شیر کنترل، دست اجرایی حلقهٔ کنترل است. سنسور و کنترلر هرقدر هم دقیق باشند، اگر شیر بد انتخاب شده باشد فرایند پایدار نمیشود. جالب اینکه رایجترین اشتباه، انتخاب شیر بزرگتر از نیاز است — کاری که در ظاهر محافظهکارانه به نظر میرسد اما در عمل کنترل را خراب میکند.
Cv و Kv یعنی چه؟
ظرفیت عبور شیر با ضریب Cv بیان میشود: مقدار آبی که در اختلاف فشار مشخص از شیر کاملاً باز عبور میکند. رابطهٔ سادهٔ آن برای مایعات:
Cv = Q × √(SG ÷ ΔP)
که در آن Q دبی، SG وزن مخصوص نسبی و ΔP افت فشار روی شیر است. معادل متریک آن Kv نام دارد و تقریباً Cv برابر ۱٫۱۶ برابر Kv است. نکتهٔ کلیدی این است که افت فشار روی شیر هدررفت نیست، ابزار کنترل است؛ شیر با ایجاد افت فشار، دبی را تنظیم میکند.
چرا شیر بزرگ بد است؟
اگر Cv شیر چند برابر نیاز باشد، شیر همیشه در ۱۰ تا ۲۰ درصد ابتدای کورس کار میکند. نتیجه:
- رزولوشن کم: کوچکترین حرکت پلاگ، جهش بزرگی در دبی میدهد و حلقه نوسان میکند.
- سایش سریع: در بازشدگی کم، سرعت سیال در گلوگاه بسیار زیاد است و تریم را میساید.
- نشتی و ناپایداری نزدیک به نشیمنگاه.
قاعدهٔ عملی: شیر باید در دبی نرمال حدود ۵۰ تا ۷۰ درصد بازشدگی کار کند و در حداکثر دبی هم کاملاً باز نشود. تقریباً همیشه شیر کنترل یک یا دو سایز کوچکتر از لولهٔ خط انتخاب میشود.
مشخصهٔ ذاتی شیر: خطی یا درصد مساوی؟
- خطی: تغییر دبی متناسب با تغییر کورس. وقتی افت فشار روی شیر تقریباً ثابت است مناسب است.
- درصد مساوی: در ابتدای کورس تغییر کم و در انتها تغییر زیاد. متداولترین انتخاب در سیستمهای پمپاژ، چون با افزایش دبی، افت فشار مدار زیاد و سهم شیر کم میشود و این مشخصه آن اثر را جبران میکند.
- بازشدن سریع: بیشتر دبی در ابتدای کورس. برای کاربردهای روشن و خاموش و حفاظتی استفاده میشود، نه کنترل پیوسته.
اتوریتی شیر
سهم افت فشار شیر از کل افت فشار مدار را اتوریتی میگویند. اگر این نسبت خیلی کم باشد (مثلاً زیر ۰٫۲۵)، مشخصهٔ مؤثر شیر تخت میشود و شیر عملاً فقط در بخش کوچکی از کورس کنترل میکند. پس در طراحی باید سهمی معقول از افت فشار برای شیر کنار گذاشت.
کاویتاسیون و فلاشینگ
در گلوگاه شیر، سرعت زیاد و فشار موضعی کم میشود. اگر فشار به زیر فشار بخار سیال برسد، حباب بخار تشکیل میشود و سپس با بازیابی فشار در پاییندست با شدت میترکد. این پدیده صدای شنریزه میدهد، تریم و بدنه را میخورد و میتواند در چند ماه شیر را از کار بیندازد. اگر فشار پاییندست هم زیر فشار بخار بماند، حباب باقی میماند و پدیده به فلاشینگ تبدیل میشود.
راهحلها: تقسیم افت فشار در چند مرحله با تریم چندمرحلهای، نصب شیر در نقطهای با فشار استاتیک بالاتر، یا استفاده از جنسهای سختتر برای تریم. راهنمای انتخاب جنس در این مقاله آمده است.
اکچویتور و حالت ایمن
اکچویتور پنوماتیک دیافراگمی رایجترین گزینه است. مهمترین تصمیم طراحی، حالت ایمن هنگام قطع هوا است: شیر باید بسته شود یا باز بماند؟ پاسخ از تحلیل ایمنی فرایند میآید، نه از عادت. در خط سوخت مشعل معمولاً بستهشدن و در خط خنککاری معمولاً بازماندن ایمنتر است.
کیفیت هوای ابزار دقیق مستقیماً روی عمر اکچویتور و پوزیشنر اثر دارد؛ استفاده از فیلتر رگلاتور مانند فیلتر رگلاتور هوا SMC IW215-02 یک الزام است نه لوکس. برای فرمان هوا هم از شیر برقی استفاده میشود؛ جزئیات در مقالهٔ شیر برقی.
پوزیشنر: بدون آن دقت نخواهید داشت
پوزیشنر موقعیت واقعی ساقه را با فرمان مقایسه میکند و اصطکاک پکینگ، نیروی سیال و هیسترزیس را جبران میکند. در شیرهای کنترل پیوسته، نصب پوزیشنر تقریباً همیشه توجیه دارد. نمونهٔ متداول پوزیشنر ولو زیمنس است و جزئیات تنظیم را در مقالهٔ پوزیشنر ولو نوشتهایم. ملاحظات سیگنال در مقالهٔ ۴ تا ۲۰ میلیآمپر و HART آمده است.
