ปัญหาเกี่ยวกับประสิทธิภาพการทำงานที่สำคัญขององค์ประกอบการควบคุมขั้นสุดท้ายคือ ความสามารถในการควบคุมตัวแปรกระบวนการอย่างต่อเนื่อง
ทวิช ชูเมือง
การตอบสนองตามธรรมชาติในด้านการเพิ่มกำลังการผลิตและผลกระทบทางด้านสิ่งแวดล้อม ซึ่งเป็นผลทำให้เกิดแรงกดดันในด้านการแข่งขัน หันหน้าไปทางด้านอุตสาหกรรมการผลิตคือการปรับปรุงประสิทธิภาพของการควบคุมกระบวนการและเป็นผลทำให้หลาย ๆ บริษัทมีการลงทุนในด้านเครื่องมือการควบคุมที่มีประสิทธิภาพ แต่น่าเสียดายที่ความพยายามเหล่านี้บางครั้งมักจะประสบปัญหามาจากการทำงานขององค์ประกอบการควบคุมขั้นสุดท้ายหรือ FCE (Final Control Element) หมายถึง วาล์วควบคุมหรือหัวขับวาล์ว (Actuator) ประเภทต่าง ๆ
ประสิทธิภาพการวางตำแหน่งขององค์ประกอบการควบคุมขั้นสุดท้ายเป็นสิ่งที่มีความสำคัญในการควบคุมกระบวนการ ซึ่งมักจะเกิดเหตุการณ์ต่าง ๆ ดังนี้
* ความเข้าใจผิด (Misunderstood)
* การประเมินค่าที่ต่ำเกินไป (Underestimated)
* การละเว้นในสิ่งง่าย ๆ (Simply Ignored)
การปรับปรุงเครื่องมือการควบคุมและการออกแบบคือการลงทุนที่ชาญฉลาด แต่เป็นการปรับปรุงที่มีต้นทุนสูง ซึ่งการจะได้รับผลตอบแทนเพิ่มสูงสุดจากการลงทุนมีความเป็นไปได้เฉพาะในกรณีที่มีการใช้งานหัวขับวาล์วที่เหมาะสมกับการใช้งานวาล์วควบคุมอย่างถูกต้อง
รายละเอียดในหัวข้อต่อไปเป็นปัญหาเกี่ยวกับประสิทธิภาพการทำงานหัวขับวาล์วที่มีความสำคัญกับการควบคุม ซึ่งจะสังเกตเห็นว่าทำไมหัวขับวาล์วแบบไฟฟ้า (Electric Actuators) จึงถูกออกแบบมาเพื่อให้ได้ตำแหน่งที่แม่นยำและทำหน้าที่ปรับเปลี่ยนอย่างต่อเนื่องเพื่อกำจัดแหล่งที่มาของข้อจำกัดในการทำงานและการควบคุมการทำงานที่ไม่เป็นเชิงเส้น ซึ่งจะทำให้ผลตอบแทนเพิ่มขึ้นจากการลงทุนในระบบการควบคุม
ปัญหาเกี่ยวกับประสิทธิภาพ
ปัญหาเกี่ยวกับประสิทธิภาพการทำงานที่สำคัญขององค์ประกอบการควบคุมขั้นสุดท้ายคือ ความสามารถในการควบคุมตัวแปรกระบวนการอย่างต่อเนื่องเพื่อการตอบสนองต่อความต้องการของตัวควบคุมในแบบลูปปิด (Closed Loop) โดยต้องไม่เกิดสิ่งต่าง ๆ ดังนี้
* เวลาหยุดนิ่ง (Dead Time)
* ความล่าช้า (Lag)
* การเปลี่ยนแปลงอัตราขยายบนช่วงการควบคุมที่คาดว่าจะได้รับ
อัตราขยายขององค์ประกอบการควบคุมขั้นสุดท้ายหรือ FCE เป็นหน้าที่ของตัววาล์วเอง ในขณะที่เวลาไดนามิก (Time-based Dynamics) (เวลาหยุดนิ่ง, ความล่าช้า) ส่วนใหญ่เป็นฟังก์ชันการทำงานของหัวขับวาล์ว (Actuator)
เมื่อกล่าวถึงองค์ประกอบการควบคุมขั้นสุดท้ายแล้วในทางอุดมคติจะรวมไปถึงวาล์วที่มีอัตราขยายคงที่ตลอดช่วงการควบคุมและหัวขับวาล์วที่ตอบสนองต่อความต้องการควบคุมอย่างสมบูรณ์แบบโดยไม่มีผลกระทบต่อการเปลี่ยนแปลงกระบวนการโดยรวม
ในความเป็นจริงขององค์ประกอบการควบคุมขั้นสุดท้าย ไม่สามารถให้ประสิทธิภาพการทำงานที่สมบูรณ์แบบนี้ เพียงแต่ทำได้โดยการลดสิ่งต่าง ๆ เหล่านี้ในการควบคุมกระบวนการดังเช่น
* เวลาหยุดนิ่ง
* ความล่าช้า
