ابزار دقیق چیست و چه کاربردی در صنایع دارند ؟
ابزار دقیق چیست؟
ابزار دقیق یا Instrumentation یکی از بخشهای مهم در صنایع مختلف است که وظیفه آن اندازهگیری، پایش و کنترل پارامترهای مختلف یک فرآیند صنعتی است.
در بسیاری از فرآیندهای صنعتی لازم است پارامترهایی مانند دما، فشار، سطح، دبی، وزن، رطوبت و سایر کمیتهای فیزیکی به صورت دقیق اندازهگیری شوند.
اطلاعات بهدستآمده از این اندازهگیریها میتواند برای نمایش وضعیت فرآیند، ثبت اطلاعات، هشدار دادن به اپراتور یا اجرای عملیات کنترلی توسط PLC و سایر سیستمهای کنترل استفاده شود.
به زبان ساده، اگر PLC را مغز یک سیستم کنترل در نظر بگیریم، ابزار دقیق یکی از مهمترین منابع اطلاعاتی این مغز است.
وظیفه ابزار دقیق در صنعت چیست؟
هدف اصلی ابزار دقیق این است که وضعیت واقعی فرآیند را به یک سیگنال قابل اندازهگیری و قابل استفاده برای سیستم کنترل تبدیل کند.
برای مثال در یک مخزن صنعتی ممکن است لازم باشد:
دمای سیال اندازهگیری شود.
فشار داخل مخزن کنترل شود.
سطح مواد داخل مخزن مشخص شود.
مقدار ورودی و خروجی سیال اندازهگیری شود.
و در صورت عبور هر پارامتر از محدوده مجاز، هشدار صادر شود.
تجهیزات ابزار دقیق این اطلاعات را دریافت کرده و به صورت سیگنال مناسب در اختیار سیستم کنترل یا مانیتورینگ قرار میدهند.
در یک سیستم پیشرفتهتر، PLC میتواند این اطلاعات را پردازش کرده و بر اساس آن فرمان لازم را به تجهیزات اجرایی صادر کند.
اجزای اصلی یک سیستم ابزار دقیق :
یک سیستم ابزار دقیق بسته به نوع فرآیند میتواند از تجهیزات مختلفی تشکیل شود. مهمترین اجزای آن عبارتاند از:
۱. سنسور (Sensor)
سنسور وظیفه تشخیص یک کمیت فیزیکی را بر عهده دارد.
برای مثال: سنسور دما ، سنسور فشار ، سنسور سطح ، سنسور موقعیت ، سنسور وزن ، سنسور مجاورت
سنسور میتواند تغییرات یک کمیت فیزیکی را تشخیص داده و آن را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل کند.
۲. ترانسمیتر (Transmitter)
ترانسمیتر وظیفه دارد مقدار اندازهگیریشده را به یک سیگنال استاندارد و قابل انتقال در سیستم کنترل تبدیل کند.
برای مثال یک Pressure Transmitter میتواند فشار یک خط فرآیندی را اندازهگیری کرده و متناسب با فشار، یک سیگنال 4-20mA به PLC یا سیستم کنترل ارسال کند.
ترانسمیترها در اندازهگیری پارامترهایی مانند فشار، دما، سطح و دبی کاربرد زیادی دارند.
تفاوت سنسور و ترانسمیتر چیست؟
این دو واژه گاهی به جای یکدیگر استفاده میشوند، اما از نظر فنی همیشه یکسان نیستند.
سنسور وظیفه تشخیص یا اندازهگیری کمیت فیزیکی را دارد، در حالی که ترانسمیتر معمولاً علاوه بر اندازهگیری، سیگنال را پردازش و به یک خروجی استاندارد برای انتقال به سیستم کنترل تبدیل میکند.
برای مثال در یک سیستم اندازهگیری دما، ممکن است از یک RTD برای اندازهگیری دما استفاده شود و یک Temperature Transmitter سیگنال آن را به 4-20mA تبدیل کند.
البته در بسیاری از تجهیزات مدرن، سنسور و مدار ترانسمیتر در یک تجهیز واحد قرار گرفتهاند.
