سیستم کنترل
- مقدمه
كنترل اتوماتيك سيستم هاي گرمايش و تهويه مطبوع تكنولوژي بسيار توسعه يافته اي است كه از حدود دو قرن پيش با ساخت وسايلي بسيار ساده و بعضا ناقص آغاز شد . اين وسايل و سيستم ها بالاخص در ساليان اخير پيشرفت قابل ملاحظه اي نموده اند و قادر به انجام كنترلهائي هستند كه تصور آن تا چند دهه پيش غير ممكن مي نمود هم اكنون هزاران وسيله كنترل گوناگون در جهان مورد استفاده مي باشد كه اكثر آنها به علت تنوع كنترل داراي پيچيدگي هاي خاصي بوده كه توضيح و تشريح آن از عهده اين بحث خارج است .
هدف اين فصل القا يك مفهوم كلي از اصول و ارائه رايج ترين مكانيزم هاي اساسي دستگاه هاي كنترل و صنعت تهويه مي باشد .
- اهداف كنترل
بيشتر كنترل هاي اتوماتيك در صنعت تهويه مطبوع جهت تامين حداقل يكي از اهداف زير به كار مي روند :
1- تنظيم سيستم تهوي به گونه اي كه شرايط راحتي و آسايش افراد در فضا هاي مورد نظر فراهم گردد .
2- حفظ دما ، رطوبت ، فشار در حدي معين جهت محافظت ساختمان ، افراد آن در مقابل خسارت ، آسيب هاي احتمالي و همچنين جلوگيري از كاركرد تجهيزات در شرايط خطر ناك .
3- تامين كاركرد تجهيزات با بيشترين بازده فني و اقتصادي .
4- حذف خطا هاي انساني با كاهش ميزان دخالت انسان در مسير كاركرد سيستم .
-اجزا و واژه هاي اصلي كنترل
اصلاح گرمايش و تهويه مطبوع دامنه وسيعي از تجهيزات را مي پوشاند از يك بخاري نفتي تا سيستم هاي پيشرفته و پيچيده اي كه براي بلند ترين ساختمان هاي دنيا به كار مي رود به همين ترتيب نيز طيف كنترل از تنظيم بخاري ساده فوق تا سيستم هاي كنترل كامپيوتري بسيار مدرن را در بر مي گيرد در هر حال عليرغم هر گونه پيچيدگي ظاهري تمامي سيستم هاي كنترل متشكل از عضو اصلي و اساسي مي باشند كه در مثال زير همراه با برخي واژه هاي كنترل توضيح داده مي شود .
فرض كنيد مطابق شكل (1-20) فردي مي خواهد درجه حرارت اتاقي را كه به وسيله يك رادياتور گرم مي شود در (مقدار دلخوا) w ثابت نگه دارد .
شكل (1-20)شماي يك سيستم كنترل شكل (2-20)شماي يك سيستم كنترل
براي اين منظور از ابتدا دماي اتاق (پارامتر كنترل شونده ) را به وسيله يك دماسنج اندازه گيري و سپس مقدار آ ن را (x) با مقدار دلخواه خود مقايسه مي نمايند و در مرحله بعدي با توجه به حاصل مقايسه x-w=e يا انحراف كنترلي تصميم مي گيرد آيا شير رادياتور ( عنصر كنترل كننده نهايي ) را بايد باز كند ، ببندد و يا بدون تغيير نگه دارد اين روش را كنترل دستي گويند .
حال اگر فرد مورد نظر را با يك سيستم متشكل از سنسور ، كنترلر و شير موتوري مطابق شكل (2-20) جايگزين نماييم تمامي اين احوال به صورت اتوماتيك قابل انجام خواهد بود و در هر صورت چرخه كنترلي عمليات زير را انجام مي دهد .
1- احساس و اندازه گيري تغييرات پارامتر شونده (x) توسط سنسور
2- مقايسه پارامتر كنترل شونده مقدار دلخواه (x-w=e) توسط كنترلر
3- ارسال فرماني مناسب (y) به عنصر كنترل كننده نهايي توسط كنترلر
4- انجام عمل تصحيحي به منظور دستيابي به مقدار دلخواه توسط عنصر كنترل كننده نهايي
5- بررسي مجدد تغييرات پارامتر كنترل شونده جهت اطمينان از حصول به مقدار دلخواه (عمل پسخور )
شكل (3-20) شماي سيستم كنترل كننده و كنترل شونده
اجزا سيستم كنترل شكل (2-20)را مي توان به صورت شكل (3-20) نيز نشان داد كه در آن به علت داشتن عمل پس خور يا فيد بك شكل (3-20) سيستم كنترل يك مدار كنترل بسته مي باشد زيرا تغيير دماي ناشي از تغيير موقعيت شير رادياتور مجددا توسط سنسوراحساس و اندازه گيري شده و بسته به نياز تنظيم مجدد انجام خواهد شد وليكن مدار كنترل باز فاقد عمل پس خور مي باشد مثلا در يك ماشين لباس شويي هيچگاه مقدار تميزي البسه تاثيري در برنامه كار از پيش تايين شده آن ندارد .
از مثال و مطالب فوق آشنا شدن با واژه هاي كنترل به اين نتيجه هم مي توان رسيد كه هر سيستم كنترل داراي حداقل سه عنصر به نام سنسور كنترلر و عنصر كنترل كننده نهايي مي باشد بديهي است كه يك سيستم كنترل تا زماني معني پيدا مي كند كه سيستمي نيز جهت كنترل شدن نيز موجود باشد .
