سیستمهای کنترلی و سخت افزاری مرسوم
در این فصل ما تجهیزات کنترلی، کارآیی کنترلر، تنظیم کنترلر و مفهوم طراحی سیستمهای کنترلی عمومی را مطالعه می کنیم. سوالهای بوجود آمده شامل : چگونه می توانیم نوع شیر کنترلی مورد استفاده را انتخاب کنیم؟ چه نوع سنسورهای می توانیم مورد استفاده قرار دهیم؟ کدام مشکلها باعث ایجاد سیگنالهای خطا می شود انواع کنترلرها که باید برای یک کاربرد مورد نظر انتخاب کنیم؟ چگونه می توانیم یک کنترلر را تنظیم کنیم؟
ابتدا باید در بعضی از سخت افزارهای کنترلی جستجوی مختصری انجام دهیم که در سیستمهای کنترلی فرآیندی در حال حاضر مورد استفاده است. از قبیل ترانستیرها، شیرهای کنترلی، کنترلرها و غیره …
پس ما در مورد کارآیی کنترلرهای مرسوم و تکنیکهای تجربی تنظیمی که در حال حاضر اجرا می شوند بحث می کنیم نهایتاً در مورد مفهوم بعضی از طراحی های مهم و اکتشافاتی که در مشخص کردن ساختار یک سیستم کنترل برای یک فرآیند مفید است صحبت می کنیم.
1 . 3 – ابزارهای کنترلی
بعضی از شناختها از سخت افزارها و نرم افزارهای کنترلی قبل از اینکه بتوانیم در مورد انتخاب و تنظیم آنها بحث کنیم مورد نیاز است ما در مورد جزئیات اینکه مکانیک سیستمهای متنوع چگونه عمل می کنند و همچنین دستگاههای پنوماتیک، هیدرولیک و الکترونیک محاسبه گری که ساخته شده اند کاری نداریم. این جزئیات nitty – gritty می تواند از ابزار دقیق و فروشنده های کامپیوترهای کنترل فرآیندی فراهم شود.
هیچکدام از جزئیات برنامه ریزی یک سیستم کنترل تداخلی در اربتاط با کار ما نمی باشد. هر فروشنده یک سری از جزئیات را ارائه می دهد. ما فقط به دانستن اساس کار آنها و چیزهای را که در نظر دارند انجام دهند، نیاز داریم. در ضمیمه B تصاویر قسمتهای از سخت افزارها داده شده است. یک تحول واقعی در سخت افزارهای ابزار دقیق در دهه های اخیر ایجاد شده است. در بیست سال قبل بیشترین سخت افزارهای کنترلی مکانیکی و پنتوماتیک بودند. از فشار هوای ابزار دقیق جهت راندن ابزار و سیگنالهای کنترل استفاده می کنیم. لوله کشی می بایست به عقب برمی گشت و میان تجهیزات فرآیندی و موقعیت مرکزی تحت عنوان اتاق کنترلی انجام می شد. اتاق کنترل جایی بود که همه کنترلها و ثبت کننده ها در آن نصب و سیگنالها روی ثبت کننده های کاغذی ثبت می شدند. امروزه بیشتر واحدهای جدید از میکرو پروسسور و سخت افزارهای DCS استفاده می کنند که حلقه های کنترلی را شبیه سازی می کنند.
اطلاعاتی که در آن CRT ها نمایش داده می شوند (CRT : لوله های اشعه کاتدی).
بیشتر سیگنالهای که منتقل می شوند هنوز به صورت آنالوگ الکتریکی از سیگنالهای معمولی در حال جریان می باشند. اما استفاده از شبکه ها و بزرگراههای داده های دیجیتالی در حال رشد هستند این سیستم ها قدرت محاسبه بیشتری را فراهم می کنند و به مدلهای ریاضی فرایندها اجازه می دهند به صورت همزمان اجراء شوند. (هنگامیکه فرآیندها در حال اجرا هستند).
با وجود این در سخت افزار مفهوم اصلی سیستم ساختار کنترلی و الگوریتم کنترلی (انواع کنترلرها) ثابت می مانند (مثل 30 سال گذشته) اما حال طراحی ساختارهای کنترلی آسان است ما فقط یک کامپیوتر را دوباره برنامه ریزی می کنیم اما وظیفه مهندس کنترل فرآیند تفاوتی نمی کند (وظیفه آن افزایش سطح یک سیستم کنترلی است که به ما کارآیی ثابت، خوب و پایدار بدهد). همانطور که در فصل یک بحث شد حلقه کنترلی پس خور اصلی شامل یک سنسور برای یافتن تغییرات فرآیند، یک ترانسمتر برای تبدیل سیگنال سنسور به یک سیگنال معادل می باشد. (یک سیگنال هوا – فشار در سیستم پنیوماتیک یا یک سیگنال جریان در سیستم های الکتریکی آنالوگ) یک کنترلر که سیگنالهای این فرآیند را با یک مقدار مقرر مقایسه می کند و تولید یک سیگنال خروجی مخصوص می کند، و یک المان کنترل نهایی با مهارت، متغیرها را بر اساس سیگنال خروجی کنترلر تغییر می دهد. معمولاً المان کنترل نهایی یک شیر کنترل است که توسط هوا کار می کند و باز و بسته می شود.
شکل 1 – 3
سنسور، ترانسمتر و شیر کنترل به صورت فیزیکی روی تجهیزات فرآیندی نصب شده اند و کنترلر معمولاً روی یک پنل یا در کامپیوتر در یک اتاق کنترل که از تجهیزات فرآیندی به روز است قرار دارند و همچنین سیستم هایی که دو موقعیت (سیگنال های جریان از ترانسیمترها به کنترلرها و از کنترلر به المان کنترل نهایی) را به هم وصل می کنند. سیستم های آنالوگ سیگنال های هوا فشار را در (psi 15-3) یا نسبت جریان بر ولتاژ را در (MA 20- 4 ، MA 50-10 یا 10 – 0 ولت مستقیم) را استفاده می کنند. آنها به وسیله تعمیر کننده های هوای ابزار دقیق تغذیه می شوند سیستم های پنیوماتیک یک سیگنال فشار – هوا ارسال می کنند. شیرها توسط فشار هوا تحریک می شوند. سیگنالهای جریان معمولاً به فشار هوا تبدیل میشوند.
یک () جریان به فشار ترانسفورماتوری است که برای تبدیل سیگنالهای MA 20-4 به فشارهای Psi 15 – 3 استفاده می شود. تحت شرایط غیر عادی یا در زمان شروع، اوپراتور واحد ممکن است وضعیت شیر کنترل را به جای دانستن موقعیت یا وضعیت کنترل بخور و تنظیم وضعیت شیر کنترل مطلوبش باشد. یک تغییر معمولاً روی یک پنل کنترل یا در سیستم کامپیوتر فراهم می شود. به عنوان طرح در شکل 2-3 .
در وضعیت کارکرد دستی اپراتور می تواند به شیر ضربه بزند یا دسته را تغییر دهد. (یک ریگلاتور فشار در یک سیستم پنیوماتیک یا یک پتانسیل سنج در یک سیستم الکتریکی آنالوگ)
هر کنترل موارد زیر را انجام دهد.
1. نشان دادن مقدار متغیر کنترل شده (سیگنال ) از ترانسیمتر (PV )
2. نشان دادن تعداد سیگنال فرستاده شده به شیر (خروجی کنترلر) (CO)
3. نشان دادن سیگنال مقدار مقرر (SP)
4. داشتن یک انتخاب دستی اتوماتیک آبشاری (Cas code)
5. داشتن دستگیره برای تنظیم مقدار مقرر
6. داشتن یک دستگیره برای تنظیم سیگنال به شیر هنگامیکه کنترلر روی حالت دستی است.
همه کنترلرها پنیوماتیک با سی سال عمر یا میکرو کنترلرهای همراه با میکرو پروسسورهای مدرن هم چنین خصوصیاتی دارند.
1-1-3 سنسورها
حال از شروع حلقه کنترلر در سنسور شروع می کنیم. ابزار دقیق برای اندازه گیری به روز اکثر خصوصیات در حال پیشرفت هستند مهمترین متغیرهای اصلی نرخ جریان، هوا، فشار و سطح هستند. دستگاهها برای اندازه گیری سایر خصوصیات از قبیل PH، دانسیته، ویسکوزیته و اشعه مادون قرمز و فرابنفش و شاخصهای انکساری در دسترس هستند. اندازه گیری مستقیم ترکیب شیمیایی به وسیله کروماتوگرافی گازی به روز شده کاملاً گسترده دشه است این وسایل با این وجود مورد توجه اند زیرا از عملیات نوبتی آنها یک سیگنال ترکیبی، تولید می شود. مختصراً آنالیز این سیستم های غیر پیوسته "داده – نمونه" را در قسمت پنجم مطالعه می کنیم.
به طور اختصار در اینجا در مورد بعضی از آلمانهای دریافت کننده معمولی بحث می کنیم. جزئیات عملیات آنها و خصوصیات مرتبط و قیمتها در چندین هندبوک داد ه شده است :
Instrument engineers Handbook by B.G.Liptak , Chilton , Randor , PA , 1970 ; and Measurment fundamentals by R.L . Moore Instrument society of America , Research Triangle park , NC , 1982.
A ) جریان
صفحات اریفیس از معمولی ترین نوع به دست آورنده نرخ جریان هستند. افت فشار جریان عبوری با توان دوم جریان در هم رابطه مستقیم دارد. بنابراین اندازه گیری اختلاف فشار قادر است یک سیگنال را که می تواند با دبی در ارتباط باشد، بدهد. به صورت عملی صفحات ارفیس طراحی می شود تا افت فشاری حدود بیشت تا دویست inH2O ایجاد کند. توربین سنج ها کاربرد گسترده ای دارند آنها گران هستند اما دقت زیادی در اندازه گیری جریان دارند.
انواع دیگر جریان سنج ها شامل جریان سنج های صوتی، جریان سنج های مغناطیسی، روتامتر، ورنکس شرینگ و لوله های پیتوت می باشند. در سیستم های برگشتی گازی مقدار عمده افت فشار در میان جریان سنج می تواند از افت فشار کم ایجاد شود . از دو مورد اشاره شده قبلی مثالهای هستند که در حال استفاده شدن می باشند. هنگامیکه یک سنسور جریان نصب شده است برای افت در اندازه گیری نرخ جریان مطلق، خیلی از احتیاط ها باید رعایت شود. همانند فراهم کردن یک خط لوله طولانی از لوله قبل از صفحه اریفیس برای رسیدن به اهداف کنترلی .
به هر حال نیاز نیست مقدار مطلق جریان را بدانیم اما نرخ تغییرات جریان لازم است بنابراین افت فشار در کنار قسمتهای متفاوت تجهیزات، دور زانویی ها و یا روی قسمتهایی از لوله بعضی مواقع می توانند برای محاسبه زبری در تغییر و بدی استفاده شوند. این سیگنالها از مقادیر اندازه گیری شده جریان هستند و از آنجا که به دلیل درهم بودن جریان، نوسان زیادی حول مقدار حقیقی دارند به اصطلاح شلوغ تعبیر می شوند.
این سیگنال معمولاً نیاز دارد که فیلتر شود (از میان یک وسیله الکتریکی عبور کرده و یک سیگنال راست آزاد شود قبل از اینکه به کنترلر فرستاده شود)
B ) دما
ترموکوپها عمومی ترین وسایلی هستند که به عنوان دستگاههای اندازه گیری دما استفاده می شود. این دستگاه به طور معمول روی دیواره گرم که می تواند دمای یک مخزن و یا لوله را اندازه بگیرد قرار داده می شود، دو سیم ناهمگون ، سیگنال میلی ولت را که با یک اتصال گرم تغییر می کند، را فراهم می کند. ترموکوپل های آهن – کنستانتن معمولاً در حدود رنج حرارتی F 130-0 استفاده می شود . حبابهای پر شده نیز معمولاً سنسورهای هستند که زیاد استفاده می شوند در این حالت یک گاز بی اثر در میان سیستم قرار دارد. تغییر در دما در اثر فشار گاز ایجاد می شود. دماسنج های مقاومتی معمولاً وقتیکه مقدار دقت در دما زیاد و اختلاف دما کم است استفاده می شود آنها به این صورت که مقاومت در سیم در اثر تغییر دما تغییر می کند و دما را گزارش می کند استفاده می شوند.
پاسخ دینامیکی بیشترین سنسورها معمولاً از خود فرآیند سریعتر هستند. ثابت زمانی ترموکوپل یک چشمه حرارتی سنگین می تواند 30 ثانیه یا بیشتر باشد اما اگر چشمه حرارتی با پلیمر یا ماده لزج دیگر پوشیده شده باشد زمان پاسخ می تواند چندین دقیقه باشد. این می تواند به طور قابل توجهی کارآیی کنترلی را درجه بندی کند.
C ) اختلاف فشار
لوله های بوردن، دهنده و دیافراگم ها، بای حس کردن فشار و اختلاف فشار استفاده می شود به طور مثال در یک سیستم مکانیکی نیروی فشار فرآیندی به وسیله حرکت یک متر، متعادل می گردد وضعیت فنر وابسته به فشار فرآیندی است.
D ) سطح
سطوح مایع به روشهای گوناگون شناسایی شده اند که سه روش عمومی ترین هستند که عبارتند از :
1- پیروی از موقعیت یک شناور که نسبت به سیال سبکتر است.
2. اندازه گیری وزن ظاهری سیلندر سنگین که در بالا یا پایین مایع شناورمی ماند ( که به اینها متدهای جابجایی می گویند )
3. اندازه گیری اختلاف فشار استاتیک بین دو ارتفاع ثابت که یکی در بخار بالای مایع و دیگری زیر سطح مایع قرار دارد. همان طور که در شکل 3-3 نشان داده شده ، اختلاف فشار بین دو مجرای اتصال که مستقیما به سطح مایع در مخزن متصل می شود .
