طیفی از سیستم ها و روش های کنترل سطح در صنعت

منتشر شده در 1399/09/06 | بازدید : 32 بار | زمان مطالعه : 15 دقیقه

سیستم ها ممکن است مبتنی بر استفاده از شناورها ، کاوشگرها یا حتی فناوری پیشرفته تر باشند. این آموزش استفاده از کاوشگرها(میکروسوئیچ ها) برای تهیه کنترل روشن / خاموش قابل تنظیم و غیر قابل تنظیم و کنترل مایعات را مطالعه می کند. برنامه های کنترل جریان ساده نیز در نظر گرفته می شوند.

کنترل سطح مایعات ، به عنوان مثال در یک مخزن فرآیند ، عملکرد مهمی است. به عنوان مثال می توان به مخزن آب داغی اشاره کرد که در آن آب خارج می شود ، شاید برای شستشو ، و سطح لازم برای چرخه شستشوی بعدی بازیابی شود.

کنترل سطح آب و آلارم برای دیگهای بخار به طور خاص از این ماژول مستثنی است.

انواع مختلفی از سیستم های کنترل سطح در صنعت مورد استفاده قرار می گیرند که طیف گسترده ای از فرآیندها را پوشش می دهند. برخی از فرآیندها مربوط به رسانه های دیگر مایعات مانند پودرهای خشک و مواد شیمیایی خواهند بود. دامنه رسانه به قدری گسترده است که هیچ سازه ای برای کاربردهای مناسب مناسب نیست.

بسیاری از سیستم ها برای ارائه به این طیف گسترده از برنامه ها در دسترس هستند. لیست زیر جامع نیست اما در بیشتر موارد ، سیگنال کنترل نهایی برای کار پمپ ها یا شیرهای مناسب با کاربرد استفاده می شود:

انواع عملیاتی شناور - یک شناور با توجه به تغییر سطح مایع بالا و پایین می رود و کلیدها را در نقاط از پیش تعیین شده در محدوده کار می کند.

انواع پروب جامد - اینها رسانایی یا ظرفیت را اندازه گیری می کنند و با جزئیات بیشتر در صفحات بعدی بحث می شوند.

انواع ظرفیت طناب فولادی - یک طناب فولادی انعطاف پذیر در مایع معلق است و تغییر ظرفیت نسبت به تغییر سطح آب اندازه گیری می شود.

انواع اولتراسونیک - یک پالس صوتی با فرکانس بالا از مبدل به سطح محیط اندازه گیری شده هدایت می شود و با دانستن دما و سرعت صدا در هوا ، مدت زمان برگشت پالس به سنسور استفاده می شود برای تعیین سطح.

انواع رادار مایکروویو - در اصل مشابه نوع اولتراسونیک است اما از انرژی الکترومغناطیسی با فرکانس بالا به جای انرژی صوتی استفاده می شود.

انواع هیدرواستاتیک - از یک فرستنده فشار برای اندازه گیری اختلاف فشار بین فشار هیدرواستاتیک محدود شده مایع در بالای سنسور و فشار اتمسفر خارج استفاده می شود. تغییرات فشار نسبت به اختلاف سر به سیگنال خروجی 4-20 میلی آمپر تبدیل می شود.

انواع فشار دیفرانسیل - مشابه هیدرواستاتیک اما در مواردی که برنامه اندازه گیری می شود علاوه بر فشار استاتیک ، تحت فشار دینامیکی نیز قرار می گیرد. آنها قادر به اندازه گیری تغییرات کوچک فشار در ارتباط با دامنه سیگنال خروجی هستند. برنامه های معمول ممکن است برای اندازه گیری سطح آب درام بخار دیگ بخار ، یا سطح میعانات در جیب میعانات reboiler باشد.

انواع مغناطیسی - یک شناور یا مخروط می تواند در امتداد یک پروب فولاد ضد زنگ که در مایع مخزن اندازه گیری می شود ، بالا و پایین بیاید. شناور می تواند به طور مغناطیسی با کلیدهای خارج مخزن که اطلاعات را به کنترل کننده ارسال می کنند ، تعامل داشته باشد.