– انواع سيستم هاي كنترل
سيستم هاي كنترل از ديدگاه هاي مختلف تقسيم بندي مي گردند كه در ارائه مطلب به دو نوع از آنها اشاره خواهد شد .
1- تقسيم بندي از لحاظ نوع انرژي
سيستم هاي كنترل تهويه مطبوع از لحاظ منبع انرژي به الكتريكي الكترونيكي و نيوماتيكي تقسيم مي مي گردند علاوه بر اينها نوع ديگري نيز به نام خود تحريك به صورت محدود وجود دارد .
الف ) سيستم هاي كنترل الكتريكي
اگر منبع انرژي دستگاه هاي كنترل برق باشند در اين صورت اجزاي مدار كنترل به وسيله مدارات سيم كشي الكتريكي به هم متصل مي شوند اين مدار ها مي توانند حاصل ولتاژ خط مانند 220 يا 120 ولت باشند و يا از ولتاژ هاي پايين در حد 24 ولت متناوب استفاده نماييد ولتاژ پايين توسط يك ترانسفورماتور كاهنده ولتاژ تامين مي شود مزيت استفاده از ولتاژ پايين آن است كه اجزاي حساس دستگاههاي كنترل ظرفيت تر سبك تر ساخته مي شوند و در نتيجه پاسخ سريعتري به تغييرات پارامتر كنترل شونده مي دهند همچنين هزينه سيم كشيرا كاهش و ايمني بيشتري نيز از لحاظ برق گرفتگي بوجود مي آورند .
ب ) سيستم هاي كنترل الكتريكي
در سيستم كنترل الكتريكي نيز از انرژي الكتريكي استفاده مي شود با اين تفاوت كه قطعات الكترونيكي موجود در اين دستگاه ها از ولتاژ هاي پايين در حدود (5 تا 15 ولت) مستقيم جهت اعمال پيچيده و بسيار گوناگوني كه سيستم كنترل الكتريكي قادر به انجام آن نيست بهره مي برند عنصر حساس در اين سيستم معمولا مقاومت متغيير بوده و آمپلي فاير ها سيگنالها ي در يافتي را جهت استفاده عناصر كنترل نهايي مانند موتور ها تقويت مي نمايند .
ج ) سيستم هاي كنترل نيو ماتيكي
در اين سيستم ها اجراي مدار كنترل به وسيله لوله هاي نسبتا باريك هوا به هم متصل و توسط فشار هوا تحريك مي گردند هواي فشرده در كمپرسور پس از تقليل فشار معمولا به حدود 20 پند بر اينچ مربع با فشار ثابت وارد دستگاه هاي كنترلي مانند ترموستات يا كنترلر نيو ماتيك مي شود . اين دستگاهها در اصل نوعي تنظيم كننده فشار هستند كه با توجه به مقدار پارامتر كنترل شونده سيگنال خود را به صورت هواي با فشار 3 تا 15 پاند بر اينچ مربع به عنصر كنترل كننده نهايي ( موتور يا رله ) فرستاده تا در آنجا عمل تصحيح انجام گيرد .
د) سيستم هاي خود تحريك
در اين سيستم منبع انرژي عنصر حساس كنترلر و عنصر كنترل كننده نهايي همگي در يك دستگاه قرار دارند و مثال آن يك شير ترموستاتيكي رادياتور است كه فشنگي آن با گاز يا مايع مخصوص پر شده است و در اثر تغيير دما منبسط و منقبض مي شود و با جابجايي يك محفظه آكوردئوني شكل متصل به هسته شير باعث مي گردد كه شير رادياتور با تغيير موقعيت داده و مقدار گذر سيال عبوري از شير را تغيير دهد .
شكل ( 4-20) يك سيستم خود تحريك
2- سنسورهاي درجه حرارت
از رايج ترين و ساده ترين عناصر حساس به دما بي متال مي باشد كه در اصل يك نوار نازك فلزي متشكل از دو لايه فلز با جنس متفاوت مي باشد اختلاف ضرايب انبساط اين دو فلز باعث مي شود در اثر تغيير درجه حرارت بي متال به يك طرف منحرف گردد از جابجايي حاصله مي توان جهت قطع و وصل مدار سيستم هاي كنترل الكتريك و يا تنظيم دهنده خروجي هوا در سيستم هاي نيوماتيك استفاده نمود بي متال به شكلهاي مختلف ساخته مي شود كه در زير چند نمونه از آن مشاهده مي شود
شكل (6-20) اشكال مختلف بي متال
ب) محفظه آكوردئوني
از انواع ديگر سنسورهاي دما محفظه بسته آكوردئوني شكل مي باشد اين محفظه كه معمولا از جنس برنج مي باشد پس از تخليه هواي آن با يك گاز و يا مايع حساس به گرما پر مي شود تغيير درجه حرارت باعث انبساط و انقباض و در نتيجه سر آزاد آن مي گردد كه مستقما از طريق اهرمهايي جهت تحريك مدار كنترلر ها بكار مي رود . شكل (7-20)
شكل (7-20) محفظه آكوردئوني
ج) لوله موئينه و فشنگي
از اين نوع سنسور جهت اندازه گيري دما در كانالهاي هوا لوله هاي آب و يا بخار و منابع استفاده مي گردد و معمولا متشكل از سه قسمت مختلف شامل فشنگي لوله موئينه و يا ديافراگم يا محفظه آكوردئوني مي باشد فشنگي از گاز يا مايع حساس به دما پر مي شود كه در اثر تغيير درجه حرارت محيط اطراف آن منبسط مي شود عمل انبساط از طريق لوله موئينه به محفظه آكوردئوني منتقل شده و نتيجه به صورت يك جابجايي عرضه مي گردد . شكل (8-20)
شكل (8-20) لوله موئيني و فشنگي
د) مقاومت متغيير
در سيستم هاي كنترل الكترونيكي سنسور در ال سيمي از جنس مخصوص مي باشد كه به دور عايق پيچيده شده است و مقاومت الكتريكي آن با تغيير درجه حرارت تغيير مي نمايد اين مقاومت متغيير در مدار كنترلر الكتريكي باعث تحريك آن در نهايت ارسال سيگنال متناسب از كنترلر خواهد شد همچنين از ترميستور كه يك المان الكترونيكي تقريبا به همان خاصيت فوق مي باشد نيز استفاده مي گردد .
