سامانه‌های کنترل هیدرولیکی و پنوماتیکی

مقدمه و تاریخچه

هیدرولیک از کلمه‌‌‌ی یونانی «هیدرو» مشتق شده و به معنای جاری شدن مایعات می‌‌‌باشد.

در قرن‌‌‌های گذشته مقصود از هیدرولیک فقط آب بوده و البته بعدها عنوان هیدرولیک مفهوم بیشتری به خود گرفت به-طوری‌‌‌که معنی و مفهوم جامع‌‌‌تری در بررسی بهره‌‌‌برداری بیشتری از آب و حرکت دادن چرخ‌‌‌های آبی و مهندسی آب تغییر پیدا کرد. از این رو، امروزه مفهوم هیدرولیک دیگر مختص به آب نیست بلکه دامنه‌‌‌ی وسیع‌‌‌تری به خود گرفته و شامل قواعد و کاربرد مایعات دیگری، به خصوص «روغن معدنی» می‌‌‌باشد، زیرا آب به علت ایجاد ویژگی زنگ‌‌‌زدگی، در صنایع نمی‌‌‌تواند به عنوان انتقال‌‌‌دهنده‌‌‌ی انرژی مورد استفاده قرار گیرد و از طرفی به لحاظ آن‌‌‌که روغن خاصیت ضد زنگ‌‌‌زدگی دارد، امروزه در صنایع و به‌‌‌ویژه زمانی‌‌‌که نیروی مکانیکی زیادی نیاز باشد، از آن به‌‌‌خصوص برای انتقال انرژی در سامانه‌‌‌ی کنترل نیز استفاده می‌‌‌شود. 

به‌‌‌طور خلاصه می‌‌‌توان گفت، دانشی که به انتقال و تبدیل نیرو توسط مایعات می‌‌‌پردازد «هیدرولیک» نامیده می‌شود.

دانشی که به انتقال و تبدیل نیرو توسط مایعات می‌‌‌پردازد «هیدرولیک» نامیده می‌شود.

از آن‌‌‌جایی‌‌‌که هیدرولیک آبی ایجاد زنگ‌‌‌زدگی در تجهیزات فلزی می‌‌‌نماید، در صنایع برای انتقال انرژی بیشتر از هیدرولیک روغنی استفاده می‌‌‌شود که ویژگی روغن‌‌‌کاری قطعات در حین کار را نیز در پی دارد. بنابراین، وقتی در صنعت از هیدرولیک صحبت می‌‌‌شود، اغلب مقصود همان «هیدرولیک روغنی» است. به‌‌‌طور دقیق می‌‌‌توان گفت که حوزه‌‌‌ی کاربرد هیدرولیک روغنی استفاده از انرژی دینامیکی و استاتیکی آن بوده و در مهندسی کنترل برای انتقال سیگنال‌‌‌ها و تولید نیرو از آن استفاده می‌‌‌شود. البته کاربرد هیدرولیک روغنی از سیگنال استاندارد کنترلی تا استفاده در ماشین‌‌‌های پرس قدرتمند گسترده است. وسایل هیدرولیکی که نحوه‌‌‌ی استفاده از هیدرولیک را در صنعت میسر می‌‌‌سازد خود دارای تاریخچه‌‌‌ی بسیار قدیمی است. یکی از قدیمی‌‌‌ترین این وسایل که برای اولین بار اواسط قرن سوم قبل از میلاد مسیح اختراع شده بود، پمپ‌‌‌های هیدرولیکی از نوع پیستون اهرمی است که دارای دو سیلندر می‌‌‌باشد. تا اوایل قرن هشتم دیگر در این زمینه وسیله‌‌‌ی جدیدی پدید نیامد و تنها نواع چرخ‌‌‌های آبی اختراع و رواج بسیار پیدا کردند. قرن شانزدهم را می-توان توسعه‌‌‌ی پمپ‌‌‌های آبی دانست و در این دوران بود که انواع پمپ با ساختمان‌‌‌های مختلفی پدیدار گردیدند و اصول ساختمانی این پمپ‌‌‌ها، امروزه به خصوص از نوع چرخ دنده‌‌‌ای، هنوز هم مورد توجه و اهمیت صنعت-گران است. در اواخر قرن شانزدهم اصول ساختمان پرس هیدرولیکی طراحی شد و بعد از حدود یک قرن اولین پرس هیدرولیکی که جنبه‌‌‌ی عملی داشت، شروع به کار نمود. قرن نوزدهم زمان کاربرد پرس‌‌‌های هیدرولیک آبی بود و اوایل قرن بیستم را می‌‌‌توان شروع و زمان توسعه‌‌‌ی هیدرولیک روغنی در صنایع و تأسیسات صنعتی دانست. سال 1905 پیدایش گیربکس هیدرواستاتیکی تا فشار 40 بار، سال 1910 پیدایش ماشین‌‌‌های پیستون شعاعی، سال 1922 پیدایش ماشین‌‌‌های شعاعی با دور سریع، سال 1924 پیدایش ماشین‌‌‌های پیستون محوری با محور مایل، سال 1940 پیدایش و تولید انواع مختلف وسایل و ابزار هیدرولیکی برای فشارهایی بیش از 350 بار، که بعضی از آن وسایل در حال حاضر در تعداد انبوه تولید می‌‌‌گردند. توسعه-ی وسیع و کاربرد هیدرولیک روغنی پس از جنگ جهانی دوم پدید آمد و در اثر همین توسعه، بسیاری از قطعات و لوازم هیدرولیک روغنی در حال حاضر به صورت استاندارد نیز تولید می‌‌‌گردد. 

