مشغل الصمام

يستخدم المشغل اليدوي روافع أو تروسًا أو عجلات لتحريك ساق الصمام بحركة محددة. ويعمل المشغل اليدوي يدويًا. وهو غير مكلف، وعادةً ما يكون مكتفيًا ذاتيًا، وسهل التشغيل. مع ذلك، يستحيل تشغيل بعض الصمامات الكبيرة يدويًا، وقد توجد بعضها في بيئات نائية أو سامة أو قاسية تمنع التشغيل اليدوي في بعض الظروف. ولأسباب تتعلق بالسلامة، قد تتطلب بعض الحالات سرعة أكبر في إغلاق الصمام مما يوفره المشغل اليدوي.

يُعد ضغط الهواء (أو أي غاز آخر) مصدر الطاقة لمشغلات الصمامات الهوائية. ^{[ 1 ]} تُستخدم هذه المشغلات في الصمامات الخطية أو صمامات ربع الدورة. يعمل ضغط الهواء على مكبس أو غشاء منفاخ، مُولِّدًا قوة خطية على ساق الصمام. بدلاً من ذلك، يُنتج مشغل ربع الدورة ذو الريشة عزم دوران لتوفير حركة دورانية لتشغيل صمام ربع الدورة. يمكن تصميم المشغل الهوائي بحيث يُغلق أو يُفتح بواسطة نابض، حيث يتغلب ضغط الهواء على النابض لتوفير الحركة. يستخدم المشغل "ثنائي الفعل" الهواء المُطبَّق على مداخل مختلفة لتحريك الصمام في اتجاه الفتح أو الإغلاق. يُمكن لنظام هواء مضغوط مركزي توفير الهواء النظيف والجاف والمضغوط اللازم للمشغلات الهوائية . في بعض الأنواع، مثل منظمات الغاز المضغوط، يتم توفير ضغط الإمداد من تيار غاز العملية، ويتم تهوية غاز النفايات إما إلى الهواء أو تصريفه في أنابيب العملية ذات الضغط المنخفض.

تحوّل المشغلات الهيدروليكية ضغط السائل إلى حركة. وهي، على غرار المشغلات الهوائية، تُستخدم في الصمامات الخطية أو صمامات ربع الدورة. يوفر ضغط السائل المؤثر على مكبس قوة دفع خطية لصمامات البوابة أو الصمامات الكروية. يُنتج مشغل ربع الدورة عزم دوران لتوفير حركة دورانية لتشغيل صمام ربع الدورة. يمكن تزويد معظم أنواع المشغلات الهيدروليكية بميزات أمان لإغلاق أو فتح الصمام في حالات الطوارئ. يمكن توفير الضغط الهيدروليكي بواسطة مضخة ضغط هيدروليكية مستقلة. في بعض التطبيقات، مثل محطات ضخ المياه، يمكن لسائل العملية توفير الضغط الهيدروليكي، مع ضرورة استخدام مواد متوافقة مع السائل في المشغلات.

يستخدم المشغل الكهربائي محركًا كهربائيًا لتوفير عزم الدوران اللازم لتشغيل الصمام. وهي هادئة، وغير سامة، وموفرة للطاقة. مع ذلك، يجب توفر الكهرباء، وهو أمر غير متوفر دائمًا، ولكن يمكن تشغيلها أيضًا بالبطاريات.

تعتمد المشغلات الزنبركية على زنبرك يضغط على الصمام. عند اكتشاف أي خلل أو انقطاع التيار الكهربائي، يتحرر الزنبرك، مما يؤدي إلى تشغيل الصمام. تعمل هذه المشغلات مرة واحدة فقط، دون الحاجة إلى إعادة ضبط، ولذلك تُستخدم لأغراض محددة مثل حالات الطوارئ. تتميز هذه المشغلات بأنها لا تتطلب مصدر طاقة كهربائية قويًا لتحريك الصمام، مما يسمح بتشغيلها ببطارية ذات طاقة محدودة، أو تلقائيًا عند انقطاع التيار الكهربائي بالكامل.

