در کنترل ولوهای سامسون، عبارت Fail Action مشخص می کند که در زمان بروز خرابی یا از دست رفتن یکی از ورودی های حیاتی سیستم، ولو به کدام وضعیت ایمن حرکت کند. این خرابی معمولاً شامل موارد زیر است:
- – قطع هوای ابزار دقیق یا هوای تغذیه اکچویتور
- – قطع سیگنال کنترلی
- – خرابی پوزیشنر یا تجهیزات جانبی
- – قطع برق در پوزیشنرهای الکتروپنوماتیکی
- – افت فشار هوای فشرده یا بروز نشتی در مدار فرمان
انتخاب بین Fail Close، Fail Open و Fail in Place باید بر مبنای فلسفه ایمنی فرآیند انجام شود؛ زیرا یک وضعیت برای یک فرآیند ایمن است، اما ممکن است همان وضعیت در فرآیندی دیگر خطرناک باشد.
۱. Fail Close – FC
در حالت Fail Close، کنترل ولو هنگام بروز Failure به سمت بسته شدن حرکت می کند و در نهایت مسیر عبور سیال را می بندد.
به صورت ساده:
در صورت قطع هوای ابزار دقیق یا سیگنال کنترلی، ولو به سمت وضعیت بسته حرکت می کند.
موارد کاربرد Fail Close
Fail Close معمولاً زمانی انتخاب می شود که ادامه جریان سیال پس از خرابی بتواند باعث ایجاد خطر شود؛ برای مثال:
– قطع جریان سوخت به مشعل یا کوره
– توقف ورود گاز قابل اشتعال
– قطع تزریق مواد شیمیایی خطرناک
– جلوگیری از ورود بخار بیش ازحد به تجهیز
– قطع جریان سیالی که افزایش آن می تواند باعث افزایش فشار یا دما شود
– جلوگیری از سرریز مخزن
– قطع خوراک یک راکتور در شرایط اضطراری
مثال:
فرض کنید یک ولو، گاز سوخت را به مشعل کوره منتقل می کند. اگر هوای ابزار دقیق قطع شود و ولو باز بماند، گاز همچنان وارد کوره می شود و احتمال تجمع گاز و انفجار افزایش پیدا می کند. بنابراین در این کاربرد، معمولاً وضعیت ایمن عبارت است از:
Loss of Air→Valve Closes
در این حالت، انتخاب مناسب Fail Close یا FC است.
نحوه عملکرد معمول
در بسیاری از اکچویتورهای پنوماتیکی فنردار، فنر در هنگام قطع هوای فرمان، ساقه ولو را به سمت بسته شدن می راند. البته این موضوع به طراحی اکچویتور، نوع ولو، جهت نصب و آرایش فنر بستگی دارد و نباید فقط بر اساس ظاهر اکچویتور قضاوت کرد.
۲. Fail Open – FO
در حالت Fail Open، کنترل ولو هنگام بروز Failure به سمت بازشدن حرکت می کند تا جریان سیال برقرار بماند یا افزایش یابد.
به صورت ساده:
در شرایط Failure، ولو به سمت وضعیت باز حرکت می کند.
موارد کاربرد Fail Open
Fail Open معمولاً زمانی انتخاب می شود که قطع جریان سیال، خودِ فرآیند را ناایمن کند؛ برای مثال:
– ادامه جریان آب خنک کننده به مبدل حرارتی
– حفظ جریان آب خنک کاری تجهیزات
– تأمین هوای خنک کننده یا گاز حفاظتی
– حفظ جریان سیال برای جلوگیری از داغ شدن تجهیز
– باز نگه داشتن مسیر تخلیه یا ونت در شرایط خاص
– جلوگیری از آسیب حرارتی به پمپ، کمپرسور یا کوره
مثال:
در یک مبدل حرارتی، اگر ولو آب خنک کننده هنگام قطع سیگنال بسته شود، دمای فرآیند ممکن است به سرعت افزایش پیدا کند. در این شرایط، باز ماندن ولو باعث کاهش خطر می شود:
Loss of Signal/Air→Valve Opens
بنابراین وضعیت مناسب می تواند Fail Open یا FO باشد.
