เมื่อโรงงานกระบวนการสูญเสียแหล่งจ่ายไฟฟ้า วาล์วจำนวนมากต้องเคลื่อนไปยังตำแหน่งปลอดภัยที่กำหนดไว้ – ปิดเป็นค่าเริ่มต้นเพื่อหยุดการป้อนเข้าเครื่องปฏิกรณ์ เปิดเป็นค่าเริ่มต้นเพื่อระบายท่อ หรือคงตำแหน่งสุดท้ายเพื่อรักษาการแยกที่ละเอียดอ่อน การส่งการเคลื่อนไหวนี้โดยไม่มีไฟจากกริดเป็นหน้าที่ของแอคชูเอเตอร์ปลอดภัยเมื่อเกิดขัดข้อง และคำถามทางวิศวกรรมโดยพื้นฐานแล้วคือคำถามเรื่องการกักเก็บพลังงาน: พลังงานสำหรับระยะชักชี้ขาดครั้งนั้นมาจากไหน และมีการรับประกันว่าจะมีอยู่หลายปีหลังการเริ่มเดินเครื่องหรือไม่ มีคำตอบที่เป็นที่ยอมรับ 3 แบบ – สปริงกลที่ถูกดึงตึงระหว่างการทำงานปกติ องค์ประกอบกักเก็บไฟฟ้าเช่นซูเปอร์คาปาซิเตอร์ หรือชุดแบตเตอรี่ชาร์จซ้ำได้ – และผลิตภัณฑ์ชั้นนำแสดงให้เห็นทั้งสามเส้นทาง ตั้งแต่ชุดสปริงแรงคงที่ที่ผ่านการรับรองระดับความสมบูรณ์ด้านความปลอดภัยสูง ไปจนถึงแอคชูเอเตอร์ไฟฟ้า-ไฮดรอลิกและแบบแบตเตอรี่สำรอง บทความแรกนี้ผ่าโปรไฟล์โหลดในการพาวาล์วไปยังตำแหน่งปลอดภัย วัดปริมาณพลังงานแรงบิดและระยะชักที่เกี่ยวข้อง อธิบายพฤติกรรมชักหลายครั้งแล้วเข้าสแตนด์บายของแอคชูเอเตอร์ fail-safe ไฟฟ้าสมัยใหม่ และวางแบตเตอรี่สำรองนิกเกิล-เมทัลไฮไดรด์ (NiMH) แบบผนึกอย่างตรงไปตรงมาไว้ข้างๆ สปริงและซูเปอร์คาปาซิเตอร์ ในกรอบความปลอดภัยเชิงฟังก์ชัน IEC 61508 ซึ่งกำกับการตัดสินใจทั้งหมด
แอคชูเอเตอร์ปลอดภัยเมื่อเกิดขัดข้องต้อง เมื่อสูญเสียแหล่งจ่ายปกติ ส่งแรงบิดที่ควบคุมได้เพียงพอเพื่อเลื่อนวาล์วตลอดระยะชักไปยังตำแหน่งปลอดภัย ยึดหรือกดปิดให้ถูกต้อง – และทำเช่นนั้นหลังจากสแตนด์บายหลายปี ซึ่งในช่วงนั้นพลังงานสำรองอาจไม่เคยถูกใช้เลย พลังงานที่ต้องการคืออินทิกรัลของแรงบิดตลอดระยะชักของก้านวาล์ว – แรงบิดปลดเพื่อแยกจากเบ้า แรงบิดขณะเคลื่อนที่ตลอดระยะชัก และแรงบิดกดเพื่อปิดทนแรงดันจากกระบวนการ – แสดงเทียบกับแรงบิดพิกัดของวาล์วในหน่วยนิวตัน-เมตร บวกกับการสูญเสียของมอเตอร์และชุดเกียร์
ประเด็นสำคัญ: พลังงานสำรองต้องพิสูจน์ได้ว่าพร้อมใช้งานเมื่อถึงอายุการใช้งานปลายทาง ที่อุณหภูมิต่ำสุดที่กำหนด (เมื่อสารหล่อลื่นข้นขึ้นและอิมพีแดนซ์ของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้น) และหลังจากไม่ได้ใช้งานเป็นเวลานาน ข้อกำหนด «พร้อมเสมอ แต่แทบไม่ได้ใช้» นี้คือความท้าทายเฉพาะของการกักเก็บพลังงาน fail-safe และเป็นเหตุผลว่าทำไมแต่ละเทคโนโลยีในสามแบบจึงครองพื้นที่ต่างกัน
