سیستم‌های ابزاردقیق

مقدمه:

در این نوشتار که تقریبا مورد نیاز تمامی رشته‌های “مهندسی” شاغل در صنعت و خصوصا دانشجویان و مهندسان جوان “مهندسی برق” در “گرایش کنترل” و همچنین نفرات جدید تیم‌های “بهره‌برداری” در “نیروگاه”، “پالایشگاه” و “پتروشیمی” می‌باشد، به معرفی مختصر و مفیدی از ابزاردقیق پروژه‌ها می‌پردازیم.

در صورتی که ترجیح می‌دهید تا مستقیما فیلم مختصر و مفید مطالب این نوشتار را ببینید، ویدئوی زیر از کانال آپارات “مسیرمهندسی” را مشاهده نمایید:

تعریف ابزاردقیق

“ابزاردقیق” یکی از اجزای اصلی یک سیستم کنترل حلقه‌بسته می‌باشد و به مثابه حس‌های پنج گانه ما انسان‌هاست که اطلاعات پارامترهای مختلف فرایند را اندازه‌گیری و نمایش داده یا به “سیستم کنترل” که مشابه مغز انسان می‌باشد، منتقل می‌نماید.

در واقع بخش I از دیسیپلین I&C موضوع این پست ما می‌باشد.

همچنین Final Control Elements مثل “شیر کنترل” که خود بخش اصلی دیگری از “سیستم کنترل حلقه بسته” می‌باشد در زمره ابزاردقیق، قرار می‌گیرد که در برخی دسته‌بندی‌ها آن را زیرمجموعه “ولوها (Valves)” و در دیسیپلین پایپینگ در نظر می‌گیرند و دیسیپلین I&C، جهت امور مربوطه، با این دیسیپلین همکاری می‌نماید.

انواع متغیرهای فرایندی

متغیرهای فرایندی مهم که نیاز ما به اندازه‌گیری آنها توسط ابزاردقیق مرتفع می‌شود، پارامترهای زیر می‌باشند:

• فشار (Pressure):
  همان‌طور که می‌دانید، میزان نیروی وارده بر واحد سطح را فشار می‌نامیم (P=F/A). واحدهای مهم فشار که در ابزاردقیق رایج‌تر می‌باشند، bar، mmH₂O، psi و Pa می‌باشند که پاسکال به علت کوچک بودن واحد آن، عموما به صورت KPa در ابزاردقیق مورد استفاده قرار می‌گیرد.
  تعاریف مختلف فشار:
  فشار مطلق (Absolute Pressure): فشار مثبت نسبت به خلاء کامل می‌باشد. در واقع فشار صفر مطلق، فشار خلاء مطلق یا بی‌فشاری کامل می‌باشد.
  فشار اتمسفری (Atmospheric Pressure): به فشار معمول موجود در سطح محیط زمین گفته می‌شود که با افزایش ارتفاع سطح زمین نسبت به سطح آب‌های آزاد، فشار اتمسفری آن ناحیه کاهش می‌یابد.
  یک اتمسفر معادل فشار ۱۰ متر آب بوده و در واقع فشاری است که در سطح آب‌های آزاد در سواحل اروپا وجود دارد.
  فشار نسبی (Gauge Pressure): رایج‌ترین نوع فشار مورد استفاده در تنظیمات ابزاردقیق فشار می‌باشد و به معنای اختلاف فشار مثبت اندازه‌گیری شده با فشار اتمسفری موجود در همان ناحیه می‌باشد. در صورت نیاز تبدیل فشار نسبی به فشار مطلق، با افزودن فشار اتمسفری آن ناحیه به فشار نسبی اندازه‌گیری شده، فشار مطلق به‌دست می‌آید.

