تجزیه و تحلیل "Deadband" در شیرهای کنترل

Deadbands عامل اصلی انحراف در فرآیندهای بزرگ است. شیرهای کنترل به دلایل مختلفی از جمله اصطکاک، سفر هوایی، پیچش قرقره، باند مرده در تقویت کننده ها یا شیرهای کشویی منبع اصلی مرده باند در حلقه ابزار دقیق هستند.

Deadband یک پدیده رایج است و به محدوده یا عرض مقدار خروجی کنترلر اشاره دارد که اجازه نمی دهد متغیر فرآیند تحت آزمایش در هنگام تغییر جهت سیگنال ورودی تغییر کند. هنگامی که یک اختلال بار رخ می دهد، متغیر فرآیند از نقطه تنظیم منحرف می شود. این داین حرکت توسط یک اقدام اصلاحی ایجاد شده توسط کنترل کننده تصحیح شده و به فرآیند بازگردانده می شود. با این حال، تغییر اولیه در خروجی کنترلر ممکن است تغییر اصلاحی مربوطه را در متغیر فرآیند ایجاد نکند. تغییر در متغیر فرآیند مربوطه تنها در صورتی رخ می دهد که خروجی کنترلر به اندازه کافی بزرگ باشد که بر تغییر باند مرده غلبه کند.

اگر جهت خروجی کنترلر تغییر کند، سیگنال کنترل کننده باید بر نوار مرده غلبه کند تا تغییر اصلاحی در متغیر فرآیند ایجاد شود. وجود باند مرده در فرآیند به این معنی است که خروجی کنترلر باید به مقدار کافی افزایش یابد تا بر باند مرده غلبه کند. و تنها پس از آن یک اقدام اصلاحی انجام خواهد شد.

â علل باندهای مرده

دلایل زیادی برای باندهای مرده وجود دارد، اما اصطکاک و حرکت هوا در شیرهای کنترلی، پیچش دوک دریچه‌های دوار و باندهای مرده در تقویت‌کننده‌ها چند اشکال رایج هستند. از آنجایی که اکثر اقدامات کنترلی تعدیل کننده از تغییرات سیگنال کوچک (1٪ یا کمتر) تشکیل شده است، یک شیر کنترل با یک باند مرده بزرگ ممکن است اصلاً به بسیاری از تغییرات کوچک سیگنال پاسخ ندهد. یک شیر خوب تولید شده باید بتواند به سیگنال های 1% یا کمتر پاسخ دهد تا به طور موثر درجه انحراف فرآیند را کاهش دهد. با این حال، غیرمعمول نیست که شیرها دارای نوارهای مرده 5 درصد یا بیشتر باشند. در ممیزی کارخانه اخیر، 30 درصد از شیرها بیش از 4 درصد باند مرده دارند. بیش از 65٪ از حلقه های کنترل ممیزی شده دارای باندهای مرده بیش از 2٪ بودند.

● تاثیر باندهای مرده

این نمودار یک تست حلقه باز از سه شیر کنترل مختلف در شرایط عادی فرآیند را نشان می دهد. این شیرها طیفی از ورودی های پله ای را از 0.5٪ تا 10٪ دریافت می کنند. آزمایش های مرحله ای در شرایط سیال ضروری است زیرا این شرایط اجازه می دهد تا عملکرد کل مجموعه دریچه کنترل ارزیابی شود، نه فقط محرک سوپاپ همانطور که در اکثر تست های استاندارد وجود دارد.

● تست های عملکرد

برخی از آزمایشات عملکرد شیر کنترل محدود به مقایسه سیگنال ورودی با کورس میله فشار محرک است. این گمراه کننده است زیرا عملکرد خود شیر را نادیده می گیرد.

آنچه حیاتی است اندازه گیری عملکرد دینامیکی شیر در شرایط سیال است تا بتوان تغییرات در متغیرهای فرآیند را با تغییرات سیگنال ورودی به مجموعه شیر مقایسه کرد. اگر فقط میل سوپاپ به تغییر سیگنال ورودی سوپاپ پاسخ می‌دهد، این آزمایش اهمیت کمی دارد زیرا هیچ اصلاحی برای انحرافات فرآیند بدون تغییر متناظر در متغیر کنترل وجود ندارد.

