Escolher um atuador de ação direta ou um atuador de ação inversa? Evitar erros.

O controlo de processos depende fortemente de uma automação fiável porque os sinais de controlo têm de ser traduzidos em movimento através da válvula de controlo e do seu atuador. A seleção de um atuador adequado determina os níveis de segurança e a eficiência operacional e uma longa vida útil, contribuindo para a vida útil global da válvula, enquanto que escolhas erradas resultam em problemas dispendiosos e riscos de segurança, levando potencialmente à perda de produto ou comprometendo a segurança da produção. Este guia de seleção fornece-lhe informações essenciais para escolher entre válvulas de ação direta e válvulas de ação inversa, ao mesmo tempo que lhe mostra como evitar erros típicos que garantem sistemas de válvulas fiáveis.

Compreender os tipos de ação do atuador

A reação mecânica de cada atuador às modificações do sinal de controlo de entrada resulta do seu "tipo de ação" pré-determinado. O "cérebro" do sistema utiliza o sinal de entrada para fornecer comandos ao atuador sobre as suas funções. O tipo de ação estabelece a forma como um atuador transforma os comandos em movimentos físicos através do seu componente "muscular" interno.

O conceito fundamental do tipo de ação existe em todas as três principais categorias de actuadores de controlo de processos, incluindo Pneumáticos, Hidráulicos e Eléctricos. A ligação fundamental entre a variação do sinal de entrada e o movimento físico resultante serve como um fator de classificação chave na escolha do dispositivo adequado, apesar das diferentes fontes de energia e componentes internos.

Atuador de ação direta

O atuador de Ação Direta (DA) funciona através de uma relação direta entre os sinais de controlo e os movimentos de saída resultantes. A saída do atuador, que pode ser a posição da haste da válvula ou o ângulo de rotação, apresenta um crescimento proporcional direto quando os sinais de controlo aumentam dentro da gama de funcionamento especificada.

Um atuador pneumático DA típico responde ao aumento da pressão de ar na sua membrana ou pistão empurrando a haste mais longe contra a mola de retorno e a carga do processo. A válvula abrirá mais quando ligada a uma válvula acionada pela haste que abre quando a pressão do ar aumenta. O sinal elétrico (corrente 4-20mA) que aumenta nos actuadores DA eléctricos é traduzido num comando eletrónico que conduz a válvula para a sua posição de curso máximo (0% a 100% aberta).

Atuador de ação inversa

Um atuador de ação inversa (RA) funciona através de uma relação em que o aumento dos sinais de entrada resulta numa redução proporcional da ação de saída. A ação de saída do atuador mostra uma redução proporcional em resposta a sinais de controlo crescentes ao longo da sua gama operacional.

Um atuador pneumático RA standard apresenta elementos de design interno que colocam a mola em relação à câmara de ar, de modo a que o aumento da pressão do ar force a haste do atuador a mover-se numa direção oposta à da abertura da válvula. A válvula ligada a esta configuração fechará mais quando a haste se mover na direção especificada devido ao aumento da pressão do ar. O aumento do sinal de entrada eléctrica faz com que o atuador elétrico RA compreenda o comando para o movimento da válvula para a sua posição de curso inferior (de 100% aberta para 0% fechada).

Atuador de Ação Direta vs. Atuador de Ação Inversa: Quais são as suas diferenças?

Estes dois tipos de actuadores diferem substancialmente devido ao seu princípio de atuação, ao mesmo tempo que apresentam padrões de comportamento de falha distintos. O sucesso da aplicação requer o conhecimento total destas distinções. As principais distinções resultam dos métodos de interpretação dos sinais e do comportamento por defeito quando os sinais de controlo ou a alimentação falham.