در طرح قبلی ، فرآیند مایع و بخار ، مستقیما به ابزار اندازه گیری فشارهای مختلف متصل می شود ( فرستنده P∆) و لذا باید از تقطیر بخار در خط اتصال ( به نام خط تحریک ) شیر بالای جلوگیری کرد .اگر این خط با مایع پر شود ، اختلاف فشار زیر صفر خواهد بود حتی اگر سطح مایع ، بالاتر از سطح شیر با دومی بوده بطوریکه فکر کنید ، سطح آن پایین می باشد و برای در نظر گرفتن موارد ایمنی به علت افزایش سطح ، حسگر سطح ثانویه باید به طور مجزا برای یافتن افزایش سطح استفاده شود . حفظ خط تحریک بخار به صورت گرم یا تصفیه آن بهمراه جریان کم بخار، گاهی سبب می شود که کاملا از مایع پر نشود . همچنین تصفیه آن با مقدار کم مایع مثمر ثمر است زیرا می دانید که این سطح همیشه پر از مایع است و بنابراین در صفر قابل تنظیم بوده تا سطح صحیح مشخص گردد، به علت مشکلات اتصالی یا فرسایشی ، گاهی لازم است تا سیال فرآیند دور از فرستنده P∆ قرار گیرد که این کار با مهره های دیافراگم مکانیکی یا تصفیه امکان پذیر است ( نشانگر مقدار کم مایع یا گاز در خطوط اتصال که به فرآیند باز می گردند ) البته تهیه سطح شیر برای قسمت تحتانی مخزن کار سختی است .تصفیه مقدار کم گاز در تیوب باعث ایجاد فشار در طرف فشار بالای فرستنده P∆ می شود .که با فشار استاتیکی آن در قسمت تحتانی تیوب حبابی یکسان است البته اگر فشار در مخزن استوانه سریعا به علت بازگشت مایع موجود در لوله وارونه افزایش یابد ، اندازه گیری این نوع سطح با ثبت سطحی نادرست انجام می شود البته اگر میزان تصفیه گاز برای جبران افزایش فشار کافی نباشد . در مرد بسیاری از سیالات فرآیندی که کنترل آنها مشکل است به دستگاه اندازه گیری رادیواکتیو هسته ای ، برای تشخیص تداخل ها و سطوح مختلف بکار می رود. و با استفاده از مبحث قبلی می توان گفت اندازه گیری سطح فشارهای مختلف به آسانی امکان پذیر است و از آنجا که چندین بار دچار این مشکل شده ایم بهتر است از حسگرهای اضافی استفاده کرده و نهایت دقت را به هنکام خواندن به خرج دهیم . طبق قانون چهارم فرآیند کنترل : " هرگز به ابزارها اعتماد نکنید "
2-1-3 فرستنده ها
فرستنده ، نقش میانجی بین فرآیند کنترلی آن دارد، کار فرستنده تبدیل سیگنال حسگر به سیگنال کنترلی است به فرستنده فشار در شکلa 4/3 دقت کنید . فرض کنید که این فرستنده ویژه به گونه ای شروع به کار می کند که سیگنال جریان خروجی بین 4 تا mA20 بوده
و فشار فرآیند در استوانه بین 100 تا 1000Kpa درجه باشد . که به آن گسترده فرستنده می گویند . محدوده فرستنده 900 Kpaدرجه بوده در دستگاه اندازه گیری 100 Kpa درجه است . در این فرستنده 2 دکمه کلید وجود دارد که برای تغییر محدود یا صفر بکار می رود بنابراین اگر صفر را به میزان 200 Kpa درجه ارتقاع دهیم ، گستره فرستنده بیت 200 تا 1100 Kpa درجه می شود در حالیکه محدوده آن 900 Kpa درجه خواهد بود . واکنش دینامیک بیشتر فرستنده ها ، معمولا سریع تر از فرایند مربوطه و سوپاپ های کنترل است . در نتیجه ، می توان فرستنده را به عنوان بازده تقویتی در نظر گرفت ( مرحله تغییر در ورود به فرستنده که باعث تغییر آنی در خروجی می گردد ) بازده تقویتی در فرستنده فشار براساس فرمول ;
محاسبه شود . لذا فرستنده مزبور تنها یک " مبدل انرژی" بسته است . که تغییر فرایند را به سیگنال کنترل متناسب تبدیل می کند. در شکل 3-46 ، فرستنده دمایی نشان داده شده که سیگنال های ورودی ترموکوبل را گرفته و به گونه ای شروع به کار می کند که جریان خروجی بین 4 تا 20 mA در دمای متفاوت 50 تا 250 درجه فارنهایت می شود . گستره فرستنده دمایی بین 50 تا 250 درجه فارنهایت بوده و محدوده آن 200 درجه فارنهایت و صفر آن 50 درجه فارنهایت است . بازده تقویت جریان فرستنده دمایی طبق فرمول :
(
محاسبه می شود . همانطور که در بخش قبل گفته شد ، دینامیک های حسگر ترموول و ترموکوپل ، غالبا باید در آنالیز دینامیکی در نظر گرفته شوند .
تصویرc 4و3 نشان می دهد که فرستنده AP بکار رفته با صفحه های فلزی دهانه، نوعی فرستنده جریان می باشد . افت فشار بالای این صفحه ( حسگر ) به سیگنال کنترلی تبدیل می شود .
فرض کنید در صفحه دهانه ، افت فشار 100 را در آب در فرایند جریانkg/hr 2000 داشته باشیم .در آن صورت فرستنده AP،اینچ های آب را به میلی آمپر تبدیل کرده و بازده تقویت آن در آب 100/mA 16 می شود اگرچه واقعاً خواهان وجود میزان جریان هستند نه افت فشار در صفحه دهانه . زیرا AP متناسب با مربع میزان جریان بوده و رابطه غیر خطی بین میزان جریان F و سیگنال خروجی فرستنده برقرار است : فرمول (PV=4+16() که در آن PV = سیگنال خروجی فرستنده ، mA و F= میزان جریان ،
kg/hr.
معادله (PV=4+16() از رابطه مجذور بین شتاب و افت فشار می آید . افت جریان توسط فاکتور 2،باعث حذف سیگنال A توسط فاکتور چهار می شود. برای آنالیز این سیستم معمولا از معادله خطی 3/3 با در نظر گرفتن میزان ثابت جریان F استفاده می کنیم که در آن PV و F = انحراف از حالت ثابت و F= میزان جریان وضعیت ثابت kg/hr
Fmax = مقیاس کامل جریان = kg/hr 2000 می باشد.
3-1-3 ) سوپاپ های کنترل
تداخل با چنین فرایندی در قسمت دیگر مدار کنترل توسط المنت کنترل نهایی صورت می گیرد. در بیشتر فرایندهای مهندسی شیمی ، المنت کنترل نهایی، سوپاپ کنترل اتوماتیک است که جریان متغییرها را تنظیم می کند. در سیستم های مهندسی مکانیکی ، المنت کنترل نهایی ، محرک هیدرولیک یا موتور فرمان یار الکتریکی است .
بیشتر سوپاپ های کنترل شامل درپوشی در قسمت انتهایی میله است که در پوشش دهانه را با بالا و پایین بردن میله ، باز و بسته می کند .و طبق طرح شکل 5/3 ، میله به دیافراگمی متصل است که با تغییر فشار هوا بالای دیافراگم کار می کند و نیروی فشار هوا باعث فشرده شدن فنر می شود. سوپاپ های کنترلی دارای ابعاد مختلف هستند : عملکرد ، مشخصات ، اندازه آنها .
A – عملکرد
سوپاپ ها برای باز و بسته شدن کامل طراحی شده اند که عملکرد آن با توجه به تاثیر متغییر قابل تنظیم ایمنی فرایند می باشد . برای مثال اگر سوپاپ در رابطه با کنترل بخار یا گاز باشد ، باید جریان سریعا قطع شود و اگر سوپاپ در رابطه با آب سرد راکتور باشد ، باید در صورت ضرورت به حداکثر برسد . سوپاپ شکل 5/3 بسته است البته اگر میله کاملا پایین آمده و اگر میله تا آخر بالا رود ، کاملا باز می شود . از آنجا که افزایش فشار هوا باعث بسته شدن دریچه می شود به آب سوپاپ AC می گویند و اگر سیگنال فشار هوا آن را تا صفر پایین آورد که به علت بعضی نقایص می باشد ، دریچه کاملا باز می شود زیرا فنر فشرده شده و دریچه را باز می کند که به آن سوپاپ AOگفته می شود که برعکس اگر درپوش بالا رود ، بسته شده و مکان فنر و فشار هوا وارونه می شود ( فشار هوا در زیر دیافراگم ) لذا ، سوپاپ های AO و AC وجود دارد و کاربرد آنها به باز و بسته شدن کامل دریچه بستگی دارد .
B . اندازه
میزان جریان در سوپاپ کنترل به اندازه دریچه ،افت فشار در بالای دریچه ، مکان لوله و ویژگی های سیال بستگی دارد و معادله آن برای مایعات به قرار زیر است :
F=Cvf(x)
که در آن : F = میزان جریان ، gpm
Cv = ضریب اندازه دریچه
x = مکان میله دریچه / سوپاپ
= f(x)بخشی از مساحت کل جریان در سوپاپ ( منفی f(x)در برابرx که به آن ویژگی های ذاتی سوپاپ می گویند )
sp gr =جاذبه ویژه ( نسبت به آب )
AP = افت فشار بالای سوپاپ و psi
معادلات دقیق تر برای تولیدات / محصولات با سوپاپ کنترل وجود دارد که برای کنترل جریانات گازی ، فلش مایعات و جریان دقیق بر اساس واحدهای انگلیسی یا SI می باشد . اندازه سوپاپ های کنترل یکی از موضوعات قراردادی در فرآیند کنترل است . اندازه سوپاپ کنترل مربوط به تبادلات مهندسی است که در طرح دستگاه بکار می رود .
فرض کنید میزان جریان در شرایط هدف، 100 گالن در دقیقه (gpm ) ، فشار در مخزن تغذیه اتمسفری وافت فشار بیشتر از مبدل گرمایی ()در میزان جریان هدف ، 40 سانتی (psi) و فشار در مخزن نهایی psi150باشد ، فرض کنیم می خواهیم نیمه باز شدن سو پاپ
(0/5=(x)F) را در جریان هدف و جاذبه مخصوص مایع را که I است کنترل کنیم . د راین صورت مهندس پردازش باید به اندازه پمپ سانتریفاژ سوپاپ کنترل را در نظر بگیرد . هر چه سوپاپ کنترل بزرگتر باشد ، افت فشار کمتری حادث می شود که درنتیجه پمپی با فشار راسی پایین تر و هزینه های کمتر انرژی خواهیم داشت زیرا موتور پمپ ، انرژی کمتری مصرف می کند بدون کنترل کردن ، مهندس پردازش خواهان طراحی سیستمی است تا سرتاسر سوپاپ کنترل ، دارای افت فشار کمی باشد که از نقطه نظر ایستایی جالب است اگر چه مهندس پردازش خواهان افت فشار در بالای سوپاپ می باشد چرا ؟ که در واقع این سوال به توان دامنه باز می گردد . هر چه افت فشار بیشتر باشد ، تغییرات میزان جریان بیشتر خواهد بود ( در هر دو جهت افزایش و کاهش ) اجازه دهید دو طرح مختلف را از نقطه نظر دینامیکی برای افت فشار بیشتر ، در بالای سو پاپ کنترل بررسی کنیم ، در مورد اول دریچه را به گونه ای اندازه گیری می کنیم که به هنگام نیمه باز بودن ، افت فشار آن در جریان هدف 20-psi باشد به این معنا که پمپ مزبور باید فشار راسیpsi 1/50+40+20=210 را در مقصد تولید کند . در حالت دوم دریچه را به گونه ای اندازه گیری می کنیم که افت فشار در مقصد 80psi شود . حالا به پمپ راسی با لاتری نیاز خواهیم داشت 150+40+80=270psi با استفاده از معادله (s/5) می توانیم هر دو دریچه کنترلی را اندازه گیری کنیم حالت اول (1) وقتیکه افت فشار سوپاپ مقصد 20psi است و حالت دوم(2) وقیتکه افت فشار سوپاپ هدف 80psi است . در حالت طبیعی، سوپاپ کنترل در مورد دوم کوچکتر از مورد اول می باشد . حالا می خواهیم ببینیم به هنگام بازشدن کامل سوپاپ کنترل در هر دو مورد چه اتفاقی می افتد : I(x)=1، مسلما میزان جریان افزایش خواهد یافت ولی به چه میزان ؟ از نقطه نظر کنترلی شاید بخواهیم کلا میزان جریان را افزایش دهیم و نام این جریان ناشناخته را fmax بگذاریم . میزان جریان بالاتر ، افت فشار را در مبدل گرمایی به توان دو میزان جریان افزایش خواهد داد .
(3.6)
که در آن Fads جریان مقصد است که احتمالا میزان جریان بالاتر ، به همراه ظرفیت پذیرش ، جریان راسی را کاهش خواهد داد . برای سادگی کار بهتر است فرض کنیم که انحنای پمپ ، صاف است یعنی مجموع افت فشار در سرتا سر مبدل گرمایی و سوپاپ کنترل ثابت است بنابراین افت فشار در بالای سوپاپ کنترل باید با افزایش افت فشار در بالای مبدل گرمایی ، کاهش یابد
(3.7)
با استفاده از اعداد مربوطه در هر دو حالت به نتایج زیر میرسیم :
(3.8)
که این معادله برای fmax =115gpm حل می شود . حداکثر میزان جریان درسوپاپ تنها 15% بیشتر در میزان آن در هدف می باشد . البته اگر از افت فشار 20-psi در بالای سوپاپ برای میزان جریان هدف استفاده شود
(3.9)
با حل کردنFmax به 141 gpmمی رسیم . بنابراین حداکثر جریان در این سوپاپ که برای افت فشار بالاتر طراحی شده است . 40% بیشتر از میزان هدف می باشد . با استفاده ا زنتایج فوق الذکر متوجه می شویم که سوپاپ طراحی شده برای افت فشار بیشتر در صورت افزایش حداکثر ظرفیت ، قادر به تولید جریان بزرگتر می باشد و اگر بخواهیم جریان را کاهش دهیم ، چه اتفاقی خواهد افتاد . زمانیکه کمتر از 10% سوپاپ کنترل باز باشد ، خوب کار نمی کند . و از لحاظ مکانیکی بی ثبات شده ، بسته شده و دوباره کمی با زمی شود که البته نوسانات حاصله در جریان ، مطلوب نمی باشد . بنابراین می خواهیم در طرح ، حداقل باز شدن سوپاپ 10% باشد . اگر هر دو سوپاپ به اندازه ای به سمت پایین فشرده شوند که 1/0= (x)f شود ، در آنصورت حداقل میزان جریان در هر دو حالت چه خواهد بود؟ در اینصورت ، میزان جریان پایین تر به معنای کاهش افت فشار در بالای مبدل گرمایی بوده و لذا افت فشار در بالای سوپاپ کنترل افزایش می یابد .