* Dead Band
* ความไม่สอดคล้องกันของประสิทธิภาพในการทำงาน
ในขณะที่การเลือกขนาดวาล์วและการคำนวณหาขนาดที่เหมาะสม สามารถลดแหล่งที่มาของข้อจำกัดทางประสิทธิภาพการควบคุมและความไม่เป็นเชิงเส้น
การลดการตอบสนองตามเวลาไดนามิกของหัวขับวาล์วจะช่วยให้วาล์วติดตามความต้องการจากตัวควบคุมเป็นไปอย่างใกล้ชิดและเร็วที่สุด เพื่อให้แน่ใจว่าการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้จะคงที่ตลอดเวลาและการเปลี่ยนแปลงสภาพของกระบวนการช่วยลดความไม่เป็นเชิงเส้นและทำให้ง่ายต่อการปรับตัวควบคุมที่เปลี่ยนแปลงรุนแรงโดยไม่ต้องกังวลถึงความไม่มีเสถียรภาพ
ส่วนประกอบหลักในการปรับปรุง
ทฤษฎีการควบคุมชนิดพีไอดี (PID Control) แบบดั้งเดิมจะตั้งอยู่บนพื้นฐานที่ว่ากระบวนการที่ถูกควบคุมมีความเป็นเชิงเส้นในช่วงการควบคุม เพื่อให้เข้าใจถึงสถานที่นี้ ในเบื้องต้นต้องกำหนดเงื่อนไขของสิ่งต่าง ๆ ดังนี้
* กระบวนการ (Process)
* Dynamics
* อัตราขยาย (Gain)
* ความเป็นเชิงเส้น (Linear)
สำหรับรายละเอียดเป็นดังนี้
"กระบวนการ" เป็นระบบโดยเฉพาะหรือตัวแปร, การดำเนินการใดเกี่ยวกับการควบคุมและดูแลรักษาจะกระทำโดยตัวควบคุม การตอบสนองต่อเวลาที่ใช้ในกระบวนการ (เวลาหยุดนิ่งและความล่าช้า) เป็นกระบวนการ "Dynamics" ในขณะที่สัดส่วนการตอบสนองที่ไม่ขึ้นกับเวลาเป็นกระบวนการ "อัตราขยาย"
เป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องทราบขั้นตอนการตอบสนองโดยรวม (เช่น Dynamics และอัตราขยาย) เป็นผลรวมสะสมของ Dynamics และอัตราขยายที่ได้รับของแต่ละอุปกรณ์หรือองค์ประกอบภายในลูปการควบคุมกระบวนการยกเว้นตัวควบคุมเอง
พิจารณาตัวอย่างของลูปควบคุมการไหลเช่น กระบวนการ Dynamics และอัตราขยายไม่เพียงแต่รวมถึงการตอบสนองต่อการไหลของตัวเองยังถูกกำหนดโดยตัวแปรต่าง ๆ ดังนี้
* สื่อการไหล
* ความดัน
* อุณหภูมิ
* ปริมาณ
แต่ยังมีการตอบสนองทาง Dynamics ของส่วนต่าง ๆ อีกดังนี้
* หัวขับวาล์ว (Actuator)
* วาล์วซึ่งเป็นองค์ประกอบหลัก (Valve Body)
* เครื่องส่งสัญญาณ (Transmitter)
นิยามของ "เส้นตรง" (Linear) ในสภาพแวดล้อมของการควบคุมกระบวนการผลิตไม่ได้ง่ายเสมอไป หลักการการควบคุมกระบวนการต้องยอมรับสิ่งหนึ่งว่าสามารถอธิบายกระบวนการโดยใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ เมื่อโมเดลเหล่านี้อยู่บนพื้นฐานของสมการเชิงอนุพันธ์เชิงเส้น (ในเวลา) ความเป็นเส้นตรงไม่ได้ถูกกำหนดในความรู้สึกเกี่ยวกับพีชคณิตแบบดั้งเดิม ดังตัวอย่างที่พบมากที่สุดของแบบจำลองกระบวนการอันดับหนึ่ง (First Order) บวกเวลาตอบสนองหยุดนิ่ง สมการเชิงอนุพันธ์สำหรับโมเดลนี้มีดังนี้
เมื่อ y(t) = เอาต์พุตกระบวนการเป็นฟังก์ชันการทำงานอย่างต่อเนื่องของเวลา
m(t) = เอาต์พุตของตัวควบคุม (กระบวนการอินพุต) เป็นฟังก์ชันอย่างต่อเนื่องของเวลา
Kp = อัตราขยายกระบวนการ (Process Gain)
t = เวลาคงที่ของกระบวนการ (Lag)