O gráfico seguinte apresenta as diferenças fundamentais entre os dois dispositivos:

Caraterística	Atuação direta (AD)	Ação inversa (RA)
Sinal de entrada vs. ação	Sinal ↑ → Ação ↑	Sinal ↑ → Ação ↓
Resposta pneumática típica	Aumento da pressão do ar → Mais aberto/extendido	Aumento da pressão do ar → Mais fechado/retraído
Resultado comum à prova de falhas (retorno pneumático por mola)	Frequentemente resulta em falha de fecho (FC) quando emparelhado com modelos comuns de retorno por mola e acções de válvula	Frequentemente resulta em falha-aberta (FO) quando emparelhado com modelos comuns de retorno por mola e acções de válvula
Exemplo (Válvula)	O sinal aumenta → A válvula abre-se	O sinal aumenta → A válvula fecha-se
Curva de E/S (simplificada)	Inclinação positiva	Inclinação negativa

A tabela demonstra as operações padrão de segurança pneumática (FC para DA e FO para RA), mas a segurança eléctrica e hidráulica do atuador não requer lógica DA/RA. O mecanismo de segurança depende de elementos de design, tais como molas e backups e configurações para permitir o funcionamento FC, FO ou Fail-Last independentemente da ação de sinal normal. A relação sinal-ação durante o controlo normal continua a ser definida por DA/RA, embora os resultados de segurança sejam determinados pela lógica pneumática.

Como escolher o atuador certo para as suas necessidades

A seleção de actuadores adequados requer uma avaliação sistemática entre os requisitos de serviço da aplicação e as opções disponíveis no mercado, considerando o tipo específico de válvula envolvido.

Avaliação das necessidades: O processo de seleção inicial começa com a compreensão de todos os aspectos da aplicação do processo da válvula, incluindo as funções de controlo e as caraterísticas de segurança que determinam a seleção do design Open-Fail ou Close-Fail ou Last-Fail com base na segurança e estabilidade do processo. O sinal de controlo disponível e a fonte de energia (ar, eléctrica, hidráulica) determinam a tecnologia de atuador necessária. As condições do processo, como a temperatura e a pressão e o tipo de meio, devem ser cuidadosamente avaliadas porque determinam os requisitos da válvula e do atuador.

Relacionar as necessidades: O sistema tem de realizar a tarefa de fazer corresponder as necessidades aos tipos de acções e tecnologias adequados. O requisito básico para a segurança operacional requer normalmente que o estado crítico de segurança seja alcançado. A operação Falha-Fecho durante a perda de sinal/alimentação pode ser conseguida através da utilização de um atuador pneumático de Ação Direta como solução padrão. A aplicação Falha-Aberta requer uma implementação típica de um atuador pneumático de Ação Inversa. A análise dos actuadores eléctricos e hidráulicos deve ser realizada para identificar modelos que contenham caraterísticas de segurança (mola, bateria, acumulador) que satisfaçam as suas necessidades FC/FO. Os sistemas eléctricos padrão, juntamente com certos sistemas hidráulicos, funcionam quando a opção Fail-Last é aceitável. O último passo requer a integração da lógica de sinal-ação de funcionamento normal com a combinação escolhida de atuador e válvula.

Exemplos de aplicação: Uma solução padrão para uma válvula ESD numa linha de gás com requisitos de Falha-Fecho consiste num atuador pneumático DA e numa válvula de fecho. A válvula de ventilação necessita de um atuador pneumático RA e de uma válvula de abertura para cumprir os requisitos de Abertura-Falha quando a pressão do ar falha. A válvula de água de arrefecimento crítica necessita de funcionalidade de abertura em caso de falha de energia, pelo que utiliza um atuador elétrico com bateria de reserva.

Erros comuns de seleção e porquê

A seleção entre actuadores de ação direta e actuadores de ação inversa conduz frequentemente a erros generalizados que resultam num funcionamento incorreto da válvula, em sistemas de controlo instáveis e em condições perigosas, particularmente durante paragens de emergência ou perturbações do processo, levando potencialmente à perda de produto ou comprometendo a segurança da produção. Os erros de seleção ocorrem principalmente porque os utilizadores não compreendem os conceitos fundamentais ou negligenciam a realização de avaliações de aplicação abrangentes, incluindo a avaliação errada da eficácia de combinações específicas de caraterísticas.

