فایل مقدمه اي بر كنترل و مدل سازي فرآيند و انجام آزمايشات
دسته بندي :
کالاهای دیجیتال »
رشته فیزیک (آموزش_و_پژوهش)
مقدمه
از آنجا که در آزمايشگاه کنترل فرآيند، از سيستم کنترل پس خور منفي براي کنترل کردن متغيرهاي مختلف استفاده ميشود در اين قسمت مروري بر يک مدار پس خور منفي داشته و اجزاء آنرا مشخص مينماييم . در شکل زير يک حلقه نمونه پس خور منفي را مشاهده ميکنيد.
نماي يک حلقه نمونه ي پس خور منفي .
حلقه فوق و اجزاء آن که براي کنترل اتوماتيک از نوع پس خور منفي در نظر گرفته شده است ، شامل فرآيندي است که متغير خروجي (يا متغير کنترل شونده ) آن ميبايد از طريق متغير ورودي (يا متغير کنترل شده ) مورد کنترل قرار گيرد. براي اين منظور، المان اندازه گير و ترنسميتر مناسب که درقسمت سنسور قرار ميگيرد، آنرا به عنوان مقدار اندازه گيري شده قابل پذيرش براي کنترلر تبديل مينمايد. در انتخاب و تنظيم المان اندازه گير و ترنسميتر بايد دقت کافي مبذول داشت تا اندازه گيري در رنج موردنظر و با دقت کافي انجام گيرد. اينکار با انتخاب سنسور مناسب و کاليبره نمودن ترنسميتر مناسب امکان پذير
است .
بعنوان مثال اگر ميدانيم که دماي خروجي سيال فرآيند در يک مبدل حرارتي بين 5C تا 75C تغيير
ميکند، کاليبراسيون دستگاه اندازه گير بايد به اين ترتيب باشد که صفر يا حد پايين دستگاه در 5C و گسترة span يا حد بالاي دستگاه در 75C تنظيم شود. اگر تنظيم صفر و گستره در دماهاي فراتر از دماي مورد استفاده انجام شود، از حساسيت دستگاه کاسته خواهد شد. کنترل کننده ها در صنعت معمولا مقدار اندازه گيري شده و مقدار مطلوب را در رنج خاصي پذيرفته ، خطا را توليد نموده و بر مبناي ساختار
خود، سيگنال خروجي را در همان رنج از خود خارج مينمايند. جنس سيگنالهاي ورودي و خروجي در يک کنترل کننده يکسان ميباشد.
براي مثال حد بالاي کنترل کننده ، مستقل از ميزان وروديها و پارامترهاي آن ، 20mA ميباشد که اين نشان دهنده حالت اشباع در کنترلر بوده و از نظر فيزيکي براي کارکرد مناسب المان نهايي کنترل لازم است . اين المان نيز معمولا طوري کاليبره ميشود که حد پايين خروجي کنترل کننده ، حد پايين متغير کنترل کننده و برعکس را ميدهد.
المان نهايي کنترل Power Converter، يا مستقيما سيگنال خروجي کنترل کننده را ميپذيرد و يا از طريق يک مبدل ، سيگنال خروجي کنترل کننده تبديل به سيگنال قابل پذيرش براي المان نهايي کنترل ميگردد. تغيير در متغير کنترل کننده منجر به تغيير در فرآيند شده و تکرار اين عمليات ميتواند مقدار خطا را به صفر برساند.
وسايل اندازه گيري (Sensors)
عملکرد موفقيت آميز هر حلقۀ کنترل مدار بسته ، بستگي شديدي به اندازه گيري دقيق متغير خروجي حلقه کنترل و انتقال مناسب آن به کنترل کننده دارد. بنابراين وسايل اندازه گيري و دقت آنها نقش مهمي را در کنترل فرآيندها ايفا مينمايند. بعلاوه براي آنکه بتوان سيگنال توليد شده در سنسور يا المان اندازه گير را به کنترل کننده منتقل نمود، بايد ابتدا آنرا به سيگنال قابل انتقال تبديل نموده و از خطوط انتقال مناسب نيز استفاده نمود.
سنسورهاي تجاري زيادي در بازار وجود دارند که از نظر اصول اساسي کارکرد و يا مشخصه هاي ساخت با يکديگر تفاوت دارند. بعضي از اين وسايل براي کنترل پيوسته قابل استفاده نميباشند. بعنوان مثال ابزارهاي کروماتوگرافي گازي حدود سه تا چهار دقيقه زمان براي آناليز لازم دارند و در صورت استفاده از آنها، تاخير انتقالي حدود چهار دقيقه در هر نمونه گيري وجود خواهد داشت .
