제어 밸브란 무엇입니까? 제어 밸브는 어떻게 작동합니까?

제어 밸브는 어떻게 작동합니까?

현대 산업 생산에서 유체 흐름 (가스, 증기, 물 또는 화학 혼합물 등)의 정확한 제어, 압력, 온도 및 액체 수준은 생산 효율, 제품 품질, 운영 안전 및 환경 보호를 보장하는 데 중요합니다. 산업 자동화 시스템의 "최종 제어 요소"로서, 제어 밸브는이 복잡하고 정확한 제어 체인에서 중심적인 역할을합니다. 이들은 단순한 온/오프 장치 일뿐 만 아니라 흐름 경로의 크기를 변경하여 컨트롤러의 신호에 응답함으로써 프로세스 변수의 직접적이고 정확한 규제를 달성합니다. 제어 밸브의 성능은 산업 공정의 경제 효율성, 안전 및 환경 영향에 직접적인 영향을 미치며 간단한 장비 구매보다는 전략적 투자가됩니다.

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제어 밸브의 기본 구성 요소

제어 밸브는 단일 구성 요소가 아니라 탠덤에서 작동하는 여러 정밀 구성 요소를 포함하는 통합 시스템입니다. 핵심 구성 요소에는 밸브 본체, 밸브 내부, 액추에이터 및 밸브 포지셔너와 컨버터, 공기 공급 압력 조절기, 수동 연산자, 댐퍼 또는 제한 스위치와 같은 다양한 액세서리가 포함됩니다.

밸브 바디 : 유체 경로 및 압력 부유 성분

밸브 본체는 제어 밸브의 주요 구조 구성 요소이며 설계는 밸브 내 유체의 흐름 경로를 결정합니다. 유체가 밸브 본체 내의 포트 및 개구부 또는 오리피스를 통해 흐르는 입구 및 출구 포트가있는 압력 용기 역할을합니다. 밸브 본체의 주요 기능은 유체 압력을 견딜 수 있고 밸브 내부를위한 지원 및 밀봉 된 환경을 제공하는 것입니다. 또한 유체 흐름 저항 및 압력 강하 특성이 밸브 본체 내의 내부 통로 설계와 밀접한 관련이 있기 때문에 밸브 바디 구조는 흐름 조절 특성에 간접적으로 영향을 미칩니다.

밸브 내부 : 유체와 직접 접촉하는 구성 요소, 흐름 조절을위한 핵심 구성 요소

밸브 내부는 제어 밸브의 일부로 제어 된 유체와 직접 접촉하며 흐름 조절을 달성하기위한 핵심 구성 요소입니다. 일반적으로 밸브 시트, 밸브 디스크 (또는 밸브 플러그) 및 밸브 스템으로 구성됩니다. 밸브 내부는 밸브 시트와의 상대 위치와 클리어런스를 변경하여 통과하는 유체의 양을 정확하게 제어합니다. 예를 들어, 밸브 디스크 또는 플러그가 들어 올리거나 회전되면 유량 채널 영역이 변경되어 유체 흐름이 조절됩니다. 밸브 내부의 기하학적 모양과 재료 선택은 흐름 특성, 내마모성, 부식 저항 및 밀봉 성능에 결정적인 영향을 미칩니다.

액추에이터 : 밸브 작동을위한 구동력을 제공합니다

액추에이터는 제어 밸브의 "근육"이며, 추상 신호를 제어 시스템에서 기계적 힘으로 변환하여 물리적 움직임을 위해 밸브 내부를 구동하는 것을 담당합니다. 제어 신호를 수신하면 밸브를 구동하여 완전히 개방적이거나 완전히 닫히거나 중간 위치를 달성하여 유체 흐름의 정밀한 조절 제어를 실현합니다.

액추에이터는 전원 및 모션 모드를 기반으로 다양한 유형으로 분류 할 수 있습니다.

모션 모드 별 분류 :

• 선형 액추에이터 :밸브 스템이 글로브 밸브, 게이트 밸브 및 다이어프램 밸브와 같이 위아래로 움직 이도록 해야하는 밸브에 적합한 선형 푸시 풀 모션을 생성합니다.
• 로타리 액추에이터 :볼 밸브, 나비 밸브 및 플러그 밸브와 같이 밸브 디스크 또는 볼이 회전 해야하는 밸브에 적합한 회전 운동을 생성합니다.

