หลายครั้งที่กระบวนการผลิตจะต้องมีปริมาณสำรองของอากาศเพื่อให้การดำเนินการเกี่ยวกับความล้มเหลวของวาล์ว
ทวิช ชูเมือง
เมื่อวาล์วล้มเหลวในการทำงานไปอยู่ในตำแหน่งปลอดภัยไม่เพียงพอ
หลายครั้งที่กระบวนการผลิตจะต้องมีปริมาณสำรองของอากาศเพื่อให้การดำเนินการเกี่ยวกับความล้มเหลวของวาล์ว ด้วยเหตุผลนี้โดยทั่วไปต้องมีปริมาณความดันอากาศเพิ่มขึ้นเมื่อตำแหน่งความล้มเหลวของวาล์วไม่ได้ไปอยู่ในตำแหน่งที่ปลอดภัย (Failsafe) หรือเมื่อต้องการกำหนดให้การปิดวาล์วในกรณีฉุกเฉินมีการดำเนินงานอย่างเป็นระเบียบมากขึ้นมากกว่าที่จะสั่งให้วาล์วเคลื่อนไปยังตำแหน่งของความล้มเหลว
ถังเก็บปริมาณความดันอากาศ (Volume Tank) จึงมีความต้องการที่จะนำมาใช้เพื่อจัดหาปริมาณสำรองสำหรับขับเคลื่อนวาล์ว จากนั้นจะมีคำถามต่อไปว่าวิธีการหาขนาดถังนี้เป็นอย่างไร ปริมาณของถัง (Vt) จะต้องมีขนาดใหญ่พอและอยู่ภายใต้ความดันเพียงพอ (Pi) เพื่อเติมปริมาณความดันอากาศของหัวขับวาล์ว (Va) ที่ความดันต่ำสุดที่กำหนดโดยหัวขับวาล์ว (Pf) สำหรับจำนวนของจังหวะการเคลื่อนที่ (Stroke) ของวาล์วที่ต้องการ (s)
รูปที่ 3 ถังเก็บปริมาณความดันอากาศ (Volume Tank)
ค่าของปริมาณความดันอากาศของหัวขับวาล์วและความดันต่ำสุดที่กำหนดโดยหัวขับวาล์ว จำเป็นต้องมาจากผู้ผลิตหัวขับวาล์ว โดยค่าความดันต่ำสุดจะเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับแรงบิดที่จำเป็นในจังหวะขับเคลื่อนวาล์ว ดังนั้นข้อมูลจากบริษัทผู้ผลิตวาล์วยังอาจมีความจำเป็น โดยปกติแล้วผู้ผลิตวาล์วจะคำนวณแรงบิดที่จำเป็นซึ่งจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับสิ่งต่าง ๆ ดังนี้
* ชนิดของวาล์ว
* การออกแบบซีลกันรั่ว (Packing Design)
* ความดันแตกต่างคร่อมวาล์วเมื่อวาล์วปิด (Shutoff Differential Pressure)
* ความต้องการรั่วไหล (Required Leakage)
* การเลือกหัวขับวาล์ว
ผู้ผลิตหัวขับวาล์วควรจะจัดเตรียมตารางที่เกี่ยวข้องกับแรงบิดเพื่อเตรียมการจัดหาความดันอากาศและวิศวกรสามารถเลือกความดันที่เหมาะสมตามแรงบิดที่จำเป็นตามข้อมูลของบริษัทผู้ผลิตวาล์วได้ให้ไว้ โดย Pi จะเป็นความดันใช้งานปกติของหัวจ่ายความดันอากาศ (Air Header)
s คือจำนวนครั้งที่วาล์วต้องเคลื่อนก่อนที่ความดันลดต่ำกว่าจุดที่วาล์วไม่สามารถทำงานได้ ซึ่งเหตุการณ์นี้จะขึ้นอยู่กับลักษณะการทำงานของวาล์วนี้ สำหรับการกำหนดค่า s ที่เหมาะสมนั้น อาจต้องมีการให้ข้อมูลมาจากกลุ่มต่าง ๆ ดังนี้
* วิศกรกระบวนการ
* ผู้ปฎิบัติการ
* กลุ่มความปลอดภัย
ในการเริ่มต้นพัฒนาสมการสำหรับการหาขนาดถังให้เริ่มต้นด้วยกรณีที่ง่ายที่สุดคือ การเคลื่อนที่จังหวะเดียว ปริมาณก๊าซในถังจะขยายออกเพื่อเติมปริมาณ Vt + Va มีค่าความดันที่ทราบค่าอยู่ 2 ค่า Pi และ Pf เนื่องจากการขยายตัวก๊าซจะเป็นไปอย่างรวดเร็วตามธรรมชาติ จะเกิดความร้อนขึ้นเล็กน้อยหรือออกไปสู่สภาพแวดล้อม ด้วยเหตุผลนี้สามารถใช้การขยายตัวของก๊าซที่ไม่มีการถ่ายเทความร้อนให้กับสิ่งแวดล้อม (Adiabatic) ในรูปแบบการคำนวณ
