مُنشِّئات وموصّلات صمامات التحكم

تحتاج صمامات التحكم إلى مُنشِّئات للتشغيل. تناقش هذه الوحدة بإيجاز الفروقات بين المُنشِّئات الكهربائية والهوائية، والعلاقة بين مصطلحات العمل المباشر والعكسي، وكيف يؤثر ذلك على تأثير تحكم الصمام. تُناقَش أهمية الموصّلات فيما يتعلق بدورها ولماذا تكون مطلوبة للعديد من التطبيقات.

المُنشِّئات في الوحدة 5، “نظرية التحكم”، استُخدم تشبيه لوصف التحكم البسيط في العملية:

• عضلة الذراع واليد (المُنشِّئ) قلبت الصمام - (الجهاز المُتحكَّم به).

تم تناول أحد أشكال جهاز التحكم، صمام التحكم. المُنشِّئ هو منطقة الاهتمام المنطقية التالية.

يتضمن تشغيل صمام التحكم وضع الجزء المتحرك منه (السدادة أو الكرة أو الريشة) بالنسبة للمقعد الثابت للصمام. الغرض من مُنشِّئ الصمام هو تحديد موضع سدادة الصمام بدقة في موضع يمليه إشارة التحكم.

يقبل المُنشِّئ إشارة من نظام التكم واستجابةً لذلك، يُحرّك الصمام إلى وضع مفتوح بالكامل أو مغلق بالكامل، أو وضع أكثر انفتاحًا أو أكثر إغلاقًا (اعتمادًا على ما إذا كان إجراء التحكم “تشغيل/إيقاف” أو “مستمر”).

هناك عدة طرق لتوفير هذا التنشيط. ستركز هذه الوحدة على النوعين الرئيسيين:

• هوائي.
• كهربائي. تشمل المُنشِّئات المهمة الأخرى الأنواع الهيدروليكية والعمل المباشر. تُناقَش هذه في الوحدة 7، “أجهزة التحكم: أدوات التحكم الذاتية”.

المُنشِّئات الهوائية – التشغيل والخيارات تُستخدم المُنشِّئات الهوائية بشكل شائع لتنشيط صمامات التحكم ومتوفرة بأشكال رئيسية؛ مُنشِّئات المكابس (الشكل 6.6.1) ومُنشِّئات الأغشية (الشكل 6.6.2)

مُنشِّئات المكابس تُستخدم مُنشِّئات المكابس عمومًا حيث يكون شوط مُنشِّئ الغشاء قصيرًا جدًا أو الدفع صغيرًا جدًا. يُطبَّق الهواء المضغوط على مكبس صلب محتوٍ داخل أسطوانة صلبة. يمكن أن تكون مُنشِّئات المكابس أحادية الفعل أو مزدوجة الفعل، ويمكنها تحمل ضغوط إدخال أعلى ويمكنها تقديم أحجام أسطوانات أصغر، يمكنها العمل بسرعة عالية. مُنشِّئات الأغشية تُطبَّق على مُنشِّئات الأغشية هواء مضغوط على غشاء مرن يُسمى الغشاء. يُظهر الشكل 6.6.2 غشاء متدحرج حيث تكون مساحة الغشاء الفعالة ثابتة تقريبًا عبر شوط المُنشِّئ. هذه الأنواع من المُنشِّئات أحادية الفعل، حيث يُمدَّد الهواء إلى جانب واحد فقط من الغشاء، ويمكن أن تكون إما مباشرة الفعل (نابض للانكماش) أو عكسية الفعل (نابض للتمدد). عكسية الفعل (نابض للتمدد) تُستمد قوة التشغيل من ضغط الهواء المضغوط، الذي يُطبَّق على غشاء مرن. يُصمَّم المُنشِّئ بحيث تتجاوز القوة الناتجة عن ضغط الهواء، المضروبة بمساحة الغشاء، القوة المبذولة (في الاتجاه المعاكس) بواسطة النوابض.