As pessoas cometem normalmente este erro assumindo que os actuadores de Ação Direta falham numa posição fechada e que os actuadores de Ação Inversa falham numa posição aberta sem considerar as tecnologias de actuadores pneumáticos, eléctricos ou hidráulicos. As operações de segurança padrão para a maioria dos actuadores pneumáticos de retorno por mola seguem o padrão Falha-Fechar/Falha-Abrir, mas os actuadores eléctricos e hidráulicos oferecem opções de segurança que funcionam independentemente da direção do seu sinal de ação. A utilização de um atuador DA elétrico com conceção "Fail-Last" em vez de "Fail-Close" em situações críticas representa um grande erro que pode ser evitado.

A falha ocorre quando os engenheiros apenas especificam a lógica de controlo de funcionamento normal ("Quero que a válvula abra quando o sinal é alto") sem definir claramente o estado de segurança necessário. A posição de segurança é o principal determinante para selecionar o tipo de ação correto, porque tem precedência sobre a lógica de controlo normal quando ambos os sistemas se contradizem. O comportamento predefinido perigoso resulta da omissão da definição exacta do estado necessário quando ocorre uma perda de energia ou de sinal (Falha-Abrir, Falha-Fechar, Falha-Limite).

A resposta do sistema torna-se complexa quando os operadores emparelham incorretamente as válvulas de controlo por não terem um conhecimento completo da ação inerente da válvula. Algumas válvulas de controlo requerem um funcionamento "ar-para-abrir" ou "ar-para-fechar" com base no comportamento do componente interno sem atuação externa. A resposta do sistema e o resultado à prova de falhas resultam do funcionamento combinado do atuador e da válvula. Um atuador pneumático de ação inversa quando ligado a uma válvula "ar-para-abrir" pode produzir respostas complicadas do sistema que podem resistir a uma interpretação fácil.

Harmonia do sistema atuador-válvula

Os actuadores funcionam como parte de sistemas essenciais que incluem tanto a válvula como ela própria. O seu conjunto de válvulas automatizadas funciona com base na coordenação perfeita entre os seus dois componentes essenciais. O funcionamento harmonioso exige mais do que a seleção de tipos de ação de actuadores adequados, porque exige uma coordenação perfeita entre elementos mecânicos e transmissão de sinais e caraterísticas de desempenho que diferem de acordo com as tecnologias de fonte de alimentação.

Traduzir a ação pretendida em desempenho do sistema: O ajuste que importa

A seleção entre actuadores de ação direta ou inversa determina a relação entre os sinais de controlo e os ajustes de posição da válvula. A fiabilidade do sistema depende do alinhamento físico e funcional entre o atuador e a válvula para atingir o estado vital de segurança.

Isto implica garantir:

Fugas Mecânicas e Correspondência de Curso: Deve existir uma interface adequada onde o veio ou haste de saída do atuador esteja ligado à haste ou veio da válvula, normalmente como uma dobradiça, de modo a que o movimento do atuador seja transformado no movimento necessário da válvula. Isto transforma a rotação em movimento dentro dos corpos das válvulas e os métodos de ligação, como o anel de aperto, também podem colocar problemas potenciais. As válvulas lineares têm comprimentos de curso enquanto as válvulas rotativas têm ângulos de rotação, ambos terão de coincidir absolutamente com os parâmetros alinhados para o curso das válvulas totalmente fechadas para as totalmente abertas. Quando não existe uma ligação de curso entre o atuador e a válvula, quer esteja acoplada diretamente ou inversamente disposta, a abertura e o fecho totais nunca são alcançados. Sem controlo sobre a posição de controlo pretendida, o tipo de ação de controlo torna-se possível devido à lógica de potenciómetro e ao facto de não se atingir a posição de segurança compromete a lógica de ação dependente da segurança.