กระบวนการ Adiabatic ซึ่งเป็นหนึ่งในกระบวนการที่ไม่สามารถแลกเปลี่ยนความร้อนกับสภาพแวดล้อม กรณีอื่น ๆ ที่รุนแรงมากเป็นการขยายตัวแบบอุณหภูมิคงที่ของก๊าซ (Isothermal) การขยายตัวเกิดขึ้นอย่างช้า ๆ พอที่จะทำให้ก๊าซมีอุณหภูมิคงที่ส่งผลให้ค่าการคำนวณขนาดเล็กกว่าสมมติฐานในแบบกระบวนการที่ไม่สามารถแลกเปลี่ยนความร้อนกับสภาพแวดล้อม สภาวะจริงแล้วจะอยู่ในระหว่างขั้นตอนทั้งสอง ขั้นตอนการคำนวณในกระบวนการที่ไม่สามารถแลกเปลี่ยนความร้อนกับสภาพแวดล้อม จะมีส่วนที่เผื่อไว้สำหรับความผิดพลาด
เทอร์โมไดนามิกได้กำหนดให้ PVk เป็นค่าคงที่สำหรับกระบวนการที่ไม่สามารถแลกเปลี่ยนความร้อนกับสภาพแวดล้อม ส่วนค่า k เป็นอัตราส่วนของความร้อนเฉพาะ (Specific Heat, CP/CV) ซึ่งในกรณีของอากาศที่ความดันและอุณหภูมิที่น่าสนใจคือประมาณ 1.4
สมการคือ
Pi, Pf, Va, และ k เป็นตัวแปรที่ทราบค่าสามารถแก้สมการสำหรับค่า Vt เป็นดังนี้
หน่วยของความดันต้องเป็นความดันสัมบูรณ์ (เช่น psia) นอกเหนือจากนั้นหน่วยของปริมาณและความดันต้องให้สอดคล้องกัน ถ้าปริมาณของหัวขับวาล์วให้มาเป็นลูกบาศก์นิ้ว ปริมาณถังที่ได้จากการแก้สมการจะอยู่ในหน่วยลูกบาศก์นิ้ว (ปริมาณของหัวขับวาล์วในหน่วยแกลลอนจะให้ผลลัพธ์ของปริมาณถังในหน่วยแกลลอนด้วยเช่นกัน)
หากมีการเคลื่อนที่ของหัวขับวาล์วหลายจังหวะจำเป็นต้องใช้ขั้นตอนที่คล้ายกัน แต่มีความซับซ้อนมากขึ้น ปริมาณอากาศในถังจะขยายออกเพื่อเติมปริมาณในถังและในหัวขับวาล์ว เมื่อปริมาณอากาศในหัวขับวาล์วถูกปล่อยออกหมดแล้วและอากาศที่เหลืออยู่ในถังขยายอีกครั้งเพื่อเติมปริมาณในถังปริมาณและหัวขับวาล์ว สำหรับการเคลื่อนที่สองจังหวะทั้งสองสมการคือ
P2 เป็นความดันกลางในถังปริมาณหลังจากการเคลื่อนที่จังหวะแรก แก้สมการสำหรับ P2
ตั้งสมการ (5) และ (6) ให้เท่ากันเพื่อกำจัด P2
แก้สมการ (7) เพื่อหาค่า Vt
สำหรับการเคลื่อนที่มากเป็นเวลากว่าสองจังหวะ ระบบที่คล้ายกันของสมการสามารถจัดเตรียมขึ้น สมการทั่วไปคือ
สำหรับการเคลื่อนที่หลายจังหวะ ในจังหวะการเคลื่อนที่อาจจะไม่ต่อเนื่องกันไปอย่างรวดเร็ว ซึ่งจะช่วยให้อุณหภูมิอากาศในถังอุ่นขึ้นมาด้วยอุณหภูมิที่แวดล้อมในระหว่างจังหวะวาล์วเคลื่อนที่ (มันจะเย็นตัวลงเล็กน้อยเมื่อมันขยายออกเพื่อเติมไปยังหัวขับวาล์ว) ในลักษณะนี้จะช่วยลดปริมาณของอากาศที่จำเป็นลงเล็กน้อยเพราะความดันในถังปริมาณจะเพิ่มขึ้นกับการเพิ่มอุณหภูมิ เพราะไม่สามารถทราบอุณหภูมิแวดล้อมล่วงหน้า เป็นไปไม่ได้ในการคำนวณสำหรับผลกระทบนี้อย่างแม่นยำ เพราะเป็นสิ่งไม่สำคัญซึ่งสามารถละเลยออกไปได้ ตารางที่ 1 และ 2 แสดงตัวอย่างขนาดถังของหัวขับวาล์ว
