شیر کنترل تجهیزی است از تجهیزات ابزار دقیق، که جهت تنظیم یا کنترل مستقیم میزان جریان و به دنبال آن مقادیر فرآیند مانند فشار، دما و سطح سیالاتی هم چون گاز، روغن، آب و بخار (فشار، دبی و یا سطح سیالات) به کار برده می شود. این تجهیز، بخشی مهم از حلقه کنترل بوده و از رایج ترین نمونه ها در کنترل نهایی یک سیستم است.
عملگر یا محرک (Actuator) شیر کنترل
باز یا بسته شدن کنترل ولوهای اتوماتیک به صورت معمول به وسیله عملگر یا اکچویتر پنوماتیکی، هیدرولیکی و یا الکتریکی (برقی) انجام می شود:
-
پنوماتیکی (Pneumatic): شیرهای کنترل عملگر هوا (پنوماتیک) به طور معمول به دلیل سادگی مورد استفاده قرار می گیرند، زیرا تنها به یک منبع هوای فشرده نیاز دارند در بعضی از انواع نیز، فشار فرایند از جریان گاز فرآیند فراهم می شود.
-
الکتریکی (Electric): در حالی که شیرهای الکتریکی به کابل اضافی و دنده سوئیچ نیاز داشته و دریچه با انرژی موتور الکتریکی فعال می شود. این تجهیزات بی صدا، غیر سمی و کم مصرف هستند. با این حال، برق باید در دسترس باشد ، که همیشه این گونه نیست، که در این صورت می توانند با باتری نیز کار کنند.
-
هیدرولیکی (Hydraulic): محرک های هیدرولیکی فشار سیال را به حرکت تبدیل می کنند. در نوع هیدرولیکی آن ها دریچه توسط محیط نامتراکمی مانند آب یا روغن فعال می شود.
چون هوا همیشه در دسترس قرار دارد؛ متداول ترین و قابل اطمینان ترین این محرک ها “محرک پنوماتیک” است.
شکل (1). انواع عملگرهای شیرآلات کنترلی (Control Valves)
یک شیر کنترل، سیگنالی را از کنترل کننده ای همانند PLC دریافت می کند تا قابلیت تغییر در مسیر جریان را کسب کند. از آنجا که سیگنال PLC الکتریکی است، شیر کنترل ممکن است به دستگاهی نیاز داشته باشد که آن سیگنال الکتریکی را تبدیل کند تا بتواند کار کند.
شکل (2). سیگنال الکتریکی PLC در کنترل ولو
اجزای شیر کنترل
شیر کنترل شامل عملگر، بدنه، موقعیت یاب و لوازم جانبی است:
-
محرک یا عملگر یا عمل کننده (Actuator): فرمان های دریافتی را به انرژی الکتریکی تبدیل کرده و موجب باز و بسته شدن (دورانی یا عمودی) شیرکنترل می گردد (سیگنال به عملکرد)
شکل (3). عملگر (Actuator) در کنترل ولو
-
بدنه (Body): محل عبور سیالات و کنترل کننده جریان، فشار و دما. بدنه شیرها بسته به شرایط سرویس، طرح لوله کشی و کاربرد مورد نظر، انواع یا سبک های گوناگونی دارند.
-
موقعیت دهنده یا پوزیشنر (Positioner): حرکت واقعی محرک را کنترل می کند تا در یک نقطه تنظیمی، مقدار دقیق باز و بسته شدن ولو را تعیین کند. هم چنین بر مشکلاتی چون اصطکاک و سایش در اجزای ولو غلبه می کند. موقعیت دهنده باید روی یا در نزدیکی مجموعه شیر کنترل نصب شود.
طبقه بندی شیر کنترل
در طبقه بندی شیر کنترل, بر اساس ساختمان بندآور (Disc) آن، دو تعریف وجود دارد:
-
شیر کنترل با حرکت خطی (Linear Motion): حرکت خطی جهت کنترل جریان، مسیر پر پیچ و خم، دبی پایین، طراحی همراه با فلنج و …
-
شیر کنترل با حرکت دورانی (Rotary Motion): حرکت دورانی جهت کنترل جریان، مسیر ساده، دبی بالا، گاهی بدون فلنج و …
شکل (4). انواع شیرهای کنترل (دورانی سمت راست –Rotary و خطی سمت چپ –Linear)
حال نمونه ای از هر دو نوع شیر کنترل را بررسی می کنیم:
- در یک شیر با حرکت خطی، حرکت دریچه به سمت بالا و پایین (عمودی) است. نوع متداول شیرهای کنترل کشویی، شیر گیت (دروازه ای: Gate) است.
- در شیر دیگر با حرکت دورانی، در بیش تر موارد، دریچه 90 درجه از حالت باز به حالت بسته می چرخد. این شیر دورانی به طور معمول از نوع شیر کنترل پروانه ای است.
شکل (5). شیرکنترل پروانه ای (Butterfly Valve) – سمت راست و شیرکنترل دروازه ای (Gate Valve) – سمت چپ
ویدئو (1). شیرکنترل پروانه ای (Butterfly Valve)
ویدئو (2). شیرکنترل دروازه ای (Gate Valve)
عملکرد کنترلی شیر کنترل
عملگر (Actuator) در شیر کنترل از طریق میله (Stem) به شیر متصل می شود و نیروی لازم جهت حرکت شیر را فراهم می کند. همان گونه که در بخش بالا مطرح شد، محرک را می توان به صورت الکتریکی، پنوماتیک یا هیدرولیکی کنترل کرد.
