فرض کنید می‌خواهید فشار گاز درون یک مخزن را به صورت بسیار دقیق و پیوسته کنترل کنید. انجام چنین کاری نیازمند دریافت فیدبک مداوم از فشار مخزن و تنظیم دقیق فلوی گاز ورودی آن متناسب با فیدبک دریافتی است.
کنترلر PID می‌تواند برای تولید فرمان کنترل، گزینه مناسبی باشد؛ اما برای اِعمال این استراتژی کنترلی، باید از یک ولو کنترل‌شونده با قابلیت دریافت فرمان متغیر و پیوسته، برای کنترل فلوی گاز ورودی مخزن استفاده کرد.
در این مقاله، کنترل ولو (ولو کنترلی) را به‌عنوان یکی از پرکاربردترین تجهیزات کنترلی در حوزه صنعت معرفی می‌کنیم. برای یادگیری کاربرد عملی این تجهیز در صنعت میتوانید آموزش اتوماسیون صنعتی را در آکادمی ماهر تهیه کنید.
معرفی کنترل ولو
کنترل ولو، ولوی است که میزان فلوی سیّال را از طریق تغییر اندازه مسیر جاری شدن آن بر اساس یک سیگنال کنترلی، تنظیم می‌کند. استفاده از کنترل ولو امکان کنترل مستقیم فلو را فراهم می‌کند و از طریق آن میتوان مؤلفه‌های پروسه (فرایند) مانند فشار، دما و سطح سیّال را نیز کنترل کرد.
باز و بسته شدن اتوماتیک ولو معمولاً با عملگرهای (Actuator) الکتریکی، هیدرولیکی یا پنوماتیک انجام می‌شود. یک ولو می‌تواند از وضعیت کاملاً بسته تا وضعیت کاملاً باز تغییر حالت دهد. درجه باز بودن مطلوب ولو توسط دستگاهی به نام پوزیشنر (Positioner) تنظیم می‌شود. استفاده از ولوهای بادی (پنوماتیک) در صنعت، رایج‌تر است؛ زیرا این ولوها تنها به هوای پرفشار برای کار کردن نیاز دارند.
مشکل ولوهای الکتریکی (موتوری) این است که نیاز به کابل‌کشی و مدار حفاظت دارند. ولوهایی که به‌صورت هیدرولیک راه‌اندازی می‌شوند نیز نیاز به روغن هیدرولیک پرفشار و مسیر بازگشت روغن دارند که استفاده از آن‌ها را دشوار می‌کند. در شکل ۱ نمای سه نوع کنترل ولو پنوماتیک، هیدرولیک و الکتریکی مشاهده می‌شود.
در سیستم‌های قدیمی، فرمان کنترل ولو پنوماتیک، به وسیله سیگنال هوا با فشار ۳psi تا ۱۵psi اعمال می‌شد. اما در سیستم‌های مدرن از سیگنال‌های الکتریکی استاندارد ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر یا ۰ تا ۱۰ ولت برای کنترل ولوِ پنوماتیک استفاده می‌شود. شکل ۲ روند کار یک کنترل ولو (ولو کنترلی) به‌وسیله سیگنال استاندارد ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر را نشان می‌دهد.
همان‌طور که در شکل ۲ دیده می‌شود، سیگنال کنترل و هوای فشرده وارد پوزیشنر می‌شوند و پوزیشنر، سیگنال هوا را متناسب با سیگنال کنترلی ایجاد و به کلاهک ولو اِعمال می‌کند. بسته به میزان فشار سیگنال هوا، مسیر ولو به اندازه تعیین‌شده باز یا بسته می‌شود. در ادامه به شکل دقیق‌تر، عملکرد ولو کنترلی را شرح می‌دهیم.
مکانیزم عملکرد کنترل ولو
یک کنترل ولو اتوماتیک از سه بخش اصلی تشکیل شده است که هر یک چندین نوع طراحی مختلف دارند.
