Was ist ein Sperrventil?

Ein Sperrventil ist ein pneumatisches Zubehör, das verwendet wird, um die Betriebsposition eines pneumatischen Aktuators zu schützen, wenn die Instrumentenluftversorgung oder das Steuersignal abnormal wird.

In einer typischen Regelventilbaugruppe ist der Aktuator auf Druckluft angewiesen, um die Ventilposition aufrechtzuerhalten oder zu ändern. Wenn die Luftversorgung plötzlich unter einen definierten Druck fällt, kann der Aktuator durch den reinen Verlust der Luft in eine unerwünschte Position geraten.

Ein Sperrventil bietet eine weitere Option.

Abhängig von seiner Konfiguration kann es den Aktuatordruck halten, den pneumatischen Kreislauf absperren, den Luftweg umschalten oder das Regelventil in seiner letzten Position sperren.

Dies macht Sperrventile nützlich in Prozessanwendungen, bei denen eine unerwartete Änderung der Ventilposition die Produktion, die Ausrüstung oder die Prozessstabilität beeinträchtigen könnte.

Verschiedene Hersteller verwenden unterschiedliche pneumatische Designs. SMC, KOSO, Fisher und Masoneilan bieten Lösungen für Luftausfall- oder Sperrfunktionen an, aber ihre Strukturen und Arbeitsweisen sind nicht identisch.

Wie funktioniert ein Sperrventil?

Das Grundprinzip basiert auf der Überwachung des pneumatischen Drucks.

Unter normalen Bedingungen strömt die Instrumentenluftversorgung durch die Sperrvorrichtung und erreicht den Aktuator oder den pneumatischen Steuerkreis.

Wenn der überwachte Druck über dem voreingestellten Wert bleibt, verbleibt das Ventil in seinem normalen Betriebszustand.

Wenn der Druck unter den Sollwert fällt, ändert der interne Mechanismus den pneumatischen Kreislauf.

Abhängig vom Design kann dies Folgendes bewirken:

• Absperren des Luftdurchlasses
• Einsperren von Druck im Aktuator
• Umschalten der Luftversorgung auf einen anderen Anschluss
• Entlüften oder Umleiten des Aktuatordrucks
• Halten des Aktuators in seiner aktuellen Position

Wichtig ist, dass ein Sperrventil das Prozessmedium normalerweise nicht direkt steuert. Stattdessen steuert es den pneumatischen Kreislauf, der mit dem Aktuator verbunden ist.

Funktionsprinzip des SMC-Sperrventils

Die SMC-Sperrventile der Serie IL201/211/220 sind für pneumatische Prozesssteuerungen konzipiert, bei denen ein Ausfall der Luftquelle oder der Luftversorgungsleitung auftritt.

Die Serie umfasst einwirkende, doppeltwirkende und Drei-Wege-Konfigurationen. SMC gibt an, dass die einwirkenden und doppeltwirkenden Versionen den Druck im Betriebsbereich als Notfallmaßnahme halten, bis die Luftquelle wieder normal ist, während die Drei-Wege-Version den Versorgungsanschluss bei einem Problem ändert.

Das Funktionsprinzip basiert auf der Beziehung zwischen Signal- und Federdruck.

Wenn der Signal- und Federdruck höher ist als die Federeinstellung, bewegt sich die Membran, der Entlüftungskanal schließt sich und Luft wird in die untere Membrankammer geleitet. Dies bewegt den inneren Kolben und öffnet den normalen Luftdurchlass.

Wenn der Signal- und Federdruck unter den eingestellten Druck fällt, ändert sich die Membranposition. Der Druck in der unteren Kammer wird abgelassen, und die Feder bewegt den Ventilmechanismus, um den relevanten Luftkreis zu schließen. In der Drei-Wege-Konfiguration ändert sich der Strömungspfad von einem Versorgungsanschluss zu einem anderen.

Für die Serie IL201/211/220 gibt SMC einen Einstellbereich von 0,14–0,7 MPa und einen maximalen Absperrdruck von 0,7 MPa.

Ein wichtiger Aspekt ist saubere Instrumentenluft. Das Handbuch von SMC empfiehlt ausdrücklich saubere Druckluft, von Feuchtigkeit und Staub befreit, da die interne Konstruktion kleine Kanäle enthält.

Funktionsprinzip des KOSO-Sperrventils

KOSO verwendet Sperrventile als pneumatische Zubehörteile für Absperrung, Umschaltung oder Verriegelung eines Instrumentenluftkreises.

Das KOSO-Sperrventile CL420 und CL523 sind Beispiele für diese Art von pneumatischem Steuerzubehör. KOSO gibt für diese Modelle einen Maximaldruck von 800 kPa und einen Einstellbereich von 100–600 kPa an.

Das grundlegende Funktionskonzept besteht darin, den relevanten pneumatischen Druck zu überwachen und den Luftkreis zu ändern, wenn der Druck die angegebene Schaltbedingung erreicht.

In einer Regelventilbaugruppe kann diese Funktion verwendet werden, um eine unkontrollierte Aktuatorbewegung nach einer abnormalen Luftversorgung zu verhindern.