انواع پیچش - یک اسپیندل شناور متحرک تغییری در پیچش تولید می کند که توسط مبدل پیچشی اندازه گیری می شود.

مهم است که سیستم کنترل سطح برای کاربرد صحیح باشد و قبل از انتخاب از تولید کننده مشاوره تخصصی گرفته شود.

 

بحث در مورد جوانب مثبت و منفی و کاربردهای بالقوه همه کنترلرهای فوق در محدوده این ماژول نیست ، زیرا انواع سیستم های کنترل سطح که معمولاً در حلقه بخار و میعانات به کار می روند و برنامه های مرتبط با آن انواع کاوشگر شناور و جامد هستند . عملکرد انواع شناور کاملاً قابل توضیح است ، اما کاوشگرهای رسانایی و ظرفیت می توانند توضیحاتی را بخواهند. به همین دلیل ، این بخش عمدتاً بر روی کنترل های سطح هدایت و ظرفیت خازنی متمرکز است.

روش های دستیابی به کنترل سطح

سه روش اصلی برای دستیابی به کنترل سطح وجود دارد:

کنترل سطح روشن / خاموش غیر قابل تنظیم.

کنترل سطح روشن / خاموش قابل تنظیم.

تعدیل کنترل سطح.

کنترل سطح روشن / خاموش غیر قابل تنظیم 

عنصر کنترل نهایی ممکن است پمپی باشد که خاموش یا روشن شود یا سوپاپی باز یا بسته شود.

معمولاً دو نوع اصلی از سیستم های کنترل سطح خاموش و روشن وجود دارد. کنترل کننده های سطح نوع شناور یا به حرکت مستقیم شیر کنترل متکی هستند ، یا به سوئیچ های الکتریکی که توسط شناور در حال حرکت روی سطح مایع هستند کار می کنند. ردیاب های رسانایی (به شکل 8.3.1 مراجعه کنید) ممکن است دارای چندین ردیاب باشند. نقاط کنترلی در جایی قرار گرفته اند که نوک های جداگانه به طول های مختلف بریده شده اند.

کنترل سطح خاموش و روشن قابل تنظیم 

دوباره ، عنصر کنترل نهایی ممکن است یک پمپ باشد که خاموش یا روشن شود یا سوپاپی باز یا بسته شود. یک روش برای تنظیم نقاط کنترل ، استفاده از یک پروب خازنی است (شکل 8.3.2 را ببینید). پروب با تنظیم نقاط کنترل توسط کنترل کننده ، سطح را کنترل می کند. پروب های ظرفیت برای رسیدن به سطح مورد نیاز به طول بریده نمی شوند و البته کل طول پروب باید برای دامنه کنترل کامل کافی باشد.

تعدیل سطح کنترل (شکل 8.3.2)

عنصر کنترل نهایی ممکن است دریچه ای باشد که به عنوان تابعی از سطح کنترل شده ، به یک نقطه بین کاملاً باز و کاملاً بسته تنظیم شود. با استفاده از یک کاوشگر هدایت نمی توان کنترل سطح سطح را تعدیل کرد. پروب های ظرفیت برای این منظور ایده آل هستند (شکل 8.3.2 را ببینید).

در سیستم های این نوع ، پمپ می تواند به طور مداوم کار کند ، و شیر اجازه می دهد تا مقدار مناسب مایع عبور کند. متناوباً ، عنصر کنترل نهایی ممکن است یک درایو با سرعت متغیر روی یک پمپ باشد. سرعت درایو ممکن است در محدوده انتخاب شده تنظیم شود.

هشدارها - اغلب برای هشدار درباره هرکدام از موارد زیر لازم است:

یک هشدار شدید که در آن خطر ریختن مخزن و ریختن مایع داغ وجود دارد که تهدیدکننده آن برای پرسنل است.

هشدار کم که در آن خطر کم شدن سطح آب مخزن وجود دارد و احتمال آسیب رساندن به پمپ از مخزن و یا تمام شدن مایع برای فرآیند را دارد.

