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制御弁は、コントローラからの信号に従って流路のサイズを変化させることで流体の流れを制御するために使用される弁です。 [ 1 ]これにより、流量を直接制御し、圧力、温度、液面などのプロセス量を制御できます。
自動制御の用語では、制御弁は「最終制御要素」と呼ばれます。
自動制御弁の開閉は、通常、電気式、油圧式、または空気圧式のアクチュエータによって行われます。通常、全開から全閉までの任意の位置に設定できる変調弁では、弁が所望の開度に達するように弁ポジショナーが使用されます。[ 2 ]
空気作動式バルブは、圧縮空気の供給のみを必要とするというシンプルさから一般的に使用されている。一方、電気作動式バルブは追加のケーブルやスイッチギアが必要であり、油圧作動式バルブは作動油のための高圧供給ラインと戻りラインを必要とする。
空気圧制御信号は従来、3～15 psi（0.2～1.0 bar）の圧力範囲に基づいていましたが、現在では産業用途では4～20mA 、 HVACシステムでは0～10Vの電気信号がより一般的になっています。電気制御では、4～20mAの制御電流に「スマート」通信信号を重ね合わせることが多く、これによりバルブの状態や位置の検証結果をコントローラにフィードバックできます。HART 、Fieldbus Foundation、Profinet、Profibusが最も一般的なプロトコルです。
自動制御弁は主に3つの部分から構成されており、それぞれの部分には複数の種類と設計が存在する。
空気圧作動バルブを例にとると、制御動作には2つの方法があります。
安全モードに不具合が生じる場合もあります。
故障時の運転モードは、プラントの安全プロセス制御仕様における故障時の要件である。冷却水の場合は開放故障、薬品供給の場合は閉鎖故障となる可能性がある。
ポジショナーの基本的な機能は、バルブステムまたはシャフトの位置が制御システムからの設定点に対応するように、バルブアクチュエータに加圧空気を供給することです。ポジショナーは通常、バルブが絞り動作を必要とする場合に使用されます。ポジショナーはバルブステムまたはシャフトからの位置フィードバックを必要とし、バルブを開閉するためにアクチュエータに空気圧を供給します。ポジショナーは、制御バルブアセンブリ上またはその近くに取り付ける必要があります。ポジショナーは、制御信号の種類、診断機能、および通信プロトコルに応じて、空気圧式、アナログ式、デジタル式の 3 つの主要なカテゴリに分類されます。[ 3 ]
処理ユニットは、制御弁の制御設定値として空気圧信号を使用する場合があります。圧力は通常、20.7～103 kPa (3～15 psig) の間で調整され、弁を0～100%の位置に移動させます。一般的な空気圧ポジショナーでは、弁のステムまたはシャフトの位置が、空気圧制御信号を受け取るベローズの位置と比較されます。入力信号が増加すると、ベローズが膨張してビームが移動します。ビームは入力軸を中心に回転し、フラッパーをノズルに近づけます。ノズル圧力が上昇すると、空気圧アンプリレーを介してアクチュエータへの出力圧力が増加します。アクチュエータへの出力圧力の増加により、弁のステムが移動します。
ステムの動きはカムを介してビームにフィードバックされます。カムが回転すると、ビームはフィードバック軸を中心に旋回し、フラッパーをノズルからわずかに遠ざけます。ノズル圧力が低下し、アクチュエータへの出力圧力が減少します。ステムの動きは続き、平衡状態に達するまでフラッパーをノズルから遠ざけます。入力信号が減少すると、ベローズが収縮し（内部レンジスプリングの補助により）、ビームが入力軸を中心に旋回してフラッパーをノズルから遠ざけます。ノズル圧力が低下し、リレーによってダイヤフラムケーシングの圧力が大気圧に解放され、アクチュエータのステムが上方に動きます。
カムを介して、ステムの動きがビームにフィードバックされ、フラッパーがノズルにより近い位置に再配置されます。平衡状態に達すると、ステムの動きが停止し、アクチュエータ圧力のさらなる低下を防ぐ位置にフラッパーが配置されます。[ 3 ]
2 つ目のタイプのポジショナはアナログ I/P ポジショナです。最新の処理ユニットのほとんどは、制御弁を変調するために 4 ～ 20 mA の DC 信号を使用します。これにより、ポジショナの設計に電子回路が導入され、ポジショナは電子電流信号を空気圧信号に変換する必要があります (電流-空気圧変換、または I/P)。一般的なアナログ I/P ポジショナでは、コンバータは DC 入力信号を受け取り、ノズル/フラッパー構成を介して比例空気圧出力信号を提供します。空気圧出力信号は、空気圧ポジショナへの入力信号となります。それ以外は、設計は空気圧ポジショナと同じです[ 3 ]
空気圧式ポジショナーやアナログI/Pポジショナーは基本的なバルブ位置制御を提供しますが、デジタルバルブコントローラはポジショナーの機能に新たな次元を加えます。このタイプのポジショナーはマイクロプロセッサベースの機器です。マイクロプロセッサにより診断機能と双方向通信が可能になり、設定やトラブルシューティングが簡素化されます。
一般的なデジタルバルブコントローラでは、制御信号はマイクロプロセッサによって読み取られ、デジタルアルゴリズムによって処理され、I/Pコンバータへの駆動電流信号に変換されます。位置制御アルゴリズムは、機械的なビーム、カム、フラッパー機構ではなく、マイクロプロセッサによって実行されます。制御信号が増加すると、I/Pコンバータへの駆動信号も増加し、I/Pコンバータからの出力圧力が増加します。この圧力は空気圧アンプリレーに送られ、アクチュエータに2つの出力圧力を供給します。制御信号が増加すると、一方の出力圧力は常に増加し、もう一方の出力圧力は減少します。
複動アクチュエータは両方の出力を使用するのに対し、単動アクチュエータは一方の出力のみを使用します。出力圧力の変化により、アクチュエータのステムまたはシャフトが動きます。バルブの位置はマイクロプロセッサにフィードバックされます。ステムは正しい位置に達するまで動き続けます。この時点で、マイクロプロセッサは平衡状態になるまでI/Pコンバータへの駆動信号を安定させます。
デジタルバルブコントローラは、バルブの位置を制御する機能に加えて、診断機能と双方向デジタル通信という2つの追加機能を備えています。[ 3 ]
広く使用されている通信プロトコルには、HART、FOUNDATIONフィールドバス、PROFIBUSなどがあります。
制御弁にスマートポジショナーを設置する利点：
制御弁は、その特性と機能によって分類される。
バルブの種類や制御方式は多種多様である。しかし、主な動作方式は、スライドステム式と回転式の2種類に分けられる。
最も一般的で汎用性の高い制御弁の種類は、スライドステムグローブ弁、Vノッチボール弁、バタフライ弁、アングル弁です。これらの弁の人気は、堅牢な構造と、さまざまなプロセス用途に適した多くのオプションがあることに由来します。[ 5 ]制御弁本体は、以下のように分類できます。[ 3 ]