Die genauen pneumatischen Anschlüsse und das Schaltverhalten hängen vom gewählten Modell und der Aktuatoranordnung ab. Daher sollte bei der Ersetzung eines KOSO-Sperrventils der Lieferant das Originalmodell, die Anschlusskonfiguration, den Aktuatortyp, den normalen Versorgungsdruck und die erforderliche Ausfallfunktion prüfen, anstatt einen Ersatz nur nach Anschlussgröße auszuwählen.

Funktionsprinzip des Fisher-Sperrventils

Fisher nähert sich der Funktion über druckempfindliche Auslöseventile.

Das Fisher 377 Druckempfindliche Auslöseventil ist für Anwendungen konzipiert, bei denen eine bestimmte Aktuatoraktion erforderlich ist, wenn der Versorgungsdruck unter einen einstellbaren Auslösepunkt fällt.

Wenn der Versorgungsdruck unter den Auslösepunkt fällt, kann der 377 so konfiguriert werden, dass der Aktuator:

• Ausfall nach oben
• In der letzten Position verriegeln
• Ausfall nach unten

Wenn der Versorgungsdruck über den Auslösepunkt steigt, setzt sich das Auslöseventil automatisch zurück und ermöglicht dem System die Rückkehr zum normalen Betrieb.

Für eine Lock-in-Last-Konfiguration besteht die Grundidee darin, den pneumatischen Ausgang des Aktuators zu isolieren, damit der bereits auf den Aktuator wirkende Druck erhalten bleibt.

Dies unterscheidet sich vom einfachen Entlüften des Aktuators.

Anstatt den Aktuator sofort in eine Feder-Ausfallposition zu zwingen, wird der pneumatische Kreislauf so konfiguriert, dass der bestehende Zustand des Aktuators erhalten bleibt, bis die Luftversorgung wiederhergestellt ist.

Fisher bietet auch Anwendungsanordnungen mit dem 377 Auslöseventil und digitalen Ventilsteuerungen und pneumatischen Aktuatoren für Lock-in-Last-Funktionen an.

Dies macht die Fisher-Lösung besonders relevant für Regelventilbaugruppen, bei denen die Beibehaltung der bestehenden Ventilposition während eines Verlusts des Versorgungsdrucks Teil der erforderlichen Ausfallphilosophie ist.

Funktionsprinzip des Masoneilan-Sperrventils

Masoneilan bietet pneumatische Luft-Sperr- und Transferventillösungen für Regelventilanwendungen an.

Ein Beispiel ist das Masoneilan 78-80 Transferventil. Laut Baker Hughes-Dokumentation schaltet das Transferventil den Luftstrom von einem Anschluss zu einem anderen um, wenn der Signal- und Federdruck während eines Luftausfalls unter den voreingestellten Druck fällt.

Das Drei-Wege-Transferventil kann auch als Sperrventil verwendet werden, indem der Entlüftungsanschluss verschlossen wird. In dieser Konfiguration kann das Ventil das Regelventil in seiner letzten Position sperren, indem es den Luftdruck im Aktuator einschließt. Wenn der ausgefallene Luftdruck über den eingestellten Druck steigt, wird der gesperrte Zustand aufgehoben und das Regelventil kehrt zum normalen Betrieb zurück.

Masoneilan listet auch das 77-6 Luft-Sperrventil in seiner Produktdokumentation und seinem Ressourcenzentrum auf.

Das Schlüsselkonzept ist daher ähnlich wie bei Fishers Lock-in-Last-Anordnung: Anstatt den Aktuatordruck sofort entweichen zu lassen, isoliert die Sperrvorrichtung den pneumatischen Kreislauf und erhält den Aktuatorzustand während der Luftausfallperiode aufrecht.

SMC vs KOSO vs Fisher vs Masoneilan

Obwohl alle vier Marken mit pneumatischen Sperrfunktionen in Verbindung gebracht werden können, sollten ihre Produktstrukturen nicht als austauschbar behandelt werden.

Der größte Unterschied ist nicht einfach die Marke. Es ist die erforderliche Ausfallaktion.

Zum Beispiel muss ein Regelventil bei Verlust des Luftdrucks in seiner aktuellen Position bleiben, während ein anderes vollständig geöffnet oder vollständig geschlossen werden muss.

Daher muss das Sperrventil zusammen mit dem Aktuator und der Ausfallphilosophie des Regelventils ausgewählt werden.

Was passiert, wenn der Instrumentenluftdruck fällt?

Eine typische Sperrsequenz kann in vier Schritten verstanden werden:

Schritt 1: Normalbetrieb

Der Instrumentenluftdruck liegt über der Sperreinstellung.

Der pneumatische Kreislauf arbeitet normal, und der Aktuator reagiert auf die Ausgabe des Stellungsreglers.

Schritt 2: Luftdruck fällt

Das Sperrventil erkennt, dass der überwachte Druck unter seinen voreingestellten Wert gefallen ist.