شكل (9-20) سنسور الكترونيكي كانالي و اطاقي
3- سنسورهاي رطوبت
عنصر حساس كنترلرهاي رطوبت در گذشته موي انسان ، دم اسب ، چوب ، چرم و يا هر ماده ديگر حساس به رطوبت بوده اند و در حال حاضر از مواد نايلوني مخصوص استفاده مي نمايند وقتي مقدار رطوبت هواي محيط تغيير نمايد رطوبت جذب شده و يا رها شده از اين المانها باعث انبساط و انقباض آنها و در نتيجه تحريك مكانيزم كنترلر مي شود .
سنسورهاي رطوبت الكترونيكي معمولا دو ورقه بسيار نازك از طلا به شكل شانه مي باشد كه در داخل يك ديگر فرو رفته اند و بين آنها با يك ماده شيميايي حساس به رطوبت پوشيده گرديده است .
تغيير رطوبت هوا باعث مي شود مقاومت ماده شيميايي و در نتيجه جريان عبوري از سنسور تغيير نمايد نوع جديد تر سنسورهاي رطوبت الكترونيكي در واقع يك خازن است كه ضريب دي الكتريك آن با تغيير رطوبت هوا تغيير مي نمايد . شكل (10-20)
شكل (10-20) سنسور رطوبت با الياف مو و سنسور رطوبت الكترونيكي
سنسور هاي فشار در تهويه مطبوع مي توانند به صورت ديافراگم شكل (11-20 ) و يا به صورت محفظه آكوردئوني و لوله بوردن شكل (12-20) باشند . سيال تحت فشار نيز مي تواند مستقيما به سنسور منتقل شود و جابجايي حاصله براي تحريك مكانيز كنترلر فشار به كار رود سنسورهاي الكترونيكي فشار به صورت مقاومت متغيير نيز وجود دارد كه از خاصيت پيزوالكتريك استفاده مي نمايند كه بيشتر در سيستم هاي كنترل فرايند هاي صنعتي به كار مي رود .
شكل (11-20 ) سنسور فشار ديافراگمي شكل (12-20) سنسور فشار از نوع لوله بوردن
-كنترلر ها
دومين جز اساسي سيستم هاي كنترل كنترلر ها مي باشند كنترلر در اصل مغز متفكر سيستم است كه اطلاعات مربوطه به پارامتر كنترل شوندهو نقطه دلخواه را دريافت و مقايسه مي نمايد و سپس بسته به مدكنترل خود سيگنالي مناسب به عنصر كنترل كننده نهايي مي فرستد در اينجا به بررسي اوليه در مورد انواع كنترلر ها ي الكترونيكي و نيو ماتيكي و مزايايي سيستم هاي آنها مي پردازيم .
كنترلر هاي الكترونيكي
قبلا گفته شد كه بر خلاف سيستم هاي الكترونيكي با ولتاژ هاي پايين در حد 5 تا 15 ولت مستقيم كار مي كنند و تقويت سيگنال و اعمال منطقي (لاجيك)توسط قطعات و مدارات الكترونيكي انجام مي پذيرد مدار اصلي و رايج تشكيل دهنده كنتر لر ها الكترونيكي ( پل و تستون مي باشد پل و تستون مطابق شكل مداري متشكل از چهار مقاومت است كه منبع تغذيه به دو گوشه از آن وارد و سيگنال خروجي از دو گوشه ديگر خارج مي شود در اين مدار يك يا دو عدد از مقاومت هاي متغيرمقاومت هاي متغيير مي باشد وقتي مقاومت ها دو به دو مساوي هستند سيگنال خروجي برابر صفر مي باشد و هر گاه يك يا چند مقاومت مقدارشان تغيير نمايد مدار پل نا متعادل گشته و سيگنالي خارج مي گردد كه متناسب با تغيير مقاومت است اين سيگنال در آمپلي فاير تقويت شده و به عنصر كنترل كننده نهايي (مانند موتور )ارسال مي گردد .
سنسورهاي الكترونيكي در حقيقت مقاومت متغييري مي باشند به عنوان عضوي از پل و تستون بوده كه در خارج و به فاصله دور تر از بقيهمدار پل نصب مي گردند با مدار ساده شكل (13-20) امكان تغيير نقطه تنظيم و كاليبراسيون وجود ندارد براي دستيابي به اين خواص دو مقاومت (پتانسيومتر ) ديگر به مدار مي بايست اضافه نمود شكل (14-20)همچنين براي ساير تنظيمات و افزايش مقدورات كنترلر به قسمت هاي مختلف اين مدار اجزاي ديگري نيز مرتبط مي گردند خلاصه آنكه مدار پل و تستون و تمامي متعلقات آن به استثناي مقاومت هاي متغير سنسور هاي تشكيل دهنده كنترلر هستند .
