اختيار وانتقاء أنظمة التحكم

سيركز هذا الدرس على الخيارات المتاحة للتحكم الآلي (مثل التحكم الذاتي أو الهوائي أو الكهربائي) والقرارات التي يجب اتخاذها قبل الانتقاء. تُقدَّم إرشادات بناءً على ثلاثة اعتبارات مهمة هي السلامة والاستقرار والدقة.

ستركز هذه الوحدة على الخيارات المتاحة للتحكم الآلي والقرارات التي يجب اتخاذها قبل الانتقاء. تُقدَّم إرشادات هنا بدلاً من مجموعة من القواعد، لأن القرارات الفعلية ستعتمد على عوامل متفاوتة؛ بعضها، مثل التكلفة والتفضيلات الشخصية والاتجاهات الحالية، لا يمكن تضمينه هنا.

التطبيق

من المهم التأمل في المعايير الأساسية الثلاثة التي نوقشت في بداية الوحدة 5.1: السلامة والاستقرار والدقة. لانتقاء صمام التحكم الصحيح، يلزم معرفة تفاصيل التطبيق والعملية نفسها. على سبيل المثال:

• هل تتضمن أي ميزات أمان؟ مثلاً، هل يجب أن يفتح الصمام أم يُغلق عند انقطاع الكهرباء؟ هل يتطلب تحكم منفصل للحد الأعلى والحد الأدنى؟
• ما الخاصية المراد التحكم فيها؟ مثلاً، درجة الحرارة، الضغط، مستوى السوائل، التدفق؟
• ما الوسط وخصائصه الفيزيائية. ما معدل التدفق؟
• ما فرق الضغط عبر صمام التحكم عبر نطاق الحمل؟
• ما مواد الصمام ووصلات الأطراف؟
• ما نوع العملية المتحكَّم بها؟ مثلاً، مبادل حراري يُستخدم لأغراض التدفئة أو العمليات؟
• للتحكم في درجة الحرارة، هل درجة حرارة الضبط ثابتة أم متغيرة؟
• هل الحمل ثابت أم متغير، وإذا كان متغيراً، ما المدة الزمنية للتغير، سريع أم بطيء؟
• ما مدى حساسية درجة الحرارة المطلوب الحفاظ عليها؟
• هل يتطلب تحكماً بحلقة واحدة أم حلقات متعددة؟
• ما الوظائف الأخرى (إن وجدت) التي سيؤديها التحكم؟ مثلاً، التحكم العادي في درجة حرارة نظام التدفئة، مع حماية إضافية من الصقيع خلال فترات ‘الإيقاف’؟
• هل المنشأة أو العملية في منطقة خطرة؟
• هل الجو أو البيئة مُآكلاً بطبيعته أو سيتم تركيب الصمام خارجياً أو في منطقة ‘متسخة’؟
• ما القوة الدافعة المتاحة، مثل الكهرباء أو الهواء المضغوط، وبأي جهد وضغط؟

القوة الدافعة

هذه هي مصدر الطاقة لتشغيل التحكم وتحريك الصمام أو الجهاز المتحكَّم به الآخر. تكون عادة الكهرباء أو الهواء المضغوط للأنظمة الهوائية أو مزيج منهما للأنظمة الكهربائية الهوائية. لا تتطلب أنظمة التحكم الذاتية شكلاً خارجياً من الطاقة للتشغيل؛ فهي تُولِّد طاقتها الخاصة من نظام هيدروليكي أو ضغط بخار مُغلق. إلى حد ما، قد تُحدد تفاصيل التطبيق نفسها خيار طاقة التحكم. على سبيل المثال، إذا كان التحكم في منطقة خطرة، قد تكون الضوابط الهوائية أو الذاتية مفضلة على الضوابط الكهربائية/الإلكترونية الآمنة الجوهرية المكلفة أو المقاومة للانفجار. تُسرد الميزات التالية بوصفها تعليقاً عاماً على خيارات مصادر الطاقة المختلفة:

التحكم الذاتي

المزايا:

• متين، بسيط، يتحمل البيئات ‘غير الودية’.
• سهل التركيب والتشغيل.
• يوفر تحكماً تناسبياً مع قابلية تحويل نطاق عالية جداً.
• يمكن الحصول على تحكمات تفتح أو تُغلق عند حدوث تجاوز غير مقبول في درجة الحرارة.
• آمنة في المناطق الخطرة.
• لا تتطلب صيانة بشكل نسبي. العيوب:
• يمكن أن تكون التحكمات الذاتية لدرجة الحرارة بطيئة نسبياً في الاستجابة، ولا يمكن توفير وظائف التحكم التكاملي والتفاضلي.
• لا يمكن إعادة إرسال البيانات.

