炭鉱の電動アクチュエータには、爆発性、粉塵、湿気の多い地下条件でも安全に動作できるように、耐圧防爆エンクロージャ、強化されたシール、腐食保護が含まれています。
自動的ではありません。空気供給が失われた場合のフェールセーフ動作は、バルブを所定の安全位置に駆動するように設計されたスプリングリターン機構がアクチュエータに装備されているかどうかによって異なります。
トルクは、単一の固定値ではなく、追加の安全マージンを加えて、バルブ サイズ、ライン圧力、シート摩擦に基づくバルブ メーカーの公開データから決定されます。