کنترل سیستمها واتوماسیون وصنایع )بلوز و کبسول (
مقدمه
کنترل سیستمها واتوماسیون وصنایع از قرن نوزدهم میلادی مورد توجه قرار گرفته است وبا رشد کمی وکیفی صنایع مختلف از سالهای 1950 به بعد رشد وبیشرفت چشمگیری داشته است.
آشنایی با سیستمهای کنترل
کنترل به بیان ساده عبارت است از هدایت یک فرآیند در جهت رسیدن به نقطه مطلوب و مورد نظر . بنابراین هدف از یک سیستم کنترل برقراری موازنه بین کمیت مطلوب و کمیت واقعی در یک دوره مشخص زمانی می باشد. امروزه صنایع مختلف به منظور تولید بهینه و حفظ ایمنی نیازمند سیستمهای کنترل می باشند . در صنعت اصولا چهار عامل اساسی وجود دارند که اندازه گیری و کنترل آنها مورد نظر است . این عوامل عبارتند از:
1- فشار Pressure 2- ارتفاع سطح مایعات Level 3-جریان Flow
4- حرارت Temperature
عوامل دیگر از قبیل رطوبت ، غلظت و امثال اینها به هر حال تابعی از این چهار عامل اصلی اند.
انواع کنترل :
1- کنترل به وسیله دست انسان (Hand Control)
2- کنترل خودکار (Automatic Control)
کنترل دستی :
در این حالت کنترل مستقیما به وسیله دست انسان صورت می گیرد. این نوع کنترل ساده است ولی به علل مختلف چندان مفید نیست .
کنترل خودکار :
در این نوع کنترل یک دستگاه خودکار به نام کنترل کننده کار نظارت و کنترل را به عهده دارد . کنترل خودکار با این که گران تمام می شود ولی از نظر راندمان و نحوه انجام کار بسیار مفید است.
مقایسه کنترل خودکار و غیر خودکار :
1- در کنترل غیر خودکار مخارج اولیه تاسیسات دستگاههای کنترل بسیار کمتر و ارزانتر از کنترل خودکار است .
2- مخارج تعمیرات دستگاههای غیر خودکار بسیار کمتر از کنترل خودکار است .
3- نوع کنترل و طرز کار با دستگاههای غیر خودکار در بسیاری از موارد بسیار آسانتر است.
4- تعداد کارکنان یک کارخانه غیراتوماتیک خیلی زیادتر از یک کارخانه اتوماتیک است. بنابراین هزینه نگهداری دائم افراد قابل مقایسه با مخارج اولیه تاسیسات دستگاههای اتوماتیک نیست.
5- کنترل با دست چندان قابل اعتماد نیست و بستگی به افراد مختلف دارد.
6- در کارخانه های تولیدی ، تولید کارخانه اتوماتیک بسیار مرغوبتر از تولید در کارخانه غیر اتوماتیک است.
8- نوسانات در سیستم غیر اتوماتیک به دلیل تاخیر در عملیات زیاد است.
7- تعداد افراد کارخانه اتوماتیک بسیار کمتر ولی باید در سطح عالیتر باشند ، چون دستگاهها پیچیده ترند.
به طور کلی منظور از کنترل اتوماتیک در هر سیستم ، پایداری و یکنواختی ، دقت و سرعت انجام کار است.
کنترل کننده خودکار :
دستگاهی است که به وسیله آن کمیتهای خواسته شده و اندازه گیری شده با هم مقایسه شده و توسط آن اختلاف بین این دو کمیت کم شده یا از بین می رود . که این عمل را با فرستادن فرمانی به دستگاه تنظیم کننده جریان انجام می دهد.
دستگاه کنترل کننده خودکار شامل دستگاه اندازه گیری ، مقایسه و کنترل است .
