امروزه اهمیت و جایگاه سیستم های کنترل در واحد های صنعتی بر کسی پوشیده نیست. از لحاظ تاریخی ظهور بخش عمده ای از سیستم های کنترل صنعتی را می توان همراه با
شکل گیری صنایع نفت و گاز در جهان مشاهده کرد. در صنایع فوق از جمله واحد های پالایش نفت، گاز و پتروشیمی عمل کنترل فرآیند ها تقریباً به صورت دائمی و پیوسته صورت می پذیرد.
از این رو بر آن شدیم که در آخرین گزارش کارآموزی (گزارش هشتم) به بررسی
سیستم های کنترل ابزار دقیقی بویژه سیستم های نیوماتیک و نحوه عملکرد شیرهای کنترل صنعتی در کنترل چهار کمیت مهم و اساسی در فرآیند های صنعتی (دما، فشار، سطح و جریان) و نیز بررسی انواع ترانسمیترها بپردازیم. امید است که مورد توجه وعنایت قرار گیرد.
سیگنال های کنترلی
در رابطه با کنترل فرآیند های صنعتی می توان امکان کنترل در محل (Local Control) و یا کنترل از راه دور (Remote Control) را داشت. در واحدهای بزرگ صنعتی نوعاً کنترل از راه دور داریم. در اینجا کنترل تمامی لوپ های کنترل در یک محل به نام اتاق فرمان (Control Room) جمع می گردند و به صورت اتوماتیک عمل کنترل را انجام
می دهند. در اینجا یک یا چند اپراتور با مشاهده نمایش دهنده های موجود در کنترلرها فقط بر عملکرد صحیح لوپ های کنترل نظارت دارند و در موارد اضطراری و یا موارد خاموش و روشن کردن سیستم های کنترل، می توانند از طریق امکانات موجود کنترل دستی در کنترلرها و یا سایر اهرم های کنترلی به انجام امور لازم بپردازند. سایر اجزای لوپ های کنترل از قبیل محرک و ترانسمیتر در نزدیکی فرآیند و در محل واحد صنعتی (Plant) و در فاصله ای دور از اتاق فرمان و کنترلرهای مربوطه قرار دارند. در چنین شرایطی انتقال سیگنال های کنترلی از کنترلر به محرک واز ترانسمیتر به کنترلر با توجه به طول نامشخص و زیاد مسیرها، مسأله خاص خود را خواهد داشت.
سیگنال های کنترلی نیوماتیک (Pneumatic)
سیگنال های فشار هوا به عنوان اولین سیگنال های کنترلی در سیستم های کنترل صنعتی مورد استفاده قرار گرفته اند. امروزه علاوه برآن از سیگنال های الکتریکی نیز استفاده می شود. در سیستم های کنترل نیوماتیک ارتباط بین واحد صنعتی و اتاق فرمان از طریق سیگنال های فشار هوا در محدوده psi 15-3 صورت می گیرد. انتقال این سیگنال ها از طریق لوله های باریک در حدود mm5 بین قسمت های مختلف انجام می شود و از مزایای این سیگنال ها می توان به موارد زیر اشاره نمود:
استفاده از این سیگنال ها از گذشته دور در واحد های پر خطر مانند پالایشگاهها که در آنها امکان نشت گاز و مواد آتش زا وجود دارد، ایمن بوده است.
این سیگنال ها انتقال دهنده توان لازم به محرک ها جهت ایجاد حرکات مکانیکی
لازم و تاثیر گذار بر فرآیند ها نیز می باشند.
3. به علت برگشت هوای مصرفی به محیط اطراف، برای انتقال سیگنال در هر مسیر
فقط به یک خط لوله انتقال هوا احتیاج است.
به دلیل خاصیت تراکم پذیری هوا، از معایب سیگنال های کنترلی نیوماتیک می توان از ایجاد اعوجاج در هنگام انتقال این سیگنال ها، کندی انتقال فرآمین و نیز افت فشار را نام برد.
