سیستم کنترل Split Range بهطور گسترده در صنایع فرایندی استفاده میشود، زمانی که لازم است خروجی یک کنترلکننده واحد، دو یا چند المان نهایی کنترلی را در بازههای کاری متفاوت به حرکت درآورد. این استراتژی کنترلی، بهویژه در سیستمهای پیچیدهای مانند راکتورها، کورهها و خطوط فلر، باعث افزایش انعطافپذیری، پایداری و بهرهوری فرایند میشود. در این نوشتار با اصول عملکرد Split Range Control، کاربردهای آن، مفهوم Dead Band، استفاده از سیگنالهای پنوماتیکی و مثالهای واقعی صنعتی آشنا میشوید.
سیستم کنترل Split Range یک تکنیک کنترلی است که در آن خروجی یک کنترلکننده به چند بازه سیگنال تقسیم میشود. هر بازه سیگنال، یک شیر کنترلی، دمپر یا عملگر متفاوت را به حرکت درمیآورد.
بهجای استفاده از چند کنترلکننده مجزا، یک کنترلکننده واحد چند خروجی را مدیریت میکند، اما نه بهصورت همزمان. هر تجهیز فقط در بازه سیگنال اختصاصیافته به خود پاسخ میدهد.
مفهوم Split Range Control را میتوان بهخوبی در یک کاربرد کنترل دما توضیح داد؛ جایی که فرایند بسته به دمای محصول، ممکن است به گرمایش یا سرمایش نیاز داشته باشد. هدف این است که با استفاده از یک کنترلکننده، دما تنظیم شود و در هر لحظه فقط یکی از اعمال گرمایش یا سرمایش انجام گیرد.
در این سیستم، یک متغیر فرایندی (PV) مانند دما بهطور پیوسته توسط ترانسمیتر اندازهگیری میشود. مقدار اندازهگیریشده به کنترلکننده ارسال شده و با نقطه تنظیم (Setpoint) مقایسه میگردد. بر اساس این مقایسه، کنترلکننده سیگنال خروجیای به نام خروجی کنترلکننده (CO) تولید میکند.
بهجای ارسال این خروجی به یک المان نهایی واحد، خروجی کنترلکننده به چند بازه از پیش تعریفشده تقسیم میشود و هر بازه به یک شیر کنترلی اختصاص مییابد. در یک آرایش معمول کنترل دما، خروجی کنترلکننده از ۰ تا ۱۰۰ درصد تغییر میکند و بین یک شیر سرمایشی و یک شیر گرمایشی تقسیم میشود.
اصول عملکرد Split Range Control
وقتی خروجی کنترلکننده در بازه پایین قرار دارد، فقط شیر سرمایشی عمل میکند. برای مثال، در بازه ۰ تا ۵۰ درصد، شیر سرمایشی فعال است؛ در ابتدای بازه کاملاً باز بوده و با نزدیک شدن خروجی به نقطه میانی، بهتدریج بسته میشود. در ۵۰ درصد خروجی، شیر سرمایشی کاملاً بسته است.
با افزایش خروجی کنترلکننده از این نقطه، بازه بالایی فعال شده و شیر گرمایشی شروع به باز شدن میکند. شیر گرمایشی از ۵۰ درصد خروجی آغاز به باز شدن کرده و در ۱۰۰ درصد کاملاً باز میشود. این آرایش تضمین میکند که گرمایش و سرمایش هرگز بهطور همزمان انجام نشوند.
در کاربردهای عملی، این تقسیم سیگنال اغلب با استفاده از مبدلهای جریان به فشار (I/P) انجام میشود. جریان خروجی کنترلکننده بهگونهای تنظیم میشود که یک مبدل در بازه ۴ تا ۱۲ میلیآمپر عمل کرده و شیر اول را کنترل کند، و مبدل دوم در بازه ۱۲ تا ۲۰ میلیآمپر شیر دوم را به حرکت درآورد. در نتیجه، بسته به مقدار خروجی کنترلکننده، فقط یکی از شیرها حرکت میکند.
با این روش تقسیم سیگنال، نیازی به کنترلکننده خاص یا پیکربندی پیچیده نیست و کنترلکنندههای استاندارد بهراحتی میتوانند Split Range Control را با کالیبراسیون مناسب پیادهسازی کنند.
در این نوع آرایش، خروجی کنترلکننده بهجای سیگنال الکتریکی، یک سیگنال پنوماتیکی است. در سیستمهای پنوماتیکی، Split Range Control معمولاً با استفاده از بازه استاندارد ۳ تا ۱۵ psi پیادهسازی میشود که در صنایع فرایندی بسیار رایج است.
در این حالت، دو شیر کنترلی از نظر مکانیکی بهگونهای انتخاب میشوند که هر کدام فقط در بخشی از این بازه فشار پاسخ دهند. عملگرهای فنر–دیافراگمی بهگونهای تنظیم میشوند که بازههای عملکرد متفاوتی ایجاد شود و خروجی کنترلکننده بهطور طبیعی بین شیرها تقسیم گردد.
Split Range Control با استفاده از سیگنالهای پنوماتیکی
معمولاً شیر اول در بازه فشار پایین (مثلاً ۳ تا ۹ psi) عمل میکند و شیر دوم در بازه بالاتر (۹ تا ۱۵ psi) فعال میشود. برای مثال، شیر سرمایشی ممکن است بین ۲۰٫۷ کیلوپاسکال (۳ psi) تا ۵۵٫۲ کیلوپاسکال (۸ psi) باز و بسته شود. پس از رسیدن به این فشار، شیر سرمایشی کاملاً بسته شده و غیرفعال میماند. با افزایش فشار خروجی کنترلکننده، شیر گرمایشی در بازه ۵۵٫۲ کیلوپاسکال (۸ psi) تا ۸۹٫۶ کیلوپاسکال (۱۳ psi) شروع به باز شدن میکند.
ترتیب باز و بسته شدن شیرها همان منطق سیستمهای الکتریکی Split Range را دنبال میکند و تضمین میشود که در هر لحظه فقط یک شیر فعال باشد. معمولاً یک نمودار مشخصه برای نمایش رابطه بین فشار خروجی کنترلکننده و موقعیت شیرها استفاده میشود.
کنترل Split Range پنوماتیکی به دلیل قابلیت اطمینان بالا در محیطهای خطرناک، ایمنی ذاتی، سهولت کالیبراسیون و مناسب بودن برای دماهای بالا، در بسیاری از واحدهای نفت و گاز، پالایشگاهها و صنایع شیمیایی ترجیح داده میشود.
آرایشهای ساده Split Range Control ممکن است باعث شوند سیستم در نزدیکی نقطه تغییر وضعیت، بهسرعت بین دو عمل (مثلاً گرمایش و سرمایش) جابهجا شود. این پدیده که به Hunting معروف است، میتواند موجب ناپایداری، حرکت بیشازحد شیرها و استهلاک مکانیکی شود.
برای رفع این مشکل، یک Dead Band بین دو بازه Split Range ایجاد میشود. Dead Band ناحیهای خنثی است که در آن هیچیک از شیرها به تغییرات خروجی کنترلکننده پاسخ نمیدهند. این ناحیه باعث انتقال نرم بین اعمال کنترلی و جلوگیری از نوسان میشود.
Dead Band در Split Range Control
برای مثال، یک شیر ممکن است در بازه ۳ تا ۸٫۸ psi عمل کند و شیر دوم در بازه ۹٫۲ تا ۱۵ psi پاسخ دهد. فاصله بین ۸٫۸ تا ۹٫۲ psi، Dead Band را تشکیل میدهد که در آن هر دو شیر ثابت میمانند.
این روش ناپایداری را کاهش داده، پایداری سیستم را افزایش میدهد و تنش مکانیکی روی المانهای نهایی را بهطور چشمگیری کم میکند.
در یک کاربرد راکتوری، Split Range Control میتواند برای کنترل همزمان شیر ورودی و شیر خروجی استفاده شود. ترانسمیتر فشار یا دما شرایط داخل راکتور را اندازهگیری کرده و سیگنال را به یک کنترلکننده Split Range ارسال میکند.
در کنترل فشار، اگر فشار راکتور کمتر از مقدار مطلوب باشد، کنترلکننده ابتدا شیر ورودی را باز میکند. اگر فشار همچنان پایین بماند، با بسته شدن شیر خروجی، فشار داخل راکتور افزایش مییابد.
استفاده از Split Range برای کنترل ورودی و خروجی یک راکتور
در کنترل دما نیز، وقتی خروجی کنترلکننده در بازه پایین باشد، شیر سرمایشی باز میشود و با ورود به بازه بالاتر، سرمایش متوقف شده و گرمایش آغاز میگردد. به این ترتیب، گرمایش و سرمایش هرگز همزمان انجام نمیشوند.
در برخی موارد، امکان همپوشانی عملکرد شیرها در اطراف نقطه میانی وجود دارد تا انتقال نرمتری در تغییر بار ایجاد شود.
فلرها در پالایشگاهها و صنایع شیمیایی نقش حیاتی در ایمنی دارند و برای دفع ایمن گازهای قابل اشتعال اضافی استفاده میشوند. بسیاری از سیستمهای فلر از Split Range Control برای مدیریت فشار استفاده میکنند.
در این سیستمها، ترانسمیتر فشار، فشار مخزن را اندازهگیری کرده و سیگنال را به کنترلکننده Split Range میفرستد. در افزایشهای جزئی فشار، ابتدا شیر بازیافت یا خروجی محصول باز میشود تا گاز به سیستم بازیابی هدایت شود. اگر فشار بیشتر افزایش یابد، خروجی کنترلکننده وارد بازه بالاتر شده و شیر فلر باز میشود تا گاز اضافی به فلر هدایت گردد.
Split Range Control در کاربرد فلر
این روش باعث کاهش فلرینگ غیرضروری، بهبود انطباق زیستمحیطی و افزایش ایمنی کلی سیستم میشود.
سیستم کنترل Split Range یک استراتژی هوشمند و کارآمد است که به یک کنترلکننده اجازه میدهد چند المان نهایی را در بازههای کاری مختلف مدیریت کند. با استفاده از تقسیم سیگنال، Dead Band و کالیبراسیون مناسب، این روش پایداری، ایمنی و بهرهوری فرایند را افزایش میدهد و بهویژه در راکتورها، سیستمهای فلر و کنترل دما نقش بسیار مهمی ایفا میکند.
