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fail safe

게시물 작성자 이대원에 의해
게시물 날짜 2024-02-11
fail safe에 댓글 없음

제어밸브(Control Valve)동작에서 Fail Safe기능을 설명하고, 정동작(Direct Action)과역동작(Reverse Action)에 대하여 설명하시오.

https://sec-9070.tistory.com/586

dokumen.tips_basic-operation-and-function-of-control-valves 다운로드

actutator_bench_set 다운로드

https://control.com/textbook/control-valves/actuator-bench-set/

https://www.spiraxsarco.com/learn-about-steam/control-hardware-electric-pneumatic-actuation/control-valve-actuators-and-positioners?sc_lang=en-GB

“`html

Fail Safe

Control Valve · Fail Open · Fail Close · Direct Action · Reverse Action · Bench Set

1. Fail Safe

시스템의 기계 부품이 고장나거나 에너지원이 상실된 경우에도 시스템이 안전한 상태가 되도록 하는 개념이다.

Fail Safe는 고장 발생 시 위험한 상태가 아니라 미리 정한 안전한 상태로 이동하도록 설계하는 것이다.

필기에는 다음 개념이 함께 기록되어 있다.

Fail Passive

Fail Active

Fail Operational

2. Control Valve의 Fail Safe

Control Valve의 Fail Safe 상태는 구동 에너지 또는 공기 공급이 끊어졌을 때 Valve가 어느 위치로 이동하는가에 따라 구분한다.

구분	Fail 상태
Fail Open	에너지 상실 시 Valve가 Open
Fail Close	에너지 상실 시 Valve가 Close

3. Bench Set

Spring-Diaphragm Actuator에서는 Spring의 압축범위와 공급 공기압을 이용하여 Valve의 이동범위를 설정한다.

필기에서는 일반적인 Bench Set 예로

3 ~ 15 psi

를 사용한다.

예를 들어

3 psi → Valve의 한쪽 끝 위치

15 psi → Valve의 반대쪽 끝 위치

Bench Set은 Actuator Spring의 동작범위를 공기압 범위와 대응시키는 설정이다.

4. Fail Open

공급 공기나 전기 등 구동 에너지가 상실되면 Valve가 완전히 Open되도록 한다.

      Normal Air Supply
             │
             ▼
       [ Actuator ]
             │
             ▼
       Valve Position

      Air Loss
         │
         ▼
      Spring Force
         │
         ▼
      FULL OPEN

Energy Loss → Valve Open

5. Fail Close

공급 공기나 전기 등 구동 에너지가 상실되면 Valve가 완전히 Close되도록 한다.

      Normal Air Supply
             │
             ▼
       [ Actuator ]
             │
             ▼
       Valve Position

      Air Loss
         │
         ▼
      Spring Force
         │
         ▼
      FULL CLOSE

Energy Loss → Valve Close

6. Spring-Diaphragm Actuator 구조

이미지에서는 두 가지 Spring-Diaphragm Actuator 구조를 비교한다.

      [구조 A]

           Air Inlet
               ↓
        ┌─────────────┐
        │  Diaphragm  │
        │             │
        │   Spring    │
        └──────┬──────┘
               │ Stem
               ▼
             [Plug]
               │
            Valve Body

      Air Pressure ↑
          →
      Stem 이동


      [구조 B]

           Air Inlet
               ↓
        ┌─────────────┐
        │   Spring    │
        │             │
        │  Diaphragm  │
        └──────┬──────┘
               │ Stem
               ▼
             [Plug]
               │
            Valve Body

      Air Pressure ↑
          →
      반대 방향으로 Stem 이동

Spring 위치와 Air Pressure 작용 방향에 따라 Air-to-Open 또는 Air-to-Close 구조가 결정된다.

7. Direct Action — Controller

이미지의 Control Loop Instrument Actions에서는 Direct Acting Controller를 다음과 같이 정의한다.

Process Variable ↑ → Controller Output Signal ↑

Direct Action Controller: PV가 증가하면 Controller Output도 증가한다.

8. Reverse Action — Controller

Process Variable ↑ → Controller Output Signal ↓

Reverse Action Controller: PV가 증가하면 Controller Output은 감소한다.

9. Positioner Action

이미지에서는 Positioner의 입력신호를 SIG, Actuator로 전달되는 출력을 LOAD로 표시한다.

Direct Acting Positioner

SIG ↑ → LOAD ↑

Reverse Acting Positioner

SIG ↑ → LOAD ↓

10. Control Valve Action

이미지에서는 공기압 증가에 대한 Control Valve 동작을 다음과 같이 구분한다.

형태	Air Pressure 증가 시	Fail 상태
ATO-FC	Valve Open 방향	Fail Close
ATC-FO	Valve Close 방향	Fail Open

ATO = Air To Open

ATC = Air To Close

FC = Fail Close

FO = Fail Open

11. Direct Action Control Loop

이미지의 Direct Action 조합은 다음과 같다.

