Интеллектуальные клапаны: Определение, принципы работы, преимущества и применение в Индустрии 4.0

Ваше предприятие сталкивается с непредвиденными остановками? Растущие счета за электроэнергию и расходы на обслуживание съедают вашу прибыль? Вы не одиноки. Многие промышленные предприятия сталкиваются с постоянной борьбой со стареющим оборудованием. Простой отказ клапана может привести к остановке всей производственной линии. Это стоит вам денег и времени. Это может даже создать угрозу безопасности. Проблема усугубляется по мере усложнения систем. Вам нужен лучший способ управления производством.

В этой статье рассказывается о мощном решении: интеллектуальном клапане. Мы расскажем вам, что такое интеллектуальные клапаны, как они работают и как они могут решить эти большие проблемы. Приготовьтесь узнать, как эта технология цифровых клапанов меняет фабрики к лучшему.

Что такое интеллектуальные клапаны?

Основное определение интеллектуального клапана

Интеллектуальный клапан - это не просто автоматизированный клапан. Это интеллектуальная система клапанов. Представьте себе клапан с маленьким мозгом внутри. В нем есть датчики и крошечный компьютер (микропроцессор). Это позволяет клапану не только открываться и закрываться, но и думать, проверять состояние своего здоровья и общаться с другими машинами.

что такое клапаны samrt

Интеллектуальный клапан в сравнении с традиционным регулирующим клапаном в сравнении с простым автоматизированным клапаном

Чтобы понять, что такое интеллектуальный клапан, давайте сравним его с другими клапанами.

• Традиционный регулирующий клапан: Этот клапан управляется простым сигналом, например давлением воздуха. Он выполняет свою работу, но не может сказать вам, что что-то не так. У него нет мозга.
• Простой автоматический клапан: Это шаг вперед. Для открытия и закрытия используется электрический или пневматический интеллектуальный привод. Вы можете управлять им с компьютера. Но он все равно не сможет рассказать вам о своем здоровье или условиях внутри трубы.
• Умный клапан: Это самый передовой вариант. В нем есть все, что есть в автоматическом клапане, плюс интеллектуальные датчики клапана и встроенный интеллект. Он использует цифровой контроллер клапана не только для управления потоком, но и для проведения системной диагностики клапана. Это ключевая часть промышленного Интернета вещей (IIoT).

Основные компоненты

Интеллектуальный клапан состоит из нескольких ключевых частей, работающих вместе:

1. Корпус клапана: основная часть, через которую проходит жидкость. Это может быть шаровой, дроссельный или шаровой клапан.
2. Привод: Мышца клапана. Это двигатель, который открывает и закрывает клапан. Это может быть электрический или пневматический привод клапана.
3. Умный позиционер: Это мозг. Это цифровой контроллер клапана, который получает команды и точно управляет положением клапана. Он также собирает данные.
4. Сенсоры: Это нервы. Они измеряют такие параметры, как давление, температура, расход и положение клапана. Именно здесь на помощь приходят системы обратной связи по положению клапана.
5. Модуль коммуникации: Рот и уши. Он позволяет клапану подключаться к центральной системе управления, такой как интеграция клапанов SCADA или коммуникационная сеть клапанов PLC.

Где применяются интеллектуальные клапаны

Интеллектуальные клапаны - важнейшая часть современной промышленной автоматизации. Они являются руками и ногами крупных систем управления, таких как DCS (распределенная система управления) или SCADA (система диспетчерского управления и сбора данных). Они соединяют физический мир труб и жидкостей с цифровым миром диспетчерских пунктов и облачных панелей управления клапанами.

Как работают умные клапаны - архитектура и поток данных

Как умный клапан использует свой мозг и нервы, чтобы заставить завод работать лучше? Все сводится к данным.

Сенсорный слой - сбор данных

Все начинается с датчиков. Умный клапан всегда чувствует и слушает. Он собирает данные каждую секунду:

• Положение: Открыт ли клапан, закрыт или находится где-то между ними?
• Давление: Каково давление жидкости внутри трубы?
• Температура: Горячая или холодная жидкость?
• Поток: сколько жидкости проходит через него?
• Вибрация: Дрожит ли клапан или движется таким образом, что это может означать неполадки?

Это называется контролем состояния клапана.

