مشغل الصمام

مشغل الصمام هو آلية فتح وإغلاق الصمام . تتطلب الصمامات التي يتم تشغيلها يدويًا وجود شخص موجود لضبطها باستخدام آلية مباشرة أو مسننة متصلة بساق الصمام. تسمح المحركات التي تعمل بالطاقة، باستخدام ضغط الغاز أو الضغط الهيدروليكي أو الكهرباء، بضبط الصمام عن بُعد، أو تسمح بالتشغيل السريع للصمامات الكبيرة. قد تكون محركات الصمام التي تعمل بالطاقة هي العناصر النهائية لحلقة التحكم التلقائي التي تنظم تلقائيًا بعض التدفقات أو المستويات أو العمليات الأخرى. قد تكون المحركات مخصصة فقط لفتح وإغلاق الصمام، أو قد تسمح بالوضع الوسيط؛ تتضمن بعض محركات الصمام مفاتيح أو طرق أخرى للإشارة عن بُعد إلى موضع الصمام.

تُستخدم المحركات في أتمتة الصمامات الصناعية ، ويمكن العثور عليها في جميع أنواع مصانع العمليات. تُستخدم في محطات معالجة مياه الصرف الصحي ومحطات الطاقة ومصافي النفط والتعدين والعمليات النووية ومصانع الأغذية وخطوط الأنابيب. تلعب محركات الصمامات دورًا رئيسيًا في أتمتة التحكم في العمليات . تختلف الصمامات التي سيتم أتمتتها في كل من التصميم والأبعاد. تتراوح أقطار الصمامات من عُشر البوصة إلى عدة أقدام.

الأنواع الشائعة للمحركات هي: اليدوية، الهوائية، الهيدروليكية، الكهربائية والزنبركية.

يستخدم المحرك اليدوي روافع أو تروس أو عجلات لتحريك ساق الصمام بحركة معينة. تعمل المحركات اليدوية باليد. المحركات اليدوية غير مكلفة، وعادة ما تكون مستقلة، ويسهل تشغيلها بواسطة البشر. ومع ذلك، من المستحيل تشغيل بعض الصمامات الكبيرة يدويًا وقد توجد بعض الصمامات في بيئات نائية أو سامة أو معادية تمنع التشغيل اليدوي في بعض الظروف. كخاصية أمان، قد تتطلب أنواع معينة من المواقف تشغيلًا أسرع مما يمكن أن توفره المحركات اليدوية لإغلاق الصمام.

ضغط الهواء (أو الغاز الآخر) هو مصدر الطاقة لمشغلات الصمامات الهوائية. ^[1] يتم استخدامها في الصمامات الخطية أو ربع دورة. يعمل ضغط الهواء على مكبس أو غشاء منفاخ مما يخلق قوة خطية على ساق الصمام. بدلاً من ذلك، ينتج مشغل من نوع الريشة ربع دورة عزم دوران لتوفير حركة دوارة لتشغيل صمام ربع دورة. يمكن ترتيب المشغل الهوائي ليكون مغلقًا بنابض أو مفتوحًا بنابض، مع التغلب على ضغط الهواء على النابض لتوفير الحركة. يستخدم المشغل "مزدوج الفعل" الهواء المطبق على مداخل مختلفة لتحريك الصمام في اتجاه الفتح أو الإغلاق. يمكن لنظام الهواء المضغوط المركزي توفير الهواء المضغوط النظيف والجاف اللازم للمشغلات الهوائية. في بعض الأنواع، على سبيل المثال، منظمات الغاز المضغوط، يتم توفير ضغط الإمداد من تيار غاز العملية والغاز العادم إما تنفيسه إلى الهواء أو إلقاؤه في أنابيب عملية ذات ضغط أقل.