• دما (Temperature):
  دما در واقع یک متغیر فیزیکی می‌باشد که انسان‌ها بیشترین حس را نسبت به آن دارند و به میزان درجه گرم بودن یا سرد بودن یک جسم یا یک محیط گفته می‌شود. اهمیت زیاد دما به دلیل تاثیر زیاد آن بر موارد مختلف از جمله ویسکوزیته، واکنش‌پذیری، حالت ماده و حجم آن، مقاومت ماده، ایمنی فرآیند و … می‌باشد.
  واحدهای مهم دما سانتیگراد (Celsius)، فارنهایت (Fahrenheit) و کلوین (Kelvin) می‌باشند. از کلوین به عنوان دمای مطلق یاد می‌شود، زیرا صفر درجه کلوین (صفر مطلق)، دمایی است که ماده در آن هیچگونه انرژی حرارتی و جنبش مولکولی ندارد.
  درجه سانتیگراد، بیشترین کاربرد را در تنظیمات ابزاردقیق دما دارد که صفر درجه آن، معادل ۲۷۳.۱۵ درجه کلوین می‌باشد.

• ارتفاع سیال داخل یک مخزن (Level):
  جهت جلوگیری از خطرات ناشی از سرریز شدن سیال داخل مخازن و همچنین جلوگیری از آسیب دیدن پمپهای مکنده سیال از داخل مخزن به دلیل عدم وجود سیال در آن، ناگزیر به اندازه‌گیری و کنترل سطح سیال در مخازن هستیم.
  در سیستم‌های Tank Gauging که با استفاده از ابزاردقیق مختلف، میزان ذخایر مشتقات نفتی را در اختیار قرار می‌دهند، ابزاردقیق Level، نقش اصلی را ایفا می‌نمایند.

• دبی (Flow):
  ابزاردقیق دبی که شاخصه اصلی آن تنوع بسیار زیاد در مکانیزم انواع آن می‌باشد، کاربردی ترین و مهم‌ترین ابزاردقیق مورد استفاده در صنعت قلمداد می‌شوند و کار اندازه‌گیری سرعت جریان سیال در داخل یک لوله یا داکت را انجام می‌دهند.
  واحدهای مهم اندازه‌گیری دبی که در ابزاردقیق رایج‌تر هستند، عبارتند از: مترمکعب بر ساعت (m3/h)، کیلوگرم یا تن بر ساعت، تعداد واحد بشکه در روز (BPD: Barrels Per Day) یا در ساعت و SCFH (Standard Cubic Feet per Hour).

• موقعیت (Position):
  موقعیت فیزیکی یک بخش از مکانیزم سیستم، مثلا قرار گرفتن محصول در موقعیت خاص از پیش تعیین شده، Position باز یا بسته بودن یک شیر و یا درصد باز بودن یک شیر، یکی از پارامترهایی است که جهت شناسایی و تشخیص آن از ابزاردقیق استفاده می‌شود.

• سرعت (Speed):سرعت یک سیستم دوار مثلا تعداد دور یک توربین در دقیقه که به آن RPM یا (Rotation Per Minute) گفته می‌شود یا اندازه گیری سرعت دور موتور ماشین.

• گشتاور (Torque):
  در کاربردهایی مانند شیرهای موتوری که در صورت عدم قطع برق در زمان رسیدن کامل شیر به انتهای کورس آن، ممکن است موتور شیر آسیب ببیند، از ابزاردقیق گشتاور جهت شناسایی ایراد و قطع برق موتور استفاده می‌شود.

• ارتعاش (Vibration):
  میزان ارتعاش یا Vibration یک سیستم دینامیکی از پارامترهای مهمی است که پایش و تحلیل آن، موجب افزایش طول عمر سیستم‌های مختلف خصوصا سیستم‌های دوار می‌باشد.

• مشخصات شیمیایی (Chemical Analysis):
  پارامترهای شیمیایی مختلف مثل PH، Conductivity، درصد وزنی عناصر مختلف، میزان اکسیژن محلول در آب، اندازه‌گیری گازهای سمی موجود در دود حاصل از احتراق و … توسط آنالیزورهای شیمیایی (Analyzers) اندازه‌گیری می‌شود.

