شیر کنترل پنوماتیک

شیر کنترلی پنوماتیک

شیرهای کنترل (Control valves) نقش مهمی در تنظیم جریان سیالات و گازها در فرآیندهای مختلف صنعتی دارند. با پیشرفت تکنولوژی، استفاده از شیرهای کنترل با محرک‌های  متفاوت برقی، پنوماتیکی و هیدرولیکی در صنعت متداول است. شیرهای کنترلی با محرک‌های پنوماتیکی مزایای متعددی نسبت به محرک‌های الکتریکی سنتی دارند، از جمله سادگی، قابلیت اطمینان و کاهش هزینه‌های نگهداری

 

 

 

 

شیر کنترلی پنوماتیک چیست؟

شیر کنترلی پنوماتیک یا شیر کنترل با محرک پنوماتیک وسیله‌ای است که در سیستم‌های کنترل فرآیند برای تنظیم جریان سیالات مانند گازها یا مایعات در خط لوله استفاده می‌شود؛ ترکیبی از یک شیر کنترل و یک محرک پنوماتیک که امکان کنترل دقیق و خودکار جریان سیال را بر‌اساس سیگنال‌های دریافتی کنترل فراهم می سازد.

به زبان ساده، شیر کنترلی با استفاده از نیروی محرکه پنوموتیک، باز و بسته شده و میزان عبور سیال را کنترل می‌کند. این شیر از نوع شیرهای گلوب است.

در موارد بسیار متعددی در صنایع گوناگون، باید روی پارامترهای مختلف فرآیند مانند دما، فشار، سطح و غیره کنترل داشته باشیم. یک حلقه کنترل شامل سه جزء کلی است: سنسور و ترانسمیتر برای اندازه گیری و ارسال داده های فرایند به کنترلر، یک کنترلر مانند PLC و در نهایت برای اجرای دستورات PLC  به یک عملگر نیاز داریم. یک عملگر می تواند یک پمپ، یک هیتر، یک شیر کنترل و غیره باشد.

 

دسته بندی شیرهای کنترلی

شیرهای کنترلی فارغ از عمگر آنها که به صورت پنوماتیکی، الکتریکی و یا هیدرولیکی باشد، میتواند مکانیزمهای مختلفی داشته باشد که در چارت زیر، این دسته بندی را مشاهده میکنید:

(که البته ما در این جا، در مورد شیرهای کنترلی از نوع گلوب با عملگر پنوماتیک صحبت خواهیم کرد. )

اجزای شیر کنترلی پنوماتیک

اجزای شیر گلوب کنترلی پنوماتیک به‌شرح زیر هستند.

• بدنه(Body) شیر که سیال از آن عبور می کند.
• کاپوت(Bonnet) به بدنه متصل است و قسمت های داخلی آن را می پوشاند.
• Plugکه در تماس با سیال است و وظیفه کنترل میزان جریان سیال عبوری را دارد.

 

اکچویتور (Actuator) مکانیزمی است که نیروی مکانیکی برای کنترل جریان را ایجاد میکند.در مورد شیر کنترلی با محرک پنوماتیک، اکچویتور از هوای فشرده برای فعال‌کردن شیر استفاده می‌کند. عملگرهای پنوماتیکی اغلب به دلیل زمان پاسخ سریع و توانایی آن‌ها در ارائه نیروی قابل توجه، انتخاب خوبی محسوب می‌شوند.

 

• ساقه (Stem) که انتقال دهنده نیروی اکچویتور به Plug است

• ای تو پی پوزیشنر ( I/P Positioner): I/P پوزیشنر یک مبدل جریان به فشار است که برای تبدیل سیگنال کنترل الکتریکی از سیستم کنترل فرآیند به سیگنال پنوماتیکی که می‌تواند توسط محرک پنوماتیکی به‌کار رود، استفاده می‌شود. این مبدل مشخص می‌کند که میزان جریان الکتریکی که توسط سیستم کنترل صادر شده است، معادل با تولید چند بار فشار توسط اکچویتور است. به‌عبارت دیگر مبدل I/P نقش مترجم را بازی کرده و نیروی مورد نیاز برای حرکت شیر را به زبان قابل فهم اکچویتور به آن دیکته می‌کند. پوزیشنر علاوه بر تبدیل سیگنال بر روی شیر بسته میشود و بر اساس نیروی وارد‌شده از اکچویتور، شیر را در موقعیت مناسب و دقیق برای رسیدن به دبی مشخص‌شده، قرار دارد.

جزئیات بیشتر در مورد اجزا داخلی شیر پنوماتیک را در شکل زیر میتوانید مشاهده کنید:

 

 

عملکرد شیر کنترلی پنوماتیک

رایج ترین عنصر عملگر در صنعت کنترل فرآیند، شیر کنترل است. هدف نهایی شیر کنترل تنظیم دما، فشار، سطح یا جریان یک محیط و در عین حال جبران اختلالات بار است به طوری که متغیر فرآیند تنظیم شده تا حد امکان به مقدار تنظیم شده نزدیک شود. سیال می تواند آب، بخار، نفت، گاز یا سایر ترکیبات باشد.

به طور معمول، یک حلقه کنترل شامل سه قسمت است: ترانسمیتر ، یک شیر کنترل و یک کنترل کننده. سنسور و فرستنده متغیرهای فرآیند را در حلقه جمع آوری می کنند و به عنوان چشمی برای نظارت بر تغییرات پارامترهای فردی مانند دما، فشار یا سطح محیط عمل می کنند. سپس مقدار جمع آوری شده به کنترل کننده ارسال می شود. از طریق کنترل کننده، که مانند مغز عمل می کند، “متغیر فرآیند” دریافت شده توسط فرستنده با “نقطه تنظیم” مقایسه می شود و یک سیگنال اصلاحی به شیر کنترل ارسال می شود. بنابراین شیر کنترل به عنوان عنصر کنترل نهایی، نقش تنظیم میزان دبی را برای کنترل فرایند بر عهده دارد.

 

عمکرد داخلی شیر پنوماتیک به این صورت است :

یک فنر بزرگ موقعیت پیش‌فرض شیر را تنظیم  میکند. فشار هوای اعمال شده به سمت پایین دیافراگم، ساقه لغزنده شیر را در جهت بالا، در برابر نیروی فنر که سعی در فشار دادن ساقه به سمت پایین دارد، بالا می برد:

مقدار نیروی (F) بر حسب پوند ایجاد شده توسط فشار سیال به هر سطحی برابر است با فشار سیال (P) در واحد PSI ضرب در مساحت سطح (A) در واحد اینچ مربع (F = PA) . در مورد دیافراگم دایره ای، با مساحت برابر πr2، فرمول کامل نیرو F = Pπr2 است.

به عنوان مثال، یک دیافراگم شیر کنترل به قطر 14 اینچ (شعاع = 7 اینچ) با فشار هوای اعمال شده 15 PSI نیروی خطی 2309 پوند ایجاد می کند.

فشار هوای مورد نیاز برای تحریک یک محرک پنوماتیک ممکن است مستقیماً از خروجی یک کنترل کننده فرآیند پنوماتیک یا از مبدل سیگنال (یا مبدل) که سیگنال الکتریکی را به سیگنال فشار هوا تبدیل می کند، باشد.این مبدل‌ها معمولاً به عنوان مبدل‌های I/P یا I به P شناخته می‌شوند، زیرا آنها معمولاً سیگنال جریان الکتریکی (I) 4 تا 20 میلی آمپر DC را به سیگنال فشار هوا (P) 3 تا 15 PSI ترجمه می‌کنند.

محرک های پنوماتیکی ممکن است به جای دیافراگم به شکل پیستون باشند. تصاویر هر نوع برای مقایسه در اینجا نشان داده شده است:

عملگرهای پیستونی معمولاً طول کورس بیشتری نسبت به محرک‌های دیافراگمی دارند و می‌توانند با فشار هوای بسیار بیشتری کار کنند. از آنجایی که نیروی محرک تابعی از فشار سیال و مساحت محرک است (F = PA)، این بدان معناست که محرک های پیستونی می توانند نیروی بیشتری نسبت به محرک های دیافراگمی با همان قطر ایجاد کنند.

عملکرد شیر پنوماتیک دیافراگمی در مقابل شیر پنوماتیک پیستونی

 

مزایای استفاده از شیر کنترلی پنوماتیک

استفاده از شیرهای کنترل پنوماتیک مزایای متعددی در فرآیندهای صنعتی و سیستم‌های اتوماسیون دارند. در این‌جا چند مزیت کلیدی را توضیح می‌دهیم.

زمان پاسخ‌گویی سریع

شیرهای کنترل پنوماتیک به دلیل زمان پاسخ سریع خود شناخته شده‌اند.

 

سادگی و قابلیت اطمینان

طراحی سیستم‌های پنوماتیکی در مقایسه با برخی دیگر از سیستم‌های کنترلی، عموما ساده‌تر است.

 

مقرون‌به‌صرفه‌بودن

نصب و نگهداری سیستم‌های پنوماتیکی در مقایسه با برخی از گزینه‌ها، اغلب مقرون‌به‌صرفه‌تر است. قطعات، از جمله شیرها و محرک‌ها، عموماً ارزان‌تر هستند و زیرساخت کلی برای کنترل پنوماتیک می‌تواند مقرون‌به‌صرفه‌تر باشد.

 

نسبت توان به وزن بالا

محرک‌های پنوماتیکی نسبت توان به وزن بالایی دارند و برای کاربردهایی که وزن یک فاکتور حیاتی است، مناسب هستند.

 

 

 

محدوده دمای عملیاتی گسترده

سیستم‌های پنوماتیکی می‌توانند در محدوده دمایی وسیع بدون کاهش عملکرد قابل توجه، کار کنند.

 

طراحی ضد‌انفجار

سیستم های پنوماتیک ذاتاً در مقایسه با برخی از سیستم‌های الکتریکی کم‌تر در معرض جرقه یا اشتعال در محیط‌های خطرناک هستند.

 

کنترل و موقعیت‌یابی دقیق

شیرهای کنترل پنوماتیکی می‌توانند کنترل دقیقی بر جریان سیال داشته باشند. توانایی تعدیل نرخ جریان و موقعیت با دقت بالا در صنایعی مانند فرآوری و تولید شیمیایی بسیار مهم است.

 

سازگاری با محیط‌های خشن

سیستم‌های پنوماتیک در محیط‌های خشن، از جمله محیط‌های دارای گرد‌و‌غبار، رطوبت یا عناصر خورنده، قابل استفاده هستند.

 

عملکرد بی‌صدا

سیستم‌های پنوماتیکی در مقایسه با برخی دیگر از سیستم‌های کنترلی عموماً ساکت‌تر هستند.

 

نیازهای تعمیر و نگهداری‌کم

شیرهای کنترل پنوماتیک اغلب نیاز به تعمیر و نگهداری کمی دارند.

 

معایب استفاده از شیر کنترلی پنوماتیک

هر سیستمی در کنار مزایای بالقوه، معایبی نیز دارد، معایب استفاده از شیر کنترلی پنوماتیک، به‌شرح زیر است:

دقت محدود

سیستم‌های پنوماتیک ممکن است محدودیت‌هایی در دستیابی به کنترل بسیار دقیق در مقایسه با برخی از سیستم‌های کنترل الکترونیکی داشته باشند.

وابستگی کمپرسور هوا

سیستم‌های پنوماتیکی بر یک منبع ثابت و قابل اعتماد هوای فشرده متکی هستند.

کنترل سرعت محدود

اگرچه سیستم‌های پنوماتیکی به دلیل زمان پاسخ سریع خود شناخته شده‌اند، دستیابی به کنترل دقیق سرعت می‌تواند چالش برانگیز باشد.

بازده انرژی محدود

سیستم‌های پنوماتیکی ممکن است به‌اندازه برخی از سیستم‌های الکترونیکی از نظر انرژی کارآمد نباشند، به‌ویژه در کاربردهایی که صرفه‌جویی در مصرف انرژی یکی از ملاحظات حیاتی است.