تحول المحركات الهيدروليكية ضغط السوائل إلى حركة. وعلى غرار المحركات الهوائية، تُستخدم هذه المحركات في الصمامات الخطية أو الصمامات ذات الربع دورة. يوفر ضغط السوائل المؤثر على المكبس قوة دفع خطية لصمامات البوابة أو الكرة. ينتج المحرك ذو الربع دورة عزم الدوران لتوفير حركة دورانية لتشغيل صمام ربع دورة. يمكن تزويد معظم أنواع المحركات الهيدروليكية بميزات أمان ضد الأعطال لإغلاق أو فتح الصمام في ظروف الطوارئ. يمكن توفير الضغط الهيدروليكي بواسطة مضخة ضغط هيدروليكية ذاتية الاحتواء. في بعض التطبيقات، مثل محطات ضخ المياه، يمكن لسائل العملية توفير الضغط الهيدروليكي، على الرغم من أن المحركات يجب أن تستخدم مواد متوافقة مع السائل.

يستخدم المحرك الكهربائي محركًا كهربائيًا لتوفير عزم الدوران لتشغيل الصمام. وهي هادئة وغير سامة وموفرة للطاقة. ومع ذلك، يجب أن تكون الكهرباء متاحة، وهو ما لا يحدث دائمًا، ويمكن تشغيلها أيضًا بالبطاريات.

تعمل المحركات التي تعتمد على الزنبرك على تثبيت زنبرك. وبمجرد اكتشاف أي خلل أو انقطاع الطاقة، يتم تحرير الزنبرك، مما يؤدي إلى تشغيل الصمام. ولا يمكن تشغيلها إلا مرة واحدة، دون إعادة ضبطها، وبالتالي يتم استخدامها لأغراض الاستخدام مرة واحدة مثل حالات الطوارئ. وتتميز هذه المحركات بأنها لا تتطلب مصدرًا كهربائيًا قويًا لتحريك الصمام، وبالتالي يمكن تشغيلها من طاقة البطارية المحدودة، أو تلقائيًا عند انقطاع الطاقة بالكامل.

يفتح المحرك الخطي ويغلق الصمامات التي يمكن تشغيلها عن طريق القوة الخطية، وهو النوع الذي يُطلق عليه أحيانًا صمام "الساق الصاعدة". تتضمن هذه الأنواع من الصمامات صمامات كروية وصمامات كروية ذات ساق صاعدة وصمامات تحكم وصمامات بوابة. ^[2] النوعان الرئيسيان من المحركات الخطية هما الحجاب الحاجز والمكبس.

تُصنع محركات الحجاب الحاجز من قطعة مطاطية مستديرة يتم ضغطها حول حوافها بين جانبين من الأسطوانة أو الحجرة مما يسمح بدخول ضغط الهواء إلى أي جانب ودفع قطعة المطاط في اتجاه أو آخر. يتم توصيل قضيب بمركز الحجاب الحاجز بحيث يتحرك مع تطبيق الضغط. ثم يتم توصيل القضيب بجذع الصمام مما يسمح للصمام بتجربة الحركة الخطية وبالتالي الفتح أو الإغلاق. يكون محرك الحجاب الحاجز مفيدًا إذا كان ضغط الإمداد معتدلاً وكان السفر والدفع المطلوبان للصمام منخفضين.

تستخدم محركات المكبس مكبسًا يتحرك بطول الأسطوانة. ينقل قضيب المكبس القوة على المكبس إلى ساق الصمام. تسمح محركات المكبس بضغوط أعلى ونطاقات سفر أطول وقوى دفع أعلى من محركات الحجاب الحاجز.

