شرح دستگاه کنترل دما در آزمایشگاه کنترل فرایند

هدف

هدف از طراحی این دستگاه مطالعه و بررسی سیستم کنترل دما در فرآیند اختلاط بدون تأخیر انتقالی و همراه با تأخیر انتقالی میباشد. همچنین بررسی و مطالعه فرآیند کنترل دمای یک آبگرمکن بصورت همزمان با سیستم کنترل دما در فرآیند اختلاط مورد نظر میباشد.





شرح دستگاه

دستگاه از یک شیر کنترل (Control Valve) صنعتی از نوع الکترو نیوماتیکی (Electropneumatic)، دو سنسور اندازه گیری دما (Temperature Measuring Sensor) صنعتی از نوع RTD Resistance Temperature Device))، یک آبگرمکن، ۴ مبدل سیگنال(Signal Conditioner)، یک جعبه رابط کامپیوتر(Computer Interface)، ۹ شیر دستی (Hand Valve – HV) و یک کامپیوتر تشکیل یافته است. با استفاده از شیرهای دستی و تغییر مسیر جریان سیال میتوان سیستم کنترل دما در فرآیند اختلاط بدون تأخیر انتقالی و همراه با تأخیر انتقالی‌کم یا زیاد را مورد مطالعه قرار داد.



همانطوری که در شکل مشاهده میگردد،آب مورد نیاز فرآیند، از شبکه آب شهری تأمین شده و پس از عبور از شیر دستی شماره۱، به ۲ شاخه تقسیم می گردد. یک شاخه پس از عبور از شیر یکطرفه وارد آبگرمکن شده و پس از گرم شدن توسط المنتهای برقی و رسیدن به دمای مورد نظر، از آبگرمکن خارج و پس از عبور از شیر دستی شماره ۳، برای مصرف در فرآیند ارسال میگردد. دمای آب در آبگرمکن، توسط RTD نصب شده در داخل آن(Heater RTD)، اندازه‌گیری شده و سیگنال خروجی متناسب با دمای آن، در محدوده W 138.5 – ۱۰۰ تولید میگردد. شاخه دوم آب شهری، پس از عبور از شیر دستی شماره ۲ و شیر‌کنترل، جهت اختلاط با آب گرم هدایت شده و فرآیند اختلاط آب سرد و‌گرم صورت میگیرد. بدین ترتیب‌که، آب‌ سرد خروجی از شیر‌کنترل، با آب گرم خروجی از آبگرمکن مخلوط شده و پس از اختلاط بسمت فاضلاب هدایت میگردد. دمای مخلوط آب سرد ‌و‌‌گرم، توسط RTD نصب شده در مسیر جریان عبوری بسمت فاضلاب(Process RTD)، اندازه‌گیری شده و سیگنال خروجی متناسب با آن در محدوده W 138.5 – ۱۰۰ تولید میگردد.