- عملگر (Actuator): این بخش، اجزای تنظیم‌کننده عبور سیّال را حرکت می‌دهد.
- پوزیشنر (Positioner): این بخش میزان باز بودن ولو به‌اندازه مطلوب را با اِعمال کنترل بر عملگر تعیین می‌کند.
- بدنه (Body): بخشی است که اجزای مکانیکی تنظیم‌کننده عبور سیّال در آن جای می‌گیرند.
شکل ۳ نمایی از اجزای درونی عملگر و بدنه کنترل ولو را نمایش می‌دهد.
دسته‌بندی کنترل ولو از لحاظ عملکرد
عملکرد ولوهای کنترلی، بسته به طراحی و جایگاه مورد استفاده آن‌ها متفاوت است. این ولوها از لحاظ عملکرد به دو دسته ATO و ATC تقسیم‌بندی می‌شوند.
- Air to Open یا ATO: در این ولوها با افزایش سیگنال کنترل مسیر ولو باز و فلوی سیّال افزایش می‌یابد.
- Air to Close یا ATC: افزایش سیگنال کنترل در این ولوها باعث بسته شدن ولو و کاهش فلوی سیّال می‌شود.
دسته‌بندی کنترل ولو از لحاظ واکنش ایمن
کنترل ولوها هنگام قطعی سیگنال کنترلی (Fail-Safe Mode)، بسته به نوع و جایگاه‌شان در پروسه به دو شکل مختلف از خود واکنش ایمن نشان می‌دهند.
- Fail-Open یا FO: این ولوها با رخ دادن خطای قطع شدنِ سیگنالِ هوا، در اثر فشارِ فنر باز می‌شوند.
- Fail-Closed یا FC: هنگام قطع شدن سیگنال هوای عملگر، فشار فنر موجب بسته شدن این ولوها می‌شود.
تفاوت ولوهای کنترلی هم از لحاظ نوع عملکرد و هم از لحاظ واکنش ایمن در شکل ۴ نشان داده شده است.
همان‌طور که در شکل ۴ می‌بینید، ساختار داخلی طراحی ولوهای کنترلی، تعیین‌کننده نحوه عملکرد آن‌ها است. ولوِ سمت چپ از نوع ATO است؛ یعنی در حالتی که سیگنال کنترل اِعمال نشده، پلاگِ ولو پایین و مسیر سیال کاملاً بسته است. با فشار سیگنال هوا از پایینِ کلاهکِ ولو، دیافراگم بالا می‌رود و به نسبتِ سیگنالِ فشارِ اِعمال‌شده، مسیر عبور سیال باز می‌شود.
بالا رفتن دیافراگم موجب شارژ شدن فنر شده و به‌محض قطع شدن سیگنال هوا، فشار فنر دوباره پلاگ را پایین می‌آورد و مسیر فلوی سیّال بسته می‌شود؛ بنابراین این ولو از لحاظ واکنش ایمن از نوع FC است.
برخلاف ولو سمت چپ، ورودی سیگنال هوای ولو سمت راست بالای کلاهک قرار دارد. در حالتی که سیگنال فرمان صفر باشد، پلاگ بالاست و مسیر ولو کاملاً باز است. افزایش سیگنال هوا منجر به بسته‌شدن ولو می‌شود.
بسته به اندازه سیگنال، مسیر فلوی سیّال از صفر تا صد درصد بسته می‌شود؛ بنابراین این ولو از نوع ATC است. همچنین، با توجه به شکل قرارگیری فنر و حالت دیافراگم میتوان به‌آسانی دریافت که از لحاظ واکنش ایمن این ولو از نوع FO است.
انواع پوزیشنر در ولوهای پنوماتیک
چنان‌که گفته شد، استفاده از ولوهای پنوماتیک در صنعت بسیار گسترده‌تر از دیگر انواع کنترل ولو (شیر کنترلی) است. در این بخش به معرفی انواع پوزیشنر در این نوع ولوها می‌پردازیم.