ตารางที่ 1 แสดงตัวอย่างขนาดถังของหัวขับวาล์ว
ตารางที่ 2 (ทำการเพิ่มตัวควบคุมความดัน มีจำนวนเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย)
สำหรับส่วนอื่น ๆ ที่สำรองไว้ จะมาจากข้อเท็จจริงที่ว่าถังมีขนาดที่ไม่ต่อเนื่องตามความต้องการ หากคำนวณปริมาณความต้องการเป็น 8 แกลลอน ขนาดถังที่ดีที่สุดที่มีให้เลือกใช้จะเป็น 10 แกลลอนทำให้มีปริมาณเพิ่มขึ้น 25% โดยอัตโนมัติ
มาตรฐานถังขนาดเล็กบางส่วนจะเป็น 10, 15, 20, 30, 60, 80 และ 120 แกลลอน หมายเหตุ: ปริมาณการ Tubing โดยปกติจะพิจารณาเล็กน้อยอย่างไรก็ตามสำหรับการทำงานที่ต้องใช้ท่อยาว (มากกว่า 75 ฟุต) อาจต้องมีการพิจารณาเป็นตัวแปรด้านปริมาณที่ด้านทางเข้า
สิ่งต่อไปนี้อาจเป็นไปได้ในการพิจารณาเพื่อลดอากาศที่จำเป็นโดยการใส่เครื่องควบคุมความดันต่อเนื่อง (Pressure Regulator) ระหว่างถังปริมาณและหัวขับวาล์ว ในกรณีนี้การตั้งค่าความดันของเครื่องควบคุมถูกตั้งค่าเท่ากับหรือสูงกว่าเล็กน้อยของความดันต่ำสุดของหัวขับวาล์ว การทำเช่นนี้จะช่วยให้การขยายตัวของก๊าซที่ไม่มีการถ่ายเทความร้อนให้กับสิ่งแวดล้อมคล้ายกัน แต่เนื่องจากหัวขับวาล์วจะถูกเติมที่ความดันเดียวกันในแต่ละครั้งผลลัพธ์ที่ได้คือเหมือนกับว่าอากาศในถังปริมาณที่ความดันเริ่มต้นขึ้นจาก Vt + sVa ที่ความดันสิ้นสุดหรือ
แก้สมการเพื่อหาค่า Vt
ซึ่งเป็นผลลัพธ์ของสมการ (2) คูณด้วยจำนวนจังหวะการเคลื่อนที่ นอกจากนี้ในตัวอย่างด้านล่างการลดอากาศที่ต้องการโดยการเพิ่มเครื่องควบคุมความดันมักจะไม่ได้ช่วยลดขนาดของถังที่เลือกดังตัวอย่างในตารางที่ 2 และแสดงในรูปที่ 4 ถังปริมาณสำหรับวาล์วควบคุมต้องมีการวิเคราะห์ที่ซับซ้อนมากขึ้นกว่าสิ่งที่กำลังมองหาในที่นี้ วาล์วควบคุม (Throttling Valve) จะมีการเคลื่อนที่ไม่เต็มจังหวะ (Partial Stroke) นอกจากนี้ยังอาจมี Positioner ซึ่งเป็นอุปกรณ์ปล่อยอากาศออกที่ค่าคงที่, ความหมายของปริมาณในถังจะรั่วไหลออกไปอย่างเป็นปกติในช่วงเวลาสั้น ๆ
การวิเคราะห์นี้ต้องการทราบว่ามีอัตราการปล่อยออก (Bleed Rate) (ซึ่งแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับความดันด้านเข้า) ระยะเวลาที่วาล์วคาดว่าจะสามารถใช้ได้ (คูณทั้งสองจะให้ผลผลิตมวลของอากาศ แต่ตัวแปรการปล่อยออกอาจต้องมีการรวมเข้าด้วยกัน รวมทั้ง บางช่วงหรือต่อเนื่อง) และค่าประมาณของจำนวนจังหวะการเคลื่อนที่ที่ต้องการ
รูปที่ 4 การเพิ่มเครื่องควบคุมความดัน
สิ่งทั้งหมดนี้จะไม่จำเป็นต้องเป็นตัวเลขทั้งหมด สามารถนำไปประยุกต์การวิเคราะห์ในประเภทเดียวกันกับที่แสดงผ่านมาของอากาศที่จำเป็นในการทำให้วาล์วเคลื่อนที่ การเพิ่มอากาศที่ต้องการโดยอัตราการปล่อยออกสู่อากาศที่จำเป็นในการทำให้วาล์วเคลื่อนที่ การดูแลเพื่อให้หน่วยที่ใช้สอดคล้องกัน