سامانه‌‌‌های پنوماتیک

کار سامانه‌‌‌های پنوماتیک مشابه سامانه‌‌‌های هیدرولیک است فقط در آن به جای سیال تراکم ناپذیر مانند روغن از سیال تراکم پذیر مانند هوا استفاده می‌‌‌کنند.

کار سامانه‌‌‌های پنوماتیک مشابه سامانه‌‌‌های هیدرولیک است فقط در آن به جای سیال تراکم ناپذیر مانند روغن از سیال تراکم پذیر مانند هوا استفاده می‌‌‌کنند.

در سامانه‌‌‌های پنوماتیک برای دست‌‌‌یابی به یک سیال پرفشار، هوا را توسط یک کمپرسور فشرده کرده تا به فشار دلخواه برسد سپس آن را در یک مخزن تحت فشار ذخیره می‌‌‌کنند. البته دمای هوا پس از فشرده شدن به شدت بالا می‌‌‌رود که می‌‌‌تواند به قطعات سامانه آسیب برساند، بنابراین هوای فشرده قبل از هدایت به خطوط انتقال قدرت باید خنک شود. به دلیل وجود بخار آب در هوای فشرده و پدیده‌‌‌ی میعان در فرآیند خنک‌‌‌سازی باید از یک واحد بهینه‌‌‌سازی برای خشک کردن هوای پرفشار استفاده شود. این وسیله، خشک کن هوا نام دارد. از نظر کاربردی، برای مدت زمان قابل توجهی از پنوماتیک جهت ساده‌‌‌ترین کارهای مکانیکی استفاده می‌‌‌شده است، ولی امروزه به سبب توسعه‌‌‌ی فناوری پنوماتیک، این نقش اهمیت بیشتری پیدا کرده است. در اکثر کاربردها، هوای فشرده برای یک و یا چند منظور مختلف مورد استفاده قرار می‌‌‌گیرد، که بعضی از آنها به اختصار ذکر شده‌‌‌اند:

• تعیین و پردازش سیگنال حسگرها (عناصر اولیه‌‌‌ی کنترل)؛
• انتقال سیگنال؛
• پردازش اطلاعات (کنترل کننده‌‌‌ها، پردازشگرها، تحلیلگرها، مدارهای واسط)؛
• تغییر وضعیت عمل کنند‌‌‌ه‌‌‌ها به‌‌‌وسیله‌‌‌ی عناصر نهایی کنترل؛
• برای اجرای کار (عملگرها).

برای توانایی کنترل ماشین‌‌‌آلات و تأسیسات، نیازمند یک ساختار منطقی جامع و پیچیده از وضعیت‌‌‌ها و حالات سوئیچینگ هستیم. این امر در نتیجه‌‌‌ی اثر متقابل حسگرها، تحلیلگرها، عناصر کنترل و عملگرها در پنوماتیک و یا در سامانه‌‌‌های جزیی‌‌‌تر پنوماتیک خواهد بود. پیشرفت‌‌‌های فناوری که در تولید مواد اولیه، طراحی و ساخت محصولات به وجود آمده، متعاقباً سبب ارتقاء سطح کیفیت و تنوع در اجزای پنوماتیک شده است. این امر موجبات استفاده‌ی هرچه گسترده‌‌‌تر پنوماتیک در کنترل و اتوماسیون را فراهم کرده است.