Td = ระยะเวลาหยุดนิ่งของกระบวนการ (Process Dead Time)
เมื่อใช้รูปแบบโมเดลนี้เพื่ออธิบายถึงกระบวนการ ความเป็นเชิงเส้นเป็นตัวชี้วัดความถูกต้องของแบบจำลองทั้งหมดที่คาดว่าจะอยู่ภายใต้เงื่อนไขการควบคุม ความไม่เป็นเชิงเส้น (Non-linearities) เป็นคุณลักษณะการตอบสนองกระบวนการที่เกิดขึ้นจริงที่มีแนวโน้มที่จะทำให้แบบจำลองไม่เป็นจริง ดังนั้นค่าแบบไม่เป็นเชิงเส้นจึงทำให้เกิดกระบวนการ Dynamics และอัตราขยายถูกแสดงโดยตัวแปรคงที่ในสมการแบบจำลอง เพื่อให้มีการเปลี่ยนแปลงไปในช่วงที่มีการควบคุมหรือการเปลี่ยนแปลงสภาพ ในรูปแบบจำลองนี้ ค่าคงที่จะมีค่าดังนี้
* เป็นเวลาคงที่ (t)
* อัตราขยายกระบวนการ (Kp)
* เวลาหยุดนิ่ง (Td)
การกำหนดไว้เพียงง่าย โดยให้กระบวนการเป็นเชิงเส้น ถ้าการเปลี่ยนแปลง Dynamics และอัตราขยายยังคงมีค่าคงที่ของอินพุตโดยตลอดในช่วงควบคุมทั้งหมด หากตัวแปรเหล่านี้มีการเปลี่ยนแปลงไป กระบวนการก็ไม่ได้เป็นสมการเส้นตรง ในความเป็นจริงแล้วไม่มีกระบวนการที่เป็นเชิงเส้น อย่างไรก็ตามเมื่อกระบวนการที่ไม่เป็นเชิงเส้นเพิ่มขึ้น แบบจำลองกระบวนการจะมีความถูกต้องน้อยลงและประสิทธิภาพการควบคุมจะลดลง
บทบาทความไม่เป็นเชิงเส้นขององค์ประกอบสุดท้าย
บทบาทความไม่เป็นเชิงเส้นขององค์ประกอบสุดท้ายจะมีสภาพเช่นเดียวกับการตอบสนองของอุปกรณ์แต่ละตัวในวงรอบการควบคุมดังเช่น
* องค์ประกอบควบคุมขั้นสุดท้าย
* อุปกรณ์การวัดหรือเครื่องส่งสัญญาณ
* ตัวกระบวนการเอง
ส่วนต่าง ๆ ดังกล่าวมีส่วนช่วยในด้าน Dynamics และอัตราขยายโดยรวม อุปกรณ์แต่ละตัวยังมีส่วนช่วยในด้านความไม่เป็นเชิงเส้นที่อยู่ในวงรอบการควบคุม องค์ประกอบสุดท้ายที่ไม่เป็นเชิงเส้นทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงการตอบสนองด้าน Dynamicsหรืออัตราขยายขององค์ประกอบสุดท้ายจะแตกต่างกันไป เพื่อความง่ายองค์ประกอบสุดท้ายที่ไม่เป็นเชิงเส้นตรงแบ่งออกเป็นสองกลุ่มคือ
1) คุณลักษณะที่ไม่เป็นเส้นตรงของตัววาล์วเองและไม่ใช่ที่หัวขับวาล์ว
2) ความไม่เป็นเส้นตรงที่เป็นผลมาจากความสามารถในการวางตำแหน่งของหัวขับวาล์ว
คุณลักษณะวาล์วที่ไม่เชิงเส้นเป็นผลลัพธ์มาจากการเลือกใช้วาล์วที่มีขนาดไม่ถูกต้องหรือมีลักษณะการไหลที่ไม่ถูกต้อง ซึ่งส่งผลให้อัตราขยายกระบวนการเปลี่ยนแปลงแตกต่างกันไปกับตำแหน่งวาล์ว ซึ่งจะทำให้การปรับวงรอบควบคุมที่ดีที่สุดในช่วงควบคุมทั้งหมดเป็นไปไม่ได้
อย่างไรก็ตามแต่ยังมีข่าวดีก็คือสามารถลดความไม่เชิงเส้นของวาล์วนี้ โดยใช้ความระมัดระวังในการเลือกวาล์วให้เหมาะสมกับการใช้งาน
นอกจากนั้นความไม่เป็นเชิงเส้นยังเป็นหนึ่งในการทำงานของหัวขับวาล์ว ซึ่งหัวขับวาล์วที่เกี่ยวข้องกับความไม่เป็นเชิงเส้นมีแนวโน้มที่จะมีผลต่อสิ่งต่าง ๆ ดังนี้
* การเปลี่ยนแปลงของเวลาที่ใช้ในลูปการควบคุม
* การเพิ่มความเปลี่ยนแปลงที่ไม่สอดคล้องกันของเวลาหยุดนิ่ง
* ความล่าช้า
