انواع ابزارهای اتوماسیون چیست؟

بسیاری از افراد تازه وارد به حوزه ابزار دقیق، هنگام مشاهده انبوه ابزارآلات در محل، احساس سردرگمی می‌کنند.

با نام‌هایی مانند گیج‌های فشار، دماسنج‌ها، فلومترها، لول‌مترها، شیرهای کنترلی، ترانسمیترها، PLCها، DCSها، آلارم‌ها و آنالایزرها، به راحتی می‌توان در مورد نحوه دسته‌بندی آن‌ها دچار اشتباه شد.

در واقعیت، ابزار دقیق اتوماسیون آنقدرها هم پیچیده نیست. از دیدگاه محل نصب، عمدتاً حول یک هدف واحد می‌چرخد: اندازه‌گیری پارامترهای فرآیند، انتقال آن‌ها، نمایش آن‌ها و کنترل آن‌ها - در حالی که در صورت لزوم آلارم‌ها و حفاظت تجهیزات را نیز فراهم می‌کند.

بر اساس عملکرد، ابزارهای اتوماسیون را می‌توان به طور کلی به شش دسته اصلی تقسیم کرد:

ابزارهای اندازه‌گیری میدانی، ابزارهای کنترلی میدانی، عملگرهای میدانی، ابزارهای نمایش و ثبت، ابزارهای تنظیم/کنترل و ابزارهای اندازه‌گیری تخصصی.

ابزارهای اتوماسیون صرفاً دستگاه‌هایی برای "خواندن مقادیر" نیستند.

در یک حلقه کنترلی کامل، ابزارهای اندازه‌گیری پارامترهای میدانی را جمع‌آوری می‌کنند، کنترل‌کننده تجزیه و تحلیل و محاسبات را انجام می‌دهد، عملگر اقدامات را اجرا می‌کند و ابزارهای نمایش/ثبت داده‌ها را به اپراتورها ارائه می‌دهند و برای سیستم ذخیره می‌کنند.

به عنوان مثال، یک حلقه کنترل دما را در نظر بگیرید: یک ترموکوپل یا دماسنج مقاومتی دما را اندازه‌گیری می‌کند؛ یک ترانسمیتر دما سیگنال را به PLC یا DCS ارسال می‌کند؛ کنترل‌کننده پاسخ مورد نیاز را محاسبه کرده و سیگنالی را خروجی می‌دهد؛ و در نهایت، یک شیر کنترلی جریان بخار، آب گرم یا آب خنک‌کننده را تنظیم می‌کند.

بنابراین، ابزارها به صورت مجزا وجود ندارند. هنگام عیب‌یابی در محل، نمی‌توان صرفاً بر روی یک گیج تمرکز کرد؛ ابزار باید در چارچوب کل حلقه کنترلی تحلیل شود.

ابزارهای اندازه‌گیری میدانی به عنوان منبع داده برای سیستم‌های اتوماسیون عمل می‌کنند. اگر اندازه‌گیری‌ها نادرست باشند، عملکردهای بعدی نمایش، ثبت و کنترل همگی مختل خواهند شد.

ابزارهای اندازه‌گیری میدانی رایج شامل ابزارهای اندازه‌گیری سطح مایع، فشار، دما و جریان، و همچنین ابزارهای آنالیز گاز و مایع هستند.

ابزارهای سطح برای اندازه‌گیری سطح مایعات، سطح مواد یا موقعیت فصل مشترک در مخازن ذخیره، برج‌ها، راکتورها و سیلوها استفاده می‌شوند. انواع رایج شامل گیج‌های سطح مغناطیسی، گیج‌های سطح شناور، لول‌مترهای راداری، لول‌مترهای اولتراسونیک، لول‌مترهای خازنی، لول‌مترهای فشار تفاضلی و سوئیچ‌های سطح هستند.

ابزارهای فشار برای اندازه‌گیری فشار، فشار تفاضلی یا سطوح خلاء در خطوط لوله، مخازن و تجهیزات استفاده می‌شوند. انواع رایج شامل گیج‌های فشار، ترانسمیترهای فشار، ترانسمیترهای فشار تفاضلی، سنسورهای فشار و سوئیچ‌های فشار هستند. گیج‌های فشار عمدتاً برای قرائت در محل، ترانسمیترهای فشار برای انتقال سیگنال از راه دور و سوئیچ‌های فشار برای آلارم‌ها و عملکردهای اینترلاک استفاده می‌شوند.