در سامانه‌‌‌های پنوماتیک از سیال تراکم‌‌‌پذیر مثل هوا و در سامانه‌‌‌های هیدرولیک از سیال تراکم ناپذیر مثل روغن استفاده می‌‌‌شود. در سامانه‌‌‌های هیدرولیک، روغن علاوه بر انتقال قدرت وظیفه‌‌‌ی روغن کاری قطعات داخلی سامانه را نیز بر عهده دارد، ولی در پنوماتیک علاوه بر روغنکاری قطعات، باید رطوبت موجود در هوا نیز از  بین برود. ولی در هر دو سامانه، سیال باید عاری از هرگونه گرد و غبار و ناخالصی باشد. فشار و در نتیجه انتقال نیرو در سامانه‌‌‌های هیدرولیکی به مراتب بیشتر از فشار در سامانه‌‌‌های پنوماتیکی می‌‌‌باشد. به طور‌‌‌ی‌‌‌که فشار هیدرولیک حتی در مواقع خاص به 1000 مگا پاسکال هم می‌‌‌رسد. در نتیجه قطعات سامانه‌‌‌های هیدرولیکی باید از مقاومت بیشتری برخوردار باشند. در سرعت‌‌‌های پایین دقت محرک‌‌‌های پنوماتیکی بسیار نامطلوب است در صورتی که دقت محرک‌‌‌های هیدرولیکی در هر سرعتی رضایت بخش است. در سامانه‌‌‌های پنوماتیک با سیال هوا نیاز به لوله‌‌‌های بازگشتی و مخزن نگهداری هوا نمی‌‌‌باشد، چون هوای مازاد بدون آلوده کردن محیط زیست تخلیه می‌‌‌شود. در عوض، سامانه‌‌‌های پنوماتیک از بازده کمتری نسبت به سامانه‌‌‌های هیدرولیکی برخوردارند.

انواع سیگنال

حال اگر به تاریخچه‌‌‌ی مقوله‌‌‌ی انتقال سیگنال از دید مهندسی کنترل نگاهی داشته باشیم، می‌‌‌توانیم پیشرفت آن را در سه دهه‌‌‌ی اخیر این‌‌‌گونه تقسیم‌‌‌بندی نماییم:

1. هیدرولیک؛
2. پنوماتیک؛
3. الکترونیک (آنالوگ، دیجیتال)؛
4. الکترونیک (HART)؛
5. فیلدباس

در ادامه‌‌‌ی این مطلب قصد داریم تا برخی موارد استفاده و کنترل کننده‌‌‌های مربوطه را از دیدگاه مهندسی کنترل بررسی نماییم.

تعاریف

نکته: در تعاریف مربوطه به حوزه‌‌‌ی هیدرولیک و پنوماتیک فقط به مهم‌‌‌ترین آنها پرداخته و از تفصیل در مورد آنها خودداری شده است.

سیّال: به موادی که خاصیت روان شدن یا جاری شدن دارند و به شکل گاز یا مایع هستند، نظیر هوا و آب، سیال گویند.

هیدرولیک: هیدرولیک علم ارسال نیرو و حرکت از طریق یک سیال مایع و محبوس شده می‌‌‌باشد. در یک مکانیزم هیدرولیکی، ارسال قدرت همیشه با هل دادن و یا فشار آوردن بر یک مایع محبوس صورت می‌‌‌پذیرد. شکل (۱) روش انتقال انرژی با تحت فشار قرار گرفتن مقدار معینی مایع محبوس در یک مکانیزم هیدرولیکی ساده را به روشنی نمایش می‌‌‌دهد.

در شکل ۲، قانون اصل بقای انرژی به تصویر کشیده شده است. در فیزیک یک قانون اساسی حاکی از آن است که نه انرژی قابل خلق شدن است و نه قابل نابود شدن. اشتباه نشود نیروی بزرگی که در پرس هیدرولیکی تولید می‌‌‌شود، از هیچ به وجود نیامده است چرا که پیستون بزرگ، حرکت خود را از جابجایی مایعی به دست می‌‌‌آورد که پیستون جک کوچک مسبب آن است و بنابراین مسافتی که پیستون‌‌‌ها طی می-نمایند یکسان نبوده و متناسب با عکس سطح مقطع‌‌‌هایشان خواهد بود. از این رو ما تولید نیروی بزرگ‌‌‌تر را در مقابل تفاوت مسافت طی شده توسط پیستون‌‌‌ها و یا در مقابل تفاوت سرعت‌‌‌های حرکت پیستون‌‌‌ها به دست می‌‌‌آوریم.

معادله‌‌‌ی برنولی: این معادله رابطه‌‌‌ای است که بیان کننده‌‌‌ی انرژی کل در یک سامانه‌‌‌ی سیالاتی با سیال غیر قابل تراکم می‌‌‌باشد. اگر انرژی اضافی به سامانه وارد نشود یا هیچ انرژی از سامانه خارج نگردد، بنابراین انرژی در دو نقطه‌‌‌ی مختلف از یک سامانه باید برابر باشد با:

انرژی در یک سیال به سه فرم ظاهر می‌‌‌شود:

1. انرژی پتانسیل که به‌‌‌واسطه‌‌‌ی ارتفاع سیال و نیروی جاذبه به وجود می‌‌‌آید  (w.h)؛
2. انرژی فشار که به‌‌‌واسطه‌‌‌ی ایجاد فشار در سامانه به وجود می‌‌‌آید (w.p/γ  )؛
3. انرژی جنبشی که به‌‌‌واسطه‌‌‌ی سرعت سیال به وجود می‌‌‌آید (w.v^2/(2.g)  ).