شكل (14-20)مدار با كاليبراسيون و نقطه تنظيم شكل (13-20) مدار ساده پل و تستون
مزاياي سيستم الكترونيك
با آنكه سيستم هاي كنترل الكترونيكي نسبت به دو سيستم ديگر ( نيوماتيكي و الكتريكي ) جديد تر هستند ولي به طور موثري قادر به كنترل تمامي تجهيزات تهويه مطبوع در ساختمانهاي بزرگ مي باشند الكترونيك و وارد شدن و ريز پردازنده ها به بازار در حال حاضر حتي كنترلر ساده خانگي به صورت الكترونيك و يا ميكرو پروسسوري و با مقدورات نرم افزاري به ارزاني در اختيار قرار دارد .
به طور كلي برخي از مزاياي سيستم هاي كنترل الكترونيكي را ميتوان به شرح زير خلاصه نمود .
1- ساختمان سنسور هاي الكترونيك ساده و بدون هيچ قسمت متحركي است بنابراين عملكرد قابل اطميناني دارد و مي تواند در فضا هاي حساس به كار رود همچنين جرم كم باعث مي شود در مقابل تغييرات بار حرارتي و برودتي پاسخ سريعي از خود نشان دهد .
2- عنصر تنظيم كننده يا كنترلر معمولا با فاصله نسبت به سنسور قرار مي گيرد بدين ترتيب با قرار دادن تمامي كنترلر ها در يك محل مشترك و بدور از آلودگي ضمن افزايش بازده نگهداري مي توان تمامي تنظيمات و كاليبراسيون را از يك تابلوي مر كزي انجام داد .
3- ارتباط بين اجزاي مختـــلف يك سيســتم ساده و كم ولتاژ بوده و بــاعث ارزاني و ايمنــي مي گردد.
4- بزرگترين ويژگي كنترلر ها الكترونيكي انعطاف پذيري آنها مي باشد حتي بسته به نياز مدارات الكترونيك مي توانند با مدارهاي نيو ماتيك و الكتريكي تركيب شده تا نتايج دلخواه را به بار آورند نتايجي كه شايد به صورت عادي با به كار گيري فقط يك نوع سيستم امكان پذير نمي باشد به عنوان نمونه با استفاده از دستگاه هاي مبدل سيگنال الكترونيك به نيوماتيك مي توان از قابليت هاي پيچيده سيستم الكترونيك جهت تحريك شير هاي كنترل نيوماتيك با قطر بسيار بالا استفاده نمود همچنين مي توان به كمك سنسور ها ميانگين دما را در نقاط مختلف به دست آورد و يا به كمك سنسورهاي با المان بلند در محلهاي مانند كانالهاي عريض با دقت خوب مقدار دمارا اندازه گيري نمود از ديگر مزايا اين است كه كنتر لر ها الكترنيك مي توانند سيگنالهاي متعددي را از سنسورهاي مختلف بپذيريد و پس از بررسي بر روي آنها مقدار سيگنال خروجي را به گونه اي تنظيم كنند كه پايداري مدار و دقت سيستم كنترل تا حد مطلوبي افزايش يابد در اين مورد در قسمت هاي بعدي بيشتر گفته خواهد شد .
5- مدارات الكترونيك قادرند با افزودن چند واسطه ديجيتالي به يك يا چند كامپيوتر مركزي متصل گردند تا ضمن آنكه تمام تنظيمات به صورت برنامه ريزي عمل گردد تمامي سيستم ها و وضعيت آنها هميشه بر روي مونيتور كامپيوتر قابل رويت و آناليز باشد بدين ترتيب كليه كنترلر ها يك يا چندين ساختمان بزرگ مي تواند در يك لحظه به وسيله كامپيوتر كنترل و نشان داده شود.
كنترلر هاي الكتريكي
همانگونه كه ميدانيد يك مدار برقي شامل حداقل 3 قسمت مي باشد : منبع ولتاژ ، سوئيچ قطع ، و وصل گاهي مقاومت متغيير و مصرف كننده . در اين حالت موردمدار هاي كنترل الكتريكي تهويه مطبوع نيز مصداق دارد منبع ولتاژ برق شهر بوده و سنسور و كنترلر در حكم سويچ قطع و وصل و موتور ها و رله ها در حكم مصرف كننده مي باشند ذكر اين نكته نيز ضروري است كه در سيستم كنترل الكتريكي سنسور و كنترل معمولا سر هم و در يك دستگاه هستند و معمولا به نامهايي چون ترموستات ، آكوستات ، هيومديستات و يا پرشرستات خوانده مي شوند .
ساختمان كنترلرهاي دو حالته
سنسورهايي كه قبلا گفته شد ( بغير از سنسورهاي الكترونيكي ) مي توانند جهت تحريك يك يا چند كنتاكت يك سوئيچ در اين كنترلرها بكارروند . بدين ترتيب كه تغيير پارامتر كنترل شونده منتهي به جابجايي سنسور ( مثلا بي متال) شده كه آن هم به نوبه خود كنتاكت يك سوئيچ را جابجا مي نمايد و در نتيجه رله اي قطع يا وصل يا موتوري خاموش روشن مي گردد . مثالدر اين مورد ، ترموستات اتاقي فن كويل مي باشد كه با تغيير دما و تحريك سوئيچ آن بادرسان فن كويل را خاموش و روشن و يا شير موتوري آن را باز و بسته مي نمايد . شكلهاي (15-20) و (16-20) ترموستات اتاقي دو حالته را نشان مي دهد .
شكل (15-20) ترموستات اتاقي دو حالته
شكل (16-20) ترموستات اتاقي دو حالته
كنترلرهاي تدريجي
در اين نوع كنترلرها ، سنسور هاي غير الكترونيكي جهت جابجايي دستك يك پتانسيومتر (مقاومت متغير سه سر ) به كار مي روند اين پتانسيومتر متصل به موتور عنصر كنترل كننده نهايي است و به صورت مجتمع و به حالت تدريجي عمل مي نمايد .