تُستخدم محركات التيار المتردد ثلاثية الأطوار غير المتزامنة القوية في الغالب كقوة دافعة، بينما تُستخدم محركات التيار المتردد أو التيار المستمر أحادية الطور في بعض التطبيقات. وقد صُممت هذه المحركات خصيصًا لأتمتة الصمامات، إذ توفر عزم دوران أعلى من وضع السكون مقارنةً بالمحركات التقليدية المماثلة، وهو شرط أساسي لفتح الصمامات العالقة. ومن المتوقع أن تعمل هذه المحركات في ظروف بيئية قاسية، إلا أنها لا تُستخدم عادةً للتشغيل المستمر نظرًا لارتفاع درجة حرارة المحرك بشكل مفرط.

تُشير مفاتيح الحد إلى الوصول إلى وضع النهاية. ويقيس مفتاح عزم الدوران عزم الدوران الموجود في الصمام. وعند تجاوز حد مُحدد، يتم الإشارة إلى ذلك بنفس الطريقة. غالبًا ما تكون المشغلات مُجهزة بجهاز إرسال موضع عن بُعد يُشير إلى موضع الصمام كإشارة تيار أو جهد مستمرة تتراوح بين 4 و20 مللي أمبير .

يُستخدم نظام التروس الدودية غالبًا لتقليل سرعة خرج المحرك الكهربائي العالية. وهذا يُتيح نسبة تخفيض عالية ضمن مرحلة التروس ، مما يؤدي إلى كفاءة منخفضة مرغوبة للمشغلات. ولذلك، فإن نظام التروس ذاتي القفل، أي أنه يمنع التغييرات العرضية وغير المرغوبة في وضع الصمام من خلال التأثير على عنصر إغلاق الصمام.

يتكون ملحق الصمام من عنصرين. أولهما: الشفة المستخدمة لتوصيل المشغل بإحكام بالجزء المقابل له على جانب الصمام. وكلما زاد عزم الدوران المطلوب نقله، زاد حجم الشفة المطلوبة.

ثانيًا: نوع محرك الإخراج المستخدم لنقل عزم الدوران أو قوة الدفع من المشغل إلى عمود الصمام. وكما يوجد عدد كبير من الصمامات، يوجد أيضًا عدد كبير من ملحقات الصمامات.

تُحدد أبعاد وتصميم شفة تثبيت الصمام وملحقاته في معيار EN ISO 5210 للمشغلات متعددة الدورات، أو معيار EN ISO 5211 للمشغلات جزئية الدورات. أما تصميم ملحقات الصمامات للمشغلات الخطية فيعتمد عمومًا على معيار DIN 3358.

في نسختها الأساسية، تُجهز معظم المحركات الكهربائية بعجلة يدوية لتشغيلها أثناء التشغيل التجريبي أو انقطاع التيار الكهربائي. ولا تتحرك هذه العجلة أثناء تشغيل المحرك.

لا تعمل مفاتيح تحديد عزم الدوران الإلكترونية أثناء التشغيل اليدوي. وتُستخدم أجهزة تحديد عزم الدوران الميكانيكية عادةً لمنع زيادة عزم الدوران أثناء التشغيل اليدوي.

تُعالج إشارات المشغلات وأوامر التشغيل الخاصة بنظام التحكم الموزع (DCS) داخل وحدات التحكم الخاصة بالمشغلات. ويمكن من حيث المبدأ أن تتولى هذه المهمة وحدات تحكم خارجية، مثل وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC ). تتضمن المشغلات الحديثة وحدات تحكم مدمجة تعالج الإشارات محليًا دون أي تأخير. كما تتضمن وحدات التحكم أيضًا مفاتيح التبديل اللازمة للتحكم في المحرك الكهربائي. ويمكن أن تكون هذه المفاتيح إما موصلات عكسية أو ثايرستورات ، وهي مكونات كهربائية لا تخضع للتآكل الميكانيكي. وتستخدم وحدات التحكم مفاتيح التبديل لتشغيل المحرك الكهربائي أو إيقافه بناءً على الإشارات أو الأوامر الموجودة. ومن مهام وحدات التحكم الخاصة بالمشغلات أيضًا تزويد نظام التحكم الموزع (DCS) بإشارات التغذية الراجعة، على سبيل المثال عند الوصول إلى وضع نهاية الصمام.