انواع ابزاردقیق

برای هر یک از متغیرهای فرایندی گفته شده فوق، تنوعی از ابزاردقیق مختلف وجود دارد:

• نشانگرهای محلی (Indicators):
  نشانگرهای محلی یا Local Indicators که در اصطلاح به آنها Gauge هم گفته می‌شود. مثل:

که عموما عقربه‌ای یا خطی مدرج هستند و شما ممکن است انواع آنها را در تجهیزات منزل خود مثل پکیج شوفاژ دیواری و قهوه‌ساز نیز مشاهده نموده باشید.

• سوییچ‌ها (Switches):
  دسته دوم سوییچ‌ها هستند. سوییچ‌ها سنسورهای On/Off هستند که چنانچه پارامتر اندازه‌گیری شده از حد مشخص‌شده کمتر یا بیشتر شود، یک تبدیل کنتاکت از بسته به باز یا برعکس ایجاد می‌کنند.
  به عنوان نمونه تصویر روبه‌رو یک سوییچ فشار می‌باشد که ما در اینجا از آن به عنوان PSH که مخفف (Pressure Switch High) می‌باشد، استفاده می‌کنیم.
  برای این سوییچ یک فشار نرمال کارکرد و یک Set و یک Reset تعریف می‌شود. فرض کنید که فشار کارکرد عادی سیالی که این سوییچ بر روی آن قرار دارد، معادل ۸bar بوده و Set سوییچ بر روی ۹bar و Reset آن نیز ۸.۷bar تعریف و تنظیم شده باشند.
  در سوییچ‌های High معمولا از کنتاکت NC سوییچ استفاده می‌شود. در صورتی که فشار به هر دلیلی بالا برود، به محض اینکه فشار به ۹bar برسد، کنتاکت سوییچ باز می‌شود و پس از اقدامات اصلاحی اپراتور، با پایین آمدن فشار و رسیدن آن به ۸.۷bar، کنتاکت سوییچ به حالت عادی خود یعنی بسته بر می‌گردد.
  بنابراین چنانچه این سوییچ به عنوان ورودی دیجیتال یک PLC تعریف شده باشد، در شرایط عادی، این ورودی فعال بوده و در شرایط تحریک بودن سوییچ به شرح فوق، این ورودی غیرفعال می‌شود.
  ممکن است که این ورودی دیجیتال جهت استفاده در Logic یک بخش از فرایند و یا ایجاد آلارم (هشدار) برای اپراتور و یا هر دو کاربرد داشته باشد.
  در فرایندهای مهم، مثلا Level آب در درام بخار یک بویلر، ممکن است نیاز به چندین Level Switch مختلف باشد. مثلا LSL, LSH, LSLL, LSHH که سوییچ‌های Low و High نقش آلارم یا اخطار اولیه را داشته و Level Switch Low Low و High High نقش Protection یا شرایط Emergency را داشته و خروج اضطراری سیستم را باعث بشوند.
  

• ترنسمیترها (Transmitters):
  
  

  Pressure Transmitter (PT)

  دسته سوم ابزاردقیق، برای اندازه‌گیری پیوسته مقدار پارامتر فرایندی مربوطه و انتقال برخط (Online) آن در قالب یک سیگنال (عموما) الکتریکی به سیستم کنترل مورد استفاده قرار می‌گیرند.
  در این راستا ناگزیر هستیم تا تعریف دقیقی از ترنسدیدیوسرو ترنسمیتر داشته باشیم:
  ترنسدیوسرها میزان پارامتر اندازه‌گیری شده را تبدیل به یک پارامتر قابل سنجش الکتریکی، مانند میلی‌ولت، مقاومت الکتریکی یا ظرفیت‌خازنی می‌نمایند.
  ترنسمیتر، سیگنال خروجی ترنسدیوسر را Modify، تقویت و در قالب یک سیگنال قابل اطمینان (مثلا ۴ تا ۲۰ میلی آمپر که رایج‌ترین سیگنال مورد استفاده می‌باشد) به سیستم کنترل Remote منتقل می‌کند.