سیگنالهای تولید شده توسط RTD های فرآیند و‌آبگرمکن که در محدوده W 138.5 – ۱۰۰ میباشند، با استفاده‌از مبدل سیگنال RTD فرآیند (Process RTD Conditioner) ومبدل سیگنال RTD آبگرمکن(Heater RTD Conditioner) به محدوده مورد نیاز کارت واسطه(Interface Card) یا کارت تحصیل اطلاعات (Data Aquisation Card) در حد ۱۰- تا ۱۰+ ولت تبدیل شده و توسط جعبه رابط کامپیوتر و از طریق کانالهای‌ ورودی (Analog Input Channels)‌ کارت واسطه ، وارد کامپیوتر ‌میشوند. سیگنالهای ورودی به کامپیوتر توسط نرم افزاری با نام DIGIWIN-32، پروسس شده ‌و آماده نمایش(Monitoring)، کنترل(Control) و یا ثبت شدن(Logging) میشوند. کنترلر‌از نوع‌PID دیجیتال کامپیوتری(Digital PID Computer Control) بوده‌و‌فرمانهای خروجی‌آن بصورت نرم‌افزاری‌آماده شده‌و‌در‌محدوده صفرتا۱۰+ ولت از‌طریق‌کانالهای خروجی‌آنالوگ (Analog Output Channels) کارت‌واسطه‌به‌جعبه‌رابط‌کامپیوتر‌‌و‌‌از‌آن‌طریق‌به‌مبدل‌سیگنال‌شیر‌کنترل (Control Valve Conditioner) و مبدل سیگنال تریستور‌(Tiristor Conditioner) (تریستور نقش شیر کنترل در سیستمهای کنترل دما را بعهده دارد‌که در آن از المنتهای برقی بعنوان متغیر در اختیار استفاده میشود.) ارسال می گردد. چون عملکرد شیر کنترل در محدوده ۴-۲۰mA میباشد، لذا سیگنال خروجی‌کنترلر‌ در‌محدوده صفر تا ۱۰+ ولت، از‌طریق مبدل سیگنال شیر‌کنترل به محدوده ۴-۲۰mA تبدیل شده و به شیر‌کنترل ارسال میگردد. از آنجایی‌که سیگنال ارسالی به شیر‌کنترل برقی بوده ولی Actuator شیر‌کنترل بادی (نیوماتیکی) می باشد، لذا شیر کنترل دارای یک تبدیل کننده سیگنال جریان به سیگنال فشار (Current / Pressure (I/P) Positioner) جهت تبدیل سیگنال برقی به سیگنال بادی میباشد. هوای فشرده مورد نیاز توسط کمپرسور تولید شده و پس از خشک شدن و تنظیم فشارآن توسط رگولاتور تا حدpsi 30 ، بعنوان فشار تغذیه(SupplyPressure) وارد قسمت ورودی مبدلI/P شیرکنترل میشود. مبدلI/P با استفاده از هوای فشرده ورودی و متناسب با سیگنال برقی ارسال شده از مبدل سیگنال شیر‌کنترل(۴-۲۰mA)، سیگنال خروجی لازم را در محدوده psi 3-15 آماده و بهActuator شیر کنترل اعمال مینماید. لازم بذکر است‌که چون هوای ورودی به شیر کنترل بایدکاملاً تمیز(عاری از ذرات گرد و غبار و روغن و …) بوده و فشارآن حداکثر‌بین ۲۵-۳۰psi باشد، لذا جهت اطمینان، علاوه بر فیلتر رگولاتوری‌که در مسیر هوای خروجی از کمپرسور قرار دارد، یک فیلتر رگولاتور مخصوص دیگر روی شیر‌کنترل نصب شده است. ( توجه داشته باشیدکه ورود ذرات آب و روغن به داخل مبدل I/P شیر کنترل، سبب آسیب رساندن به این وسیله حساس میگردد. لذا برای جلوگیری از اینکار، بطورمرتب شیر تخلیه فیلتر رگولاتور نصب شده در مسیر هوای خروجی از کمپرسور را باز کرده و پس از تخلیه کامل آب آن، مجدداً شیر تخلیه را ببندید. )

همچنانکه اشاره شد، در این دستگاه جهت تولید آب‌گرم مورد نیاز برای فرآیند اختلاط، از یک آبگرمکن‌که دمای آب‌گرم تولیدی آن، با استفاده از یک سیستم کنترل کاملاً مستقل کنترل میگردد، استفاده شده است. از آنجائیکه در این آبگرمکن از المنتهای حرارتی بعنوان وسیله گرم کننده استفاده شده است، لذا کنترل دمای آب گرم تولیدی توسط آبگرمکن، با تغییر بار حرارتی المنتها، امکانپذیر میباشد. برای تغییر بار حرارتی المنتها، در اینگونه سیستمها، معمولاً از یک تریستور استفاده میکنند‌که در واقع نقش شیر‌کنترل در سیستمهای کنترل دیگر را دارا میباشد. بهمین دلیل در این دستگاه نیز از یک تریستور جهت کنترل دمای آب‌گرم تولیدی توسط آبگرمکن استفاده شده است. چون عملکرد تریستور و المنتهای حرارتی در محدوده۰-۲۲۰V میباشد، لذا سیگنال خروجی‌کنترلر در محدوده صفر‌تا ۱۰+ ولت، از طریق مبدل سیگنال تریستور به محدوده ۰-۲۲۰V تبدیل شده و از طریق تریستور به المنتهای حرارتی ارسال میگردد.