مهمترین پارامترهای اندازهگیری در ابزار دقیق :
ابزار دقیق میتواند کمیتهای بسیار متنوعی را اندازهگیری کند، اما برخی پارامترها در صنایع کاربرد بیشتری دارند.
اندازهگیری دما :
دما یکی از مهمترین پارامترهای فرآیندهای صنعتی است.
برای اندازهگیری دما میتوان از تجهیزاتی مانند:
ترموکوپل (Thermocouple)
سنسورهای مقاومتی (RTD)
Temperature Transmitter
استفاده کرد.
انتخاب تجهیز مناسب به محدوده دما، دقت مورد نیاز، شرایط محیطی و نوع فرآیند بستگی دارد.
اندازهگیری فشار :
فشار در بسیاری از فرآیندهای صنعتی باید به صورت مداوم اندازهگیری و کنترل شود.
از تجهیزات متداول این بخش میتوان به:
Pressure Sensor
Pressure Transmitter
Pressure Switch
Differential Pressure Transmitter
اشاره کرد.
برای مثال از Differential Pressure Transmitter میتوان برای اندازهگیری اختلاف فشار دو نقطه از یک سیستم استفاده کرد.
این روش در کاربردهایی مانند اندازهگیری دبی، سطح مخازن و پایش فیلترها نیز مورد استفاده قرار میگیرد.
اندازهگیری سطح :
در مخازن، سیلوها و تجهیزات فرآیندی، اندازهگیری سطح اهمیت زیادی دارد.
برای اندازهگیری Level میتوان از روشها و تجهیزات مختلفی استفاده کرد؛ مانند:
Level Switch
Ultrasonic Level
Radar Level
Hydrostatic Level
Capacitive Level
انتخاب روش مناسب به نوع ماده، شکل مخزن، شرایط دما و فشار، وجود بخار یا گردوغبار و دقت مورد نیاز بستگی دارد.
برای مثال در یک سیلوی مواد جامد ممکن است روش مناسب با یک مخزن حاوی مایع متفاوت باشد.
اندازهگیری دبی (Flow) :
اندازهگیری دبی یا Flow Measurement یکی از بخشهای مهم ابزار دقیق است.
فلومترها برای اندازهگیری مقدار جریان سیال در یک خط فرآیندی استفاده میشوند.
از انواع رایج فلومتر میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
فلومتر مغناطیسی (Magnetic Flowmeter)
فلومتر کوریولیس (Coriolis Flowmeter)
فلومتر ورتکس (Vortex Flowmeter)
فلومتر اولتراسونیک (Ultrasonic Flowmeter)
فلومتر توربینی (Turbine Flowmeter)
فلومتر اوریفیس (Orifice Flowmeter)
هر روش اندازهگیری دارای مزایا، محدودیتها و شرایط کاربرد خاص خود است.
برای مثال Coriolis Flowmeter بر اساس اثر کوریولیس، امکان اندازهگیری دقیق جریان جرمی را فراهم میکند؛ در حالی که Orifice Flowmeter با ایجاد اختلاف فشار در یک المان محدودکننده، امکان محاسبه دبی را فراهم میکند.
و یا فلومتر مغناطیسی برای سیال های دارای ذرات استفاده می گردد و برای سیال های بدون ذرات مانند آب دمین مورد استفاده نیست .
بنابراین انتخاب فلومتر باید بر اساس نوع سیال، محدوده دبی، فشار، دما، دقت مورد نیاز و شرایط نصب انجام شود.
اندازهگیری وزن :
وزن نیز در بسیاری از فرآیندهای صنعتی یک پارامتر مهم اندازهگیری است.
در سیستمهای توزین معمولاً از Load Cell برای تبدیل نیروی وزن به سیگنال الکتریکی استفاده میشود.
سیگنال Load Cell سپس توسط Weight Indicator یا سیستم کنترل پردازش میشود.
از سیستمهای توزین در مواردی مانند:
باسکول کفه ای
توزین سیلو
توزین مخازن
سیستمهای بچینگ
نوار نقاله
ماشینآلات صنعتی استفاده میشود.
سیگنالهای رایج در ابزار دقیق :
برای انتقال اطلاعات اندازهگیریشده به سیستم کنترل، از سیگنالها و روشهای ارتباطی مختلف استفاده میشود.