تُوصَّل كابلات تغذية المحرك وكابلات الإشارة لنقل الأوامر إلى المشغل وإرسال إشارات التغذية الراجعة حول حالته بالوصلة الكهربائية. ويمكن تصميم هذه الوصلة الكهربائية على شكل طرف توصيل محكم الإغلاق أو قابس/مقبس. ولأغراض الصيانة، يجب أن تكون الأسلاك سهلة الفصل والتوصيل.

تُستخدم تقنية ناقل البيانات الميداني بشكل متزايد لنقل البيانات في تطبيقات أتمتة العمليات. ولذلك، يمكن تجهيز المشغلات الكهربائية بجميع واجهات ناقل البيانات الميداني الشائعة المستخدمة في أتمتة العمليات. ويتطلب توصيل كابلات بيانات ناقل البيانات الميداني وصلات خاصة.

بعد تلقي أمر التشغيل، يقوم المشغل بتحريك الصمام في اتجاه الفتح أو الإغلاق. عند الوصول إلى الوضع النهائي، تبدأ عملية إيقاف التشغيل التلقائي. يمكن استخدام آليتين مختلفتين تمامًا لإيقاف التشغيل. تقوم وحدة التحكم بإيقاف تشغيل المشغل بمجرد الوصول إلى نقطة الفصل المحددة. يُسمى هذا الوضع "الإغلاق الحدي". مع ذلك، توجد أنواع من الصمامات تتطلب تحريك عنصر الإغلاق إلى الوضع النهائي بقوة أو عزم دوران محددين لضمان إحكام إغلاق الصمام. يُسمى هذا الوضع "الإغلاق العزمي". تتم برمجة وحدة التحكم لضمان إيقاف تشغيل المشغل عند تجاوز حد العزم المحدد. يتم الإشارة إلى الوضع النهائي بواسطة مفتاح حدي.

لا يُستخدم مفتاح عزم الدوران فقط لإغلاق الصمام في الوضع النهائي، بل يعمل أيضًا كحماية من الحمل الزائد على امتداد مساره، ويحمي الصمام من عزم الدوران المفرط. إذا تعرض عنصر الإغلاق لعزم دوران مفرط في وضع وسيط، مثلاً بسبب وجود جسم عالق، فسيفصل مفتاح عزم الدوران عند بلوغه عزم الدوران المحدد للفصل. في هذه الحالة، لا يُشير مفتاح الحد إلى الوضع النهائي. وبالتالي، تستطيع أجهزة التحكم التمييز بين فصل مفتاح عزم الدوران أثناء التشغيل العادي في أحد الوضعين النهائيين، وفصله في وضع وسيط نتيجة لعزم دوران مفرط.

تُعدّ حساسات الحرارة ضرورية لحماية المحرك من السخونة الزائدة. وفي بعض التطبيقات من قِبل شركات مصنّعة أخرى، تتم مراقبة زيادة تيار المحرك أيضًا. وتؤدي المفاتيح الحرارية أو المقاومات الحرارية ذات معامل درجة الحرارة الموجب (PTC) ، المدمجة في ملفات المحرك، هذه المهمة بكفاءة عالية في أغلب الأحيان. إذ تفصل هذه المفاتيح عند تجاوز حد درجة الحرارة المسموح به، وتقوم أنظمة التحكم بإيقاف تشغيل المحرك.

نتيجةً لتزايد اللامركزية في تكنولوجيا الأتمتة واستخدام المعالجات الدقيقة، نُقلت وظائفٌ عديدة من أنظمة التحكم الموزعة (DCS) إلى الأجهزة الميدانية. وانخفض حجم البيانات المنقولة تبعًا لذلك، لا سيما مع إدخال تقنية ناقل البيانات الميداني. كما تأثرت المشغلات الكهربائية، التي توسعت وظائفها بشكل ملحوظ، بهذا التطور. وأبسط مثال على ذلك هو التحكم في الموضع. فالمحددات الحديثة مزودة بخاصية التكيف الذاتي، أي أن سلوك تحديد الموضع يُراقَب ويُحسَّن باستمرار عبر معايير وحدة التحكم.

في الوقت نفسه، تم تجهيز المشغلات الكهربائية بوحدات تحكم متكاملة للعمليات (وحدات تحكم PID). وخاصةً في التركيبات البعيدة، مثل التحكم في تدفق السوائل إلى خزان مرتفع، يمكن للمشغل أن يقوم بمهام وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) التي كان سيتعين تركيبها بشكل منفصل.

