تطبيقات التحكم في المستوى

تُستخدم مجموعة من أنظمة وطرق التحكم في المستوى في الصناعة. يمكن أن تكون الأنظمة مبنية على استخدام العوامات أو المجسات أو حتى تقنيات أكثر تطوراً. يدرس هذا الدرس استخدام المجسات لتوفير تحكم تشغيل/إيقاف قابل للتعديل وغير قابل للتعديل، والتحكم التناعم في السوائل. كما تُ рассматрива تطبيقات التحكم البسيطة في التدفق.

التحكم في مستويات السوائل، على سبيل المثال في خزان العملية، هو وظيفة مهمة. مثال على ذلك خزان المياه الساخنة حيث يتم سحب المياه، ربما للغسيل، ويحتاج المستوى إلى استعادته لدورة الغسيل التالية. يُستثنى تحكم مستوى المياه والإنذارات لغلايات البخار بشكل محدد من هذه الوحدة، ويُحيل القارئ إلى الكتلة 3 (بيت الغلاية)، التي تتناول الموضوع بالعمق. تُستخدم أنواع مختلفة من أنظمة التحكم في المستوى في الصناعة، تغطي مجموعة واسعة من العمليات. بعض العمليات تتعلق بوسائط أخرى غير السوائل، مثل المساحيق الجافة والمواد الأولية الكيميائية. نطاق الوسائط واسع لدرجة أنه لا يوجد جهاز واحد مناسب لجميع التطبيقات. تتوفر أنظمة عديدة لخدمة هذا النطاق الواسع من التطبيقات. القائمة التالية ليست شاملة، ولكن في معظم الحالات، ستُستخدم إشارة التحكم النهائية لتشغيل المضخات أو الصمامات المناسبة للتطبيق: الأنواع المُشغَّلة بالعوامات - ترتفع وتنخفض عوامة وفقًا لتغيّر مستوى السوائل وتشغل محولات عند نقاط محددة مسبقًا في النطاق. أنواع المجسات الصلبة - تقيس الموصلية أو السعة الكهربائية وتُناقَش بمزيد من التفصيل في الصفحات التالية. أنواع سعة الحبال الفولاذية - يُعلَّق حبل فولاذي مرن في السائل، وتُقاس تغيرات السعة الكهربائية مقارنة بتغير مستوى المياه. الأنواع فوق الصوتية - يُوجَّه نبض صوتي عالي التردد من محوِّل إلى سطح الوسائط المُقاسة، ومن خلال معرفة درجة الحرارة وسرعة الصوت في الهواء، يُستخدم الوقت الذي يستغرقه النبض للارتداد إلى المستشعر لتحديد المستوى. أنواع الرادار الميكروي - مماثل في المبدأ للنوع فوق الصوتي لكنه يستخدم طاقة كهromagnetic عوضاً عن الطاقة الصوتية. الأنواع الهيدروستاتيكية - يُستخدم محوِّل ضغط لقياس فرق الضغط بين الضغط الهيدروستاتيكي المُقيَّد لعمود السائل فوق المستشعر والضغط الجوي الخارجي. تتحول تغييرات الضغط إلى إشارة مخرجات 4-20 مللي أمبير نسبةً إلى فرق العمود. أنواع الضغط التفاضلي - مشابهة للنوع الهيدروستاتيكي لكنها تُستخدم حيث يخضع التطبيق المقاس لضغط ديناميكي بالإضافة إلى الضغط الساكن. وهي قادرة على قياس التغييرات الصغيرة في الضغط بالنسبة لنطاق إشارة المخرجات. التطبيقات النموذجية قد تكون لقياس مستوى الماء في طبلة بخار الغلاية، أو مستوى المكثف في جيب مكثف أعادة التسخين. الأنواع المغناطيسية - يمكن لعوامة أو مخروط الصعود والهبوط على طول مسبار فولاذ مقاوم للصأ مُثبَّت في سائل الخزان المُقاس. يمكن للعوامة التفاعل مغناطيسيًا مع المخارج على الجانب الخارجي من الخزان التي ترسل المعلومات مرة أخرى إلى وحدة التحكم. أنواع الالتواء - تُنتج عمود عوامة متحرك تغييرًا في الالتواء، يُقاس بمحوِّل التواء. من المهم أن يكون نظام التحكم في المستوى مناسبًا للتطبيق، وأن يُستشار خبير من الشركة المصنعة قبل الاختيار. ليس من نطاق هذه الوحدة مناقشة إيجابيات وسلبيات وتطبيقات محتملة لجميع أنواع التحكم المذكورة أعلاه، حيث أن أنواع أنظمة التحكم في المستوى المستخدمة عادةً في حلقة البخار والمكثف وتطبيقاتها المرتبطة هي أنواع العوامات والمجسات الصلبة. تشغيل أنواع العوامات واضح بشكل عام، لكن مجسات الموصلية والسعة الكهربائية قد تحتاج بعض الشرح. بسبب ذلك، سيركز هذا القسم بشكل رئيسي على مجسات الموصلية والسعة الكهربائية للتحكم في المستوى.