سیستمهای کنترل به دو دسته تقسیم می شوند :
1- سیستم کنترل حلقه باز (Open Loop)
2- سیستم کنترل حلقه بسته ((Close Loop (
1- کنترل مدار باز : در کنترل مدار باز هر قسمت بدون در نظر داشتن چگونگی قسمتهای دیگر به تنهایی کار خود را انجام می دهد . یعنی به طور کلی اطلاعات بین قسمتهای خروجی و ورودی رد وبدل نمی شود. کنترل مدار باز چندان مورد استفاده قرار نمی گیرد ولی به هر حال همیشه نامناسب نیست مثلا در ماشین لباسشوئی کنترل به طور خودکار طی برنامه ای تنظیم شده صورت می گیرد و هر قسمت به تنهایی و بدون در نظر داشتن کیفیت قسمتهای دیگر کارش را انجام می دهد.
2- کنترل مدار بسته : در کنترل مدار بسته هر قسمت با در نظر گرفتن قسمت قبل و یا بعد از خود کارش را انجام می دهد. یعنی اطلاعات مرتبا از قسمتی از مدار به قسمت و یا قسمتهای دیگر مبادله می شود.
مدار پسخورد یا فیدبک :
اصطلاح فیدبک به معنی پس خوراندن وبرگشت دادن است که همین منظور هم در کنترل از آن استنباط می شود. یعنی اطلاعات از شبکه خروجی دستگاه به شبکه ورودی داده می شود. بدین معنی که از شبکه خروجی دستگاه (Output) شاخه ای گرفته و به شبکه ورودی (Input) وصل می کنیم و به این ترتیب بازده دستگاه به قسمت ورودی پس خورانده می شود که اصطلاحا می گوئیم از Output به Input فیدبک شده است.
یکی از عوامل مهم در کنترل یکنواختی و پایداری کنترل می باشد که نتیجه آن مرغوبیت در تولید و کیفیت کنترل است و این خود به خود عملی نیست مگر اینکه فیدبک در سیستم وجود داشته باشد. در سیستم بدون فیدبک کوچکترین تغییر در فرمان ورودی دستگاه باعث می شود که بازده دستگاه را حداکثر تغییر دهد و چون بعد از تغییر بازده دوباره فرمان ورودی تغییر می کند بنابراین این بار نیز بازده حداکثر ولی در جهت عکس حالت قبل تغییر خواهد کرد و این عمل مرتبا تکرار خواهد شد وخلاصه این که در یک سیستم کنترل دقیق چنین کنترلی مطلوب نمی باشد.
یک حلقه کنترل دارای اجزای زیر می باشد :
متغیر مورد کنترل : عاملی که در فرآیند مورد کنترل قرار می گیرد مانند دما و فشار.
عامل اندازه گیری : که مقدار واقعی کمیت مورد نظر را اندازه گیری می کند .
کنترلر : که در حقیقت مغز یک حلقه کنترل بوده و وظیفه مقایسه کمیت مطلوب و واقعی و دادن فرامین به وسایل کنترل نهائی برای حذف خطا به عهده آنها می باشد.
انتقال دهنده ها یا ترانسمیترها : وظیفه انتقال اطلاعات در یک حلقه کنترلی به عهده آنها می باشد.
وسایل کنترل نهائی : انجام فرامین کنترلر بر عهده آنها می باشد مانند شیرهای کنترل .
اعمال زیر از ضروریات و اساس کار یک سیستم کنترل است.
کار اساسی کنترل :
1- اندازه گیری Measurement
2- مقایسه Comparison
3- محاسبه Compotation
4- تنظیم و رفع خطا Correction
در کنترل کننده اندازه گیری به وسیله عامل اندازه گیری صورت گرفته و آنچه که اندازه گیری شده (M.V) با مقدار خواسته شده (P.V) مقایسه و بر مبنای اختلاف بین این دو فرمانی صادر وبه دستگاه تنظیم کننده که کارش بر طرف کردن خطا و اختلاف است صادر می شود و این دستگاه موقعیت جدید خود را تثبیت می کند.
