Tekst og foto: Agnar Sæland, Pepperl+Fuchs
Hva er tilgjengelig, hvordan velger vi, og hvilken vei går markedet?
I prosessindustrien benyttes ventiler og aktuatorer til å kontrollere og styre gjennomstrømning av gass, væske og enkelte faste stoff.
Det er et økende krav fra prosessingeniører å få posisjonen på ventiler, kraner og aktuatorer inn i styresystemet. Denne tilbakemeldingen har blitt utført med mekaniske eller induktive brytere, ofte plassert i en boks eller ved hjelp av dobbeltsensorer, montert direkte på aktuatoren eller den manuelle ventilen.
Ventilboks / Switchbox
Begrepet „switchbox“ beskriver som regel integrasjonen av sensorer, kam og tilkoblingsklemmer i en boks. Boksen monteres på aktuatoren, og akseltappen påvirker kammen i boksen, som igjen aktiverer sensorene eller mirobryterne.
Løsningen ble designet for blant annet å skjerme sensorer og brytere fra omgivelsene, mekanisk beskyttelse, samtidig som man kunne benytte standard sensorer (sylindriske, slisseformede, rektangulære i „mikrobryter kapsling“ eller dobbelsensorer med design for boksmontasje). Boksen fungerer også som koblingsboks for sensorer, og i enkelte tilfeller også for magnetventilene.
Åpen løsning
Begrepet åpen løsning beskriver direkte montering, av doble sensorer, på automatiske eller manuelle ventiler. To induktive sensorer er montert over hverandre, i felles kapsling, og gir en presis indikering av åpen og stengt posisjon for ventilen.
Systemet er designet med bakgrunn i VDE/VDI 3845 standarden (mer om denne under). Sensorene aktiveres av to objekter, i rustfritt stål. Disse er montert 90 grader i forhold til hverandre i en ”puck”, i de fleste tilfeller av kunststoffmateriale. Pucken monteres enkelt med en skrue på aktuatorspindelen. I tillegg til kompakt størrelse og enkel montering, kan følgende fordeler nevnes:
- Runde, ikke avlange, montasjehull sikrer korrekt montasje og hindrer at sensoren beveger seg som følge av vibrasjon og annen mekanisk påvirkning.
- Samme sensor og kun to ulike pucker dekker alle aktuatorer med enten 30x80 mm eller 30x130 mm hullbilde.
- Rustfrie elementer er innebygd i puckene.
- LED indikasjon av forsyningsspenning og koblingstilstand.
- Ingen fare for klemskader på fingre, mellom puck og sensor.
- Ulike tilkoblingsmetoder er tilgjengelige, også med koblingsklemmer for magnetventil signal.
Induktiv vs mekanisk
Fra tidenes morgen har mekaniske brytere blitt benyttet til ulike posisjoneringsoppgaver i prosessindustrien. Den induktive giveren ble utviklet for ca 50 år siden nettopp for å erstatte mekaniske brytere i en del kritiske applikasjoner. Fremdeles benyttes mekaniske brytere i en del applikasjoner selv om fordelene ved bruk av induktive givere er mange:
- Helstøpt kapsling, med plugg eller kabeltilkobling, gir høy IP grad og stor motstandsdyktighet mot ytre påkjenninger som temperatur, sjokk og vibrasjon.
- Høyere koblingsfrevens og dermed raskere kobling.
- Fast hysterese.
- Ingen rippel på utgangssignalet.
- LED indikering på de fleste sensorer forenkler justering og vedlikehold.
Hvis en tar levetidsberegninger med i bildet, er også disse i favør av induktive givere, typiske MTBF tall er > 100 år ved normal omgivelsestemperatur.
Årsakene til at mekaniske brytere i stor grad fremdeles brukes til ventilposisjon kan være mange. For mange er det trygt og godt å bruke ”det vi alltid har gjort”, enkel tilkobling, med to polaritetsuavhengige ledninger, og oppfatningen om at induktive givere er dyrt, er argumenter vi ofte møter.
Pepperl+Fuchs, med flere, kan levere induktive givere som toledersensorer, og hvis en tar totalkostnadene med montering, tilkobling, justering og vedlikehold med i betraktning, kommer ofte induktive givere gunstig ut.