۳. Fail in Place – FIP
در حالت Fail in Place، ولو تلاش می کند موقعیت فعلی خود را هنگام بروز خرابی حفظ کند.
یعنی اگر ولو در لحظه قطع سیگنال روی ۴۰ درصد بازشدگی باشد، سیستم تلاش می کند همان موقعیت تقریباً حفظ شود:
Failure→Valve Remains Approximately at Existing Position
موارد کاربرد Fail in Place
این حالت زمانی استفاده می شود که تغییر ناگهانی دبی، فشار یا دما خطرناک تر از ثابت ماندن وضعیت فعلی باشد؛ برای مثال:
– فرآیندهایی که تغییر ناگهانی جریان باعث شوک حرارتی می شود
– سیستم هایی که بسته شدن ناگهانی ولو باعث افزایش فشار می شود
– مدارهایی که بازشدن کامل ولو موجب ورود بیش ازحد سیال می شود
– فرآیندهای پیوسته ای که حفظ تعادل فعلی اهمیت دارد
– کنترل دما، فشار یا سطح در شرایطی که تغییر ناگهانی می تواند ناپایداری ایجاد کند
نکته مهم درباره Fail in Place
Fail in Place به معنای حفظ کاملاً دقیق و دائمی موقعیت ولو نیست. عملکرد واقعی به عواملی مانند موارد زیر وابسته است:
- – اصطکاک پکینگ و اجزای متحرک
- – نشتی داخلی و خارجی
- – افت فشار فرآیند
- – تغییرات فشار هوای ابزار دقیق
- – عملکرد پوزیشنر
- – نوع اکچویتور
- – وجود یا عدم وجود تجهیزات جانبی مانند Lock-up Valve
برای دستیابی به این عملکرد، معمولاً از تجهیزات جانبی مانند Lock-up Valve استفاده می شود. این تجهیز هنگام افت فشار هوای تغذیه، هوای موجود در محفظه اکچویتور را محبوس می کند تا موقعیت ساقه ولو تا حد امکان حفظ شود.
تفاوت قطع سیگنال و قطع هوای ابزار دقیق
در تحلیل Fail Action باید مشخص شود که منظور از Failure دقیقاً چیست. دو حالت رایج عبارت اند از:
قطع هوای ابزار دقیق: در این حالت فشار هوای تغذیه اکچویتور از بین می رود. اگر اکچویتور از نوع فنردار باشد، فنر معمولاً ولو را به یکی از دو وضعیت باز یا بسته هدایت می کند.
قطع سیگنال کنترلی: در این حالت ممکن است هوای ابزار دقیق همچنان وجود داشته باشد، اما سیگنال پنوماتیکی یا الکتریکی فرمان از بین برود. پوزیشنر یا شیر فرمان باید طوری تنظیم شده باشد که در این وضعیت، ولو به وضعیت تعریف شده حرکت کند یا موقعیت خود را حفظ نماید.
بنابراین هنگام مشخص کردن Fail Action باید به صورت شفاف نوشته شود:
– Fail on loss of instrument air
– Fail on loss of control signal
– Fail on loss of electrical power
– Fail on positioner failure
ممکن است یک سیستم در برابر قطع برق یک رفتار و در برابر قطع هوای ابزار دقیق رفتار دیگری داشته باشد؛ به همین دلیل بررسی کل زنجیره کنترل ضروری است.
ارتباط Fail Action با اکچویتور سامسون
در کنترل ولوهای سامسون، Fail Action به مجموعه ای از عوامل وابسته است:
- نوع کنترل ولو
- نوع اکچویتور
- جهت حرکت ساقه؛ Stem Extendingیا Stem Retracting
- آرایش فنرها
- نحوه نصب اکچویتور
- عملکرد پوزیشن Valve
- تجهیزات جانبی مانند شیر قطع هوا، شیر تخلیه سریع و Lock-up Valve
- فشار فرآیند و جهت نیروی واردشده به پلاگ ولو
برای مثال، در اکچویتورهای پنوماتیکی فنردار:
– نیروی هوای فشرده در یک جهت عمل می کند.
– نیروی فنر در جهت مخالف عمل می کند.