ملاحظات زیست‌محیطی

در برخی موارد، انتشار هوای فشرده در محیط می‌تواند به آلودگی صوتی کمک کند. علاوه‌بر این، استفاده از سیستم‌های پنوماتیک ممکن است سبب رها‌شدن غبار روغن از اجزای روغن‌کاری‌شده باشد که می‌تواند پیامدهای زیست‌محیطی داشته باشد.

بازخورد محدود

سیستم‌های پنوماتیک ممکن است در مقایسه با سیستم‌های الکترونیکی بازخورد محدودی ارائه دهند.

سازگاری محدود با فناوری‌های هوشمند

سیستم‌های پنوماتیک ممکن است در ادغام یکپارچه با فناوری‌های هوشمند مدرن و ابتکارات Industry 4.0 با چالش‌هایی مواجه شوند.

 

کاربرد شیر کنترلی پنوماتیک

شیرهای کنترل با محرک‌های پنوماتیکی در صنایع مختلف کاربرد دارند. برخی از صنایع و کسب و کارهایی که از این شیرهای کنترل استفاده می‌کنند به‌شرح زیر هستند:

 

صنعت نفت و گاز

شیرهای کنترل پنوماتیکی در بخش نفت و گاز برای تنظیم جریان سیالات مانند نفت خام و گاز طبیعی در خطوط لوله، پالایشگاه‌ها و کارخانه‌های فرآوری استفاده می‌شوند.

 

پردازش شیمیایی

تاسیسات تولید مواد شیمیایی از شیرهای کنترل پنوماتیکی برای کنترل جریان مواد شیمیایی مختلف در طول فرآیندهای تولید استفاده می‌کنند.

 

تولید برق

در نیروگاه‌ها از شیرهای کنترل پنوماتیک برای کنترل جریان بخار، آب و سایر سیالات در بویلرها، توربین‌ها و سایر اجزای حیاتی استفاده می‌شود.

 

تصفیه و توزیع آب

شیرهای کنترل پنوماتیکی در تصفیه‌خانه‌های آب برای تنظیم جریان آب در طی فرآیندهای تصفیه استفاده می‌شوند. علاوه‌بر این، آن‌ها در سیستم‌های توزیع آب برای کنترل جریان و فشار آب کاربرد دارند.

 

سیستم‌های HVAC (گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع)

شیرهای کنترل پنوماتیکی جزء سیستم‌های HVAC هستند و جریان هوا و آب را برای کنترل دما، رطوبت و کیفیت هوا در ساختمان‌ها تنظیم می‌کنند.

 

صنعت خمیر و کاغذ

کارخانه‌های کاغذسازی و کارخانه‌های تولید خمیر از شیرهای کنترل پنوماتیکی برای تنظیم جریان خمیر، آب و مواد شیمیایی در مراحل مختلف فرآیند کاغذسازی استفاده می‌کنند.

 

فرآوری مواد غذایی و آشامیدنی

شیرهای کنترل پنوماتیکی در صنایع غذایی و آشامیدنی برای کنترل جریان مایعات، گازها و بخار در طول پردازش و بسته‌بندی محصولات غذایی استفاده می‌شوند.

 

تولید دارو

در تولید دارو، از شیرهای کنترل پنوماتیکی برای تنظیم جریان مایعات و گازها با دقت بالا استفاده می‌شود.

 

خودروسازی

شیرهای کنترل پنوماتیکی در فرآیندهای تولید خودرو برای کنترل جریان هوا، سیالات و گازها در کاربردهای مختلف از جمله فرآیندهای خط مونتاژ و سیستم‌های کنترل کیفیت استفاده می‌شوند.

 

صنعت معدن

شیرهای کنترل پنوماتیکی در بخش معدن برای کنترل جریان آب، مواد شیمیایی و دوغاب در کارخانه‌های فرآوری و فرآیندهای استخراج استفاده می‌شود.

 

 

لازم است قبل از انتخاب شیر کنترلی پنوماتیک، به‌دقت، مزایا و معایب این شیرها را بررسی کنید تا بتوانید بر‌اساس این مزایا و معایب درباره خرید و نوع شیر مورد نیاز تصمیم بگیرید و یا جهت مشاوره خرید شیر کنترلی پنوماتیک با کارشناسان کنترل با ما تماس بگیرید.