اطلاعات لازم برای سایزینگ
| پارامتر | چرا لازم است |
|---|---|
| دبی حداقل، نرمال و حداکثر | تعیین Cv و رنجپذیری |
| فشار ورودی و خروجی در هر سه حالت | محاسبه افت فشار و بررسی کاویتاسیون |
| دما و فشار بخار سیال | ریسک کاویتاسیون و انتخاب جنس |
| چگالی و ویسکوزیته | تصحیح محاسبه |
| قطر و کلاس لوله | انتخاب اتصال؛ راهنمای اتصال فرایندی |
| حالت ایمن موردنیاز | انتخاب اکچویتور |
اگر برای اندازهگیری دبی همین خط هم تجهیز لازم دارید، راهنمای انتخاب فلومتر و اندازهگیری دبی با اختلاف فشار را ببینید. برای سایزینگ و انتخاب شیر کنترل، شرایط فرایند خود را برای کارشناسان فن کنترل بفرستید.
در یک حلقهٔ کنترل، اتاق کنترل فرمان میدهد «ولو ۴۰ درصد باز باشد». اما آیا واقعاً ۴۰ درصد باز میشود؟ بدون پوزیشنر، پاسخ اغلب منفی است — و همین اختلاف کوچک، عامل نوسان بسیاری از حلقههای کنترلی است که مهندسان ساعتها دنبال تنظیم PID آنها میگردند.
چرا ولو سر جای فرمان نمیایستد؟
اکچویتور پنوماتیک ساده یعنی تعادل بین فشار هوا روی دیافراگم و نیروی فنر. اما در عمل چند نیروی دیگر هم وارد میشوند: اصطکاک پکینگ ساقه، نیروی سیال که به پلاگ فشار میآورد و در فشارهای بالا قابل توجه است، و هیسترزیس — یعنی ولو در حالت باز شدن و بسته شدن، برای یک سیگنال یکسان در دو جای متفاوت میایستد.
مفهوم هیسترزیس را قبلاً در این مقاله توضیح دادهایم؛ در کنترل ولو، همین پدیده باعث میشود تغییرات کوچک سیگنال اصلاً به حرکت منجر نشود (باند مرده) و حلقه شروع به نوسان کند.
پوزیشنر: یک حلقهٔ کنترل کوچک روی خود ولو
پوزیشنر سیگنال 4-20mA کنترلر را میگیرد، موقعیت واقعی ساقه را با یک بازوی فیدبک اندازه میگیرد و اختلاف را میسنجد. اگر ولو عقب باشد، هوای بیشتری به اکچویتور میدهد و اگر جلو زده باشد، تخلیه میکند — تا وقتی موقعیت واقعی با فرمان یکی شود. یعنی مسئولیت رسیدن به نقطهٔ درست، از دوش کنترلر برداشته و به خود ولو سپرده میشود.
سه دستاورد فوری: حذف تقریبی اثر اصطکاک و نیروی سیال، پاسخ سریعتر (چون پوزیشنر میتواند حجم هوای بیشتری را سریع جابهجا کند) و امکان تغییر مشخصهٔ ولو بدون تعویض قطعات مکانیکی. نمونهٔ موجود: پوزیشنر ولو زیمنس.
پوزیشنر یا شیر برقی؟ دو کار متفاوت
این دو را نباید با هم اشتباه گرفت. شیر برقی (سلنوئید ولو) فقط دو حالت دارد: باز یا بسته — برای قطع و وصل و توابع ایمنی. پوزیشنر برای کنترل پیوستهی درصد باز شدن است. در بسیاری از سیستمها هر دو کنار هم نصب میشوند: پوزیشنر برای کنترل عادی و یک شیر برقی ضدانفجار مکسیل برای بستن اضطراری در مسیر ESD.
هوای ابزار دقیق: شرط بقای هر دو
پوزیشنر و شیر برقی، هر دو به هوای تمیز، خشک و با فشار پایدار نیاز دارند. رطوبت و ذرات روغن، شیپورهٔ باریک پوزیشنر را میگیرند و در سرما یخ میزنند — رایجترین علت خرابی این تجهیزات. یک فیلتر رگلاتور SMC مدل IW215-02 پای هر ولو، ارزانترین بیمهنامهٔ ممکن است.
چهار نکتهٔ راهاندازی
- کالیبراسیون خودکار (Auto-Setup) را اجرا کنید: پوزیشنرهای دیجیتال خودشان کورس کامل ولو و نقاط انتهایی را پیدا میکنند.
- بازوی فیدبک را درست تنظیم کنید: زاویهٔ اشتباه یعنی خطای غیرخطی در تمام محدوده.
- وضعیت ایمن هنگام قطع هوا یا سیگنال (باز یا بسته) را متناسب با فرایند انتخاب کنید.
- از دادههای تشخیصی استفاده کنید: پوزیشنرهای هوشمند تعداد حرکات و اصطکاک ساقه را ثبت میکنند و میتوانند قبل از خرابی، نیاز به سرویس پکینگ را اعلام کنند.
برای انتخاب پوزیشنر متناسب با اکچویتور و نوع ولو، مشخصات ولو و رنج فشار هوا را بفرستید: 021-88850346 و 021-88658508.
