Armaturensteuerung wie von Geisterhand

Aus der Vielzahl der heute zur Verfügung stehenden Armaturen ist die Gruppe der 90°-Armaturen (Klappen, Kugel- und Kükenhähne, Kugelsektorventile, Drehkegelschieber usw.) hervorzuheben. Sie lassen sich dank wartungsfreier und leichter Bedienung vergleichsweise einfach automatisieren.

90°-Armaturen sind wahlweise elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch fernsteuerbar. Pneumatik-Doppelkolbenschwenkantriebe zeichnen sich durch eine kompakte Bauweise, kurze Stellzeiten und ein hohes Drehmoment aus. Dort lassen sich die linearen Kräfte zweier gegenläufiger (mit Druckluft/Federkraft beaufschlagter) Kolben durch Zahnstangen, Doppelschwingen oder Joche auf die Antriebswelle übertragen und in ein Drehmoment umwandeln.

In der Anfangsstellung ist das nutzbare Drehmoment einfachwirkender Antriebe durch die gespeicherte Federkraft um 30 bis 50% geringer als bei doppeltwirkenden Antrieben. In den Endstellungen erfolgt eine Reduktion der Drehmomente um weitere 35 bis 50%.

Der höhere Drehmomentbedarf einfachwirkender Antriebe mit Federrückstellung gegenüber doppeltwirkenden Antrieben wirft damit zwangsläufig die Frage nach erhöhten Kosten auf. Offen bleibt die Entscheidung darüber, ob eine Sicherheitsstellung bei Energieausfall notwendig ist.

Unterschiedlichste Betriebs- und Konstruktionsfaktoren beeinflussen die Drehmomente von 90°-Armaturen. Darunter fallen Dichtungsart (sowie -form und -werkstoff), Schaftabdichtung, Medium (trocken, schmierend, klebend oder abrasiv), Differenzdruck sowie Temperatur.

Aufgrund der nur schwer einzuschätzenden Betriebseinflüsse sollten die Antriebsdrehmomente um einen Sicherheitszuschlag von 30 bis 50% höher liegen. Das maximal zulässige Drehmoment der Armatur hängt von der Torsionsfestigkeit des Schaftes ab. Verschiedene 90°-Armaturen sind in einer Tabelle mit ihren Drehmomenten und Spezifikationen aufgeführt.

Die Schnittstelle Antrieb/Armatur ist nach DIN/ISO 5211 genormt. Die entsprechenden Zuordnungen der Normbeziehungen F04, F05, F07, F10 usw. zu Antriebsgruppen erfolgen nach Maßgabe bestimmter Drehmomentbereiche. Ein definierter Innenvierkant in der Antriebswelle ist einem Flanschbild mit vier Gewindebohrungen und einem Zentrierring zugewiesen. Für Armaturen besteht eine Normierung der entsprechenden Anschlussflansche und -zapfen nach DIN 3337 – ganz im Sinne einer praktischen Direktmontage in besonders leichten Fällen. Die offene Aufbauweise mit einer Zwischenkonsole und einer Kupplung hat sich in der Verfahrenstechnik besonders bewährt. Diese Form der Montage (besonders bei nicht zentrierten Armaturenanschlüssen) setzt jedoch dahingehend eine gewisse Sorgfalt voraus, dass

• die genaue Flucht der Drehachsen beider Wellen starrer Kupplungen axial und radial unbedingte Voraussetzung ist. Bereits kleine Abweichungen verursachen unkalkulierbare Seitenkräfte in den Lagerstellen;

• die kraftübertragenden Flächen formschlüssig passen, um die Hysterese zu minimieren.

Steuerventile zur Luftversorgung der Antriebe sind elektromagnetisch, pneumatisch oder mechanisch zu schalten. Eine nach VDE/VDI 3845 bzw. Namur genormte Anschlussebene dient sowohl den 5/2-Wegeventilen für doppeltwirkende als auch den 3/2-Wegeventilen für einfachwirkende Antriebe als Anblockmöglichkeit. Das hat bei letzteren den Vorteil, dass die Federräume durch die Beatmung mit sauberer Steuerluft vor der Außenluft geschützt sind.

Aufgrund der meisten Anwendungen bei automatisierten Armaturen ist neben der örtlichen Sichtanzeige eine Fernanzeige erforderlich, um die Aktionen der Armaturen zentral zu erfassen bzw. prozessleittechnisch zu verwerten. Hierfür stehen einige Möglichkeiten zur Auswahl:

• elektronisch: mit induktiven Näherungsinitiatoren

• elektrisch: mit mechanischen Schaltern

• elektrisch: mit Magnetschaltern (Reed-Kontakte)

• pneumatisch: mit 3/2-Wege-Stößelventilen

Es gibt integrale Geräte, die beide Funktionen erfüllen, wie eine weithin erkennbare Sichtanzeige mit geschützt eingebauten Endschaltern für die zentrale Auswertung.

90°-Armaturen dienen häufig als Regelorgane, um Prozessparameter konstant zu halten oder abzustimmen. Dafür eignen sich Doppelkolbenschwenkantriebe mit aufgebauten Stellungsreglern. Durch ein pneumatisches oder elektrisches Signal gesteuert, fahren sie reproduzierbar jede gewünschte Zwischenstellung kontinuierlich an.

Für den 90°-Schwenkbereich unterscheiden sich Stellungsregler nach Art der Ansteuerung in pneumatische Positioner (angesteuert durch ein Standardsignal von 0,2 bis 1,0 bar) und elektropneumatische Positioner (angesteuert durch ein Standardsignal von 4…20 mA). Die Regelung ist genauso frei wählbar wie die Ausstattung der Bauarten: alternativ mit Endschaltern oder einer kontinuierlichen Stellungsrückmeldung. Die Namur-Anschlussebene für Stellungsrückmelder und -regler ist nach VDE/VDI 3845 genormt.

Da keine elektrischen Ströme fließen, die Zündfunken erzeugen, lassen sich pneumatische Schwenkantriebe mit pneumatischen Peripheriegeräten problemlos in ex-gefährdeten Bereichen einsetzen.

Schutzgehäuse aus geeignetem Werkstoff (z. B. Kunststoff) verhindern elektrostatische Entladungen wie Funken bei geringem elektrischen Oberflächenwiderstand R 109 V. Der Einsatz elektrischer Zusatzgeräte wie Magnetventile, Endschalter oder Stellungsregler setzt eine Kontrolle auf Ex-Schutzklassen voraus. In Ex-Bereichen Zone 1 sind z. B. Geräte für eigensicheren Stromkreis (EExi) oder mit druckfester Kapselung (EExd) zugelassen.

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