کار اصلی پوزیشنر تحویل هوای پرفشار به عملگر (Actuator) ولو است به شکلی که موقعیت ساقه (شفت) ولو منطبق با ست‌پوینتِ صادر شده از سوی کنترلر باشد. هر پوزیشنر نیازمند دریافت فیدبک از وضعیت ولو است و سیگنال فشار پنوماتیک را برای باز و بسته شدن ولو به عملگر (Actuator) تحویل می‌دهد.
محل نصب پوزیشنر باید در نزدیکی شیر کنترلی باشد. برای کنترل یک ولو، سه نوع پوزیشنر پنوماتیک، آنالوگ و دیجیتال وجود دارد که در ادامه، عملکرد هر یک را شرح می‌دهیم. شکل ۵، نمای ظاهری یک پوزیشنر رایج در صنعت را نشان می‌دهد.
پوزیشنر پنوماتیک (Pneumatic Positioner)
یکی از راه‌های کنترل یک ولو استفاده از سیگنال هواست. فشار هوای سیگنال، بین ۳psi تا ۱۵psi تغییر می‌کند و ولو از صفر تا صد درصد باز یا بسته می‌شود. در شکل ۶، اجزای تشکیل‌دهنده و مکانیزم عملکرد یک پوزیشنر پنوماتیک را می‌بینید.
در یک پوزیشنر پنوماتیک، وضعیت ساقه ولو متناسب با وضعیت «بِلو»یی است که سیگنال هوا را دریافت می‌کند. بلو (Bellow) یک تیوب آکاردِئونی‌شکل است که با ورود هوا طول آن افزایش می‌یابد. با افزایش سیگنال، بِلو منبسط می‌شود و یک میله را حرکت می‌دهد. میله حول تکیه‌گاه خود می‌چرخد و «فلَپِر» (Flapper) را به «نازل» (Nozzle) نزدیک می‌کند.
افزایش فشار نازل باعث افزایش فشار هوا در عملگر ولو شده و از طریق رله‌های تقویت‌کننده، سیگنال هوا به ولو اِعمال می‌شود. در مرحله بعد، قطعه‌ای به نام «کَم» (Cam) فیدبک حرکت ساقه ولو را به میله بازمی‌گرداند. با چرخش کَم (Cam)، میله حول تکیه‌گاه خود می‌چرخد و فشار جلوی نازل را کمی کاهش می‌دهد. با کاهش فشار نازل، فشار هوای عملگر روی ولو نیز کاهش می‌یابد. این روند کاهش و افزایش فشار تکرار می‌شود تا ساقه ولو به وضعیت متعادل برسد.
در حالتی که سیگنال ورودی کاهش یابد، بِلو به‌وسیله فنر داخلی‌اش منقبض می‌شود، میله می‌چرخد، فلَپِر از جلوی نازل عقب می‌رود و کاهش فشار نازل، فشار روی عملگر ولو را از طریق آزاد کردن دیافراگم، کاهش می‌دهد. با بالا رفتن ساقه درجه باز بودن ولو تغییر می‌کند. پس از آن، مشابه آنچه برای افزایش سیگنال گفته شد، مرحله متعادل‌کردن ساقه نیز انجام می‌شود.
پوزیشنر آنالوگ (Analog Positioner)
در پروسه‌های کنترلی مدرن، از سیگنال استاندارد ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر DC برای کنترل تجهیزات استفاده می‌شود. برای کنترل یک کنترل ولو با سیگنال ۴mA تا ۲۰mA باید این سیگنال به سیگنال هوای ۳psi تا ۱۵psi تبدیل شود. در پوزیشنر آنالوگ، بخشی به‌نام I/P این وظیفه را برعهده دارد. مبدل I/P با استفاده از یک ترکیب «فلَپِر-نازل» (Flapper-Nozzle) به‌همراه یک سیم‌پیچ (بوبین) سیگنال الکتریکی را به سیگنال هوا (پنوماتیک) تبدیل می‌کند. در شکل ۷ نحوه کار یک مبدل I/P را مشاهده می‌کنید.
در مبدل I/P سیگنال آنالوگ ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر و فشار هوای ثابت ۲۰psi دریافت شده و سیگنال هوای متغیر ۳psi تا ۱۵psi تحویل پوزیشنر می‌شود. همان‌طور که در شکل ۷ می‌بینید، افزایش سیگنال الکتریکی در سیم‌پیچ، میدان مغناطیسی را افزایش داده و هسته درون سیم‌پیچ، متناسب با جریان جابجا می‌شود.
هر چه جریان بیشتر شود، هسته پایین‌تر می‌رود و سیستم فلَپِر-نازل (Flapper-Nozzle) باعث افزایش فشار هوا در مسیر شده و در پایان، رله تقویت‌کننده (Booster Relay) هوا را متناسب با افزایش جریان الکتریکی با فشار ۳psi تا ۱۵psi به سمت پوزیشنر هدایت می‌کند.
با توجه به آنچه گفته شد، عملکرد پوزیشنر آنالوگ، دقیقاً مشابه پوزیشنر پنوماتیک است با این تفاوت که ابتدا سیگنال کنترلی الکتریکی به‌وسیله مبدل I/P به سیگنال هوای استاندارد تبدیل می‌شود، سپس این سیگنال با استفاده از مکانیزم پوزیشنر پنوماتیک که پیش‌تر شرح داده شد، به عملگر ولو اعمال می‌شود (شکل ۸).
پوزیشنر دیجیتال (Digital Positioner)
پوزیشنرهای دیجیتال قابلیت‌هایی فراتر از کنترل میزان باز و بسته بودن ولو را ارائه می‌دهند. این پوزیشنرها دارای ریزپردازنده هستند. ریزپردازنده امکان عیب‌یابی و برقراری ارتباط دوسویه بین واحد کنترلی و کنترل ولو را به کاربر می‌دهد که موجب آسان شدن نصب کنترل ولو و رفع عیب سیستم می‌شود.
یک پوزیشنر دیجیتال، سیگنال کنترل را دریافت می‌کند و با پردازش آن یک سیگنال راه‌انداز برای مبدل I/P تولید می‌کند. همچنین این پوزیشنر از یک الگوریتم کنترل وضعیت بهره می‌برد که بسیار کارا‌تر از ترکیب مکانیکی میله، کَم، فلَپِر و نازل در پوزیشنر پنوماتیک و آنالوگ است. شکل ۹ نمونه‌ای از یک پوزیشنرِ دیجیتال است.
مثال‌هایی از کاربرد کنترل ولو در صنعت
چنان‌که گفته شده کنترل ولو در پروسه‌های صنعتی بسیار پرکاربرد است. در اینجا دو مثال کنترل سطح مخزن و کنترل دمای بویلر با استفاده از کنترل ولو (شیر کنترلی) را ارائه خواهیم داد.
کنترل سطح مخزن
برای کنترل سطح مخزن روی یک مقدار مشخص باید فلوی سیّال ورودی را با توجه به تغییرات سطح سیال درون آن کنترل کرد. یکی از رایج‌ترین روش‌ها برای این کار کنترل پیوسته فلوی ورودی با استفاده از کنترل ولو است. شکل ۱۰ نحوه کنترل سطح مخزن را با استفاده از کنترل ولو نشان می‌دهد.
همان‌طور که در شکل ۱۰ می‌بینید، PLC سطح مخزن را از ترنسمیتر سطح‌سنجی که بالای مخزن نصب شده به‌عنوان فیدبک دریافت می‌کند و با استفاده از برنامه کنترلی خود سیگنال آنالوگ ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر را برای ولو ارسال می‌کند. سپس کنترل ولو با تنظیم فلوی سیال، سطح مخزن را روی ست‌پوینت تعیین‌شده کنترل می‌کند.