موتورهاي تدريجي الكتريكي معمولا از نوع دوران دو جهته مي باشند و مداري مطابق شكل (17-20) دارند ، عناصر اصلي آن عبارتند از : سيم پيچها و خازن پتانسيومتر ، فيدبك ، رله تعادلي ، جعبه دنده .
طرز كار
در شرايط مطلوب ، دستك پتانسيومتر كنترلر و دستك پتانسيومتر فيدبك داخل موتور در حالت وسط قرار دارند ، شكل (17-20) جريان عبوري از دو سيم پيچ رله تعادلي يكسان است . با تغيير پارامتر كنترل شونده دستك پتانسيومتر كنترلر جابجا گشته و منجر به عدم تعادل مدار مي شود . اختلاف شدت جريان در دو سيم پيچ رله تعادلي باعث چسبيدن كنتاكت آن به يك طرف شده و در نتيجه برق از يك سر موتور وارد شده و آن را به دوران در مي آورد .
دوران موتور و محور آن باعث حركت دستك پتانسيومتر فيدبك در جهت مخالف شده تا آنجا كه مجددا تعادل مدار بر قرار شود . بدين طريق موتور با اختيار حالت جديد براي عنصر كنترل كننده نهايي ، تغيير پارامتر كنترل شونده ، از مقدار دلخواه را جبران مي نمايد . شكل (18-20)
شكل (17-20 ) مدار كنترلرهاي تدريجي
شكل (18-20) طرز كار كنترلرهاي تدريجي
مزاياي كنترلرهاي الكتريكي
از سيستم كنترلرهاي الكتريكي ميتوان در هر جا كه انرژي الكتريكي موجود است ، استفاده نمود و مانند سيستم نيوماتيك نيازي به كمپرسور هواي فشرده نيست و سيم كشي آن ساده و آسان است .
در اين سيستم مي توان سيگنالهاي ظريفي كه در اثر اتصال كنتاكت ها به وجود مي آيند را تقويت و جهت راه اندازي وسايل برقي مانند موتورها و ... بكار برد .
سنسور و كنترلر نيز در اين سيستم در يك دستگاه قرار دارند كه تعداد وسايل را به حداقل ميرساند . اين سيستم معمولا در ساختمانهاي متوسط و نيمه بزرگ قابل استفاده است . ارزاني ، سادگي نصب ، سيم كشي ساده و صرفه جويي در تعداد دستگاه ها و همچنين امكان انجام اعمال كنترل تركيبي و ترتيبي با تغيير سيم كشي ، كنترلرهاي الكتريكي را در بسياري جهات مورد توجه قرار داده است .
كنترلرهاي نيوماتيكي
سيستم هاي كنترل نيوماتيكي به مانند ساير سيستم ها متشكل از سنسور و كنترلر و عنصر كنترل كننده نهايي مي باشند و علاوه بر اينها از آنجا كه منبع تغذيه اين سيستم هواي فشرده مي باشد ، هميشه به يك منبع تامين هواي فشرده و تميز و ايستگاه تقليل فشار نيز دارد . فشار هواي فشرده و تميز پس از خروج از كمپرسور به وسيله ايستگاه فشار شكن تا حدود 20 پاند بر اينچ مربع تقليل مي يابد و سپس از طريق لوله هاي باريك هوا به سنسور و كنترلر مي رود كه در آنجا نيز با توجه به
شكل (19-20)كنترلر نوع نشتي شكل (20-20) كنترلرغير نشتي
مد كنترلر و شرايط پارامتركنترل شونده ، فشار آن به ميزان مناسب تنظيم و مجددا توسط لوله هاي هوا براي عناصر كنترل كننده نهايي مانند موتور محرك شير كنترل يا موتور محرك دمپر ارسال مي گردد . كه در آنجا حركت يك ديافراگم و متعلقات باعث جابجايي موقعيت شير و يا دمپر مي گردد .
از ساده ترين نوع كنترلرهاي نيوماتيك نوع نشتي آن ميباشد كه در شكل (19-20) نشان داده شده است .
فشار هواي خروجي كنتر لر تابعي از مقدار هواي جريان يافته از ميان نازل مي باشد هر گاه جريان خروجي از نازل به طريق محدود شود فشار خروجي كنترلر افزايش مي يابد در حقيقت جريان هواي نازل با تغيير موقعيت پره مقابل آن كه مطابق نياز سنسور صورت مي گيرد كنترل مي شود اين دستگاه مي تواند با توجه به مكانيز سنسور با عمل مستقيم يا معكوس باشد بدين معني كه اگر با افزايش پارامتر كنترلر شونده فشار خروجي كنترلر زياد شود كنترلر با عمل مستقيم (D.A) و اگر با افزايش پارامتر كنترلر شونده فشار خروجي از كنترلر كاهش يابد آن را با عمل معكوس گويند . (R.A) .
خروجي فشار از كنترلر ذاتا تدريجي و پيوسته و ليكن مي توان به كمك رله هاي عمل دو حالته نيز از آن به دست آورد . انواع ديگر از كنترلر ها ي نيو ماتيكي مانند كنترلر غير نشستي شكل (20-20) و كنترلر نشستي با عملكرد كمكي نيز وجود دارند خروجي از كنترلر ها كه به عنوان سيگنال كنترلري ارسال مي شود بين 3 تا 15 پاند بر اينچ مربعمتغيير خواهد بود همچنين رله هاي بي شماري به عنوان واسطه بين كنترلر و عنصر كنترل نهايي به كار مي رود از جمله رله معكوس كننده رله ميانگين گير رله الكتريكي به نيو ماتيكي است .
