پوزیشنر شیر کنترل چیست و چگونه کار می کند

پوزیشنر (موقعیت ساز) شیر کنترلی وسیله ای است که سیگنال یک ابزار دقیق (کنترل کننده) و موقعیت میل (استم) ولو را حس می کند. وظیفه اصلی آن اطمینان از مطابقت پوزیشنر پایه با سیگنال خروجی کنترل کننده یا رگولاتور است.

پوزیشنر برای افزایش یا کاهش فشار بار هوای محرک یک شیر کنترلی استفاده می‌شود تا زمانی که استم شیر به موقعیتی برسد که نسبت به سیگنال خروجی از کنترل‌کننده ابزار متغیر فرآیند متعادل باشد.

کجا از پوزیشنر استفاده کنیم؟

پوزیشنرها برای کنترل باز یا بسته شدن محرک (اکچویتور) بر اساس سیگنال های الکتریکی یا پنوماتیکی مناسب هستند. طیف وسیعی از پوزیشنرها با طراحی آنالوگ و دیجیتال قابل ارائه هستند.

توجه داشته باشید که برای کنترل مداوم بر کل حرکت شیر، استفاده از پوزیشنرها معمولاً در صورتی ضروری است که موقعیت ولو برای دنبال کردن دقیق سیگنال کنترل لازم باشد. با این حال در برخی کاربردهای دیگر که بازخورد فرآیند سریع و متناسب با باز شدن شیر است، بازخورد موقعیت مورد استفاده توسط پوزیشنر ضروری نیست و شیر را می توان مستقیماً با تغییر نیروی محرک مستقیماً از کنترل کننده فرآیند هدایت کرد.

اساس عملکرد پوزینشنر شیر کنترل

پوزیشنرهای پنوماتیک و الکتروپنوماتیکی با اصل تعادل نیرو کار می کنند. نیرو از سیگنال فشار منتقل شده از طریق دیافراگم در بازوی تعادل منشأ می گیرد. فنر فیدبک نیروی مخالف را فراهم می کند. نیروی مخالف ایجاد شده متناسب با موقعیت بازوی پایین است.

پوزیشنرها عموماً برای شیرهای کنترلی با استم لغزشی خطی و برای شیرهای کنترل دوار، در قسمت انتهایی شفت یا نزدیکی آن نصب می‌شوند. برای هر دو نوع طراحی اولیه، موقعیت‌دهنده شیر به‌طور مکانیکی به میل ولو یا شفت ولو متصل می‌شود تا بتوان موقعیت آنها را با موقعیت تعیین‌شده توسط کنترل‌کننده مقایسه کرد. این لینک بازخورد مکانیکی به گونه‌ای عمل می‌کند که کنترل‌کننده فرآیند به پوزیشنر می‌گوید موقعیت را «تغییر» دهد. لینک بازخورد به پوزیشنر گزارش می‌دهد و تأیید می‌کند که تغییری در موقعیت میل ولو رخ داده است و حس بزرگی تغییر موقعیت را نشان می‌دهد.

پوزیشنر ولو یک دستگاه تعادل نیرو است.

اهمیت پوزیشنر شیر کنترل

پوزیشنرهای شیر کنترل برای دستیابی به نتایج کنترل دقیق ضروری هستند. پوزیشنر به طور صحیح استم ولو را – علیرغم تأثیرات خارجی، به عنوان مثال، در هنگام هواگیری محفظه محرک یا در صورت بروز اختلالاتی مانند نیروهای اصطکاک،- قرار داده و نگه می دارد (مثال در جعبه پر کردن).

سیگنال ورودی از یک کنترل کننده یونیورسال یا سیستم کنترل به عنوان سیگنال الکتریکی یا پنوماتیکی می آید. این سیگنال توسط پوزیشنر به سیگنال خروجی تبدیل می شود.

دلایل استفاده از پوزیشنر ولو در زیر خلاصه می شود:

• افزایش وضوح سیستم کنترل یعنی کنترل خوب
• تسهیل عملیات هنگامی که عدد بالاتر در محدوده مجموعه محرک بیشتر از ۱۵psig باشد
• اجازه استفاده از بادامک های مشخصه در شیرهای دوار
• اثرات اصطکاک پکینگ استم ولو و هیسترزیس ناشی از آن، به ویژه برای متریال پکینگ با دمای بالا مانند گرافیت را به حداقل برسانید.
• واکنش های ناشی از جریان را به افت فشار بالاتر نفی کنید. یعنی جبران عدم تعادل نیروی داخلی
• افزایش سرعت پاسخ به تغییر در فرآیند. اجازه بارگیری و تخلیه سریعتر را می دهد.
• برای تقسیم محدوده اجازه دهید. یعنی یک کنترل کننده برای دو شیر
• غلبه بر اصطکاک نشیمنگاه در شیرهای دوار
• ایجاد فاصله بین کنترل کننده و شیر کنترل را در نظر بگیرید
• دامنه وسیعی از تغییرات جریان را مجاز کنید. یعنی با کمتر از ۱۰ درصد گردش در شرایط عادی کار کنید.
• امکان افزایش استفاده از سیگنال الکترونیکی ۴ تا ۲۰ میلی آمپر را فراهم کنید.
• اجازه استفاده از محرک های پیستونی با فشار هوای بالای ابزار.

ترانسمیترهای موقعیت (پوزیشن)

این سیگنال موقعیت مورد نیاز را مشخص می کند. ترنسمیتر های موقعیت یا ترانسمیترهای مقاومتی امکان سیگنال دهی مداوم را می دهند. علاوه بر این، ترنسمیتر های موقعیت، موقعیت حرکت فعلی شیر کنترل را نشان می دهند.

هنگامی که سیگنال بازخورد موقعیت به درصد مربوطه از محدوده افست رسید، سیگنال خروجی متناسب با آن تنظیم می شود و برای حفظ موقعیت مورد نظر دستگاه تثبیت می شود.

برای فرآیندهای حیاتی، پوزیشنر گزینه ارجح است.

چه زمانی پوزیشنرها مفید هستند؟

محرک شیر کنترلی به فشار هوای بیشتر از ۱٫۰ کیلوگرم بر سانتی متر مربع (۱۵ psi) نیاز دارد که خروجی معمول مبدل جریان به پنوماتیک (i/p) است.

کارکرد محدوده تقسیم شده (اسپلیت)

یک سیگنال خروجی واحد از یک کنترلر بین دو شیر کنترل تقسیم می شود. دو  شیر باید مقابل هم کار کنند، یعنی یکی باز می شود و دیگری بسته می شود.

به عنوان مثال، در فرآیند خنثی سازی pH، اسید یا قلیایی، ولوها در کنترل محدوده اسپلیت کار می کنند.

غلبه بر اصطکاک سیت

پوزیشنر می تواند بر نیروی رانش رو به بالا اعمال شده توسط سیالات فرآیند غلبه کند. سیت ولو را بر اساس سیگنال ورودی تنظیم کند. سیگنال خروجی پنوماتیک از پوزیشنر، فشار را بر روی عناصر محرک ایجاد می کند و بر اصطکاک سیت غلبه می کند.

دقت پوزیشنر

هدف اصلی استفاده از پوزیشنر جلوگیری از خطا در گردش و بهبود دقت حرکت شیرهاست.

انواع پوزیشنرها

• پوزیشنر پنوماتیکی
• پوزیشنر الکترو پنوماتیکی
• پوزیشنر دیجیتال

پوزیشنر شیر کنترل پنوماتیک

پوزیشنرهای پنوماتیک از سیگنال های ورودی ۳تا ۱۵ PSI (پوند بر اینچ مربع) استفاده می کنند، اگرچه سایر سیگنال های ورودی دیگر بسته به فرآیند می توانیم استفاده کنیم.

آنها معمولاً بصورت ترکیب با مبدل i/p استفاده می شوند که سیگنال الکتریکی را به پنوماتیک تبدیل می کند.

در جایی که پیکربندی سیگنال های الکتریکی برای سایت با جو بالقوه انفجاری ایمن نیست. سیگنال پنوماتیک ایمن ترین سیگنال است که برای به حداقل رساندن خطرات ناشی از کار با سیگنال های الکتریکی ضروری است. بنابراین، یک سیگنال الکتریکی توسط یک مبدل I/P برای استفاده در سایت به سیگنال پنوماتیک تبدیل می شود.

پوزیشنرهای شیر کنترل الکترو پنوماتیک

پوزیشنرهای الکتروپنوماتیکی کاربردهای گسترده ای در صنعت فرآیند دارند. پنوماتیک و مکانیک آن مشابه پوزیشنرهای پنوماتیکی است.

پوزیشنر الکترو پنوماتیک باز شدن تدریجی ولو ها را در ارتباط با اکچویتورهای پنوماتیکی کنترل می کند. فشار پنوماتیک و سیگنال الکتریکی ۴ تا ۲۰ میلی آمپر از طریق کنترل کننده الکترونیکی به تدریج شیر را باز می کند. برای یک محرک چرخشی، موقعیت چرخش محرک بین ۰ تا ۹۰ درجه است.

