اصول پایه ابزار دقیق و کنترل صنعتی
Reliable control begins before the PLC executes a loop. This engineering guide follows the signal chain from sensing and conditioning to transmission, contro...
یک بار شخصی از همکاری پرسید شغلش چیست. او بدون لحظهای درنگ پاسخ داد: «من مهندس ابزار دقیق و کنترل هستم.»
«و آن چیست؟» طرف گفتوگو پرسید.
«...اوه، اممم...» مهندس با خود فکر کرد: «خب، حالا دیگر به دردسر افتادم.»
ابزار دقیق و کنترل چیست؟
توضیح دادن وظایف یک مهندس مکانیک، برق، شیمی یا برق نسبتاً آسان است؛ اما توصیف مختصر کار مهندسی که در زمینه ابزار دقیق و کنترل تخصص دارد، داستان دیگری است.
ابزار دقیق و کنترل، حوزههایی میانرشتهای هستند. این حوزهها به دانش شیمی، مکانیک، برق و مغناطیس، الکترونیک، ریزکنترلگرها و ریزپردازندهها، زبانهای نرمافزاری، کنترل فرایند و موارد دیگری مانند اصول پنوماتیک، هیدرولیک و ارتباطات نیاز دارند.
همین موضوع است که ابزار دقیق و کنترل را به حوزهای بسیار جالب و آموزنده تبدیل میکند.
در این مقاله، مروری جامع بر اصول پایه ابزار دقیق و کنترل (I & C) ارائه میکنم؛ اصولی که برای عملکرد و بهرهبرداری از واحدهای صنعتی مانند واحدهای نفت و گاز، خمیر و کاغذ، شکر، محصولات دارویی، صنایع غذایی و مواد شیمیایی به کار میروند.
ابتدا باید نحوه اندازهگیری را بررسی کنیم. برای این کار به یک ابزار اندازهگیری نیاز داریم.
ابزار اندازهگیری چیست؟
ابزار اندازهگیری وسیلهای است که میتواند تغییرات فیزیکی یا غیر فیزیکی را در یک فرایند خاص تشخیص دهد. سپس این تغییرات فیزیکی را به نوعی اطلاعات قابل درک برای کاربر تبدیل میکند.
مثال شکل ۱ را در نظر بگیرید.
شکل ۱. نمونهای از یک ابزار اندازهگیری.
وقتی کلید بسته است، مقاومت گرما تولید میکند و دمای مایع داخل مخزن را افزایش میدهد. این افزایش توسط ابزار اندازهگیری تشخیص داده شده و روی مقیاس آن ابزار نمایش داده میشود.
میتوانیم اطلاعات مربوط به تغییرات فیزیکی در یک فرایند را از طریق نمایش مستقیم یا ثبتکننده به دست آوریم.
نمایش
این سادهترین شکل اندازهگیری است و به ما امکان میدهد از وضعیت فعلی متغیر مطلع شویم.
شکل ۲. پایش یک متغیر با استفاده از یک نشانگر دیداری ساده.
ثبتکننده
وسیلهای که میتواند دادهها را ذخیره کند، به ما امکان میدهد وضعیت فعلی متغیر و نحوه رفتار آن در گذشته را مشاهده کنیم. ثبتکننده، تاریخچه متغیر را در اختیار ما میگذارد.
شکل ۳. نمایشی که نشان میدهد اندازهگیریها در طول زمان چگونه تغییر کردهاند.
اجزای یک ابزار اندازهگیری
ابزارهای اندازهگیری عمدتاً از بخشهای زیر تشکیل میشوند:
- حسگر: این عنصر وسیلهای است که در نتیجه تغییرات فرایندی که اندازهگیری میکند، دچار تغییر در ویژگیهای فیزیکی خود میشود.
- تقویتکننده / شکلدهنده: تغییرات شناساییشده توسط حسگر ممکن است بسیار کوچک باشند؛ بنابراین باید تقویت شوند و سپس بهگونهای شکلدهی و آمادهسازی شوند که بتوان آنها را بهدرستی نمایش داد.
- نمایشگر: دادههای اندازهگیریشده باید به شکلی قابلفهم ارائه شوند. این کار میتواند با استفاده از یک ابزار مدرج یا نمایشگر الکترونیکی انجام شود. گاهی نمایشگر علاوه بر این، بهعنوان ثبتکننده نیز عمل میکند تا تاریخچه یا روندهای اندازهگیری را نشان دهد.
شکل ۴. اجزای یک ابزار اندازهگیری.
معمولاً اطلاعات اندازهگیری تولیدشده توسط یک ابزار باید به مرکز کنترل (یا اتاق کنترل) ارسال شود که از نظر فیزیکی با ابزار فاصله دارد. بهطور کلی، این اطلاعات باید با مشخصات تعیینشده مطابقت داشته باشد.