Case1(120-psi design ):
Solving give Fmin=33.3 gpm
Case 2(SO-psi design):
(3.11)
24.2 gpm This Fminis
This Fmin is 24.2 gpm
این نتایج نشان می دهد که حداقل میزان جریان برای افت فشار بیشتر برای سوپاپ طراحی شده ، کمتر است بنابراین نه تنها می توانیم جریان را افزایش دهیم بلکه حتی می توانیم آن را کاهش دهیم .
از اینرو نسبت برگردان سوپاپ بزرگ ( نسبت )بزرگتر می شود .
Turndown ratio for 20-psi design valve = Turndown ratio for 80-psi design valve =
بدین ترتیب نشان داده ایم که چرا مهندس کنترل خواهان افت فشار بیشتر در بالای سو پاپ می باشد . بنا براین چگونه می توان تضاد بین مهندس پردازش که خواهان افت فشار پایین و مهندس کنترل که خواهان افت فشار بالا است را برطرف نمود ؟ یکی از پیشنهادات این است که افت فشار بالای و سوپاپ کنترل در مقصد باید 50% مجموع افت فشار در کل سیستم باشد . اگر چه این روش کاربرد گسترده ای دارد ولی چندان جالب توجه نیست . زیرا در بعضی شرایط باید بتوانیم میزان جریان را درشرایط هدف افزایش دهیم ( مثل سرد کن آب برای راکتور بدون گرمایی که برای کنترل برگردان دنیا میک باید دو یا سه برابر شود . ) در موارد دیگر چندان مهم نیست ( مثلا میزان جریان تغذیه بصورت واحد ) نوعی روش طراحی منطقی بر اساس طراحی سوپاپ کنترل و پمپ می باشد طوریکه حداکثر میزان جریان ویژه و حداقل آن بدست آید .
شرایط جریان طراحی شده برای رسیدن به افت فشار در بالای مبدل گرمایی می باشد( یا مقاومت در بخشی از فرآیند ) . طراح باید حداکثر میزان جریان را تحت بدترین شرایط و حداقل آن را درنظر بگیرد دراینصورت معادلات جریان سوپاپی در شرایط ماکزیمم و مینیموم منجر به پیدایش 2 معادله ناشناخته می شوند : فشار راسی پمپ سانتریفاژ و سوپاپ کنترل اندازه است مثال 1/3 : فرض کنید می خواهیم سوپاپ کنترلی را برای ورود آب سرد به کوئل خنک کننده در راکتور شیمیایی برون گرمایی طراحی کنیم . میزان جریان نرمال gpm 50 است و برای جلوگیری از عدم کنترل راکتور ، سوپاپ باید بتواند سه برابر میزان جریان هدف را تهیه نماید . با پیش بینی های خوش بینانه ، میزان جریان حداقل 50% حاصل می شود و افت فشار در لوله خنک کننده psi10 در میزان جریان gpm 50 است که در اینصورت آب سرد از مخزن اتمسفری پمپ می شود و آبی که از لوله ها می گذرد به جایی می رسد که در آن فشار مناسب psig 2 وجود دارد و سوپاپ کنترل و پمپ اندازه گیری می شوند. میزان افت فشار درلوله به میزان جریان f بستگی دارد.
(3.12)
افت فشار در بالای سوپاپ کنترل ، برابر با مجموع افت فشار موجود منهای افت فشار در بالای لوله می باشد
(3.13)
که در حال حاضر برای حداکثر چگونگی شرایط ومعادله ای برای حداقل آن می نویسیم در شرایط ماکزیمم
(3.14)
ودر شرایط مینیمم
(3.15)
حل کردن هم زمان این دو معادله ناشناخته سبب می شود تا بتوانیم سوپاپ کنترل (=27/3CV) و سر پمپ () را اندازه گیری کنیم . در شرایط هدف (50gpm ) میزان باز شدن نسبی سوپاپ از طریق
(3.16)
مشخص می شود.
البته روشهای پیشنهادی اندازه گیری سوپاپ کنترل و پمپ که در بالا ذکر شده خالی از محدودیت نمی باشد ،دو معادله نهایی برای شرایط ماکزیمم و مینیمم در گزاره های کلی عبارتند
(3.18)
که در آن = مجموع افت فشار در سیستم در میزان جریان هدف و = افت فشار در مقاومت ثابت در سیستم در جریان هدف
= حداقل باز شدن سوپاپ
= میزان جریان در مقصد می باشد .
البته انحنای پمپ صاف نیز در مشتق های بالا در نظر گرفته شده است که با حل کردن این دو معادله برای داریم
(3.19)
ا ز معادله 19/3 مشخص می شود که اگر گزاره دوم در مخرج به واحد نزدیک شود ، افت فشار به بی نهایت می رسد ! در این صورت محدودیتی برای توان دامنه سیستم بوجودمی آید . بهتر است گزاره مزبور را در شاخص توان دامنه سیستم R، مشخص کنیم
پارامتر های سمت راست معادله 20/3 باید به گونه ای انتخاب شوند که R کمتر از واحد باشد . با استفاده از اعداد مثال 1/3 می توان آن را نشان داد. اگر میزان مینیممم جریان از چنین در صدی ( که درآن 139/2 psi است ) به 40% کاهش یابد دراینصورت جدیدبرابر با 202psi می شود اگرFmin به زیر 35 % کاهش یابد برابر با 235psi می شود و اگر در این محدوده Fmin به زیر 30% برسد شاخص توان دامنه مساوی
می گردد و مجموع افت فشار موجود به بی نهایت می رسد و مقدار Fmin با استفاده از 2 سو پاپ کنترل موازی که یکی کوچک و یکی بزرگ است به ترتیب دامنه مجزا می باشد که د رابتدا سوپاپ کوچک باز شده و سپس سوپاپ بزرگ بر اثر سیگنال تغییرات دامنه کامل باز می شود .
C) ویژگیها
با تغییر شکل دریچه و پایه در سو پاپ ، می توان به روابط مختلف بین مکان و محوطه جریان دست یافت ویژگی های جریان معمولی عبارت از سوپاپ های آرایش خطی وسو پا پ های با آرایش درصدی برابر می باشد که درتصویر 7/3 نمایش داده شده است .
عبارت " درصد برابر " شیب منحنی(x)f آمده که نزدیک عدد کسری ثابت است . اگر افت فشار ثابت برای سوپاپ در نظر گرفته شده و اگر مکان میله تا 50% با ز شود ، سوپاپ آرایش خطی باعث به جریان افتادن حداکثر 50 % جریان شده که سو پاپ با آرایش درصد برابر تنها 15 % جریان ماکزیمم را تامین می کند . دراین صورت معادلات این سوپاپ ها عبارتند از
(3.21)
(3.22)
که در آن تعداد ثابت (20 تا 50) بوده که به طرح سو پاپ بستگی دارد . پاپ 50 در شکل 7/3 نشان داده شده است . دلیل اصلی برای استفاده از آرایه های مختلف سوپاپ کنترل ، حفظ ثبات در یچه کنترل در گستره جریان مختلف می باشد . سو پاپ های با آرایه خطی برای مثال ،ز مانی استفاده می شوند که افت فشار در بالای سوپاپ کنترل ، نسبتا ثابت بوده و متغیر کنترل شده و میزان جریان متغیر قابل تنظیم رابطه خطی وجود داشته باشد جریان بخار فشار ثابت قسمت بالای منبع ذخیره را در نظر بگیرد . بخار به کناره بدنه مبدل گرمایی راه می یابد . بخار مایع درتیوب های کناری در جریان یافته و بوسیله بخار نیز گرم می شود . البته بین فرآیند دمای خروجی و جریان بخار رابطه خطی وجود دارد و زیرا هر پوند بخار ، میزان گرمای مشخص تولید می کند . غالبا سو پاپ های با آرایه درصدی برابر زمانی استفاده می شوند که افت فشار موجود بالای سو پاپ کنترل ، ثابت نباشد واین زمانی اتفاق می افتد که قسمتهای دیگر ابزاری در سیستم به صورت مقاومت ثابت عمل کند . افت فشار در قسمت های مختلف فرآیند با جذر میزان جریان تغییر می یابد . که در قسمت مثال های اندزه گیری سو پاپ کنترل به آن پرداختیم . درجریان پایین ، بیشتر افت فشار در بالای سو پاپ کنترل است زیرا افت فشار در بقیه قسمت ها پایین است . در جریان بالا، افت فشاردر بالای سو پاپ کنترل کم است در این حالت ،آرایه درصدی برابر نوع رابطه خطی بین جریان و مکان سو پاپ کنترل برقرار می کند . در تصویر 8/3
ویژگی های منصوب سوپا پ های درصدی برابر و خطی برای نسبتها ی مختلف افت فشار مقاومت ثابت ( برای مبدل گرمایی ) به افت فشار بالای سو پاپ کنترل در شرایط هدف نشان داده شده است . هر چه این نسبت بزرگتر باشد ، ویژگیهای منصوب سو پاپ خط ، بیشتر غیر خطی می شود . ویژگی های ذاتی ، ویژگیهای هستند که جریان را به مکان سو پاپ درموقعیتی که افت فشار بالای سو پا پ کنترل ثابت ماند، متصل می کند . به صورت منحنی های در شکل 8/3 آمده است و یژگی های منصوب نیز ویژگیهای هستند که بر اثر تنوع در افت فشار بالای سو پاپ حاصل می شود . در سو پاپ های قرار دادی سیگنال فشار هوا به دیاگرام از مبدل Hp در آنا لوگ سیستم هایب الکترونیکی حاصل می شود . گاهی اوقات سو پا پ های کنترلی در صورت سرویس نادرست ممکن است گریپاژ کنند . سو پاپ گر یپاژ شده سبب می گردد و تا حرکت نوسانی بوجود آید ، که در نتیجه سیگنال خروجی کنترل گر ، تغییر کرده ولی مکان سیگنال تغییر نکرده تا اینکه نیروی فشار به اندازه ی زیادشود که قادر به حرکت دادن سو پاپ گردد که البته در آنصورت سو پاپ خیلی بالا رفته و کنترل گر جهت تغییر جریان خروجی را حفظ می کند البته نظیر همین مسئله در سمت دیگر اتفاق می افتد . درآنصورت حلقه حتی در صورت اختلال بازهم در اطراف نقطه تنظیم باز هم نوسان می کند این مشکل با استفاده از تثبعیت کننده سوپاپ قابل برطرف کردن است این ابزار ها در داخل سو پاپ های کنترلی تعبیه شده که کنترل گر های بسیار کوچکی بوده که مکان واقعی میله در مقایسه با مکان دلخواه مشخص کرده و فشار هوای دیا فرگرام را تنظیم کرده تا میله را به مکان اصلی خود هدایت کند . مکان نماید های سو پاپی نیز سبب باز و بسته شدن سو پاپ در سو پا پ های چند متغیره می گردند . سوپاپ ها ی کنترلی ، معمولا در مقایسه با فرآیند مزبور ، سریع هستند و برای ذخیره کامل تنها 20 تا 40 ثانیه ، زمان نیاز دارند .
4-1-3 کنترل گر های آنالوگی و دیجیتالی
بخشی از حلقه کنترل که در این کتاب به آن پرداخته ایم ، کنترل گر می باشد .وظیفه کنترل گر ، مقایسه سیگنال پردازش فرستنده یا سیگنال نقطه تنظیمی و ارسال سیگنال مناسب به سوپاپ کنترل می باشد . که در بخش 2-3 به جزئیات بیشتر آن خواهیم پرداخت . در این بخش به بین سو پاپ مطلوب متغیر کنترل شده ( نقطه تنظیم )و سوپاپ واقعی را نشان می دهد . کنترل گر ها ی آنالوگی از سیگنال های الکترونیکی با فشار هوایی ممتد استفاده می کند . که دراین صورت کنترل گر های مداما سیگنال های فرستنده رادریافت کرده در نتیجه سو پاپ های کنترل مرتبا تغییر می یا بند . کنترل گر های دیجیتال کامپیوتری با توجه به تفاوت زنجیره های ( حلقه ها ) دارای عملکرد مداوم نبوده و هر حلقه زمان خاصی را به خود اختصاص می دهد سیگنال های آنالوگی فرستنده ها باید از طریق مبدل های (A/D) آنالوگ به دیجیتال ارسال شده تا اطلاعات قابل استفاده را به کامپیوتر بفرستد بعداز اینکه کامپیوتر ، محاسبات فرد را در قالب الگوریستم های کنترلی انجام داد ، سیگنالی را ارسال می کند .که باید از مبدل (D/A) دیجتال به آنالوگ گذشته و یا علامت "hold" سیگنال ادامه کار را به سوپاپ کنترل می فرستد که درفصول 14 و 15 به جزئیات سیستم های اطلاعاتی نمونه خواهیم پرداخت . سه نوع کنترل گر اصلی برای کنترل با زخورد مداوم وجود دراد و جزئیات ساخت ابزار های آنالوگی و برنامه ریزی وابزار های دیجیتالی در تولید کننده های مختلف متفاوت بوده هر چند عملکرد آنها یکسان می باشد .