يُدفع الغشاء (الشكل 6.6.2) إلى أعلى، ساحبًا المحور إلى أعلى، وإذا كان المحور موصولًا بصمام عمل مباشر، تُفتح السدادة. يُصمَّم المُنشِّئ بحيث مع تغير محدد في ضغط الهواء، يتحرك المحور بما يكفي لتحريك الصمام عبر شوطه الكامل من المغلق بالكامل إلى المفتوح بالكامل.

مع انخفاض ضغط الهواء، تُحرّك النوابض المحور في الاتجاه المعاكس. نطاق ضغط الهواء يساوي تصنيف النوابض المُعلَن للمُنشِّئ، على سبيل المثال 0.2 - 1 بار.

مع صمام أكبر و/أو فرق ضغط أعلى للعمل כנגדه، تُحتاج قوة أكبر للحصول على حركة كاملة للصمام.

لإنتاج قوة أكبر، تُحتاج مساحة غشاء أكبر أو نطاق نوابض أعلى. لهذا السبب يُقدم مصنّعو أجهزة التحكم مجموعة من المُنشِّئات الهوائية لمطابقة مجموعة من الصمامات - تتضمن مساحات أغشية متزايدة، واختيار نطاقات نوابض لإنشاء قوى مختلفة.

تُظهر المخططات في الشكل 6.6.3 مكونات مُنشِّئ هوائي أساسي واتجاه حركة المحور مع زيادة ضغط الهواء. المُنشِّئ المباشر (نابض للانكماش) يُصمَّم المُنشِّئ المباشر بنابض أسفل الغشاء، مع إمداد الهواء إلى المساحة فوق الغشاء. النتيجة، مع زيادة ضغط الهواء، هي حركة المحور في الاتجاه المعاكس للمُنشِّئ عكسية الفعل.

تأثير هذه الحركة على فتحة الصمام يعتمد على تصميم ونوع الصمام المستخدم، ويُوضَّح في الشكل 6.6.3.

ومع ذلك، هناك بديل، وهو موضح في الشكل 6.6.4. يُقترن مُنشِّئ هوائي مباشر بصمام تحكم بسدادة عكسية الفعل (تُسمى أحيانًا “سدادة معلقة”). الاختيار بين أدوات التحكم الهوائية المباشرة وعكسية الفعل يعتمد على الموضع الذي يجب أن يعود إليه الصمام في حالة فشل إمداد الهواء المضغوط. هل يجب أن يُغلق الصمام أو يكون مفتوحًا على مصراعيه؟ يعتمد هذا الاختيار على طبيعة التطبيق ومتطلبات السلامة. من المنطقي أن تُغلق صمامات البخار عند فشل الهواء، وأن تُفتح صمامات التبريد عند فشل الهواء. يجب مراعاة تركيبة المُنشِّئ ونوع الصمام. يُظهر الشكل 6.6.5 والشكل 6.6.6 التأثير الصافي للتركيبات المختلفة. تأثير فرق الضغط على رفع الصمام الهواء المُغذَّى إلى حجرة الغشاء هو إشارة التحكم من المُنشِّئ الهوائي. نطاق ضغط الهواء الأكثر استخدامًا هو 0.2 بار إلى 1 بار. ضع في اعتبارك مُنشِّئ عكسي الفعل (نابض للتمدد) بنوابض قياسية 0.2 إلى 1.0 بار، مُثبَّت على صمام عمل مباشر (الشكل 6.6.7). عند معايرة مجموعة الصمام والمُنشِّئ (أو “ضبط المكتب”)، يُعدَّل بحيث يبدأ ضغط هواء 0.2 بار في التغلب على مقاومة النوابض وتحريك سدادة الصمام بعيدًا عن مقعدها.

مع زيادة ضغط الهواء، تتحرك سدادة الصمام تدريجيًا بعيدًا عن مقعدها، حتى أخيرًا عند ضغط هواء 1 بار، يكون الصمام مفتوحًا 100%. هذا موضح بيانيًا في الشكل 6.6.7.