مزاياي سيستم نيو ماتيكي :
سيستم كنترل نيو ماتيكي معمولا براي كنترل سيستم هاي گرمايشي و تهويه مطبوع درساختمان هاي متوسط و بزرگ به كار مي رود و كاربرد آن در منازل مسكوني كمتر است برخي مزاياي آن به شرح زير است :
1- سيستم نيو ماتيكي ذاتا تدريجي است يعني فشار هواي فشرده از كنترلر به عنوان سيگنال خروجي به صورت پيوسته مي تواند تغيير نمايد .
2- با استفاده از وسايل ساده انواع گوناگون كنترلر ها ي ترتيبي و تركيبي را مي توان به دست آورد .
3- اين سيستم معمولا كمتر از سيستم هاي ديگر دچار خرابي و از كار افتادگي مي شود .
4- معمولا در مكانهايي كه احتمال خطر انفجار و يا مسائل ناشي از رطوبت زياد وجود دارد مناسب ترين سيستم مي باشد .
5- با اين سيستم مي توان شير هاي و دمپر هاي بسيار بزرگ را به سادگي تحريك نمود كه موتور معادل آن در سيستم الكتريكي بسيار بزرگ و حجيم خواهد بود و يا قادر به انجام عمل مشابه نخواهد بود .
شكل (21-20) شماي يك سيستم كنترل پنوماتيك در شرايط تعادل
شكل (21-20) شماي ساختمان داخلي يك سيستم كنترلر + سنسور پنوماتيك در حالت تعادل را نشان مي دهد .
7-20 – عناصر كنترل كننده نهايي
الف ) شير كنترل
تجهيزات گرمايي و سرمايي ظرفيتشان براي شرايط خاصي به نام شرايط طراحي محاسبه مي شوند كه اين حالت را بار صد درصد هم ميگويند براي اينكه اين تجهيزات بتوانند در ساير اوقات سال كه شرايط بار صد در صد موجود نيست به خوبي و مطابق نياز كار مي كنند لازم است از وسايلي مانند شير كنترل استفاده شود تا مقدار حرارت خروجي از دستگاه ها را با تغيير گذر سيال از ميان خود متناسب با فرمان ترموستات كنترل نمايد به عبارت ديگر از نقطه نظر عملي سيستم و دستگاههاي كنترل فقط قادر به كاهش ظرفيت تجهيزات تهويه از شرايط طراحي هستند و نه افزايش آن و بدون داشتن سيستم كنترل تجهيزات گرمايي و تهويه مطبوع هميشه در حداكثر ظرفيت خود كار خواهند كرد .
انتخاب صحيح عناصر كنترل كننده نهايي و بالاخص شير كنترل از اهميت زيادي برخوردار است . بيش از 90 درصد تمامي سيستم هاي كنترل كه تهويه مطبوع به كار مي روند از يك يا چند شير كنترل به عنوان عنصر كنترل نهايي استفاده مي نمايند لذا تمام تلاش و زماني كه صرف انتخاب سيستم و دستگاه ها مي گردد و هزينه اي كه بابت تهيه دستگاه مصرف مي گردد در صورتي كه منتج به انتخاب صحيح نوع و اندازه شير كنترل شونده مفيد خواهد بود زيرا اگر شير كمتر از لزوم اندازه زده شود باعث گذر كمتر سيال و اگر بيشتر از حد اندازه زده شود موجب كنترل غير موثر جريان سيال مي گردد به طور كلي مي توانگفت با انتخاب صحيح شير كنترل دما رطوبت و شرايط مناسب تر و يكنواخت تري در محيط خواهيم داشت ضمن آنكه در مصرف سوخت نيز صرفه جويي شده و عمر شير آلالت كنترل نيز طولاني تر خواهد بود .
ساختمان شير كنترل :
شير كنترل اتوماتيك ارفيس و يا محدود كننده متغير است كه مقدار گذر سيال از ميان آن توسط موتور مربوطه تنظيم مي گردد و عمدتا شامل دو قسمت موتور و بدنه شير است كه توسط يك لينكيج به هم متصل مي شوند موتور آن قسمت از شير كنترل است كه با دريافت فرماني از راه دور كنترلر باعث حركت ساقه شير و تغيير ارفيس و نهايتا تغيير مقدار گذر سيال از ميان آن مي گذرد موتور شير از نظر نيروي محركه برقي و يا نيوماتيك و از نظر طرز عمل تدريجي و يا دو حالته مي تواند باشد . (22-20)
بدنه شير نيز كه به اختصار شير هم ناميده مي شود قسمتي از شير كنترل است كه سيال از ميان آن مي گذرد بدنه از لحاظ مسير عبور سيال عمدتا دو راهه يا سه راهه و از لحاظ جنس برنزي ، چدني ، فولادي و از لحاظ نوع اتصال دنده اي يا فلنجي مي باشد .
مشخصه هاي جريان شير كنترل
مشخصه جريان يك شير رابطه حركت ساقه شير و گذر سيال از ميان آن مي باشد . شير هاي رايج در تهويه مطبوع معمولا داراي يكي از سه مشخصه تند باز شو ، خطي و در صد مساوي مي باشند .