A) عملکرد متناسب
کنترل گر باز خورد متناسب ، تنها در جهت خطای سیگنال E ، سیگنال خروجی خود ، Co را تغییر می دهد که در واقع فرق بین سیگنال نقطه تنظیم درsp و سیگنال متغیر پردازشی PV است که از فرستنده ارسال می شود
(3.23)
سیگنال با یاس (Bias ) ثابت بوده و زمانیکه خطایی وجود نداشته باشد ، میزان خروجی کنترل گر می باشد . Ke تنظیم کننده بازده تقویت کنترل گر است . هر چه میزان تقویت بیشتر باشد ، خروجی کنترل گر برای تغییر خطا ، بیشتر خواهد بود . برای مثال ، اگر بازده تقویت 1 باشد ، خطای 10% مقیاس داده شده ، خروجی کنترل گر را با درصد IO مقیاس مزبور تغییرخواهد داد در شکل 3/9a
عملکرد کنترل گر متناسب برای خطای سیگنال های E آمده است . بعضی از سازندگان ابراز ها ، از عبارات مختلف(PB) مثل نیروی متناسب به جای بازده تقویت استفاده می کنند که توسط به یکدیگر مربوط می باشند هر چه بالاتر یا پهن تر باشد بازده تقویت کمتر شده و برعکس واژه باند متناسب به گستره ای مربوط می باشد که خطا باید تغییر یافته تا خروجی کنترل گر را در دامنه کامل آن هدایت کند بنابراین ، PB عریض دارای بازده کمتر و PB باریک ، بازده بیشتری دارد . بازده کنترل گر با تنظیم سوئیچ در کنترل گر آنالوگ با تعیین علامت مناسب در کنترل گر دیجیتالی می تواند مثبت یا منفی باشد . بازده مثبت باعث کاهش خروجی کنترل گر به هنگام افزایش متغیر پردازش شده که به این عملکرد افزایش – کاهش کنترل گر ، عملکرد معکوس اطلاق می گردد. در خصوص بازده تقویت منفی ، خروجی کنترل گر زمانی افزایش می یابد که متغیر پردازش افزایش یابد که به آن کنترل گر و عملکرد مستقیم می گویند نماد صحیح به عملکرد فرستنده ( که معمولا مستقیم است ) عملکرد سو پاپ (باز و بسته شدن با فشار هوا ) و تاثیر متغیر قابل تنظیم در متغیر کنترل شده بستگی دارد . بنا براین هر حلقه باید دقیقا بررسی شود تا اطمینان حاصل کنیم که کنترل گر دارای عملکرد صحیح می باشد . برای مثال ، فرض کنید می خواهیم فرآیند دمای خروجی مبدل گرمایی را طبق طرح شکل تصویر 3.10
کنترل نما ئیم سو پاپ کنترل در بخار کناره های بدنه مبدل گرمایی با استفاده از کنترل گر دما ، قابل تنظیم است و برای تنظیم کار کنترل گر باید در ابتدا سو پاپ را بررسی کنیم . از آنجا که دراین سو پاپ ، بخار جریان دارد . می خواهیم بسته نشود ، لذا باید از سو پاپ کنترل فشار هوا برای برای باز شدن آن (AC) استفاده کنیم سپس فرستنده دما را بررسی کرده که به صورت مستقیم کار می کند (زمانیکه دمای فرآیند افزایش یابد ، سیگنال خروجی فرستنده ،PV، افزایش می یابد ) بنابراین اگر PV افزایش یابد ، به بخار کمتری نیاز داریم به این معنی که خروجی کنترل گر باید کاهش یابد زیرا سو پاپ از نوع AO می باشد . لذا عملکرد کنترل گر معکوس شده و بازده تقویت آن مثبت می شود اگر به جای گرم کردن ، آن را سرد کنیم به هنگام افزایش دما باید جریان خنک ساز افزایش یابد . اگر چه عملکرد کنترل گر هم چنان معکوس است زیرا سو پاپ کنترل سو پاپ نوع بسته با فشار هوا می باشد که نمی خواهیم کاملا باز شود و در مرحله آخر ، فرض کنید می خواهیم سطح پایه را در ستون تقطیر با میزان جریان محصول انتهایی بررسی کنیم ، در این صورت سو پاپ ، از نوع AO است زیرا می خواهیم بسته نشود ( از افت سطح پایه در موارد ضروری جلوگیری کند) اگر این سطح افزایش یابد ، بنابراین سطح پایه کنترل گر باید بر مبنای عملکرد مستقیم – افزایش یابد .
B) عملکرد انتگرال (تنظیم دوباره )
عملکرد متناسب حرکت سو پاپ کنترل در جهت بزرگی eri-55 می شود . عملکرد انتگرال سبب حرکت سوپاپ کنترل بر پایه انتگرال زمان خطا طبق طرح 90/3 شود
که در آن T1 زمان انتگرال یا زمان تنظیم بر اساس واحد دقیقه می باشد اگر خطایی وجود نداشته باشد ، کنترل گر خروجی نخواهد داشت و هر چه خطا به سمت مثبت یا منفی حر کت کند ، انتگرال خطا باعث حرکت خروجی کنترل گر به سمت بالا یا پایین با توجه به عملکرد کنترل گر می شود . بیشتر کنترل کننده ها بر حسب دقیقه تنظیم شده اند ( یا دقیقه / تکرار ، واژه ای که براساس آن کنترل گر بر مبنای خطای ثابتی ، تنظیم شده و زمان افزایش خروجی کنترل گر در عملکرد انتگرال مزبور ، باعث تکرار عملکرد کنترل کننده متناسب می شود ) هدف اصلی عملکرد انتگرال ، هدایت فرآیند به سمت نقطه تنظیم آن به هنگام ایجاد اختلال می باشد . کنترل گر متناسب معمولا متغیر کنترل شده را به هنگام باز دهی یا اختلال بر نقطه تنطیم باز نمی گرداند . که به این خطای پایا (SP-PV)، خطای وضعیت ثابت یا تعادل می گویند . عملکرد انتگرال باعث کاهش تعادل تا حد صفر می شود . معمولا عملکرد انتگرال ، واکنش دینامیک حلقه کنترل را تنزیل می دهد که به کمیت آن در فصل 8 خواهیم پرداخت و سبب می شود به حلقه کنترل ، دارای نوسان بیشتر شده و درواقع زمانی از عملکرد انتگرال استفاده می شودکه بخواهیم تعادل را به صفر برسانیم که مثال دیگری از تبادل مهندسی است که باید بین عملکرد دینامیکی و وضعیت ثابت بوجود آید .
C – عملکرد مشتق
هدف از عملکرد مشتق ( میزان یا حرکت اولیه ) پیش بینی نقطه راسی فرایند با تنظیم زمان تغییر متغیر کنترل شده می باشد اگر بتوانیم مشتق سیگنال خطا را بگیر یم ، در اینصورت عملکرد مشتق ایده آل خواهیم داشت
که در آن TD زمان مشتق شده ( دقیقه ) است . براساس تئوری ، عملکرد مشتق شده باید همیشه واکنش دینامیکی را بهبود بخشید و همین کار را در حلقه های بسیاری انجام دهد . اگر چه در حالات دیگر مشکل سیگنال های صدا ، سبب می شود تا USC عملکرد مشتق شده نا مطلوب گردد .
کنترل گرهای تجاری
سه عملکرد توصیف شده ، به طور جداگانه یا به همراه کنترل گرهای تجاری به کار می رود . غالبا 60% تمام کنترل کننده ها PI ( متناسب – انتگرال ) ، 20% PID ( متناسب انتگرال – مشتق شده ) و 20 % فقط P ( در جهت تناسب ) می باشند که بخش 2/3 به بررسی دلایل انتخاب یکی از آنها خواهیم پرداخت .
1-3 ابزار های محاسبه ای و استدلالی
از کنترل سیگنال ها باید محاسبات و عملکرد های استدلالی زیادی صورت گیرد ابزار های الکترونیکی در سیستم های آنالوگی به کار رفته و نرم افزار کامپیوتری درسیستم های DCS به کار رود . برای مثال ، افراینده ها ، تقویت کننده ها ، تقسیم کننده ها ، انتخاب گرهای پسین ، انتخاب گرهای بالا ، محدود کننده های بالا ، محدود کننده های پایین و جذر گیرنده ها ی در مدار کنترل وجود داشته باشند که به میزان گسترده درمیزان کنترل، در کنترل متغیر محاسبه شده ، در کنترل پیش خورد و کنترل تحت الشعاعی به کار می روند و در فصل بعد به آن خواهیم پرداخت . علاوه بر مدارهای کنترلی پایه ، تمامی فرآیند ها دارای ابزار های تنظیم کننده می باشند : 1) اخطار صوتی (آژیه ) برای اخطار به اپراتور در شرایط غیر نرمال یا نا مطمئن و 2) خاتمه دادن فرآیند در شرایط نا مطمئن یا خرابی دستگاه برای مثال اگر موتور کمپرسور بیش از حد بار دهی شود ، سیستم کنترل الکتریکی ، موتور را خاموش کرده و سریعا باقی کار فرایند متوقف خواهدشد به این نوع تنظیم هم قفلی / هم پیوستگی می گویند که سبب شود سو پاپ کنترل کاملا بسته شده یا کاملا باز شود . مثال های دیگر از نوع هم قفلی شامل ، نقص نیروی برق ، نقص پمپ بازخورد یا برگشت ، تشخیص فشار زیاد دمای بالا در لوله و نشان دادن سطع بالا و پایین مایع در مخزن یا سه پایه می باشد . هم قفلی معمولا توسط سوئیچ های فشاری ، مکانیکی یا الکتریکی می شود که در نرم افزار های کامپیوتری در سیستم کنترل کامپیوتر یافت شده و برای اطمینان بیشتر و حذف زائدات معمولا سیم بندی می شوند .
3- عملکرد کنترل گر های باز خورد
2-3 ویژگیهای واکنش مدار بسته
چند ویژگی وجود دارد که بوسیله آن ها می توان عملکرد مطلوب سیستم مدار بسته در محدوده زمانی مشخص کرد . برای مثال می توان مشخص کرد که سیستم مدار بسته ، دقیقا کنترل شده بطور یکه هیچ خط ونوسانی مشاهده نمی شود . بنابراین باید نوع کنترل گر را انتخاب کرده و به گونه ای آن را تنظیم کنیم که مطابق با فرایند باشد و منجر به واکنش مطلوب مدار بسته شود . به طور طبیعی ، مشخصه کنترل باید از طریق فیزیکی بدست آید . بنابراین می توان انتظار داشت که عملکرد یک هواپیمای جت بوئینگ 747 مثل لایتر F-IS باشد . و در متغیر های مختلف نمی توان محدوده زمانی وجود دارد که بعضی از آنها بصورت ویژگی های دینامیکی به کار می رود و آزمایش قدیمی سیگنال ورودی ، نوعی متغیر مرحله ای در نقطه تنظیم است .
1) ضریب کنترل مدار بسته ( که در فصل 2 بحث شد )
2) خطا (نوسان ) مقدار تاب های (نوسانات ) متغیر کنترل شده که از نقطه تنظیم می گذرد .
3) افزایش زمان (سرعت واکنش ) زمانی که فرآیند لازم دارد تا به نقطه تنظیم جدید برسد .
4) میزان فروکاست میزان دامنه نوسان ماکزیمم نوسانات کامل
5) تنظیم زمان : زمانیکه نوسانات کامل به عدد کسری تغییر در نقطه تنظیم ، کاهش می یابد .
انتگرال خطا مجذور شده توجه داشته باشید که پنج مورد اول د رخصوص سیستم مدار بسته کنترل شده می باشد و یعنی سیستمی که تا اندازه ای ماهیت نوسانی دارد و با سالها تجربه این نتیجه رسیدیم که ضریب کنترل سیستم مدار بسته باید بین 3/0 تا 5/0 باشد . در باقی قسمت های این کتاب می بینیم که استفاده از این معایب آسان بوده و قابل اعتبار است معیاری مثل ISE برای هر نوع اختلال ، نقطه تنظیمی یا بار دهی به کار می رود . بعضی از کارشناسان می گویند که پارامتر های منظمی برای 2 نوع اختلال وجود دارد که چندان فرقی برای ما نمی کند و چیزی که نیاز داریم ، تعادل معقول بین عملکرد و مقاومت است . این تطبیق با استفاده از ضریب کنترل مدار بسته 3/0 تا 5/0 حاصل می شود زیرا در آن ریشه های معادله مدار بسته مجزای از محور فرضی می باشد ، نقطه ای که در آن سیستم بی ثبات می شود ویژگی ضریب کنترل سیستم مدار بسته ، مستقل از نوع اختلال ورودی است . خطای حالت ثابت نوعی ویژگی دیگر محدوده زمانی است که نه تنها ویژگی دینامیکی است بلکه معیار مهمی است . در بسیاری از مدار ها بهتر است درصد خطا صفر شود یعنی ارزش متغیر قابل کنترل یابد در نقطه تنظیمی ، یکنواخت گردد.
2-2-3 عملکرد باردهی
وظیفه بیشتر مدارهای (حلقه های ) کنترلی ، فرایند شیمیایی تنظیم یا ترد باردهی است یعنی حفظ متغیر کنترل شده در نقطه تنظیم در صورت بروز اختلال در اینجا از فرایند ساده مبدل گرمایی استفاده می کنیم که در آن جریان روغن بوسیله بخار گرم می شود . دمای خروجی فرآیند (T)بوسیله تنظیم میزان جریان بخار Fs به دیواره کناری مبدل گرمایی کنترل شده است .میزان جریان روغن f و دمای روغن ورودی To ، اختلالات باردهی می باشند . سیگنال فرستنده دمایی (TT) ، سیگنال متغیر فرآیند (PV) است . سیگنال نقطه تنظیم sp بوده سیگنال خروجی Co است که از کنترل گر دمای (Tc ) به القا کننده Iyp به سوپاپ کنترل و بخار سرد سو پاپ مزبور AO است زیرا نمی خواهیم بسته باشد .
A- کنترل روشن / خاموش
ساده ترین کنترل گرد ، کنترل گر روشن / خاموش مثل ترموستات در سیستم گرمایی خانه هاست بدین ترتیب متغیر تنظم شده می تواند در جریان ماکزیمم یا جریان صفر وجود داشته باشد . کنترل گر روشن/ خاموش نوعی کنترل گر متناسب با بازده تقویت بسیار بالا بوده که عملکرد کنترلی بنگ بنگ دارد. این نوع کنترل گر اغلب در فرایند ممتد به کار میرود زیرا ماهیت چرخشی واکنش ، یا زیاد شدن جریان در مدار در سوپاپ های کنترلی دیده می شود مثلا در مبدل گرمایی ، چرخه های متغیر T کنترل شده در شکل 3/1 1a نشان داده شده است زمانیکه اختلال بار دهی a در دمای ورودی (مرحله افزایشی در To ) بوجود آید ،دوره و ارزش متوسط متغیر T کنترل شده تغییر می کند که این مسئله را در سیستم گرمایی مشاهده می کنید . زمانیکه دمای بیرونی سردتر می شود ،دستگاه گرما زا به بمدت طولانی و با فواصل بیشتر کار می کند و دمای اتاق بطور متوسط کمتر می شود ، به همین دلیل در روز های سرد ، داخل اتاق سردتر از روز های گرم می باشد ، البته اگر تنظیم ترموستات درهر دو مورد یکی باشد . سیستم مزبور در حالت خطی ، بی ثبات است و باند های غیر خطی یا محدوده ها در متغیر ها (مکان سوپاپ کنترل ) آن ار در "چرخه محدود " حفظ می کند .