الآن ضع في اعتبارك هذه المجموعة مُثبَّتة في خط أنابيب في تطبيق تخفيض ضغط، مع 10 بار g على الجانب الصاعد والتحكم في ضغط المصب إلى 4 بار g.

فرق الضغط عبر الصمام هو 10 - 4 = 6 بار. هذا الضغط يعمل على الجانب السفلي من سدادة الصمام، مُقدِّمًا قوة تميل إلى فتح الصمام. هذه القوة إضافة إلى القوة المقدمة من ضغط الهواء في المُنشِّئ.

لذلك، إذا مُدِّد المُنشِّئ بهواء عند 0.6 بار (منتصف الطريق بين 0.2 و 1 بار)، على سبيل المثال، بدلاً من أن يأخذ الصمام وضع المفتوح 50% المتوقع، سيكون الفتح الفعلي أكبر، بسبب القوة الإضافية المقدمة من فرق الضغط.

أيضًا، هذه القوة الإضافية تعني أن الصمام لا يُغلق عند 0.2 بار. لإغلاق الصمام في هذا المثال، يجب تقليل إشارة التحكم إلى حوالي 0.1 بار.

الموقف مختلف قليلًا مع صمام بخار يتحكم في درجة الحرارة في مبادل حراري، حيث سيتغير فرق الضغط عبر الصمام بين:

• الحد الأدنى، عندما تستدعي العملية الحد الأقصى من الحرارة، ويكون صمام التحكم مفتوحًا 100%.
• الحد الأقصى، عندما تصل العملية إلى درجة الحرارة ويكون صمام التحكم مغلقًا. تزداد ضغط البخار في المبادل الحراري مع زيادة الحمل الحراري. يمكن رؤية هذا في الوحدة 6.5، المثال 6.5.3 والجدول 6.5.7.

إذا ظل ضغط البخار قبل صمام التحكم ثابتًا، فمع ارتفاع ضغط البخار في المبادل الحراري، يجب أن ينخفض فرق الضغط عبر الصمام.

يُظهر الشكل 6.6.8 الموقف مع الهواء المُطبَّق على مُنشِّئ مباشر. في هذه الحالة، تعمل القوة على سدادة الصمام الناتجة عن فرق الضغط כנגד ضغط الهواء. التأثير هو أنه إذا مُدِّد المُنشِّئ بهواء عند 0.6 بار، على سبيل المثال، بدلاً من أن يأخذ الصمام وضع المفتوح 50% المتوقع، ستكون نسبة الفتح أكبر بسبب القوة الإضافية من فرق الضغط. في هذه الحالة، يجب زيادة إشارة التحكم إلى حوالي 1.1 بار لإغلاق الصمام بالكامل. قد يكون من الممكن إعادة معايرة الصمام والمُنشِّئ لأخذ القوى الناتجة عن فرق الضغط بعين الاعتبار، أو ربما باستخدام نوابض مختلفة وضغوط هواء وتركيبات مُنشِّئ. يمكن لهذا النهج توفير حل اقتصادي على الصمامات الصغيرة، مع فروق ضغط منخفضة وحيث لا يُشترط تحكم دقيق. ومع ذلك، فإن الحقائق العملية هي أن:

• الصمامات الأكبر لها مساحات أكبر ليعمل عليها فرق الضغط، مما يزيد القوى المُنتجة، ويُسبب تأثيرًا متزايدًا على موضع الصمام.
• فروق الضغط الأعلى تعني إنتاج قوى أعلى.
• الصمامات والمُنشِّئات تُنشئ احتكاكًا، مما يُسبب تأخرًا. من المحتمل أن يكون للصمامات الأصغر احتكاك أكبر بالنسبة إلى إجمالي القوى المعنية. الحل هو تركيب موصّل على مجموعة الصمام/المُنشِّئ. (يُقدَّم مزيد من المعلومات عن الموصّلات لاحقًا في هذه الوحدة).

