أتمتة العمليات- المشغلات الحقلية Process Automation System- Actuators

 

أتمتة العمليات- المشغلات الحقلية Process Automation System- Actuators

ان الهدف من أي نظام تحكم هو إدارة وقيادة العملية التكنولوجية بدقة لتحقيق الهدف المنشود منها، وتعتبر المشغلات الحقلية هي الخطوة النهائية لعملية التحكم.

الصمامات والمضخات والسخانات تعتبر أبرز المشغلات الحقلية المستخدمة لتنفيذ العملية الإنتاجية المطلوبة.

تتطلب المشغلات باختلاف مصادرها الى إشارة تحكم ومصدر للطاقة، قد تكون إشارة التحكم عبارة عن إشارة جهد كهربائي أو تيار كهربائي أو إشارة هوائية أو إشارة من نظام هيدروليكي أو حتى إشارة تحكم بشرية، وكذلك قد يكون مصدر الطاقة للمشغلات هو كهربائي أو هوائي أو هيدروليكي أو وقود بترولي. تستجيب المشغلات لإشارة التحكم فتعمل على تحويل مصادر تغذيتها المختلفة الى حركة ميكانيكية.

الصمامات التحكمية Control valves:

صمام التحكم هو جهاز يستخدم لتغيير تدفق السائل عن طريق تغيير حجم الممر الذي يمر من خلاله السائل. حيث الحجم الأكبر للممر يعني أن كمية أكبر من السوائل ستمر وأن الممر الأصغر يعني أن كمية أقل من السائل ستمر.

يتكون الصمام من جزئيين أساسيين هما جسم الصمامBody  والذي يشكل الجزء الميكانيكي من الصمام لضمان تدفق السائل بالشكل المطلوب والجزء الآخر هو المشغل Actuator والذي يعطي جسم الصمام الطاقة المطلوبة من أجل الحركة.

يطبق المشغل Actuator قوة على الغشاء Diaphragm المتصل بالنابض أو على بسطون بدون نابض باستخدام (ضغط الهواء Pneumatic actuators أو ضغط الزيت الهيدروليكي Hydraulic actuators أو الطاقة الكهربائيةElectrical actuators  أو حتى بشكل يدوي) فيقوم النابض بقوة رد فعل، يؤدي هذا إلى توازن القوى ويصل جذع الصمام إلى حالة التوازن، إذا كانت هاتين القوتين الوحيدتين اللتين تعملان في صمام التحكم فإن العلاقة بين القوة المطلقة على النابض وموضع الجذع ستكون خطية وكان من الممكن بسهولة ضبط الجذع في الموضع الدقيق الذي نريده، لكن هذه حالة مثالية. في الواقع هناك المزيد من القوى المؤثرة الأخرى مثل قوى الاحتكاك وقوى رد الفعل وما إلى ذلك مما يعطل العلاقة الخطية.

كما نعلم أن القوة المطبقة على سطح تساوي الضغط المطبق على هذا السطح مضروب ب مساحة السطح        F = PA، وفي حال كان الغشاء الذي يطبق عليه الضغط دائري فان القوة المطبقة تصبح F = P . pi r^2     ان الضغط المطلوب تطبيقه وبالتالي القوة المطلوب تطبيقها على الغشاء من أجل أن يتحرك الى الموضع المطلوب يتم الحصول عليها اما عن طريق دارة تحكم هوائية أو الكترونية والتي تعطي عادة إشارة تحكم من 4-20 ma، يتم تحويل إشارة التحكم الى قيمة ضغط مقابلة عن طريق مبدل تيار الى ضغط “I to P Converter”.

من أجل الاعتبارات السابقة فانه يتم استخدام جهاز تحديد موضع صمام التحكم Positioner (كما في الشكل التالي) وهو جهاز يستخدم لمساعدة صمام التحكم من أجل زيادة أدائه حيث يقوم بالتأكد من أن الموضع الميكانيكي للصمام يوافق الموضع المطلوب من إشارة التحكم. يقارن جهاز تحديد موضع صمام التحكم إشارة التحكم مع موضع الجذع بشكل فعال ويقوم بضبط الضغط وفقًا لذلك حتى يصل الجذع إلى الموقع الصحيح ويستقر فيه. 

يملك جهاز تحديد الموضع-في الصمامات ذات المشغل الهوائي أو الزيتي-خط ضغط هواء مستقل خاص به مما يجعله يشكل حلقة تحكم ذات تغذية خلفية مستقلة، وبالتالي يشكل الصمام ككل نظام تحكم متتالي Cascade loop control system.

يتم حساب قيمة إشارة التدفق الهوائية المرسلة بواسطة نظام التحكم بافتراض وجود علاقة خطية بين الإشارة وموضع الجذع ولكنها في الواقع ليست خطية كما ذكرنا، لذلك يعمل جهاز تحديد الموقع-باعتباره حلقة تحكم مغلقة مستقلة-على الوصول الى الموضع المطلوب بدقة من خلال إشارة الدخل التي تحدد قيمة الضغط المطلوبة (خرج I/P Converter) واشارة التغذية الخلفية التي يتم تحديدها من موضع الجذع واشارة التحكم المرسلة الى المشغل Actuator.

