سنسور، کنترلر، اکچویتور و شیر هانیول چگونه با هم کار می‌کنند؟

وقتی به یک تابلو BMS یا هواساز نگاه می‌کنیم، با مجموعه‌ای از سنسورها، کنترلرها، موتورهای شیر، موتورهای دمپر و تجهیزات مختلف روبه‌رو می‌شویم.

اما سؤال مهم این است که این تجهیزات چگونه با یکدیگر کار می‌کنند؟

برای درک ساده یک سیستم کنترل HVAC می‌توانیم مسیر را این‌گونه در نظر بگیریم:

Sensor → Controller → Actuator → Valve / Damper

یعنی ابتدا وضعیت سیستم اندازه‌گیری می‌شود، سپس کنترلر تصمیم می‌گیرد چه تغییری لازم است، اکچویتور فرمان را به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کند و در نهایت شیر یا دمپر مقدار جریان آب یا هوا را تغییر می‌دهد.

Honeywell نیز در محصولات Building Automation خود سنسورها، کنترلرها، اکچویتورها و شیرهای کنترلی را برای کاربردهای مختلف HVAC ارائه می‌کند. 

مرحله اول: Sensor یا سنسور

سنسور را می‌توان چشم و گوش سیستم کنترل در نظر گرفت.

وظیفه سنسور اندازه‌گیری وضعیت واقعی سیستم است.

برای مثال یک سنسور دمای کانالی Honeywell می‌تواند دمای هوای داخل کانال هواساز را اندازه‌گیری کند.

فرض کنیم Setpoint سیستم روی 18 درجه تنظیم شده اما سنسور دمای واقعی هوای خروجی را 22 درجه اندازه‌گیری می‌کند.

سنسور خودش تصمیم نمی‌گیرد که شیر باز شود یا بسته شود؛ فقط اطلاعات واقعی را در اختیار کنترلر قرار می‌دهد.

بنابراین:

Sensor = Measurement

یا به زبان ساده:

سنسور = اندازه‌گیری

مرحله دوم: Controller یا کنترلر

اطلاعات سنسور باید به تجهیزی برسد که بتواند درباره آن تصمیم‌گیری کند.

این وظیفه Controller است.

کنترلر مقدار واقعی دریافت‌شده از سنسور را با مقدار موردنظر یا Setpoint مقایسه می‌کند و براساس منطق کنترلی خود مشخص می‌کند چه فرمانی باید صادر شود.

کنترلرهای HVAC بسته به مدل می‌توانند دارای ورودی‌ها و خروجی‌های آنالوگ یا دیجیتال باشند. Honeywell نیز کنترلرهای Standalone و شبکه‌ای مختلفی برای سیستم‌های HVAC ارائه می‌کند. برای نمونه بعضی کنترلرهای Honeywell دارای Universal I/O، Analog Output و ارتباطات BACnet یا Modbus هستند. 

بنابراین:

Controller = Decision

یا:

کنترلر = تصمیم‌گیری

مرحله سوم: Actuator یا اکچویتور

کنترلر تصمیم گرفته است، اما خودش نمی‌تواند Stem شیر یا محور دمپر را حرکت دهد.

اینجاست که Actuator وارد کار می‌شود.

Honeywell در مستندات سیستم کنترل ساختمان، Actuator را تجهیزی تعریف می‌کند که در پاسخ به سیگنال کنترل، شیر یا دمپر را باز و بسته یا جابه‌جا می‌کند. 

برای مثال یک اکچویتور Modulating می‌تواند براساس فرمان کنترلر موقعیت شیر را به‌صورت تدریجی تغییر دهد.

بنابراین:

Actuator = Action

یا:

اکچویتور = اجرای فرمان

مرحله چهارم: Valve یا شیر

در یک سیستم آبی HVAC، شیر یکی از تجهیزاتی است که در نهایت روی فرآیند فیزیکی اثر می‌گذارد.

اکچویتور Stem شیر را حرکت می‌دهد و شیر مقدار جریان آب عبوری را تغییر می‌دهد.