Compatibilidade de Desempenho (Impulso/Torque): O atuador deve exercer um impulso linear ou um binário rotativo suficiente para operar a válvula de forma fiável e suave em todos os parâmetros do processo. O atuador deve ser capaz de ultrapassar as forças de fricção estáticas e dinâmicas enquanto gere a pressão diferencial que existe entre as posições do disco/esfera/ficha da válvula e as forças que actuam na sede da válvula. As operações de modulação e de segurança têm de ser efectuadas dentro dos limites de pressão controlados, mitigando o risco de choque de pressão. A potência necessária determinará a capacidade de desempenho. É este contexto que dá origem ao desempenho indesejável e melhorado do atuador. Os actuadores compactos serão incapazes de atingir a potência para comandar as acções diretas/reversas, desactivando assim a segurança contra falhas.

Integridade da interface de sinal: A transmissão de sinais de controlo requer a ligação segura da tubagem pneumática ou hidráulica, bem como da cablagem eléctrica/bus, para fiabilidade e compatibilidade. Independentemente da configuração do atuador (direta ou inversa), um erro na interface de sinal provoca uma falha na execução dos sinais emitidos.

Em suma, embora uma ordem dada através de inputs neurais possa ser descrita como outputs de acções executadas fisicamente, a interação entre a coordenação positiva e negativa do corpo, encapsulada na lógica de segurança do movimento, define a destreza da execução do corpo. Tais disfunções sugerem que o sistema deixará de ser capaz de atingir as posições de controlo necessárias que têm de ser alcançadas com base na ação selecionada ou de manter uma posição de segurança pré-determinada no estado de controlo, assegurando articulações de resultados de controlo não funcionais, mesmo quando o modo de escolha primário é a lógica direta ou inversa, que se sobrepõe fortemente às escolhas do mecanismo de segurança.

Parceria com a VINCER para válvulas acionadas de qualidade

Para alcançar a fiabilidade no desempenho de um sistema de válvulas automatizado, é necessária uma interação coerente dos componentes e uma excelência intrínseca. Esta é a área de especialização da VINCER Valve. A VINCER especializou-se nas melhores soluções de válvulas automatizadas desde 2010 e compreende muito bem a harmonia do sistema. Oferece as peças mais importantes para um controlo fiável da automação, como válvulas acionadas eletricamente, válvulas acionadas pneumaticamente e válvulas solenóides, todas elas amplamente utilizadas na automação. A sua linha de produtos fornece uma gama abrangente de válvulas que cobrem vários tipos de válvulas, incluindo válvulas de assento pneumáticas fiáveis conhecidas pelo seu design fiável.

A VINCER mantém uma dedicação inabalável à qualidade, garantindo uma longa vida útil e a vida útil das válvulas. Desde a escolha de componentes autênticos de alta qualidade até à realização de verificações de controlo de qualidade (CQ) em várias fases (apoiadas por uma rastreabilidade total), a VINCER destaca-se na manutenção da certificação internacional (SIL e ATEX planeada) associada ao desempenho fiável das suas válvulas e actuadores. A sua conceção fiável, muitas vezes construída sobre uma plataforma modular comprovada, garante a capacidade do seu atuador para fornecer uma ação direta ou inversa ininterrupta, conforme programado, com a certeza de ativação à prova de falhas em momentos críticos (por exemplo, o atuador possui funções à prova de falhas, como a reinicialização automática em caso de perda de energia), assegurando um melhor desempenho do atuador. A sua qualidade também contribui para minimizar os custos de inventário e a perda de produtos.