B)کنترل گر متناسب
خروجی کنترل گر متناسب تنها زمانی تغیر می کند که سیگنال خطا عوض شود . از آنجا که تغییر باردهی به مکان سوپاپ کنترلی جدیدی نیاز دارد ، کنترل گر باید با سیگنال خطای جدیدی تطبیق یابد به این معنا که معمولا کنترل گر متناسب نوعی خطای ثابت یا تعادل را نشان می دهد که در واقع محدودیت ذاتی کنترل گر های p بوده و به همین دلیل عملکرد انتگرال معمولا به آن افزوده می شود که مثال اول فصل 1 نشان گر این مطلب است . همانطور که در تصویر 3/1 1b نشان داده شده در مبدل گرمایی به عنوان مثال ، کاهش دمای ورودی Tc به بخار بیشتری نیاز دارد و از ایزو ، خطای مزبور باید افزایش یابد تا دریچه بخار بیشتر شود . میزان تعادل به سایر اختلال باردهی و بازده تقویت کنترل گر بستگی دارد . هر چه بازده تقویت بزرگتر باشد ، تعادل کمتر می شود . اگر چه همانطور که بازده تقویت بزرگتر می شود ، فرایند مزبور را از کنترل خارج شده و در نهایت مدار بی ثبات گشته و مثل کنترل گر روشن / خاموش عمل می کند . خطای حالت مناسب همیشه نامطلوب نبوده و در بسیاری از مدار های کنترلی ، سطح مطلق درصورت خشک شدن یا عبور جریان بیش از حد در مخزن مهم نمی باشد . ا زایزو کنترل متناسب غالباً بهترین نوع سطح کنترل است که به طور فصل در بخش 3/3 به آن خواهیم پرداخت .
C) کنترل گر متناسب – انتگرال (PI)
در بسیاری از مدار های کنترلی گر های PI استفاده شده است عملکرد انتگرال نشانگر کاهش وضعیت ثابت است . ولی سیستم مزبور با کاهش T1 از کنترل خارج می شود واگر خیلی کوچک شود ، مدار بی ثبات می گردد .
D)کنترل گر (PID) تناسب – انتگرال – مشتق شده
کنترل گر های PID در مدار های به کار می روند که سیگنال ها بی صدا بوده وواکنش شدید دینامیک در آن مهم می باشد . عملکرد مشتقی به جبران کندی عملکرد مدار کمک می کند . کنترل گر های و مایه در راکتور ها غالبا PID می باشند بطوریکه کنترل گر مزبور ، میزان حرکت را دور از نقطه تنظیم ، کنترل کرده و حتی زود تر از عملکرد PI ،باعث استارت سو پاپ کنترل می شود . عملکرد مشتقی در سطح سیگنال خطا (sp-pr )یا (pv) تغییر فرایندی می باشد . اگر در سطح سیگنال خطا باشد ، تغییرات مرحله ای در نقطه تنظیم باعث پیدایش ضربه های بزرگ در سوپاپ کنترل می شود . از ایزو در بیشتر فرایند های کنترلی ، عملکرد مشتقی تنها برای سیگنال pv به کار می رود زیرا وارد کنترل گر می شود . بنابراین عملکرد PوI برای تفاوت بین سیگنال نقطه تنظیم وخروجی براساس واحد مشتقی به کار می رود (شکل 12/3)
3-3 تنظیم کنترل گر
روشهای تنظیم بازخورد کنترل گر ، بسیار است احتمالا 80% تمام مدارها به صورت آزمایشی با استفاده از مکانیک ابزاری تنظیم شده 75 % زمان مکانیک بصورت تقریبی حدس زده شده بطوریکه می توان از تنظیم مدار های مشابه استفاده کرد که در زیر به روشهای محدوده زمانی پرداخته ایم و درفصول بعد تکنیک های را برای یافتن کنترل گر ثابت د رمحدوده ممتد و فرکانس ارائه خواهیم داد .
1-3-3 قانون مبتنی بر تجربه
انواع معمولی مدا رهای کنترلی بصورت سطحی ، جریانی ، دمایی و فشاری می باشند . نوع کنترل گر و تنظیم به کار رفته د رهر نوع گاها شبیه می باشد . برای مثال در بیشتر مدار های کنترلی جریانی از کنترل گر های PI به همراه عملکرد گسترده یابد متناسب و انتگرال سریع استفاده شده است . بعضی از فرایند های کاوشی در قسمت بعد آمده و اگر چه حقیقت محض نمی باشد و حفظ نشانگر های کار های معمولی بوده که بیشترین کاربرد را دارند .
A) مدار های جریانی
کنترل گر های PI در بیشتر مدار های جریانی دیده می شوند و از باند متناسب PB=150 یا بازده تقویت پایین برای کاهش تاثیر سیگنال صوتی جریانی به علت اختلال موجود درجریان استفاده می شود مقدار کم انتگرال یا زمان تنظیم مجدد (0/1=T1 تکرار در دقیقه ) برای سرعت گرفتن به کار می رود که بلافاصله به دنبال نقطه تنظیم می رود . دینامیک های این فرایند معمولا بسیار سریع هستند و حسگر سریعا تغییر جریان را تشخیص می دهد . دینامیک های سوپاپ کنترل ، کند ترین عنصر در مدار بوده به همین علت به کمی زمان تنظیم مجدد نیاز داریم . استثناء قابل توجهی برای کنترل سریع جریان PI وجود دارد . کنترل جریان دیگ بخار سو پاپ تقطیر همانطور که در شکل 13/3
نشان داده شده ، میزان جریان بخار به دیگ ، گاهی اوقات بوسیله سو پاپ تقطیر مایع کنترل می شود از آنجا که جریان بخار به میزان تقطیر بستگی دارد ،جریان بخار با تغییر منطقه انتقال گرمایی در دیگ بخار ، تغییر می کند که درواقع با افزایش یا کاهش سطح مایع در دیگ بخار "پر" این امر تحقیق می یابد . البته تغییر سطح مایع ، زمان می برد و مقادیر ثابت زمان بین 3 تا 6 دیقیه می باشد لذا مدار کنترل جریان نسبت به مقدار پیشنهاد شده د ربرآورد نظری فوق الذکر ، دارای مقادیر ثابت متفاوت در کنترل گر می باشد . بسیاری از عملکر د یا مستقیمی ممکن است د رمدار برای کنترل جریان سریعتر به کار رود .
B) مدار های سطحی
بیشتر سطوح مایع نشانگر مواد جدیدی می باشند که برای ظرفیت مو جی به کار می رود در این موارد سطح ارتفاع مهم نبوده چرا که بین ماکزیمم ومینیمم قرار بگیرد . بنابراین کنترل گرهای متناسب غالباً در مدار های سطحی برای ایجاد تغییرات اندک در میزان جریان ودرنوسانات فیلتری د رمیزان جریان به واحدهای قسمت ها ی تحتانه به کار می رود که اهمیت را در مثال های شبیه سازی شده در فصل یک نشان دادیم . یکی از معمول ترین خطا ها در طرح ساختار کنترلی برای کارخانه ای با چندین سری واحد ، استفاده از کنترل گر های سطحی PI می باشد اگر کنترل گر های P ، استفاده شوند، جریان های فرایندی به آرامی در بالا و پایین واحد های مربوطه بدون نوسان میزان جریان قرار می گیر د اگر جریان افزایش یابد سطح مایع بالا رفته و اگر جریان کاهش یابد سطح مایع پایین می آید و این سطوح در نقاط تنظیم حفظ نمی گردند . اگر کنترل گر های سطحی PI به کار روند ، عملکرد انتگرال سبب می گردد تا سطح مزبور دقیقا در نقطه تنظیمی قرار می گیرد . به این معنا که هر تغییری
درمیزان جریان نسبت به مخزن اصلی رواج ، سریعا باعث تغییر جریان در خارج از مخزن می شود که در نتیجه هدف از کاهش شدت ضربه را خنثی می سازد . پس بهتر است از مخزن استفاد ه نکرده و فقط لوله ورودی رادر مسیر لوله خارجی قرار دهیم ! بنابراین می توان گفت کنترل شدید مطلوب نمی باشد بلکه می خواهیم که میزان جریان ، در خارج از مخزن به تدریج افزایش یابد بطوریکه واحد های قسمت تحتانی تحت تاثیر قرار نگیرید . فرض کنیدمیزان جریان Fo در مخزن اولی افزایش یابد
در آنصورت سطح h1 درمخزن اولی افزایش یافته و کنترل گر سطحی باعث افزایش F1 می شود وقتی F1 به نقطه ای رسید که برابر با Fo بارز ، سطح مزبور دیگر تغییر نیافته زیرا مخزن در حالت یکپارچه قرار می گیرد . حالا اگر از کنترل گر سطحی P استفاده کنیم ، هیچ اتفاقی نخواهد افتاد سطح باقی مانده و جریانات ورودی و خروجی برابر خواهند بود ) اگر چه استفاده از کنترل گر سطحی PI سبب می شود که کنترل گر به افزایش جریان خروجی بالاتر از میزان جریان ورودی برای کاهش سطح ادامه داده که در نتیجه شکل کنترل گر های سطحی PI، این می باشد که باعث تقویت تغییرات میزان جریان این نوع می شوند . تغییر میزان جریان خارج از مخزن در واقع بیشتر از تغییر درمیزان جریان به مخزن درواقع بیشتر از تغییر در میزان جریان به مخزن است . که این حالت تشدید زمانی بدتر می شود که به سمت واحد های پایین حر کت کند و چیزی که درابتدا اختلال کوچکی بوده منجر به نوسانات بزرگ به هنگام رسیدن به واحد آخری در زنجیره می شود . البته موقعیت های مختلفی وجود دارد که برای کنترل شدید سطح مطلوب می باشد مثلا در راکتور که کنترل زمان مقاومت مهم است . تنظیم کنترل گر های سطحی متناسب کاری معمولی است برای مثال می توان سوپاپ بایاس را در 50 % مقیاس کامل و نقطه تنظیم رادر 50% مقیاس کامل و بدنه متناسب رادر 50 تنظیم کرد . به این معنا که سو پاپ کنترل زمانی تا نیمه بازمی ماند که مخزن نیمه پر باشد واگر مخزن تا 75 % پر باشد کاملا بازمانده واگر مخزن 25% پر باشد کاملا بسته می شود تغییر باند متناسب به 100 به این معنا می باشد که مخزن مزبور اگر کاملا پر باشد و سوپاپ کاملا باز است و اگر کاملا خالی باشد سو پاپ بسته می شود .
C ) مدار های فشار ی
مدار های فشاری دارای انواع مختلف مدار های محکم، سریع و کند می باشد . مثال مدار فشاری سریع ، تنظیم سو پاپ جریان در یک ظرف است که درتصویر a15/3 نشان داده شده است . سو پاپ مزبور پرفشار کنترل مستقیم داشته بطوریکه کنترل دقیق و شدید بدست می آید مثال مدار فشاری آهسته تر درشکل 15-3
آمده که آب باعث تغییر نیروی هدایت AT برای میعان در دستگاه تقطیر می شود لذا دینامیک های انتقال گرمایی و کندی جریان آب در قسمت های کناری دستگاه تقطیر برای مدار کنترلی به کار می روند .
D) مدار های دمایی
مدار های کنترل دمایی ، معمولا آهسته اند زیرا حسگر های آهسته داشته و فرایند انتقال گرما آنها به آهستگی صورت می گیرد. کنترل گر های PID در اینجا به کار می روند و تنظیمات باید متناسب بسیار کم بوده و به اندازه سو پاپ کنترلی و دهانه فرستنده دمایی بستگی دارد زمان تنظیم مجدد دارای تر تیب یکسان زمان ثابت فرآیند است یعنی هر چه فرایندسریعتر یابد ، T1 کوچکتر می شود و زمان مشتق شده که برای تنظیم چیزی شبیه یک چهار زمان ثابت فرایند به کار می رود به صدای سیگنال فرستنده ارتباط پیدا می کند که در قسمت های بعدی به آن خواهیم پرداخت .
2-3-3 روش آزمون و خطای آن لاین
برای تنظیم کنترل گر بصورت آن لاین ، بتوان از ابزار مکانیکی بر اساس روش زیر استفاده کرد .
1) با استفاده از کنترل گر کتابچه دستی ، تمامی عملکرد های انتگرال و مشق ، خارج از کنترل در نظر بگیرید ، یعنی T1 را در ماکزیمم تکرار / در دقیقه و TD را در مینمم تنظیم کنید .
2) Kc را در مقدار 2/0 تنظیم کنید .
3) کنترل گر را روی حالت اتوماتیک قرار دهید .
4) نقطه تنظیم با تغییر باردهی را مشخص کرده و واکنش تغییر کنترل شده را ثبت کنید . بازده تقویت پایین می آید لذا واکنش کند خواهدبود .
5) Kc را به وسیله عامل 2 افزایش داده و متغیر کوچک دیگری در نقطه یا برادهی ایجاد کنید
6) هم چنان kc را افزایش دهید 5 را تکرار تا حلقه از کنترل خارج شده وبه نوسان در آید . بازده تقویت در این حالت بازده تقویت نهایی نام می گیرید .
7) یعنی از kc را به مقدار نهایی باز گردانید .
8) حالا با عملکرد انتگرال و کاهش T1 با استفاده از فاکتور های 2 کار را شروع کرده و با ایجاد اختلالات کوچک در مقدار T1 ، منتظر تاثیر آن باشید .
9) مقدار T1 را یافته که در آن حلقه از کنترل خارج شده و دوباره T1 را تنظیم کیند .
10) کار را با عملکرد مشتق با افزایش TD شروع کنید ، تغییرات باردهی باید برای ایجاد اختلال در سیستم به کار روند و عملکرد مشتق بهتر است برای سیگنال متغیر فرآیندی استفاده شود مقدار TD رایافته که بدون تشدید صوت در سیگنال متغیر فرآیندی بیشترین کنترل را ایجاد می کند .
11) دوباره kc را به وسیله را حل 10% افزایش دهید تا ویژگی مطلوب در ضریب کنترلی حاصل شده یا نوسان مطلوب بدست آید .