يُستخدم الزنبرك لتوفير سلوك محدد في حالة فقدان الطاقة. وهذا مهم في الحوادث المتعلقة بالسلامة، وهو في بعض الأحيان العامل المحرك في المواصفات. ومن الأمثلة على فقدان الطاقة عندما يتوقف ضاغط الهواء (المصدر الرئيسي للهواء المضغوط الذي يوفر السائل لتحريك المحرك). إذا كان هناك زنبرك داخل المحرك، فسوف يجبر الصمام على الفتح أو الإغلاق وسيبقيه في هذا الوضع أثناء استعادة الطاقة. يمكن تحديد المحرك على أنه "فشل في الفتح" أو "فشل في الإغلاق" لوصف سلوكه. في حالة المحرك الكهربائي، سيؤدي فقدان الطاقة إلى إبقاء الصمام ثابتًا ما لم يكن هناك مصدر طاقة احتياطي.

إن صمام التحكم من النوع الذي يشبه القابس هو أحد النماذج النموذجية للصمامات التي سيتم أتمتتها. فمثلما يتم ضغط القابس في حوض الاستحمام في المصرف، يتم ضغط القابس في مقعد القابس بحركة سكتة دماغية. ويؤثر ضغط الوسيط على القابس بينما يتعين على وحدة الدفع توفير نفس مقدار الدفع لتكون قادرة على حمل القابس وتحريكه ضد هذا الضغط.

تُستخدم محركات التيار المتردد ثلاثية الطور غير المتزامنة القوية في الغالب كقوة دافعة، وفي بعض التطبيقات تُستخدم أيضًا محركات التيار المتردد أو المستمر أحادية الطور. هذه المحركات مُكيَّفة خصيصًا لأتمتة الصمامات لأنها توفر عزم دوران أعلى من السكون مقارنة بالمحركات التقليدية المماثلة، وهو متطلب ضروري لإخراج الصمامات الملتصقة. من المتوقع أن تعمل المحركات في ظل ظروف محيطة قاسية، ومع ذلك لا تُستخدم عمومًا للتشغيل المستمر لأن تراكم الحرارة في المحرك قد يكون مفرطًا.

تشير مفاتيح الحد إلى الوصول إلى موضع نهائي. يقيس تبديل عزم الدوران عزم الدوران الموجود في الصمام. عند تجاوز حد معين، يتم الإشارة إلى ذلك بنفس الطريقة. غالبًا ما تكون المحركات مزودة بجهاز إرسال موضع عن بعد يشير إلى موضع الصمام كإشارة تيار أو جهد مستمر 4-20 مللي أمبير .

غالبًا ما يتم استخدام تروس دودية لتقليل سرعة الإخراج العالية للمحرك الكهربائي. يتيح هذا نسبة تخفيض عالية داخل مرحلة التروس ، مما يؤدي إلى انخفاض الكفاءة المطلوبة للمشغلات. وبالتالي فإن التروس ذاتية القفل، أي أنها تمنع التغييرات العرضية وغير المرغوب فيها لموضع الصمام من خلال العمل على عنصر إغلاق الصمام.

يتكون ملحق الصمام من عنصرين، الأول: الحافة المستخدمة لربط المحرك بإحكام بالنظير على جانب الصمام، وكلما زاد عزم الدوران المراد نقله، كلما كانت الحافة المطلوبة أكبر.

ثانيًا: نوع محرك الإخراج المستخدم لنقل عزم الدوران أو الدفع من المحرك إلى عمود الصمام. وكما يوجد عدد كبير من الصمامات، يوجد أيضًا عدد كبير من ملحقات الصمامات.

يتم تحديد أبعاد وتصميم شفة تثبيت الصمام وملحقات الصمام في معايير EN ISO 5210 للمشغلات متعددة الدورات أو EN ISO 5211 للمشغلات ذات الدورة الجزئية. يعتمد تصميم ملحقات الصمام للمشغلات الخطية بشكل عام على DIN 3358.

في نسختها الأساسية، تكون أغلب المحركات الكهربائية مزودة بعجلة يدوية لتشغيل المحركات أثناء التشغيل أو انقطاع التيار الكهربائي. لا تتحرك عجلة اليد أثناء تشغيل المحرك.