یکی از متداولترین سیگنالها در صنعت، 4-20mA است.
در یک سیستم 4-20mA معمولاً:
4mA نشاندهنده کمترین مقدار محدوده اندازهگیری است.
20mA نشاندهنده بیشترین مقدار محدوده اندازهگیری است.
برای مثال اگر یک Pressure Transmitter محدوده 0 تا 10 bar داشته باشد:
4mA ≈ 0 bar
12mA ≈ 5 bar
20mA ≈ 10 bar
البته در طراحی واقعی باید محدوده و تنظیمات تجهیز به صورت دقیق بررسی شود.
از مزایای سیگنال 4-20mA میتوان به قابلیت انتقال مناسب در محیطهای صنعتی و امکان تشخیص برخی شرایط خطا اشاره کرد.
سیگنال 0-10V
سیگنال 0-10V نیز در برخی سیستمهای صنعتی مورد استفاده قرار میگیرد.
در این روش مقدار ولتاژ با مقدار پارامتر اندازهگیریشده یا فرمان کنترلی مرتبط است.
برای مثال:
0V → حداقل مقدار
10V → حداکثر مقدار
انتخاب بین 4-20mA و 0-10V به نوع تجهیز، فاصله انتقال، شرایط محیطی و طراحی سیستم بستگی دارد.
ابزار دقیق چگونه به PLC متصل میشود؟
یکی از کاربردهای مهم ابزار دقیق، ارسال اطلاعات به PLC است.
یک ساختار ساده میتواند به شکل زیر باشد:
Sensor → Transmitter → PLC → HMI / Control Output
برای مثال:
یک Pressure Transmitter فشار خط را اندازهگیری میکند.
سپس مقدار فشار را به صورت 4-20mA به ورودی آنالوگ PLC ارسال میکند.
PLC مقدار سیگنال را پردازش کرده و در صورت نیاز:
مقدار فشار را روی HMI نمایش میدهد.
آلارم صادر میکند.
یک پمپ را روشن یا خاموش میکند.
سرعت پمپ را از طریق درایو تغییر میدهد.
اطلاعات را در سیستم ثبت میکند.
نقش ابزار دقیق در سیستم کنترل فرآیند :
ابزار دقیق فقط برای نمایش مقدار یک پارامتر استفاده نمیشود.
در یک سیستم کنترل، اندازهگیری صحیح میتواند مستقیماً در تصمیمگیری سیستم تأثیر داشته باشد.
برای مثال فرض کنید دمای یک کوره باید روی مقدار مشخصی نگه داشته شود.
ترموکوپل دمای کوره را اندازهگیری میکند.
سپس این اطلاعات به کنترلر یا PLC ارسال میشود.
کنترلر با مقایسه دمای واقعی و دمای تنظیمشده، فرمان لازم را برای کنترل توان المنتها صادر میکند.
در این حالت، کیفیت اندازهگیری دما مستقیماً روی کیفیت کنترل فرآیند تأثیر میگذارد.
انتخاب تجهیزات ابزار دقیق :
انتخاب یک سنسور یا ترانسمیتر مناسب فقط بر اساس نوع پارامتر اندازهگیری انجام نمیشود.
موارد مختلفی باید بررسی شوند؛ از جمله:
محدوده اندازهگیری
دقت مورد نیاز
نوع سیال یا ماده
دما
فشار
شرایط محیطی
نحوه نصب
جنس قسمتهای در تماس با فرآیند
نوع خروجی
فاصله انتقال سیگنال
نیاز به ارتباط دیجیتال
شرایط نگهداری و کالیبراسیون
استانداردهای مورد نیاز پروژه
برای مثال انتخاب یک Pressure Transmitter برای یک خط آب معمولی ممکن است با انتخاب ترانسمیتر برای یک فرآیند با دمای بالا یا سیال خورنده کاملاً متفاوت باشد.
بنابراین انتخاب تجهیز باید بر اساس شرایط واقعی فرآیند انجام شود.
خطاهای رایج در سیستمهای ابزار دقیق :
بخشی از مشکلات سیستمهای ابزار دقیق الزاماً مربوط به خراب بودن سنسور نیست.