شكل (25-20 ) اين مشخصه ها كه معني آنها در شكل بعدي نشان داده شده است ، از عوامل مهم در رابطه با انتخاب شير مي باشند . مثلا براي يك شير ، با عملكرد دو حالته مشخصه تند باز شو مناسب بوده كه با كمي خيزش ديسك حداكثر سيال از گلوگاه عبور مينمايد و يا براي كويلهاي آب گرم كه خروجي آنها غير خطي است ، با انتخاب تدريجي با مشخصه درصد مساوي ، حرارت خروجي آن را
|
شكل (23-20) اجزاي يك شير دو راهه يك نشيمن |
|
ديسك تند بازشو ديسك انحنايي با مشخصه درصد مساوي ديسك انتخابي با مشخصه خطي |
|
ديسك دندانه اي ( درصد مساوي ) ديسك دندانه اي خطي شكل ( 24-20) انواع ديسك در شيرها |
جهت داشتن كنترل بهتر ، خطي مي نمايد شكل (26-20) مشخصه خطي نيز مي توان براي شيرهاي تدريجي بخار كه خروجي كويل آنها خطي است بكار رود .
شكل (26-20) تركيب شير كنترل شكل (25-20) منحني انواع مشخصه هاي
در كويل گرمايي جريان شيرهاي كنترل
انواع شير هاي كنترل
شيرهاي كنترل از لحاظ شكل بدنه عمدتا به دو گروه دو راهه و سه راهه تقسيم مي شوند .
شيرهاي دو راهه مي تواند از نوع تك نشيمن شكل (23-20) يا دو نشيمن شكل (27-20) باشند و شيرهاي سه راهه نيز از انواع اختلاطي شكل (28-20) و يا انشعابي كه معمولا براي آب بكار مي روند . شير سه راهه انشعابي شكل (29-20) داراي يك دهنه ورودي و دو دهنه خروجي است در حاليكه شير هاي اختلاطي دو دهنه ورودي و يك دهنه خروجي دارند . با استفاده از يكي از اين شيرهاي سه راه و كاربرد آن در مسير رفت يا برگشت ميتوان حرارت خروجي كويلهاي آب سرد يا گرم را كنترل نمود . علت استفاده از شير سه راهه آن است كه حتي با بسته شدن شير سه راهه گذر سيال و بالطبع دبي پمپ همچنان ثابت مي ماند ، در حاليكه در مورد شير دو راهه اينگونه نبوده و مي بايست تدابيري در جهت حفظ منحني پمپ و جلوگيري از داغ شدن آن به عمل آورد.
|
شكل (27-20) شير دو راهه دو نشيمن شكل (28-20) شير سه راهه اختلاطي |
|
شكل (29-20) شير سه راهه انشعابي |
ضريب ظرفيت شير
ميزان گذر سيال از ميان شير تابعي از افت فشار داخل آن مي باشد . زيرا مي دانيم :
V=
كه در آن v سرعت h افت فشار است .
فرمول بالا با كمي تغيير تبديل به فرمول مي گردد . كه در آن :
Q دبي سيال از ميان شير بر حسب G.P.M
PD افت فشار داخل شير در حالت باز بر حسب P.s.i مي باشد .
نيز ضريبي ثابت است كه معمولا توسط سازندگان شير ارائه مي گردد .
بنا به تعريف ميزان گذر آب 60 درجه فارنهايت بر حسب گالن مي باشد كه در عرض يك دقيقه از ميان شيري با افت فشار يك پاند بر اينچ مربع عبور مي نمايد . ضريب نيز مشابه ولي در سيستم واحد متريك مي باشد .
1/7 =
بنابراين مشاهده مي شود كه بهترين طريقه ارائه ظرفيت شير بيان آن از طريق ضريب مي باشد و نه قطر دهنه اتصال آن ، به همين دليل اغلب سازندگان شير آلات كنترل ظرفيت شير را با و يا بيان مي نمايند .
رابطه فرمولي فوق براي آب مي باشد و براي بخار فرمول فوق به صورت زير است :
كه در آن w دبي وزني بخار بر حسب پاند در ساعت v حجم مخصوص بخار وp افت فشار شير بر حسب پاند بر اينچ مربع مي باشد .
در فرمولهاي تعيين انتخاب افت فشار از حساسيت خاصي برخوردار است . از آنجا كه وظيفه شير كنترل تغيير افت فشار و در نتيجه تغيير مقدار گذر سيال است لذا مقدار افت فشار در هنگام اندازه زدن شير مي بايست به اندازه كافي بزرگ باشد تا شير حاكم بر مدار باشد . معمولا افت فشار شير براي كويلهاي حرارتي آبي برابر و يا كمي بيشتر از افت فشار داخل كويل و در مورد بخار تا 50 درصد فشار مطلق بالا دست شير تعيين مي شوند .
در هنگام انتخاب شير علاوه بر نوع و ظرفيت آن عوامل ديگري همچون فشار قابل تحمل بدنه ، دماي قابل تحمل شير ، فشار بسته نگهداشتن شير از طرف موتور ، ضريب نشتي و ... نيز مي بايست مد نظر قرار گيرد .
ب ) دمپر ها
از ديگر عناصر كنترل كننده نهايي در سيستم هاي كنترل ، دمپرها مي باشند كه براي تغيير مقدار گذر هوا به منظور كنترل دما ،فشار و يا حجم هوا به كار مي روند . دمپرهاي مورد استفاده در كانالها و يا جعبه هاي مخلوط هوا ساز از نوع چند پره اي بوده و مطابق شكل (30-20) ممكنست دمپر پره موازي و يا دمپر پره ضربدري باشند . در نوع پره موازي تمام پره ها در يك جهت حركت مي نمايند . و در نوع پره ضربدري دو پره مجاور در جهت مخالف حركت مي كنند . از دمپر هاي پره ضربدري براي كنترل تدريجي هوا و از دمپرهاي پره موازي براي كنترل دو حالته استفاده مي نمايند به استثناي جعبه هاي مخلوط هوا ساز كه در آن جهت جلوگيري از لايه بندي شدن حرارتي هوا دو دمپر پره موازي را به صورت عمود بر يكديگر جهت اختلاط هوا براي كاربرد تدريجي بكار مي برند .