برای افزایش ضریب ایمنی آبگرمکن، علاوه بر‌کنترل اتوماتیک دمای آن از طریق سیستم کنترل کامپیوتری، از یک سیستم کنترل ترموستاتی نیز جهت جلوگیری از افزایش بیش از حد دما استفاده شده است. در صورتیکه سیستم کنترل کامپیوتری تحت هر شرایطی نتواند دمای آبگرمکن را کنترل نماید و دمای آن از یک حد تعیین شده بیشتر شود، سیستم کنترل ترموستاتی عمل کرده و ضمن قطع برق المنتها، چراغ سیگنال قرمز رنگ مربوط به المنتها را روشن کرده و همزمان با آن زنگ اخطارمربوط به قطع برق المنتها را برای مدت زمان مشخصی‌که قبلاً تعیین شده، بصدا در می‌آورد. این سیستم بگونه‌ای طراحی شده است‌که تا پائین نیامدن دمای آبگرمکن و وصل نکردن مجدد ترموستات، امکان وصل برق المنتها و افزایش دمای آبگرمکن وجود ندارد. علاوه براین در سیستم کنترل آبگرمکن، از دو عدد شیر اطمینان جهت تنظیم دما و فشار داخل آن نیز‌استفاده شده و در صورت عدم کارکرد صحیح سیستم کنترل کامپیوتری و سیستم کنترل ترموستاتی، و افزایش بیش از حد دما یا فشار، هریک از شیرهای اطمینان برحسب شرایط فرآیند بصورت اتوماتیک باز شده و مانع افزایش بیش از حد دما یا فشار در سیستم میشوند.

کارت واسطه نصب شده در داخل کامپیوتر دارای ۱۶ کانال ورودی آنالوگ ، ۲ کانال خروجی آنالوگ و ۱۶ کانال ورودی و خروجی دیجیتال(Digital Input/Output Channels) میباشد. با توجه به اینکه در این سیستم از ۲ سنسور آنالوگ، ۱ شیر کنترل آنالوگ و ۱ تریستور آنالوگ استفاده شده ، لذا از ۲ کانال ورودی آنالوگ و ۲ کانال خروجی آنالوگ کارت واسطه استفاده شده و بقیه کانالهای ورودی و خروجی‌آنالوگ و دیجیتال مورد استفاده قرار نگرفته اند. در این سیستم‌کانال ورودی آنالوگ شماره۱، برای اندازه گیری دمای فرآیند ( دمای مخلوط آب سرد و گرم ) ، کانال ورودی آنالوگ شماره ۲، برای اندازه گیری دمای آب گرم تولیدی توسط آبگرمکن، کانال خروجی آنالوگ شماره ۱، برای‌ ارسال‌ ‌فرمان خروجی‌کنترلر ‌به شیر‌کنترل و‌کانال خروجی‌آنالوگ شماره۲، برای ارسال فرمان خروجی کنترلر به تریستور در نظر گرفته شده است. با توجه به اینکه سیستم شماره‌گذاری کانالهای ورودی و خروجی در‌کارت واسطه از‌صفر شروع میشود، لذا منظور‌ ازکانال ورودی شماره‌۱، همان کانال ورودی شماره صفر،‌کانال ورودی شماره‌۲، همان کانال ورودی شماره ۱، کانال خروجی شماره ۱، همان کانال خروجی شماره صفر و کانال خروجی شماره ۲ ، همان کانال خروجی شماره ۱ کارت واسطه میباشد.

ورودی کلیه مبدلهای سیگنال با فیشهای رنگ زرد و مشکی و خروجی آنها با فیشهای رنگ قرمزو مشکی مشخص شده و در مورد جعبه رابط کامپیوتر، کانالهای ورودی با فیشهای رنگ قرمز و مشکی و کانالهای خروجی با فیشهای رنگ زرد و مشکی مشخص شده‌اند.



آماده سازی دستگاه

برای آماده سازی دستگاه جهت انجام آزمایش، لازم است سرویسهای مورد نیاز ( آب ، برق و هوای ابزار دقیق) و مقدمات کار را بترتیب زیر آماده نمائید.

»آب : برای تامین آب مورد نیاز دستگاه ، ابتدا شیر دستی نصب شده روی دیوار را باز کرده و سپس شیر دستی شماره ۱ را که به شبکه آب شهری متصل است باز کنید و آبگرمکن را پر از آب نمائید. توجه داشته باشید که در این حین شیر دستی شماره ۹ بسته باشد. برای حصول اطمینان از پر‌شدن منبع آبگرمکن و هواگیری آن، شیرهای دستی شماره ۲ ، ۴ و ۷ را باز و شیر دستی شماره ۸ را ببندید و منتظر شوید تا هوای منبع خالی شده و جریان آب از شیر دستی شماره ۷ برقرار بشود.