کنترل دمای بویلر
دمای یک بویلر گازی با تنظیم توان مشعل آن انجام می‌شود. در این مثال، برای کنترل فلوی گازِ مشعل بویلر از یک کنترل ولو استفاده شده است. در شکل ۱۱، تصویر عملکرد شیر کنترلی در حلقه کنترلی بویلر را مشاهده می‌کنید.
همان‌طور که شکل ۱۱ مشاهده می‌شود. PLC سیگنال فرمان را با در نظر گرفتن فیدبک دمایی که از RTD می‌گیرد، برای کنترل ولو ارسال می‌کند. کنترل ولو با تنظیم فلوی گاز، توان مشعل و در پی آن دمای بویلر را کنترل می‌کند.
برندهای مشهور کنترل ولو
برندهای متعددی در طراحی و ساخت کنترل ولو (ولو کنترلی) در جهان فعال هستند. در این بخش، برخی برندهای معتبر و پرکاربرد کنترل ولو معرفی می‌شوند.
کنترل ولو فیشر (Fisher)
برند آمریکایی فیشر یکی از برندهای قدیمی و پیشرو در ساخت کنترل ولو است. این برند در سال ۱۸۸۰ تأسیس شد؛ اما در سال ۱۹۹۲ توسط کمپانی امرسون (Emerson) خریداری شد و امروزه زیرمجموعه این کمپانی بزرگ و خوشنام به شمار می‌رود.
ولوهای ساخت فیشر در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی، غذایی و پلنت‌های نیروگاهی کاربرد گسترده‌ای دارند. این ولوها در پروسه‌های خطرناک و کاربردهای پرفشار و مستعد انفجار از قابلیت اطمینان بالایی برخوردارند. شکل ۱۲ یک نمونه ولو برند فیشر را نشان می‌دهد.
کنترل ولو هانیول (Honeywell)
برند معتبر هانیول هم از برندهای آمریکایی بازار اتوماسیون است؛ هرچند این شرکت در نقاط دیگر جهان نیز شعبه‌های تولید و عرضه دارد. هانیول به جز تجهیزات ابزاردقیق در تولید تجهیزات مربوط به هوافضا و سیستم‌های خودران (وسایل نقلیه بدون سرنشین) نیز فعال است.
کنترل ولوهای هانیول در صنایع بسیار از جمله نفت، گاز، پتروشیمی، فولاد و نیروگاه‌های برق پرکاربرد هستند. در کاربردهای شهری، تجاری و مسکونی مانند سیستم‌های تهویه و تصفیه‌خانه آب نیز از ولوهای این شرکت استفاده می‌شود. در شکل ۱۳ یکی از کنترل ولوهای شرکت هانیول را می‌بینید.
کنترل ولو ماسونیلان (Masoneilan)
برند ماسونیلان هم یک برند آمریکایی است که کنترل ولوهای باکیفیتی را تولید می‌کند. این برند در سال ۱۸۸۲ تأسیس شد؛ اما در حال حاضر، زیرمجموعه کمپانی بزرگ جنرال الکتریک (General Electric) به شمار می‌رود و در ماشین‌آلات ساخت جنرال الکتریک تنها از این برند کنترل ولو استفاده می‌شود. ولوهای ماسونِیلان در صنایع نفت و گاز و نیروگاه کاربرد زیادی دارند. شکل ۱۴ نمای ظاهری یک کنترل ولو ماسونیلان را نشان می‌دهد.
کنترل ولو سامسون (Samson)
برند آلمانی سامسون در سال ۱۹۰۷ تأسیس شد. کنترل ولوهای سامسون در تنوع بسیار گسترده تولید می‌شوند. کاربرد این ولوها در صنایع شیمیایی و پتروشیمی، نیرو و انرژی، صنایع نفت و گاز، مواد غذایی و آشامیدنی، متالورژی و معدن، داروسازی، کشتی‌سازی، آب و فاضلاب و صنعت خمیر و کاغذ رایج است. در شکل ۱۵ یک کنترل ولو سامسون نشان داده شده است.