โซลูชันคลาสสิกกักเก็บพลังงานกลไว้ในสปริงที่ถูกดึงโดยมอเตอร์ไฟฟ้าระหว่างทำงานปกติ เมื่อไฟดับ โซลินอยด์หรือกลอนกลจะปลด และสปริงพาวาล์วไปสู่ความปลอดภัยในระยะชักเร็วครั้งเดียว ผลิตภัณฑ์เช่นชุดปลอดภัยเมื่อเกิดขัดข้อง AUMA FQM/FQMEx ใช้สปริงแรงคงที่ และมีให้เลือกในรุ่นที่เหมาะกับการใช้งานระดับความสมบูรณ์ด้านความปลอดภัยสูง (สูงสุด SIL 3) ในขณะที่ Emerson Bettis RTS FQ ทำการทำงานด้านความปลอดภัยด้วยสปริงกลโดยไม่ต้องพึ่งตัวเก็บประจุหรือแบตเตอรี่เลย
จุดแข็งของสปริงคือความเป็นอิสระจากเคมีของการกักเก็บไฟฟ้า และการทำงานอิสระที่ค่อนข้างง่ายต่อการยกระดับความสมบูรณ์สูง ต้นทุนของมันคือระยะชักครั้งเดียวที่ปรับไม่ได้ ภาระทางกลและการสึกหรอของกลไกสปริง ขนาดที่ใหญ่ขึ้น และความจำเป็นที่จะต้องถูกดึงตึงด้วยไฟฟ้าอีกครั้งก่อนกลับไปทำงาน สปริงยอดเยี่ยมสำหรับการเคลื่อนไหวเพื่อความปลอดภัยครั้งชี้ขาดเพียงครั้งเดียว แต่ไม่สามารถทำการปรับตำแหน่งใหม่แบบควบคุมหลายครั้งหรือลำดับที่ยาวนานได้ง่ายๆ
ตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมีสองชั้นกักเก็บพลังงาน fail-safe ในรูปแบบไฟฟ้าและปลดปล่อยที่กำลังสูง โดยมีอายุการใช้งานตามวัฏจักรแทบไม่จำกัดและทำงานในช่วงอุณหภูมิกว้าง ชาร์จเร็วทุกครั้งที่มีกริด และทนต่อวัฏจักรตรวจสอบตัวเองที่บ่อยซึ่งแอคชูเอเตอร์สมัยใหม่ทำงาน มันน่าสนใจเมื่อแอคชูเอเตอร์ทำระยะชักสั้นกำลังสูง และเมื่อการทดสอบยืนยันทำให้พลังงานสำรองทำงานบ่อย
ข้อจำกัดคือพลังงาน: ซูเปอร์คาปาซิเตอร์กักเก็บพลังงานน้อยกว่ามากต่อหน่วยปริมาตรและต่อยูโรเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ และการคายประจุเองกำหนดให้ต้องคงการชาร์จไว้ตลอดเวลา ดังนั้นจึงเหมาะกับการทำงานด้านความปลอดภัยที่กินเวลาไม่กี่วินาทีถึงหนึ่งนาที ไม่ใช่ลำดับที่ยาวหลายนาทีหรือระยะชักเต็มหลายครั้ง มันยังต้องการการจัดการการปรับดุลแรงดันของเซลล์ตลอดอายุการใช้งานที่ยาวนาน สำหรับการทริปเร็วครั้งเดียวมันยอดเยี่ยม สำหรับพฤติกรรม fail-safe ที่ซับซ้อนกว่ามันไม่มีพลังงานเพียงพอ