شكل (30-20) دمپر پره موازي و پره ضربدري
بيشتر عوامل و پارامترهاي مشخصه شير مانند منحني مشخصه ، افت فشار ، نشتي ... نيز در مورد دمپر مصداق دارد . مثلا افت فشار دمپر را نيز مي بايست به اندازه كافي جهت كنترل بهتر بزرگ انتخاب نمود .
موتور هاي دمپر نيز مي توانند مانند شير از نوع الكتريكي يا نيوماتيكي باشند كه به دو وسيله اهرمهاي مخصوص (لينكيچ) قادر به تحريك يك يا چند دمپر به صورت همزمان مي باشند . شكل (31-20) نشان دهنده دمپر موتور كنترل و كليد تنظيم دمپر مي باشد .
-برخي از دستگاههاي جنبي كنترل
محافظ از يخ زدن كويل در هوا ساز
اگر آب داخل كويل در اثر سرما منجمد گردد موجب تركيدن آن و در نتيجه هزينه هاي اضافي بابت تعمير كويل ، توقف سرويس دهي و احتمالا آسيب به ساختمان خواهد شد . جهت جلوگيري از يخ زدگي كويلي كه در معرض وزش هواي سرد بر روي آن است از يك ترموستات ايمني موسوم به ترموستات محافظت از انجماد استفاده مي شود . اين ترموستات داراي يك لوله موئينه بسيار بلند در
شكل (31-20) دمپر و موتور كنترلر و كليد تنظيم دمپر
حدود 6 متر مي باشد كه به صورت مارپيچ در سرتاسر مقطع كانال در مقابل كويل نصب مي شود و هنگامي كه حتي قسمتي از آن در معرض هواي صفر درجه قرار گيرد ، كنتاكتي در داخل ترموستات تحريك شده و حداقل دو كار انجام مي دهد . يكي خاموش نمودن بادرسان و ديگري بستن دمپرهاي هواي تازه و خروجي . البته ساير پيش بيني ها نيز جهت جلوگيري از يخ زدگي در كنار ترموستات فوق انجام پذير مي باشد .
محافظت از آتش سوزي
هر چند امروزه دستگاههاي حساس و سريع كشف حريق كاربرد زيادي دارند ولي همچنان معمول است كه در فضاهاي حساس ، يك ترموستات دو حالته با المان پاسخ سريع در كانال بر گشت قرار مي دهند تا در صورت احساس دماي بيش از حد ، هوارسان را خاموش و دمپر هاي هوا را نيز مسدود نمايد . اين عمل توسط دتكتورهاي دودي و حرارتي نيز امكان پذير مي باشد .
موتور ها با فنر برگردان
در برخي موارد لازم است كه عناصر كنترل كننده نهايي مانند شير يا دمپر در حالت هاي قطع انرژي به موتور آنها به يكي از حالتهاي معمولا باز و يا معمولا بسته مراجعت نمايند .
به عنوان نمونه موتور شير كنترل رطوبت زن مي بايست با قطع جريان برق (يا هوادر نيوماتيك) به حالت كاملا بسته برود تا از نفوذ رطوبت به داخل هوا ساز و زنگ زدگي اجتناب شود .
همچنين در مورد موتورهاي دمپر هواي تازه نيز خاصيت فنر برگردان مناسب است زيرا با خاموش كردن هواساز به صورت دستي يا توسط ترموستات براي جلوگيري از انجماد ، برق موتور نيز قطع ميشود و فنر موجود موتور آن را به حالت كاملا بسته ميبرد . در سيستم هاي نيوماتيك ، موتورهاي آن هميشه به علت وجود فنر در پشت ديافراگم حالت معمولا بسته و يا معمولا باز تعريف مي كردند .
-كاربرد سيستم هاي كنترل در تهويه مطبوع
تا به حال مطالب گفته شده پيرامون اجزاي سيستم كنترل ، طرز عمل و ساختمان داخلي آنها بوده است . در ادامه مطلب به توضيح چند مورد از رايجترين مدارات ساده كنترل در سيستم هاي تهويه مطبوع خواهيم پرداخت كه هر كدام به خودي سيستم كاملي مي باشند و مجموعه چند سيستم ساده و كاركرد آنها در رابطه با يكديگر معمولا تشكيل دهنده سيستم هاي بزرگ و پيچيده مي باشند .
1-كنترلر كويلهاي گرمايي
كويلهاي گرمايي در تهويه مطبوع عمدتا با آب يا بخار كار مي كنند و گرماي خروجي آنها توسط يك شير دو راهه (معمولا براي بخار ) و يا سه راهه (براي آب ) با ارسال سيگنالي از طريق ترموستات اتاقي يا كانالي به صورت تدريجي كنترل مي شود . شكل (32-20)
2-كنترلر كويلهاي سرمايي
كويلهاي سرمايي در تهويه مطبوع از نوع آب سرد و يا انبساط مستقيم (d.x) مي باشند . كنترل كويل سرمايي آب سرد به مانند كويلهاي آب گرم و معمولا توسط شير سه راهه به صورت تدريجي انجام مي شود و كويلهاي انبساط مستقيم يا با باز و بسته نمودن شير سلنوئيدي مخصوص مبرد به صورت دو حالته عمل مي نمايد و يا كمپرسور مدار تبريد را در يك يا چند مرحله تحريك مي نمايد .