يجب اختيار وتثبيت جهاز تحديد موضع الصمام بدقة والا قد يؤدي ذلك الى اهتزاز وفشل الحصول على الوضعية الصحيحة.

يتم الحصول على إشارة التغذية الخلفية اما عن طريق ذراع مربوط مع الصمام لتحديد الموضع أو عن طريق حساس مغناطيسي Hall sensor لتحديد المكان بدقة أكبر.

بفرض أن جهاز تحديد الموضع يأخذ إشارة دخل من 3-15 PSI تأتي من خرج I/P وذلك حسب القيمة المطلوبة من الصمام والآتية من نظام التحكم، تتم معايرة جهاز تحديد الموضع بحيث لا يبدأ جذع الصمام بالحركة الا فوق قيمة 0% أي 4 ميلي أمبير ويتم ذلك بعدم تطبيق أي ضغط هواء على الحاجز وبالتالي يحول القيمة المقابلة ل 0% أي 4 ميلي أمبير الى 0 PSI عوضاً عن 3 PSI. وهذا ما لا يستطيع المبدل I/P أن يفعله.

يجب معرفة أنه يمكن للصمام أن يكون Fail To Close FC أو Fail To Open FO وهذا يحدد وضعية الصمام في حال غياب التغذية الهوائية اما مغلق أو مفتوح، ويعطي أيضاً دلالة على اتجاه تطبيق ضغط الهواء اما الضغط المطبق يعمل على فتح أو اغلاق الصمام.

ان أجهزة تحديد الموضع تعتبر مفيدة في حال كانت الحركة تتم من خلال نابض أم من خلال بسطون، فمثلاً إذا كان لدينا صمام ذو بسطون هوائي مزدوج الحركة-لا يملك نابض يعمل على إعادة الصمام الى الوضعية الآمنة في حال غياب ضغط الهواء-عندها يجب تطبيق ضغط الهواء على طرفي البسطون للحفاظ على الوضعية المطلوبة.

يتم الحصول على الاستقرار والتوازن لموضع الصمام المطلوب من خلال قوتين متعاكستين بالاتجاه تطبقان على طرفي البسطون.

ان زيادة قيمة الضغط (خرج I/P) القادمة من نظام التحكم تعمل على اخلال توازن العارضة beam والتي بدورها تضغط على الابرة nozzle مسببة زيادة في قيمة الضغط المطلوبة والمرسلة الى مضخم الإشارة amplifying relay والذي بدوره يزيد قيمة ضغط الهواء المرسل الى مشغل الصمام وارتفاع النابض نحو الأعلى – فتح الصمام-مما يؤدي الى حركة الجذع المربوط مع النابض نحو الأسفل، تعمل هذا الحركة على إعادة توازن العارضة beam وبالتالي تحقيق استقرار لموضع الصمام.

يملك جهاز تحديد الموضع خط تحكم هواء يمثل قيمة الضغط المطلوبة وخط تغذية هواء يعمل على تحريك الصمام بالاتجاه المطلوب.

يعمل مضخم الإشارة الهوائي بشكل مشابه للريليه الكهربائية SSR حيث تتناسب إشارة الخرج المتجهة نحو الصمام مع إشارة الدخل القادمة من نظام التحكم.

 

يمكن لمبدأ عمل جهاز تحديد الموضع Positioner أن يكون بشكل الكتروني عوضاً عن الشكل الهوائي، عندها يكمن التحكم الدقيق هنا يتم من خلال خوارزميات PID للتحكم بالحلقة المغلقة بشكل الكتروني عوضاً عن التحكم الهوائي كما في الشكل التالي:

 

 

من الواضح أنه ضمن متحكم الموضع الالكتروني يتم استخدام حلقتي تحكم PID الأولى للتحكم بالموضع والثانية للتحكم بالضغط لتحقيق المطلوب.

يمتاز متحكم الموضع الالكتروني عن المتحكم الهوائي بالدقة وسرعة الاستجابة وإمكانية تشخيص الأعطال من خلال مراقبة ضغط تغذية الهواء ومراقبة موضع الصمام الحالي، بالإضافة لذلك يعمل المعالج الداخلي الموجود ضمن متحكم الموضع الالكتروني على إمكانية المعايرة والاختبار الذاتي للصمام tests self calibrations-وامكانية قياس العديد من المتحولات الإحصائية الهامة للصيانة مثل المسافة التي قطعها الصمام بين الفتح والاغلاق وعدد مرات الفتح والاغلاق.

يمكن القول إن المهمة الأهم لجهاز قياس الموضع الالكتروني هو بناء العلاقة بين موضع جذع الصمام وقيمة الضغط المرسلة الى الصمام حيث تعمل متحكمات الموضع الذكية ضمنه على التنبئ بقيمة الضغط في حال فشل حساس الموضع والعكس بالعكس.