از برندهای مشهور دیگری که در ساخت کنترل ولو (شیر کنترلی) فعال هستند، میتوان زیمنس (Siemens)، ABB، متسو (Metso)، اسپیراکس سارکو (Spirax Sarco) و آرکا (Arca) را نام برد.
قیمت کنترل ولو
عوامل متعددی در قیمت کنترل ولو مؤثر هستند. از جمله آن‌ها میتوان به موارد زیر اشاره کرد.
- برند سازنده
- مشخصه‌های پروسه (نوع سیال، فلو، فشار، دمای کار و …)
- جنس بدنه
- نحوه عملکرد و دقت پوزیشنر
- مکانیزم عملکرد عملگر (Actuator)
- سرعت پاسخ به سیگنال کنترلی
- درجه حفاظت IP
- امکانات جانبی ولو (ارتباط با شبکه، نمایشگر دیجیتال و …)
با توجه به تنوع بسیار گسترده کنترل ولو در بازار نمی‌توان مقایسه قیمت معنی‌داری در مورد این تجهیز ارائه داد؛ اما میتوان به طور کلی گفت، برندهای آمریکایی مانند هانیول و فیشر انواع گران‌قیمت این تجهیزات هستند.
برندهای زیمنس و ABB هم به‌صورت معمول محصولات گران‌قیمت و باکیفیتی تولید می‌کنند. برندهایی مانند پرووال (Proval)، نوجیکس (Nogix) و متسو (Metso) از لحاظ قیمت، برندهای میان‌رده موجود در بازار ایران به شمار می‌روند.
جمع‌بندی
آشنایی با کنترل ولو برای مهندسان و تکنسین‌هایی که در پروسه‌های صنعتی مانند نفت، گاز، پتروشیمی، فولاد یا صنایع غذایی فعال هستند، بسیار ضروری است. در این مقاله، ضمن معرفی انواع کنترل ولو به عنوان یک تجهیز پرکاربرد در صنعت، جزئیات اجزای مختلف آن شرح داده شد و نحوه عملکرد آن مورد بررسی قرار گرفت.
سپس برای درک بهتر، دو مثال عملی از به‌کارگیری کنترل ولو در صنعت ارائه شد. محتوای ارائه شده در این مقاله، دید کلی مناسبی نسبت به کنترل ولو به خواننده می‌دهد، اما با توجه به تنوع و رشد تکنولوژی تجهیزات ابزاردقیق، لازم است فعالان صنعت، به‌صورت پیوسته، دانش خود را در به‌کارگیری تجهیزات پرکاربردی مانند کنترل ولو به‌روزرسانی کنند.
سوالات متداول
عواملی مانند عدم نصب صحیح عملگر، کالیبره نبودن پوزیشنر، پوسیدگی، خوردگی شیمیایی و اصطکاک می‌تواند موجب نشتی، ترک خوردن، گیر کردن یا از کار افتادن کنترل ولو شود.
مشخصه فلو، اندازه، جنس بدنه، میزان آسیب‌پذیری در برابر خوردگی، فشار و پوسیدگی و همچنین سرعت پاسخ به تغییرات سیگنال از فاکتورهای مهم انتخاب ولو هستند.
سایز Cv (ضریب فلوی ولو) از مشخصه‌های استاندارد ولو است و به تعداد گالن (=۳.۸ لیتر) عبوری سیال با دمای ۱۵.۵ درجه که تحت فشار ۱psi از مسیر ولو عبور می‌کند، Cv ولو گفته می‌شود.
برای تست نشتی کنترل ولو، بدنه آن را با یک سیّال (معمولاً آب) پر می‌کنیم سپس فشاری را در یک بازه زمانی مشخص به ولو وارد می‌کنیم. مقدار فشار و زمان آن به فاکتورهایی مانند اندازه و جنس ولو بستگی دارد.
منابع
realpars.com
theinstrumentguru.com
www.electricalvolt.com
plcynergy.com