ملاحظة: للتبسيط، تفترض الأمثلة أعلاه عدم استخدام موصّل، وأن التأخر صفر.

الصيغ المستخدمة لتحديد الدفع المتاح لتثبيت الصمام على مقعده لمختلف تركيبات الصمام والمُنشِّئ موضحة في الشكل 6.6.9.

حيث:

A = المساحة الفعالة للغشاء

Pmax = الضغط الأقصى للمُنشِّئ (عادةً 1.2 بار)

Smax = الحد الأقصى لضبط المكتب للنابض

Pmin = الحد الأدنى من الضغط للمُنشِّئ (عادةً 0 بار)

Smin = الحد الأدنى لضبط المكتب للنابض

الدفع المتاح لإغلاق الصمام يجب أن يوفر ثلاث وظائف:

1. التغلب على فرق ضغط السائل في وضع الإغلاق.
2. التغلب على الاحتكاك في الصمام والمُنشِّئ، بشكل أساسي في ختمات ساق الصمام والمُنشِّئ.
3. توفير حمل ختم بين سدادة الصمام ومقعد الصمام لضمان الدرجة المطلوبة من الإحكام. سيوفر مصنّعو صمامات التحكم عادةً تفاصيل كاملة عن أقصى فروق الضغط التي تعمل ضد تركيبات الصمام والمُنشِّئ/النوابض المختلفة؛ الجدول في الشكل 6.6.10 هو مثال على هذه البيانات.

ملاحظة: عند استخدام موصّل، من الضروري الرجوع إلى أدبيات المصنّع لأقل وأعلى ضغوط هواء.

الموصّلات للعديد من التطبيقات، قد لا يكون ضغط 0.2 إلى 1 بار في حجرة الغشاء كافيًا للتعامل مع الاحتكاك وفروق الضغط العالية. يمكن استخدام ضغط تحكم أعلى ونوابض أقوى، لكن الحل العملي هو استخدام موصّل.

هذا عنصر إضافي (انظر الشكل 6.6.11)، يُثبَّت عادةً على حامل المُنشِّئ أو أعمدته، وهو مربوط بمحور المُنشِّئ بذراع تغذية راجعة لمراقبة موضع الصمام. يتطلب إمداد هواء خاص بضغط أعلى، يستخدمه لوضع الصمام. يربط موصّل موضع الصمام بين إشارة الدخل وموضع الصمام، ويوفر أي ضغط خرج للمُنشِّئ لتلبية هذه العلاقة، وفقًا لمتطلبات الصمام، وضمن حدود ضغط الإمداد الأقصى. عند تركيب موصّل على صمام “هوائي للفتح” ومجموعة مُنشِّئ، يمكن زيادة نطاق النوابض لزيادة قوة الإغلاق، وبالتالي زيادة أقصى فرق ضغط يمكن لصمام معين تحمّله. سيُعدَّل ضغط الهواء أيضًا حسب الحاجة للتغلب على الاحتكاك، مما يُقلل من تأثيرات التأخر. مثال: أخذ مُنشِّئ سلسلة PN5400 مُثبَّت على صمام DN50 (انظر الجدول في الشكل 6.6.10)

المُنشِّئات الكهربائية ****حيث لا يتوفر إمداد هوائي أو لا يكون مرغوبًا، يمكن استخدام مُنشِّئ كهربائي للتحكم في الصمام. تستخدم المُنشِّئات الكهربائية محركًا كهربائيًا بمتطلبات جهد في النطاق التالي: 230 فولت تيار متردد، 110 فولت تيار متردد، 24 فولت تيار متردد و 24 فولت تيار مستمر. هناك نوعان من المُنشِّئ الكهربائي؛ VMD (محرك تشغيل الصمام) وتعديل.