مشکلاتی مانند موارد زیر نیز میتوانند باعث خطا در اندازهگیری شوند:
انتخاب نادرست محدوده اندازهگیری
نصب نامناسب سنسور
سیمکشی اشتباه
نویز الکتریکی
ارت نامناسب
انتخاب کابل نامناسب
کالیبراسیون نادرست
تنظیم اشتباه ورودی آنالوگ PLC
عدم تطابق محدوده PLC و ترانسمیتر
نصب نامناسب تجهیزات در محل فرآیند
به همین دلیل در زمان عیبیابی باید کل زنجیره اندازهگیری بررسی شود.
اهمیت کالیبراسیون در ابزار دقیق :
دقت اندازهگیری یکی از مهمترین موضوعات در سیستمهای ابزار دقیق است.
حتی اگر یک تجهیز از نظر فنی سالم باشد، ممکن است به دلیل تغییرات محیطی، استفاده طولانیمدت یا عوامل دیگر، نیاز به بررسی و کالیبراسیون داشته باشد.
کالیبراسیون به زبان ساده یعنی مقایسه عملکرد تجهیز اندازهگیری با یک مرجع مناسب و مشخص کردن میزان خطای آن.
در فرآیندهای حساس، کالیبراسیون صحیح میتواند نقش مهمی در کیفیت تولید، کنترل فرآیند و کاهش خطا داشته باشد.
کاربرد ابزار دقیق در صنایع مختلف :
ابزار دقیق در صنایع مختلف کاربرد گستردهای دارد، از جمله:
صنایع نفت و گاز
پتروشیمی
صنایع غذایی
صنایع دارویی
نیروگاهها
صنایع فولاد و معدن
سیستمهای آب و فاضلاب
کارخانههای تولیدی
کورههای صنعتی
سیستمهای توزین
سیلوها و مخازن
گلخانهها
ماشینآلات صنعتی
نوع تجهیزات و
روش اندازهگیری در هر صنعت بر اساس شرایط فرآیند متفاوت است.
ارتباط ابزار دقیق با اتوماسیون صنعتی :
ابزار دقیق و اتوماسیون صنعتی ارتباط بسیار نزدیکی با یکدیگر دارند.
در یک سیستم اتوماسیون، ابزار دقیق اطلاعات فرآیند را فراهم میکند، PLC یا کنترلر این اطلاعات را پردازش میکند و تجهیزات اجرایی مانند درایو، شیر کنترلی، موتور و سایر عملگرها فرمان لازم را دریافت میکنند.
به صورت ساده میتوان این زنجیره را به شکل زیر نمایش داد:
اندازهگیری ← پردازش ← تصمیمگیری ←کنترل
برای مثال:
سنسور دما ← ترانسمیتر ←PLC ← درایو/المنت/شیر ← کنترل فرآیند
جمعبندی :
ابزار دقیق یا Instrumentation یکی از بخشهای اساسی سیستمهای صنعتی است که وظیفه اندازهگیری و انتقال اطلاعات فرآیند را بر عهده دارد.
پارامترهایی مانند دما، فشار، سطح، دبی و وزن باید در بسیاری از فرآیندهای صنعتی با دقت مناسب اندازهگیری شوند تا سیستم کنترل بتواند بر اساس اطلاعات واقعی فرآیند تصمیمگیری کند.
انتخاب صحیح سنسور، ترانسمیتر و روش اندازهگیری، نصب اصولی، سیمکشی مناسب، تنظیمات صحیح و کالیبراسیون از عوامل مهم در عملکرد یک سیستم ابزار دقیق هستند.
در یک پروژه اتوماسیون صنعتی، ابزار دقیق معمولاً در کنار PLC، HMI، درایو، سروو و سایر تجهیزات کنترلی قرار میگیرد و مجموعه این تجهیزات یک سیستم کنترل یکپارچه را تشکیل میدهد.
اگر برای انتخاب تجهیزات اندازهگیری، طراحی سیستم ابزار دقیق، اتصال تجهیزات به PLC یا اجرای یک سیستم اتوماسیون صنعتی نیاز به مشاوره و خدمات مهندسی دارید، مجموعه الکترون آماده مشاوره رایگان به متخصصین حوزه صنعت و اتوماسیون می باشد.