سیگنال های الکتریکی
سیگنال های جریان الکتریکی به دلیل مقاومت بسیار بزرگ بین هادی های خطوط انتقال
( ناشی از مقاومت الکتریکی بسیار بالای عایق نگه دارنده هادی ها) و کم بودن مقاومت الکتریکی در طول مسیر (اگرچه رندم)، می توانند بدون هیچگونه افت جریان، انتقال فرآمین را انجام دهند. لذا در سیستم های کنترل الکتریکی، انتقال سیگنال ها اغلب به صورت جریان الکتریکی ودر محدوده mA20-4 خواهد بود و از سیگنال های ولتاژ (v5-1) فقط برای انتقال سیگنال در اجزای داخلی کنترلرها استفاده می شود.
از مزایای مهم سیگنال های الکتریکی جریان، انتقال سریع و بدون اعوجاج و افت در
لوپ های کنترل را می توان نام برد. از معایب آن، در مقایسه با سیستم های نیوماتیک،
می توان از عدم امکان انتقال توان به محرک ها در هنگام انتقال فرآمین و نیز استفاده از چهار خط سیم نام برد. اگرچه خطر ایجاد جرقه الکتریکی ناشی از احتمال قطع مسیر جریان در این
سیستم ها وجود دارد، ولی بدلیل محدود بودن این جریان و نیز دقت در جلوگیری از نشت گاز و بخارات قابل اشتعال در محیط های صنعتی احتمال خطر حداقل است.
کنترلرهای نیوماتیک و اجزای آنها
یک کنترلر نیوماتیک شامل کنترل کننده PID، امکانات تنظیم S.P، تنظیم دستی، مقایسه کننده، نمایش دهنده های فشار هوا و تعدادی سوئیچ می باشد. اکنون به معرفی اجزائی
می پردازیم که این کنترلرها و سایر ادوات نیوماتیک از آنها ساخته می شوند.
رگولاتور ها (Regulators)
رگولاتورهای فشار در سیستم های نیوماتیک به عنوان منابع تغذیه نیوماتیک و به صورت ثابت ویا قابل تنظیم مورد استفاده قرار می گیرند. در سیستم های کنترل صنعتی نیوماتیک در واحدهای صنعتی اغلب یک خط لوله هوای فشار قوی (Bar10-5) کشیده شده که از آن و از طریق رگولاتور فشار برای تغذیه سیستم های نیوماتیک استفاده می شود (همانند تولید یک ولتاژ تغذیه dc چند ولتی از طریق اتصال به برق شهر). فشار هوای داخل خط لوله اغلب به علت مصرف متغیر هوای داخل آن نوسان دارد، ولی رگولاتورها از این فشار همراه با نوسان، یک فشار تنظیم شده برای سیستم های نیوماتیک متصل به خروجی آن می سازند. فشاری که به این ترتیب به دست می آید، فشار استاندارد PS = 20 Psi می باشد. در هر رگولاتور به وسیله یک پیچ تنظیم، می توان فشار هوا در خروجی آن را تنظیم کرد.
مبدل های فشار هوا به حرکت مکانیکی
در ساختمان داخلی کنترلرها و سیستم های نیوماتیک، به لحاظ نیاز به یک مبدل کوچک و ساده تر، از بیلوز (Belowes) استفاده می گردد. حجم یک بیلوز درحد چند سانتیمتر مکعب است و در مقایسه با آن، حجم پشت دیافراگم یک محرک دیافراگمی و حجم داخل سیلندر یک محرک سیلندر و پیستون در حد چند ده تا چند صد سانتیمتر مکعب است.
در مبدل های فشار هوا به حرکت مکانیکی، از یک فنر برای ایجاد حرکت برگشت به وضعیت اولیه در هنگام قطع و یا کاهش سیگنال فشار هوا استفاده می شود. بیلوزها اغلب به صورت ذاتی و بدون وجود یک فنر اضافی به دلیل استفاده از ورقه های فلزی خشک، دارای خاصیت فنری می باشند.