Бортовой интеллект - локальное управление

Интеллектуальный позиционер, или программируемый привод клапана, принимает все эти данные датчиков и обдумывает их. Он может самостоятельно вносить небольшие коррективы, чтобы процесс шел гладко. Если он почувствует, что двигаться становится все труднее, он поймет, что клапан может застрять. Это начало автоматизации клапанов на основе ИИ.

Коммуникационный слой - общение с системой

Затем умный клапан должен сообщить о том, что ему известно. Для этого он использует специальные языки, называемые протоколами, для общения с главным компьютером. К распространенным протоколам относятся:

• Протокол HART
• Управление клапаном по Modbus
• Интеллектуальные клапаны Profibus
• Модули клапанов Ethernet/IP
• Клапанные системы OPC UA

Эта связь может осуществляться по проводам или через беспроводные системы управления клапанами, что делает ее ключевой частью любой промышленной интеллектуальной сети клапанов.

Интеграция с ПЛК / DCS / SCADA / облачными платформами

Данные с клапана поступают в центральный "мозг", например ПЛК или DCS. Оттуда они могут быть отображены на интерфейсе клапана HMI (экран для оператора) или отправлены в облако. Попав в облако, мощное программное обеспечение для анализа данных клапана может искать закономерности и прогнозировать будущее.

Пример цикла данных

1. Событие: Насос в системе интеллектуальных клапанов для сточных вод внезапно повышает давление.
2. Действие интеллектуального клапана: Датчик давления интеллектуального клапана обнаруживает скачок. Встроенная логика дает команду приводу слегка закрыться, чтобы защитить систему.
3. Диагностика Обратная связь: Клапан фиксирует, что для закрытия ему пришлось приложить больше усилий, чем обычно. Он отправляет этот пакет данных (крутящий момент, давление и время) в центральную систему.
4. Аналитическая панель: Облачное программное обеспечение видит это событие с высоким крутящим моментом. Оно сравнивает его с тысячами других событий и отмечает его как признак заедания клапана на ранней стадии. Автоматически создается рабочий заказ для команды технического обслуживания, чтобы проверить его во время следующего планового останова.

Так умный клапан предотвращает превращение маленькой проблемы в большую и дорогостоящую.

Типы интеллектуальных клапанов и сопутствующих устройств

Интеллектуальная технология может быть добавлена ко многим типам клапанов.

• Интеллектуальные регулирующие клапаны: К ним относятся глобусные, шаровые и электрический поворотный клапан типы. Они используются для дросселирования и точного регулирования расхода, что очень важно для интеллектуальных регулирующих клапанов HVAC и химических заводов.
• Интеллектуальные клапаны включения/выключения и аварийного отключения (ESD): Их задача проста: открыть или закрыть. Но умный клапан ESD будет регулярно тестировать себя, чтобы убедиться, что в экстренной ситуации он будет работать безупречно.
• Умные соленоидные и пропорциональные клапаны: Используются для очень быстрого переключения или смешивания точных объемов жидкостей. Их можно увидеть в клапанах для пищевых продуктов и напитков или фармацевтических процессов.
• Интеллектуальные позиционеры и цифровые контроллеры клапанов: Это "мозги". Такие устройства предлагают компании Siemens, Emerson и ведущие производители. Их можно купить отдельно, чтобы модернизировать существующие клапаны.
• Комплекты для модернизации: Не всегда нужно покупать новый клапан. Комплекты для модернизации цифровых клапанов можно использовать для превращения старого автоматизированного клапана в интеллектуальный клапан. Это экономически эффективный способ получить преимущества децентрализованной автоматизации клапанов.

Основные характеристики и функции интеллектуальных клапанов

Что делает эти клапаны такими особенными? Это их мощные характеристики.

Мониторинг в реальном времени

Интеллектуальный клапан позволяет видеть, что происходит в данный момент. Вы можете отслеживать его ход (насколько он переместился), крутящий момент (какое усилие он использует) и количество циклов (сколько раз он открывался и закрывался). Это удаленный мониторинг клапана в лучшем виде.