เส้นทางที่สามคงแบตเตอรี่ชาร์จซ้ำได้ไว้ในการชาร์จลอยระหว่างทำงานปกติ และใช้มันเพื่อจ่ายไฟให้มอเตอร์และระบบควบคุมของแอคชูเอเตอร์เมื่อกริดดับ ผลิตภัณฑ์จริงแสดงพฤติกรรมที่เป็นไปได้: แอคชูเอเตอร์ไฟฟ้าแบบมีสำรองบางตัวสามารถจัดตำแหน่งวาล์วได้หลายครั้ง – ไม่ใช่แค่การทริปครั้งเดียวแต่เป็นลำดับของการเคลื่อนไหว – จากนั้นเข้าสู่โหมดประหยัดพลังงาน และกลับไปทำงานปกติโดยอัตโนมัติเมื่อแหล่งจ่ายไฟฟ้ากลับคืน แหล่งจ่ายไฟเสริมที่คงการทำงานของชุด fail-safe ไฟฟ้า-ไฮดรอลิกดังกล่าวเองก็ถูกจำกัดอย่างเข้มงวด (ขีดจำกัดที่มีการบันทึกไว้ประมาณ 7.5 วัตต์ในกลุ่มผลิตภัณฑ์ชั้นนำ)
นี่คือจุดที่ NiMH แบบผนึกเป็นตัวเลือกที่แข็งแกร่ง: เมื่อเทียบกับสปริง มันช่วยให้ชักได้หลายครั้งและควบคุมได้ พร้อมกลไกที่เรียบง่ายกว่าในต้นทุนที่ต่ำกว่า เมื่อเทียบกับซูเปอร์คาปาซิเตอร์ มันกักเก็บพลังงานได้มากกว่ามากในชุดกะทัดรัดสำหรับลำดับที่ยาวนาน และเมื่อเทียบกับลิเธียม มันทนต่อการชาร์จในความเย็นได้ดีกว่า จัดการง่ายกว่า และไม่ถูกจัดประเภทเป็นลิเธียมสำหรับการขนส่ง ภาพเคลื่อนไหวแรกเปรียบเทียบลักษณะพลังงาน-เทียบ-กำลังของสามเส้นทาง ภาพที่สองติดตามกระแสของแอคชูเอเตอร์แบตเตอรี่สำรองตลอดการชาร์จ การสูญเสียกริด การชักหลายครั้งและสแตนด์บาย
แนวปฏิบัติด้านความปลอดภัยเชิงฟังก์ชันภายใต้ IEC 61508 กำหนดให้ฟังก์ชันความปลอดภัยต้องผ่านการทดสอบยืนยันเป็นระยะเพื่อเปิดเผยความเสียหายอันตรายที่ซ่อนอยู่ และพลังงานสำรองของแอคชูเอเตอร์ fail-safe ก็เป็นองค์ประกอบที่ซ่อนอยู่เช่นนั้นพอดี – มันอาจเสียโดยไม่มีใครสังเกตระหว่างสแตนด์บาย ดังนั้นแอคชูเอเตอร์อัจฉริยะจึงทำการทดสอบระยะชักบางส่วนอัตโนมัติ และเฝ้าดูสถานะสุขภาพของพลังงานสำรอง ส่งคำเตือนการวินิจฉัยหากพลังงานที่กักเก็บลดลงต่ำกว่าที่จำเป็นสำหรับการทริป
เทคโนโลยีพลังงานสำรองกำหนดรูปแบบภาระนี้: สำหรับสปริง กลไกถูกเฝ้าดูในแง่ของแรงบิดและสภาพของกลอน ซูเปอร์คาปาซิเตอร์รายงานค่าความจุและความต้านทานเทียบเท่า ชุดแบตเตอรี่รายงานแรงดัน ความต้านทานภายในและแนวโน้มความจุ การลดลงของความจุ NiMH ที่คาดเดาได้และเส้นโค้งการคายประจุที่ราบทำให้แนวโน้มสุขภาพค่อนข้างติดตามได้ง่าย และความทนทานต่อการเติมชาร์จที่บ่อยสนับสนุนระบบพร้อมใช้งานต่อเนื่องและตรวจสอบตัวเองโดยไม่มีข้อจำกัดการชาร์จเย็นของลิเธียม การวินิจฉัยที่ดีเปลี่ยนพลังงานสำรองจากสิ่งที่ไม่ทราบค่าให้กลายเป็นองค์ประกอบความปลอดภัยที่ถูกเฝ้าดู – เป็นหัวใจสำคัญของการอ้างระดับความสมบูรณ์