– در صورت قطع هوا، فنر تعیین می کند ولو به سمت باز یا بسته حرکت کند.
اما یک نکته مهم وجود دارد:
نوع اکچویتور به تنهایی تعیین کننده Fail Action نیست.
ممکن است یک اکچویتور مشابه، با تغییر آرایش فنر، جهت نصب یا تنظیم پوزیشنر، برای عملکرد Fail Open یا Fail Close استفاده شود.
چرا انتخاب Fail Action نباید فقط بر اساس نوع اکچویتور باشد؟
گاهی تصور می شود که مثلاً «اکچویتور فنردار» ذاتاً Fail Close یا ذاتاً Fail Open است. این برداشت کامل نیست. اکچویتور فقط یکی از اجزای مؤثر در تعیین رفتار نهایی ولو است.
انتخاب Fail Action باید بر اساس پاسخ به این پرسش انجام شود:
در صورت از دست رفتن کنترل، کدام وضعیت ولو کمترین خطر را برای افراد، محیط زیست، تجهیزات و پایداری فرآیند ایجاد می کند؟
برای پاسخ باید موارد زیر بررسی شوند:
- – ماهیت سیال: قابل اشتعال، سمی، خورنده یا بی خطر
- – اثر قطع جریان
- – اثر ادامه جریان
- – احتمال افزایش فشار
- – احتمال افزایش دما
- – نیاز به خنک کاری
- – احتمال سرریز یا تخلیه ناخواسته
- – واکنش سیستم های حفاظتی مانند ESD و SIS
- – نیازهای عملیاتی در زمان راه اندازی و توقف
- – سناریوهای HAZOP و LOPA
- – الزامات استاندارد و فلسفه ایمنی واحد
چند مثال مقایسه ای
| کاربرد | وضعیت معمول ایمن | Fail Action |
|---|---|---|
| ولو سوخت مشعل | قطع جریان سوخت | Fail Close |
| ولو ورود گاز قابلاشتعال | جلوگیری از ادامه ورود گاز | Fail Close |
| ولو آب خنککننده تجهیز حساس | حفظ خنککاری | Fail Open |
| ولو هوای حفاظتی یا Purge | حفظ جریان حفاظتی | Fail Open |
| ولو در یک مدار با حساسیت بالا به تغییر ناگهانی | حفظ شرایط فعلی | Fail in Place |
| ولو تخلیه فشار، بسته به فلسفه سیستم | ممکن است باز یا بسته باشد | نیازمند تحلیل ایمنی |
در مثال آخر، حتی یک ولو تخلیه فشار نیز نمی تواند بدون بررسی فرآیند، به صورت قطعی Fail Open یا Fail Close تعریف شود؛ زیرا عملکرد آن به طراحی سیستم حفاظت در برابر فشار و سناریوی خرابی وابسته است.
جمع بندی
– Fail Close – FC: در صورت خرابی، ولو به سمت بسته شدن حرکت می کند؛ معمولاً برای قطع سوخت، مواد خطرناک یا جریان ناخواسته استفاده می شود.
– Fail Open – FO: در صورت خرابی، ولو به سمت بازشدن حرکت می کند؛ معمولاً برای حفظ خنک کاری، Purge یا جریان حیاتی کاربرد دارد.
– Fail in Place – FIP: ولو تلاش می کند موقعیت فعلی خود را حفظ کند؛ این عملکرد معمولاً به تجهیزات جانبی مانند Lock-up Valve نیاز دارد و اساس Safety Philosophy فرآیند انجام شودین نمی کند.
– انتخاب Fail Action باید بر اساس Safety Philosophy فرآیند انجام شود، نه صرفاً نوع اکچویتور.
به بیان مهندسی:
Fail Action تابع وضعیت ایمن فرآیند است؛ اکچویتور و تجهیزات جانبی فقط ابزار دستیابی به آن وضعیت هستند.
بنابراین برای تعیین نهایی FC، FO یا FIP باید اطلاعات فرآیندی، نتایج HAZOP، فلسفه ESD، سناریوهای خرابی و الزامات ایمنی بررسی شود و سپس نوع اکچویتور، آرایش فنر و تجهیزات جانبی سامسون انتخاب گردد.
