شیر های کنترل

منبع: مجله صنعت تاسیسات شماره 49

از: مهندس عادل قهرمانی

شرکت صنایع پایدار ایده

ماخذ: Sprax Sarco Tech.Ref

اکچوایتورها

وظیفه اکچوایتور در شیرهای کنترل تأمین نیروی لازم جهت باز و بسته کردن شیر و قراردادن آن در موقعیت مطلوب و متناسب با سیگنال ارسالی از طرف کنترلر میباشد. اکچوایتورها در انواع مختلف نئوماتیک، الکتریکی و یا خود عملگر (Self Acting) موجود بوده و با توجه به وضعیت سیستم انتخاب و استفاده میشوند.

اکچوایتورهای نئوماتیک

در این نوع اکچوایتورها، نیروی لازم جهت حرکت شیر از طریق هوای فشرده تأمین می شود که به بالا و یا پایین دیافراگم قابل انعطاف موجود در محفظه اکچوایتور اعمال می گردد. در شکل ۱ اکچوایتور نئوماتیک مدل PN1000 به همراه شیر کنترل سری C کارخانه Spirax Sarco نشان داده شده است. فشار هوای اعمالی به دیافراگم باعث اعمال نیرو به ساقه شیر میشود که میزان آن بستگی به سطح دیافراگم دارد. نیروی مخالف فنر جهت بازگرداندن شیر به وضعیت اولیه در صورت کم شدن سیگنال فشار هوا و یا بستن کامل شیر در صورت قطع فشار هوا میباشد. میزان فشار هوا از طرف پوزیشنر و کنترلر تنظیم می گردد. قسمت Plug شیر از یک طرف به ساقه(Stem) و از طرف دیگر به دیافراگم متصل است و در نتیجه حرکت دیافراگم باعث حرکت شیر خواهد شد.
به منظور غلبه بر نیروی مقاوم در شیرهای بزرگ تر و یا اختلاف فشارهای بیشتر اکچوایتورهای مقاوم تری مورد نیاز است که این امر مستلزم استفاده از دیافراگم های با سطح بیشتر و فنرهای مستحکم تر میباشد. به همین علت اکچوایتورهای متنوعی با سایزهای مختلف برای یک شیر خاص طراحی و تولید می گردند. نحوه آرایش دیافراگم و فنر نسبت به یکدیگر تعیین کننده نحوه عملکرد اکچوایتور Direct acting و یا Reverse acting می باشد که میتواند شیر را برای حالت عادی Normally open یا Normally close مورد استفاده قرار دهد. واضح است که قطع سیگنال هوا (از طرف کنترلر و پوزیشنر)، منجر به کاملاً باز و یا بسته شدن شیر با توجه به اکچوایتور انتخابی خواهد شد. میزان سیگنال هوایی که غالباً جهت کنترل اکچوایتورها استفاده میشود اکچوایتور شیر در وضعیت طبیعی خود و دقیقاً در آستانه حرکت قرار می گیرد. در صورت افزایش این سیگنال شیر حرکت کرده تا در سیگنال ۱bar به ماکزیمم وضعیت کاری خود برسد. اختلاف فشار ناشی از گذر جریان از شیر نیز باعث اعمال نیرو به ساقه شیر میگردد که با توجه به نوع چیدمان فنر و دیافراگم در اکچوایتور، ممکن است با نیروی هوا جمع شده و یا در برابر آن قرار گیرد.
بنابراین به طور مثال اگر سیگنال ارسالی برابر 0/6bar باشد، انتظار اولیه این است که شیر در حالت ۵۰% قرار گیرد در صورتی که عملا این میزان کمتر و یا بیشتر خواهد بود. به همین جهت کالیبره کردن شیر در هنگام راه اندازی ضروری می باشد. البته با تنظیماتی که روی کنترلر انجام میشود میتوان حداقل و حداکثر باز و بسته شدن شیر و با سرعت حرکت و محل قرارگیری شیر نسبت به سیگنال ارسالی و …. را تعیین نمود.