Расширенная диагностика

Именно здесь и происходит волшебство. Умный клапан постоянно проверяет свое здоровье. Он может обнаружить:

• Тенденции трения: Становится ли клапан труднее перемещать с течением времени?
• Обнаружение утечек: Изношено ли седло клапана и пропускает ли оно жидкость?
• Обнаружение заедания: Застревает ли клапан в одном положении?

Это все равно что иметь врача для каждого клапана на вашем предприятии.

Предиктивное обслуживание и показатели здоровья

Поскольку клапан постоянно контролирует себя, он может предсказать, когда выйдет из строя. Это называется предиктивным обслуживанием клапанов. Система может дать клапану "оценку состояния" и оценить его "оставшийся срок службы". Данные показывают, что такой подход позволяет снизить затраты на обслуживание на 18-25% и сократить незапланированные простои на 50%.

Производители мирового уровня, такие как Navarch, специализируются на подобных энергосберегающих системах управления. Имея годовую производительность до 8 000 тонн клапанов на пяти эффективных производственных линиях, они обладают достаточным масштабом и опытом для создания этих надежных систем. Строгий контроль качества гарантирует точность и достоверность диагностических данных.

Удаленная настройка и обновление прошивки

Если вам нужно изменить принцип работы клапана, не обязательно отправлять техника на место. Вы можете сделать это из диспетчерской с помощью интеллектуального программного обеспечения для настройки клапана. Вы также можете отправить обновления прошивки клапана, чтобы придать ему новые функции, подобно обновлению смартфона.

Интеграция с цифровыми двойниками

Данные, полученные от интеллектуального клапана, настолько хороши, что их можно использовать для создания технологии цифрового двойника клапана. Это компьютерная модель реального клапана. Вы можете протестировать изменения на цифровом двойнике, прежде чем вносить их в реальный мир. Это повышает безопасность и эффективность.

Преимущества интеллектуальных клапанов для заводов и предприятий

Использование интеллектуальных клапанов дает огромные преимущества.

• Сокращение времени незапланированных простоев: Это самое большое преимущество. Прогнозируя отказы, вы можете починить клапаны до того, как они сломаются. Одно из исследований в цементной промышленности показало, что интеллектуальные клапаны привели к сокращению времени простоя, связанного с клапанами, на ~40%, что позволило одному заводу сэкономить ≈US$2.1M на потерях производства.
• Повышение эффективности процесса и экономия энергии: Интеллектуальные клапаны обеспечивают более жесткий контроль. Это означает меньшее количество неиспользованного продукта и меньшие затраты энергии. Например, было доказано, что высокоэффективные интеллектуальные поворотные клапаны уменьшают утечку сжатого воздуха на 15% и снижают давление в системе на 20-35%. Это приводит к реальной экономии на счетах за электроэнергию.
• Снижение затрат на обслуживание: Вы можете перестать проводить техническое обслуживание по календарю ("по времени"). Вместо этого вы будете проводить его только тогда, когда это необходимо клапану ("по состоянию"). Это означает сокращение количества человеко-часов и запасных частей.
• Повышение безопасности и соблюдение нормативных требований: Утечки и сбои могут быть опасны. Интеллектуальные клапаны помогают находить и устранять утечки на ранней стадии. Они также создают идеальную запись всех действий клапана, что важно для аудита безопасности.
• Более эффективное принятие решений: Имея данные о работе клапанов за несколько месяцев или лет, вы можете увидеть закономерности, которых раньше не замечали. Это поможет вам принимать более разумные решения о том, как управлять предприятием.

Примеры использования и применения интеллектуальных клапанов в разных отраслях промышленности

Интеллектуальные клапаны используются практически во всех отраслях промышленности.

