تاریخچه کنترل و ابزار دقیق در ایران‌ ـ مطالعه موردی در صنعت نفت

تجهیزات ابزار دقیق دارای کاربردهای متفاوت در صنایع گوناگون هستند. از جمله این موارد می‌توان به نیروگاه‌ها، صنایع فلزی و غیرفلزی، صنایع غذایی، صنایع نفت و گاز و موارد بی‌شمار دیگر اشاره کرد. با توجه به اینکه صنعت نفت یکی از مواردی است که تجهیزات ابزار دقیق نقش کلیدی در آن دارند، در این فصل سعی شده است تا تاریخچة مختصری از کاربرد این تجهیزات در صنعت مزبور ارائه شود. این تاریخچه برگرفته از سخنرانی آقای مهندس عباس شعری مقدم در اولین کنفرانس بین‌المللی ابزار دقیق و کنترل در اردیبهشت 1389 در دانشگاه تربیت مدرس تحت عنوان «سیر تحول سیستم‌های کنترل و ابزار دقیق در نیم قرن گذشته» است. از سوابق آقای مهندس شعری مقدم می توان به مدیریت عاملی شرکت ملی صنایع پتروشیمی، مدیریت عاملی شرکت پتروشیمی آریا ساسول، ریاست هیئت مدیرة انجمن مهندسان کنترل و ابزار دقیق ایران و ده ها مسئولیت مهم و حساس دیگر اشاره کرد. گزیده‌ای از سخنرانی ایشان در ادامه آمده است.

این متن با اجازه آقای دکتر فرزاد جعفرکاظمی، از کتاب ایشان با عنوان “ابزاردقیق مقدماتی” که سخنرانی آقای مهندس شعری مقدم را بازنشر کرده اند برداشت شده است.

برای من موجب افتخار است که توفیق می‌یابم درجمع شما عزیزان دربارة مشاهدات خود از تحولات رخ داده در صنعت کنترل و ابزار دقیق در طول نیم قرن گذشته در صنعت پتروشیمی صحبت كنم.

من امروز قصد ندارم وارد مسائل فنی و تخصصی شوم، زیرا 30 سال آخر خدمت من در صنعت پتروشیمی کشور بیشتر در زمینة مدیریت بوده است و فقط 15 سال اول خدمت خود را در زمینة کنترل و ابزار دقیق گذرانده‌ام و طبیعی است که پس از30 سال جدايی، دیگر نمی‌توانم به‌عنوان یک متخصص، اعلام نظر كنم.

من سال 1345 مدرک کارشناسی ارشد خود را در رشتة الکترونیک از دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی تکنیک تهران) اخذ كردم و همان سال به استخدام شرکت ملی صنایع پتروشیمی که به تازگی تأسیس شده بود، در آمدم و برای کارآموزی به مجتمع پتروشیمی شیراز که آن روز کارخانجات کود شیمیایی شیراز نامیده می‌شد اعزام گردیدم. کارخانجات کود شیمیايی شیراز که در سال 1343 به بهره‌برداری رسید، در حقیقت کارهای طراحی آن در سال 1338 یعنی 50 سال پیش شروع شد. لذا می‌توان گفت که تجهیزات و ماشین آلاتی که برای این مجتمع خریداری و نصب شده بودند، نمونه‌ای از طرح‌های 50 سال پیش هستند.

من کارآموزی خود را در ادارة تعمیرات ابزار دقیق این شرکت شروع كردم و در آنجا با دستگاه‌های کنترل و ابزار دقیقی که اکثراً ساخت فرانسه و متعلق به دهة 1950 بود، آشنا شدم. سیستم‌هایی که همگی نیوماتیک و عمدتاً ساخت شرکت‌های فاکسبورو و بایلی با شیرهای کنترل ساخت شرکت ماسنولین بودند. تایمرها در آن زمان مانند انواع امروزی پیشرفته نبودند و اغلب ساختاری ساده شبیه ساعت‌های قدیمی با موتورهای کوچک برقی با امکانات محدود داشتند.

چون استفاده از ترانزیستور هنوز متداول نشده بود، لذا تقویت‌کننده‌ها در تمام سیستم‌های اندازه‌گیری اعم از درجه حرارت، pH ، هدایت الکتریکی و یا آنالیزورها همگی لامپی بودند.

