شیر کنترل یا کنترل ولو (Control Valve) چیست؟

کنترل ولو (Control Valve) یا شیر کنترلی یک شیر از تجهیزات ابزار دقیق است. این شیر 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. شیر کنترلی، بخشی مهم از حلقه کنترل بوده و از رایج ترین نمونه ها در کنترل نهایی یک سیستم است. در این مقاله اجزای اصلی شیر کنترلی یا کنترل ولو را توضیح می‌دهیم با ما همراه باشید.

شیر کنترلی یا کنترل ولو چیست؟

شیر کنترلی یا کنترل ولو (به انگلیسی: Control valve) نوعی شیر صنعتی است که برای تنظیم جریان سیال در یک سیستم لوله کشی استفاده می‌شود. این کار با تغییر اندازه دهانه عبور سیال انجام می‌شود.

کنترل ولوها در طیف گسترده‌ای از کاربردها از جمله صنایع نفت و گاز، شیمیایی، دارویی، غذایی و تصفیه آب استفاده می‌شوند. آنها اجزای کلیدی در سیستم‌های کنترل فرآیند هستند و برای حفظ پارامترهای فرآیند مانند دما، فشار، جریان و سطح در شرایط مطلوب به کار می‌روند.

اجزای کنترل ولو

کنترل ولو شامل 3 جز اصلی است:

1. عملگر
2. بدنه
3. پوزیشنر

در ادامه به توضیح هر یک میپردازیم:

1.عملگر (Actuator)

اکچوآتور شیر کنترلی یا عملگر شیر، مکانیزمی است که نیروی لازم برای حرکت دادن ساقه شیر و در نتیجه تنظیم موقعیت قطعه کنترل کننده جریان را فراهم می‌کند. اکچوآتورها نقش اساسی در عملکرد شیرهای کنترلی داشته و انتخاب نوع مناسب آنها بستگی به عوامل مختلفی مانند نوع شیر، اندازه آن، شرایط محیطی و نیروی مورد نیاز برای حرکت دادن ساقه شیر دارد. بع عبارتی دیگر می توان گفت عملگر فرمان های دریافتی را به انرژی الکتریکی تبدیل کرده و موجب باز و بسته شدن (دورانی یا عمودی) شیرکنترل می گردد. (سیگنال به عملکرد)

انواع عملگر کنترل ولو

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

شکل (3). عملگر (Actuator) در کنترل ولو

عملکرد کنترلی کنترل ولو

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.

کنترل ولو به منظور کار کردن، سیگنالی از کنترل کننده مانند PLC یا سیستم 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. هنگامی که در پروژه ای تعداد کنترل ولو آن زیاد باشد می توان گفت که تعداد ورودی های آنالوگ PLC نیز افزایش می‌یابد از این رو قیمت تابلو برق پی ال سی به مراتب افزایش خواهد یافت از این رو استفاده مناسب از شیرهای کنترلی می تواند بر روی قیمت تابلو PLC نیز تاثیرگذار باشد. واکنش کنترلی شیر کنترل به دو صورت زیر بررسی می شود:

شکل (6). ارتباط محرک شیر کنترل با کنترل کننده PLC یا DCS

1. عملکرد کنترل ولو در حالت عادی

• بسته در حالت عادی (Normally-Closed)

شیر کنترلی 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 کنترلی 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.عملکرد کنترل ولو 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)

2.بدنه (Body)

محل عبور سیالات و کنترل کننده جریان، فشار و دما است. بدنه شیر کنترلی بسته به شرایط سرویس، طرح لوله کشی و کاربرد مورد نظر، انواع یا سبک های گوناگونی دارند. بدنه شیر کنترلی از اجزای مختلفی تشکیل شده است که هر کدام وظایف خاص خود را دارند. در ادامه به بررسی جزئی تر این اجزا می پردازیم:

• محفظه (Bonnet): محفظه قطعه ای است که روی بدنه شیر قرار می گیرد و از اجزای داخلی شیر مانند ساقه، پلاگ و نشیمنگاه محافظت می کند. محفظه به گونه ای طراحی شده است که به طور کامل آب بندی شود و از نشت سیال به بیرون جلوگیری کند
• ساقه (Stem): ساقه میله ای است که به اکچوآتور متصل می شود و حرکت آن توسط اکچوآتور کنترل می شود. ساقه به داخل محفظه شیر حرکت می کند و پلاگ را برای تنظیم جریان سیال بالا و پایین می کند.
• پلاگ (Plug): پلاگ قطعه ای است که در مسیر جریان سیال قرار می گیرد و با حرکت ساقه به بالا و پایین، میزان عبور جریان را کنترل می کند. پلاگ به نشیمنگاه شیر متصل می شود و باید از موادی ساخته شود که در برابر سایش و خوردگی مقاوم باشد.
• نشیمنگاه (Seat): نشیمنگاه سطحی است که پلاگ روی آن قرار می گیرد و آب بندی کامل بین پلاگ و بدنه شیر را ایجاد می کند. نشیمنگاه باید از موادی ساخته شود که صاف، صلب و در برابر سیال خورنده باشد.
• بسته بندی (Packing): بسته بندی بین ساقه و محفظه قرار می گیرد و از نشت سیال به بیرون جلوگیری می کند. بسته بندی باید از موادی ساخته شود که در برابر سیال، حرارت و فشار مقاوم باشد
• غده (Gland): غده قطعه ای است که بسته بندی را در جای خود نگه می دارد و از نشت سیال به بیرون جلوگیری می کند. غده به گونه ای طراحی شده است که می توان فشار بسته بندی را تنظیم کرد.
• یوک (Yoke):یوک قطعه ای است که بدنه شیر و اکچوآتور را به هم متصل می کند. یوک باید به اندازه کافی محکم باشد تا وزن اکچوآتور و نیروهای وارده بر ساقه را تحمل کند.
• اتصالات (Connections):اتصالات به بدنه شیر متصل می شوند و شیر را به لوله کشی سیستم متصل می کنند. اتصالات در انواع مختلفی مانند فلنجی، جوشی و پیچی موجود هستند
• پورت ها (Ports): پورت ها دریچه هایی هستند که سیال از طریق آنها به داخل و خارج از شیر جریان می یابد. پورت ها در اندازه ها و اشکال مختلفی موجود هستند و باید متناسب با اندازه لوله کشی سیستم انتخاب شوند.
• نشانگر موقعیت (Position Indicator): نشانگر موقعیت نشان می دهد که ساقه شیر در چه موقعیتی قرار دارد و چه مقدار از پلاگ در مسیر جریان سیال قرار گرفته است.
• گرمکن (Heater): گرمکن در برخی از شیرهای کنترلی استفاده می شود تا از یخ زدگی سیال در داخل شیر جلوگیری کند.
• خنک کننده (Cooler): خنک کننده در برخی از شیرهای کنترلی استفاده می شود تا از گرم شدن بیش از حد سیال در داخل شیر جلوگیری کند.
• فیلتر (Filter): فیلتر در برخی از شیرهای کنترلی استفاده می شود تا از ورود ذرات معلق به داخل شیر جلوگیری کند.
• شیر تخلیه (Drain Valve):شیر تخلیه برای تخلیه سیال از داخل شیر استفاده می شود.
• شیر هواگیری (Vent Valve): یر هواگیری برای هواگیری از داخل شیر استفاده می شود.

اینها فقط برخی از اجزای اصلی بدنه شیر کنترلی هستند.تعداد و نوع اجزای موجود در یک شیر کنترلی به نوع شیر، اندازه آن و کاربرد آن بستگی دارد

3.پوزیشنر (Positioner)

پوزیشنر های شیر (Valve positioners) وسایلی هستند که با افزایش و کاهش فشار هوای ورودی به عملگر (actuator)، شیر را در موقعیت صحیح قرار می‌دهند. موقعیت‌یاب شیر، موقعیت دقیق شیر را حس کرده و با عملگر ارتباط برقرار می‌کند تا شیر را به حرکت درآورد، به جای اینکه کنترلر فرآیند مستقیما سیگنالی را برای حرکت دادن شیر به عملگر ارسال کند موقعیت دهنده باید روی یا در نزدیکی مجموعه شیر کنترل نصب شود.

موقعیت‌یاب‌های شیر معمولا روی یوغ (yolk) یا پوسته بالاییِ یک عملگر پنوماتیکی (برای شیرهای کنترل خطی) یا نزدیک انتهای شفت (برای شیرهای کنترل چرخشی) نصب می‌شوند. آنها به صورت مکانیکی به میله یا شفت شیر متصل می‌شوند.

اتصالات مکانیکی به این صورت کار می‌کنند که کنترلر فرآیند به پوزیشنر یا موقعیت‌یاب می‌گوید که موقعیت را تغییر دهد، سپس این اتصال مکانیکی گزارشی را به موقعیت‌یاب ارسال می‌کند تا تایید کند که تغییر در موقعیت شفت شیر رخ داده است و همچنین بزرگی این تغییر موقعیت را به آن اطلاع می‌دهد.