• Нефть, газ и нефтехимия: Для автоматизации клапанов нефтеперерабатывающих заводов и управления огромными клапанами нефте- и газопроводов. Безопасность здесь имеет решающее значение, поэтому предиктивное обслуживание является обязательным условием.
• Химическое и фармацевтическое производство: Где точность имеет ключевое значение. A пропорциональный регулирующий клапан каждый раз доставляет точное количество химиката для идеальной партии.
• Очистка воды и сточных вод: Для интеллектуальных клапанов управления водоснабжением. В студенческом общежитии интеллектуальная система водоснабжения с автоматическими запорными клапанами позволила сократить расход воды на ≈68%, сэкономив более £111 тыс. в год.
• Производство электроэнергии и паровые системы: Управлять паром высокого давления очень сложно. Умные клапаны с высокотемпературными регулирующими клапанами могут справиться с давлением и заблаговременно предупредить об износе.
• ОВКВ и интеллектуальные здания: Клапаны для автоматизации зданий используются для управления отоплением и охлаждением. Интеллектуальные клапаны управления ОВКВ позволяют снизить энергопотребление здания за счет того, что ни в одном помещении не бывает слишком жарко или слишком холодно.
• Пищевые продукты и напитки, а также гигиенические процессы: Санитарные автоматические клапаны предназначены для легкой очистки и предотвращения размножения бактерий. Интеллектуальные версии этих клапанов могут проверять правильность выполнения циклов очистки.

Как правильно выбрать интеллектуальный клапан - контрольный список покупателя

Готовы к модернизации? Вот контрольный список, который поможет вам выбрать подходящего поставщика промышленных интеллектуальных клапанов.

1. Дайте определение процессу и среде: Какой жидкостью будет управлять клапан? Является ли она коррозионной? Каковы диапазоны давления и температуры?
2. Требования к эффективности контроля: Насколько точным должно быть управление? Насколько быстро должен реагировать клапан?
3. Необходимая глубина диагностики: Нужны ли вам базовые предупреждения о состоянии здоровья или глубокое предиктивное обнаружение неисправностей клапанов?
4. Совместимость протоколов и систем: Должен ли клапан говорить на Modbus, Profibus или другом языке, чтобы подключиться к вашему ПЛК/ПСУ?
5. Требования к кибербезопасности: Если клапан подключен к Интернету (клапаны с облачным подключением), необходимо защитить его от хакеров. Ищите надежные средства кибербезопасности для сетей клапанов.
6. Модернизация и новая установка: Что лучше - модернизировать старые клапаны или установить новые?
7. Общая стоимость владения: Не ограничивайтесь только первоначальной ценой. Подумайте об экономии энергии, технического обслуживания и времени простоя в течение всего срока службы клапана. Высококачественный клапан от опытного производителя интеллектуальных клапанов может стоить дороже изначально, но в долгосрочной перспективе сэкономит вам гораздо больше.

Часто задаваемые вопросы об интеллектуальных клапанах

В чем разница между интеллектуальным и автоматизированным клапаном?

Автоматическим клапаном можно управлять дистанционно. Интеллектуальный клапан может делать и это, но он также оснащен встроенными датчиками и микропроцессором для мониторинга собственного состояния и производительности, что позволяет проводить расширенную диагностику и предиктивное обслуживание.

Всегда ли интеллектуальные клапаны требуют подключения к облаку?

Нет. Многие интеллектуальные клапаны работают в локальной сети управления, подключенной к ПЛК или DCS предприятия. Это так называемые интеллектуальные клапаны с периферийными вычислениями. Подключение к облаку увеличивает мощность, позволяя анализировать данные с тысяч клапанов на многих объектах, но это не всегда необходимо.

Как "умные" клапаны обеспечивают предиктивное обслуживание на практике?

Они собирают данные о производительности, например, о крутящем моменте, необходимом для открытия и закрытия. Увеличение крутящего момента со временем свидетельствует об износе или заедании. Интеллектуальная система управления клапанами использует алгоритмы для анализа этих тенденций и предупреждения оператора о вероятной неисправности до это происходит, что позволяет запланировать техническое обслуживание.

Каков типичный срок окупаемости перехода на интеллектуальные клапаны?

Это зависит от сферы применения. Для энергосберегающих проектов окупаемость может достигать 18 месяцев. В критически важных областях применения, где один сбой может привести к остановке оборудования на миллион долларов, окупаемость за один предотвращенный инцидент мгновенная. Для типичного умягчителя воды срок окупаемости инвестиций обычно составляет 3-5 лет.

Могут ли интеллектуальные клапаны использоваться в опасных или SIL-классах?

Да. Многие производители предлагают интеллектуальные клапаны и электрические приводы клапанов, сертифицированные для использования во взрывоопасных зонах (ATEX) и в системах безопасности (SIL). Эти клапаны имеют специальную конструкцию для предотвращения искрообразования и обладают надежностью, необходимой для выполнения критически важных функций.