لازم به ذکر است که بگوییم مدار های وجود دارند که این روشها در آنها موثر نمی باشد . سیستم هایی با ثبات شرطی مثال های کلاسیک می باشند . این فرایند ها در مقادیر بالای بازده تقویت کنترل گر و یا مقادیر پایین ، بی ثابت بوده ولی د رمقادیر متوسط بازده تقویت ثابت می باشند که در فصل 9 به آنها پرداخت .
3-3-3 روش Iiegler – Nchals
تنظیمات کنترل گر ZN)) در زمینه کنترل دارای استاندارد های کاذب می باشند و به آسانی یافت شده و د ارای اجرای معقول در بعضی مدار ها می باشند . تنظیمات Zn و پایه بر خلاف یکدیگر بوده بطوریکه عملکرد تنظیمات کنترل گر دیگری به عنوان مقایسه در تحقیقات بسیاری به کار رفته است و غالبا از آنها به عنوان حدس اول استفاده شده ، که در بیشتر کاربرد های کنترلی فرآیندی ، غیرقابل کنترل می باشند . بعضی از تنظیمات آن لاین باعث بهبود مشخص کنترل می گردد ولی تنظیمات Zn به عنوان نقطه شروع مناسب می باشند . روش Zn شامل اولین مقدار Ku بازده نهایی تقویت است که تعداد بازده در آن مدار در محدوده ثابت کنترل گر باز خورد متناسب قرار می گیرد . زمان نوسان به نام زمان نهایی یا Pu می باشد . بنابراین تنظیمات Zn با استفادهااز فرمول های جدول 1/3
P PI PID
Ziegler -Nichols
–
– –
Tyrcus -Luyben
– KT
2.2P" 2.2P" –
– –
Ulimate values: K " =6 Wlt =17.3 red/hr Pu =0.363 hr
PID PI P
Ziegler -Nichols
3.53 2.73 3
0.181 0.302 –
0.0454 – –
Tyrcus -Luyben
– 1.88 –
– 0.8 –
برای سه نوع کنترل گر ازمقادیر Ku و Pu محاسبه می شود توجه کنید که اگر یکپارچگی د رکنترل گر PI مد نظر باشد و افزودن مشتق بازده بالاتر و تنظیم مجدد سریعتر مجدد سریعتر مجاز باشد ، دراینصورت بازده تقویت پایین می آید . بعنوان مثال بیایید فرآیند سه مخزن گر مایی را درفصل 1 بررسی کنیم . همانطور که درفصل 8 ثابت می کنیم ، بازده نهایی این فرآیند 6 بوده و زمان نهایی آن 363/0 ساعت است تنظیمات Zn برای این سیستم در جدول 2/3 آمده است واکنش سیستم مدار بسته به اختلال باردهی در To در شکل 16/3
به همراه کنترل گر های P و PI با استفاده از تنظیمات Zn آمده است .
این نتایج مطالب جالبی را نشان می دهد که عبارتند از :
1) خطای حالت ثابت در متغیر کنترل شده T3 وجود دارد البته کنترل گر استفاده شود وجود چنین تعادلی نشان می دهد که هیچ عبارت انتگرال برای رساندن خطا به صفر وجود ندارد .
2)تنظیمات Znمنجر به پیدایش سیستم نسبتا کنترل شده می گردد . واکنش ها نشانگر نوسانات خاص هستند ضریب کنترل مدار بسته این سیستم حدود 1/0 تا 2/0 است .
در کاربرد های کنترل فرآیندی ، شاید چنین نقطه ای مطلوب باشد . از آنجا که خیلی سریع است برای تغییرات سریع و زیاد در متغیر های قابل تنظیم به کار می رود برای مثال ، در کنترل دمای معینی در ستون تقطیر ، خواهان کنترل شدید دما هستیم ولی تغییرات سریع و زیاد را در ورودی گرما به دیگ بخار نمی خواهیم زیرا ممکن است ستون مزبور به هنگام بروز ناپایداری ، ریز شود . اگر مخزن اصلی در میزان بخار خیلی سریع عمل کند ، حتی می توان به صورت مکانیکی به سینما های ستون آسیب رساند . بنابراین باید برای تغییرات ملایمتر در متغیر های قابل تنظیم ، چند عملکرد را (کنترل شدید ) نادیده بگیریم .
4-3-3 روش Tyreus -Luyben
روش Tyreus -Luyben روشی کاملا مشابه با روش (zn) است اگر چه دارای تنظیمات محافظه کارانه بیشتر بوده و برای کاربرد های کنترل فرآِیند شیمیایی ، مناسب تر است . فرآیند های ، بیشتر شبیه جت های بوئینگ 747 می باشند که می خواهیم با آنها با ملایمت رفتار کینم واگر کنترل های پرواز را برای هواپیماهای شکلی f-16 طراحی کنیم احتمالا برای 2 موقعیت این کار را انجام داده این : حالت حمله و حالت فرود .
در حالت حمله تنظیم براساس روش zn بوده و تنظیمات حالت فرود بر اساس TL است . روش مزبور از Ku بازده نهایی و wu فرکانس نهایی استفاده کرده است . فرمول کنترل گر های PI و PID در جدول 1/3 آمده وتنظیمات TLC برای فرایند های سه مخزن گرمایی در جدول 2/3 ذکر شده است عملکرد این تنظیمات در شکل 16/3 نمایش داده شده است . استفاده از کنترل گر های PID در کنترل فرآیندی محدود است که در ابتدا به علت مشکلات سیگنا ل های صوتی بوده و عملکرد مشخص ، این سر و صدا ها را تشدید کرده که باعث عملکردضعیف در بعضی موارد گر این است . بعضی از مدار های کنترل دمای راکتور ی وجود دارند که از عملکردمشخصی استفاده کرده و معمولا در موقعیت های قرار می گیرند که سیگنال دما ، صوتی نمی باشد.
4/3 – نتیجه گیری
دراین فصل به مفاهیم و ایده های پرداخته ایم که از اهمیت کاربردی برخورد دارند ، که در این راستا باید از سخت افزار ها ونرم افزار های کنترل فرایند ، قدردانی کرد . بنابراین باید بدانیم که چه کنترل گر های قرار دادی P و PI قادر به انجام این کاربرد بوده یا نبوده تا بتوانیم آنها را تنظیم کنیم و دراین بخش بعضی از آنها را ارائه داده ایم . در سه فصل بعدی به عناوین پیشرفته تر خواهیم پرداخت .
1-3 a) بازده سوراخ صفحه و فرستنده بافشار مختلف رابرای مقادیر جریان 10% تا 90% مقیاس کامل ، محاسبه کنید .
b) بازده سوپاپ خطی و درصدی برابر را ، بالاتر از میزان یکسان محاسبه کنید با این فرض که افت فشار ثابت ، بالای سوپاپ باشد .
c) بازده کل مدار سوپاپ را محاسبه کرده و سیستم فرستنده حسگر را دراین گستره در نظر بگیرید
2-3) دمای CSTR بوسیله سیستم کنترل باز خورد الکترونیکی ، قابل کنترل است :
1) فرستنده دمایی 100 تا 200 درجه فار نهایت
2) کنترل گر PI با تنظیم زمان انتگرال 3 دقیقه و یابد متناسب در 25
3) سو پاپ کنترلی با آرایه خطی ، عملکرد باز شدن در فشار هوا و Cv=4 که از آن طریق آب سرد ، جریان می یابد . افت فشار در سو پاپ ، میزان ثابت 25psi است اگر خروجی کنترل گر وضعیت ثابت 12MA باشد ، چه میزان آب سرد در سوپاپ جریان می یابد به اگر اختلالی افزایش یابد و دمای راکتور تا 50 افزایش یابد ، تاثیر سریع به سیگنال خروجی کنترل گر و مقدار جریان آب چه خواهد بود ؟
3-3 ) ساخت سیستم سه CSTR در کامپیوتر دیجیتالی با کتری با کنترل گر بازخورد روشن / خاموش فرض کنید ، متغیر قابل تنظیم DAM در وضعیت ثابت برابر باI1 مول Alft3 باشد ، زمان نوسان و مقدار متوسط CA3 را برای مقادیر باردهی CAD در 6/0و 1 پیدا کنید .
4-3) 2 راه کنترل دمای خروجی خنک کننده مبدل گرمایی در طرح صفحه بعد آمده است که پیشنهاد در خصوص مزایای مربوط به این سیستم در زمینه نقاط استاندارد کنترل و طرح مبدل گرمایی می باشد
5-3) آیتمهای زیر را برای سیستم فرعی خنک کننده در خصوص مورد 4-3 معین کنید .
a) عملکرد سو پاپ ها (AC/OA) و نوع آرایه
6-3) فرض کنید که سیستم فرعی خنک کننده مورد 4-3 به گونه ای طراحی شده که مجموع جران فرایند/hr 50/000 Lbm تحت شرایط نرمال 25% از 75% سیستم فرعی کولر جدا شده است . دما های ورودی و خروجی فرآیند این شرایط نرمال 250 و150، وضعیت سو پاپ چگونه خواهدبود ؟
7-3) انتظار می رود که در میزان هدف 200 gpm ، مایع (sp gr=1) در مبدل گرمایی ، پمپ شد ه چنین و پاپ کنترل تعیین شده و افت فشار مبدل در سرتاسر طرح 3opsi است . برای سو پاپ های کنترل درصد برابر و خطی ، طرح های میزان جریان در برابر مکان سوپاپ در نظر بگیرد . هر دو سوپاپ در مقدار طرح (هدف ) برابر با f(x)=0/5 می باشند . مجموع افت فشار در کل سیستم ثابت است وافت فشار درکل سیستم ثابت است و افت فشار در سوپاپ کنترل در میزان هدف به ترتیب
a) psi10 b) psi 30 c) psi 120 می باشد .
8-3 ) زمانیکه محصول راسی به صورت بخار باشد ، طراحان فرایند مایل به استفاده از بخشی از قسمت راسی دستگاه نظیر به صورت مستقیم dephlegm auors در بالای ستون نظیر می باشند این مسئله برای مواد شیمیایی فرسایشی ، سمی یا غیر قابل کنترل صحت دارد زیرا قادر به از بین بردن بدنه دستگاه به طور مجزا ، استوانه برگشت و پمپ برگشت می باشند . کنترل توسط دو سیستم فرآیندی در طرح شکل p3/8 آمده است .
9-3) با استفاده از طرح صفحه بعد در مورد جریان مخالف ، جریان متقابل و سیستم های گردش آب ،از لحاظ کمی ، عملکرد محرک دیجیتال سه خنک کننده را با یکدیگر مقایسه کنید . فرض کنید که کناره ای تیوب و دیواره توسط 4 پردازه نا همان مشخص شده که در اینصورت شرایط طرح عبارت است . از میزان جریان fbm/hr =000/50 ، دمای ورودی = 250 ، دمای خروجی = 130 و ظرفیت گرماییBTu/ibm 5/0
شرایط طرح آب سرد کن :
A) بر خلاف آب : دمای ورودی 80 ، دمای خروجی = 130
B) جریان متقابل : دمای ورودی = 80 ، دمای خروجی = 125
C) سیستم گردش : دمای ورودی به کولر ( خنک کننده ) = 120، دمای خروجی از خنک کننده 125 و دمای نهای آب به سیستم =80
کننده = 125 و دمای نهایی به کولر (خنک کننده ) = 120 ، دمای خروجی از خنک از تیوب و بدنه فلزی استفاده می کند . کنترل گر های PI را برای هر سیستم تنظیم کنید . متفاوت دمای خروجی را برای افزایش 25 % در میزان جریان فرایند ، پیدا کنید .
10-3 ) بخار راسی ستون تقطیر تجزیه پروپان ، در دستگاه تقطیر آب سرد در 120 وpssig227 ، تقطیر می شود . بخار مربوط به 95% مول پروپان 5 % مول ایزوبوتان است میزان جریان هدفhr/Ibm 500/25 می باشد و گرمای متوسط نهفته تبخیر ، Bul fbm 125 . دماهای ورودی و خروجی آب سرد کن ،به ترتیب 80 و 105 می باشد . مساحت انتقال گرمایی تقطیر ft2 1000 می باشد . افت فشار آب سرد کن در دستگاه تقطیر psi 5 است . سوپاپ کنترل آرایه خطی در مسیر آب سرد کن نصب شده است . افت فشار در بالای سوپاپ psi 30 در صورت نیمه باز بودن سو پاپ می باشد . فشار فرایند توسط فرستنده الکترونیکی فشار (4-20 MA) اندازه گیری می شود که دامنه آن psig 300-100 است کنترل گر الکترونیکی آنالوگ متناسبی با بازده تقویت 3 ، برای کنترل فشار فرایند با تنظیم چگونگی کار آب سرد کن ، تعبیه شده است سیگنال الکترونیکی کنترل گر (Co) به سیگنال فشار هوا در مبدل IIP تبدیل می شود .
A) میزان جریان آب سرد کن رادر شرایط هدف محاسبه کنید (gpm)
b) ضریب اندازه (CV) سو پاپ کنترل را محاسبه کنید.
c) عملکرد سو پاپ کنترل و کنترل گر را مشخص کنید .
d) مقادیر سیگنال های Praine , sp , co , pv در شرایط هدف کدامند ؟
e) میزان فشار فرایندی psi 10رادر نظر بگیرید به چه میزان فشار اولیه آب سرد کن افزایش خواهد یافت ؟ در فشار بالاتر مقادیر Praine , co , pv را مشخص کنید . فرض کنید که افت فشار در بالای دستگاه تقطیر و سوپاپ کنترل ثابت است .