      PROCESS
         │
         │ 증가
         ▼
    [ Controller ]
         │
         │ SIG 증가
         ▼
    [ Positioner ]
         │
         │ LOAD 증가
         ▼
    [ Control Valve ]
         │
         ▼
      Valve 이동

Process ↑ → SIG ↑ → LOAD ↑

12. Reverse Action Control Loop

Reverse Action Controller에서는

      PROCESS
         │
         │ 증가
         ▼
    [ Controller ]
         │
         │ SIG 감소
         ▼
    [ Positioner ]
         │
         ▼
    [ Control Valve ]

Process ↑ → SIG ↓

13. 필기의 Direct Action 설명

필기에서는 PV를 측정하여 PV가 증가할 때 Signal을 증가시키는 경우를 Direct Action으로 정리한다.

            PV
             │
             ▼
           [ TT ]
             │
             ▼
           [ TC ]
             │ Signal
             ▼
           [ PV ]
         Control Valve

PV ↑ → Signal ↑

Valve는 Signal 증가에 따라 Open 또는 Close하도록 구성할 수 있다.

14. 필기의 Reverse Action 설명

Reverse Action에서는 PV가 증가하면 Controller Signal을 감소시킨다.

PV ↑ → Signal ↓

이후 Valve의 Air Action과 Fail Action에 따라 최종 Valve 위치가 결정된다.

15. Fail Open 적용

필기에서는 Fail Open의 적용 예로 냉각수 공급과 같은 계통을 기록한다.

      Utility / Cooling Flow
              │
              ▼
        [ Control Valve ]
              │
              ▼
           Process

      Fail 발생
          │
          ▼
      Valve OPEN
          │
          ▼
      Flow 유지

고장 시 유체 공급을 계속해야 안전한 공정에서는 Fail Open을 적용한다.

16. Fail Close 적용

필기에서는 Fail Close를 위험물질 공급을 차단해야 하는 경우에 적용하는 것으로 정리한다.

      Hazardous Fluid
             │
             ▼
       [ Control Valve ]
             │
             ▼
          Process

      Fail 발생
          │
          ▼
      Valve CLOSE
          │
          ▼
      Flow 차단

고장 시 유체 공급을 차단하는 것이 안전한 공정에서는 Fail Close를 적용한다.

17. Control Valve Classification 이미지

Control Valve는 크게 Linear Sliding Stem과 Rotary로 구분되어 있다.

                         CONTROL VALVE
                              │
                 ┌────────────┴────────────┐
                 │                         │
                 ▼                         ▼
        LINEAR SLIDING STEM              ROTARY
                 │                         │
          ┌──────┼──────┐           ┌─────┼─────┐
          │      │      │           │     │     │
        Globe  Diaphragm Pinch   Butterfly Ball Eccentric Plug

Globe Valve에는 이미지에서 다음 형태가 포함된다.

Angle
3-Way — Mixing / Diverting
Standard Straight
Double Seated
Single Seated

Single Seated Valve에는 Fail Action과 관련하여 다음 분류가 표시되어 있다.

Balanced FTC
Unbalanced FTO
Unbalanced FTC

18. Actuator 종류

Control Valve Classification 이미지의 Actuator 종류는 다음과 같다.

Actuator
Spring-Diaphragm
Double-Acting Piston
Electric Motor
Electrohydraulic

19. Process / Controller / Positioner / Valve Action 조합

이미지에서는 Control Loop를 다음 네 가지 동작으로 구분한다.

Process → Controller Action → Positioner Action → Control Valve Action

대표적인 적용 예로 다음 항목이 표시되어 있다.

Process 목적	대표 Valve 동작
Pressure Relief	압력 증가 시 Flow 증가 방향
Pressure Reducing	압력 증가 시 Flow 감소 방향
Level High	공정 목적에 따라 증가/감소 선택
Level Low	공정 목적에 따라 증가/감소 선택
Temperature Cooling	온도 증가 시 Cooling Flow 증가
Temperature Heating	온도 증가 시 Heating Flow 감소
Flow High	Flow 감소 방향
Flow Low	Flow 증가 방향

20. 이미지 핵심 관계

항목	이미지 내용
Fail Open	Energy Loss → Valve Open
Fail Close	Energy Loss → Valve Close
Controller Direct	PV ↑ → Output ↑
Controller Reverse	PV ↑ → Output ↓
Positioner Direct	SIG ↑ → LOAD ↑
Positioner Reverse	SIG ↑ → LOAD ↓
ATO-FC	Air To Open / Fail Close
ATC-FO	Air To Close / Fail Open
Bench Set	Spring-Actuator의 동작 압력범위

Fail Safe, Fail Open, Fail Close, Direct Action, Reverse Action, Air To Open, Air To Close, ATO-FC, ATC-FO, Bench Set, Control Valve, Positioner, Spring Diaphragm Actuator

“`

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