دشواری‌هایی که آن زمان با آن مواجه بودیم را می‌توان به‌صورت زیر خلاصه كرد:

یـکی از ابتدايی‌ترین نیازهای واحدهای فرایندی، دانستن مقادیر مصرفی گازـ آب‌ـ بخار و سایر مصارف و یا تولیدات در طی یک زمان مشخص است. کنتورهايی که در آن زمان وجود داشت، حجیم، گران قیمت و کم دقت بودند. نمونه‌ای از این کنتورها در شکل 1ـ2 نشان داده شده است. از این رو برای اندازه‌گیری این سیالات از جریان سنج‌هايی که مجهز به ثبات‌هايی که به اندازة مونیتورهای 17 اینچ امروزی و دارای کاغذهای ثبات مدوری بودند که در طول 24 ساعت یک دور می‌زد، استفاده می‌شد. این ثبات‌ها چون سیگنال خود را از یک اختلاف فشارسنج می‌گرفتند، لذا کاغذهای گردی که طبق شکل 1ـ3 روی آن قرار می‌گرفت، به دو صورت خطی و جذری درجه‌بندی شده بودند تا اگر اختلاف فشارسنج برای اندازه‌گیری سطح مایع به‌کار گرفته شده باشد از درجه‌بندی خطی و اگر برای اندازه‌گیری دبی به‌کار رفته باشد از درجه‌بندی جذری استفاده شود.

در هر صورت به‌خاطر دارم هر روز یکی از کارشناسان بخش مهندسی فرایند این چارت‌ها را جمع‌آوری می‌کرد و با صرف وقت و استفاده از یک پلانیمتر طبق شکل 1ـ4، سطح زیر منحنی را محاسبه و سپس با استفاده از ضرایبی مقدار جمع جریان در طول 24 ساعت گذشته را محاسبه و اعلام می‌كرد که البته دقت لازم را هم نداشت.

جالـب است بـدانید که آن زمان سیگنال‌های نیوماتیک مثل امروز بین PSI 15ـ3 استاندارد نشده بود و استاندارد دیگری توسط شرکت بایلی در نیروگاه این کارخانه استفاده می‌شد که PSI 25ـ5 بود.

موضوع دیگری که آن روز یکی از معضلات بود، تغییر و تنظیم عوامل سه‌گانه کنترل PID و انجام عملیات ریاضی روی سیگنال‌ها مثل جمع و تفریق‌کردن آنها و یا جذر گرفتن از آنها بود. براي مثال، جریان آب ورودی به یک دیگ بخار که باید تابعی از جریان بخار خروجی و میزان سطح آب در دیگ باشد، لذا چنانچه برای اندازه‌گیری جریان بخار و آب از اختلاف فشارسنج استفاده می‌شد، باید از هر دو سیگنال فوق جذر گرفته می‌شد تا بتوان آن را وارد محاسبات مربوط كرد. چون در آن روزگار امکان این امر از طریق الکتریکی به راحتی و به‌صورت اقتصادی موجود نبود، لذا از تعدادی از تجهیزات مکانیکی مثل انواع فانوسی، اهرم و بادامک‌های مختلف استفاده می‌شد که با کوچکترین لقی و یا اصطکاک از دقت می‌افتادند و دیگر قابل اعتماد نبودند. در نیروگاه این کارخانه تعدادی رله نیوماتیکی ساخت شرکت بایلی برای این منظور وجود داشت (شکل 1ـ5) که کمتر کسی جرأت دست زدن به آن را پیدا می‌کرد.

سیستم‌های اندازه‌گیری درجه حـرارت از دیگر معضلات بودند (شکل 1ـ 6). در این دستگاه‌ها که به اجبار باید از تقویت‌کننده‌های لامپی استفاده می‌شد، دارای سه اشكال بزرگ بودند:

اول آنکه، لامپ‌ها حرارت زیادی ایجاد می‌کردند. دوم آنکه، به دلیل تولید حرارت امکان قراردادن آنها در محفظه و یا جعبه‌های ضدانفجار وجود نداشت. سوم آنکه، به دلیل داشتن امپدانس ورودی بالا، نسبت سیگنال به نویز آنها پايین بود و نویزها اکثراً مزاحمت ایجاد می‌کردند و از دقت اندازه‌گیری می‌کاستند.