11-3) سیستم گردش آب سرد برای خنک کردن جریان روغن 90 تا 70 در مبدل گرمایی تیوب در بدنه به کار می رود . دمای آب سرد ورودی به مبدل گرمایی در میزان ثابت 50 با پمپ کردن آب سرد در کولر یخچالی قرار گرفته در قسمت بالای مبدل ،ثابت می ماند . میزان آب سرد طرح (هدف ) برای شرایط نرمال gpm 1000 است د رحالی که دمای آب سرد خروجی از مبدل گرمایی 60 می باشد . افت فشار آب سرد درفرایند مبدل گرمایی psi 15 در gpm 1000 است و افت فشار آب سرد در کولر یخچالی psi 15 در gpm 1000 می باشد. مساحت انتقال گرمایی در مبدل گرمایی 1 143 IT2 است . دمای فرستنده جریان روغن به هنگام خروج از مبدل گرمایی بین 50 تا 150 می باشد . گستره تفاوت جریان و فرستنده ها در آب سرد بین 0 تا gpm 1500 است . تمامی تنظیمات الکترونیکی است (4 تا MA 20 ) فرض کنید پمپ آب سرد به وسیله صافی سانتر یفاژ می گردد در اینصورت :
a) سو پاپ کنترل آب سرد را به گونه ای طراحی کنید که در gpm1000، 25 % باز مانده و بتواند حداکثر جریان gpm 1500 را از خود عبور دهد از آرایه خطی در اینجا استفاده شده است
b) زمانیکه جریان آب سرد gpm 1000 است ، مقادیر سیگنال های ارسالی از فرستنده دمای ی فیزیکی کنترل گر دما و فرستنده جریان آب سرد را مشخص کنید .
c) افت فشار در بالای سو پاپ آب سرد به هنگام باز بودن کامل چقدر است ؟
d) افت فشار و باز بودن بخشی از سوپاپ کنترل آب سرد به هنگام جریان gom 500 چقدر است ؟
e) اگر هزینه نیروی برق cenis / kilowauhr 5/2 باشد ، هزینه سالانه پمپ کردن برای پمپ آب سرد در میزان هدف gpm 1000 چقدر است ؟ در چه موتور است بخار باید برای هدایت پمپ آب سرد استفاده کرد ؟ (I hp =550 fJ – tbr /Iec =746 w)
12-3) در دمای سینی چهارم در ستون تقطیر fehigh بوسیله کنترل گر فشار هوای PI با زمان تنظیم مجدد 2 دقیقه و بدنه متناسب 50 % کنترل شده است . دمای خروجی کنترل
(COT) ، نقطه تنظیم جریان کنترل گر را تنظیم می کند و سطح پایه ستون توسط کنترل گر متناسب فشار هوا ، کنترل شده که میزان پس برده شده را تنظیم می کند .
گستره فرستنده عبارت است از :
دمای سینی چهارم 60-1 20
جریان بخار 0-4/2tbm / min ( دهانه / فرستنده )
جریان انتهایی 0-1 gpm ( دهانه / فرستنده )
سطح پایه 20-0 در آب
شرایط عملکرد وضعیت ثابت :
دمای سینی 4 83
سطح پایه 55 % پر
میزان بخار 3/5 tbm /min
جریان انتهایی 0/6 gpm
افت فشار در بالای سوپاپ کنترل د رمحصولات انتهایی بصورت ثابت psi30 می باشد . این سوپاپ کنترل دارای آرایه خطی و 0/5=Cv می باشد و فرمول جریان بخار در سوپاپ کنترل است که د رآن W = میزان جریا ن بخار ، 4Cv و = میزان با زبودن دریچه (آرایه خطی ) است .
a) سیگنال های کنترلی را از فرستنده سطح پایه و فرستنده دمایی و فرستنده جریان بخارو فرستنده و جریان انتهایی و کنتر ل گر دما و کنترل گر جریان بخار و کنترل گر سطح پایه محاسبه کنید .
b) تاثیر فوری تغییر در دمای سینی 4 در سیگنال های کنترلی و مقادیر جریان چیست؟
13-3) راکتور بوسیله سیستم چرخش آب پوششی ، خنک شده و سیستم مزبور نوعی دمای راکتور آبشاری را برای کنترل دمای پوشش و دمای نهایی آب سرد ارائه می دهد که جزئیات تنظیمی آن در زیر آمده :
گستره فرستنده دمایی راکتور : 250-50
گستره فرستنده دمایی گردش آب پوششی (Jaeket) : 250-50
دامنه فرستنده جریان دگلهعای آب سرد کن : gpm 250- 0 ( دهانه صفحه + فرستنده فشار های مختلف )
سو پاپ کنترل : آرایه خطی ، افت فشار ثابت sdi- B5
شرایط اجرایی نرمال عبارت است از :
دمای راکتور = 140
دمای گردش آب = 106
میزان جریان آب نهایی = gpm 63
سو پاپ کنترل : 25 % باز
a) عملکرد و اندازه دریچه کنترل هایی آب سرد را مشخص کنید .
b) سیگنال های کنترل یک هزارم آمپر را از فرستنده ها و کنترل گر های شرایط اجرایی نرمال محاسبه کنید .
c) مشخص کنید آیا هر کنترل دارای عملکرد معکوس یا مستقیم است .
d) مقادیر فوری تمام سیگنال های کنترلی را در صورت افزایش دمای راکتور تا 10 محاسبه کنید .
تنظیمات باید متناسب کنترل گر دمای راکتور ، کنترل گر دمای چرخش آب پوششی ( بیرونی ، کنترلگر جریان آب سرد کن به ترتیب 20،67و 200 می باشد .
14-3) سه مخزن سیلندری افقی دراین فرایند به کار رفته است (ارتفاع IO و قطر 10 فوت 2 تا از مخازن ، مخازن فرایندی بوده که بوسیله جریان برون ریز کنترل شده با استفاده از کنترل گر های سطحی متناسب (PB=100) از لحاظ سطحی کنترل می شوند . گشادهی فرستنده سطحی 10 فوت است . سو پاپ های کنترل ، خطی بوده و در صورت وجه میزان مایع نرمال gpm1000 ، 50% باز می ماند و در شرایط هوایی دارای افت فشار ثابت است این دو مخزن فرآیندی در gpm 1000 ، تا 50% پر می باشند .
سومین مخزن که مخزن اصلی مواج است و سطح آن غیر قابل کنترل می باشد از این مخزن به مخزن اول پمپ شده وسپس به مخزن دوم رفته و مجددا به مخزن اصلی مواج باز می گردد . اگر مخزن اصلی در g p m 1000 نمیه باز باشد ، در این صورت در شرایط جدید ثابت وقتی میزان گردش آب به g p m500 کاهش یابد پر بودن مخزن اصلی چقدر است ؟
15-3) مایع (sp gr=y ) در فشار اتمسفری از یک مخزن از طریق مبدل گرمایی و سوپاپ کنترل به مخزن فرآیند در فشار psig 100 پمپ می شود سیستم مزبور برای حداکثر جریان g p m 400 طراحی شده است . که افت فشار د رجریان حداکثر درمبدل گرمایی so psi می باشد . پمپ سانتریفاژ نیز با منحنی عملکردی ارائه شده است .
که در آن = پمپ راسی در PSI
و Fمیزان جریان در GPM است .
سوپاپ کنترل دارای آرایه خطی است .
a) محاسبه کنید چه مقدار از سوپاپ کنترل به هنگام کاهش فشار تا سطح 200G P M و فشرده شدن سو پاپ به سمت پایین ، باز می ماند .
b) فرستنده فشار های مختلف بادهانه صفحه ای ، برای اندازه گیری جریان به کار می رود . اگر مقیاس جریان کامل 400G P M باشد ، سیگنال خروجی فرستنده جریان الکترونیکی در GPM 150 چه خواهد بود ؟
16-3) سیستم ای سطح مایع را برای پایه ستون تقطیر و بخار طی کل طراحی کنید . جریان بخار تا زمان تبخیر شدن ثابت مانده وبرای سطح کنترلی قابل استفاده نمی باشد . تغذیه مایع باید تبخیر 1/0 ستون مزبور و مخزن اصلی تامین می شود . سپس مایع از ستون مزبور به تبخیر کننده ومخزن اصلی می رود .
از آنجا که مایع باید سرد نگه داشته شود تابه مخزن اصلی بود ، دوباره در تبخیر کننده گرم شده و جریمه هزینه انرژی آن برای ارسال به مخزن اصلی بیشتر از میزان لازم می باشد بنابراین سطح سیستم کنترلی ، باید در هر دو سطح حفظ شده ، هم چنین مقدار حداقل مواد ارسالی به مخزن اصلی در نظر گرفته شود ( راهنمایی : از باز نبودن همزمان سوپاپ ها به هنگام ورود خروج مایع به مخزن اصلی اطمینان حاصل کنید . )
17-3) راکتور شیمیایی بوسیله سیستم گردش روغن خنک می شود . روغن از طریق مبدل گرمایی آب سرد وسو پاپ کنترل V1 به گردش در بیاید . بخشی از جریان روغن از طریق سو پاپ کنترل V2 در مبدل گرمایی به جریان می افتد و سیستم مزبور به گونه ای در شرایط هدف راطی شده که :
* میزان جریان روغن در مبدل گرمایی 50 G P M (SP = gr =1) با افت فشار IO – PSI در مبدل گرمایی و سوپاپ کنترل V1 با باز بودن 25 % می باشد .
* میزان جریان روغن در مسیر فرعی GPM 100 با سوپاپ کنترل V2 درصد باز بودن So می باشد . هر دو سوپاپ کنترلی دارای آرایه خطی بوده و پمپ گردشی دارای انحنا می باشد . حداکثر میزان جریان روغن در مبدل گرمایی GPM 100 مورد نیاز می باشد .
a) عملکرد 2 سو پاپ کنترلی و2 کنترل گر دمایی را مشخص کنید .
b) اندازه (C) 2 سوپاپ کنترلی را محاسبه کرده و افت فشار را در بالای هر دو سوپاپ معلوم نماید .
c) اگر سوپاپ کاملا باز باشد و یا در مدار مبدل گرمایی بسته باشد ، میزان گردش روغن در مسیر ها فرعی چقدر خواهد بود ؟
18-3) فرمول جریان بخار اشباع شده در سوپاپ کنترلی : فرمول که در آن
W = بخار TBM /Hr
P1 فشار قسمت بالای و psia
P2 = فشار قسمت تحتانی و psia
می باشد و دمای راکتور بخار – سرد 285 است ومیزان گرمایی که باید از راکتور به سیستم تولید بخار انتقال یابد ، Btu/hr 106×5/2 می باشد . مزیت کلی انتقال گرمایی برای کوئل های خنک کننده برابر باF Btu/hr f266 300 می باشد تخلیه بخار در قسمت راسی بخار 25-psia انجام می شود . تفاوت دمایی بین بخار اشباع شده و تقطیر Btu/f b m 1000 مباشد . فشار بخار آب با استفاده از دامنه فشار در خط مستقیم ، بطور تقریب محاسبه می شود195+1/8p(psia)= ()T
دو سیستم طراحی کنید که در یکی فشار استوانه بخار 40psia و در دیگری 30psia باشد .
a) مساحت کوئل های خنک کننده را برای هر کدام محاسبه کنید .
b) مقدار Cv را برای سو پاپ بخار در هر مورد محاسبه کنید فرض کنید که سو پاپ مزبور در شرایط f(x)=0/5 نیمه باز است .
c) حداکثر ظرفیت حذف گرما در سیستم برای هر مورد چقدر است ؟
19-3) آب سرد کن از طریق پوشش راکتور ، پمپ می شود و پمپ و سو پاپ کنترل باید به گونه ای طراحی شوند که :
a) میزان جریان نرمال آب سرد gpm 250 باشد .
b) حداکثر جریان ضروریgpm 500 باشد .
c) اگر میزان جریان gpm 100 باشد . سوپاپ مزبور نمی تواند کمتر از 10% باز بماند .
افت فشار در قسمت بیرونی IO psi در هدف است . انحناء پمپ دارای شیب -0.I psi /gpm است مقدار Cv را در سو پاپ کنترل ، قسمت ر اسی پمپ در میزان هدف ، اندازه موتور را برای به کار انداختن پمپ ، بخشی از سو پاپ که باز می شود . و افت فشار را در بالای سو پاپ محاسبه کنید .
20-3) در ستون جدا کننده C2 ار فشار مجدد بخار استفاده می شود و از آنجا که دمای کم بایدزیر سطح دمای اتیلن و اتاق باقی بماند لذا ، دستگاه تقطیر کمکی باید بوسیله سیستم خنک کننده پروپان ، سرد شود .
a) عملکرد تمام سو پاپ های کنترل مشخص کنید .
b) دیاگرام مفهوم را به منظور زیر رسم کنید . سطح تبخیر کننده پروپان بوسیله جریان پروپان مایع در استوانه مخزن اصلی سرد شده ، قابل تنظیم می گردد . فشار ستون بوسیله تنظیم سرعت کمپرسور ستونی در سیستم آبشاری کنترل فشار و سرعت جریان بخار ، قابل تنظیم است جریان برگشت نیز قابل کنترل است . سطح استوانه جریان برگشت ، جریان تقطیر را تنظیم می کند و سطح پایه ، جریان انتهایی را تنظیم می کند دمای ستونی سینی هم با تنظیم فشار در تبخیر کننده پروپان قابل کنترل است که بوسیله سرعت کمپرسور خنک کننده تنظیم می شود (فشار ستونی در سو پاپ را باز می کند ( گشاد می کند )
a) فکر می کنید که کنترل دمای ستونی تا چه اندازه موثر باشد به سیستم کنترلی را پیشنهاد کنید که هنوز در هر کمپرسور دارای حداقل مصرف انرژی باشد .
* 21-3) روغن داغ قسمت انتهایی ستون تقطیر برای گرم کردن مجدد 2 ستون تقطیر دیگر به کار می رود که در دماهای پایین تر کار می کند . میزان جریان هدف در دیگ بخار 1,2 به ترتیب gpm 100و gpm 150 است . که در این مقادیر ،افت فشار در دیگ بخار psi 20 و psi 30 است . پمپ روغن داغ دارای انحنا پمپی صاف است در سوپاپ کنترلی اندازه گیری کرده و به گونه ای پمپ کنید که :
* حداکثر جریان در هر دیگ بخار حداقل 2 برابر میزان طرح شده باشد
* حداقل مقادیر بازگشتی که تنها به نیمی از جریان نیاز است ، و پاپ های کنترلی نباید کمتر از 10% باز بماند .
22-3) راکتوری توسط گردش مایع در مبدل گرمایی ، خنک میشود که بخار فشار پایین 10 psig تولید می کند بنابراین ، بخار نمزبور بین کمپرسور و توربین تقسیم می شود . بخشی که به توربین میرود باعث به کار انداختن کمپرسور می شود . بخشی که کمپرسور می رود به مصرف ، مصرف کننده های بخار 50 psig می رسد . هم چنین توربین مزبور بخار psig 100 برای تهیه نیروی مورد نیاز د بخار IO-pisg استفاده می کند .
