Wenn im Prozess etwas schiefgeht und die Anlage automatisch in einen sicheren Zustand gebracht werden muss, dann muss das auch bei Ausfall der Primärenergieversorgung funktionieren. Ein mechanischer Energiespeicher zum Antrieb der Aktoren ist für viele Anlagenbetreiber die richtige Antwort auf diese Fragestellung. Der FQM-Antrieb von Auma ist die ideale Lösung.
Betrachtet man die Fail-Safe Problematik in Bezug auf Stellantriebe ganzheitlich, so kommt man zu folgendem Ergebnis: Es reicht nicht aus, einfach einen herkömmlichen Antrieb mit einer Federeinheit und einem Kupplungsmechanismus auszustatten. Auma hat die Anforderungen detailliert analysiert und daraus vier Entwicklungsziele für eine Fail-Safe-Lösung abgeleitet:
- Die mechanisch gespeicherte Energie soll im Anforderungsfall gleichmäßig über den gesamten Stellweg auf die Armatur übertragen werden. Lastspitzen und Lastsenken sollen vermieden werden. Damit wird einerseits eine Überlastung der Armatur verhindert und andererseits sichergestellt, dass immer genügend Drehmoment für die Fail-Safe-Fahrt zur Verfügung steht, wo immer sie auch startet.
- Der mechanische Energiespeicher soll zu Beginn initial gefüllt werden und seine Energie erst im Anforderungsfall wieder abgeben. Er soll die regulären Fahrten nicht mitvollziehen. Damit wird unnötiger Verschleiß vermieden und der Antrieb muss bei Fahrten in Gegenrichtung zur Fail-Safe-Richtung nicht gegen den Speicher arbeiten.
- Das Füllen des Energiespeichers soll in der sicheren Fail-Safe-Endlage erfolgen, ohne dass sich die Armaturenstellung dabei ändert. Somit ist sichergestellt, dass der Antrieb Fail-Safe-bereit ist, wenn die sichere Endlage verlassen wird.
- Die Stellgeschwindigkeit der Fail-Safe-Fahrt soll anwendungsspezifisch einstellbar sein und sich bei Annäherung an die Endlage weiter automatisch verringern. Damit werden Druckstöße durch zu schnelles Schließen verringert, die ansonsten die Rohrleitung beschädigen und somit eine Verschärfung der Situation herbeiführen können.
- Zur Umsetzung dieser Anforderungen erforderte es innovative Lösungen. Vier Patentanmeldungen sind daraus entstanden und eine Fail-Safe-Lösung, die in der konsequenten Umsetzung der Fail-Safe-Aufgabenstellung einzigartig ist. Da ist zunächst der Rollfedermotor, der bei einer Fail-Safe-Fahrt die Armatur antreibt. Bei den oftmals in Fail-Safe-Antrieben eingesetzten Spiralfedern reduziert sich das Drehmoment über die Fahrt um ca. 80 %. Die Rollfeder gibt im Gegensatz die gespeicherte Energie beim Abspulen von der einen auf die andere Rolle in Form eines nahezu konstanten Drehmoments ab.
Vierfach zum Patent angemeldet
Durch ein Überlagerungsgetriebe in der Fail-Safe-Einheit ist der Kraftfluss im regulären Betrieb vom Kraftfluss bei einer Fail-Safe-Fahrt entkoppelt. Das bedeutet, die Feder verharrt im regulären Antriebsbetrieb im gespannten Zustand. Gespannt wird der Rollfedermotor durch einen eigenen Elektromotor in der Fail-Safe-Einheit. Dieser Motor kann entweder mit dem kompletten Antrieb mitversorgt werden oder auch eine eigene unabhängige Spannungsversorgung erhalten. Während des Spannvorgangs ändert sich die Armaturenstellung nicht.
Der Elektromotor wird außerdem im Fail-Safe-Betrieb als Generator betrieben und wirkt somit als Bremse. Bei der Inbetriebnahme kann per Konfiguration die Stellgeschwindigkeit bei Fail-Safe-Fahrten festgelegt werden. Kurz vor Erreichen der Endlage erhöht sich automatisch die Bremswirkung, um verlangsamt in die Endlage zu fahren.
Modulares System
Mit der Fail-Safe-Einheit wurde das modulare Auma-Produktkonzept konsequent weitergeführt. Die Einheit kann mit Schwenkantrieben SQ oder Schwenkantriebskombinationen SA/GS kombiniert werden. Verbunden mit der Fail-Safe-Einheit ist die Verwendung der integrierten Stellantriebssteuerung AC.
Die Vorteile liegen auf der Hand: Fail-Safe-Antriebe werden wie Standardantriebe in die Anlage integriert. Sie sind kein Fremdkörper mit neuen Anforderungen an Installation und Integration. Bedienkonzept, Schnittstellen und Kommunikation mit dem Leitsystem bleiben über alle Stellantriebe hinweg einheitlich. Im Normalbetrieb ist zudem der volle Funktionsumfang der elektrischen Stellantriebe nutzbar. Auch die Nachrüstung in bestehenden Anlagen ist aufgrund der Modularität ausgesprochen einfach. Im Idealfall braucht nur der vorhandene Stellantrieb demontiert und die Fail-Safe-Einheit zwischen Armatur und Stellantrieb eingebaut werden.
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Michael Herbstritt
Group Service Brand, Auma
Steckbrief des FQM-Antriebs
Kurz & bündig
Die Fail-Safe-Einheit FQM ist eine rein mechanische Stellantriebslösung. Sie schließt oder öffnet die Armatur im Notfall oder bei Ausfall der Spannungsversorgung. Das für den Notfall nötige Drehmoment wird rein mechanisch über eine Rollfeder erzeugt. Der Rollfedermotor sorgt bei der Fail-Safe-Fahrt für ein gleichmäßig hohes Drehmoment über den gesamten Stellweg. Die Rollfeder ist bei Normalbetrieb entkoppelt und muss nicht mitbewegt werden.
Die Einheit ist in vier Baugrößen mit Drehmomenten von 150 bis 1200 Nm verfügbar und ist im Umgebungstemperaturbereich von -30 bis +70 °C einsetzbar. Darüber hinaus verfügt die FQM-Einheit über Schutzart IP 68 und Explosionsschutz nach Atex und FM.
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