شکل۱: اکچوایتور نئوماتیک نصب شده روی شیر کنترل دوراهه

پوزیشنر نئوماتیک

همانطور که ذکر شد، در بسیاری از کاربردها ممکن است به اکچوایتورهای مقاوم تری نیاز باشد که احتیاج به سیگنال هوای قوی تری دارند به علت محدودیت سیگنال قابل ارسال از طرف کنترلرها (حدود bar) از وسیله رابطی به نام پوزیشنر استفاده می شود. پوزیشنر به قسمت ساقه شیر وصل شده و در نقش رابط بین سیگنال ارسالی از طرف کنترلر و موقعیت دقیق شیر عمل می کند. با توجه به سیگنال ورودی به پوزیشنر از طرف کنترلر، میزان متناسبی از هوا به اکچوایتور ارسال میگردد تا شیر دقیقا در محل خود قرار گیرد. در واقع پوزیشنر دو ورودی جهت هوا از طرف کنترلر با سیگنال هوای ضعیف و از طرف منبع هوای فشرده با فشار هوای زیاد داشته و سیگنال خروجی هوای لازم جهت ارسال به اکچوایتور را فراهم میکند پوزیشتر در سیستمهای نئوماتیک مشابه آمپلی فایر در سیستم های الکترونیک
می باشد. به طور خلاصه می توان گفت پوزیشنر امکانات زیر را فراهم می نماید :

• بدون توجه به تغییرات افت فشار شیر، اصطکاک ساقه پسماند در دیافراگم . . .وبا توجه به سیگنال ارسالی از طرف کنترلر شیر را دقیقا در وضعیت از پیش تعریف شده قرار میدهد.
• جهت تقویت سیگنال ارسالی از طرف کنترلر به کار می رود.
• بعضی از پوزیشنرها می توانند به صورت الکترونئوماتیک عمل کنند بدین صورت که سیگنال الکتریکی را از طرف کنترلر دریافت و سیگنال نئوماتیک لازم را به اکچوایتور می فرستند. بعضی از پوزیشنرها نیز به صورت نئوماتیک به نئوماتیک هستند که قابلیت دریافت سیگنال نئوماتیک از طرف کنترلر را دارند (نظیر مدل PPS کارخانه (Spirax Sarco)
• بعضی از پوزیشنرها می توانند به عنوان کنترلر نیز عمل کرده و سیگنال ورودی را مستقیما از طرف ستور دریافت نمایند (مدل PN600 کارخانه Spirax Sarco)
• به منظور سرعت بخشیدن به عمل باز و بسته شدن شیرها از پوزیشتر استفاده می گردد.
• به منظور خطی کردن کنترل اکچوایتورهایی که غیر خطی میباشند از ای وسیله استفاده می شود.

شکل۲: پوزیشنر الکترونئوماتیک مدل SP2 کارخانه Spirax Sarco

اکچوایتورهای الکتریکی

هر جا که استفاده از هوای فشرده مقدور و یا مطلوب نباشد میتوان از اکچوایتورهای الکتریکی جهت فرمان به شیر استفاده کرد. این اکچوایتورها دارای موتور الکتریکی با ولتاژهای ،۲۴، ۱۱۰، ۲۲۰، ۲۲۰ ولت، با توجه به نوع درخواست می باشند.

انواع اکچوایتورهای الکتریکی

اکچوایتورهای الکتریکی به دو گروه عمده On/off (باز و بسته) Modulating (تدریجی) با توجه به نیاز سیستم و نوع کنترل فرایند تقسیم می شوند.

الف) کنترل قطع و وصلی:

در این نوع اکچوایتورها شیر در حالت فقط باز و یا بسته قرار گرفته و به اکچوایتورهای VMD یا (Valve Motor Drive) معروف هستند. از از اکچوایتورهای VMD در حالت تدریجی نیز می توان استفاده نمود به شرطی که سرعت پایین حرکت شیر، سیستم کنترل را دچار اختلال نکند.