برای حل مشکلات اول و دوم چاره‌ای نبود که تابلوهای کنترل را طوری طراحی کنند که دائماً یک جریان ملایم از هوای ابزار دقیق از یک محل به آن وارد و از محلی دیگر از آن خارج شود که هم محوطة تحت فشار، باقی بماند و هم با جریان هوا خنک شود. برای مشکل نویز هم حتی‌المقدور سعی می‌شد که از کابل‌هایی با زره‌های بافتة مسی استفاده شود و اتصالات هم، حتی‌المقدور از منابع نویز دور باشند. این ملاحظات به‌طور کلی در تمام دستگاه‌هایی که در آنها الزاماً از تقویت‌کننده‌ها استفاده می‌شد، رعایت می‌شد.

سیستم‌های حفاظتی و آلارم‌ها نیز مشکلات خاص خود را داشتند که یک نمونه از آن در شکل 1ـ7 نشان داده شده است.

رله‌ها در درون یک محفظة فلزی جاسازی شده بودند که از نظر تماس با گازهای قابل اشتعال مشکلی ایجاد نكنند، ولی در هر صورت خنک نگهداشتن آنها ضرورت داشت. رله‌های حفاظتی که برای توقف دستگاه‌ها و یا ماشین آلات در شرایط اضطراری به‌کار گرفته می‌شد، نیز یکی از معضلات بودند. بعضاً دستگاهی از کار می‌افتاد که علت اصلی آن مشخص نبود و معلوم نمی‌شد کدام یک از عواملی که چراغش روی تابلو روشن است، موجب توقف شده و جالب آنکه بعضاً می‌توانستند ماشین از کار افتاده را بدون یافتن هیچ عیبی دوباره راه بیاندازند تا بالأخره پس از چند بار با صرف وقت، معلوم می‌شد که یک محل اتصال به‌طور نامحسوس شل شده است.

ثبت درجه حرارت چند نقطه توسط یک دستگاه نیز یکی دیگر از معضلات بود، همان‌طور که در شکل 1ـ8 نشان داده شده است، دستگاه ثبات توسط یک سلکتور سوئیچ به حس‌گرهای مربوط وصل می‌شود. این سلکتور سوئیچ، بعضاً به دلیل عوامل مختلف از جمله: کثیف شدن، اتصال خوبی را برقرار نمی‌كرد و اندازه‌گیری با خطا انجام می‌شد.

اندازه‌گیری سطح جامدات در درون سیلوها و یا جریان سیالات خورنده و یا با نقطة انجماد بالا، کار ساده‌ای نبود. جریان سنج‌های مغناطیسی با تقویت‌کننده‌های لامپی مشکلات خاص خود از جمله نویز را داشتند، سیستم‌های اولتراسونیک هنوز به تولید اقتصادی نرسیده بودند و چندان هم قابل اعتماد نبودند.

مجموعة این مشکلات اکثراً باعث می‌شد که سیستم‌های کنترل و به‌تدریج توسط اپراتورها کنار گذارده شوند و واحدها به‌صورت دستی و با راندمان نامطلوب به‌کار خود ادامه دهند.

در سال 1343 شرکت ملی صنایع پتروشیمی سه قرارداد مشارکت 50ـ50 با سه شرکت آمریکايی بي‌اف گودريچ، آلايد كميكال و آموكو و برای احداث مجتمع‌های آبادان، شاهپور سابق (رازی فعلی) و خارک منعقد کرد. جالب است که آمریکايی‌ها در این مجتمع‌ها از سیستم‌های کنترل الکترونیکی با تقویت‌کننده‌های ترانزیستوری که با جریان 20ـ4 میلی‌آمپر کار می‌کرد استفاده کرده بودند. از جمله خصوصیات این سیستم می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

ـ در این سیستم همة اجزا مانند سیستم‌های نیوماتیک آنالوگ است، ولی تقویت‌کنندة سیگنال‌ها و انجام محاسبه و تغییر و تنظیم عوامل کنترل همگی توسط مدارهای الکترونیکی انجام می‌شود.