طرق تحقيق التحكم في المستوى

هناك ثلاث طرق رئيسية لتحقيق التحكم في المستوى:

• تحكم تشغيل/إيقاف غير قابل للتعديل.
• تحكم تشغيل/إيقاف قابل للتعديل.
• تحكم تناعم في المستوى. تحكم تشغيل/إيقاف غير قابل للتعديل (الشكل 8.3.1) قد يكون عنصر التحكم النهائي مضخة يتم تشغيلها/إيقافها أو صمام يتم فتحه/إغلاقه. يُصادف عادةً نوعان رئيسيان من أنظمة التحكم في المستوى بنمط تشغيل/إيقاف: الأنواع المُشغَّلة بالعوامات والأنواع المستخدمة لمجسات الموصلية. أنظمة التحكم في المستوى بنمط العوامات تعتمد إما على الحركة المباشرة لصمام التحكم، أو على تشغيل محولات كهربائية بواسطة عوامة تتحرك على سطح السائل. يمكن لمجسات الموصلية (انظر الشكل 8.3.1) أن تحتوي على عدة رؤوس مجسات؛ تقع نقاط التحكم حيث تم قطع الرؤوس المنفصلة لأطوال مختلفة. تحكم تشغيل/إيقاف قابل للتعديل (الشكل 8.3.2) مرة أخرى، قد يكون عنصر التحكم النهائي مضخة يتم تشغيلها/إيقافها أو صمام يتم فتحه/إغلاقه. إحدى الطرق المستخدمة لتعديل نقاط التحكم هي مجس السعة الكهربائية (انظر الشكل 8.3.2). سيراقب المجس المستوى، مع تعديل نقاط التحكم بواسطة وحدة التحكم. مجسات السعة الكهربائية لا تُقص لطولها لتحقيق المستوى المطلوب وبالطبع يجب أن يكون طول المجس الكامل كافياً لنطاق التحكم الكامل. تحكم تناعم في المستوى (الشكل 8.3.2) قد يكون عنصر التحكم النهائي صمامًا يُعدَّل إلى نقطة بين الفتح الكامل والإغلاق الكامل، كدالة للمستوى المُراقَب. لا يمكن تحقيق التحكم التناعم في المستوى باستخدام مجس الموصلية. مجسات السعة الكهربائية مثالية لهذا الغرض (انظر الشكل 8.3.2). في الأنظمة من هذا النوع، يمكن للمضخة العمل باستمرار، وسيسمح الصمام بمرور كميات مناسبة من السائل. بدلاً من ذلك، قد يكون عنصر التحكم النهائي محرك سرعة متغير على مضخة. يمكن تعديل سرعة المحرك عبر نطاق مُختار. الإنذارات - غالبًا ما تكون مطلوبة للتحذير من:
• إنذار عالٍ حيث يكون هناك خطر لفيضان الخزان وانسكاب سائل ساخن، مع الخطر المصاحب على الأفراد.
• إنذار منخفض حيث يكون هناك خطر أن ينخفض مستوى مياه الخزان بشكل كبير، مع احتمال إتلاف مضخة تسحب من الخزان، أو نفاد السائل للعملية. تركيب العوامات والمجسات في ظروف الاضطراب في بعض الخزانات والأوعية، قد توجد ظروف مضطربة، مما قد يؤدي إلى إشارات غير منتظمة وتمثيلية. إذا كانت هذه الظروف مرجحة الحدوث (أو موجودة بالفعل)، يُوصى بتركيب العوامات أو المجسات داخل أنابيب حماية. لها تأثير تهدئة على مستوى المياه المُستشعار. يتناول بقية هذه الوحدة المجسات بدلاً من العوامات لتطبيقات التحكم في المستوى.

