اجزا سیستم های کنترلی
در این فیلم آموزشی قصد داریم اجزا سیستم های کنترل شامل سنسور، مبدلها یا ترانسدیوسرها، ترانسمیترها، کنترلر، عنصر نهایی کنترل، محرک و ثبت کننده ها و نمایشگرها معرفی نماییم.
یک سیستم کنترل مدار بسته علاوه بر دستگاههای اندازه گیری که در این نرم افزار به طور خاص مورد مطالعه قرار می گیرد، دارای بخشهای دیگری شامل ترنسمیترها، کنترل کننده، محرکها، عنصر نهایی کنترل، اجزاء ثبت کننده و نمایشگرها نیز میباشد که در ادامه مطالبی در ارتباط با آنها جهت آشنایی، به طور خلاصه اشاره می شود. معمولاً یک دستگاه اندازه گیری شامل سنسور یا حسگر و ترنسدیسور یا مبدل میباشد. یک دستگاه اندازه گیری میتواند بدون ترنسدیوسر و تنها یک سنسور به کار رود، مانند اندازه گیرهای فشار بوردونی که خروجی آنها توسط عقربه نشان داده می شود. لازم به ذکر است معمولاً دستگاه اندازه گیر به اسم سنسور یا ترنسدیوسر به کار رفته در آن، شناخته می شود.
سنسور
انواع دستگاههای اندازه گیری دارای سنسور یا حس کننده های متفاوتی هستند که کمیت هایی مانند دما، فشار، دبی و غیره را اندازهگیری می کنند. این سنسورها بر حسب نوع عملکرد، دارای خروجی های متفاوتی از قبیل مقاومت، ظرفیت الکتریکی، جابجایی و غیره است. در واقع سنسور ابزاری است که در همه دستگاههای اندازه گیری وجود دارد و وظیفه آن تماس با سیال و تاثیرپذیری از پارامتر مورد اندازهگیری می باشد. این تاثیر باعث ایجاد تغییر در برخی از خواص فیزیکی یا شیمیایی آن سنسور خواهد شد. به عنوان مثال یک ترموکوپل که برای اندازه گیری دما مورد استفاده قرار میگیرد، دارای خروجی به شکل ولتاژ الکتریکی در حد میلی ولت است و یا یک لوله بوردن که برای اندازهگیری فشار به کار میرود دارای خروجی از نوع جابجایی میباشد.
مبدلها یا ترنسدیوسرها
از آنجاییکه در یک واحد شیمیایی تعداد زیادی دستگاه اندازه گیری وجود دارد که لزوماً نزدیک به سیستم کنترل مستقر نیستند، انتقال خروجی آنها به سیستم کنترل به صورت مستقیم امکان ناپذیر است. به عنوان مثال جابجایی که لوله بوردن ایجاد می کند آنقدر کم میباشد که انتقال آن به سیستم کنترل که فاصله نسبتاً دوری از آن قرار دارد، بسیار مشکل است و یا خروجی ترموکوپل که برای اندازه گیری دما است، ولتاژ الکتریکی می باشد که ورود مستقیم آن به سیستم کنترل، امکان ایجاد خطا می نماید. بنابراین لازم است تمامی خروجی های انواع سنسورها به یک سیگنال قابل اعتماد و استاندارد تبدیل گردد.
در بعضی موارد برای پرهیز از اشتباه نیاز به تعریف دقیقتری از سنسور و ترانسدیوسر خواهیم داشت. به این صورت که ترانسدیوسر بخشی از دستگاه اندازه گیری است که برای تبدیل یک نوع از انرژی مثل انرژی مکانیکی حاصل از فشار به نوع دیگری مانند جریان الکتریکی و با استفاده از یک منبع انرژی به عنوان تغذیه کننده دستگاه، به کار میرود. در عوض سنسور این تبدیل را بدون استفاده از یک عامل خارجی و به شکل خود به خودی انجام می دهد، مانند ترموکوپل که با دریافت انرژی گرمایی ولتاژ الکتریکی تولید می کند و نیازی به یک منبع خارجی برای این تبدیل ندارد. سنسورها همانطور که از نامشان پیداست، به واسطه ارتباط مستقیمی که با محیط مورد اندازه گیری برقرار می کنند، کار می کنند، ولی ترانسدیوسرها اغلب به واسطه سنسورها کار تبدیل سیگنال را انجام می دهند.
