شرح دستگاه آزمایش کنترل فشار در آزمایشگاه کنترل فرایند

شرح دستگاه کنترل فشار


دستگاه از یک شیر کنترل (Control Valve) صنعتی از نوع الکترو نیوماتیکی (Electropneumatic)، یک ترانسمیتر فشار (Pressure Transmitter) صنعتی از نوع Guage ، دو تانک هوا، یک کمپرسور(Compressor) ، یک منبع ذخیره هوا، یک فیلتر رگولاتور هوا (Air Filter Regulator)، کارتهای واسطه (Data Aquisation Cards)، ۸ شیر دستی (Hand Valve – HV) و یک کامپیوتر تشکیل یافته است. با استفاده از شیرهای دستی و تغییر مسیر جریان سیال میتوان سیستم کنترل فشار در فرآیند درجه اول یا فرآیند درجه دوم با اثر متقابل را مورد مطالعه قرار داد.



همانطوری که در شکل مشاهده میگردد، هوا توسط کمپرسور فشرده شده و به داخل منبع ذخیره هوا فرستاده می‌شود. فشار هوای خروجی از این منبع توسط فیلتر رگلاتور تنظیم شده و پس از عبور از شیر دستی شماره ۲، وارد شیر‌کنترل میشود. در صورتیکه شیر دستی شماره ۳ بسته باشد، جریان هوای خروجی از شیر‌کنترل، وارد تانک اول شده و از طریق شیر دستی شماره ۴ ، به اتمسفر تخلیه میشود. در صورتیکه شیر دستی شماره ۳ و ۵ باز، و شیر دستی شماره ۴ بسته باشد، جریان هوای خروجی از شیر کنترل، از طریق تانک اول، وارد تانک دوم شده، و از طریق شیر دستی شماره ۵ ، به اتمسفر تخلیه میشود. ( تانک دوم جهت بررسی رفتار دینامیکی سیستم‌های درجه دوم فشار با اثر متقابل در نظر گرفته شده است.) در هر حالت، فشار هوای داخل هر یک از تانکها، توسط سنسور فشار تعبیه شده در داخل ترانسمیتر فشار، اندازه‌گیری شده و‌سیگنال خروجی متناسب با آن در محدوده ۴-۲۰mA ، توسط ترانسمیتر فشار تولید میگردد.لازم بذکر است که چون از یک ترانسمیتر واحد جهت اندازه‌گیری فشار در هر دو تانک استفاده میشود، لذا بسته به نوع آزمایش(سیستم کنترل فشار درجه اول یا سیستم کنترل فشار درجه دوم با اثر متقابل)، میتوان با باز و بسته کردن شیرهای دستی شماره ۶ و ۷ ، هریک از تانکها را در مسیر ترانسمیتر فشار قرار داده و فشار داخل آن را اندازه‌گیری نمود. ( با توجه با اینکه کمپرسور بصورت اتوماتیک با تغیر فشار هوای داخل مخزن آن، روشن و خاموش میگردد، لذا به تبع آن فشار هوای داخل تانک ذخیره هوا نیز تغییر مینماید. بمنظور جلوگیری از انتقال نوسانات فشار داخل تانک ذخیره هوا به سیستم، یک فیلتر رگولاتور در مسیر هوای خروجی از تانک ذخیره نصب شده و فشار خروجی آن روی ۷ اتمسفر تنظیم شده است. با استفاده از این فیلتر رگولاتور، در صورت نیاز میتوانید فشار جریان هوای ورودی به سیستم را بین صفر تا حداکثر ۸ اتسفر تنظیم نمائید. ضمناً چون فیلتر رگولاتور، رطوبت موجود در هوای ورودی را نیز جذب میکند، لذا بمنظور جلوگیری از ورود آب همراه با جریان هوای ورودی به سیستم، با توجه به درجه آبنمای نصب شده روی فیلتر رگولاتور، در صورت پر شدن مخزن آن، آب جمع آوری شده را تخلیه نمائید.)