این اکچوایتورها توسط سوئیچهای قطع و وصل که به منبع ولتاژ وصل می باشند هدایت میشوند. تجهیزات محدود کننده حرکت جهت جلوگیری از حرکت بیش از حد موتور و شیر در این نوع اکچوایتورها فراهم شده و سوئیچهای قطع جریان نیز در صورت اعمال گشتاور بیش از حد به شیر قابل تعبیه میباشند (به طور مثال در صورت خرابی و گیر کردن قطعات داخل شیر)

ب) کنترل تدریجی:

به منظور استفاده از شیر در حالت تدریجی و متناسب با درخواست سیستم تدریجی و مناسب با درخواست سیستم از اکچوایتورها سیگنال های کنترل آنالوگ را از طرف کنترلر دریافت کرده و با در نظر گرفتن فیدبک یک پتانسیومتر که تعیین کننده محل قرارگیری شیر میباشد، شیر را به میزان لازم باز و یا بسته می نمایند پتانسیومتر مذکور به پوزیشتر کارت Positioner card معروف می باشد. سوئیچهای محدود کننده حرکت شیر (کورس) نیز در این نوع اکچوایتورها قابل نصب و استفاده میباشند شیرهای نئوماتیک دارای خاصیت ذاتی بسته با باز شدن در حالت قطع جریان هوا هستند. در شیرهای الکتریکی نیز می توان از اکچوایتورهای با فتر برگشت استفاده کرد تا در موقع قطع جریان برق شیر را به وضعیت ترمال خود (باز و یا بسته) برگردانند. شرکت Spirax Sarco محدوده وسیعی از اکچوایتورها را با توجه به نوع ولتاژ (۲۴، ۱۱۰، ۲۲۰ و …) و با قدرت لازم جهت تأمین اختلاف فشار طراحی شده شیر و… تهیه و تأمین کرده است.

شکل۳: سیستم کنترل دما به صورت شماتیک

کنترل کننده ها (Controller)

کنترلرها که در واقع مغز متفکر شیر کنترل هستند رابط بین سیگنال ارسالی از طرف سنسور (که مشخص کننده وضعیت کاری سیستم است) و میزان باز و یا بسته بودن شیر می باشند.

نحوه کار به سادگی شامل تنظیم مقدار پارامتر کنترل شونده دما فشار و جریان و….) روی عدد مطلوب و مقایسه این سیگنال با سیگنال ارسالی از طرف سنسور و سپس تصمیم‌گیری جهت ارسال سیگنال مناسب به طرف اکچوایتور یا پوزیشنر میباشد. کنترل‌ها نیز با توجه به نحوه کارکرد و ساختار داخلی (PT100, Multi loop, Single loop) همچنین اتصالات ورودی و خروجی الکتریک به نئوماتیک، نئوماتیک به نئوماتیک ، الکتریک به الکتریک و….) دارای انواع مختلف هستند. در شکل ۳ اجزاء مختلف شیرهای کنترل به صورت شماتیک نشان داده شده است.

سنسورها

انواع مختلفی از سنسورها و انتقال دهنده ها (Transducers) جهت اندازه گیری فشار، دما، جریان، رطوبت، سطح و…. مورد استفاده قرار می گیرند. وظیفه سنسور اندازه گیری متغیر مورد نظر در سیستم کنترل و ارسال سیگنال به کنترلر می باشد. خروجی سنسورها نیز دارای انواع مختلف جریان ولتاژ و… است.

این سیگنال در بیشتر موارد بسیار کوچک و ضعیف بوده و در نتیجه نیاز به استفاده از تقویت کننده سیگنال جهت انتقال به کنترلر میباشد. سیستم انتقال سیگنال بین سنسور و کنترلر باید به درستی در نظر گرفته و اجرا شود تا خطا را به حداقل برساند. سورهای دما غالباً از نوع
RTD(Resistance Temperature Detector) میباشند که در صنعت به المان‌های PT100
معروف هستند دارای مقاومت ۱۰۰ اهم در دمای صفر درجه سانتیگراد) این سنسورها می توانند در مدل‌ها و طول‌های مختلف بین محدوده های متفاوت ۲۰۰ تا ۸۰۰ کار کنند. سنسورها دارای انواع دیگری مانند ترموکوپل ترمیستور ستورهای فشار سنسور مخصوص شیرهای ترموستاتیک و … هستند.