การวิเคราะห์ให้ข้อกำหนดแบบชั้น: พลังงานระยะชักที่วัดได้ (แรงบิดปลด ขณะเคลื่อนที่และกดปิดผ่านชุดเกียร์) จำนวนและลักษณะของระยะชักที่ต้องการเมื่อเกิดความเสียหาย (ทริปครั้งเดียว เทียบกับ ลำดับหลายขั้นตอนแบบควบคุม) เวลายึดและพฤติกรรมสแตนด์บายที่ต้องการ ความพร้อมที่รับประกันเมื่อถึงอายุปลายทางและที่อุณหภูมิต่ำสุด ระบบการชาร์จแบบพร้อมใช้ต่อเนื่อง การวินิจฉัยสุขภาพที่สนับสนุนช่วงห่างการทดสอบยืนยัน IEC 61508 และระดับการป้องกันตัวเรือน (แอคชูเอเตอร์วาล์วโดยทั่วไปทำได้ถึง IP68)
บทความถัดไปเปลี่ยนข้อกำหนดเหล่านี้ให้เป็นการออกแบบแบตเตอรี่สำรอง NiMH ที่เป็นรูปธรรม – การเลือกขนาดเซลล์ตามพลังงานระยะชักและจำนวนครั้งของระยะชัก สถาปัตยกรรมการชาร์จและการเฝ้าดู การผสมไฮบริดกับตัวเก็บประจุขนาดเล็กสำหรับกระแสพุ่งตอนมอเตอร์สตาร์ต และการเปรียบเทียบอย่างตรงไปตรงมากับโซลูชันสปริงและซูเปอร์คาปาซิเตอร์ บทความที่สามจากนั้นจัดทำแผนที่ IEC 61508 และมาตรฐานผลิตภัณฑ์แอคชูเอเตอร์ EN 15714, การรับรองตัวเรือนและสิ่งแวดล้อม ตลอดจนหลักฐานด้านแบตเตอรี่ IEC 61951-2, IEC 62133-2 และ UN 38.3 ซึ่งเปลี่ยนพลังงานสำรองแบตเตอรี่ให้กลายเป็นฟังก์ชันความปลอดภัยที่รับรองได้
Weijiang Power ออกแบบและผลิตเซลล์นิกเกิล-เมทัลไฮไดรด์แบบผนึกและชุดอุตสาหกรรมที่ปรับให้เหมาะกับอุปกรณ์ระยะไกล นอกกริดและที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัย และสนับสนุนพาร์ทเนอร์ OEM ด้วยเอกสารข้อมูลสมรรถนะ IEC 61951-2, หลักฐานความปลอดภัย IEC 62133-2, การหาลักษณะโหลดพัลส์, การทดสอบช่วงอุณหภูมิกว้าง และการตรวจสอบความถูกต้องร่วมระหว่างเครื่องชาร์จ/ชุดแบตเตอรี่ แจ้งรอบการทำงาน กระแสสูงสุด ช่วงอุณหภูมิ เป้าหมายระยะเวลาทำงาน และมาตรฐานที่ผลิตภัณฑ์ของคุณต้องเป็นไปตามให้เราทราบ แล้ววิศวกรของเราจะกำหนดชุดเซลล์และแพ็กที่ปกป้องระยะเวลาทำงาน ความน่าเชื่อถือและอายุการใช้งาน สำรวจผลิตภัณฑ์ได้ที่หน้าผลิตภัณฑ์