دیاگرام مفهوم کنترل را که شامل تمام عملکرد های سو پاپی باشد طراحی کرده . استراتژیها کنترلی زیر ا را در نظر بگیرید .
* دمای راکتور با تغییر نقطه تنظیم کنترل گر سرعت توربین ، تنظیم می شود .
* سرعت توربین بوسیله 2 سو پاپ ، دامنه مجزا کنترل می شود که یکی در ورودی opsig به توربین و دیگری در ورودیpsig 100 قرار دارد . لذا سیستم تنظیمی باید به گونه ای طراحی شود که سوپاپ مزبور در بخار psig10 قبل از هر بخار psig100، باز شود .
* گردش مایع از راکتور به مبدل گرمایی ، نوعی جریان قابل کنترل است ،
* سطح استوانه تقطر بویله تنظیم BFW (آب تغذیه دیگ بخار ) قابل تنظیم است .
* تقطیر نهایی در استوانه بخار ، نسبت جریان بخار psig 10 در استوانه بخار است . بنابراین میزان مزبور بوسیله کنترل گر سطح استوانه بخار ، مجددا قابل تنظیم می شود .
* فشار در قمست راسی بخر psig50 ، با افزودی بخار psig100 قابل کنترل است .
* وقتی فشار در قسمت راسی IO -psig خیلی بالا باشد ، کنترل گر فشار بالا در راس سو پاپ (psig-10) باز می شود
* کمپرسور اصلی با استفاده از کنترل گر فشار پایین که باعث باز شدن سو پاپ در مسیر باز گشت از تخلیه کمپرسورذ به مکش کمپرسور می شود فیزیکی قابل تنظیم است .
23-3) آب از مخزن اتمسفری از طریق مبدل گرمایی وسو پاپ کنترلی به مخزن تحت فشار ، پمپ میشود عملکرد فشار در مخزن مزبور بین pig 300 تا 200 متغیر است ومیزان هدف 250psig است . میزان جریان هدف gpm 100 با افت فشار psi- 20 در مبدل گرمایی است حداکثر میزان جریان 250 gpm است و حداقل آن gpm25 می باشد .
پمپ سانتریفاژ دارای انحنای پمپی خط صاف با شیب gpm / psi 1/0 می باشد سوپاپ کنترل و پمپی را طراحی کنید که حداکثر و حداقل میزان جریان با سوپاپ قابل تنظیم بوده و در کمتر از 10% باز نشود .
24-3) مایع کنش واکنشی (Reactant) به راکتور دسته ای در میزان متغیر ، پمپ می شود . همچنین فشار راکتور در چرخه دسته ای (batch) متغیر می کند . اندازه سو پاپ کنترلی و پمپ سانتر یفاژ قسمت راسی را مشخص کنید . میزان انحناء پمپ صاف را در نظر بگیرید . میزان جریان اولیه در راکتور gpm20 (sp gr=1) است . که از لحاظ خطی ظرف 5 سال قرار گرفتن در چرخه batch به میزان gpm 5 کاهش می یابد . فشار اولیه راکتور psig 50 است که به صورت خطی تا psig 350 ظرف 5 ساعت افزایش می یابد . مایع کنش واکنشی از مخزنی تامین می ود که در فشار اتمسفری قرار گرفته است .
25-3)آب از مخزن اتمسفری به مخزنی در فشار psig 50 د رمبدل گرمایی ، پمپ می شود که مسیری در اطراف مبدل گرمایی 30 psi با gpm 200 جریان می باشد .
26-3) مهندسی از شرکت شیمیایی catasraphic ، سیستمی راطراحی کرده که در آن پمپ جابجایی مثبت برای پمپ کرد آب از مخزن اتمسفری به مخزن فشار در pisg150 ، استفاده می شود . سو پاپ کنترل بین پمپ تخلیه و مخزن فشار قرار می گیرید با استفاده از پمپ مزبور که با سرعت ثابت وطول فشردگی gpm 350 کار می کند وقتی سوپاپ کنترل کاملا باز باشد و فشار تخلیه پمپ ، 200 psig باشد ، آب پمپاژمی شود اگر سوپاپ کنترل به باز بودن 50% باز میزان جریان آب و فشار پمپ تخلیه چه خواهد بود ؟
27-3 ) روغن داغ مخزن در 400 از مبدل گرمایی به تبخیر کننده مایع ، پمپ می شود و در 200 به جوش آمده و سوپاپ کنترل برای تنظیم جریان روغن در مدار به کار میرود . فرض کنید که پمپ دارای انحناء صاف است .
افت فشار در بالای سوپاپ کنترل psi30 افت فشار در بالای مبدل گرمایی psi 35 تحت شرایط نرمال زیر می باشد .
گرمای انتقال یافته در مبدل گرمایی = Btu/hr 106×17
دمای روغن داغ ورودی = 400
دمای روغن داغ خروجی = 350
میزان باز بودن سو پاپ = 8/0
روغن داغ ، تنها زمانی داری گرمای محسوس است که (ظرفیت گرمایی =Btu/fb"F 5/0 و چگالی = fb – gal 58/4 باشد ) مساحت انتقال گرمایی د رمبدل ft2 652 می باشد . فرض کنید دما در تیوب کناره مبدل گرمایی در 200 ثابت مانده دمای روغن داغ ورودی 400 ثابت بماند . در اینجا به معنای تفاوت دما است . فرض کنید که ضریب انتقال گرمایی با میزان جریان تغییر نیابد ، در اینصورت اگر میزان انتقال گرما در مبدل گرمایی نصف حد نرمال باشد ، میزان باز بودن سو پاپ چقدر است ؟
28-3) سیستم پمپ سو پاپ کنترل توسط Connell ارائه گردید که شامل پمپ سانتریفاژ ، چندین مبدل گرمایی ، دستگاه گرمازا ، دهانه سو پاپ و سوپاپ کنترل بوده است . مایع از طریق این مدار به بالای ستون در فشار psig 20 پمپ می شود . از آنجا که خط بالای ستون پر از مایع است از تفاوت فشار هیدرولیکی بین انتهای ستون و نقطه ورودی به ستون psi 15 بوجود می آید . فشار مکش پمپ در psig IO ثابت است و جریان هدف gpm 500 می باشد که در این جریان افت فشار در بالای دهانه psi 2 و در لوله psi 30 و در سه مبدل گرمایی psi 32 ودر بالای دستگاه گرمازا psi 60 می باشد . مقدار انحناء پمپ صاف بوده و جاذبه آن 1 سات .
Connell به سوپاپ کنترلی را پیشنهاد کرد که افت فشار rei psi در میزان جریان هدف داشته باشد . سیستم مزبور قادر به افزایش جریان تا 120% طرح می باشد.
a) افت فشار را در بالای سو پاپ در حداکثر میزان جریان محاسبه کنید .
b) فشارتخلیه پمپ سو پاپ را محاسبه کنید .
c) میزان باز بودن سو پاپ را محاسبه کنید .
d) اگر جریان برگردان به سوپاپ در باز بودن 10% باشد ، حداقل میزان جریان چقدر است ؟
39-3) سیستم خنک کننده گردش آب برای خنک کردن راکتور شیمیایی به کار میرود وآبی که خنک کننده از طریق مبدل گرمایی وکوئل های خنک کننده درون راکتور پمپ می شود . مقداری از آب در گردش مسیر های فرعی مبدل گرمایی به جریان یافته و آب برج خنک کننده ( سرمایی ) در کناره مبدل به کار می رود تا آب در گردش را خنک نماید . 2 سوپاپ کنترل طرح خطی باید استفاده شو ، سوپاپ 1 در مسیر خطی AC وسو پاپ 2 در خط مبدل گرمایی که AC است هر سو پاپ ورودی خود را از سیگنال Co کنترل گر دمایی تامین می کند . شرایط چرا به این صورت است :
Co دارای مقیاس 75% ،جریان سوپاپ 1 gpm 300 ، جریان سوپاپ 2 gpm 100 ، افت فشار در کوئل psi 20 و افت فشار در مبدل گرمایی psi است پمپ سانتریفاژ دارای انحناء پمپ صاف است . ارگ حداکثر جریان در مبدل گرکایی gpm 300 باشد ، زمانیکه سیگنال Co صفر درصد مقیاس باشد ، ارزش Cv را در دو سوپاپ کنترل و پمپ راسی محاسبه کنید . مقدار جریان درسوپاپ یک اگر سیگنال Co 100% باشد ، چقدر است ؟
30-3 ) تقطیر کننده جاذبه جریانی از قسمت راسی هیدرولیک مایع در مسیر خطی تقطیر برای غلبه بر افت فشار در بالای و پاپ کنترل و تفاوت فشار در بالای ستون تقطیر P1 و فشار قسمت تحتانی دستگاه تقطیر P2 استفاده می کند . تفاوت فشار به علت جریان بخار در دستگاه تقیطر ومسیر بخار است . البته زمانیکه میزان جریان بخار راسی در ستون/min fbm 6/1 14 و افت فشار P2 و P1 2 psi باشد . افت فشار به علت جریان مایع در مسیر باز گشت است که قابل اغماض می باشد و چگالی مایع3 /hr 62/4 fbm می باشد .
a) اگر بخواهیم ارتقاع مایع را در سمیر بازگشت 5ft در شرایط مشخص معلوم کنیم .سوپاپ کنترلی C6 مطلوب است ؟
b) اگر میزان جریان مایع و بخار به/min dfm 208/2 برسد ، زمانیکه سوپاپ کنترل کاملا باز باشد ، ارتفاع مایع در مسیر بازگشت چقدر است ؟
31-3) سیستم کنترل فشار بخار در مسیر فرعی در ستون تقطیر به کار می رود که بخشی از این فشار از راس ستون به سوپاپ کنترل راه یافته و به فضای بخار ودر راس استوانه بازگشتی اضافه می شود ستون مزبور در فشار 7 اتمسفری کار کرده و بخار راسی ، میزان خالص ایزوبوتان است . فشار بخار ایزوبوتان از معادله زیر محاسبه می شود
که در آن p برحسب اتمسفر و T برحسب در جه سلیوس است . از آنجا که جریان موجود در سو پاپ دمایی است بیشتر بخار قسمت راس ستون ، تقطیر شده و در دستگاه تقطیر در می شود. که این مایع سرد شده به قسمت انتهای ستون بازگشتی می رود . انتقال گرمایی بین بخار گرم و تداخل – بخار خنک کننده ( در دمایT ) و بین تداخل مایع – بخار و بازگشت – خنک کننده به مخزن (در دمای TR ) وجود دارد . ضریب فیلم بخار می باشد . ساخت انتقال دما درسطح مایع ft2 72 است و گرمای تبخیر ایزوبوتان Btu/fbm 120 می باشد . سوپاپ کنترل برای درصد باز بودن Io به هنگام تابستان اندازه گیری می شود که دمای مایع خنک شده در مخزن 45 بوده وبا استفاده از فرمول زیر می توان اندازه سوپاپ کنترا را مشخص کرد : فرمول
که در آن F= جریان بخار fb/hr
Pcol = فشار درستون = 7 اتمسفر و
P= فشار در ستون بازگشت = فشاراشباع شده ایزو بوتان در دمای T تداخل بین فاز مایع و بخار می باشد .
a) مقدار Cv سوپاپ کنترل را محاسبه کیند .
b) باز بودن سوپاپ را به هنگام زمستان که دمای بازگشت درآن 15 است محاسبه کنید . فشار ستون در 7 اتمسفر ثابت است .
32-3) ذخیره بخار در استریل کننده از قسمت راسی psia 7/84 بوده که در انتالپی 1/1184 Btu / fb ، بخار آن اشباع می گردد. ودر سوپاپ کنترل جریان یافته به سمت استریل کننده می رود که دمای مطلوب آن 250 است دستگاه تقطیر نوعی گیر بخار دارد و دمای مناسب برای حفظ دمای استریل ، Btu/hr 000/200 است . سوپاپ کنترل باید در شرایط 25% باز بماند وکنترل گر فشار برای کنترل فشار در استیرل کننده بکار رفته ئ فرستنده فشار دارای گستره 0-75 psig می باشد . تمام تنظیمات بصورت الکترونیک یا گستره سیگنال 4 تا MA20 انجام می شود . معادله جریان بخار در سوپاپ کنترل وقتی که فشار راسی بیش از 2 برابر فشار قسمت تحتانی باشد .
که درآن Fs = میزان جریان بخار ،lb/hr
Ps = فشار قسمت بالایی ، pisg است .
a) آیا سوپاپ کنترل بخار باید AC یا AC باشد ؟
b) تعداد دCv را سوپاپ کنترل محاسبه کنید .
c) سیگنال Pv را از فسرتنده فشار و سیگنال CO را از کنترل گر فشار تحت شرایط ثابت ، محاسبه کنید .
d) اگر باند متناسب کنترل گر 75 و فاشر در استریل کننده و سریعا به psi 5 تنزیل یابد ، در آنصورت تعداد فوری میزان خروجی کنترل گر و مقدار جدید جریان بخار را محاسبه کنید .
33-3) پمپ سانتریفوژ و سیستم سوپاپ کنترل را به گونه ای طراحی کنید که حداکثر جریان gpm 75 و حداقل آن gpm 25 به ترتیب در باز بودن 100% و Io حاصل شود. مایع از مخزن پمپ می شود که فشار آن بین 50 تا psia 75 است مواد پمپ شده در مبدل گرمایی ( که افت فشار psia 30 در pgm 50 دارد ) و سوپاپ کنترل به مخزنی می رود که فشار آن بین 250 تا psi300 است فرض کنید انحنا پمپ صاف می باشد .
فهرست مطالب
1 . 3 – ابزارهای کنترلی 1
1-1-3 سنسورها 4
2-1-3 فرستنده ها 7
4-1-3 کنترل گر های آنالوگی و دیجیتالی 15
کنترل گرهای تجاری 19
1-3 ابزار های محاسبه ای و استدلالی 19
3- عملکرد کنترل گر های باز خورد 19
2-3 ویژگیهای واکنش مدار بسته 19
2-2-3 عملکرد باردهی 20
3-3 تنظیم کنترل گر 24
1-3-3 قانون مبتنی بر تجربه 25
2-3-3 روش آزمون و خطای آن لاین 28
3-3-3 روش Iiegler – Nchals 29
4-3-3 روش Tyreus -Luyben 31
4/3 – نتیجه گیری 31