اگر دو اصطلاح ترنسدیوسر و ترنسمیتر برای شما مفهوم واضحی ندارد، نگران نباشید. خبر خوب این است که در عرف پروژه‌های صنعتی، ترکیب ترنسدیوسر و ترنسمیتر را تنها به‌عنوان ترنسمیتر یاد می‌نمایند و بنابراین شما بدون نیاز به اطلاع از ترنسدیوسر و جزئیات عملکردی سنسور مربوطه، فقط یک تجهیز را به نام ترنسمیتر می‌بینید که تغییرات آنالوگ پارامتر مذکور در رنج تعریف شده را به‌صورت یک سیگنال ۴ تا ۲۰ میلی آمپر به سیستم کنترل ارسال می‌کند.

به عنوان نمونه فرض کنید که ترنسمیتر فشار فوق‌الذکر تغییرات فشار در رنج ۰ تا ۱۰۰ کیلو پاسکال را به سیگنال ۴ تا ۲۰ mA تبدیل می‌کند. مثلا اگر فشار وارده به ترنسمیتر ۲۵ کیلوپاسکال باشد، خروجی ترنسمیتر ۸ میلی‌آمپر، برای فشار ۵۰، جریان ۱۲ میلی‌آمپر، فشار ۷۵ کیلوپاسکال، ۱۶ و در فشار ۱۰۰ کیلوپاسکال، ۲۰ میلی آمپر به سیستم کنترل ارسال می‌نماید.

برای اینکه سیگنال ۴ تا ۲۰ میلی آمپر به‌صورت خطی معیار فشار ۰ تا ۱۰۰ کیلوپاسکال باشد، مقادیر LRV (Lower Range Value) و URV (Upper Range Value) ترنسمیتر باید به ترتیب بر روی ۰ و ۱۰۰ کیلوپاسکال تنظیم شده‌باشند. LRV و URV بازه کالیبراسیون ترنسمیتر می‌باشند که نمی‌توانند از بازه بین LRL و URL ترنسمیتر، تجاوز نمایند.
با توجه به اینکه اغلب ترنسمیترهای جدید از نوع Smart هستند، شما می‌توانید با یک Hand Held Communicator پرتابل که دارای منوی بسیار User Friendly می‌باشد، به آن متصل شده و به راحتی با ترنسمیتر مربوطه ارتباط و امور لازم را انجام ‌دهید.

در یک دسته‌بندی، ترنسمیترها به دو دسته تقسیم می‌شوند که دسته اول با عنوان ترنسمیترهای Loop Powered یا Passive شناخته شده و تغذیه مورد نیاز برای عملکرد ترنسمیتر و سیگنال ۴ تا ۲۰ میلی آمپر مربوطه با هم توسط دو عدد سیم بین ترنسمیتر و تابلوی کنترل در جریان می‌باشند. 

دسته دوم هم ترنسمیترهای Active یا Non-Loop Powered یا Line Powered هستند که تغذیه و سیگنال از هم مجزا می‌باشند که عموما این دسته اصطلاحا در دو نوع سه سیمه یا چهار سیمه یافت می‌شوند.

• شیر کنترل (Control Valve):
  همان‌طور که قبلا گفته‌شد، Final Elementهای ابزاردقیق از جمله “شیرکنترل“ها و انواع آن و اجزای آن از جمله Seat، Stem، Actuator، I/P و پوزیشنر یا Electro-Positionerها که جدیدا به‌صورت Smart در دسترس می‌باشند را در مبحث ولوها مورد ارزیابی و بررسی قرار می‌دهیم.