สำหรับขนาดของถังเก็บปริมาณสำหรับวาล์วเปิด/ปิดใช้สมการ (9) หรือ (11), ตามความเหมาะสม ผลดีของสมการเหล่านี้คือมันไม่จำเป็นต้องรวมถึง "ปัจจัยความปลอดภัย" เมื่อปัจจัยความปลอดภัยเป็นส่วนหนึ่งของสมมติฐาน สิ่งเหล่านี้จะทำให้วิศวกรมีวิธีการที่รวดเร็วในการตรวจสอบขนาดถังปริมาณที่แนะนำจากผู้จำหน่ายวาล์วหรือที่จะทำถังเอง
การทำงานและปรับเทียบวาล์วควบคุม
ในลูปการควบคุมจะต้องมีการวัดตัวแปรกระบวนการผลิตต่าง ๆ เพื่อใช้ส่งสัญญาณตัวแปรเหล่านี้ไปยังตัวควบคุมดังเช่น
* อุณหภูมิ
* ความดัน
* ระดับ
* การไหล
เครื่องส่งสัญญาณ (Transmitter) ที่ใช้วัดตัวแปรเหล่านี้จะสร้างสัญญาณเพื่อส่งไปแสดงค่าตัวแปรในหน่วยแสดงผลหรืออินพุตไปยังตัวควบคุม ถ้าต้องการควบคุมตัวแปรของกระบวนการ สัญญาณเอาต์พุตที่ออกจากตัวควบคุมจะต้องแปลงเป็นสัญญาณที่สามารถเปลี่ยนไปเป็นสัญญาณขับเคลื่อนวาล์วควบคุม วาล์วควบคุมจะใช้เป็นองค์ประกอบสุดท้ายของการควบคุม การควบคุมองค์ประกอบสุดท้ายคือการควบคุมอุปกรณ์ใด ๆ หรือองค์ประกอบที่จะเปลี่ยนค่าการจัดการตัวแปรในกระบวนการผลิต วาล์วและเครื่องทำความร้อนเป็นตัวอย่างที่พบบ่อย ตัวอย่างวาล์วควบคุมและอุปกรณ์ที่ใช้ส่งสัญญาณไปยังวาล์วควบคุม ดังแสดงในรูปที่ 5
รูปที่ 5 วาล์วควบคุมและอุปกรณ์ที่ใช้ส่งสัญญาณไปยังวาล์วควบคุม
ในรูปที่ 5 จะเห็นได้ว่าสัญญาณเอาต์พุตจากตัวควบคุมจะส่งสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ไปยังตัวแปลงสัญญาณกระแสไปเป็นความดัน (Current to Pressure Transducer หรือ I/P) ซึ่งจะส่งสัญญาณนิวแมติกหรือความดันอากาศไปยังวาล์วควบคุม วาล์วควบคุมมีการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งในการตอบสนองต่อสัญญาณเพื่อปรับการไหลเพื่อให้ค่าการไหลเปลี่ยนแปลงไปยังค่าที่กำหนด (Set Point)
ขณะที่การเปลี่ยนแปลงการไหลจะรับรู้โดยการส่งสัญญาณการไหลจากเครื่องส่งสัญญาณ (Flow Transmitters) เมื่อค่าการไหลที่ได้มีค่าเท่ากับค่าที่กำหนด ตำแหน่งวาล์วยังคงเหมือนเดิม ทุกครั้งที่มีการรบกวนกับระบบหรือการเปลี่ยนค่ากำหนด ลูปควบคุมการไหลจะทำการตอบสนองโดยอัตโนมัติเพื่อให้บรรลุถึงค่าที่กำหนดโปรแกรมแผนภาพแสดงได้ดังรูปที่ 6
รูปที่ 6 ลูปการควบคุมการไหล
องค์ประกอบการควบคุมสุดท้ายสามารถเป็นไปได้ทั้ง 2 แบบดังนี้
* การควบคุมแบบสัดส่วน (Proportional Control)
* การควบคุม OFF-ON
สำหรับการควบคุม OFF-ON สัญญาณเอาต์พุตของตัวควบคุมทำการเปลี่ยนแปลงสถานะของหน้าสัมผัสรีเลย์ ซึ่งเป็นวงจรจ่ายไฟสำหรับวาล์วขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้า (Solenoid Valve) ขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้าจะเปิดวาล์วเพื่อให้ความดันอากาศผ่านเข้าไปเพื่อเปิด (หรือปิด) วาล์วควบคุม