کنترلرها به دو حالت مستقیم (Direct) و معکوس (Reverse) عمل می کنند . در حالت مستقیم وقتی کنترلر افزایش سیگنال از ورودی را دریافت می کند خروجی را افزایش می دهد ولی در حالت عکس ، افزایش سیگنال ورودی باعث کاهش خروجی کنترلر می شود
الف – اندازه گیرها (Sensors-Measuring Derices
کنترل دقیق یک سیستم بستگی تام به دقت اندازه گیری وارسال ان به کنترل کننده دارد.انذازه گیرها بر حسب کمیت مورد اندازه گیری دارای اصول وساختمانهای متفاوتی هستند . 1-دماسنج ها 2-فشارسنج ها 3-اندازه گیرهای جریان سیال 4- اندازه گیرهای سطح مایع
در اینجا مختصرا به فشار سنج ها اشاره می شود: اندازه گیری وانتقال فشار در سیستمهای کنترل با هوای فشرده رایج ترین اندازه گیریها میباشد. بلوز- کبسول – لوله بوردون ودیافراگمها از انواع متداول این اندازه گیرها هستند.
بلوز:(Belows)
بلوز یا فانوسی که بیشتر در کنترلرها و ترانسمیترها کاربرد دارد و در اشکال گوناگون ساخته می شود ومعمولا برای فشار 15 Psiبه کار می رود جنس ان اغلب از الیاز های فسفر –برنز ، برلیوم-مس ، مس- روی ، فولاد زنگ نزن ، لاستیک ودیگر مواد انعطاف بذیر تشکیل میشود انتخاب جنس فلز بستگی به رنج اندازه گیری وماده در تماس با انها دارد .معمولا رنج کاری انها بایین بوده و از چند Psiتجاوزنمیکند . به علت انعطاف بذیری ان با افزایش وکاهش فشار ورودی به دستگاه دچار انبساط وانقباض طولی شده وبا استفاده از مکانیزمهای مناسب ازاین تغییر طول استفاده میشود ، دیواره جانبی انها مانند فنر حلقه حلقه بوده وفضای داخلی ان بسته وبدون درز میباشد.افزایش قطر بلوزها سبب میشود تا با انها بتوان فشار های خیلی کم را نیز اندازه گیری نمود.
شکل هایى از بلوز
دیافراگم : (Diaphragm)
دیافراگمها اغلب به شکل دایره وبا سطح صاف که در داخل محفظه ای محکم قرارگرفته است وجود دارد. وقتی فشار وارد این محفظه می شود دیافراگم از یک طرف کشیده شده ومرکزش حرکتی بیشتر از سایر نقاط ان انجام می دهد .حال اگر حرکت ایجاد شده را توسط مکانیزمی به یک عقربه که در مقابل ان صفحه مدرجی قرار گرفته است منتقل کنیم میتوان فشار وارد بر دیافراگم را اندازه گرفت .جنس دیافراگم باید دارای خاصیت ارتجاعی خوب بوده وسریع تغییر شکل دهد .
همچنین در مقابل درجه حرارت تغییرطول چندانی نکند ومقاومت ان در مقابل خوردگی مناسب باشد.فلزات مختلفی را میتوان به این منظورانتخاب کرد ولی معمولا جنس انها بیشتر ازبرنج ، فسفر-برنز، برلیوم- مس ،فولاد ضد زنگ می باشد اختلاف فشار بین دو نقطه را می توان با انتقال این دو فشار در دو طرف یک دیافراکم فلزى اندازه کیرى نمود این دیافراکم یا صفحه فلزى حساس به سمتى که داراى فشار کمترى است انحنا یافته این انحنا و فشار ناشى از ان توسط صفحات خازنى حساس احساس شده وعلایمى متناسب با ان ارسال مى کردد
ساختمان کلی از مجموعه دیافراگم
کپسول (Capsul)
دیافراگم تنها دارای حرکتی اندک در مقابل فشاروارد به آن میباشد ،همین حرکت میزان دامنه تغییرات یک دستگاه را مشخص می کند برای جبران کمی حرکت دیافراگم،دو دیافراگم را به صورت جوش یا لحیم به یکدیگر اتصال می دهند به طوریکه فضای بین ان دو خالی بماند ،این وسیله را کبسول می نامند . در این صورت مقدارحرکت نسبت به یک دیافراگم مشابه دو برابر می گردد که در دستگاه دی بی سل (اختلاف فشارسنج ) از آنها استفاده می شود که یکی از موارد کاربرد آنها در اوریفیس مترها میباشد . برای بیشتر کردن مقدار حرکت میتوان چند کبسول را به یکدیگر متصل نمود که در این صورت وسیله ای به نام ذیافراگم استاک خواهیم داشت در این وسیله میتوان دو فشاردر خارج و داخل وسیله وارد کرد که در این صورت مقدار حرکت دیافراگم فوقانی متناسب با اختلاف فشار خارج وداخل است.