ابزارهای دما دمای یک محیط یا سطح تجهیزات را اندازه‌گیری می‌کنند. انواع رایج شامل دماسنج‌های دو فلزی، دماسنج‌های شیشه‌ای، ترموکوپل‌ها، آشکارسازهای دمای مقاومتی (RTD)، ترانسمیترهای دما، سوئیچ‌های دما و دماسنج‌های مادون قرمز هستند. ترموکوپل‌ها برای کاربردهای دمای بالا مناسب هستند، در حالی که RTDها برای اندازه‌گیری دماهای پایین تا متوسط مناسب‌ترند.

ابزارهای جریان، نرخ جریان گازها، مایعات یا بخار را اندازه‌گیری می‌کنند. انواع رایج شامل فلومترهای الکترومغناطیسی، گردابی، توربینی، اولتراسونیک، جرمی، صفحه اوریفیس و سطح متغیر (روتامتر) هستند. انتخاب نیازمند تأیید دقیق محیط، محدوده جریان، فشار و دما، ویسکوزیته، هدایت الکتریکی و الزامات خط لوله مستقیم است.

ابزارهای آنالیز گاز، ترکیب و غلظت گاز را تشخیص می‌دهند. انواع رایج در بازار شامل آنالایزرهای اکسیژن، آشکارسازهای گاز قابل اشتعال، آشکارسازهای گاز سمی، آنالایزرهای گاز مادون قرمز، آنالایزرهای گاز هدایت حرارتی، آنالایزرهای گاز لیزری و کروماتوگراف‌های گازی هستند.

ابزارهای آنالیز مایع پارامترهایی مانند pH، هدایت الکتریکی، کدورت، غلظت، چگالی، ویسکوزیته، اکسیژن محلول، COD و نیتروژن آمونیاکی را اندازه‌گیری می‌کنند. این ابزارها نیاز به نگهداری نسبتاً بالایی دارند؛ تمیز کردن، کالیبراسیون و بازرسی خطوط نمونه‌گیری وظایف ضروری هستند.

ابزارهای کنترلی میدانی مسئول پردازش سیگنال در محل، تبدیل سیگنال و کنترل محلی هستند.

انواع رایج شامل ابزارهای کنترلی پنوماتیک، الکتریکی و هیدرولیکی هستند.

ابزارهای کنترلی پنوماتیک از هوای فشرده به عنوان منبع تغذیه خود استفاده می‌کنند؛ ساختار نسبتاً ساده‌ای دارند و در کاربردهای ضد انفجار همچنان ارزشمند هستند. ابزارهای کنترلی الکتریکی از سیگنال‌های الکتریکی استفاده می‌کنند و ادغام آن‌ها با PLCها، DCSها و کامپیوترهای نظارتی را آسان‌تر می‌سازد. ابزارهای کنترلی هیدرولیکی نیروی خروجی بالایی را ارائه می‌دهند و معمولاً در کاربردهای بار سنگین یا نیروی رانش بالا استفاده می‌شوند.

عوامل کلیدی در انتخاب این ابزارها شامل سیگنال‌های ورودی/خروجی، دقت کنترل، سرعت پاسخ، شرایط منبع تغذیه، درجه‌بندی ضد انفجار، محیط میدانی و رابط‌های سیستم هستند.

عملگرهای میدانی اجزایی در حلقه کنترلی هستند که در واقع اقدام فیزیکی را انجام می‌دهند.

پس از اینکه سیستم کنترلی فرمانی را صادر کرد، عملگر با تنظیم شیرها، دمپرها، دریچه‌های سد یا سایر سازه‌های مکانیکی برای تغییر شرایط فرآیند مانند نرخ جریان، فشار، سطح مایع یا دما، آن را اجرا می‌کند. دستگاه‌های عملگر رایج شامل شیرهای کنترلی پنوماتیک، الکتریکی و هیدرولیکی؛ شیرهای قطع کن؛ شیرهای پروانه‌ای؛ شیرهای توپی؛ شیرهای دروازه‌ای؛ عملگرها؛ موقعیت‌یاب‌های شیر و موقعیت‌یاب‌های هوشمند شیر هستند.