ส่วนประกอบแรกในระบบย่อยขององค์ประกอบการควบคุมสุดท้ายคือ ตัวปรับสัญญาณ (Signal Conditioner) และในบางครั้งถ้ามีความจำเป็นจะต้องมีตัวขยายสัญญาณเพื่อให้เหมาะสมเข้ากันได้กับหัวขับวาล์วประเภทต่าง ๆ ตัวอย่างอุปกรณ์ที่ถูกใช้ปรับสัญญาณรวมไปถึงอุปกรณ์ต่าง ๆ ดังนี้
* ตัวเปลี่ยนสัญญาณกระแสสัญญาณความดันอากาศ (Current-to-Pneumatic Transducers)
* ตัวเปลี่ยนสัญญาณกระแสไปเป็นสัญญาณแรงดันไฟฟ้า (Current-to-Voltage (I/E) Transducers)
* ตัวขยายสัญญาณทางไฟฟ้าหรือความดันอากาศ (Electronic or Pneumatic Amplifiers)
* รีเลย์
* ตัวแปลงสัญญาณดิจิตอลไปเป็นสัญญาณอะนาลอก (Digital-to-Analog Converters)
* ตัวแปลงสัญญาณอะนาลอกไปเป็นดิจิตอล (Analog-to-Digital Converters)
ตัวปรับสัญญาณที่พบบ่อยที่สุดในวงรอบการควบคุมสัดส่วนเป็นตัวเปลี่ยนสัญญาณกระแสไปเป็นสัญญาณความดันอากาศหรือ I/P Transducer
ตัวอย่าง I/P Transducer เป็นอุปกรณ์ที่ใช้บังคับความสมดุลแรงในขดลวดที่แขวนในสนามแม่เหล็ก กระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดสร้างการเคลื่อนไหวในแนวแกนของขดลวดซึ่งทำให้เกิดการเคลื่อนไหวของคาน (Beam) คานควบคุมความดันย้อนกลับ (Backpressure) เทียบกับหัวฉีด (Nozzle) โดยการควบคุมการจำกัดการไหลของอากาศผ่านหัวฉีด
ความดันย้อนกลับนี้จะทำหน้าที่เป็นความดันนำทาง (Pilot Pressure) ในการควบคุมความดันเอาต์พุต การปรับตั้งค่าศูนย์ (Zero) ทำให้คานเคลื่อนย้ายไปสัมพันธ์เทียบกับหัวฉีด การปรับช่วง (Span) เป็นPotentiometer ที่ใช้จำกัดกระแสไหลผ่านขดลวด I/P transducer ในการทำงานจะต้องมีการจ่ายความดันอากาศให้อยู่ในช่วงที่กำหนดโดยผู้ผลิต ซึ่งมักจะไม่น้อยกว่า 20 psig
โดยปกติ I/P Transducer จะถูกปรับเทียบสำหรับเพื่อรับสัญญาณกระแส 4-20 มิลลิแอมป์ และให้เอาต์พุตเป็นความดันอากาศ 3-15 psig ส่วนใหญ่ I/P Transducers สามารถกำหนดค่าสำหรับการทำงานตรง (Direct Action) (แรงดันเอาต์พุตเพิ่มตามสัญญาณอินพุตที่เพิ่มขึ้น) หรือการทำงานย้อนกลับ (Reverse Action) (แรงดันเอาต์พุตลดลงเมื่อเพิ่มสัญญาณอินพุต)
กลไกของวาล์วควบคุม
ส่วนประกอบถัดไปในระบบย่อยการควบคุมขั้นสุดท้าย ถ้าเป็นหัวขับวาล์วที่ได้รับสัญญาณจากตัวปรับสัญญาณและการเปลี่ยนแปลงไปยังรูปแบบของพลังงานกลหรือการเคลื่อนไหวบางอย่าง อุปกรณ์ทั่วไปที่ใช้ในหัวขับวาล์วจะเป็นดังนี้
* ขดลวดสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (Solenoids)
* Pneumatic Valve Positioners
* มอเตอร์ AC และ DC
* มอเตอร์ Stepper
* มอเตอร์ไฮดรอลิก
* ลูกสูบไฮดรอลิก
วาล์วควบคุมส่วนมากจะใส่ Positioner แบบนิวแมติก