A sua experiência estende-se a aplicações específicas exigentes, como as que requerem elevados padrões de higiene e cumprem normas higiénicas rigorosas e a regulamentação alimentar da UE para indústrias como as de cuidados pessoais. Oferecem excelentes soluções de higiene concebidas para evitar o aprisionamento de bactérias e permitir a redução da utilização de fluidos de limpeza, contribuindo significativamente para uma maior segurança dos produtos. Isto é evidente na sua gama de válvulas de sede única, conhecidas como válvulas SSV únicas ou simplesmente SSV únicas, disponíveis na gama SSV única. Esta gama apresenta caraterísticas únicas da gama SSV e corpos de válvula SSV únicos com um design especializado dos suportes do obturador e um acabamento superficial preciso de especificações ra, incluindo o disco único em aço inoxidável. O design padrão exclusivo da SSV oferece compatibilidade asséptica e pode ser utilizado eficazmente como válvulas de comutação. Em comparação com opções como o equipamento higiénico da alfa laval, a gama alfa laval unique SSV da VINCER e as soluções compatíveis com a alfa laval unique SSV proporcionam um baixo custo total da unique ssv e um baixo custo total de propriedade da unique ssv. Com combinações tão abrangentes de caraterísticas e soluções à medida, as infinitas possibilidades oferecidas asseguram uma garantia de processo robusta e apoio contra pressões elevadas. A parceria com a VINCER Valve é uma garantia sem reservas.

Garantir a fiabilidade a longo prazo

O desempenho fiável de uma máquina começa quando se escolhe um atuador adequadamente adaptado e o modelo de válvula correspondente. A conceção fiável, muitas vezes construída sobre uma plataforma modular comprovada, juntamente com a manutenção programada de acordo com o protocolo do tipo de tecnologia do atuador, aumentará a fiabilidade, prolongará a vida operacional e evitará falhas inesperadas.

Para Actuadores Pneumáticos: A qualidade do fornecimento de ar de processo é o elemento fundamental a considerar. O ar deve ser não poluído, seco, filtrado e fornecido na gama de pressão correta. Verificar os filtros de ar, drenos e válvulas de purga. Verificar as linhas de ar e os acessórios quanto a fugas. Verificar periodicamente os vedantes do atuador e a corrosão e danos externos. A manutenção dos pontos de lubrificação (se existirem) deve ser efectuada de acordo com o manual do fabricante.

Para Actuadores Hidráulicos: A fiabilidade depende em grande medida da limpeza e da qualidade geral do fluido hidráulico. Monitorize continuamente o nível de fluido e o sistema de filtragem. Enquanto estiver sob pressão, inspeccione as linhas hidráulicas juntamente com os acessórios e procure possíveis fugas. Inspeccione os vedantes e o corpo do atuador quanto a possíveis danos ou corrosão. Verifique as recomendações do fabricante sobre a substituição do fluido e a manutenção do filtro.

Para Actuadores Eléctricos: A fiabilidade inclui a verificação do aperto e a verificação da corrosão das ligações eléctricas. Preste atenção a quaisquer sons anormais provenientes do motor ou da caixa de velocidades. Verificar a caixa quanto à entrada ou danos ambientais. Para actuadores com bateria de reserva, cumpra as diretrizes do fabricante relativamente a testes e substituição. Se existirem untadores ou reservatórios de óleo (improvável, mas possível), efetuar a manutenção de acordo com o manual.

Conclusão

A seleção de um atuador de Ação Direta ou de Ação Inversa é uma decisão importante, moldada pelos requisitos do seu processo e por critérios importantes de segurança contra falhas. Conhecer as diferenças básicas evita as armadilhas típicas de uma seleção tão crítica, mas conseguir um funcionamento automatizado fiável e seguro da válvula é uma preocupação muito mais ampla do que a decisão inicial. Um sistema atuador-válvula adequado no que diz respeito à qualidade dos seus componentes, ao nível de manutenção ao longo do tempo e à própria válvula requer atenção. Seguindo o raciocínio acima - começando com uma avaliação minuciosa dos requisitos e uma decisão inicial adequada, progredindo através da obtenção de sinergia com os componentes, concentrando-se na qualidade e estabelecendo uma manutenção fiável a longo prazo - resulta num funcionamento consistente da válvula em todas as aplicações críticas de controlo de processos.