التحكم الهوائي

المزايا:

• متينة.
• تعمل بسرعة كبيرة، مما يجعلها مناسبة للعمليات التي تتغير فيها متغيرات العملية بسرعة.
• يمكن للمُدارات توفير قوة إغلاق أو فتح عالية لتشغيل الصمامات ضد فروق ضغط عالية.
• يضمن استخدام محددات موقع الصمام تحكماً دقيقاً ومتكرراً.
• الضوابط الهوائية البحتة آمنة بطبيعتها وتوفّر المُدارات عملاً سلساً.
• يمكن ترتيبها لتوفير تشغيل يفتح عند الفشل أو يُغلق عند الفشل دون تكلفة إضافية أو صعوبة. العيوب:
• نظام الهواء المضغوط الضروري قد يكون مكلف التركيب، إذا لم يكن هناك مخزون موجود مسبقاً.
• قد تتطلب صيانة منتظمة لنظام الهواء المضغوط.
• نمط التحكم الأساسي هو تشغيل/إيقاف أو تناسبي، على الرغم من أن تركيبات P+I و P+I+D متوفرة، ولكن عادةً بتكلفة أكبر من نظام تحكم إلكتروني مماثل.
• التركيب والتشغيل مباشرة وذات طبيعة ميكانيكية.

التحكم الكهربائي

المزايا:

• تحديد موضع عالي الدقة.
• متوفرة مُتحكِّمات توفر تنوعاً عالياً مع نمط تحكم تشغيل/إيقاف أو P+I+D، ومخرجات متعددة الوظائف. العيوب:
• تعمل الصمامات الكهربائية ببطء نسبي، مما يعني أنها ليست دائماً مناسبة لمتغيرات العملية المتغيرة بسرعة مثل التحكم في الضغط على الأحمال التي تتغير بسرعة.
• يتطلب التركيب والتشغيل مهنيَي كهرباء وميكانيكا ويجب أخذ تكلفة التوصيلات وتركيب مصدر طاقة منفصل في الاعتبار.
• تميل المُدارات الكهربائية إلى أن تكون أقل سلاسة من نظيراتها الهوائية. تتطلب المُدارات ذات العودة الزنبركية لوظائف الفتح عند الفشل أو الإغلاق عند الفشل: يمكن أن يُقلل هذا بشكل كبير من قوة الإغلاق المتاحة وعادةً تكلف أكثر.
• تتطلب ضوابط كهربائية آمنة جوهرياً أو مقاومة للانفجار للاستخدام في المناطق الخطرة؛ وهي مسألة مكلفة، وكذا قد يتطلب حلاً كهربائياً هوائياً كما هو موضح أدناه. تتطلب تقنيات تركيب خاصة لهذه الأنواع من المناطق الخطرة.

التحكم الكهربائي الهوائي

المزايا:

• يمكن للضوابط الكهربائية الهوائية الجمع بين أفضل ميزات الضوابط الإلكترونية والهوائية. يمكن أن تتكون هذه الأنظمة من صمامات مُدارة هوائياً، ومُتحكِّمات/أنظمة تحكم كهربائية/إلكترونية وحساسات، فضلاً عن محددات موقع أو محوّلات كهربائية هوائية. يوفر هذا المزيج قوة وتشغيل سلس لمُدار/صمام هوائي مع سرعة ودقة نظام تحكم إلكتروني. يمكن توفير تشغيل يفتح عند الفشل أو يُغلق عند الفشل دون عقوبة تكلفة، وعن طريق استخدام حواجز مناسبة و/أو تقييد الجزء الكهربائي/الإلكتروني من نظام التحكم في مناطق ‘آمنة’ (غير خطرة)، يمكن استخدامها حيث تكون السلامة الجوهرية مطلوبة. العيوب:
• تتطلب إمدادات كهربائية وهواء مضغوط، على الرغم من أن هذا ليس عادةً مشكلة في بيئات المعالجة الصناعية. هناك ثلاثة عوامل مهمة يجب أخذها في الاعتبار عند النظر في التطبيق ومصدر الطاقة المطلوب:
• التغيرات في الحمل.
• ما إذا كانت القيمة المُعيَّنة حرجة أم غير حرجة.
• ما إذا كان يجب تغيير القيمة المُعيَّنة. تساعد الرسوم البيانية في الشكل 5.4.1 و 5.4.2 في الشرح.

ما نوع الضوابط التي يجب تركيبها؟

قد تتطلب تطبيقات مختلفة أنواعاً مختلفة من أنظمة التحكم. يمكن استخدام الضوابط الذاتية والهوائية إذا كانت تغيرات الحمل بطيئة نسبياً وإذا كان يمكن قبول الإزاحة، وإلا يجب استخدام ضوابط كهربائية هوائية أو كهربائية. يُوضِّح الشكل 5.4.3 بعض التطبيقات المختلفة والاقتراحات حول أي طريقة تحكم قد تكون مقبولة.