با این حال، پوزیشنرهای الکتروپنوماتیک دارای یک ماژول مبدل بالادستی با اتصال مستقیم هستند. که ورودی مرجع را از یک سیگنال الکتریکی (۴ تا ۲۰ میلی آمپر) به یک سیگنال پنوماتیک بین ۰٫۲ تا ۱ بار تبدیل می کند.

پوزیشنر شیر کنترل دیجیتال

پوزیشنرهای دیجیتال سیستم کنترل را به شیر متصل می کنند. یک ریزپردازنده کنترل می کند. پوزیشنرهای هوشمند یا دیجیتالی بسیار شبیه به نوع I/P آنالوگ که در بالا توضیح داده شد عمل می کنند، اما تفاوت آن در این است که تبدیل سیگنال الکترونیکی به جای آنالوگ دیجیتال است.

انواع دیجیتال سه دسته را شامل می شوند:

• غیر ارتباطی دیجیتال: در این نوع، یک سیگنال جریان (۴-۲۰ میلی آمپر) به پوزیشنر ارائه می شود که هم برق الکترونیک را تامین می کند و هم خروجی را کنترل می کند.
• HART: این همان دستگاه غیر ارتباطی دیجیتال است، اما قادر به برقراری ارتباط دیجیتال دو طرفه از طریق سیم های مشابهی است که برای سیگنال آنالوگ استفاده می شود.
• FieldBus: این نوع سیگنال‌های مبتنی بر دیجیتال را دریافت می‌کند و شیر را با استفاده از مدارهای الکترونیکی دیجیتال متصل به اجزای مکانیکی، موقعیت‌یابی می‌کند. در اینجا یک سیگنال کنترل تمام دیجیتال جایگزین سیگنال کنترل آنالوگ می شود. علاوه بر این، ارتباط دیجیتال دو طرفه از طریق سیم های مشابه امکان پذیر است. فن‌آوری‌های فیلدباس با ایجاد بهبود معماری کنترل، قابلیت محصول و کاهش سیم‌کشی برای کاربر نهایی مفید است.

پروتکل های ارتباطی موجود عبارتند از Foundation Fieldbus (FF)، پروتکل HART، و Profibus PA. پوزیشنرهایی که سیگنال ۴ تا ۲۰ میلی آمپر یا سیگنال دیجیتال (دستگاه‌های مبتنی بر پروتکل) را دریافت می‌کنند، به عنوان مثال، HART و موقعیت شیر را بر اساس سیگنال ورودی قرار داده و به کنترلر بازخورد می‌دهند. در همان زمان، ما می توانیم شرایط ایمن شکست (fail-safe) و حالت عمل مستقیم یا معکوس را پیکربندی کنیم.

مزایای پوزیشنر دیجیتال

پوزیشنرهای دیجیتال پیشرفته تر از هر نوع پوزیشنر دیگری هستند. موارد زیر مزایای پوزیشنرهای دیجیتال است.

• کاهش مصرف هوا.
• راه اندازی خودکار (صفر و تنظیم دهانه).
• نظارت مستمر بر حلقه کنترل.
• سرعت کنترل قابل تنظیم
• ارتباط دیجیتال از طریق پروتکل HART، Foundation Fieldbus، Profibus.
• قابلیت اطمینان و عملکرد شیر کنترل بهبود یافته است.
• کالیبراسیون دقیق تر برای کنترل دقیق تر  positioner.
• تشخیص پیشرفته برای تعمیر و نگهداری پیش بینی.

دلیل اصلی محبوبیت پوزیشنرهای دیجیتال این است که آنها می توانند بسیار بیشتر از کنترل موقعیت ولوها انجام دهند.

برندهای پوزینشر معروف

Samson model: 3730-1, 3730-2, 3730-3, 3731-3, 3765, 3767, 3763, 3725, 4763

Fisher model: dvc6000, dvc6010, dvc6200, dvc2000, 3570, 3582, 3600, 3660

Siemens model: 6DR5010, 6DR5110, 6DR5120, 6DR5210, 6DR5213, 6DR5215, SIPART PS2 smart electropneumatic, 74/74G, 760, 73N12F

SMC model: IP200, IP300, IP8001, IP8100, IP8101

Foxboro Eckartd Model: SRP981, SRD960, SRD991, SRI986, SRI

Metso Model: ND7000, ND7100, ND9000, ND9103

Masoneilan model: SVI-II, SVI-FF, SVI-1000, SVI-3, 4200, 4700E/4800E, 8103,