Fisher 공압 제어 밸브

전원으로 분류 :

• 공압 액추에이터 :
• 작업 원칙 :압축 공기 또는 가스를 전원으로 사용하여 다이어프램 또는 피스톤에 공기 압력을 적용하여 선형 또는 회전 운동을 생성합니다. 공기 압력은 피스톤의 양쪽에 번갈아 가며 양방향 운동 (이중 작용)을 달성하거나 리턴 힘 (단일-작용)을 제공하는 스프링으로 한쪽으로 만 작용할 수 있습니다. 로타리 운동은 일반적으로 랙 및 피니언 메커니즘을 통해 달성됩니다.
• 장점 :
1. 빠른 응답 속도 : 일반적으로 유압 또는 전기 시스템보다 빠른 50-500mm/s를 달성합니다.
2. 본질적으로 안전 : 전기에 의존하지 않고 스파크를 생성하지 않으므로 가연성 및 폭발성 위험 환경에 매우 적합합니다.
3. 간단한 구조, 가볍고 설치 및 유지 관리가 쉬운 경우 : 일반적으로 저렴한 비용.
4. 출력력 및 작동 속도의 쉬운 조정.
5. 높은 신뢰성과 긴 서비스 수명.
6. 에너지를 저장하고 중앙 집중식 공기 공급을 가능하게하며 에너지를 빠르게 방출하여 고속 반응을 달성 할 수 있습니다.
7. 부하 및 과부하에 영향을 미치는 강력한 적응성.
8. 고온 환경에서 사용할 수 있습니다.
• 단점 :
1. 제한된 출력력 : 유압 액추에이터와 비교하여 출력력은 일반적으로 더 작습니다.
2. 상대적으로 낮은 정밀도 : 공기의 압축성으로 인해 실린더의 작동 속도는 하중 변화의 영향을 쉽게 영향을 받고 저속 안정성은 유압 실린더보다 열등합니다.
3. 압축 공기 공급 시스템이 필요합니다. 여기에는 압축기 및 배관에 대한 추가 비용이 포함됩니다.
4. 압축기 고장으로 인해 모든 공압 액츄에이터가 오작동을 일으킬 수 있습니다. 그러나이 위험은 백업 압축기 시스템에 의해 완화 될 수 있습니다.
5. 빠른 사이클링은 물 망치 효과를 유발할 수 있습니다.
6. 성능은 물과 극한 온도에 취약합니다.
• 일반적인 응용 분야 : 프로세스 제어, 화학, 식음료, 폐수 처리, 전력, 광업 및 원자력 성능이 필요한 원자력 산업에 널리 사용됩니다.
• 전기 액추에이터 :
• 작업 원칙 :전기 모터에 의해 구동되는 모터의 회전 운동은 나사, 기어 또는 벨트와 같은 변속기 메커니즘을 통해 밸브를 구동하는 밸브를 통해 선형 또는 회전 운동으로 변환됩니다. 스테퍼 모터 또는 서보 모터는 일반적으로 고정밀 제어를 달성하는 데 사용됩니다.
• 장점 :
1. 높은 정밀하고 반복 가능한 포지셔닝 : 매우 정확하고 반복 가능한 밸브 포지셔닝을 제공하므로 자동화 된 작업에 이상적입니다.
2. 쉽게 프로그래밍하고 통합 : 디지털 제어 시스템과 원활하게 연결되며 복잡한 모션 패턴을 달성하도록 프로그래밍 할 수 있습니다.
3. 고 에너지 효율 : 일반적으로 정적 부하 응용 분야에서 유압 또는 공압 액추에이터보다 에너지가 적습니다.