در طول نگهداری میدانی، باید فراتر از اینکه آیا عملگر می‌تواند صرفاً باز و بسته شود، نگاه کرد. همچنین لازم است عملکرد روان، موقعیت‌یابی دقیق، سیگنال‌های بازخورد نرمال، زمان‌های پاسخ مناسب و اینکه آیا موقعیت ایمن (fail-safe) الزامات فرآیند را برآورده می‌کند، بررسی شود.

بسیاری از نوسانات کنترلی نه از تنظیم پارامترهای کنترل‌کننده، بلکه از مسائلی مانند چسبندگی شیر، موقعیت‌یاب‌های نادرست، فشار ناپایدار منبع هوا یا پاسخ کند عملگر ناشی می‌شوند.

ابزارهای نمایش و ثبت پارامترهای میدانی، وضعیت تجهیزات و اطلاعات آلارم را نشان می‌دهند و در عین حال داده‌های حیاتی را ذخیره می‌کنند.

نمونه‌های رایج شامل نمایشگرهای دیجیتال، نمایشگرهای آنالوگ، نمایشگر-کنترل‌کننده‌ها، اسکنرهای چند نقطه‌ای، رکوردرهای کاغذی، رکوردرهای بدون کاغذ، HMIهای صفحه لمسی، ترمینال‌های ایستگاه اپراتور و دستگاه‌های آلارم صوتی/تصویری هستند.

نمایشگرهای دیجیتال برای نظارت بر پارامترهای تک نقطه‌ای مناسب هستند. نمایشگر-کنترل‌کننده‌ها می‌توانند عملکردهای آلارم و کنترل پایه را در خود جای دهند. رکوردرهای بدون کاغذ برای پیگیری روند پارامترهایی مانند دما، فشار، جریان و سطح ایده‌آل هستند. HMIها و ایستگاه‌های اپراتور برای رابط‌های بصری، پیکربندی پارامترها، نظارت بر آلارم و عملکرد تجهیزات استفاده می‌شوند.

معیارهای انتخاب کلیدی شامل سیگنال‌های ورودی، روش‌های نمایش، فواصل ثبت، ظرفیت ذخیره‌سازی، رابط‌های ارتباطی، خروجی‌های آلارم و حفاظت در برابر قطع برق هستند.

ابزارهای تنظیم و کنترل به عنوان "مغز" سیستم اتوماسیون عمل می‌کنند و مسئولیت تنظیم خودکار، کنترل منطقی، کنترل توالی و حفاظت ایمنی را بر عهده دارند.

دستگاه‌های میدانی رایج شامل کنترل‌کننده‌های PID، تنظیم‌کننده‌های تک حلقه و چند حلقه، PLCها، DCSها، FCSها، ESDها، SISها و کامپیوترهای صنعتی هستند.

کنترل‌کننده‌های PID معمولاً برای تنظیم پارامترهای پیوسته مانند دما، فشار، جریان و سطح استفاده می‌شوند. PLCها معمولاً برای عملیات راه‌اندازی/توقف تجهیزات، کنترل توالی، حفاظت اینترلاک و پردازش سیگنال‌های گسسته (روشن/خاموش) به کار می‌روند. DCSها برای نظارت متمرکز و کنترل توزیع شده واحدهای تولید پیوسته در مقیاس بزرگ مناسب هستند. SISها و ESDها عمدتاً برای اینترلاک ایمنی و خاموش کردن اضطراری استفاده می‌شوند؛ نباید صرفاً به عنوان سیستم‌های کنترلی استاندارد تلقی شوند.

عوامل انتخاب شامل فرآیند کنترل شده، تعداد نقاط I/O، استراتژی کنترل، پروتکل‌های ارتباطی، الزامات افزونگی، سطوح یکپارچگی ایمنی (SIL)، مدیریت آلارم و قابلیت‌های نگهداری بلندمدت هستند.