مقایسه کننده ها
در یک مقایسه کننده نیوماتیک که توسط آن دو سیگنال فشار هوای P1 و P2 با یکدیگر مقایسه می شوند، معمولاً از دو بیلوز استفاده می شود. در اینجا دو بیلوز به صورت رو به رو
به یکدیگر متصل و از طرف پشت نیز به یک تکیه گاه محکم شده اند. هنگامی که دو سیگنال فشار هوای P1 و P2 به این دو بیلوز با خاصیت فنری اعمال می گردد، موقعیت وسط دو بیلوز، حرکتی را متناسب با اختلاف دو فشار اعمال شده خواهد داشت. اگر بیلوز ها دارای خاصیت فنری نباشند، این حرکت متناسب با انتگرال اختلاف دو فشار خواهد بود.
فشار سنج ها (Pressure Gage)
درقسمت های مختلف سیستم های نیوماتیک، فشار سنج ها به عنوان نمایش دهنده های سیگنال های فشار هوا به کار می روند. در ساختار فشار سنج ها معمولاً از بوردن تیوب (Borden Tube) استفاده می شود. یک بوردن تیوب از یک لوله فلزی خم شده با مقطع بیضی تشکیل می شود. دهانه این لوله از یک طرف آن مسدود بوده و از طرف دیگر به فشار مورد نظر وصل می گردد.
تقویت کننده عملیاتی نیوماتیک (Pneumatic Operational Amplifier)
یکی از مهمترین اجزای سیستم های نیوماتیک، سیستم فلاپر و نازل است که آن را در تشابه با عناصر مدارهای الکترونیکی، تقویت کننده عملیاتی نیوماتیک می نامند. در این سیستم، ورودی حرکت مکانیکی X و خروجی سیگنال فشار PC می باشد. هوا از طریق دهانه نازل (قطر mm0.3) اجازه خروج دارد. برای بدست آوردن فشار متغیر در خروجی سیستم فلاپر و نازل، تغذیه نیوماتیک از طریق یک تنگی (Restrictor) به سیستم فلاپر نازل وصل می شود (قطر mm0.25). چرا که در غیر این صورت با تغییرات فاصله فلاپر از نازل، فشار پشت نازل تغییر نکرده و همیشه با فشار تغذیه PS = 20 psi برابر خواهد بود. در این سیستم ها دهانه نازل چنان انتخاب می شود که در هنگام دور شدن کامل فلاپر از نازل، فشار هوا در پشت نازل در حد فشار حداقل برای سیستم های نیوماتیک یعنی psi 3 قرار گیرد و هنگامی که فلاپر به نازل کامل می چسبد، فشار پشت نازل در حد فشار حداکثرنیوماتیکی یعنی psi 15 تنظیم شود. با توجه به مطالب بالا، تمیز شدن و خشک شدن هوای ورودی سیستم های نیوماتیکی ضروری می باشد. چرا که اگر هوا دارای گرد و غبار و ذرات جامد باشد، پس از مدتی عبور این ذرات باعث خوردگی دهانه و گشاد شدن بیش از اندازه آن، و اگر هوای ورودی دارای بخارهای روغن و مواد مشابه باشد، رسوب این مواد باعث تنگ تر شدن دهانه نازل می شوند، که هر دو حالت نا مطلوب می باشند. در هر صورت به دلیل اینکه هوای ورودی سیستم های نیوماتیک، کاملاً فیلتر نمی شود، هر از چند گاهی نیاز به سوزن زدن نوک نازل های تنگ شده و یا تعویض نازل های گشاد شده می باشد.
بافر (رله) نیوماتیک (Pneumatic Buffer or Relay)
درسیستم های نیوماتیک، فشار خروجی سیستم فلاپر نازل بایستی به بار مثلاً شیر کنترل اعمال شود. اما اگر فشار خروجی مستقیماً به بار وصل گردد، سیستم فلاپر نازل در عین حفظ عملکرد خود، نمی تواند هوای لازم را نیز به بار برساند. لذا در اینجا به سیستم واسطی احتیاج است که در حین انتقال فشار هوای خروجی سیستم های نیوماتیک به بار، هوای لازم برای مصرف در آنها را نیز از طریق فشار تغذیه تأمین کند. چنین وسیله ای را در صنعت رله نیوماتیک می نامند. در این سیستم هوای لازم جهت مصرف در بار از طریق رله نیوماتیک و از فشار هوای تغذیه PS تأمین می شود (Push) و برای تخلیه هوای مصرف شده در بار، رله نیوماتیک آن را به هوای آزاد وصل می کند (Pull).