تتمتع المشغلات الحديثة بوظائف تشخيصية شاملة تساعد في تحديد سبب العطل، كما أنها تسجل بيانات التشغيل. وتتيح دراسة هذه البيانات تحسين الأداء من خلال تغيير المعايير، مما يقلل من تآكل كل من المشغل والصمام.

إذا تم استخدام صمام كصمام إغلاق، فسيكون إما مفتوحًا أو مغلقًا، ولن يتم الاحتفاظ بالأوضاع الوسيطة...

يتم تحديد مواقع وسيطة معينة لضبط التدفق الثابت عبر خط الأنابيب. وتُطبق نفس حدود وقت التشغيل كما في حالة الفتح والإغلاق.

أبرز ما يُميز تطبيقات الحلقة المغلقة هو أن تغير الظروف يستلزم تعديلًا متكررًا للمُشغِّل، على سبيل المثال، لضبط معدل تدفق مُعين. تتطلب تطبيقات الحلقة المغلقة الحساسة تعديلات خلال فترات زمنية لا تتجاوز بضع ثوانٍ. وتكون متطلبات المُشغِّل أعلى منها في مهام الفتح والإغلاق أو تحديد الموضع. يجب أن يكون تصميم المُشغِّل قادرًا على تحمّل عدد كبير من عمليات التشغيل دون أي تدهور في دقة التحكم.

تُحدد أنواع حماية الغلاف وفقًا لرموز IP الخاصة بالمعيار الأوروبي EN 60529. صُممت الإصدارات الأساسية لمعظم المشغلات الكهربائية وفقًا لثاني أعلى مستوى حماية للغلاف، وهو IP 67. وهذا يعني أنها محمية من دخول الغبار والماء أثناء الغمر (لمدة 30 دقيقة عند أقصى ارتفاع للماء يبلغ مترًا واحدًا). ​​كما تُوفر معظم الشركات المصنعة للمشغلات أجهزةً بمستوى حماية للغلاف IP 68، والذي يوفر حمايةً ضد الغمر حتى أقصى ارتفاع للماء يبلغ 6 أمتار.

في سيبيريا ، قد تنخفض درجات الحرارة إلى -60 درجة مئوية، وقد تتجاوز  100 درجة مئوية في المصانع التقنية . لذا، يُعدّ استخدام المُزيّت المناسب أمرًا بالغ الأهمية لضمان التشغيل الأمثل في ظل هذه الظروف. فالشحوم التي يُمكن استخدامها في درجة حرارة الغرفة قد تتصلب بشدة عند درجات الحرارة المنخفضة، ما يُعيق قدرة المُشغّل على التغلب على المقاومة داخل الجهاز. أما عند درجات الحرارة المرتفعة، فقد تسيل هذه الشحوم وتفقد قدرتها على التزييت. عند تحديد حجم المُشغّل، تُعدّ درجة الحرارة المحيطة واختيار المُزيّت المناسب من أهم العوامل. 

تُستخدم المشغلات في التطبيقات التي قد تتواجد فيها بيئات قابلة للانفجار، بما في ذلك مصافي النفط، وخطوط الأنابيب ، واستكشاف النفط والغاز، وحتى التعدين . عند وجود خليط غازي قابل للانفجار من الهواء أو من الغاز والغبار، يجب ألا يعمل المشغل كمصدر للاشتعال. يجب تجنب الأسطح الساخنة على المشغل، وكذلك شرارات الاشتعال الناتجة عنه. يمكن تحقيق ذلك من خلال غلاف مقاوم للهب ، حيث يُصمم الغلاف لمنع شرارات الاشتعال من الخروج منه حتى في حالة حدوث انفجار داخلي.

يجب أن تخضع المشغلات المصممة لهذه التطبيقات، كونها أجهزة مقاومة للانفجار، لاختبارات معتمدة من قبل جهة اختبار معتمدة . ولا يوجد معيار موحد عالميًا للحماية من الانفجار . ففي الاتحاد الأوروبي، يُطبق معيار ATEX 94/9/EC، وفي الولايات المتحدة، يُطبق معيار NEC (بموافقة FM )، أو معيار CEC في كندا (بموافقة CSA ). ويجب أن تستوفي المشغلات المقاومة للانفجار متطلبات التصميم الواردة في هذه التوجيهات واللوائح.