4. 유지 보수 요구 사항이 낮 으면 부품이 적고 유체 시스템이 관련되어 있지 않아 유지 보수 요구 사항이 매우 낮습니다.
5. 조용한 운영.
6. 공급 전압 및 주파수의 변동에 영향을받지 않습니다.
7. 조정 가능한 회전 속도.
• 단점 :
1. 더 높은 비용 : 일반적으로 공압 액추에이터보다 비쌉니다.
2. 비교적 느린 속도 : 특히 높은 추력이 필요한 응용 분야에서.
3. 전원 공급 장치에 따라 : 정전 중에는 안전을 보장하기 위해 백업 전원 또는 스프링 리턴 메커니즘이 필요합니다.
4. 폭발성 환경에 적합하지 않음 : 폭발 방지를 위해 특별히 설계되지 않는 한.
5. 설치 및 유지 보수를위한 전문 지식이 필요한 복잡한 설계.
• 일반적인 응용 프로그램 :발전, 수처리, 제약, 로봇 암, 컨베이어 벨트, 자동 조립 라인, 농업 기계, 환기 및 조명 시스템, 정밀한 제어 및 높은 수준의 자동화 통합이 필요한 재료 취급 및 청소 장비에 널리 사용됩니다.
• 유압 액추에이터 :
• 작업 원칙 :유체 압력을 기계적 운동으로 변환하기위한 전원으로 가압 유체 (일반적으로 유압 오일)를 사용합니다. 유압 오일의 비 압축성은 일반적으로 강력한 추력을 생성하는 데 사용되는 다이어프램이 아닌 피스톤을 사용하여 안정적이고 신뢰할 수있는 밸브 포지셔닝을 보장합니다.
• 장점 :
1. 높은 출력력/토크 : 공압 액추에이터의 출력을 초과하는 출력력을 훨씬 능가하는 대형, 중질 또는 고압 밸브를 작동하는 데 적합한 상당한 기계적 힘을 생성 할 수 있습니다.
2. 고정밀 위치 지정 : 유압 오일의 비 압축성으로 인해 매우 정밀하고 안정적인 밸브 포지셔닝을 가능하게합니다.
3. 빠른 응답 속도 : 응급 셧다운 (ESD) 및 빠른 작업이 필요한 밸브 응용 프로그램에 적합합니다.
4. 내구성이 뛰어나고 강력하며 유지 보수 요구 사항이 상대적으로 낮고 서비스 수명이 길다.
5. 결함 보호 메커니즘을 구현할 수 있습니다.
• 단점 :
1. 비용이 더 높은 복잡한 시스템 : 전용 유압 펌프 시스템이 필요하므로 설치 및 시스템 설계가 더욱 복잡합니다.
2. 유체 누출 위험 : 유압 오일 누출을 방지하려면 정기적 인 유지 보수가 필요합니다.
3. 모든 환경에 적합하지 않음 : 특정 설계에는 한계가있을 수 있습니다.
• 일반적인 응용 프로그램 :석유 및 가스 파이프 라인, 발전소, 석유 및 천연 가스 산업, 댐 및 수력 발전소에 주로 사용됩니다. 고력, 높은 토크 및 빠른 반응이 필요한 산업 응용 분야.
• 전자 수염 액추에이터 :이 액추에이터는 전기 모터와 유압 전력 장치의 장점을 결합하여 유압 시스템의 높은 출력력을 제공하면서 전기 제어의 정밀도를 달성합니다. 정확한 밸브 위치 제어가 필요한 원격 위치에 특히 적합합니다.