نصب شناورها و کاوشگرها در شرایط آشفته

 

در برخی از مخازن و شناورها ، شرایط آشفته ای ممکن است وجود داشته باشد ، که می تواند منجر به سیگنال های نامنظم و غیر نمایشی شود. اگر چنین شرایطی به احتمال زیاد (یا از قبل) وجود دارد ، توصیه می شود که شناورها یا کاوشگرها درون لوله های محافظ نصب شوند. اینها اثر نرمی بر سطح آب دارند. بقیه این ماژول بیشتر مربوط به کاوشگرها است تا شناورها برای کاربردهای کنترل سطح.

 

کنترل سطح روشن / خاموش غیر قابل تنظیم

کنترل سطح روشن / خاموش غیر قابل تنظیم از یک پروب هدایت متصل به یک کنترل کننده الکترونیکی استفاده می کند. این کاوشگر به طور معمول دارای سه یا چهار نوک است ، که برای رسیدن به سطح سوئیچینگ یا زنگ هشدار لازم ، هر یک از آنها در طول نصب طول بریده می شود.

هنگامی که نوک پروب در مایع قرار می گیرد ، از رسانایی نسبتاً زیاد آب برای تکمیل مدار الکتریکی از طریق فلز مخزن و کنترل کننده استفاده می کند.

هنگامی که سطح آب به زیر نوک می رسد ، مقاومت مدار به طور قابل توجهی افزایش می یابد ، این به کنترل کننده نشان می دهد که نوک در مایع غوطه ور نیست.

در مورد یک سیستم ساده "پمپاژ" با کنترل سطح روشن / خاموش:

- هنگامی که سطح آب مخزن به زیر انتهای یک نوک می رسد ، شیر باز می شود.

- هنگام بالا آمدن سطح آب ، شیر بسته می شود تا با نوک دیگری تماس بگیرد.

- ممکن است از نکات دیگری برای فعال کردن هشدارهای کم یا زیاد استفاده شود.

مزیت - فایده - سود - منفعت:

یک روش ساده اما دقیق و نسبتاً ارزان برای کنترل سطح.

برنامه های کاربردی:

این سیستم می تواند برای مایعات با رسانایی 1 μS / cm یا بیشتر مورد استفاده قرار گیرد و برای مخازن میعانات ، مخازن آب تغذیه و مخازن فرآوری یا شناورها مناسب است. در مواردی که رسانایی به زیر این سطح می رسد ، توصیه می شود از کنترل های سطح مبتنی بر ظرفیت استفاده شود.

توجه داشته باشید:

اگر مخزن از ماده ای غیر رسانا ساخته شده باشد ، مدار الکتریکی ممکن است از طریق نوک دیگر کاوشگر حاصل شود.

کنترل سطح روشن / خاموش قابل تنظیم

یک سیستم کنترل سطح خاموش و روشن قابل تنظیم شامل یک کنترل کننده و یک کاوشگر ظرفیت است (شکل 8.3.4 را ببینید) و فراهم می کند:

کنترل باز / بسته سوپاپ به همراه یک نقطه زنگ خطر.

متناوباً دو زنگ هشدار - کم و زیاد.

سطوح عملکرد شیر را می توان از طریق توابع کنترل کننده تنظیم کرد.

مزیت - فایده - سود - منفعت:

کنترل سطح قابل تنظیم روشن و خاموش اجازه می دهد تا تنظیمات سطح بدون خاموش شدن روند تغییر یابد.

 

عیب:

گرانتر از کنترل روشن / خاموش غیر قابل تنظیم.

برنامه های کاربردی:

برای بیشتر مایعات ، از جمله مایعات با رسانایی پایین ، قابل استفاده است.

توجه داشته باشید:

می تواند در شرایطی که سطح مایع آشفته است ، استفاده شود و الکترونیک داخلی می تواند برای جلوگیری از چرخش سریع روشن / خاموش پمپ (یا سوپاپ) تنظیم شود.

تعدیل کنترل سطح

یک سیستم کنترل سطح تعدیل متشکل از یک پروب ظرفیت و کنترل کننده مناسب است که سیگنال خروجی مدولاسیون را به طور معمول 4-20 میلی آمپر فراهم می کند. به شکل 8.3.5 مراجعه کنید. این سیگنال خروجی ممکن است برای تحت تأثیر قرار دادن انواع دستگاه ها از جمله:

تعدیل شیر کنترل.