شکل ۵. اطلاعات اندازهگیری از ابزار به اتاق کنترل ارسال میشود.
وقتی ابزاری قابلیت ارسال اطلاعات داشته باشد، آن را ترانسمیتر مینامیم (که اغلب بهصورت XMTR مخفف میشود).
دستهبندی ابزارها
برای ابزارهای اندازهگیری دستهبندیهای مختلفی وجود دارد. برای مثال، میتوان آنها را به ابزارهای میدانی یا ابزارهای تابلویی تقسیم کرد. ابزار میدانی نزدیک فرایند یا نقطه اندازهگیری نصب میشود. اگر در معرض شرایط محیطی سخت قرار گیرد، باید از نظر فیزیکی مقاوم باشد. ابزارهای تابلویی در اتاقی با محیط کنترلشده قرار دارند (اغلب فضایی تمیز با تهویه مطبوع و رطوبت کنترلشده).
دستهبندی دیگر، ابزارهای پنوماتیکی در برابر ابزارهای الکتریکی/الکترونیکی است.
ابزارهای پنوماتیکی
همانطور که از نامشان پیداست، اینها دستگاههایی هستند که با هوا کار میکنند.
یکی از مزایای این ابزارها این است که برق مصرف نمیکنند؛ بنابراین میتوان از آنها در مکانهایی استفاده کرد که بهکارگیری برق خطرناک یا نامناسب است. آنها با یک متغیر واحد کار میکنند، ابزارهایی غیردقیق هستند، تحت تأثیر ارتعاشات و تغییرات دما قرار میگیرند و به نگهداری زیادی نیاز دارند. سیگنال خروجی ترانسمیترها بین ۳ تا ۱۵ psi است و حداکثر فاصله انتقال تقریباً ۲۰۰ متر است.
شکل ۶. نمودار پایه یک ابزار پنوماتیکی.
ابزارهای الکتریکی / الکترونیکی
ابزارهای الکترونیکی را میتوان به سه دسته کلی تقسیم کرد: آنالوگ، آنالوگ هوشمند و دیجیتال.
دستگاههای آنالوگ:
- سیگنال خروجی: ۴ تا ۲۰ میلیآمپر
- فاصله انتقال: ۱۲۰۰ متر (معمولاً)
- دادههای مربوط به یک متغیر منتقل میشود
- دقت خوب
- نگهداری آسان
شکل ۷. نمودار پایه یک ابزار الکترونیکی (XMTR).
دستگاههای آنالوگ «هوشمند»:
- مشخصهسازی حسگر برای اندازهگیری دما، فشار استاتیک و غیره
- دقت عالی
- خودتشخیصی (یعنی حسگر میتواند مشکلات عملکرد خود را تحلیل کند)
- یک متغیر
دستگاههای دیجیتال:
- چندین ابزار میتوانند از یک کابل استفاده کنند
- انتقال چندین مقدار برای هر ابزار (متغیرهای فرایندی، کالیبراسیون، عیبیابی، بازه)
- فاصله: تقریباً ۱۹۰۰ متر بدون تکرارکننده
- ظرفیت داده تحت تأثیر شیوه انتقال (کابل، فیبر نوری، بیسیم) قرار میگیرد
شکل ۸. ترانسمیترهای دیجیتال.
مشخصات کلی حسگر
بازه: ناحیه بین حدودی که درون آن یک متغیر اندازهگیری میشود. این ناحیه را با مقادیر کمینه و بیشینهای که حدود آن را مشخص میکنند، نشان میدهد. بازه با دو عدد بیان میشود؛ برای مثال، 10 تا 20 °C، 10 تا 150 V، 0 تا 100٪
گستره: با کمکردن مقدار کمینه بازه از مقدار بیشینه آن محاسبه میشود. گستره با یک عدد منفرد و بر حسب واحدهای فرایندی بیان میشود؛ برای مثال، 120 °C، 30 V، 150 لیتر بر ثانیه.
ارتفاع: اگر حد پایینی بازه مقداری مثبت باشد، این حد پایینی ارتفاع است. برای مثال، اگر بازه از 50 °C تا 200 °C باشد، میتوان گفت ارتفاع 50 °C یا 33.3٪ گستره است.
فرونشست (که با عنوان سرکوب نیز شناخته میشود): اگر حد پایینی بازه منفی باشد، قدر مطلق این حد پایینی، فرونشست است. برای مثال، اگر بازه از -10 °C تا 80 °C باشد، میتوان گفت فرونشست 10 °C یا 11.1٪ گستره است.