لا تعمل مفاتيح الحد من عزم الدوران الإلكترونية أثناء التشغيل اليدوي. تُستخدم عادةً أجهزة الحد من عزم الدوران الميكانيكية لمنع زيادة تحميل عزم الدوران أثناء التشغيل اليدوي.

تتم معالجة كل من إشارات المحرك وأوامر التشغيل لنظام التحكم الموزع داخل أدوات التحكم في المحرك. يمكن من حيث المبدأ أن تتولى عناصر تحكم خارجية، مثل PLC . تتضمن المحركات الحديثة عناصر تحكم متكاملة تعالج الإشارات محليًا دون أي تأخير. تتضمن عناصر التحكم أيضًا مجموعة المفاتيح المطلوبة للتحكم في المحرك الكهربائي. يمكن أن تكون إما موصلات عكسية أو الثايرستورات التي، كونها مكونًا كهربائيًا، لا تخضع للتآكل الميكانيكي. تستخدم عناصر التحكم مجموعة المفاتيح لتشغيل المحرك الكهربائي أو إيقاف تشغيله حسب الإشارات أو الأوامر الموجودة. تتمثل مهمة أخرى لعناصر التحكم في المحرك في تزويد نظام التحكم الموزع بإشارات ردود الفعل، على سبيل المثال عند الوصول إلى موضع نهاية الصمام.

يتم توصيل كابلات إمداد المحرك وكابلات الإشارة لنقل الأوامر إلى المحرك وإرسال إشارات التغذية الراجعة حول حالة المحرك بالوصلة الكهربائية. يمكن تصميم الوصلة الكهربائية على شكل سدادة طرفية محكمة الغلق أو موصل قابس/مقبس منفصل. لأغراض الصيانة، يجب فصل الأسلاك وإعادة توصيلها بسهولة.

تُستخدم تقنية الحافلة الميدانية بشكل متزايد لنقل البيانات في تطبيقات أتمتة العمليات. وبالتالي، يمكن تجهيز المحركات الكهربائية بجميع واجهات الحافلة الميدانية الشائعة المستخدمة في أتمتة العمليات. هناك حاجة إلى توصيلات خاصة لتوصيل كابلات بيانات الحافلة الميدانية.

بعد تلقي أمر تشغيل، يحرك المحرك الصمام في اتجاه الفتح أو الإغلاق. وعند الوصول إلى الموضع النهائي، تبدأ عملية إيقاف التشغيل التلقائي. ويمكن استخدام آليتين مختلفتين تمامًا لإيقاف التشغيل. تقوم عناصر التحكم بإيقاف تشغيل المحرك بمجرد الوصول إلى نقطة التعثر المحددة. ويسمى هذا بضبط الحد الأقصى. ومع ذلك، هناك أنواع صمامات يجب تحريك عنصر الإغلاق فيها في الموضع النهائي بقوة محددة أو عزم دوران محدد لضمان إحكام إغلاق الصمام. ويسمى هذا بضبط عزم الدوران. يتم برمجة عناصر التحكم لضمان إيقاف تشغيل المحرك عند تجاوز حد عزم الدوران المحدد. يتم الإشارة إلى الموضع النهائي بواسطة مفتاح حد أقصى.

لا يُستخدم تبديل عزم الدوران لتثبيت عزم الدوران في الموضع النهائي فحسب، بل إنه يعمل أيضًا كحماية من الحمل الزائد على طول المسار بالكامل ويحمي الصمام من عزم الدوران المفرط. إذا أثر عزم الدوران المفرط على عنصر الإغلاق في وضع وسيط، على سبيل المثال بسبب جسم محاصر، فسوف يتعطل تبديل عزم الدوران عند الوصول إلى عزم الدوران المحدد. في هذه الحالة، لا يتم الإشارة إلى الموضع النهائي بواسطة مفتاح الحد. وبالتالي، يمكن لعناصر التحكم التمييز بين تعثر مفتاح عزم الدوران في التشغيل العادي في أحد المواضع النهائية وإيقاف التشغيل في وضع وسيط بسبب عزم الدوران المفرط.