Standardisering
Industristandarder kan sees både som positivt og negativt for teknologisk utvikling. Negativt fordi det kan begrense kreativitet, men dette overskygges som regel av fordelene med at produkter, fra flere produsenter, er kompatible. En viktig standard for ventil- og aktuatorprodusenter er VDE/VDI 3845. Denne beskriver blant annet mekanisk forbindelse mellom pneumatiske aktuatorer og de produktene disse monteres på. Inkludert i denne standarden er hullbilde på enten 30x80 mm eller 30x130 mm. Høyden på akseltappen, spindelen, er 20,30 eller 50 mm. Standarden beskriver ikke diameteren på akseltappen. Ved bruk av dobbeltsensorer må man ta hensyn til dette.
Velg av ventildeteksjonssensor
Valg av riktig sensor kan utføres i fire enkle trinn.
Trinn 1: Boks eller åpen løsning?
Dette er ofte det vanskeligste. Boksløsningen er robust. Og har vist seg som en pålitelig løsning i mange år. Enkelte bruker som argument, mot åpen løsning, ”at en ikke kan bruke dem som trinn å stå på”. Det er vel ikke meningen med automatiseringsutstyr generelt sett. Når det gjelder kostnader, kommer ofte åpen løsning bedre ut, i alle fall om en tar totalkost med innkjøp og montering. I boksen er det ofte mulighet og behov for justering av sensorer, mens dette verken er nødvendig eller mulig med bruk av (våre) sensorer for åpen løsning.
Trinn 2: Definere riktig elektrisk utførelse av sensorene.
Om dette er DC, AC eller Namur er gitt av styresystemet. Er det en Ex-applikasjon, er Namur ofte det eneste alternativet.
Her oversikten over sensorer:
- Tre-leder DC sensorer. Dette er sensorer som har to ledere for spenningsforsyning og en separat ledning for tilbakemelding, signal, til PLS eller annet styresystem. Om signalet er pluss eller minus, avhenger om det er pnp eller npn teknologi som benyttes.
- To-leder DC sensorer. Her henger belastningen i serie med sensoren. Mange av disse sensorene er polaritetstolerante slik at dette koblingsmessig blir likt mekaniske brytere. Spenningsfall og tomgangsstrøm er elementer du må ta hensyn til her.
- To-leder AC sensorer med enten NO (normalt åpen) eller NC (normalt lukket). Også her henger belastningen i serie med sensoren.
- To-leder AC/ DC sensorer. Fungerer som to-leder AC sensorer, men kan benyttes for 20-250 VAC/DC.
- To-leder NAMUR. Disse kan benyttes for applikasjoner i Ex-områder sammen med galvanisk skilleforsterker. Fordelen med NAMUR, er at du kan detektere ledningsbrudd og kortlutning i tillegg til koblingsstatus. De fleste sertifiserte NAMUR sensorene kan benyttes i SIL 2 applikasjoner. 2:1-teknologi er en Pepperl+Fuchs løsning der det er mulig å overføre signaler, mellom to sensorer og egensikker skilleforsterker, med kun to ledninger. Dette kan gi betydelige kablingsbesparelser.
- To-leder NAMUR med Fail Safe utførelse. Sammen med godkjent skilleforsterker, kan disse benyttes i sikkerhetsapplikasjoner opp til SIL 3.
Trinn 3. Tilkobling
Dette styres ofte av sluttkunder. Slik som fast kabel med nippelinnføring i boks eller fastmontert i sensoren, pluggtilkobling, M12 eller M18. De ulike bransjene har også ulik oppfatning her. I kjemisk og farmasøytisk industri forestrekkes for eksempel fast kabeltilkobling i stedet for plugg tilkobling.
Trinn 4: Operasjon av magnetventiler
På samme måte, som i boksløsningene, kan også sensorer, for åpen løsning, leveres med klemmerom og rekkeklammer for tilkobling av magnetventiler. Fordelen med dette er besparelser på kabling. Kun en mangeleder for sensorspenning, sensorsignal og spenning til magnetventiler, fra skap til sensor. Og så korte kabler fra sensor til magnetventil.