بیشگستره: هنگامی که یک دستگاه برای کار در محدودهای مشخص کالیبره شده باشد، اما ممکن است در معرض مقادیری بالاتر یا پایینتر از آن محدوده قرار گیرد، به سازوکاری حفاظتی نیاز دارد تا از آسیبدیدن ابزار یا عبور نشانگر از حد بالایی یا پایینی آن جلوگیری شود. هنگامی که مقادیر اندازهگیریشده بالاتر از مقدار بیشینه باشند، بیشگستره مثبت داریم. هنگامی که مقادیر اندازهگیریشده پایینتر از مقدار کمینه باشند، بیشگستره منفی داریم.
شکل ۹. نمونههایی از بازه، گستره، ارتفاع و فرونشست.
خطا: تفاوت بین مقدار اندازهگیریشده و مقدار واقعی (یا مورد انتظار یا مطلوب) یک متغیر فیزیکی. خطا میتواند مثبت یا منفی باشد. وقتی مقدار اندازهگیریشده بیشتر از مقدار واقعی باشد، خطا مثبت است. وقتی مقدار اندازهگیریشده کمتر از مقدار واقعی باشد، خطا منفی است.
اگر مقدار اندازهگیریشده > مقدار واقعی باشد، خطا > 0 است
اگر مقدار اندازهگیریشده < مقدار واقعی باشد، خطا < 0 است
خطا را میتوان بهصورت زیر بیان کرد
- بر حسب واحدهای مهندسی (برای مثال، °C، psi)
- بهصورت درصدی از گستره اندازهگیری (برای مثال، +/- 3٪ گستره اندازهگیری)
- بهصورت درصدی از اندازهگیری (برای مثال، +/- 5٪ اندازهگیری)
مقدار مرجع: در معنای کلی، به مقدار واقعی، مورد انتظار یا مطلوب یک متغیر اشاره دارد. در زمینه یک سیستم کنترل بازخوردی، مقدار اندازهگیریشده از مقدار مرجع کسر میشود تا سیگنال خطا تولید شود.
دقت: عددی که حدود خطا را مشخص میکند. وقتی میگوییم دقت یک ابزار 0.1٪ گستره اندازهگیری است، یعنی در هر نقطهای از محدوده، قرائتها بیش از 0.1٪ گستره اندازهگیری با مقدار واقعی اختلاف ندارند.
نمونهای از اندازهگیری فرایند
برای درک بهتر مفاهیم بیانشده در بالا، مثال زیر را در نظر بگیرید.
ما یک مخزن روغن داریم که لازم است دمای آن بهطور پیوسته اندازهگیری شود. شرایط عملیاتی این فرایند به شرح زیر است:
- حداقل دما: -10 °C
- حداکثر دما: 90 °C
- دقت اندازهگیری باید 1٪ گستره اندازهگیری یا بهتر باشد.
- اندازهگیری دما باید بهصورت محلی و از راه دور نمایش داده شود.
شکل 10. سیستم نمونه ما.
ابتدا باید ابزار اندازهگیریای را انتخاب کنیم که امکان اندازهگیری دمای مایع داخل مخزن را فراهم کند. از آنجا که اطلاعات باید بهصورت محلی و از راه دور در دسترس باشند، یک ترانسمیتر دما انتخاب خواهیم کرد.
این ترانسمیتر باید ویژگیهای زیر را داشته باشد:
- محدوده: -10 °C تا 90 °C
- گستره اندازهگیری: 90 °C - (-10 °C) = 100 °C
- کاهش: 10 °C یا 10٪ گستره اندازهگیری
- دقت: 1٪ گستره اندازهگیری = 1٪ × 100 °C = 1 °C
- این دقت 1٪ تضمین میکند که در هر اندازهگیری یا قرائت دما، تغییرات یا خطاها از +/- 1 °C بیشتر نشوند.
نکته دیگری که باید به آن توجه کنیم، اطمینان از وجود رابطهای صحیح بین گستره و خروجی استاندارد ترانسمیتر است. برای کالیبره کردن ابزار، باید کمینه گستره (-10 °C) را به کمینه خروجی (4 mA) و بیشینه گستره (90 °C) را به بیشینه خروجی (20 mA) نسبت دهیم.
نتیجهگیری
در این مقاله، دستگاههای اندازهگیری و مفاهیم بنیادی اندازهگیری را در زمینه سیستمهای ابزار دقیق و کنترل بررسی کردیم. همچنین نگاهی به یک سیستم نمونه ساده داشتیم که شامل یک عنصر گرمایشی و ابزاری برای جمعآوری و ارسال دادههای دما بود. در مقاله بعدی، چهار متغیر پایه مورد استفاده در کاربردهای صنعتی، یعنی جریان، سطح، دما و فشار، را بررسی خواهیم کرد. همچنین درباره حسگرهای مختلفی مانند صفحات روزنهای، ترموکوپلها و RTDها بحث میکنیم و ابزارها و ترانسمیترهای مورد استفاده برای اندازهگیری این چهار کمیت فیزیکی را مرور خواهیم کرد.