پاره ای از نکات لازم جهت استفاده از شیرهای کنترل

انتخاب سایز شیرهای کنترل آب و یا بخار باید با دقت انجام شود و مطالب عنوان شده در شماره های پیشین رعایت گردد. قطر بزرگ تر از حد لازم برای شیرها، علاوه بر افزایش هزینه خرید شیر، باعث فرسودگی سریع تر آن خواهد شد؛ زیرا شیر در بارهای کم در حالت نزدیک به بسته کار کرده و به علت ایجاد فاصله کوچک بین قسمت پلاگ شیر و نشیمنگاه آن سرعت سیال در این قسمت زیاد شده باعث خورده شدن و ایجاد صدمه به قسمت‌های داخلی خواهد گردید. به علاوه کوچک ترین حرکت در شیر باعث تغییرات زیاد در میزان گذر سیال میشود و عدم کنترل دقیق را به همراه خواهد داشت.

از آنجا که اکثر مشکلات شیرهای کنترل بخار بر اثر ورود بخار مرطوب و یا اجسام خارجی به وجود می آید، حتماً باید از سپریتور و صافی قبل از این شیرها (خصوصاً شیرهای کنترل الکتریکی و نئوماتیک) استفاده نمود. صافی‌ها باید به صورت افقی نصب شوند تا از جمع شدن آب داخل آن‌ها جلوگیری به عمل آید در هنگام راه اندازی سیستم آب باقی مانده در صافی با سرعت به طرف شیر حرکت کرده و ایجاد ضربه و صدمه خواهد نمود). صافیها باید به صورت دوره ای و با برنامه زمانی تمیز و سرویس گردند. لوله های خروجی و ورودی شیرهای کنترل باید طوری اندازه گذاری شوند که سرعت بخار در حدقابل قبول بین چهار تا شش هزار فوت در
دقیقه باقی بماند. ضمناً هنگام استفاده از تبدیل برای کاهش قطر لوله ها باید از تبدیل‌های Bocentric استفاده نمود که قسمت تحتانی آن‌ها صاف است (به منظور جلوگیری از جمع شدن آب در پشت تبدیل)

با رعایت موارد زیر میزان صدای ناشی از گذر جریان از شیرهای کنترل حداقل خواهد بود:

• اجتناب از تغییر مسیر ناگهانی در جهت جریان استفاده از خم‌های با شعاع زیاد و نیز اتصالات ۷ شکل به جای اتصالات T شکل
• رعایت سرعت مناسب بین ۴۰۰۰fpm تا ۶۰۰۰۲ برای شیرهای کنترل بخار تغییر تدریجی قطر لوله قبل و بعد از شیر (در صورت نیاز)
• نصب لوله های مستقیم و با طول کافی قبل و بعد از شیر
• بیشترین صدای تولید شده در شیرهای کنترل به علت استفاده شیر در نقطه بحرانی به ویژه در جریانهای زیاد می باشد. نصب یک دیفیوزر صدا در خروجی شیر منجر به کاهش سطح صدا تا حدود ۱۵۵۰ خواهد شد.

سنسور دما یا فشار این شیرها باید کاملاً در سیال فرو رفته و جریان کامل و مناسبی دور آن برقرار باشد تا کمترین خطا را ایجاد نماید. Capillary يا لوله مخصوص شیرهای ترموستاتیک باید در مجاورت محیط‌های خیلی گرم و یا سرد قرار نگرفته و در صورت لزوم به نحو مناسب محصور شود. ضمناً توجه گردد تا از خم شدن زیاد و یا پیچیده شدن Capillary جلوگیری شود تا مانع انقباض و انبساط به موقع مایع داخل آن نشده و عمل کنترل و صدور فرمان به شیر به درستی انجام گیرد.
دقت گردد تا اتصالات و سیم کشی بین اجزاء مختلف شیر کنترل سنسور، کنترلر پوزیشنر و اکچوایتور به درستی و طبق دفترچه راهنما که همراه این اجزاء ارائه می گردد، انجام شده و نکات ایمنی در مورد حفاظت کامل آنها در نظر گرفته شود.

اگر شما هم مشتاق یادگیری تخصصی و حرفه ای طراحی موتورخانه و انتخاب تجهیزات با اساتیدی مجرب هستید میتوانید در دوره آموزشی طراحی موتورخانه و انتخاب تجهیزات ثبت نام کنید.