تحكم تشغيل/إيقاف غير قابل للتعديل

الوصف

يستخدم تحكم تشغيل/إيقاف غير قابل للتعديل مجس موصلية متصل بجهاز تحكم إلكتروني. عادة ما يحتوي المجس على ثلاث أو أربع رؤوس، كل منها يُقص أثناء التركيب لطوله المطلوب لتحقيق مستوى التشغيل أو الإنذار المطلوب (انظر الشكل 8.3.3).

• عندما يكون رأس المجس مغمورًا بالسائل، يستخدم الموصلية النسبية العالية للماء لإكمال دائرة كهربائية عبر الأجزاء المعدنية للخزان ووحدة التحكم.
• عندما ينخفض مستوى المياه أسفل الرأس، تزداد مقاومة الدائرة بشكل كبير، مما يشير إلى وحدة التحكم بأن الرأس ليس مغمورًا بالسائل.
• في حالة نظام بسيط “ضخ إلى الداخل” مع تحكم تشغيل/إيقاف في المستوى:
• يُفتح الصمام عندما ينخفض مستوى مياه الخزان أسفل نهاية رأس.
• يُغلق الصمام عند ارتفاع مستوى المياه للاتصال برأس آخر.
• يمكن استخدام رؤوس أخرى لتنشيط إنذارات منخفضة أو عالية. الميزة: طريقة بسيطة ولكن دقيقة ونسبة التكلفة معقولة للتحكم في المستوى. التطبيقات: يمكن استخدام النظام للسوائل ذات الموصلية 1 ميكرو سيمنز/سم أو أكثر، ومناسبة لخزانات المكثف وخزانات مياه التغذية والأوعية أو الأوعية العملية. عندما تنخفض الموصلية عن هذا المستوى، يُوصى باستخدام أنظمة التحكم في المستوى المعتمدة على السعة الكهربائية. ملاحظة: إذا كان الخزان مصنوعًا من مواد غير موصلة، يمكن تحقيق الدائرة الكهربائية عبر رأس مجس آخر.

تحكم تشغيل/إيقاف قابل للتعديل

الوصف يتكون نظام تحكم تشغيل/إيقاف قابل للتعديل من وحدة تحكم ومجس سعة كهربائية (انظر الشكل 8.3.4)، ويوفر:

• تحكم فتح/إغلاق الصمام بالإضافة إلى نقطة إنذار واحدة.
• أو بدلاً من ذلك إنذاران - عالٍ ومنخفض. يمكن تعديل مستويات تشغيل الصمام من خلال وظائف وحدة التحكم. الميزة يسمح تحكم تشغيل/إيقاف القابل للتعديل بتعديل إعدادات المستوى دون إيقاف العملية. العيب أكثر تكلفة من تحكم تشغيل/إيقاف غير القابل للتعديل. التطبيقات: يمكن استخدامه لمعظم السوائل، بما في ذلك تلك ذات الموصلية المنخفضة. ملاحظة: يمكن استخدامه في حالات يكون فيها سطح السائل مضطربًا، ويمكن تعديل الإلكترونيات المدمجة لمنع التشغيل/الإيقاف السريع للمضخة (أو الصمام).