วาล์ว Positioner เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการเพิ่มหรือลดความดันอากาศ (จาก I/P) เพื่อใช้ในการขับเคลื่อนหัวขับวาล์ว Positioners มักจะติดกับหัวขับวาล์วควบคุมและเชื่อมต่อทางกลกับก้านวาล์ว (Stem) สำหรับบ่งชี้ตำแหน่ง ดังแสดงในรูปที่ 7
รูปที่ 7 โครงสร้างของวาล์ว Positioner
Positioner คือชนิดของรีเลย์อากาศซึ่งทำหน้าที่ในการเอาชนะแรงเสียดทานของซีลก้านวาล์ว (Packing Box Friction) และผลกระทบของความดันตกคร่อมวาล์ว เพื่อให้มั่นใจว่ามีการวางตำแหน่งที่แน่นอนของก้านวาล์วและมีการควบคุมอย่างละเอียด Positioners มีหลายประเภท ทุกชนิดมีหลักการพื้นฐานของการทำงานที่มีความคล้ายกัน ความดันที่ใช้ในการ (จาก I/P เป็นต้น) ทำหน้าที่เกี่ยวกับส่วนอินพุตซึ่งควบคุมระบบ Flapper-Nozzle ของรีเลย์ ความดันอากาศถูกจ่ายให้กับรีเลย์และความดันเอาต์พุตของรีเลย์เพื่อส่งต่อไปยังหัวขับวาล์วควบคุม
Positioners ส่วนใหญ่สามารถติดตั้งและฟังก์ชั่นสำหรับการดำเนินการโดยตรงหรือย้อนกลับ สำหรับการทำงานโดยตรงการเพิ่มความดันที่ใช้ในส่วนอินพุตเพื่อให้หมุนคาน คานหมุนรอบแกนและจำกัดหัวฉีด ความดันหัวฉีดเพิ่มขึ้นและทำให้เกิดการเพิ่มความดันส่งออกจากรีเลย์ไปยังหัวขับวาล์ว
การทำงานกับหัวขับวาล์วโดยตรง (Direct-acting Actuator) ความดันเพิ่มขึ้นทำให้ก้านวาล์วเคลื่อนที่ลง Positioner เชื่อมต่อทางกลไปยังก้านของวาล์ว การเคลื่อนไหวของก้านวาล์วส่งย้อนกลับไปยังต้นกำเนิดจากคานโดยวิธีการก้านงัดและสปริงซึ่งเป็นเหตุให้ Flapper หมุนเล็กน้อยออกไปจากหัวฉีดเพื่อป้องกันการเพิ่มขึ้นของแรงดันด้านเอาต์พุตของรีเลย์ ตัว Positioners ยอมรับกระแสอินพุตและรวมเข้ากับ I/P Transducer แสดงได้ดังรูปที่ 8
รูปที่ 8 I/P Transducer
ส่วนสุดท้ายในการควบคุมเป็นองค์ประกอบของการควบคุมระบบย่อยขั้นสุดท้าย มีองค์ประกอบควบคุมสุดท้ายของการควบคุมต่าง ๆ ดังเช่น
* วาล์วควบคุม (Control Valves)
* เซอร์โววาล์ว (Servo Valves)
* เครื่องทำความร้อน (Heaters)
* สายพาน (Conveyors)
* เครื่องเจาะ (Auger Feeds)
* และประตูปิดเปิด (Hopper Gates)
พิจารณาดูที่วาล์วควบคุม จะมีหลายประเภทหลายขนาดและการใช้งานสำหรับวาล์วควบคุม การเลือกวาล์วควบคุมให้เหมาะสมกับการใช้งานที่เฉพาะเจาะจงมีความสำคัญต่อการทำงานของระบบที่เหมาะสม ปัญหาที่พบบ่อยเป็นการคำนวณขนาดวาล์วและการเลือกวาล์วใหญ่เกินขนาด มีข้อมูลที่สามารถให้ความช่วยเหลือในการเลือกใช้วาล์ว อย่างน้อยก็จะมาจากวิศวกรผู้ขายวาล์วควบคุม รูปที่ 9 แสดงโครงสร้างภายในของวาล์ว
รูปที่ 9 โครงสร้างภายในของวาล์ว