المان نهايي کنترل (Final Control Element)
المان نهايي کنترل ، يکي از اجزاي اساسي حلقه هاي کنترل مداربسته ميباشد اين المان مستقيما و يا بصورت غيرمستقيم ، سيگنال خروجي از کنترل کننده را دريافت و متغير کنترل کننده در حلقه را تغيير ميدهد. در اغلب فرآيندهاي شيميايي متغير کنترل کننده ، جريان سيالات ورودي و يا خروجي ميباشند براي ايجاد تغيير در جريان سيالات ميتوان از پمپ ها و يا دمنده ها با دور متغير استفاده نمود. گاهي نيز از يک هيتر به عنوان المان نهايي کنترل استفاده ميشود که در اين حالت ، متغير کنترل کننده حرارت ورودي به فرآيند خواهد بود.
شيرهاي کنترل اتوماتيک از المان هاي نهايي کنترل بسيار متداول در صنايع شيميايي بوده و دو نوع
ميباشند:
١) شيرهاي موتوري الکتريکي از نوع DC، که در آنها موتور الکتريکي، تحت تأثير سيگنال هاي الکتريکي ورودي ، عمل تغيير موقعيت ميله شير را، انجام ميدهد.
٢) شيرهاي نيوماتيک (فشاري) که با استفاده از سيستم ديافراگم ، فنر و تغيير موقعيت ميله شير با تغيير موقعيت ديافراگم (به واسطه فشارهاي مختلف اعمال شده به آن ) عمل مينمايند.
شيرهاي نيوماتيک که با فشار هوا کار ميکنند در فرآيندهاي شيميايي کاربرد بيشتري داشته و چنانچه کنترل کننده نيز از نوع نيوماتيک باشد ميتوان خروجي کنترلر را به صورت مستقيم بعنوان ورودي شير کنترل استفاده نمود. رنج کارکرد اين شيرها معمولا ٣تا ١٥ psi ميباشد. انتخاب هر يک از اين شيرها بستگي به ملاحظات ايمني در فرآيند دارد. به اين معني که اگر خطوط انتقال سيگنال هاي فشاري به شيرهاي کنترل دچار اشکال شوند، و هواي ورودي قطع گردد بهتر است از نظر ايمني شير بسته شود و يا باز شود. بعنوان مثال شير کنترلي که در مسير بخار ورودي به سيستم گرم کننده يک رآکتور شيميايي قرار گرفته است و از آن بعنوان المان نهايي کنترل دما در رآکتور استفاده ميشود. چنانچه بالا رفتن دماي واکنش خطرناک باشد، بهتر است هنگام قطع احتمالي هواي فشرده در خطوط انتقال ، شير بسته شود تا حرارت زياد به رآکتور داده نشود. در اينصورت شير بايد از نوع AO باشد. گاهي به اين شيرها Fail
Close نيز گفته ميشود. زيرا در شرايط خرابي سيستم ، بسته ميشوند و برعکس به شيرهايAC, Fail Open ميگويند.
مشخصه شيرهاي کنترل (Valve Characteristic)
جريان گذرنده از شيرهاي کنترل بستگي به موقعيت ميله شير دارد. رابطه زير بيان کننده جريان
گذرنده ميباشد:
q kf (x ) ('PV. U)
که در آن P' افت فشار جريان در دو سر شير k ثابتي که بستگي به اندازه شير دارد، U چگالي سيال
v
جاري نسبت به آب و (f)x منحني مشخصه جريان شير ميباشد. اگر کل حرکت ميله شير را برابر ١ درنظر بگيريم ، ١ > x > ٠ خواهد بود. در شکل زير منحني فلو را براي Plug هاي مختلف مشاهده مي
کنيد:
در عمل هنگامي که شير کنترل در خط لوله قرار ميگيرد بدليل مقاومت هايي که در مقابل جريان وجود دارد و داراي مشخصه هاي ديگري به نام مشخصه موثر شير نيز خواهد بود. در اين حالت حتي اگر از يک شير ذاتا خطي استفاده شود بدليل افت فشار، منحني مشخصه موثر آن رفتار غيرخطي دارد. معمولا
منحنيهايي که در آزمايشگاه بدست آورده ميشوند مشخصه موثر را ميدهند. مگر آنکه بنحوي اختلاف فشار در دو سر شير ثابت بماند.
کنترل کننده تناسبي (Proportional Controller)
در اين کنترل کننده خروجي مطابق رابطۀ زير متناسب با خطا تغيير مينمايد: