การเลือกและการคัดสรรระบบควบคุม

บทช่วยสอนนี้จะมุ่งเน้นไปที่ทางเลือกการควบคุมอัตโนมัติที่มีอยู่ (เช่น แบบควบคุมด้วยตัวเอง นิวเมติก หรือไฟฟ้า) และการตัดสินใจที่ต้องกระทำก่อนการเลือก คำแนะนำถูกนำเสนอโดยพิจารณาจากข้อพิจารณาที่สำคัญที่สุดสามประการ คือ ความปลอดภัย ความเสถียร และความแม่นยำ

โมดูลนี้จะมุ่งเน้นไปที่ทางเลือกการควบคุมอัตโนมัติที่มีอยู่และการตัดสินใจที่ต้องกระทำก่อนการเลือก คำแนะนำถูกนำเสนอที่นี่แทนที่จะเป็นกฎเกณฑ์ เนื่องจากการตัดสินใจจริงจะขึ้นอยู่กับปัจจัยที่แตกต่างกัน; บางปัจจัย เช่น ค่าใช้จ่าย ความชอบส่วนบุคคล และแนวโน้มปัจจุบัน ไม่สามารถรวมอยู่ที่นี่ได้

การใช้งาน

สิ่งสำคัญคือต้องพิจารณาพารามิเตอร์พื้นฐานสามประการที่กล่าวถึงในตอนต้นของโมดูล 5.1: ความปลอดภัย ความเสถียร และความแม่นยำ เพื่อเลือกวาล์วควบคุมที่ถูกต้อง ต้องมีรายละเอียดของการใช้งานและกระบวนการเอง ตัวอย่างเช่น:

• มีคุณสมบัติด้านความปลอดภัยเกี่ยวข้องหรือไม่? ตัวอย่างเช่น วาล์วควรล้มเหลวในตำแหน่งเปิดหรือปิดในกรณีที่ไฟฟ้าขัดข้อง? จำเป็นต้องมีการควบคุมแยกสำหรับขีดจำกัดบนและล่างหรือไม่?
• คุณสมบัติใดที่ต้องควบคุม? ตัวอย่างเช่น อุณหภูมิ ความดัน ระดับ การไหล?
• ตัวกลางคืออะไรและคุณสมบัติทางกายภาพคืออะไร อัตราการไหล是多少?
• ความดัน差异 across วาล์วควบคุม across ช่วงโหลด是多少?
• วัสดุวาล์วและการเชื่อมต่อปลายคืออะไร?
• กระบวนการประเภทใดที่กำลังถูกควบคุม? ตัวอย่างเช่น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใช้สำหรับให้ความร้อนหรือกระบวนการ?
• สำหรับการควบคุมอุณหภูมิ อุณหภูมิจุดตั้งคงที่หรือเปลี่ยนแปลงได้?
• โหลดคงที่หรือเปลี่ยนแปลง และหากเปลี่ยนแปลง ช่วงเวลาสำหรับการเปลี่ยนแปลงเร็วหรือช้า?
• อุณหภูมิที่ต้องรักษาไว้มีความสำคัญมากแค่ไหน?
• จำเป็นต้องมีการควบคุมลูปเดี่ยวหรือหลายลูป?
• ฟังก์ชันอื่นๆ (ถ้ามี) ที่จะดำเนินการโดยระบบควบคุมคืออะไร? ตัวอย่างเช่น การควบคุมอุณหภูมิปกติของระบบทำความร้อน แต่มีการป้องกันน้ำแข็งเพิ่มเติมในช่วง ‘ปิด’?
• โรงงานหรือกระบวนการอยู่ในพื้นที่อันตรายหรือไม่?
• บรรยากาศหรือสภาพแวดล้อมมีฤทธิ์กัดกร่อนตามธรรมชาติหรือวาล์วจะถูกติดตั้งภายนอกหรือในพื้นที่ ‘สกปรก’?
• พลังงานขับเคลื่อนที่มีคืออะไร เช่น ไฟฟ้าหรืออากาศอัด และที่แรงดันไฟฟ้าและแรงดันเท่าใด?

พลังงานขับเคลื่อน

นี่คือแหล่งพลังงานเพื่อทำงานของระบบควบคุมและขับเคลื่อนวาล์วหรืออุปกรณ์ที่ควบคุมอื่นๆ มักจะเป็นไฟฟ้า หรืออากาศอัดสำหรับระบบนิวเมติก หรือผสมของทั้งสองสำหรับระบบไฟฟ้า-นิวเมติก ระบบควบคุมแบบควบคุมด้วยตัวเองไม่ต้องการแหล่งพลังงานภายนอกในการทำงาน; พวกเขาสร้างพลังงานของตัวเองจากระบบไฮดรอลิกหรือแรงดันไอปิด ในบางส่วน รายละเอียดของการใช้งานเองอาจกำหนดทางเลือกของแหล่งพลังงานควบคุม ตัวอย่างเช่น หากการควบคุมอยู่ในพื้นที่อันตราย การควบคุมนิวเมติกหรือแบบควบคุมด้วยตัวเองอาจเหมาะสมกว่าการควบคุมไฟฟ้า/อิเล็กทรอนิกส์ที่ปลอดภัยโดยธรรมชาติหรือป้องกันการระเบิดที่มีราคาแพง คุณสมบัติที่แสดงด้านล่างถูกระบุเป็นความเห็นทั่วไปเกี่ยวกับทางเลือกแหล่งพลังงานต่างๆ:

การควบคุมแบบควบคุมด้วยตัวเอง

ข้อดี:

• แข็งแรง เรียบง่าย ทนทานต่อสภาพแวดล้อม ‘ไม่เป็นมิตร’
• ง่ายต่อการติดตั้งและทดสอบเดินเครื่อง
• ให้การควบคุมแบบสัดส่วนพร้อมความสามารถในการปรับช่วงสูงมาก
• สามารถหาการควบคุมที่ล้มเหลวในตำแหน่งเปิดหรือปิดในกรณีที่อุณหภูมิเกินที่ยอมรับไม่ได้
• ปลอดภัยในพื้นที่อันตราย
• ค่อนข้างไม่ต้องบำรุงรักษา ข้อเสีย:
• การควบคุมอุณหภูมิแบบควบคุมด้วยตัวเองอาจค่อนข้างช้าในการตอบสนอง และไม่สามารถให้ฟังก์ชันควบคุมอินทีกรัลและอนุพันธ์ได้
• ไม่สามารถส่งข้อมูลซ้ำได้

การควบคุมนิวเมติก

ข้อดี:

• แข็งแรง
• ทำงานเร็วมาก ทำให้เหมาะสำหรับกระบวนการที่ตัวแปรกระบวนการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว
• แอคทูเอเตอร์สามารถให้แรงปิดหรือเปิดสูงเพื่อทำงานกับวาล์วต่อความดัน差异 สูง
• การใช้ตัวกำหนดตำแหน่งวาล์วจะทำให้แน่ใจว่าการควบคุมแม่นยำและทำซ้ำได้
• การควบคุมนิวเมติกบริสุทธิ์ปลอดภัยโดยธรรมชาติและแอคทูเอเตอร์ให้การทำงานที่ราบรื่น
• สามารถจัดเรียงเพื่อให้การทำงานแบบล้มเหลวเปิดหรือล้มเหลวปิดโดยไม่มีค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมหรือความยากลำบาก ข้อเสีย:
• ระบบอากาศอัดที่จำเป็นอาจมีราคาแพงในการติดตั้ง หากไม่มีแหล่งจ่ายอยู่แล้ว
• อาจจำเป็นต้องมีการบำรุงรักษาเป็นประจำของระบบอากาศอัด
• โหมดควบคุมพื้นฐานคือเปิด/ปิดหรือสัดส่วน แม้ว่าจะมี P+I และ P+I+D รวมกัน แต่มักมีค่าใช้จ่ายสูงกว่าระบบควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ที่เทียบเท่า
• การติดตั้งและทดสอบเดินเครื่องตรงไปตรงมาและมีลักษณะทางกล

การควบคุมไฟฟ้า

ข้อดี:

• การวางตำแหน่งที่แม่นยำสูง
• มีตัวควบคุมที่ให้ความอเนกประสงค์สูงด้วยโหมดควบคุมแบบเปิด/ปิดหรือ P+I+D และเอาท์พุตหลายฟังก์ชัน ข้อเสีย:
• วาล์วไฟฟ้าทำงานค่อนข้างช้า หมายความว่าไม่เหมาะเสมอไปสำหรับพารามิเตอร์กระบวนการที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว เช่น การควบคุมความดันบนโหลดที่เปลี่ยนแปลงเร็ว
• การติดตั้งและทดสอบเดินเครื่อง涉及 both งานไฟฟ้าและกล และค่าใช้จ่ายของสายไฟและการติดตั้งแหล่งจ่ายแยกต่างหากต้องนำมาพิจารณา
• แอคทูเอเตอร์ไฟฟ้ามักจะราบรื่นน้อยกว่านิวเมติก แอคทูเอเตอร์แบบสปริงกลับจำเป็นสำหรับฟังก์ชันล้มเหลวเปิดหรือล้มเหลวปิด: นี่อาจลดแรงปิดที่มีอยู่อย่างมีนัยสำคัญและมักมีราคาแพงกว่า
• การควบคุมไฟฟ้าที่ปลอดภัยโดยธรรมชาติหรือป้องกันการระเบิดจำเป็นสำหรับใช้ในพื้นที่อันตราย; เป็นทางเลือกที่แพงและดังนั้นอาจต้องใช้วิธีนิวเมติกหรือไฟฟ้า-นิวเมติก ดังที่อธิบายด้านล่าง เทคนิคการติดตั้งพิเศษจำเป็นสำหรับพื้นที่อันตรายประเภทนี้

การควบคุมไฟฟ้า-นิวเมติก

ข้อดี:

• การควบคุมไฟฟ้า-นิวเมติกสามารถรวมคุณสมบัติที่ดีที่สุดของการควบคุมอิเล็กทรอนิกส์และนิวเมติก ระบบดังกล่าวอาจประกอบด้วยวาล์วที่ขับเคลื่อนด้วยนิวเมติก ตัวควบคุม/เซ็นเซอร์/ระบบควบคุมไฟฟ้า/อิเล็กทรอนิกส์ รวมถึงตัวกำหนดตำแหน่งหรือตัวแปลงไฟฟ้า-นิวเมติก การรวมกันให้แรงและการทำงานที่ราบรื่นของแอคทูเอเตอร์/วาล์วนิวเมติกพร้อมความเร็วและความแม่นยำของระบบควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ การทำงานแบบล้มเหลวเปิดหรือล้มเหลวปิดสามารถให้ได้โดยไม่มีค่าใช้จ่ายเพิ่มเติม และโดยใช้ Barrier ที่เหมาะสมและ/หรือจำกัดส่วนไฟฟ้า/อิเล็กทรอนิกส์ของระบบควบคุมให้อยู่ในพื้นที่ ‘ปลอดภัย’ (ไม่อันตราย) สามารถใช้ได้ในที่ที่ต้องการความปลอดภัยโดยธรรมชาติ ข้อเสีย:
• ต้องมีแหล่งจ่ายไฟฟ้าและอากาศอัด แม้ว่าโดยปกติไม่ใช่ปัญหาในสภาพแวดล้อมการผลิตทางอุตสาหกรรม มีปัจจัยสำคัญสามประการที่ต้องนำมาพิจารณาเมื่อพิจารณาการใช้งานและแหล่งพลังงานที่ต้องการ:
• การเปลี่ยนแปลงโหลด
• ไม่ว่าค่าที่ตั้งจะสำคัญหรือไม่สำคัญ
• ไม่ว่าค่าที่ตั้งต้องเปลี่ยนแปลง แผนภาพในรูปที่ 5.4.1 และ 5.4.2 ช่วยอธิบาย

ประเภทของระบบควบคุมที่ควรติดตั้งคืออะไร?

การใช้งานที่แตกต่างกันอาจต้องการระบบควบคุมประเภทต่างๆ การควบคุมแบบควบคุมด้วยตัวเองและนิวเมติกสามารถใช้ได้หากการเปลี่ยนแปลงโหลดค่อนข้างช้าและหากสามารถยอมรับออฟเซ็ตได้ มิฉะนั้นควรใช้การควบคุมไฟฟ้า-นิวเมติกหรือไฟฟ้า รูปที่ 5.4.3 แสดงการใช้งานที่แตกต่างกันและข้อเสนอแนะว่าวิธีการควบคุมใดอาจยอมรับได้

ประเภทของวาล์วและแอคทูเอเตอร์

ประเภทของแอคทูเอเตอร์ถูกกำหนดโดยพลังงานขับเคลื่อนที่เลือก: แบบควบคุมด้วยตัวเอง ไฟฟ้า นิวเมติก หรือไฟฟ้า-นิวเมติก พร้อมกับความแม่นยำของการควบคุมและความเร็วของแอคทูเอเตอร์ที่ต้องการ ในแง่ของการเลือกวาล์ว ด้วยไอน้ำเป็นตัวกลางไหล ทางเลือกจำกัดอยู่ที่วาล์วสองทาง อย่างไรก็ตาม หากตัวกลางเป็นน้ำหรือของเหลวอื่นๆ มีทางเลือกของวาล์วสองทางหรือสามทาง ผลกระทบพื้นฐานต่อพลศาสตร์ของระบบท่อได้กล่าวถึงแล้ว การใช้งานน้ำมักจะกำหนดว่าวาล์วสามทางจะใช้เพื่อผสมหรือเบี่ยงเบนการไหลของของเหลว หากการเปลี่ยนแปลงความดันระบบด้วยวาล์วสองทางยอมรับได้ ข้อดีเมื่อเทียบกับวาล์วสามทาง ได้แก่ ค่าใช้จ่ายต่ำกว่า ความเรียบง่าย และการติดตั้งที่มีราคาแพงน้อยกว่า การเลือกวาล์วสองทางอาจอนุญาตให้ใช้การเปลี่ยนแปลงความดันระบบโดยธรรมชาติเพื่อเปิดปั๊มตามลำดับ หรือเพื่อลดหรือเพิ่มอัตราการสูบน้ำของปั๊มความเร็วแปรผันตามความต้องการโหลด เมื่อเลือกวาล์วจริง ปัจจัยทั้งหมดที่พิจารณาก่อนหน้าต้องนำมาพิจารณา รวมถึง: วัสดุตัววาล์ว ขีดจำกัดความดัน/อุณหภูมิของตัววาล์ว การเชื่อมต่อที่ต้องการ และการใช้วิธีการกำหนดขนาดที่ถูกต้อง ยังจำเป็นต้องแน่ใจว่าการเลือกชุดวาล์ว/แอคทูเอเตอร์สามารถทำงานต้านทานความดัน差异 ที่พบในทุกสถานะโหลด (ความดัน差异 ในระบบไอน้ำมักถือว่าเป็นความดันสัมบูรณ์สูงสุดของไอน้ำต้นน้ำ อนุญาตให้มีความเป็นไปได้ของไอน้ำที่ความดันต่ำกว่าบรรยากาศด้านท้ายน้ำของวาล์ว)

ตัวควบคุม

ความปลอดภัยมีความสำคัญเสมอ ในกรณีที่ไฟฟ้าขัดข้อง วาล์วควรล้มเหลวในตำแหน่งเปิดหรือปิด? การควบคุมควรเป็นแบบตรง (สัญญาณเอาท์พุตของตัวควบคุมเพิ่มขึ้นตามค่าที่วัด) หรือกลับด้าน (สัญญาณเอาท์พุตของตัวควบคุมลดลงตามค่าที่วัด)? หากการใช้งานต้องการเพียงการควบคุมเปิด/ปิด อาจไม่ต้องการตัวควบคุมเลย แอคทูเอเตอร์สองตำแหน่งอาจทำงานจากอุปกรณ์สลับ เช่น รีเลย์หรือเทอร์โมสตัท ในกรณีที่ต้องการความอเนกประสงค์ จำเป็นต้องใช้ความสามารถหลายฟังก์ชันของตัวควบคุมอิเล็กทรอนิกส์; อาจควบคุมอุณหภูมิและเวลา หลายลูป หลายอินพุต/เอาท์พุต เมื่อกำหนดแล้วว่าต้องการตัวควบคุม จำเป็นต้องกำหนดประเภทการกระทำของตัวควบคุมที่จำเป็น ตัวอย่างเช่น เปิด/ปิด, P, P I หรือ P I D ทางเลือกที่ทำขึ้นอยู่กับพลศาสตร์ของกระบวนการและประเภทของการตอบสนองที่พิจารณาก่อนหน้า รวมถึงความแม่นยำของการควบคุมที่ต้องการ ก่อนดำเนินการต่อ เป็นประโยชน์ที่จะกำหนดความหมายของ ‘การควบคุมที่ดี’ ไม่มีคำตอบง่ายๆ สำหรับคำถามนี้ พิจารณาการตอบสนองที่แตกต่างกันต่อการเปลี่ยนแปลงโหลดตามที่แสดงในรูปที่ 5.4.4

การควบคุมแบบควบคุมด้วยตัวเองโดยปกติเหมาะสมสำหรับการใช้งานที่มีความจุความร้อน ‘ด้านทุติยภูมิ’ ขนาดใหญ่มากเมื่อเทียบกับความจุ ‘ด้านปฐมภูมิ’

พิจารณาเครื่องทำน้ำร้อนแบบเก็บความร้อนดังที่แสดงในรูปที่ 5.4.5 ที่ปริมาณน้ำเก็บจำนวนมากถูกให้ความร้อนด้วยขดลวดไอน้ำ

เมื่อน้ำในภาชนะเย็น วาล์วจะเปิดกว้าง อนุญาตให้ไอน้ำเข้าสู่ขดลวด จนกระทั่งน้ำที่เก็บร้อนถึงอุณหภูมิที่ต้องการ เมื่อน้ำร้อนถูกดึงออกจากภาชนะ น้ำเย็นที่เข้ามาแทนที่จะลดอุณหภูมิน้ำในภาชนะ การควบคุมแบบควบคุมด้วยตัวเองจะมีแบนด์สัดส่วนค่อนข้างกว้างและทันทีที่อุณหภูมิลดลง วาล์วจะเริ่มเปิด ยิ่งน้ำเย็น วาล์วไอน้ำยิ่งเปิดมาก

รูปที่ 5.4.6 แสดงเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแผ่นไม่เก็บความร้อนที่มีความจุเก็บความร้อนน้อยทั้งด้านปฐมภูมิและทุติยภูมิ และมีเวลาตอบสนองเร็ว หากโหลดเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว อาจไม่สามารถให้ระบบควบคุมแบบควบคุมด้วยตัวเองทำงานสำเร็จ วิธีแก้ไขที่ดีกว่าคือใช้ระบบควบคุมที่จะตอบสนองอย่างรวดเร็วต่อการเปลี่ยนแปลงโหลด และให้ความแม่นยำในเวลาเดียวกัน