کاربرد کپسول
یکی از موارد کاربرد کپسول ها در اوریفیس متر ها می باشد برای اندازه گیری مطلق و نهایی اغلب از کپسول های فشار جوش داده شده با دیافراگم هایی مختلف که ممکن است شکل این دیافراگم ها صاف، چین دار، لوله ی صاف شده و همچنین به شکل کپسول باشند استفاده می شوند.
مجموعه ای اکپسول های فشار با دیافراگم های چین دار در یک فشار سنج انروئید
نوع دوم دستگاه فشار سنج انروئید از یک پوشش انعطاف پذیر استفاده می کنند که مناطق مختلف فشار را جدا سازی می کند به طوری که فشار با استفاده از مدرج سازی قابل اندازه گیری می شود تغییر شکل یک دیافراگم وابسته به تفاوت در فشار در میان دو طرف است که میزان تغییر شکل با استفاده از تکنیک های مکانیکی، نوری یا ظرفیتی مشخص می شود در این روش ممکن است دیافراگم های سرامیکی و هم فلزی مورد استفاده قرار گیرد.
مبدل ها (Transducers)
به طور کلى مبدل شامل یک عنصراندازه کیربه همراه یک جز حرکت کننده می باشد. این مبدلها مقدار کمیت اندازه کیری شده در فرایند توسط اندازه کیر(جریان-فشار …) را تبدیل به علایمى مى کند که آن را بتوان مستقیمابه کنترل کننده ارسال داشت. جون در فرایندها معمولا کنترل کننده ها در اتاق کنترل قرار دارندو اتاقهاى کنترل در مکانى دور از فرایند مىباشد وجود انتقال دهنده ضرورى است. در سیستمهاى کنترل با هواى فشرده انتقال دهنده فشار هوایى متناسب با مقدار کمیت اندازه کیری شده ایجاد و ارسال مى نماید محدوده این فشار بین 3 تا 15 Psi است جهت درک بهتر از مفهوم و عملکرد انتقال دهنده به سیستم انتقا ل دهنده فشار جهت اندازه کیری فشار یک مخزن توسط بلوز به شکل زیر توجه فرمایید فشار فرایندی که باید اندازه کیری شود سبب انبساط بلوزA ودرنتیجه حرکت تیغه حول تکیه کاه F میکردد طرف دیکر تیغه به روزنه نزدیک کشته و سبب بالا رفتن فشاردرروزنه کشته این افزایش فشاربلوزAرا منبسط کرده و سبب بایین آوردن تیغه میکردد در نتیجه موازنه کشتاور در تیغه ایجاد میشود این توازن کشتاور در میله توسط تغییر حرکت بسیار کوجک تیغه مقابل روزنه انجام میشود تغییر فاصله جند هزارم سانتیمتر میله مقابل روزنه کافى است تا تغییر فشار زیادی از 2-1 Psig الی حداکثر فشار هوای فشرده (AP) روزنه به وجود اید
اگر طول تیغه خیلی بلند باشد وروزنه در چند سانتیمتری تکیه گاه باشد توازن گشتاور در میله تقریبا بدون حرکت تیغه (حرکت بسیار بسیار اندک )انجام بذیر است . بس به ازای هر فشاری در بلوز Aفشاری در نقطه M ظاهر خواهد شد که این فشار می تواند از طریق لوله به فاصله ای دورتر (اتاق کنترل)فرستاده شود
با تشکر از شما