انواع پوزیشنر (Positioner)

بر اساس روشی که موقعیت‌یاب یا پوزیشنر برای هدایت عملگر استفاده می‌کند، مانند هوا یا برق، چهار نوع اصلی موقعیت‌یاب شیر کنترل وجود دارد:

1. پنوماتیکی
2. الکترونیکی
3. الکتروپنوماتیکی
4. دیجیتال

در ادامه هر کدام از انواع پوزیشنر را به اختصار شرح می‌دهیم:

1. پوزیشنر پنوماتیکی: نوعی از موقعیت‌یاب‌های شیر هستند که از هوای فشرده برای هدایت و کنترل دقیق موقعیت شیر استفاده می‌کنند. این نوع موقعیت‌یاب‌ها به دلیل مزایایی مانند ذاتا ایمن بودن، توانایی تولید نیروی بالا و سادگی ساخت و نگهداری، در صنایع مختلف کاربرد گسترده‌ای دارند. دو مدل پوزیشنر پنوماتیکی وجود دارد:

• • موقعیت‌یاب‌های تک‌عمل یا سه‌راهه: این نوع موقعیت‌یاب‌ها فقط به یک طرف از عملگر شیر هوا ارسال می‌کنند. طرف دیگر عملگر توسط یک فنر محدوده (range spring) به حالت اولیه خود بازگردانده می‌شود.
  • موقعیت‌یاب‌های دوطرفه یا چهارراهه: این نوع موقعیت‌یاب‌ها می‌توانند هوا را به هر دو طرف عملگر شیر ارسال یا تخلیه کنند. این امر کنترل دقیق‌تر و پاسخگویی سریع‌تر را برای موقعیت‌یاب فراهم می‌کند.

 

2. پوزیشنر الکترونیکی: این نوع موقعیت‌یاب‌ها سیگنال‌های الکتریکی را ارسال و دریافت می‌کنند. سه نوع عملگر برقی وجود دارد: جریان متناوب تک فاز و سه فاز (AC) و ولتاژ جریان مستقیم (DC).

3. پوزیشنر الکتروپنوماتیکی: موقعیت‌یاب‌های الکتروپنوماتیکی از یک بخش الکتریکی برای دریافت و پردازش سیگنال‌های کنترلر فرآیند و یک بخش پنوماتیکی برای تولید هوای فشرده با فشار و حجم مناسب برای حرکت عملگر شیر تشکیل شده‌اند.

بخش الکتریکی شامل یک مبدل سیگنال است که سیگنال‌های الکتریکی را به سیگنال‌های پنوماتیکی قابل فهم برای بخش پنوماتیکی تبدیل می‌کند. بخش پنوماتیکی شامل یک شیر پنوماتیکی و یک رگولاتور فشار است که وظیفه‌ی تنظیم دقیق فشار و حجم هوای فشرده را بر عهده دارند.

4. پوزیشنر دیجیتال: این موقعیت‌یاب‌ها از یک میکروپروسسور برای موقعیت‌یابی، مانیتور و ثبت اطلاعات عملگر شیر استفاده می‌کنند. 

انواع شیر کنترلی بر اساس ساختمان

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 کنترلی را بررسی می کنیم:

• در یک کنترل ولو 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)

کنترل کننده PID کنترل ولو

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)

سخن پایانی

در این مقاله درباره عملگرهای کنترل ولو توضیح دادیم و سپس سعی کردیم اجزای اصلی شیر کنترل را بیان کنیم همچنین انواع شیر کنترلی را بر اساس ساختمان شرح دادیم. در نهایت باید گفت، کنترل ولوها ابزاری ضروری در طیف وسیعی از صنایع هستند که به شما امکان می‌دهند جریان سیالات را به طور موثر و ایمن کنترل و مدیریت کنید همچنین انتخاب شیر کنترلی مناسب برای یک کاربرد خاص به عوامل مختلفی از جمله نوع سیال، فشار، دما، و میزان جریان مورد نیاز بستگی دارد. شرکت نیکسا مجری پروژه های برق، کنترل و ابزار دقیق آماده ارائه مشاور رایگان برای پروژه های شماست کافیست با ما تماس بگیرید. همچنین این شرکت امکان نصب و راه اندازی تجهیزات ابزار دقیق از جمله انواع شیرهای کنترلی را دارا می‌باشد.