การควบคุมวาล์วโดยทั่วไปมาจากสัญญาณลมจาก Positioner (หรือ I/P ถ้าไม่ได้ใช้ Positioner) มีผลโดยตรงกับหัวขับวาล์ว สำหรับวาล์วควบคุมนี้อากาศจะเข้าสู่ด้านบนไดอะแฟรมและผลักดันกับสปริงเพื่อปิดวาล์ว ซึ่งวาล์วจะปิดอย่างเต็ม เมื่อลิ้นวาล์ว (Plug) นั่งแน่นกับบ่าวาล์ว (Seat) เมื่อความดันอากาศลดลง ความดันจากสปริงทำให้ไดอะแฟรม ก้านวาล์วและลิ้นวาล์วจะเคลื่อนที่ย้ายขึ้นเป็นการเปิดวาล์ว ซึ่งหมายถึงการสูญเสียความดันอากาศจะทำให้วาล์วเปิด นี่คือวาล์วล้มเหลวไปตำแหน่งเปิด (Fail-Open Valve)
รูปแบบที่แตกต่างกันของอากาศที่ไหลเข้า ตำแหน่งสปริงและการจัดวางบ่าวาล์วเป็นผลลัพธ์ทำให้ตำแหน่งล้มเหลวที่แตกต่างกันและเป็นการกำหนดว่าวาล์วทำงานเป็นแบบโดยตรงหรือย้อนกลับ ตัวอย่างเช่นนี้วาล์วตัวเดียวกัน ให้ลิ้นวาล์วเสียบด้านล่างบ่าวาล์ว (Reverse-seated) วาล์วควรจะเปิดด้วยความดันอากาศเพิ่มขึ้นและจะปิดเมื่อสูญเสียความดันอากาศ
ดังนั้นส่วนประกอบทั้งหมดในระบบย่อยการควบคุมขั้นสุดท้ายจะต้องมีการกำหนดค่าอย่างถูกต้องสำหรับระบบการทำงานอย่างถูกต้อง ตำแหน่งล้มเหลวที่ปลอดภัย (Fail-Safe Positions) จะต้องให้เหมาะสมกับการใช้งานและการดำเนินการจะต้องให้ผลลัพธ์ที่ต้องการ การกำหนดค่าเหล่านี้จะต้องจัดเตรียมให้เป็นเอกสารอย่างถูกต้องและถูกนำไปใช้ประโยชน์ในการทำงานดังนี้
* ระหว่างการสอบเทียบ (Calibration)
* การตรวจสอบลูป (Loop Checks)
* การแก้ไขปัญหา (Troubleshooting)
การสอบเทียบ I/P Transducer
รูปด้านล่างนี้แสดงการติดตั้งสำหรับการสอบเทียบของ I/P Transducer การจ่ายความดันลมที่เชื่อมต่อกับอินพุตจะต้องเป็นไปตามข้อกำหนดของผู้ผลิต (โดยทั่วไประหว่าง 20-100 psig) รูปที่ 10 แสดงการสอบเทียบ I/P Transducer
รูปที่ 10 การสอบเทียบ I/P Transducer
มาตรฐานความดันเชื่อมต่อกับความดันอากาศเอาต์พุตและเครื่องจำลองสัญญาณมิลลิแอมป์เชื่อมต่อกับช่องอินพุตกระแส สิ่งสำคัญอีกอย่างหนึ่งสำหรับ I/P จะต้องจัดวางแบบเดียวกับตำแหน่งที่ติดตั้งในการใช้งาน การเปลี่ยนแปลงตำแหน่งจะทำให้เกิดความผิดพลาดใน I/P Transducers
หากการปรับเทียบอยู่ในสถานที่ใช้งานสามารถใช้แหล่งจ่ายความดันอากาศที่มีอยู่ สามารถทำได้สะดวกขึ้น โดยใช้ข้อต่อตัวทีต่อเข้ากับความดันอากาศด้านเอาต์พุตไปยังวาล์วควบคุมเพื่อสามารถตรวจสอบตำแหน่งวาล์วควบคุมในเวลาเดียวกัน แน่นอนต้องแน่ใจว่าระบบและกระบวนการอยู่ในสภาพที่ปลอดภัยก่อนที่จะเปิดและปิดวาล์ว เมื่อการติดตั้งได้จัดเตรียมเรียบร้อยแล้ว ก็จ่ายสัญญาณกระแสมิลลิแอมป์สำหรับการทดสอบแต่ละจุดที่กำหนดไว้เช่น 4.0, 8.0, 12.0, 16.0 และ 20.0 มิลลิแอมป์ บันทึกค่าความดันที่จุดทดสอบแต่ละค่ากระแส
สำหรับการใส่อินพุตกระแส 4-20 มิลลิแอมป์ จะได้เอาต์พุตความดันเป็น 3-15 psig การแสดงผลที่สอดคล้องกันจะเป็นดังนี้ 3.0, 6.0, 9.0,12.0 และ 15.0 psig สิ่งอำนวยความสะดวกในการปรับจุดทดสอบที่ 0% เพื่อให้กระแสสูงขึ้นเล็กน้อย เป็นผลลัพธ์ให้การส่งออกเป็น 0% ตัวอย่างเช่นจ่ายสัญญาณกระแส 4.10 mA อาจส่งผลให้ผลผลิตความดัน 3.0 psig ซึ่งจะทำให้มั่นใจวาล์วอยู่ในสถานะที่ปิด เมื่อใช้กับตัวควบคุมที่มีเอาต์พุตเป็น 4.0 มิลลิแอมป์ หลายองค์กรไม่จำเป็นต้องมีการสอบเทียบเป็นระยะของส่วนต่าง ๆ ดังนี้