หัวขับวาล์วที่ไม่เป็นเชิงเส้นเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นมาจากหลายตัวแปรรวมทั้งตัวแปรแรงเสียดทานและโหลดของวาล์วรวมไปถึงลูปควบคุม ความรุนแรงของหัวขับที่ไม่เป็นเชิงเส้นจะปรากฏอยู่เสมอ ๆ แต่บ่อยครั้งที่มันจะกลายเป็นสิ่งที่มีนัยสำคัญ ปัญหาของความไม่เป็นเชิงเส้นของหัวขับวาล์วที่ไม่เป็นเชิงเส้นโดยเฉพาะอย่างยิ่งในหัวขับวาล์วด้วยความดันอากาศ (Pneumatic Actuators) สามารถทำให้เกิดเหตุการณ์ต่าง ๆ ได้ดังนี้
* พัฒนาและเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา
* มีการเปลี่ยนแปลงสภาพทำให้ไม่สอดคล้องกัน
* คาดเดาไม่ได้
เป็นที่ทราบกันว่าความไม่เป็นเชิงเส้นเกิดผลเสียต่อการควบคุม แต่สามารถชดเชยโดยใช้ค่าใช้จ่ายจากการใช้ประสิทธิภาพการควบคุมที่เหมาะสม อย่างไรก็ตามความไม่สอดคล้องกันและไม่สามารถคาดเดาได้ของหัวขับวาล์วที่ไม่เป็นเชิงเส้นไม่สามารถรับการจัดการอย่างมีประสิทธิภาพ การตอบสนองตามปกติคือการปรับตั้งลูปควบคุมในหลาย ๆ รูปแบบหรือสิ่งง่ายเป็นการปรับด้วยมือ วิศวกรมักจะมองข้ามสถานการณ์นี้ทั้ง ๆ ที่มีผลลัพธ์ที่เป็นผลเสียต่อการควบคุมอย่างมีนัยสำคัญ
หัวขับวาล์วไดนามิกในการควบคุม (Actuator Dynamics on Control)
หลายความสัมพันธ์ที่เชื่อมโยงกันของสาเหตุและผลกระทบที่เกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพของการควบคุมเป็นเรื่องซับซ้อนอย่างมาก แต่เป็นสิ่งที่แน่นอนว่าการเพิ่มเวลาหยุดนิ่งและความล่าช้าไปยังกระบวนการจะเป็นตัวจำกัดประสิทธิภาพของการควบคุม ถึงแม้ว่าความล่าช้าซึ่งไม่ก่อให้เกิดอันตรายหรือความเสียหายเหมือนกับเวลาหยุดนิ่ง ความล่าช้าหลายอย่างหรือมีความรุนแรงสูงเป็นผลทำให้ลูปควบคุมมีเวลาหยุดนิ่งเพิ่มขึ้น ผลกระทบเชิงลบของเวลาหยุดนิ่งในการควบคุมซึ่งจะเห็นได้ชัดโดยเฉพาะอย่างยิ่งในกระบวนการที่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วโดยธรรมชาติดังเช่นความดันและการไหล เป็นเหมือนสิ่งที่ยาก
หากมีประสบการณ์การขับรถที่มีเวลาหยุดนิ่งในระหว่างสภาวะคับขัน การทำนายวิธีการควบคุมมีจุดประสงค์เพื่อชดเชยเวลาหยุดนิ่งที่มีอยู่แล้ว แต่จะมีประสิทธิภาพมากกว่าสำหรับการตั้งค่าการเปลี่ยนแปลงจนกว่าจะให้มีโหลดมารบกวน เวลาหยุดนิ่งจะลดประสิทธิภาพการควบคุมและหัวขับวาล์วมักจะเป็นแหล่งกำเนิดชั้นนำ ความพยายามที่จะลดเวลาหยุดนิ่งของกระบวนการ (Process Dead Time) เป็นสิ่งสำคัญที่จะทำให้ศักยภาพในการทำงานของการควบคุมที่ดีกว่าและการปรับแต่งการควบคุมที่ดีที่สุดที่สามารถเป็นไปได้
เมื่อสามารถทำสิ่งหนึ่งเพียงเล็กน้อยเพื่อลดเวลาหยุดนิ่งของกระบวนการทางกายภาพ ขจัดเวลาหยุดนิ่งจากอุปกรณ์ควบคุมดังเช่นหัวขับวาล์วเป็นสิ่งสำคัญ เวลาหยุดนิ่งของหัวขับวาล์วจะนำไปสู่ความไม่แม่นยำของตำแหน่งและจำกัดการวางตำแหน่งวงรอบการทำงานของวาล์วที่ปรับแต่งหรือเทคนิคการชดเชยอื่น ๆ ไม่สามารถแก้ไขได้ หัวขับวาล์วทั้งแบบความดันอากาศและไฟฟ้าสามารถสร้างปัญหาเหล่านี้ได้