در هر سه آزمایش شیر، حرکت میله فشار محرک به خوبی به تغییرات سیگنال ورودی پاسخ داد. از سوی دیگر، دریچه ها به طور قابل توجهی در توانایی خود برای تغییر پاسخ سرعت جریان به تغییر در سیگنال ورودی متفاوت بودند.

دریچه A، متغیر فرآیند (سرعت جریان) به سیگنال ورودی به اندازه 0.5٪ به خوبی پاسخ می دهد.

سوپاپ B، قبل از اینکه شروع به واکنش خوب به هر مرحله سیگنال ورودی کند، نیاز به تغییر در سیگنال ورودی بیش از 5٪ دارد.

دریچه C، به طور قابل توجهی بدتر، نیاز به تغییر در سیگنال بیش از 10٪ قبل از شروع به پاسخگویی خوب به هر مرحله سیگنال ورودی دارد.

به طور کلی، توانایی شیرهای B یا C برای بهبود انحراف فرآیند بسیار ضعیف است.

● اصطکاک

اصطکاک یکی از دلایل اصلی ایجاد نوارهای مرده در شیرهای کنترل است. شیرهای دوار نسبت به اصطکاک ناشی از بار بالای صندلی مورد نیاز برای آب بندی بسیار حساس هستند. برای برخی از انواع مهر و موم، بارهای بالای صندلی برای به دست آوردن درجه بسته شدن ضروری است. به دلیل نیروهای اصطکاک بالا و سفتی کرنش درایو کم، شفت سوپاپ پیچ خورده و نمی تواند حرکت را به عنصر کنترل منتقل کند. در نتیجه، یک شیر دوار با طراحی ضعیف ممکن است یک نوار مرده بزرگ را نشان دهد که به وضوح تأثیر تعیین کننده ای بر درجه انحراف فرآیند دارد.

تولیدکنندگان معمولاً درزگیرهای دریچه های چرخشی را در طول فرآیند تولید روغن کاری می کنند، اما تنها پس از چند صد چرخه، لایه روانکاری از بین می رود. علاوه بر این، بارهای ناشی از فشار نیز می تواند باعث سایش آب بندی شود. نتیجه این است که برای برخی از انواع شیر، اصطکاک شیر ممکن است تا 400٪ یا بیشتر افزایش یابد. این امر روشن می‌کند که نتیجه‌گیری در مورد عملکرد با استفاده از داده‌های انواع استاندارد برای ارزیابی سوپاپ‌ها قبل از تثبیت گشتاور، گمراه‌کننده است. سوپاپ‌های B و C نشان می‌دهند که این عوامل گشتاور اصطکاکی بالاتر می‌توانند تأثیر مخربی بر عملکرد شیر کنترل داشته باشند.

اصطکاک بسته بندی منبع اصلی اصطکاک شیرهای کنترل سکته مغزی غیر مستقیم است. در این نوع شیرها، اصطکاک اندازه‌گیری شده ممکن است بسته به شکل شیر و پیکربندی بسته‌بندی، به‌طور قابل‌توجهی متفاوت باشد.

این شکاف می تواند باعث ناپیوستگی حرکت در هنگام تغییر جهت دستگاه شود. شکاف ها معمولاً در دستگاه هایی با پیکربندی های مختلف درایوهای دنده رخ می دهد. محرک‌های رک و پینیون به دلیل خلاصی به نوارهای مرده حساس هستند. برخی از اتصالات اسپیندل سوپاپ نیز با باندهای مرده مشکل دارند.

اگرچه اصطکاک را می توان با طراحی خوب سوپاپ به میزان قابل توجهی کاهش داد، اما حذف کامل آن مشکلی دشوار است. شیر کنترلی که به خوبی طراحی و تولید شده است، باید بتواند نوارهای مرده را به دلیل فاصله ها از بین ببرد. برای دستیابی به نتایج بهینه در کاهش انحرافات فرآیند، فضای مرده کل کل مجموعه شیر باید کمتر یا مساوی 1٪ باشد، با نتیجه ایده آل تا 0.25٪ پایین است.