Schritt 3: Pneumatischer Kreislauf ändert sich

Der interne Mechanismus schaltet um, sperrt oder isoliert den relevanten Luftdurchlass.

Die genaue Aktion hängt vom Modell und der Konfiguration ab.

Schritt 4: Aktuatorposition wird gesteuert

Der Aktuator behält entweder seinen pneumatischen Druck, sperrt seine aktuelle Position oder folgt der angegebenen Ausfallaktion.

Wenn der normale Luftdruck wiederhergestellt ist, setzen sich einige Designs automatisch zurück und bringen den pneumatischen Kreislauf zum normalen Betrieb zurück.

Auswahl eines Sperrventils

Bei der Auswahl oder dem Austausch eines Sperrventils reicht der Markenname allein nicht aus.

Überprüfen Sie die folgenden Informationen:

1. Aktuatortyp
Einwirkende und doppeltwirkende Aktuatoren erfordern unterschiedliche pneumatische Anordnungen.

2. Erforderliche Ausfallaktion
Bestimmen Sie, ob das Ventil Folgendes benötigt:

• Ausfall offen
• Ausfall geschlossen
• Ausfall an Ort und Stelle

3. Versorgungsdruck
Überprüfen Sie den normalen, minimalen und maximalen Instrumentenluftdruck.

4. Auslöse- oder Einstellungsdruck
Der Sperrdruck muss den tatsächlichen Anforderungen des pneumatischen Systems entsprechen.

5. Anschlusskonfiguration
Überprüfen Sie die Anzahl der Anschlüsse, den Verbindungstyp und den pneumatischen Strömungspfad.

6. Stellungsreglerkonfiguration
Das Sperrventil muss mit dem Stellungsregler und der Aktuatoranordnung kompatibel sein.

7. Reaktionsanforderungen
Für kritische Steuerungsanwendungen sollten das Schalt- und Druckhalteverhalten während des Systemdesigns berücksichtigt werden.

Häufige Probleme mit Sperrventilen

Mehrere Probleme können die Leistung von Sperrventilen beeinträchtigen.

Falscher Einstellungsdruck

Wenn die Einstellung zu hoch ist, kann das Sperrventil während normaler Druckschwankungen auslösen. Wenn sie zu niedrig ist, reagiert das System möglicherweise nicht wie beabsichtigt während eines tatsächlichen Luftversorgungsfehlers.

Kontaminierte Instrumentenluft

Feuchtigkeit, Staub und andere Verunreinigungen können kleine pneumatische Kanäle und interne Komponenten beeinträchtigen. Saubere Instrumentenluft ist besonders wichtig für kompakte pneumatische Sperrvorrichtungen.

Falscher pneumatischer Anschluss

Ein Sperrventil kann für sich allein korrekt funktionieren, aber die erforderliche Aktuatoraktion nicht liefern, wenn die Schlauchführung falsch ist.

Falscher Ausfallmodus

Eine Lock-in-Last-Anordnung sollte nicht als äquivalent zu Fail-Open- oder Fail-Closed-Betrieb angenommen werden. Die erforderliche Ausfallaktion muss vor der Auswahl des pneumatischen Kreislaufs definiert werden.

Unsachgemäßer Ersatz

Verschiedene Hersteller können unterschiedliche interne Strukturen verwenden, auch wenn ihre Produkte ähnliche Funktionen ausführen. Der Modell-zu-Modell-Austausch sollte daher anhand des ursprünglichen pneumatischen Schaltplans und der Aktuatoranforderungen überprüft werden.

Schlussfolgerung

SMC, KOSO, Fisher und Masoneilan bieten pneumatische Lösungen, die für Sperr-, Luftausfallschutz- oder pneumatische Kreislaufumschaltungen verwendet werden können, aber ihre Betriebsmechanismen und Produktkonfigurationen unterscheiden sich.

SMC IL-Serie Produkte verwenden Druckerkennung und Membran-basierte pneumatische Umschaltung. KOSO CL-Serie Sperrventile werden für die Absperrung, Umschaltung und Verriegelung von Instrumentenluftkreisen verwendet. Fisher 377 verwendet Druckerkennung, um konfigurierbare Fail-Up-, Fail-Down- oder Lock-in-Last-Funktionen bereitzustellen. Masoneilan-Lösungen wie das 78-80 Transferventil können den pneumatischen Fluss umschalten und in einer geeigneten Konfiguration den Aktuatordruck halten, um ein Regelventil in seiner letzten Position zu sperren.

Für Beschaffung und Ersatz sind die wichtigsten Faktoren Aktuatortyp, erforderliche Ausfallposition, Versorgungsdruck, Auslösedruck, Anschlusskonfiguration und pneumatische Verbindung.

Wenn Sie SMC-, KOSO-, Fisher- oder Masoneilan-Sperrventile beziehen, ist die Angabe der ursprünglichen Modellnummer und der Aktuator-/Stellungsreglerkonfiguration der zuverlässigste Weg, um einen geeigneten Ersatz oder ein komplettes Zubehörpaket für Regelventile zu identifizieren.