แหล่งกำเนิดทั่วไปของเวลาหยุดนิ่งจากหัวขับวาล์วแบบความดันอากาศที่สำคัญเป็นความฝืดเนื่องจากแรงเสียดทาน (Friction) ซึ่งจะทำให้การตอบสนองติดขัดและเมื่อเกิดขึ้นหัวขับวาล์วแบบความดันอากาศจะสร้างแรงดันอากาศที่จะเอาชนะโหลดแรงเสียดทานของวาล์วแบบคงที่เพื่อเริ่มต้นการเคลื่อนไหว เมื่อความดันสร้างในระดับที่เพียงพอที่จะเอาชนะแรงเสียดทาน วาล์วเริ่มเคลื่อนที่และค่าสัมประสิทธิ์ของแรงเสียดทานลดลง ซึ่งจะเป็นสาเหตุทำให้วาล์วเคลื่อนที่เกินเป้าหมาย (Overshoot) และตัวควบคุมจะเริ่มต้นการแก้ไขในทิศทางที่ตรงข้าม ผลลัพธ์ที่ได้คือการจำกัดวงรอบตำแหน่งวาล์วที่ต้องการ
หัวขับวาล์วแบบไฟฟ้าไม่เหมาะสำหรับการเปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องจะสร้างเวลาหยุดนิ่งที่คล้ายกัน เป็นผลทำให้เกิดช่วงไม่ตอบสนองที่กว้าง (Wide Dead Bands) มีความจำเป็นต้องป้องกันความร้อน ในสถานการณ์เช่นนี้การดำเนินการตั้งค่าของตัวควบคุมอย่างต่อเนื่องเพื่อให้ผ่านช่วงไม่ตอบสนองโดยความพยายามที่จะปรับตำแหน่งวาล์ว และจำกัดความรุนแรงด้วยขนาดเท่ากับผลของช่วงไม่ตอบสนอง
ในที่สุดไม่ว่าจะเป็นผลของเวลาหยุดนิ่งที่มาจากแรงเสียดทานของหัวขับวาล์วแบบความดันอากาศหรือแบบไฟฟ้าที่มีช่วงไม่ตอบสนองกว้าง ผลที่ได้คือความละเอียดของการวางตำแหน่งวาล์วที่ไม่ดีนัก จำกัดวงรอบการทำงาน และการไร้ความสามารถขององค์ประกอบสุดท้ายเพื่อติดตามสัญญาณความต้องการอย่างใกล้ชิดจากตัวควบคุม การปรับตั้งค่าใหม่ (Detuning) ไม่ได้กำจัดวงรอบเหล่านี้เป็นเพียงเฉพาะการเปลี่ยนแปลงความถี่
การติดตามหัวขับวาล์วในลูปการควบคุมปิด (Actuator Closed-loop Tracking)
ความแม่นยำของหัวขับวาล์วแบบไฟฟ้าที่ออกแบบมาใช้สำหรับการควบคุมอย่างต่อเนื่องสามารถลดผลกระทบจากหัวขับที่ไปยังลูปการควบคุมแบบไดนามิก นอกจากนี้ยังสามารถลดเวลาหยุดนิ่ง และความล่าช้าที่ไม่เป็นเชิงเส้นที่เกิดจากปัญหาความฝืดในหัวขับวาล์วแบบความดันอากาศและการทำงานเป็นวงรอบและจำกัดช่วงไม่ตอบสนองของหัวขับวาล์วแบบไฟฟ้าทั่วไป การเลือกหัวขับวาล์วแบบไฟฟ้าที่เหมาะสมกับลักษณะการออกแบบดังต่อไปนี้
* สามารถใช้ในการควบคุมอย่างต่อเนื่องโดยไม่มีข้อจำกัดด้านความร้อนในรอบการทำงาน
* ความสามารถในการเริ่มต้นทันทีที่แรงบิด/แรงขับสูงสุด
* ความสามารถที่จะหยุดทันทีโดยไม่เคลื่อนที่เกินเป้าหมาย
* ระดับของการวางตำแหน่งและความถูกต้องแม่นยำสูง (0.1% หรือดีกว่า)
* ไม่มีผลกระทบจากภาระทั้งจากแรงเสียดทานหรือแบบไดนามิก
* ยังคงประสิทธิภาพการทำงานซ้ำที่สอดคล้องกันเมื่อเวลาผ่านไปตลอดช่วงการใช้งานและมีการเปลี่ยนแปลงเงื่อนไขของกระบวนการ
หัวขับวาล์วแบบไฟฟ้าที่มีลักษณะเหล่านี้มีข้อได้เปรียบมากในด้านสมรรถนะของการควบคุมกระบวนการขอบเขตการตอบสนองแบบลูปควบคุมปิด หัวขับวาล์วแบบไฟฟ้าประกอบไปด้วยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในการควบคุมตำแหน่ง ซึ่งมีความสำคัญต่อการแสดงการติดตามตำแหน่ง อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แสดงค่าความต้องการควบคุมและทำให้ตำแหน่งวาล์วในการเคลื่อนที่ของวาล์วขนาดเล็กเป็นไปอย่างแม่นยำ (มีขนาดเล็กเป็น 0.075%) เพื่อความสมดุลของความต้องการกับตำแหน่งของวาล์ว สมรรถนะของหัวขับจะเป็นดังนี้