تحكم تناعم في المستوى

الوصف يتكون نظام التحكم التناعم في المستوى من مجس سعة كهربائية ووحدة تحكم مناسبة، التي توفر إشارة مخرجات تناعمية، عادة 4-20 مللي أمبير. انظر الشكل 8.3.5. يمكن استخدام إشارة المخرجات هذه للتأثير على مجموعة متنوعة من الأجهزة بما في ذلك:

• تناعم صمام التحكم.
• تشغيل محرك سرعة متغير للمضخة. الميزة:

1. نظرًا لأن المجس ووحدة التحكم يوفران فقط إشارة تستجيب لها الأجهزة الأخرى، بدلاً من توفير الطاقة لتشغيل جهاز، فلا يوجد حد لحجم التطبيق.
2. تحكم ثابت في المستوى داخل الخزان. العيب:
3. أكثر تكلفة من نظام مجس الموصلية.
4. أكثر تعقيدًا من نظام مجس الموصلية.
5. يجب أن يكون نظام الإمداد مشحونًا بشكل دائم.
6. أقل ملاءمة للتشغيل الاحتياطي.
7. استهلاك كهربائي محتمل أكبر. ملاحظة: لحماية مضخة التغذية من التسخين المفرط عند الضخ ضد صمام تناعم مغلق، يُوفر خط إعادة التدوير أو التصريف لضمان معدل تدفق أدنى عبر المضخة (كلاهما غير موضح في الشكل 8.3.5).

تطبيقات التحكم في تدفق البخار

التحكم في تدفق البخار أقل شيوعًا من التحكم في الضغط ودرجة الحرارة، لكنه يُستخدم في التطبيقات التي يكون فيها التحكم بالضغط أو درجة الحرارة غير ممكن أو غير مناسب لتحقيق أهداف العملية. تقدم الأقسام التالية مزيدًا من المعلومات حول قياس والتحكم في تدفق البخار.

نظام التحكم في التدفق

التطبيقات النموذجية:

1. أنظمة التغذية الأمامية في مصنع الغلاية، حيث سيؤثر معدل تدفق البخار من الغلاية على نقاط التحكم الأخرى، على سبيل المثال: معدل تعويض مياه التغذية، ومعدل اشتعال الحارق.
2. عمليات إعادة الترطيب، حيث يُحقَن كمية مقاسة من البخار (الماء) في منتج جُفف للنقل أو التخزين. يمكن العثور على أمثلة على ذلك في صناعات التبغ والقهوة والأعلاف الحيوانية.
3. العمليات الدفعية، حيث يُعرف من الخبرة أن كمية مقاسة من البخار ستعطي النتيجة المرغوبة على المنتج. يتطلب اختيار وتطبيق المكونات المستخدمة للتحكم في معدل التدفق تفكيرًا دقيقًا. مقياس التدفق (محوِّل الأنبوب) مقياس التدفق هو محوِّل أنبوب يحول التدفق إلى إشارة قابلة للقياس. المحوِّل الأنبوبي الأكثر استخدامًا على الأرجح يربط التدفق بالضغط التفاضلي. تتلقى إشارة الضغط هذه محوِّل آخر (عادة محوِّل ضغط تفاضلي قياسي) يحول الضغط التفاضلي إلى إشارة كهربائية. بعض المحوِّلات الأنبوبية قادرة على تحويل معدل التدفق مباشرة إلى إشارة كهربائية دون الحاجة إلى محوِّل ضغط تفاضلي. يوضح الشكل 8.3.6 مقياس تدفق مساحة متغيرة ومحوِّل ضغط تفاضلي قياسي يربط الضغط التفاضلي المقاس عبر مقياس التدفق إلى إشارة كهربائية 4 - 20 مللي أمبير. يُعاير محوِّل الضغط التفاضلي القياسي للعمل عند ضغط معين أعلى؛ إذا تغير هذا الضغط، لن تمثل إشارة المخرجات التدفق بدقة. إحدى طرق التغلب على هذه المشكلة هي توفير إشارة ضغط (أو درجة حرارة) إذا كان الوسط بخارًا مشبعًا، أو إشارة ضغط ودرجة حرارة إذا كان السائل بخارًا فائق التسخين، كما هو موضح في القسم التالي. طريقة أخرى هي استخدام محوِّل ضغط تفاضلي لتدفق الكتلة، الذي يعوِّض تلقائيًا عن تغييرات الضغط.

إمكانية الحاجة إلى حاسوب

إذا كان البخار هو السائل في الأنبوب، فقد تكون مستشعرات درجة الحرارة و/أو الضغط الأخرى ضرورية لتوفير إشارات للتعويض عن تغييرات ضغط الإمداد، كما هو موضح في الشكل 8.3.7.

