در مقاله قبلی FB41 را معرفی کرده ایم در این مقاله به تشریح FB42 می پردازیم. در پروژه‌های نیروگاهی، پالایشگاهی و پتروشیمی،FB42 یکی از مهم‌ترین بلوک‌های کنترلی برای تجهیزاتی
است که فاقد
Positioner آنالوگ هستند و با موتورهای الکتریکی یا محرک‌های
دو جهته کنترل می‌شوند.
در بسیاری از فرآیندهای صنعتی، تجهیز نهایی
کنترل
(Final Control Element) به‌صورت
پیوسته (Analog) عمل
نمی‌کند. در این تجهیزات، امکان تعیین مستقیم موقعیت شیر یا دمپر وجود ندارد و
تنها می‌توان فرمان باز شدن یا بسته شدن را برای مدت مشخصی
صادر کرد.
به همین دلیل، استفاده از یک کنترل‌کننده PID معمولی مانند FB41 (CONT_C) برای چنین تجهیزاتی مناسب نیست. زیمنس برای این دسته از کاربردها، FB42 (CONT_S) را ارائه کرده است؛ بلوکی که خروجی آن به‌صورت Step Output تولید می‌شود و برای کنترل شیرهای موتوری (Motor Operated Valve)، دمپرها (Damper)، لوورهای صنعتی (Louver)، دریچه‌های هوا و برخی عملگرهای الکترومکانیکی طراحی شده است.
FB42 چیست؟
FB42 (CONT_S) یک Function Block استاندارد از کتابخانه PID زیمنس است که برای کنترل فرآیندهای پیوسته با خروجی پله‌ای (Step Output) طراحی
شده است.
برخلاف FB41 که خروجی آن یک مقدار آنالوگ بین 0 تا 100 درصد
است، FB42 دو فرمان مستقل تولید می‌کند:
· OPEN
· CLOSE
کنترل‌کننده با توجه به اختلاف بین مقدار واقعی
فرآیند
(PV) و مقدار مطلوب (SP)،
مدت زمان فعال بودن هر فرمان را تعیین می‌کند تا موقعیت تجهیز به‌تدریج اصلاح شود.
تفاوت FB41 و
FB42
|
ویژگی |
FB41
(CONT_C) |
FB42
(CONT_S) |
|
نوع خروجی |
آنالوگ (0–100%) |
دو فرمان Step (Open / Close) |
|
مناسب برای |
Control
Valve آنالوگ |
Motor Valve، Damper، Louver |
|
خروجی PLC |
Analog
Output |
Digital
Output |
|
نیاز به Positioner |
بله |
خیر |
|
دقت موقعیت |
بسیار بالا |
وابسته به زمان حرکت تجهیز |
|
کاربرد اصلی |
کنترل پیوسته |
کنترل مرحله‌ای |
ساختار عملکرد FB42
الگوریتم داخلی FB42 نیز بر پایه کنترل PID عمل می‌کند، اما به‌جای تولید یک مقدار آنالوگ،
نتیجه محاسبات را به فرمان‌های زمانی برای حرکت عملگر تبدیل می‌کند.
فرآیند
کلی به این صورت است:
Set Point (SP)↓Process Variable (PV)↓PID Calculation↓Step Generator↓OPENorCLOSE↓Motor Actuator↓Valve Positionبه این ترتیب، شیر یا دمپر تنها به اندازه مورد
نیاز حرکت می‌کند و از نوسانات شدید جلوگیری می‌شود.
چرا
FB42 در پروژه‌های صنعتی اهمیت دارد؟
در بسیاری از واحدهای قدیمی صنایع نفت و گاز،
هنوز از شیرهای موتوری دو حالته یا چندمرحله‌ای
به جای
Control Valveهای آنالوگ استفاده می‌شود. این تجهیزات معمولاً
دارای دو ورودی فرمان هستند:
· فرمان باز شدن
· فرمان بسته شدن
در چنین شرایطی، استفاده از خروجی آنالوگ امکان‌پذیر
نیست و
FB42 بهترین گزینه برای کنترل فرآیند خواهد بود.
کاربرد اول
کنترل Motor Operated Valve (MOV)
یکی از رایج‌ترین کاربردهای FB42،
کنترل شیرهای موتوری است.
فرض کنید فشار خروجی یک خط انتقال نفت باید روی 18 Bar ثابت
بماند.
ساختار
کنترل:
Pressure Transmitter ↓ FB42 ↓ OPEN Output ↓ Motor Valve ↓ CLOSE Outputاگر
فشار کمتر از مقدار مطلوب باشد:
FB42 فرمان OPEN صادر می‌کند.
اگر فشار بیشتر شود:
فرمان CLOSE فعال می‌شود.
شیر به‌صورت تدریجی حرکت کرده و فشار در مقدار
تنظیم‌شده تثبیت می‌شود.
کاربرد دوم
کنترل Damper بویلر نیروگاه
در بویلرهای نیروگاهی، دمپر هوای احتراق معمولاً
توسط موتورهای الکتریکی کنترل می‌شود.
کنترل دمای کوره نیازمند تنظیم دقیق مقدار هوای
ورودی است.
در این
حالت:
Temperature↓FB42↓OPEN Damper↓CLOSE DamperFB42 با تغییر موقعیت دمپر، میزان هوای ورودی را
کنترل کرده و احتراق را در شرایط بهینه نگه می‌دارد.
کاربرد سوم
کنترل Burner
در سیستم‌های Burner Management،
کنترل نسبت سوخت و هوا اهمیت بسیار بالایی دارد.
در برخی مشعل‌ها، دمپر هوا دارای محرک Step Motor است.
FB42 می‌تواند موقعیت دمپر را متناسب با تغییرات بار
بویلر اصلاح کند.
مزایا:
· احتراق پایدار
· کاهش مصرف سوخت
· کاهش تولید NOx
· افزایش راندمان بویلر
کاربرد چهارم
کنترل Louver در برج‌های خنک‌کننده
در نیروگاه‌ها و واحدهای پتروشیمی، لوورها برای
کنترل جریان هوا استفاده می‌شوند.
FB42 بر اساس دمای آب خروجی، موقعیت لوورها را تنظیم
می‌کند.
مثال صنعتی اول
پالایشگاه نفت
در یک واحد تقطیر، دمای خروجی مبدل حرارتی باید
ثابت بماند.
شیر بخار از نوع Motor Operated Valve است.
کنترل به صورت زیر انجام می‌شود:
Temperature Transmitter↓FB42↓Motor Valve↓Steam Flowهر بار که دما کاهش پیدا کند، FB42 فرمان باز شدن شیر بخار را صادر می‌کند.
مثال صنعتی دوم
ایستگاه تقویت فشار گاز
در ورودی کمپرسور، دمپر هوای سیستم تهویه باید
بر اساس دمای اتاق کنترل شود.
دمپر دارای موتور دو جهته است.
FB42 بهترین انتخاب برای کنترل موقعیت این تجهیز است.
مثال صنعتی سوم
نیروگاه سیکل ترکیبی
دمپر هوای ورودی بویلر دارای زمان حرکت کامل ۹۰ ثانیه است.
FB42 مدت زمان فعال بودن خروجی OPEN یا
CLOSE را متناسب با خطای کنترل تنظیم می‌کند تا از
حرکت بیش از حد دمپر جلوگیری شود.
مزایای FB42
· مناسب برای تجهیزات فاقد Positioner آنالوگ
· کاهش استهلاک موتورهای محرک
· کنترل نرم و تدریجی موقعیت
· کاهش نوسانات فرآیند
· امکان استفاده در سیستم‌های قدیمی
· کاهش هزینه تجهیز نسبت به ولوهای آنالوگ
· سازگاری کامل با STEP7 Classic
محدودیت‌ها
· دقت موقعیت کمتر از Control Valveهای آنالوگ است.
· زمان پاسخ به سرعت حرکت موتور وابسته است.
· نیاز به کالیبراسیون زمان حرکت کامل تجهیز دارد.
· برای فرآیندهای بسیار سریع مناسب نیست.
نکات طراحی در پروژه‌های EPC
در طراحی سیستم‌های مبتنی بر FB42 رعایت نکات زیر توصیه می‌شود:
· زمان حرکت کامل شیر یا دمپر (Full Stroke Time) را به‌دقت اندازه‌گیری و در پارامترهای کنترل
لحاظ کنید.
· برای جلوگیری از صدور هم‌زمان فرمان OPEN و
CLOSE،
منطق اینترلاک نرم‌افزاری و سخت‌افزاری پیش‌بینی شود.
· برای حفاظت از موتور عملگر، از Limit Switch و Torque Switch استفاده
کنید.
· حلقه‌های FB42 را در OB35 با
سیکل زمانی ثابت اجرا کنید تا عملکرد کنترل پایدار باشد.
· وضعیت فرمان‌ها، زمان حرکت و آلارم‌های مرتبط را
در
HMI و
SCADA نمایش دهید تا اپراتور امکان پایش و عیب‌یابی
سریع داشته باشد.
اشتباهات رایج مهندسان
· استفاده از FB42 برای
Control Valveهای دارای Positioner آنالوگ.
· عدم در نظر گرفتن زمان حرکت کامل عملگر در تنظیم
کنترل.
· اجرای حلقه کنترلی در OB1 با
Scan Time متغیر.
· نبود اینترلاک بین فرمان‌های OPEN و
CLOSE.
· تنظیم نامناسب پارامترهای PID و ایجاد نوسان در موقعیت شیر یا دمپر.
· بی‌توجهی به وضعیت Limit Switchها و تشخیص ندادن گیرکردن مکانیکی تجهیز.
جمع‌بندی
FB42 (CONT_S) راهکار
استاندارد زیمنس برای کنترل فرآیندهای پیوسته با خروجی
مرحله‌ای
(Step Output) است. این بلوک با تولید فرمان‌های OPEN و CLOSE،
کنترل دقیق تجهیزاتی مانند Motor
Operated Valve، Damper، Louver و برخی عملگرهای الکترومکانیکی را امکان‌پذیر می‌سازد. در پروژه‌های نفت، گاز،
پتروشیمی و نیروگاهی که هنوز از عملگرهای دو جهته استفاده می‌شود، FB42 انتخابی مناسب برای افزایش پایداری حلقه کنترل،
کاهش است.