* ความถูกต้องสูง
* การทำงานซ้ำที่ดี
* กำจัดเวลาหยุดนิ่งที่เกิดขึ้นในหัวขับ
* กำจัดความล่าช้าเดียวกันกับหัวขับแบบความดันอากาศและอุปกรณ์
นอกจากนี้สมรรถนะการทำงานของหัวขับไม่ได้รับผลกระทบจากสิ่งต่าง ๆ ดังนี้
* สภาพการเปลี่ยนแปลง
* แรงเสียดทาน
* โหลด
นอกจากนั้นยังทำให้สามารถทำงานได้คงที่ตลอดเวลาและตลอดช่วงที่วาล์วนี้ทำงานพร้อมกับช่วยลดการไม่เป็นเชิงเส้น หัวขับวาล์วสร้างความสมบูรณ์ใกล้กับความต้องการของลูปควบคุมแบบปิด ทำให้มีความสามารถในการเริ่มต้น/หยุดทันทีและทำให้การปรับเปลี่ยนตำแหน่งเป็นไปได้อย่างแม่นยำและรวดเร็ว โดยทั่วไปการควบคุมแบบลูปปิดต้องใช้การควบคุมการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของวาล์วที่แม่นยำอย่างรวดเร็ว แต่มักจะไม่สามารถทำได้ ถ้าต้องปรับวาล์วขนาดใหญ่มากและรวดเร็ว
ในกรณีที่เกิดขึ้นยากที่อาจเกี่ยวกับเวลาการปิด/เปิดเต็มจังหวะ(Full Stroke) ของหัวขับวาล์วแบบไฟฟ้า สถานการณ์เช่นนี้โดยปกติจะเชื่อมโยงกับกรณีฉุกเฉินหรืออื่น ๆ ที่เป็นสภาพการทำงานที่ผิดปกติและจัดการโดยใช้วาล์วปิดแบบฉุกเฉิน (Shutoff Valve) หรืออุปกรณ์ที่คล้ายกัน
ในกรณีส่วนใหญ่ระยะเวลาปิด/เปิดเต็มจังหวะ ของหัวขับวาล์วแบบไฟฟ้า จริงแล้วมีขนาดความรุนแรงที่เร็วกว่าความเร็วที่สัญญาณความต้องการจากตัวควบคุมมีการเปลี่ยนแปลง การใช้ประโยชน์จากหัวขับวาล์วแบบไฟฟ้าร่วมกับความสามารถในการติดตามความสมบูรณ์แบบจากความต้องการการควบคุมแบบลูปปิดที่สอดคล้องกันในช่วงเวลาและเงื่อนไขการเปลี่ยนแปลงนี้ จะช่วยลดสิ่งที่ได้จากหัวขับวาล์วในลูปควบคุมปิดในกระบวนการที่ Dynamics และกำจัดการเกิดความเป็นไม่เชิงเส้นในรูปแบบของตัวแปรเวลาหยุดนิ่งและความล่าช้า
ดังนั้นการปรับตั้งจึงทำได้เร็วขึ้นและมุ่งไปที่การตอบสนองกระบวนการที่เกิดขึ้นจริงมากกว่าการตอบสนองต่อหัวขับวาล์ว นอกจากนี้การปรับตั้งลูปควบคุมยังคงสอดคล้องกันอยู่ตลอดเวลาและพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงสภาพ
ส่วนประกอบทั้งหมดของลูปควบคุมกระบวนการมีส่วนช่วยในการเปลี่ยนแปลงโดยรวมและความไม่เป็นเชิงเส้นของลูปควบคุมและวาล์วมีส่วนร่วมชั้นนำในการช่วยในสิ่งทั้งสอง วาล์วมีผลสำคัญต่ออัตราขยายลูปควบคุมและสามารถเพิ่มอัตราขยายการไม่เป็นเชิงเส้นเนื่องจากขนาดวาล์วและลักษณะการไหล แต่ผลกระทบเหล่านี้สามารถทำให้มีขนาดเล็กและสามารถกำจัดด้วยการเลือกวาล์วที่เหมาะสม
หัวขับวาล์วจะมีปัญหามากขึ้น พวกเขาเป็นแหล่งกำเนิดชั้นนำของเวลาหยุดนิ่งและความล่าช้าของการควบคุม ซึ่งสิ่งทั้งสองเป็นตัวจำกัดการทำงานการควบคุม ในกรณีที่เลวร้าย การเปลี่ยนแปลงของหัวขับวาล์วมักจะไม่เป็นเส้นตรงที่เป็นผลลัพธ์เกิดจากหัวขับวาล์วแบบความดันอากาศมีความไวต่อแรงเสียดทานหรือหัวขับวาล์วแบบไฟฟ้าไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างต่อเนื่อง ความไม่เป็นเชิงเส้นของหัวขับวาล์วเป็นสาเหตุต่อสิ่งต่าง ๆ ดังนี้