عملکرد یک درایو پمپ با سرعت متغیر.

مزیت - فایده - سود - منفعت:

از آنجا که پروب و کنترل کننده به جای تأمین برق برای کار با دستگاه ، فقط سیگنالی را به دستگاه های دیگر پاسخ می دهند ، محدودیتی در اندازه برنامه وجود ندارد.

کنترل ثابت سطح درون مخزن.

عیب:

گرانتر از سیستم پروب هدایت

پیچیده تر از سیستم کاوشگر هدایت

سیستم تأمین باید به طور دائم شارژ شود.

برای عملکرد "آماده به کار" کمتر مناسب است.

احتمالاً مصرف برق بیشتر.

توجه داشته باشید:

برای محافظت از پمپ منبع تغذیه در هنگام پمپاژ در برابر یک شیر تنظیم کننده بسته ، برای اطمینان از حداقل جریان از طریق پمپ ، جریان گردش مجدد یا ریختن عقب فراهم شده است (در شکل 8.3.5 نشان داده نشده است).

برنامه های کنترل جریان بخار

كنترل جریان بخار نسبت به كنترل فشار و دما كمتر رایج است ، اما در كاربردهایی كه كنترل فشار یا دما برای دستیابی به اهداف فرآیند امكان پذیر نیست یا مناسب نیست ، مورد استفاده قرار می گیرد. بخشهای زیر اطلاعات بیشتری در مورد اندازه گیری و کنترل جریان بخار ارائه می دهند.

 

سیستم کنترل جریان

برنامه های کاربردی نمونه:

سیستم های انتقال خوراک در کارخانه دیگ بخار ، جایی که سرعت جریان بخار از دیگ بخار روی سایر نقاط کنترل تأثیر می گذارد ، به عنوان مثال: میزان آرایش آب تغذیه ، و سرعت شلیک مشعل.

فرآیندهای آبرسانی ، جایی که مقدار اندازه گیری شده بخار (آب) به محصولی تزریق می شود که برای حمل و نقل یا ذخیره سازی خشک شده است. نمونه هایی از این را می توان در صنایع دخانیات ، قهوه و خوراک دام یافت.

فرآیندهای دسته ای ، جایی که از تجربه مشخص شده است که مقدار اندازه گیری شده بخار نتیجه مطلوبی را بر روی محصول ایجاد می کند.

انتخاب و کاربرد اجزای مورد استفاده برای کنترل دبی نیاز به تفکر دقیق دارد.

جریان سنج (مبدل خط لوله)

فلومتر یک مبدل خط لوله است که جریان را به سیگنالی قابل اندازه گیری تبدیل می کند. مبدل خط لوله که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرد ، احتمالاً جریان را به فشار دیفرانسیل مرتبط می کند. این سیگنال فشار توسط مبدل دیگری (معمولاً یک فرستنده استاندارد DP (فشار دیفرانسیل)) مبدل می شود که فشار دیفرانسیل را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. برخی از مبدل های خط لوله قادر به تبدیل مستقیم جریان به سیگنال الکتریکی بدون نیاز به فرستنده DP هستند.

شکل 8.3.6 یک جریان سنج متغیر و یک فرستنده استاندارد DP مربوط به فشار دیفرانسیل اندازه گیری شده در سراسر جریان سنج را به یک سیگنال الکتریکی 4 - 20 میلی آمپر نشان می دهد. فرستنده DP استاندارد برای عملکرد در فشار بالادستی مشخص کالیبره می شود. اگر این فشار تغییر کند ، سیگنال خروجی جریان را به طور دقیق نشان نمی دهد. یکی از راههای غلبه بر این مشکل ارائه سیگنال فشار (یا دما) درصورتی است که محیط بخار اشباع شده باشد و یا اگر سیال بخار بیش از حد گرم شود سیگنال فشار و دما وجود دارد ، همانطور که در بخش بعدی توضیح داده شده است. روش دیگر استفاده از فرستنده جریان جرمی DP است که به طور خودکار تغییرات فشار را جبران می کند.