إن أجهزة استشعار درجة الحرارة مطلوبة لحماية المحرك من ارتفاع درجة الحرارة. وفي بعض التطبيقات التي تقوم بها شركات مصنعة أخرى، يتم أيضًا مراقبة زيادة تيار المحرك. وتؤدي مفاتيح الحرارة أو الثرمستورات PTC المدمجة في لفائف المحرك هذه المهمة بشكل موثوق إلى حد كبير. فهي تتعطل عندما يتم تجاوز حد درجة الحرارة وتقوم عناصر التحكم بإيقاف تشغيل المحرك.

بسبب اللامركزية المتزايدة في تكنولوجيا الأتمتة وإدخال المعالجات الدقيقة، تم نقل المزيد والمزيد من الوظائف من نظام التحكم الموزع إلى الأجهزة الميدانية. تم تقليل حجم البيانات المراد نقلها وفقًا لذلك، وخاصة من خلال إدخال تكنولوجيا الحافلة الميدانية. تتأثر أيضًا المحركات الكهربائية التي تم توسيع وظائفها بشكل كبير بهذا التطور. أبسط مثال على ذلك هو التحكم في الموضع. تم تجهيز أجهزة تحديد المواقع الحديثة بالتكيف الذاتي، أي أن سلوك تحديد المواقع يتم مراقبته وتحسينه باستمرار عبر معلمات وحدة التحكم.

في الوقت نفسه، يتم تجهيز المحركات الكهربائية بوحدات تحكم كاملة في العمليات (وحدات تحكم PID). وخاصة بالنسبة للتركيبات عن بعد، مثل التحكم في التدفق إلى خزان مرتفع، يمكن للمحرك أن يتولى مهام PLC والتي كان من الواجب تركيبها بشكل إضافي.

تتمتع المحركات الحديثة بوظائف تشخيصية واسعة النطاق يمكنها المساعدة في تحديد سبب العطل. كما تقوم بتسجيل بيانات التشغيل. وتسمح دراسة البيانات المسجلة بتحسين التشغيل عن طريق تغيير المعلمات وتقليل تآكل كل من المحرك والصمام.

إذا تم استخدام صمام كصمام إغلاق، فسيكون إما مفتوحًا أو مغلقًا ولا يتم الاحتفاظ بالمواضع الوسيطة...

يتم التعامل مع مواضع وسيطة محددة لضبط تدفق ثابت عبر خط الأنابيب. يتم تطبيق نفس حدود وقت التشغيل كما هو الحال في واجب الفتح والإغلاق.

الميزة الأكثر تميزًا لتطبيق الحلقة المغلقة هي أن الظروف المتغيرة تتطلب تعديلًا متكررًا للمحرك، على سبيل المثال، لتعيين معدل تدفق معين. تتطلب تطبيقات الحلقة المغلقة الحساسة تعديلات في غضون فترات زمنية تبلغ بضع ثوانٍ. تكون المتطلبات المفروضة على المحرك أعلى من تلك المفروضة في مهام الفتح والإغلاق أو تحديد المواقع. يجب أن يكون تصميم المحرك قادرًا على تحمل العدد الكبير من عمليات البدء دون أي تدهور في دقة التحكم.

يتم تحديد المحركات وفقًا للعمر المطلوب والموثوقية لمجموعة معينة من ظروف خدمة التطبيق. بالإضافة إلى الحمل الثابت والديناميكي ووقت الاستجابة المطلوب للصمام، يجب أن يتحمل المحرك نطاق درجة الحرارة وبيئة التآكل والظروف الأخرى لتطبيق معين. غالبًا ما تكون تطبيقات محرك الصمام مرتبطة بالسلامة، وبالتالي يفرض مشغلو المصنع مطالب عالية على موثوقية الأجهزة. قد يتسبب فشل المحرك في وقوع حوادث في المصانع الخاضعة لسيطرة العمليات وقد تتسرب المواد السامة إلى البيئة.