»برق : برق مورد نیاز دستگاه سه فاز می باشد که از شبکه برق شهری تامین می‌گردد. با اتصال کابل دستگاه به پریز برق شهری جریان برق را به دستگاه برقرار نمائید. قبل‌از‌اتصال برق به دستگاه،‌توجه داشته باشید‌که‌کلید اصلی دستگاه (Main Switch) در وضعیت خاموش (صفر) قرار داشته و آبگرمکن حتماً از آب پر‌شده باشد. برای برقرای جریان برق به کامپیوتر نیز،کابل کامپیوتر را به پریز برق شهری وصل کرده و جریان برق را به کامپیوتر برقرار نمائید. ( توجه داشته باشید که حتماَ برق ورودی دستگاه و کامپیوتر دارای ارت باشد و ارت دستگاه و کامپیوتر به آن وصل شده باشند. در صورت عدم رعایت این موضوع علاوه بر ایجاد نوسان (نویز) در سیگنالهای ورودی به کامپیوتر و خروجی از آن ، احتمال خطر برق گرفتگی نیز وجود خواهد داشت. )

» هوای ابزار دقیق : هوای ابزار دقیق مورد نیاز دستگاه هوای فشرده تمیز(عاری ازآب و روغن و ذرات گرد و غبار) با فشار psi 30 میباشد که توسط کمپرسور تامین می‌‌گردد. به همین منظور لازم است ابتدا کمپرسور را روشن کرده و سپس توسط فیلتر رگلاتور، فشار هوای خروجی از کمپرسور را در حد ۳۰ psiتنظیم نمایئد. برای برقراری جریان هوای فشرده به شیر کنترل، پس از حصول اطمینان از اتصال شلنگ هوا با شیر کنترل، شیر دستی نصب شده روی دیوار را باز کنید.

»ارتباط سنسور اندازه‌گیری دمای فرآیند با جعبه رابط کامپیوتر: فیش مخصوص خروجی از سنسور اندازه‌گیری دمای فرآیند را به ورودی(in) مبدل سیگنال سنسور اندازه‌گیری دمای فرآیند (فیش مخصوص) متصل‌کرده و خروجی (out) این مبدل ( فیشهای قرمز و مشکی) را با سیمهای قرمز و مشکی به کانال ورودی شماره ۱ (Ch.#1) جعبه رابط کامپیوتر ( فیشهای قرمز و مشکی) متصل نمائید. »ارتباط سنسور اندازه‌گیری دمای آبگرمکن با جعبه رابط کامپیوتر: فیش مخصوص خروجی از سنسور اندازه‌گیری دمای آبگرمکن را به ورودی(in) مبدل سیگنال سنسور اندازه‌گیری دمای آبگرمکن (فیش مخصوص) متصل‌کرده و خروجی (out) این مبدل ( فیشهای قرمز و مشکی) را با سیمهای قرمز و مشکی به کانال ورودی شماره ۲ (Ch.#2) جعبه رابط کامپیوتر ( فیشهای قرمز و مشکی) متصل نمائید. (توجه داشته باشید که ورودی (in) مبدل سیگنال سنسور اندازه‌گیری دمای آبگرمکن در پشت آن قرار دارد.)

»ارتباط شیر‌کنترل با جعبه رابط کامپیوتر: سیمهای قرمز و مشکی خروجی از شیر کنترل را به خروجی (out) مبدل سیگنال شیر کنترل ( فیشهای قرمز و مشکی) متصل‌کرده و ورودی (in) این مبدل ( فیشهای زرد و مشکی) را با سیمهای زرد و مشکی به کانال خروجی شماره ۱ (Port#1) جعبه رابط کامپیوتر ( فیشهای زرد و مشکی) متصل نمائید.

»ارتباط تریستور با جعبه رابط کامپیوتر: فیش مخصوص خروجی از تریستور را به خروجی (out) مبدل سیگنال تریستور ( فیش مخصوص) متصل‌کرده و ورودی (in) این مبدل ( فیشهای زرد و مشکی) را با سیمهای زرد و مشکی به کانال خروجی شماره ۲ (Port#2) جعبه رابط کامپیوتر ( فیشهای زرد و مشکی) متصل نمائید. (توجه داشته باشید که خروجی (out) مبدل سیگنال تریستور در پشت آن قرار دارد.)

»ارتباط کامپیوتر با دستگاه : کابل رنگی ۵۰ رشته (کابل رابط) خروجی از جعبه رابط کامپیوتر را به ورودی کارت واسطه نصب شده در داخل کامپیوتر متصل نمائید.( در هنگام وصل کابل رنگی به کامپیوتر، توجه داشته باشید که نری(male) روی سوکت کابل در مقابل مادگی (female) روی کارت واسطه قرار بگیرد. ضمناً بمنظور جلوگیری از کج شدن پینهای کارت واسطه و آسیب دیدن آن، عمل اتصال کابل رنگی به کارت واسطه را کاملاً با احتیاط انجام بدهید. )

منبع:انجمن مهندسی شیمی