نیاز احتمالی به رایانه

اگر بخار مایعات موجود در خط لوله باشد ، ممکن است حسگرهای دما و / یا فشار دیگری برای تهیه سیگنال برای جبران تغییرات فشار تغذیه لازم باشد ، همانطور که در شکل 8.3.7 نشان داده شده است.

ورودی های متعدد به این معنی است که یک رایانه جریان اضافی (یا PLC) حاوی مجموعه ای از جداول بخار الکترونیکی باید سیگنال های هر یک از این سنسورهای جریان ، فشار و دما را پردازش کند تا اندازه گیری دقیق بخار اشباع یا بیش از حد گرم شود.

اگر کامپیوتر جریانی برای جبران تغییرات فشار بالادست به راحتی در دسترس نباشد ، ممکن است فشار ثابت فراهم شود. شاید با استفاده از یک شیر کنترل بالادست ، کنترل فشار پایدار و دقیق را انجام دهید (در شکل 8.3.7 نشان داده نشده است).

هدف این شیر کنترل فشار تأمین فشار پایدار (و نه کاهش) است ، اما ذاتاً افت فشار را به لوله تأمین وارد می کند.

جدا کننده ای که برای محافظت از جریان سنج در برابر بخار مرطوب قبل از هر ایستگاه جریان سنج بخار قرار داده می شود ، از شیر کنترل فشار در برابر سیم کشی نیز محافظت می کند.

استفاده از فرستنده DP جریان جرم

با استفاده از فرستنده جریان جرمی DP به جای فرستنده استاندارد DP ، نیازی به رایانه برای اندازه گیری دقیق نیست ، همانطور که در شکل 8.3.8 نشان داده شده است.

زیرا فرستنده جریان جرم مجموعه جداول بخار مخصوص به خود را دارد و می تواند هرگونه تغییر در فشار تأمین بخار اشباع شده را جبران کند.

با این وجود ، اگر اطلاعات مهم دیگری برای اندازه گیری جریان ، مانند زمان حداکثر یا حداقل بار ، یا نیاز به یکپارچه سازی جریان در یک بازه زمانی خاص ، مورد نیاز باشد ، هنوز می توان از رایانه استفاده کرد.

اگر بخواهیم دبی کنترل شود ، از سیستم که استفاده شود ، هنوز به یک کنترل کننده نیاز است.

کنترل کننده

حتی اگر سیگنال خروجی از فرستنده DP یا رایانه از نوعی باشد که محرک شیر کنترل می تواند آن را بپذیرد ، به دلایل زیر یک کنترل کننده (مانند هر نوع سیستم کنترل دیگر) مورد نیاز خواهد بود:

سیگنال خروجی از فلومترها / رایانه های خاص دارای یک بازه تکرار طولانی مدت (تقریباً 3 ثانیه) است ، که اطلاعات کافی برای عملکرد موفقیت آمیز ضبط کننده نمودار را می دهد ، اما ممکن است پاسخ کافی برای یک شیر کنترل ارائه ندهد. این بدان معنی است که اگر کنترل کننده یا PLC که سیگنال فرستنده به آن عرضه می شود با سرعت بالاتری کار کند ، فرایند می تواند ناپایدار شود.

توابع PID بدون کنترل کننده در دسترس نیستند.

انتخاب یک نقطه تنظیم بدون کنترل کننده امکان پذیر نیست.

سیگنال به کالیبراسیون در مسیر سوپاپ نیاز دارد - اثرات استفاده از شیر بسیار بزرگ یا کم اندازه بدون کالیبراسیون ، به راحتی می تواند مشکلاتی را ایجاد کند.

خلاصه

معمولاً بهتر است دستگاه جریان سنج را در بالادست شیر ​​کنترل جریان نصب کنید. فشار بالاتر اندازه آن را به حداقل می رساند و باعث می شود از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد. همچنین احتمالاً جریان سنج تحت فشار (و چگالی) بخار ثابت تری قرار خواهد گرفت و تحت تأثیر تلاطم شیر کنترل جریان پایین دست قرار می گیرد.

در بعضی موارد ، ممکن است برنامه برای کنترل در دبی ثابت مورد نیاز باشد. این بدان معناست که ویژگی هایی مانند نسبت های بالای خمشی مهم نیستند و فلومترهای صفحه سوراخ مناسب هستند.