ستعني المدخلات المتعددة أن حاسوب تدفق إضافي (أو PLC) يحتوي على مجموعة من جداول البخار الإلكترونية يجب أن يعالج الإشارات من كل من مجسات التدفق والضغط ودرجة الحرارة للسماح بقياس دقيق للبخار المشبع أو فائق التسخين. إذا لم يكن حاسوب التدفق متاحًا بسهولة للتعويض عن تغييرات الضغط الأعلى، فقد يكون من الممكن توفير ضغط ثابت؛ ربما باستخدام صمام تحكم أعلى، لإعطاء تحكم ضغط مستقر ودقيق (غير موضح في الشكل 8.3.7). الغرض من صمام التحكم في الضغط هذا هو توفير ضغط مستقر (وليس مخفض)، لكنه بطبيعته سيُدخل انخفاضًا في الضغط في أنبوب الإمداد. مُفاصِل يوضع قبل أي محطة قياس تدفق البخار لحماية مقياس التدفق من البخار الرطب سيحمي أيضًا صمام التحكم في الضغط من التسريب. استخدام محوِّل ضغط تفاضلي لتدفق الكتلة باستخدام محوِّل ضغط تفاضلي لتدفق الكتلة بدلاً من محوِّل الضغط التفاضلي القياسي، لا تكون الحاجة إلى حاسوب لتوفير قياس دقيق مطلوبة، كما هو موضح في الشكل 8.3.8. 这是因为 محول تدفق الكتلة يحمل مجموعته الخاصة من جداول البخار ويمكنه تعويض أي تغييرات في ضغط إمداد البخار المشبع. ومع ذلك، لا يزال يمكن استخدام حاسوب، إذا كانت معلومات قياس التدفق الأخرى مهمة مطلوبة، مثل، أوقات أقصى أو أدنى حمولة، أو إذا كانت هناك حاجة لدمج التدفق عبر فترة زمنية معينة. لا يزال مُتحكِّم مطلوبًا إذا كان معدل التدفق سيتم التحكم فيه، أيًا كان النظام المستخدم.

مُتحكِّم التدفق حتى إذا كانت إشارة المخرجات من محوِّل الضغط التفاضلي أو الحاسوب من النوع الذي يمكن لمحرك صمام التحكم قبوله، فسيظل مُتحكِّم مطلوبًا (كما هو الحال مع أي نظام تحكم آخر) للأسباب التالية:

1. إشارة المخرجات من بعض مقاييس التدفق/الحواسيب لها فترة تكرار زمنية طويلة (حوالي 3 ثوانٍ)، مما يوفر معلومات كافية لمسجل الرسم البياني للعمل بنجاح، لكنه قد لا يوفر استجابة كافية لصمام التحكم. هذا يعني أنه إذا كان المُتحكِّم أو PLC الذي تُغذى إليه إشارة المحوِّل يعمل بسرعات أعلى، فقد يصبح العملية غير مستقرة.
2. وظائف PID غير متاحة بدون مُتحكِّم.
3. لن يكون اختيار نقطة الضبط ممكنًا بدون مُتحكِّم.
4. تحتاج الإشارة إلى معايرة لمسار الصمام - تأثيرات استخدام صمام كبير الحجم أو صغير الحجم بشكل مفرط دون معايرة يمكن أن تسبب بسهولة مشكلات.

ملخص

من الأفضل عادةً تركيب جهاز قياس التدفق أعلى من صمام التحكم في التدفق. الضغط الأعلى سيقلل حجمه ويسمح بأن يكون أكثر فعالية من حيث التكلفة. من المرجح أيضًا أن يتعرض مقياس التدفق لضغط بخار أكثر ثباتًا (والكثافة) وستتأثر بشكل أقل بالاضطرابات من صمام التدفق الأقل. في بعض الحالات، قد يتطلب التحكم في معدل تدفق ثابت. هذا يعني أن الميزات، مثل نسبات التخفيض العالية، ليست مهمة، ومقاييس التدفق بالصفيحة المثقوبة مناسبة. ومع ذلك، إذا كان معدل التدفق سيتغير بكميات كبيرة، فإن “التخفيض” يصبح مسألة يجب مراعاتها. يُناقَش موضوع قياس التدفق بعمق أكبر في الكتلة 4.