غالبًا ما يتم تشغيل محطات التحكم في العمليات لعدة عقود من الزمن، وهو ما يبرر المطالب الأعلى المفروضة على عمر الأجهزة.

لهذا السبب، يتم تصميم المحركات دائمًا في ظل حماية عالية. يبذل المصنعون الكثير من العمل والمعرفة في مجال الحماية من التآكل .

يتم تعريف أنواع حماية العلبة وفقًا لرموز IP الخاصة بـ EN 60529. تم تصميم الإصدارات الأساسية لمعظم المحركات الكهربائية وفقًا لأعلى ثاني حماية للعلبة IP 67. وهذا يعني أنها محمية ضد دخول الغبار والماء أثناء الغمر (30 دقيقة عند أقصى ارتفاع للمياه يبلغ 1 متر). كما توفر معظم شركات تصنيع المحركات أيضًا أجهزة لحماية العلبة IP 68 والتي توفر الحماية ضد الغمر حتى أقصى ارتفاع للمياه يبلغ 6 أمتار.

في سيبيريا ، قد تنخفض درجات الحرارة إلى -60 درجة مئوية، وفي مصانع العمليات التقنية قد تتجاوز +100 درجة مئوية. يعد استخدام مواد التشحيم المناسبة أمرًا بالغ الأهمية للتشغيل الكامل في ظل هذه الظروف. يمكن أن تصبح الشحوم التي يمكن استخدامها في درجة حرارة الغرفة صلبة للغاية عند درجات حرارة منخفضة بحيث لا يتمكن المحرك من التغلب على المقاومة داخل الجهاز. عند درجات الحرارة المرتفعة، يمكن أن تتحول هذه الشحوم إلى سائل وتفقد قوتها التزييتية. عند تحديد حجم المحرك، تكون درجة الحرارة المحيطة واختيار مادة التشحيم الصحيحة ذات أهمية كبيرة.

تُستخدم المحركات في التطبيقات التي قد تحدث فيها أجواء قابلة للانفجار. ويشمل ذلك على سبيل المثال لا الحصر المصافي وخطوط الأنابيب واستكشاف النفط والغاز أو حتى التعدين . عندما يحدث خليط قابل للانفجار من الغاز والهواء أو خليط من الغاز والغبار، يجب ألا يعمل المحرك كمصدر اشتعال. يجب تجنب الأسطح الساخنة على المحرك وكذلك شرارات الاشتعال التي يولدها المحرك. يمكن تحقيق ذلك من خلال حاوية مقاومة للهب ، حيث تم تصميم الغلاف لمنع شرارات الاشتعال من مغادرة الغلاف حتى في حالة حدوث انفجار بالداخل.

يجب أن تخضع المحركات المصممة لهذه التطبيقات، باعتبارها أجهزة مقاومة للانفجار، لموافقة هيئة اختبار (هيئة معتمدة). لا يتم توحيد معايير الحماية من الانفجار على مستوى العالم. داخل الاتحاد الأوروبي، ينطبق معيار ATEX 94/9/EC، وفي الولايات المتحدة، ينطبق معيار NEC (موافقة FM ) أو معيار CEC في كندا (موافقة CSA ). يجب أن تلبي المحركات المقاومة للانفجار متطلبات التصميم لهذه التوجيهات واللوائح.

يمكن استخدام المحركات الكهربائية الصغيرة في مجموعة متنوعة من تطبيقات التجميع والتعبئة والاختبار . يمكن أن تكون هذه المحركات خطية أو دوارة أو مزيجًا من الاثنين، ويمكن دمجها لأداء العمل في ثلاثة أبعاد. غالبًا ما تستخدم هذه المحركات لاستبدال الأسطوانات الهوائية . ^[4]