سیگنال تولید شده توسط ترانسمیتر فشار که در محدوده ۴-۲۰mA میباشند، به کارت واسطه (Interface Card) یا کارت تحصیل اطلاعات (Data Aquisation Card) منتقل و از طریق کانالهای ورودی(Analog Input Channels) کارت واسطه، وارد کامپیوتر میشود. سیگنالهای ورودی به کامپیوتر توسط نرم افزاری با نام DIGIWIN-32 ، پروسس شده وآماده نمایش (Monitoring)، کنترل (Control) و یا ثبت شدن (Logging) میشوند. کنترلر از نوع PID دیجیتال کامپیوتری (Digital PID Computer Control) بوده و فرمانهای خروجی آن بصورت نرم افزاری آماده شده و در محدوده ۴-۲۰mA از طریق کانالهای خروجی آنالوگ (Analog Output Channels) کارت واسطه به شیر کنترل (Control Valve) ارسال می گردد. از آنجایی که سیگنال ارسالی به شیر کنترل برقی بوده ولی Actuator شیر کنترل 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 حد ۳۰ psi ، 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 شیر کنترل(۴-۲۰mA)، سیگنال خروجی لازم را در محدوده ۳-۱۵ psi آماده و بهActuator شیر کنترل اعمال مینماید. لازم بذکر است که چون هوای ورودی به شیر کنترل بایدکاملاً تمیز(عاری از ذرات گرد و غبار و روغن و …) بوده و فشارآن حداکثر بین ۲۵-۳۰ psi باشد، لذا جهت اطمینان، علاوه بر فیلتر رگولاتوری که در مسیر هوای خروجی از کمپرسور قرار دارد، یک فیلتر رگولاتور مخصوص دیگر روی شیر کنترل 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. )

کارتهای واسطه نصب شده در سیستم دارای ۸ کانال ورودی آنالوگ ، ۱ کانال خروجی آنالوگ و ۸ کانال ورودی و خروجی دیجیتال(Digital Input/Output Channels) میباشد. با توجه به اینکه در این سیستم از ۱ ترانسمیتر آنالوگ و ۱ شیر کنترل آنالوگ استفاده شده ، لذا از ۱ کانال ورودی آنالوگ و ۱ کانال خروجی آنالوگ کارتهای 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 فشار در هریک از تانکها و کانال خروجی آنالوگ شماره ۱ برای ارسال فرمان خروجی کنترلر به شیر کنترل در نظر گرفته شده است. با توجه به اینکه سیستم شماره گذاری کانالهای ورودی و خروجی در کارت واسطه از صفر شروع میشود، لذا منظور‌ ازکانال ورودی شماره ۱ ، همان کانال ورودی شماره صفر و منظور از‌کانال خروجی شماره ۱ همان کانال خروجی شماره صفر کارتهای واسطه میباشد.

آماده سازی دستگاه

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

»هوا : برای تامین هوای مورد نیاز دستگاه، ابتدا کمپرسور را روشن کنید و پس از حصول اطمینان از اتصال شلنگ هوا با منبع ذخیره هوا، شیر دستی نصب شده روی دیوار و شیر دستی شماره ۱ را باز کنید و منتظر شوید تا فشار منبع به حدود ۱۰ اتمسفر برسد. توجه داشته باشید که شیر دستی شماره ۸ کاملاً بسته باشد.

»برق : برق مورد نیاز دستگاه تک 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. قبل از اتصال برق به دستگاه ، توجه داشته باشید که کلید اصلی دستگاه (Main Switch) در وضعیت خاموش (صفر) قرار داشته 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 نمائید. 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 کامپیوتر با دستگاه : کابل USB خروجی از دستگاه را به یکی از پورتهای ورودیUSB کامپیوتر متصل نمائید.

آزمایشهای قابل انجام با دستگاه

همانطوریکه قبلاً اشاره شد، در این دستگاه میتوان سیستم کنترل فشار در فرآیند درجه اول یا درجه دوم با اثر متقابل را مورد مطالعه قرار داد. با توجه به اینکه جهت تنظیم پارامترهای کنترلر از روش پاسخ مدار باز استفاده میشود، لذا آزمایشها هم بصورت مدار باز و هم بصورت مدار بسته انجام خواهند شد. در این دستگاه، چون دبی جریان هوای خروجی از شیر کنترل قابل اندازه‌گیری نمیباشد، لذا بررسی نوع شیرکنترل امکانپذیر نبوده و آزمایش تعیین مشخصه شیر کنترل، انجام نخواهد شد. به این ترتیب آزمایشهای قابل انجام با این دستگاه را میتوان به صورت زیر دسته بندی نمود که هر کدام از آنها بترتیب مورد بررسی قرار خواهند گرفت.

• بررسی رفتار دینامیکی سیستم کنترل فشار در فرآیند درجه اول بصورت مدار باز
• بررسی رفتار دینامیکی سیستم کنترل فشار در فرآیند درجه اول بصورت مدار بسته (کنترل اتوماتیک)
• بررسی رفتار دینامیکی سیستم کنترل فشار در فرآیند درجه دوم با اثر متقابل بصورت مدار باز
• بررسی رفتار دینامیکی سیستم کنترل فشار در فرآیند درجه دوم با اثر متقابل بصورت مدار بسته (کنترل اتوماتیک)

منبع:انجمن مهندسی شیمی