در برخی موارد که این تقسیمات از اهمیت آنچنانی برخوردار نیست، مثل استرین گیجهای فشار، با کمی اغماض می توان دیافراگمی را که فشار سیال را به کشش روی سیمها منتقل می کند، به سادگی جزء ترانسدیوسر به حساب آورد. در نتیجه این تعاریف می توان دریافت که در یک اندازهگیری همیشه نیاز به یک سنسور وجود دارد ولی الزامی برای استفاده از یک ترانسدیوسر وجود نخواهد داشت.
انتقال به کمک جریان الکتریسته و هوا دو روش بسیار معمول در صنعت میباشد. علت به کارگیری هوا به عنوان یک سیال به علت تراکم پذیر بودن و نیز در دسترس بودن آن است. از دیگر مزایای استفاده از هوا تهیه ارزان و نیز عدم خورندگی آن میباشد.
مبدلها یا ترنسدیوسرها در حالت کلی ابزارهایی هستند که خروجی های مختلف تولیدی توسط دستگاههای اندازه گیری را به خروجی الکتریکی یا هوای فشرده تبدیل می نمایند. انتقال به روش هوای فشرده را روش نیوماتیکی نیز می گویند.
ترنسمیترها
خروجی هر کدام از ترنسدیوسرهای الکتریکی یا نیوماتیکی می تواند بازههای مختلفی داشته باشد. مثلاً خروجی یک ترنسدیوسر الکتریکی می تواند از چند میلیآمپر تا چندین آمپر باشد. برای عملکرد ساده تر سیستم کنترلری و آسانتر شدن مقایسه سیگنالهای اندازهگیری با سیگنالهای مطلوب، معمولاً ترجیح داده میشود سیگنالهای ورودی به کنترلرها در یک بازه مشخص باشند. ترنسمیترها وظیفه تقویت سیگنالهای خروجی از مبدلها و انتقال آنها را دارند. معمولاً ترنسمیترها، سیگنالهای الکتریکی ورودی را به سیگنال استاندارد ۲۰-۴ میلی آمپر و سیگنال نیوماتیک ورودی را به سیگنال استاندارد psi ۱۵ -۳ تبدیل و منتقل می کنند. سیگنالهای ۲۰-۴ میلیآمپر و psi ۱۵ – ۳، استانداردهای جهانی برای انتقال اطلاعات در سیستمهای کنترلی می باشند.
حد پایین سیگنالهای استاندارد صفر انتخاب نشده است. چون اگر حد پایین سیگنال، صفر انتخاب شود، در دو حالت سیگنال ورودی به کنترلر صفر خواهد بود. یک حالت زمانی است که متغیر مورد اندازه – گیری در حد پایین خود قرار دارد و حالت دیگر زمانی اتفاق میافتد که سیمهای انتقال جریان الکتریکی قطع شوند و یا مثلاً خطوط لوله انتقال دهنده هوای فشرده شکسته شوند. بنابراین کنترلرها و همچنین اپراتورها نمی توانند بین این دو وضعیت تفاوتی قائل شوند و مشکلات پیش آمده در واحد تشخیص داده نخواهد شد. ولی در حالت استاندارد که حد پایین مقداری غیر از صفر میباشد، در صورتیکه کنترلر سیگنال صفر دریافت کند، نشان دهنده وجود مشکلات در خطوط انتقال خواهد بود. از آنجائیکه در کنترل فرآیندهای صنعتی غالباً نیاز به سنسور، ترانسدیوسر و ترانسمیتر می باشد کمپانی های سازنده این سه عنصر را معمولاً یکجا و بصورت یک دستگاه می سازند.
کنترلر
کنترلر یا کنترل کنندهها مغز متفکر سیستمهای کنترلی میباشند. خروجی ها یا سیگنالهای اندازه گیری توسط ترنسمیتر به کنترلر، انتقال مییابند تا کنترلر به کمک این اطلاعات و براساس تابعی که برای آن تعریف شده است، تصمیمات لازم برای عکس العمل مورد نیاز را بگیرد. کنترل کننده با مقایسه سیگنال اندازه گیری با مقدار مطلوب و انجام محاسبات لازم، مقادیر متغیرهای تنظیم شونده را تعیین می کند.