برای مثال در یک کویل آب سرد هواساز، تغییر جریان آب سرد می‌تواند ظرفیت سرمایشی کویل را تغییر دهد.

در یک سیستم دیگر ممکن است به‌جای شیر، Damper کنترل شود و موتور دمپر میزان هوای عبوری را تغییر دهد.

پس:

Valve / Damper = تغییر جریان

حالا زنجیره کامل روشن‌تر می‌شود:

Sensor → Measurement

Controller → Decision

Actuator → Action

Valve / Damper → Flow Control

یک مثال واقعی در هواساز

فرض کنیم یک AHU داریم و می‌خواهیم دمای هوای خروجی آن روی مقدار مشخصی ثابت بماند.

ابتدا سنسور دمای کانالی Honeywell دمای هوای خروجی را اندازه‌گیری می‌کند.

اطلاعات به کنترلر می‌رسد.

کنترلر دمای واقعی را با Setpoint مقایسه می‌کند.

اگر سیستم به سرمایش بیشتری نیاز داشته باشد، کنترلر متناسب با طراحی سیستم فرمان لازم را به اکچویتور شیر آب سرد می‌دهد.

اکچویتور موقعیت شیر را تغییر می‌دهد و جریان آب سرد کویل تغییر می‌کند.

بعد از مدتی سنسور دوباره نتیجه را اندازه‌گیری می‌کند و کنترلر براساس شرایط جدید فرمان خود را اصلاح می‌کند.

این فرآیند مرتب تکرار می‌شود.

به همین دلیل به آن Control Loop یا حلقه کنترل گفته می‌شود.

نقش شیر سه‌راهه Honeywell V5329A در این سیستم

در بعضی سیستم‌های هیدرونیک ممکن است از یک شیر سه‌راهه مانند خانواده Honeywell V5329A استفاده شود.

در مقاله قبلی دیدیم که V5329A یک خانواده شیر سه‌راهه Mixing است که برای کنترل مدولار آب گرم یا آب سرد در سیستم‌های HVAC طراحی شده است.

در چنین ساختاری شیر به‌تنهایی کنترل هوشمندی انجام نمی‌دهد.

برای کنترل اتوماتیک، یک اکچویتور مناسب روی شیر نصب می‌شود و فرمان کنترلر باعث تغییر موقعیت اکچویتور و در نتیجه تغییر وضعیت شیر می‌شود.

پس:

Controller → Valve Actuator → V5329A

ML7420 و ML7421 کجای سیستم قرار می‌گیرند؟

مدل‌هایی مانند Honeywell ML7420 و ML7421 نمونه‌هایی از اکچویتورهای خطی هستند.

وظیفه این تجهیزات تبدیل فرمان الکتریکی کنترلر به حرکت مکانیکی است.

بنابراین اگر در یک سیستم شیر V5329A به اکچویتور سازگار مجهز شده باشد، کنترلر مستقیماً Stem شیر را حرکت نمی‌دهد؛ فرمان به اکچویتور ارسال می‌شود و اکچویتور حرکت موردنیاز شیر را ایجاد می‌کند.

همین نکته هنگام عیب‌یابی اهمیت زیادی دارد.

اگر شیر در موقعیت صحیح قرار نمی‌گیرد، مشکل الزاماً از خود شیر نیست؛ سنسور، کنترلر، سیگنال خروجی، سیم‌کشی، تغذیه یا اکچویتور نیز باید بررسی شوند.

موتور دمپر کجای این زنجیره قرار می‌گیرد؟

همیشه قرار نیست کنترلر یک شیر آب را کنترل کند.

در سیستم‌های هوایی ممکن است تجهیز نهایی Damper باشد.

در این حالت ساختار می‌تواند به شکل زیر باشد:

Sensor → Controller → Damper Actuator → Damper

Honeywell اکچویتورهای دمپر را در انواع مختلف Modulating، Floating و Spring Return ارائه می‌کند و انتخاب نوع مناسب به طراحی سیستم بستگی دارد. نمونه‌های محصولات Honeywell نیز نشان می‌دهند اکچویتورها می‌توانند مستقیماً بخشی از حلقه کنترل جریان هوا باشند. 

