دانلود تحقیق سیستمهای کنترلی و سخت افزاری مرسوم

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.

سؤالهای 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 .

FIGURE    3.2

Manual/automatic  switching

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.

نشان دادن مقدار متغیر کنترل شده (سیگنال ) از ترانسیمتر (PV )

نشان دادن تعداد سیگنال فرستاده شده به شیر (خروجی کنترلر) (CO)

نشان دادن سیگنال مقدار مقرر (SP)

داشتن یک انتخاب دستی اتوماتیک آبشاری (Cas code)

داشتن دستگیره برای تنظیم مقدار مقرر

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.

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 , , 1970 ; and Measurment fundamentals by R.L .

Moore Instrument society of , 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 مستقیمأ به سطح مایع در مخزن متصل می شود .

در طرح قبلی ، فرآیند مایع و بخار ، مستقیمأ 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 کاملأ 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 سریعأ 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 ، معمولأ 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 ، غالبأ 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 معمولأ 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 تأثیر متغییر قابل تنظیم ایمنی فرایند می باشد .

برای مثال اگر سوپاپ در رابطه با کنترل بخار یا گاز باشد ، باید جریان سریعأ 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 کاملأ پایین آمده و اگر میله تا آخر بالا رود ، کاملأ 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 کاملأ 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