다음 표는 다양한 유형의 액추에이터를 비교합니다.

밸브 포지셔너 : 정확한 밸브 포지셔닝 보장

밸브 포지셔너는 제어 밸브가 높은 정밀도, 응답 성 및 안정성을 달성 할 수 있도록 중요한 "뇌"역할을합니다. 특히 밸브가 스로틀 링 제어가 필요할 때 제어 밸브 어셈블리 내에서 필수적인 역할을합니다.

에머슨 피셔 밸브 포지셔너

밸브 포지셔너의 기능과 중요성

밸브 포지셔너의 핵심 기능은 밸브 스템 또는 밸브 샤프트의 실제 위치가 제어 시스템에서 발행 한 명령 신호와 정확하게 일치하도록하는 것입니다. 밸브의 실제 위치를 지속적으로 모니터링하고 보정을 수행함으로써 밸브 스템 포장의 마찰, 액추에이터 지연 및 밸브 플러그에 유체로 가해지는 불균형 힘과 같은 밸브 내에서 고유 한 기계적 제한을 효과적으로 극복합니다.

포지셔너는 내부 폐쇄 루프 피드백 제어 메커니즘을 사용하여 액추에이터에 적용된 압력을 지속적으로 조정하여“밸브 스템에 작용하는 다른 힘을 반대하여 밸브가“올바르게 행동”하고“제어 신호를 복종”하도록합니다. 이 정확한 제어 기능은 다음을 포함하여 제어 시스템의 전반적인 성능을 크게 향상시킵니다.

개선 된 제어 정확도 : 실제 유량이 제어 신호와 정확하게 일치하는지 확인하는 것은 사소한 편차에 민감한 프로세스에 중요합니다.

• 더 빠른 응답 시간 :빠르게 로딩 및 배출함으로써 밸브 응답 프로세스 변경에 필요한 시간이 줄어 듭니다.
• 강화 된 프로세스 안정성 :프로세스 조건의 변화 (예 : 압력 변동 및 유량 변화)의 변화를 보상하면 일관된 제어가 유지되며, 이는 제품 품질 및 시스템 안전에 중요합니다.
• 폐기물 감소 및 안전성 향상 :자원 활용을 최적화하고 정확한 제어를 통해 사고 위험을 줄입니다.
• 확장 된 밸브 수명 및 유지 보수 비용 감소 :시간이 지남에 따라 밸브 성능의 변화를 보상함으로써 마모를 최소화하여 예측 유지 보수를 가능하게합니다.
• 신호 증폭 :포지셔너는 더 높은 공기 흐름 속도를 처리하여 볼륨 부스터로 기능하여 더 빠른 밸브 스템 속도와 짧은 시간 지연을 제공합니다.
• 엄격한 차단을 달성하십시오 :출력을 0% 신호에서 최소로 포화시킴으로써 밸브 플러그는 시트에 대해 단단히 눌러 안정적인 제로 누설 차단을 보장합니다.
• 내재 위치 감지 기능이없는 스프링리스 이중 작용 피스톤 액추에이터 및 전기 액추에이터에 중요합니다.

밸브 포지셔너의 작동 원리 : 폐 루프 피드백 제어

밸브 포지셔너 작동의 핵심은 폐 루프 피드백 제어 시스템입니다. 기계적 또는 전자 수단을 통해 밸브 스템 또는 밸브 샤프트 (피드백 신호)의 실제 위치를 측정하면서 제어 시스템으로부터 입력 신호 (Setpoint)를 수신합니다. 포지셔너 내부의 컨트롤러는 설정 점과 실제 위치의 차이를 비교하고, 오류 신호를 계산하며,이 오류에 따라 액추에이터로 전송 된 출력 신호 (일반적으로 공압 압력)를 조정하여 오류가 제거 될 때까지 밸브가 원하는 위치를 향해 이동하도록합니다.

• 공압 포지셔너의 상세한 작업 원리 :
  공압 포지셔너는 일반적으로 힘 균형의 원리에 따라 작동합니다. 기기 공기 신호가 증가하면 신호 다이어프램에 작용하여 밸브 스템을 신호 다이어프램에 연결하고 연결된 플레이트를 오른쪽으로 이동시킵니다. 이는 공급 에어 플레이트를 열어 공급 공기 압력이 액추에이터 다이어프램에 연결된 출력 끝으로 들어가게하는 반면 배기 플레이트는 닫힌 상태로 유지됩니다. 액추에이터 내의 내부 압력이 증가하면 밸브 스템을 아래쪽으로 밀어 포지셔너 레버가 시계 방향으로 회전하고 캠을 통해 범위 스프링을 압축하게합니다. 밸브 스템은 컨트롤러에 의해 지정된 위치에 도달 할 때까지 계속 움직입니다. 반대로, 제어 신호가 감소 할 때, 신호 다이어프램에 의해 가해지는 힘은 감소하고, 범위 스프링의 힘은 댐퍼에 연결된 밸브 줄기를 왼쪽으로 밀어 배기 댐퍼를 열고, 액추에이터 압력을 줄이고, 밸브 줄기가 새로운 힘의 균형이 확립 될 때까지 위쪽으로 움직입니다.
• 디지털 포지셔너의 작동 원리 :
  디지털 포지셔너는 마이크로 프로세서를 사용하여 기계식 균형 빔, 캠 및 댐퍼 어셈블리가 아닌 위치 제어 알고리즘을 실행합니다. 마이크로 프로세서는 제어 신호를 읽고 디지털 알고리즘을 통해 처리하고 I/P 변환기로 전송 된 드라이브 전류 신호로 변환합니다. I/P 컨버터는 전류 신호를 공압 압력 신호로 변환 한 다음 공압 증폭기 릴레이를 통해 액추에이터로 전송됩니다. 밸브 위치에 대한 피드백 (일반적으로 Hall Effect 센서와 같은 비접촉 센서를 통한)은 마이크로 프로세서로 다시 전송됩니다. 밸브 스템은 올바른 위치에 도달 할 때까지 계속 움직입니다.이 시점에서 마이크로 프로세서는 구동 신호를 I/P 컨버터로 안정화시켜 정확한 균형을 달성합니다.