On/Off با Modulating چه تفاوتی دارد؟

این تفاوت در سیستم کنترل بسیار مهم است.

در کنترل On/Off تجهیز معمولاً بین دو وضعیت اصلی تغییر می‌کند.

اما در کنترل Modulating موقعیت تجهیز می‌تواند در یک محدوده تغییر کند.

Honeywell در مشخصات سیستم‌های کنترلی خود Modulating را حرکت یک تجهیز کنترلی در محدوده کامل متناسب با ورودی متغیر تعریف می‌کند. 

مثلاً در یک سیستم Modulating ممکن است کنترلر تشخیص دهد شیر لازم نیست کاملاً باز باشد و یک موقعیت میانی برای شرایط فعلی مناسب‌تر است.

سیگنال 0–10V چه نقشی دارد؟

برای اینکه کنترلر و اکچویتور بتوانند با یکدیگر ارتباط داشته باشند، باید نوع سیگنال آنها سازگار باشد.

یکی از سیگنال‌های متداول در HVAC، 0–10VDC است.

در یک سیستم Modulating، تغییر مقدار سیگنال می‌تواند نشان‌دهنده موقعیت درخواستی تجهیز باشد.

اما نباید فرض کرد تمام اکچویتورها 0–10V هستند.

بسته به مدل ممکن است تجهیز از 2–10V، 4–20mA، Floating یا On/Off استفاده کند.

بنابراین قبل از اتصال کنترلر به اکچویتور باید دیتاشیت دقیق هر دو بررسی شود.

24VAC کجای این سیستم قرار می‌گیرد؟

اینجا مقاله ترانس 24 ولت که ساختیم به این بحث وصل می‌شود.

24VAC در بسیاری از تجهیزات، تغذیه است؛ نه فرمان کنترلی.

مثلاً یک تجهیز می‌تواند از 24VAC برای روشن شدن و کارکرد مدار داخلی استفاده کند ولی فرمان موقعیت آن از طریق سیگنال دیگری دریافت شود.

پس باید دو مسیر را از یکدیگر جدا کنیم:

Power = تغذیه

Signal = فرمان

این اشتباه ساده یکی از مواردی است که هنگام سیم‌بندی تجهیزات HVAC می‌تواند باعث سردرگمی شود.

کنترلر Honeywell UB چه نقشی دارد؟

کنترلرهای سری UB که قبلاً درباره آنها مقاله ساختیم نمونه‌ای از کنترلرهای Standalone هستند.

در یک کاربرد مناسب، کنترلر اطلاعات سنسور را دریافت کرده، آن را با Setpoint مقایسه می‌کند و خروجی لازم را برای تجهیز کنترلی تولید می‌کند.

بنابراین UB در زنجیره ما در بخش تصمیم‌گیری قرار می‌گیرد:

Sensor → UB Controller → Actuator → Valve/Damper

اما مدل دقیق سنسور، نوع ورودی کنترلر و نوع اکچویتور باید با یکدیگر سازگار باشند.

BMS کجای این داستان قرار می‌گیرد؟

BMS یا Building Management System سطح گسترده‌تری از کنترل ساختمان است.

در یک سیستم BMS می‌توان تعداد زیادی کنترلر، سنسور و تجهیز میدانی را به یک ساختار مدیریتی متصل کرد تا اطلاعات مشاهده، کنترل و مدیریت شوند.

Honeywell در کنترلرهای مختلف خود از پروتکل‌هایی مانند BACnet و Modbus برای ارتباط تجهیزات استفاده می‌کند. برای نمونه Spyder Model 7 از BACnet و Modbus RTU پشتیبانی می‌کند. 

اما یک سیستم HVAC ساده الزاماً برای اجرای یک حلقه کنترل محلی به BMS مرکزی نیاز ندارد؛ بعضی کنترلرها می‌توانند به‌صورت Standalone نیز کار کنند. Honeywell نیز کنترلرهایی با قابلیت عملکرد مستقل ارائه می‌کند. 