ابزارهای اندازه‌گیری تخصصی عمدتاً برای تشخیص پارامترهای منحصر به فرد، نظارت بر سلامت تجهیزات و انجام کالیبراسیون میدانی استفاده می‌شوند. نمونه‌های رایج شامل مانیتورهای ارتعاش شفت، مانیتورهای جابجایی شفت، تاخیمترها، ابزارهای توزین، ضخامت‌سنج‌ها، کالیبراتورهای سیگنال، آشکارسازهای شعله، آنالایزرهای رطوبت آنلاین، چگالی‌سنج‌های آنلاین و ابزارهای نظارت بر وضعیت تجهیزات هستند.

ابزارهای اندازه‌گیری ارتعاش شفت، جابجایی شفت و سرعت چرخش معمولاً بر روی تجهیزات دوار مانند کمپرسورها، توربین‌های بخار، فن‌ها و پمپ‌ها استفاده می‌شوند. ابزارهای توزین در سیلوها، ترازوهای نواری و سیستم‌های بچینگ یا بسته‌بندی استفاده می‌شوند. ضخامت‌سنج‌ها برای اندازه‌گیری ضخامت صفحات، لوله‌ها و دیواره‌های مخازن و همچنین ضخامت پوشش استفاده می‌شوند. آشکارسازهای شعله معمولاً برای حفاظت احتراق در بویلرها، کوره‌های گرمایشی و اینسینراتورها استفاده می‌شوند.

انتخاب این ابزارها نیازمند در نظر گرفتن عواملی مانند نوع تجهیزات، پارامتر اندازه‌گیری شده، محل نصب، سرعت پاسخ، سیگنال‌های خروجی و الزامات حفاظتی است.

هنگام انتخاب ابزارهای اتوماسیون، نباید صرفاً بر روی شماره مدل و قیمت تمرکز کرد.

ابتدا، پارامتر مورد اندازه‌گیری را شناسایی کنید؛ سپس، محدوده اندازه‌گیری، دقت، مواد ساخت، روش نصب، منبع تغذیه و سیگنال خروجی را تعیین کنید.

اگر محیط خورنده است، قطعات در تماس با سیال باید از مواد مناسب ساخته شوند. برای محیط‌های با دمای بالا، اتلاف حرارت، تراکم، عایق‌بندی و ترموول‌ها را در نظر بگیرید. اگر محیط مستعد کریستالیزاسیون یا گرفتگی است، یا حاوی ناخالصی است، از دیافراگم‌ها، پاکسازی، شستشو یا پیش‌تصفیه نمونه استفاده کنید. در مناطق با ارتعاش قابل توجه، نصب با براکت و محل نصب را در نظر بگیرید.

پس از راه‌اندازی ابزار، به طور منظم نقطه صفر، اسپَن، سیم‌کشی، منبع تغذیه، اتصال زمین، ارتباطات، خروجی‌های آلارم و وضعیت اینترلاک را بررسی کنید.

هنگام عیب‌یابی در محل، این توالی را دنبال کنید: منبع تغذیه را بررسی کنید، سپس سیگنال، سپس سیم‌کشی، سپس تنظیمات پارامتر و در نهایت عنصر سنجش و شرایط فرآیند.

دسته‌بندی ابزارهای اتوماسیون به خاطر سپردن دشوار نیست، زیرا هر نوع عملکرد خاصی را انجام می‌دهد.

به عنوان مثال، ابزارهای اندازه‌گیری داده‌ها را جمع‌آوری می‌کنند؛ ابزارهای کنترل پردازش سیگنال را انجام می‌دهند؛ عملگرها اقدامات فیزیکی را در میدان انجام می‌دهند؛ ابزارهای نمایش و ثبت داده‌ها را نشان داده و ذخیره می‌کنند؛ ابزارهای تنظیم و کنترل، کنترل و اینترلاک‌ها را مدیریت می‌کنند؛ و ابزارهای اندازه‌گیری تخصصی پارامترهای منحصر به فرد را تشخیص می‌دهند.

هنگامی که در محل حضور دارید، یک ابزار را به عنوان یک دستگاه مجزا در نظر نگیرید. آن را در چارچوب کل حلقه کنترلی در نظر بگیرید، و بسیاری از مشکلات آسان‌تر تشخیص داده خواهند شد.