* การเปลี่ยนแปลงเวลาหยุดนิ่ง
* เคลื่อนที่เกินเป้าหมาย
* การตอบสนองที่เชื่องช้า
* จำกัดวงรอบการทำงาน
ซึ่งสิ่งดังกล่าวทั้งหมดจะไม่สอดคล้องกัน ไม่อาจคาดการณ์ได้และอาจมองข้ามไปได้อย่างง่ายดาย มีการพัฒนาตลอดเวลากับการเปลี่ยนแปลงเงื่อนไขและจำกัดประสิทธิภาพของการควบคุมโดยรวมปัญหาเหล่านี้ป้องกันวาล์วในการติดตามความต้องการของตัวควบคุมลูปปิดและการควบคุมระบวนการ
หัวขับวาล์วแบบไฟฟ้าที่มีความแม่นยำ ถูกออกแบบมาสำหรับการควบคุมที่เปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องมีความได้เปรียบอย่างมากเพราะไม่ได้รับผลกระทบอย่างสมบูรณ์โดยแรงเสียดทานและสามารถติดตามความต้องการของตัวควบคุมในลูปปิดได้อย่างสมบูรณ์โดยไม่มีเวลาหยุดนิ่ง, ความล่าช้าหรือเคลื่อนที่เกินเป้าหมาย ประสิทธิภาพการทำงานยังคงอยู่ตลอดเวลาและสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงสภาพ เมื่อใช้คู่กับวาล์วควบคุมที่เลือกได้อย่างถูกต้อง หัวขับวาล์วแบบไฟฟ้าช่วยให้ความสามารถในการปรับตำแหน่งวาล์วไม่จำกัดประสิทธิภาพการควบคุม ซึ่งทำให้มันเป็นไปได้เพื่อเพิ่มผลตอบแทนจากการลงทุนระบบการควบคุม
วาล์วควบคุมล้มเหลวในการทำงาน (Valve Fail Action)
วาล์วควบคุมอาจเกิดความล้มเหลวในการทำงานและเคลื่อนที่ไปอยู่ในหลายตำแหน่งดังเช่น
* ตำแหน่งเปิด (Fail Open)
* ตำแหน่งปิด (Fail Closed)
* ล็อคอยู่กับที่ (Fail Last or Locked)
* ไม่ได้กำหนด (Fail Indeterminate)
ตำแหน่งของวาล์วควบคุมเมื่อล้มเหลวในการทำงานอาจมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญกับอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง ดังนั้นจึงเป็นที่สนใจของผู้ปฎิบัติการ วาล์วควบคุมล้มเหลวในการทำงานมักจะถูกพูดถึงและตกลงกันระหว่างการประชุมตรวจสอบแผนภาพกระบวนการผลิตหรือ P&ID (Piping & Instrument Diagram) เพื่อให้เป็นธรรมชาติและมีประสิทธิภาพให้กับเอกสารที่ได้ตกลงกันในการดำเนินการกับ P&ID
สำหรับความล้มเหลวในการทำงานของวาล์วควบคุม จะเกี่ยวข้องกับคำว่า "พลังงาน" หมายถึงสื่อที่จะทำให้หัวขับวาล์วเคลื่อนที่และนั่นคือชุดบ่าวาล์ว (Seat) กับลิ้นวาล์ว (Plug) พลังงานที่พบมากที่สุดสำหรับใช้กับวาล์วควบคุมจะเป็นความดันอากาศสำหรับงานเครื่องมือวัดและควบคุมหรือเรียกกันว่า Instrument Air พลังงานไม่ได้อ้างถึงสัญญาณ (Signal) อย่างน้อยสัญญาณเป็นสื่อที่จะทำให้หัวขับวาล์วเคลื่อนที่ ตำแหน่งของหัวขับวาล์วเมื่อเกิดความล้มเหลวในการทำงาน อาจจะมีการระบุตำแหน่งใน P&ID โดยใช้ตัวอักษรที่ด้านล่างสัญลักษณ์วาล์วเป็นดังนี้
FO สำหรับการล้มเหลวเปิด
FC สำหรับ Fail Closed
FL สำหรับการล้มเหลวหรือถูกปิดล่าสุด
FI สำหรับ Fail Indeterminate