برای کنترل فرآیندهای مختلف، انواع مختلفی از کنترلرها با تنظیمات و پیچیدگیهای متفاوتی استفاده می شوند. کنترلرهای قدیمی سادهتر و متشکل از چند مدار الکتریکی بودند ولی امروزه معمولاً از کامپیوترها و با تعریف توابع بصورت نرم افزاری برای کنترل فرآیندها استفاده میشود. ولی اصول کلی کار کرد کنترل کنندههای نیوماتیک، الکترونیک و توابع نرم افزاری یکسان میباشد.
عنصر نهایی کنترل
تصمیمات گرفته شده توسط کنترلر، به وسیله عنصر نهایی کنترل به اجرا گذاشته می شود. این المان آخرین عضو یک حلقه کنترل می باشد. در فرآیندهای شیمیایی معمولاً عنصر نهایی کنترل یک شیر میباشد. برای مثال اگر کنترل کننده تصمیم بگیرد که جریان خروجی را افزایش یا کاهش دهد تا ارتفاع سطح مایع در یک مخزن را در حد مطلوب نگهدارد. این کار توسط عنصر نهایی کنترل که یک شیر که به میزان خاصی باز یا بسته می شود، انجام می پذیرد.
محرک
محرک زمانی که در یک سیستم کنترل، عضو کنترل نهایی یک شیر باشد، امکان انتقال مستقیم فرمان به آن وجود ندارد. به همین علت از دستگاهی که به آن محرک یا Actuator گفته می شود، استفاده می کنند تا فرمان ارسالی از کنترلر را دریافت نموده و موجب به حرکت در آمدن بند آور شیر شود. به عبارت دیگر وظیفه مهم محرک، تامین انرژی لازم برای به حرکت در آوردن بند آور شیر میباشد. این انرژی می تواند از یک منبع انرژی الکتریکی و یا هوای فشرده مداری نیوماتیکی باشد.
بسیاری از تولید کنندگان عنصر نهایی و محرک مربوطه را یکجا عرضه می کنند. محرکها دارای انواع مختلفی هستند. مثل محرکهای الکتریکی، محرکهای هیدرولیکی و محرکهای نیوماتیکی.
تقریباً اکثر محرکهای مورد استفاده در صنایع شیمیایی محرکهای نیوماتیکی میباشند. یکی از دلایل استفاده از این محرکها ایمنی بیشتر و عملکرد ساده و تمیزتر میباشد. محرکهای نیوماتیکی از انرژی هوای فشرده برای تولید نیرو استفاده می کنند و میتوانند به شکل دیافراگمی یا پیستونی باشند. این محرکها میتوانند جهت ایمنی واحد بصورت air to close یا air to Open عمل کنند. محرکهای air to close طوری طراحی شدهاند که در صورت قطع شدن هوای ابزار دقیق، شیر کنترل کاملاً باز می شود ولی در محرکهای air to Open با قطع شدن هوای ابزار دقیق، عکس این قضیه اتفاق میافتد. هر یک از این دو نوع محرک براساس شرایط و خطرات مربوط به فرآیند و سیال درون لوله انتخاب می شوند. به عنوان مثال معمولاً شیرهای کنترل سوخت air to open میباشند.
معمولاً از محرکهای هیدرولیکی برای باز کردن شیرهای بسیار بزرگ و در خطوط با فشار بالا استفاده می شود. محرکهای الکتریکی شامل محرکهای سلونوئیدی یا موتوری می باشند. از سلونوئیدها برای حالتی که شیر فقط باید وضعیت باز یا بسته داشته باشد، استفاده می شود ولی برای کنترل پیوسته شیرها از الکتروموتورها استفاده میشود.
ثبت کننده ها و نمایشگرها
ثبت کنندهها و نمایشگرها از دیگر اجزاع یک سیستم کنترل می باشند. ثبت کنندهها یا Recorders تجهیزاتی هستند که به منظور ثبت تغییرات و رفتار فرآیندها در طول شبانه روز استفاده می شوند. در واحدهای قدیمی اطلاعات روی صفحات کاغذی ثبت می شدند ولی امروزه به منظور افزایش کیفیت و ثبت و بازیابی دقیقتر اطلاعات از کامپیوترها و حافظه های دیجیتالی برای ثبت اطلاعات استفاده می – شود. نمایشگرها نیز برای نمایش چگونگی رفتار واحد بکار می روند و می توانند عقربهای یا دیجیتال باشند. همچنین برای نشان دادن آلارمها از چراغهایی که روش و خاموش می شوند و معمولاً همراه با آژیر هستند، استفادہ می شود.