밸브 포지셔너 분류 및 특성

운영 원칙과 그들이받는 신호 유형에 따라 밸브 포지셔너는 다음 범주로 분류 할 수 있습니다.

• 공압 포지셔너 :
• 운영 원리 :공압 신호 (일반적으로 3-15psi 또는 6-30 psi)를 수신하고 공압 액추에이터에 상응하는 공기 압력을 제공하여 밸브 스템 또는 밸브 샤프트 위치가 공압 입력 신호에 비례하는지 확인합니다.
• 장점 :
1. 간단한 디자인 및 구조 :제조 및 유지 관리가 쉽습니다.
2. 저렴한 비용 :일반적으로 다른 유형보다 더 경제적입니다.
3. 신뢰할 수있는 작동 :신뢰할 수있는 성능으로 유명합니다.
4. 본질적으로 안전 :전기가 필요없고, 스파크가 발생하지 않으며, 폭발성 환경에 적합합니다.
5. 밸브를 닫기 위해 높은 추력을 제공 할 수 있습니다.
• 단점:
1. 제한된 정확도 및 해상도 : 고급 유형에 비해 정밀도가 낮습니다.
• 일반적인 응용 프로그램 :제어 신호 및 밸브 액추에이터가 공압 인 단순하고 강력한 응용에 적합하고 전기를 사용할 수 없거나 화학 플랜트 또는 정유소와 같은 폭발 위험이있는 환경.
• 전기 공간 포지셔너 :
• 작업 원칙 :전기 제어 신호 (일반적으로 4-20 MA 또는 0-10 VDC)를 공압 출력 신호로 변환 한 다음 밸브 액추에이터를 제어합니다. 많은 공정 제어 장치는 4-20 MA DC 신호를 사용하여 제어 밸브를 조절하기 때문에 전기 공간 포지셔너 (I/P 포지셔너 또는 센서)는 전자 전류 신호를 공압 압력 신호로 변환하는 데 도움이됩니다.
• 장점 :
1. 더 높은 정밀 및 해상도 : 순수한 공압 포지셔너보다 정확도가 높습니다.
2. 전기 제어 신호를 처리 할 수 ​​있습니다 : 제어를 위해 전기 신호를 사용하는 시스템에 적합합니다.
3. 다목적 성 : 전자 제어의 정밀도와 공압 작동의 견고성 및 안전성을 결합합니다.
4. 제어 정확도 및 응답 시간 향상.
• 단점 :
1. 보다 복잡한 설계 및 구조 :공압 포지셔너보다 더 복잡합니다.
2. 더 높은 비용 :공압 포지셔너보다 비싸다.
• 일반적인 응용 프로그램 :전기 및 공압 인프라와 더 높은 정밀 및 복잡한 제어 전략이 필요한 프로세스를 갖춘 산업 환경에서 널리 사용됩니다.
• 디지털 포지셔너 :
• 작업 원칙 :고급 디지털 기술을 사용 하여이 장치는 마이크로 프로세서를 사용하여 밸브 액츄에이터를 배치하고 데이터를 모니터링하고 기록합니다. 전기 신호 (예 : 4-20 MA 또는 Hart, Foundation Fieldbus, Profibus 등과 같은 디지털 통신 프로토콜)를받습니다.
• 장점 :
1. 높은 정밀 및 해상도 :탁월한 정확도 및 제어 기능을 제공하십시오.
2. 고급 진단 기능 :밸브 이상 및 악화 징후를 감지하고,자가 진단을 수행하며, 예측 유지 보수를 지원하여 유지 보수 비용을 줄입니다.
3. 자체 교정 및 원격 모니터링 기능 :설정 및 작동을 단순화하여 사용자는 언제 어디서나 설정을 조정하고 구성 할 수 있습니다.
4. 낮은 공기 소비 :아날로그 포지셔너보다 에너지 효율이 높습니다.
5. 기계적 마모가없고 최소한의 히스테리시스 :특히 비접촉식 피드백 기술을 사용할 때 기계식 마모, 느슨해지기, 부식 및 진동 손상과 같은 문제를 제거하여 신뢰성과 수명을 크게 향상시킵니다.
6. 오랜 작업 수명을 가진 간단하고 신뢰할 수있는 구조.
7. 비용 효율성 :초기 비용은 높지만 장기적으로는 최적화 된 운영과 가동 중지 시간을 통해 상당한 비용을 절약 할 수 있습니다.
• 단점:
1. 더 높은 비용 :일반적으로 공압 및 전기 액추에이터보다 비쌉니다.
2. 비접촉 피드백 기술이 사용되지 않으면 기계식 마모 문제가 여전히 존재할 수 있습니다.
• 일반적인 응용 프로그램 :석유 및 가스, 정유, 전력, 화학 물질, 펄프 및 종이, 생명 과학, 식음료 및 광산 산업과 같은 데이터 수집 및 IoT 통합이 필요한 고정밀, 고도로 자동화되고 복잡하며 중요한 응용 프로그램에 적합합니다.