در یک رله نیوماتیک با نصب یک فنر مناسب، در هر فشار ورودی و در یک مکانیزم تعادلی (تعادل بین نیروی ناشی از فشار پشت دیافراگم و نیروی مقاوم فنر)، فشار خروجی را همیشه برابر با فشار ورودی خواهیم داشت.
کنترلرهای الکتریکی دیجیتال
کنترلرهای دیجیتال با استفاده از سخت افزار سیستم های دیجیتال موجود، مانند کامپیوترها و در واقع به صورت نرم افزاری ایجاد می شوند. در اینجا بدلیل اینکه یک سیستم سخت افزار کامل، همانند کامپیوتر در اختیار ما خواهد بود، می توانیم انتظارات بیشتری از کنترلر خود داشته باشیم. علاوه بر ضبط کوتاه مدت تغییرات زمانی سیگنال های S.P و P.V، می توانیم
ثبت طولانی مدت این اطلاعات را نیز در فایل هایی داشته باشیم. همچنین با استفاده از مانیتور کامپیوتر می توان نمایشی از نقشه واحد صنعتی (Mimic Panel) همراه با نمایش اطلاعات و پارامترهای مهم آن را در اختیار داشت و با تغییر صفحات نمایش داده شده روی مانیتور به اطلاعات دقیق تر و ریزتری از یک لوپ کنترل دست یابیم. ضمناً با توجه به کند بودن
فرآیند های صنعتی و سرعت بالای کامپیوترها، یک کامپیوتر می تواند در آن واحد به عنوان چندین کنترلر مجزا در اختیار چند لوپ قرار گیرد (Pulling Method).
در کنترلر دیجیتال امکانات تنظیم S.P، تنظیم دستی، تنظیم های کنترل کننده PID، انتخاب وضعیت دستی – اتوماتیک، DIR و REV وجود دارد. هنگام تغییرات می توان اثر آن را هر لحظه روی یک نمایش دهنده دیجیتال مشاهده کرد. در این کنترلرها ارتباط اپراتور با کنترلر از طریق صفحه کلید، موس و یا حتی بدون واسطه این اجزا و از طریق تماس دست اپراتور بر روی منوهای ظاهر شده بر صفحه کامپیوتر (Finger Touch) امکان پذیر است. از دیگر مزایای کنترلرهای دیجیتال ارائه راهنمائی لازم به اپراتورها در نحوه برخورد با مشکلات پیش آمده برای لوپ های کنترل در هنگام فعال شدن آلارم (Alarm) می باشد.
در کنترلرهای الکتریکی اغلب یک مکانیزم اعلام وضعیت خطر(آلارم) وجود دارد. این مکانیزم بر اساس سیگنال خروجی مقایسه کننده در کنترلر (سیگنال خطا) عمل می نماید و بر حسب درصد تنظیم می شود. درصد تنظیم آلارم برای هر لوپ کنترل متفاوت بوده و توسط مهندس فرآیند تنظیم می شود. با فعال شدن سیستم آلارم که اغلب با روشن شدن یک چراغ قرمز و صدای یک آژیر همراه خواهد بود، اپراتور حاضر در اتاق فرمان را برای رفع مشکل پیش آمده در لوپ کنترل به چاره جویی وا می دارد.
امروزه استفاده از کامپیوتر در سیستم های کنترل به صورت توزیع شده (Distributed Control Systems) متداول می باشد. در سیستم های کنترلی DCS، اجزای اصلی
لوپ های کنترل به صورت هوشمند از طریق امکانات سخت افزاری و نرم افزاری دیجیتال و نیز شبکه های کامپیوتری محلی و شبکه های بزرگتر عمومی با اپراتورها، مهندسین و مدیران در ارتباط بوده و آنها از طریق این شبکه ها به نظارت و دخالت در کلیه پارامترهای لوپ های کنترل می پردازند.