VMD (محرك تشغيل الصمام) هذا الإصدار الأساسي من المُنشِّئ الكهربائي له ثلاث حالات:

1. تشغيل الصمام لفتح.
2. تشغيل الصمام لإغلاق.
3. لا حركة. يُظهر الشكل 6.6.20 نظام VMD حيث يُتحكَّم في حركة المُنشِّئ الأمامية والمعكوسة مباشرة من أي وحدة مخارج موضعية 3 أو مخارج 2 موضعية. المخارج مُقيَّمة بجهد المُنشِّئ ويمكن استبدالها بمرحلات مناسبة.

تُثبَّت أجهزة تحديد داخل مُنشِّئات VMD لحماية المحركات من أضرار الحركة الزائدة. هذه الأجهزة مبنية إما على الحد الأقصى لعزم المحرك أو مخارج الحد الفيزيائي. كلا الجهازين يوقفان تشغيل المحرك عن طريق مقاطعة إمداد طاقة المحرك.

• مخارج الحد الموضعية لها ميزة أنها يمكن ضبطها لتحديد أشواط الصمامات في الصمامات كبيرة الحجم.
• مخارج العزم لها ميزة إعطاء قوة إغلاق محددة على مقعد الصمام، حماية للمُنشِّئ في حالة تصلب ساق الصمام.
• إذا استُخدمت فقط مخارج الحد الموضعية، يمكن دمجها مع قابس مُحمَّل بنوابض لضمان إحكام إغلاق الصمام. يمكن استخدام مُنشِّئ VMD للتنشيط التشغيلي/الإيقافي أو للتحكم بالتعديل. يضع المُنشِّئ الصمام عن طريق تشغيله لفتح أو إغلاق لوقت معين، لضمان وصوله إلى الموضع المطلوب. يمكن استخدام تغذية راجعة لموضع الصمام مع بعض المُنشِّئات التعديل لوضع صمام التكم استجابة لمتطلبات النظام يمكن استخدام مُنشِّئ تعديل. هذه الوحدات قد تكون بمحركات أعلى تصنيف (عادةً 1200 تشغيلة/ساعة) وقد يكون لديها إلكترونيات مدمجة.

قد يتضمن دائرة تعديل في مُنشِّئ التعديل، تقبل إشارة تحكم تناظرية (عادةً 0-10 فولت أو 4-20 مللي أمبير). يترجم المُنشِّئ بعد ذلك إشارة التكم هذه، كموضع الصمام بين مخارج الحد.

لتحقيق هذا، لدى المُنشِّئ مستشعر موضع (عادةً بوتنشيومتر)، يُغذِّي موضع الصمام الفعلي إلى دائرة التعديل. بهذه الطريقة يمكن وضع المُنشِّئ على طول شوطه بما يتناسب مع إشارة التحكم. مخطط مُنشِّ التعديل موضح في الشكل 6.6.21. المُنشِّئات الهوائية لها ميزة أمان ذاتية؛ في حالة فشل إمداد الهواء أو إشارة التكم سيُغلق الصمام. لتوفير هذه الوظيفة في المُنشِّئات الكهربائية، تتوفر إصدارات “احتياط نوابض” التي تفتح أو تُغلق الصمام عند فشل الطاقة أو إشارة التكم. بدلاً من ذلك، يمكن توفير الأمان بطاقة بطارية.

تقدم المُنشِّئات الكهربائية قوى محددة، قد تكون محدودة في إصدارات احتياط النوابض. يجب دائمًا استشارة مخططات المصنّع أثناء الاختيار.

عند تحديد حجم مُنشِّئ، من الحكمة الرجوع إلى أوراق البيانات التقنية للمصنّع لأقصى فرق ضغط عبر الصمام (انظر الشكل 6.6.22).

قيد آخر للمُنشِّئ الكهربائي هو سرعة حركة الصمام، التي قد تكون منخفضة حتى 4 ثوانٍ/ملم، مما قد يكون بطيئًا جدًا في الأنظمة ذات التغيرات السريعة.