اگر یکی از اجزای سیستم اشتباه انتخاب شود چه می‌شود؟

این بخش در پروژه واقعی خیلی مهم است.

فرض کنید سنسور NTC انتخاب کرده‌ایم ولی ورودی کنترلر برای نوع دیگری از سنسور طراحی شده است.

یا کنترلر خروجی 0–10V دارد ولی اکچویتور موردنظر نوع دیگری از فرمان را می‌پذیرد.

یا Stroke اکچویتور با شیر سازگار نیست.

در تمام این حالت‌ها ممکن است هر قطعه به‌تنهایی سالم باشد، اما مجموعه درست کار نکند.

به همین دلیل در سیستم کنترل HVAC نباید تجهیزات را جدا از یکدیگر انتخاب کرد.

هنگام تعویض یک قطعه چه چیزهایی بررسی کنیم؟

اگر قرار است سنسور، کنترلر یا اکچویتور قدیمی تعویض شود، فقط برند و ظاهر دستگاه کافی نیست.

بهتر است Part Number کامل، ولتاژ تغذیه، نوع ورودی و خروجی، سیگنال کنترل، مشخصات شیر یا دمپر و کاربرد تجهیز بررسی شود.

در مورد اکچویتور شیر، موارد مکانیکی مثل Stroke و نیروی موردنیاز نیز اهمیت دارند.

Honeywell هم در راهنمای انتخاب تجهیزات HVAC، Valve، Actuator، Sensor و Standalone Controller را به‌عنوان گروه‌های مرتبط تجهیزات کنترلی معرفی می‌کند. 

یک روش ساده برای عیب‌یابی

وقتی یک سیستم درست کار نمی‌کند، بهتر است مسیر کنترل را مرحله‌به‌مرحله بررسی کنیم.

اول ببینیم سنسور مقدار منطقی نشان می‌دهد یا نه.

بعد بررسی کنیم کنترلر چه ورودی‌ای دریافت کرده و چه خروجی‌ای می‌دهد.

سپس ببینیم سیگنال به اکچویتور می‌رسد یا نه و اکچویتور واقعاً حرکت می‌کند یا خیر.

در آخر عملکرد مکانیکی شیر یا دمپر بررسی شود.

یعنی دوباره همان مسیر:

Sensor → Controller → Actuator → Valve/Damper

این روش معمولاً خیلی بهتر از تعویض حدسی قطعات است.

جمع‌بندی

برای درک سیستم کنترل HVAC لازم نیست از همان ابتدا وارد پیچیدگی‌های BMS شویم.

چهار جزء اصلی را به خاطر بسپارید:

سنسور وضعیت سیستم را اندازه‌گیری می‌کند.

کنترلر درباره تغییر موردنیاز تصمیم می‌گیرد.

اکچویتور فرمان را به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کند.

شیر یا دمپر جریان آب یا هوا را تغییر می‌دهد.

بنابراین:

Sensor → Controller → Actuator → Valve / Damper

محصولاتی مانند سنسورهای دمای Honeywell، کنترلرهای UB، اکچویتورهای ML7420 و ML7421، شیر سه‌راهه V5329A و موتورهای دمپر، هرکدام بخشی از این زنجیره هستند و انتخاب درست آنها باید با توجه به کل سیستم انجام شود.

اگر قرار است یکی از تجهیزات سیستم Honeywell تعویض شود، بهتر است Part Number تمام اجزای مرتبط بررسی شود؛ چون سازگاری الکتریکی و مکانیکی تجهیزات به اندازه برند آنها اهمیت دارد.

برای بررسی و انتخاب تجهیزات Honeywell می‌توانید مشخصات یا تصویر پلاک تجهیزات موجود را در اختیار بازرگانی ویرا صنعت قرار دهید تا مجموعه سنسور، کنترلر، اکچویتور و شیر از نظر سازگاری بررسی شود.