* I/P Transducers
* Positioners
* วาล์วควบคุม
เหตุผลที่เป็นเช่นนี้เพราะว่าสัญญาณควบคุมจะปรับเอาต์พุตจนกระทั่งถึงค่าที่กำหนดที่อยู่บนขั้นตอนการวัดตัวแปรจากกระบวนการผลิต นี้เป็นความจริง แต่ต้องให้แน่ใจว่าเอาต์พุตจากลูปควบคุมมีประสิทธิภาพอย่างถูกต้อง วิธีที่ดีที่สุดที่จะทำคือการตรวจสอบการสอบเทียบเป็นระยะ ๆ
การสอบเทียบวาล์ว Positioner (Calibrate Valve Positioner)
การสอบเทียบวาล์ว Positioner สามารถดำเนินการได้ในเวลาเดียวกันเป็น I/P ในการสอบเทียบ เพียงแค่ข้อต่อตัวทีอย่างง่ายในโมดูลความดันที่ด้านเอาต์พุตในการสอบเทียบ จากนั้นบันทึกตำแหน่งวาล์วที่แต่ละจุดทดสอบ ถ้าสอบเทียบวาล์ว Positioner แยกต่างหาก โดยการเชื่อมต่อเข้ากับเครื่องทดสอบควบคุมความดันหรือปั๊มมือและเครื่องวัดความดันอินพุทที่ใช้กับมาตรฐานความดัน ถ้าไม่มีแหล่งจ่ายอากาศให้เชื่อมต่อแหล่งจ่ายอากาศที่ต้องการไปยัง Positioner ใช้ความดันสำหรับจุดที่ต้องการทดสอบและบันทึกตำแหน่งวาล์ว ตัวอย่างเช่นสมมติว่าวาล์ว Positioner มีอินพุตเป็น 3-5 psig 15 สำหรับตำแหน่งวาล์ว = 0-100 %
ในกรณีนี้ให้ใช้ ค่าความดันที่ 3.0, 6.0, 9.0, 12.0 และ 15.0 psig คาดว่าตำแหน่งวาล์วควรเป็น 0, 25, 50, 75 และ 100% ตามลำดับ ตัวบ่งชี้ตำแหน่งบนก้านวาล์วมักจะมีเครื่องหมายแสดงตำแหน่งเพิ่มขึ้นเป็น 5% หรือ 10% ดังนั้นการประมาณการที่ดีที่สุดของตำแหน่งวาล์วอาจจะเป็นทั้งหมดที่สามารถหาได้ ในกรณีที่มีเครื่องตรวจจับตำแหน่งวาล์วที่สามารถแสดงค่าระยะไกลไปยังระบบควบคุม ในกรณีดังกล่าวต้องแน่ใจว่าตัวชี้วัดทั้งสองทำงานอย่างถูกต้อง
หลายองค์กรไม่จำเป็นต้องมีการสอบเทียบวาล์ว Positioners ด้วยเหตุผลเหล่านี้ ต้องมีเอกสารที่แสดงสมรรถนะวาล์ว Positioner ตอบสนองต่อความสูญเสียอย่างมีนัยสำคัญในประสิทธิภาพของระบบและมีค่าใช้จ่ายเพิ่มขึ้น
เพื่อให้คำแนะนำเกี่ยวกับวิธีการในการการทดสอบวาล์ว Positioners และประสิทธิภาพการทำงานวาล์วควบคุม ISA ได้มีการพัฒนามาตรฐาน, ANSI/ISA-75.25.01- 2000, ขั้นตอนการทดสอบในการควบคุมการตอบสนองวาล์ว
ในการที่จะควบคุมการปรับเทียบวาล์ว ขั้นตอนจะคล้ายกับการสอบเทียบวาล์ว Positioner ในเวลาเดียวกันกับการจ่ายสัญญาณความดันอากาศไปให้หัวขับวาล์วแล้วแสดงตำแหน่งผลลัพธ์ของวาล์วที่เกิดขึ้น ขั้นตอนนี้อาจทำในเวลาเดียวกับการสอบเทียบ Positioner หากเป็นไปได้และสามารถดำเนินการพร้อมกับการสอบเทียบ I/P Transducer
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