รูปที่ 1 ตำแหน่งล้มเหลวของวาล์วควบคุม
มีวิธีอื่น ๆ ในการระบุตำแหน่งของวาล์วควบคุม ถ้าดูจากรูปที่ 1 มองไปที่รูปลูกศรขึ้นหมายถึงวาล์วล้มเหลวเคลื่อนไปตำแหน่งเปิด ลูกศรลงจะเคลื่อนไปตำแหน่งปิด สำหรับเส้นตัดกันคือไม่ได้กำหนดตำแหน่ง ส่วนเส้น 2 เส้น จะเป็นตำแหน่งล็อคหรือล่าสุด
มันเป็นสิ่งสำคัญที่ต้องจำไว้ว่าตำแหน่งจากความล้มเหลวในการทำงานหมายถึงการสูญเสียพลังงานหลักที่ไปยังหัวขับวาล์ว การถอดสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์จากวาล์วควบคุมหรือตัว Positioner Electro-pneumatic อาจทำให้เกิดปฏิกิริยาที่แตกต่างจากข้อบ่งชี้ความล้มเหลวที่แสดงไว้
สำหรับหัวขับวาล์วแบบลูกสูบที่ไม่มีสปริงจะล้มเหลวไปยังตำแหน่งที่ไม่ได้กำหนดเมื่อมีการสูญเสียของพลังงานหรือความดันอากาศ อย่างไรก็ตามหากมี Positioner ก็จะได้รับการขับเคลื่อนในทิศทางเดียวหรืออื่น ๆ เมื่อการสูญเสียสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์
รูปที่ 2 ลูปควบคุมการไหลในท่อ
จากรูปที่ 2 แสดงลูปควบคุมการไหลในท่อ โดยมีชื่อลูปการควบคุมเป็น 101 เส้นประในภาพนี้แสดงข้อมูลที่ถูกส่งผ่านจากเครื่องส่งสัญญาณทางอิเล็กทรอนิกส์จากการไหล (FT–101) เพื่อส่งไปยังตัวควบคุมและแสดงค่าการไหล (FIC–101) และจากตัวควบคุมจะส่งสัญญาณไปยังตัวเปลี่ยนสัญญาณกระแสไฟฟ้าเพื่อไปเป็นสัญญาณลม (I/P) (FY-101) ส่วนตัวส่งสัญญาณความดันแตกต่าง (FT–101) ที่เป็นสัดส่วนกับอัตราการไหลในท่อที่เกิดจากองค์ประกอบของการไหลหรือแผ่นออริฟิส (FE–101)
เครื่องส่งสัญญาณ FT-101 จะส่งสัญญาณ 4-20 mA DC (กระแสตรง) ที่สอดคล้องกับความดันแตกต่างไปที่ตัวควบคุมการไหลอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งจะแสดงค่าการไหลและส่งสัญญาณเอาต์พุต 4-20 mA DC ไปยังตัวแปลงค่าหรือ Transducer (FY-101) ที่ใช้สำหรับแปลงสัญญาณ 4-20 mA DC เป็นสัญญาณนิวแมติก สัญญาณนี้จะส่งไปเพื่อเปลี่ยนตำแหน่งของหัวขัววาล์วซึ่งเป็นตัวทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งภายในของวาล์วควบคุมทำการเปลี่ยนแปลงการไหลผ่านวาล์วควบคุม
เอกสารอ้างอิง
[1] ANSI/ISA-75.25.01-2000, Test Procedure for Control Valve Response Measurement for Step Inputs.
[2] Nicholas Sheble, ”Working Control Valve”, InTech, 1 April 2005.
[3] K.C. Meyer, ”Improving Control”, InTech, 1 December 2006.
[4] Frederick Meier,” Valve Fail Action”, InTech, August 2008.
[5] Bryce Elliott,” When failsafe isn’t enough”, InTech, January 2009.
[6] ทวิช ชูเมือง, “Industrial Instrumentation Engineering and Design Part II: Instrument Engineering and Selection, Chapter 8 Control Valve,” บริษัท ดวงกมลสมัย จำกัด, 2549, ISBN 974-933-207-5.
สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.
ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด
Thailandindustrycom_official