다음 표는 다양한 유형의 밸브 포지셔너를 비교합니다.

선택 고려 사항 및 유지 보수 지점

적절한 밸브 포지셔너를 선택하려면 특정 애플리케이션에서 최적의 성능을 보장하기 위해 여러 요인을 포괄적으로 고려해야합니다.

1. 분할 범위 제어 지원 :일부 포지셔너는 특정 범위의 입력 신호에 응답 할 수있어 단일 컨트롤러가보다 정확한 제어를 위해 2 개 이상의 밸브를 제어 할 수 있습니다.
2. 제로 및 스팬 조정의 편의 :일부 포지셔너는 덮개를 열지 않고 0과 스팬 조정을 허용하지만 안전상의 경우 이러한 조정을 신중하게 사용하거나 금지해야합니다.
3. 0과 스팬의 안정성 :온도, 진동, 시간 또는 입력 압력의 변화에서 0과 스팬 드리프트가 쉽게 드리프 으면 밸브 이동의 정확성을 보장하기 위해 자주 교정이 필요합니다.
4. 포지셔너 정확도 :이상적으로는 각 입력 신호에 대해 밸브의 내부 구성 요소 (밸브 플러그, 밸브 스템, 밸브 시트 등)는 이동 또는 하중 크기의 방향에 관계없이 매번 원하는 위치에 정확하게 도달해야합니다.
5. 대기 질 요구 사항 :현장 공기 공급은 종종 ISA 표준을 충족시키지 못하기 때문에 공압 밸브 포지셔너는 특정 수준의 먼지, 수분 및 오일 오염을 견딜 수 있어야합니다.
6. 호환성:포지셔너가 밸브 유형, 액추에이터 및 프로세스 컨트롤러와 호환되는지 확인하십시오.
7. 공간 제약 및 안전 기능 :설치 공간을 고려하고 비상 셧다운 기능과 같은 안전 기능이있는 포지셔너를 선택하여 위험한 응용 분야의 위험을 줄입니다.

적절한 설치, 교정 및 정기 유지 보수는 포지셔너의 최적 성능과 수명을 보장하는 데 중요합니다. Azbil 700 시리즈 스마트 밸브 포지셔너와 같은 진단 기능이 향상되면 밸브 이상 및 악화 징후의 온라인 감지가 가능하여 시간 기반 유지 보수에서 조건 기반 예측 유지 보수로 전환하여 유지 보수 비용을 크게 줄이고 시스템 효율성을 향상시킬 수 있습니다.

피셔 제어 밸브

제어 밸브의 작동 원리 : 제어 신호에서 정확한 규정까지

컨트롤 밸브