شیر کنترل به منظور کار کردن، سیگنالی از کنترل کننده ای مانند PLC یا DCS دریافت می کند. کنترل کننده سرعت جریان واقعی را با مقدار جریان دلخواه مقایسه می کند که به آن SetPoint می گویند و نوعی خروجی تولید می کند تا شیر را حرکت داده و در نهایت سرعت جریان را به مقدار مطلوب و تنظیم شده برساند. واکنش کنترلی شیر کنترل به دو صورت زیر بررسی می شود:
شکل (6). ارتباط محرک شیر کنترل با کنترل کننده PLC یا DCS
1. در حالت عادی:
-
بسته در حالت عادی (Normally-Closed)
شیر هنگام روشن شدن باز می شود و هنگامی که جریان در آن قطع است، فنر جدا شده در داخل شیر، آن را مجبور به بسته شدن می کند. نیروی مغناطیسی سیم پیچ برقی باید بر نیروی فنر غلبه کند تا شیر باز شود. اگر این اتفاق رخ ندهد، نیروی فنر دریچه را بسته نگه می دارد و در صورت قطع برق، شیر به طور خودکار بسته می شود.
-
باز در حالت عادی (Normally-Open)
شیر هنگام روشن شدن بسته می شود و با قطع شدن جریان، فنر جدا شده در داخل شیر، آن را مجبور به باز شدن می کند. نیروی مغناطیسی سیم پیچ برقی باید بر نیروی فنر غلبه کند تا دریچه بسته شود. اگر چنین نشود، نیروی فنر دریچه را باز نگه می دارد. در صورت قطع برق، شیر به طور خودکار باز می شود.
2. در حالت خرابی:
مثال: به علت ویژگی های ساختاری عملگرهای پنوماتیک یک شیر کنترل، هنگام از دست رفتن سیگنال کنترل، شیر کنترل در موقعیت خاصی از کار می افتد و دریچه های محرک یا اتوماتیک پس از خارج شدن نیروی عملگر به حالت از قبل تعیین شده باز می گردند. با افزایش فشار هوا، دیافراگم (Diaphragm) لاستیکی شیر به سمت فنر فشار آورده و پایه شیر را به سمت پایین بدنه شیر منتقل می کند. با کاهش فشار هوا، فنر پایه شیر را از بدنه آن خارج می کند.
این موقعیت که در آن شیر کنترل در صورت افت سیگنال به آن تغییر می کند، به عنوان “حالت ایمن در زمان خرابی” (Control Valve Fail-safe-Mode) شناخته می شود. تعریف نوع حالت ایمنی در برابر خرابی به برنامه ای که در شیر کنترل برای آن استفاده می شود، بستگی دارد:
-
بسته در حالت خرابی (Fail-Closed): گاهی عملگر موجب بسته شدن دریچه در یک شیر کنترل می شود.
-
باز در حالت خرابی (Fail-Open): گاهی نیز عملگر می تواند سبب باز شدن دریچه در شیر کنترل می شود.
شکل (7). مکانیزم “ایمنی شیر کنترل در زمان خرابی” (Control Valve Fail-safe-Mode)
در عملکرد عادی شیر کنترل، نیروی فنر باید بر عملگر الکتریکی یا پنوماتیکی غلبه کند. در صورت قطع برق در عملگر، نیروی الکتریکی یا پنوماتیکی دیگر وجود نخواهد داشت و فشاری که فنر ایجاد می کند دریچه را مجبور به باز شدن خواهد کرد.
شکل (8). عملکرد شیر کنترل در زمان قطع برق (Valve Power Failure)
کنترل کننده PID شیر کنترل
ممکن است این پرسش مطرح شود که با تغییر سرعت جریان، دریچه به چه مقداری می تواند باز یا بسته شود؟
در جواب ابتدا باید اشاره کرد که این رخداد به موارد گوناگونی هم چون درصد تغییر دبی و یا قطر لوله بستگی خواهد داشت. صرف نظر از این، کنترل کننده نیز باید به گونه ای تنظیم شود که با ایجاد هر گونه تغییری در سرعت جریان، بتواند پاسخی صحیح به سیستم اصلی ارسال کند. این امر به صورت معمول با استفاده از کنترل PID در PLC یا Controller حاصل می شود.
شکل (9). کنترل شیر صنعتی با استفاده از کنترل کننده PID
برای اتوماسیون شیرآلات صنعتی، محرک های آن ها را می توان در انواع کارخانه های فرآیندی به کار گرفت. از آن ها در تصفیه خانه های فاضلاب، نیروگاه ها، پالایشگاه ها، معادن و فرآیندهای هسته ای، کارخانه های تولید مواد غذایی و خطوط لوله استفاده می شود. محرک های شیرآلات سهم عمده ای در کنترل خودکار فرآیند دارند و از نظر طراحی و بعد با سایر شیرآلات صنعتی تفاوت دارند.
با مشاهده ویدئوی زیر، درک بیش تری از عملکرد شیر کنترل (Control Vale)، حاصل می شود:
ویدئو (3). آشنایی با عملکرد کامل شیر کنترل (Control Vale)