أنواع الصمامات والمُدارات

يُحدد نوع المُدار حسب القوة الدافعة المُختارة: ذاتية أو كهربائية أو هوائية أو كهربائية هوائية، فضلاً عن دقة التحكم وسرعة المُدار المطلوبة. بما يتعلق بانتقاء الصمام، مع البخار بوصفه وسط التدفق، يقتصر الاختيار على صمام ذي فتحتين. ومع ذلك، إذا كان الوسط ماءً أو سائلاً آخر، يوجد خيار صمام ذي فتحتين أو ثلاث فتحات. تمت مناقشة تأثيراتها الأساسية على ديناميكيات نظام الأنابيب بالفعل. يُحدد تطبيق الماء عادةً ما إذا كان سيُستخدم صمام ثلاث فتحات لمزج أو تحويل تدفق السائل. إذا كان تغيرات ضغط النظام مع صمامات ذات فتحتين مقبولة، فإن مزاياها مقارنة بصمامات ثلاث فتحات تشمل تكلفة أقل وبساطة وتركيب أقل تكلفة. قد يتيح اختيار صمامات ذات فتحتين أيضاً استخدام تغير ضغط النظام المتأصل لتشغيل مضخات متتالية، أو لتقليل أو زيادة معدل ضخ مضخة ذات سرعة متغيرة حسب متطلبات الحمل. عند انتقاء الصمام الفعلي، يجب أخذ جميع العوامل المدروسة سابقاً في الاعتبار والتي تشمل؛ مادة الجسم، حدود ضغط/درجة حرارة الجسم، الوصلات المطلوبة واستخدام طريقة الحجم الصحيحة. من الضروري أيضاً ضمان أن انتقاء تركيبة الصمام/المُدار يمكن أن يعمل ضد فرق الضغط الذي يُواجَه في جميع حالات الحمل. (يُعتبر فرق الضغط في أنظمة البخار عموماً الضغط المطلق الأقصى للبخار صاعداً. وهذا يتيح احتمال وجود بخار تحت ضغط جوي على الجانب الصاعد من الصمام).

المُتحكِّمات

السلامة دائماً ذات أهمية كبيرة. في حالة انقطاع الكهرباء، هل يجب أن يفتح الصمام آلياً أم يُغلق؟ هل يكون التحكم مباشرة (ترتفع إشارة خرج المُتحكِّم مع زيادة المتغير المقاس) أم عكسياً (تنخفض إشارة خرج المُتحكِّم مع زيادة المتغير المقاس)؟ إذا كان التطبيق يتطلب فقط تحكم تشغيل/إيقاف، فقد لا يكون المُتحكِّم مطلوباً على الإطلاق. يمكن تشغيل مُدار ذي وضعين من جهاز تبديل مثل مُرحّل أو منظم حراري. حيث يتطلب التطبيق تنوعاً، تُطلب القدرة متعددة الوظائف لمُتحكِّم إلكتروني؛ ربما مع تحكم في درجة الحرارة والوقت، حلقات متعددة، مدخلات/مخرجات متعددة. بعد تحديد أن المُتحكِّم مطلوب، من الضروري تحديد إجراء التحكم الضروري، مثلاً تشغيل/إيقاف، P، P I، أو P I D. يعتمد الاختيار المُتَّخذ على ديناميكيات العملية وأنواع الاستجابة المدروسة سابقاً، فضلاً عن دقة التحكم المطلوبة. قبل المضي قدماً، من المفيد تحديد ما يعنيه ‘تحكم جيد’. لا توجد إجابة بسيطة على هذا السؤال. انظر الاستجابات المختلفة للتغيرات في الحمل كما هو موضح في الشكل 5.4.4.

التحكم الذاتي مناسب عادةً للتطبيقات التي يكون فيها هناك سعة حرارية ‘ثانوية’ كبيرة جداً مقارنة بالسعة ‘الأولية’.

انظر إلى مُسخِّن تخزين مياه ساخنة كما هو موضح في الشكل 5.4.5 حيث يُسخَّن حجم كبير من المياه المخزنة بواسطة لفافة بخارية.

عندما يكون الماء في الوعاء بارداً، سيكون الصمام مفتوحاً على نطاق واسع، مما يسمح للبخار بالدخول إلى اللفافة، حتى يُسخَّن الماء المخزون إلى درجة الحرارة المطلوبة. عند سحب الماء الساخن من الوعاء، ستخفض المياه الباردة التي تدخل الوعاء لأخذ مكانها من درجة حرارة الماء في الوعاء. سيكون للضوابط الذاتية نطاق تناسبي كبير نسبياً وبمجرد انخفاض درجة الحرارة، سيبدأ الصمام في الفتح. كلما كان الماء أبرد، ازداد انفتاح صمام البخار.

يبين الشكل 5.4.6 مبادل حراري صفحي غير تخزيني بسعة حرارية قليلة على كلا الجانبين الأولي والثانوي، وبوقت استجابة سريع. إذا تغير الحمل بسرعة، قد لا يكون من الممكن لنظام تحكم ذاتي العمل بنجاح. سيكون الحل الأفضل هو استخدام نظام تحكم يستجيب بسرعة لتغيرات الحمل، ويوفّر الدقة في نفس الوقت.