ـ جایگزین‌شدن مدارهای الکترونیکی به‌جای دستگاه‌های مکانیکی کارها را بسیار ساده‌تر و دقیق‌تر كرده بود، ولی هنوز با ایده‌آل فاصله داشت. مشکل نویز اگر چه در حد زیادی حل شده بود، ولی باز هم راه حل آن با محدودیت‌هايی مواجه بود.

ـ مشکل حرارت‌زايی دستگاه‌ها تا حد قابل توجهی کاهش یافته بود، ولی هنوز کاربرد دستگاه‌ها در واحدها به استفاده از محفظه‌های ضد اشتعال نیاز داشت.

ـ با استفاده از ترانسمیترهای الکترونیکی، لوله‌های سیگنال‌های حاوی هوای فشرده PSI 15ـ3 جای خود را به کابل‌های برقی داد و مشکل تأخیر زمان انتقال سیگنال به فواصل دور که در سیستم‌های نیوماتیک وجود داشت، حل شد. لازم به ذکر است که در آن زمان علاوه بر استاندارد 40ـ20 میلی‌آمپر برای ارسال اطلاعات، بعضی از سازندگان از سیگنال‌های 10 تا 50 میلی‌آمپر هم استفاده می‌كردند که امروز منسوخ شده است.

با وجود این تحولات، ملاحظه می‌شود که ژاپنی‌ها در سال 1352 برای طراحی یـکی از بـزرگترین مجتمع‌های پتروشیمی جهان به‌نام پتروشیمی ایران‌ـ ژاپن (پتروشیمی بندر امام امروز)، هنوز آمادگی استفاده از سیستم‌های پیشرفته الکترونیکی را نداشتند و سیستم‌های قدیمی نیوماتیک ساخت سازندگان ژاپنی را به‌کار گرفتند (اخیراً این مجتمع در صدد تغییر سیستم‌های قدیمی خود به سیستم فیلدباس است).

تحول دیگری که در زمینة سیستم‌های کنترل و ابزار دقیق در صنعت پتروشیمی رخ داد، به زمان اجرای طرح گسترش مجتمع پتروشیمی شیراز مربوط بود که در سال 1353 شروع شد. البته در این فاصله دو تحول بزرگ دیگر نیز به‌وجود آمد.

اول؛ استفاده از IC‌ ها در مدارهای الکترونیکی که تأثیر قابل ملاحظه‌ای در کاهش فضای اشغال شده داشت و به علاوه حرارت متصاعد از مدارها را به‌شدت کاهش می‌داد.

دوم‌؛ استفاده از فناوری دیجیتال که اولین نشانه‌های آنها ورود نشان‌دهنده‌های دیجیتال دما و کنتورهای دیجیتالی به بازار با انواع لامپ‌های نئون و یا LED بود.

به نظر من، امروزه در سایة به‌کارگیری فناوری دیجیتال، دیگر مشکلی به نام نویز وجود ندارد و آنالیزورها می‌توانند به‌خوبی و با دقت فوق‌العاده در واحدهای تولیدی ایفای نقش كنند.

استفاده از IC‌ ها موجب شد که تکنولوژی اولتراسونیک نیز در دستگاه‌های اندازه‌گیری سطح و جریان هم به‌کارگرفته شود و استفاده از این دستگاه‌ها که هنوز از اعتماد و دقت لازم برخوردار نبودند، تا حدی مورد توجه قرار گیرند.

در زمانی که طرح گسترش شیراز مراحل طراحی خود را طی می‌کرد، شرکت فاکسبورو سیستم کنترلی را به بازار عرضه كرد که Spec 200 نام داشت. سیستم کنترل Foxboro Spec 200 به‌طورکلی شبیه سیستم‌های کنترل آنالوگ الکترونیکی است (شکل 1ـ9)، با این تفاوت که سیگنال‌های آنالوگ ورودی، به دیجیتال تبدیل و موجب می‌شود که بتوان کلیة محاسبات و عملیات کنترلی را در فضای دیجیتالی انجام داد و آنگاه در خروجی مجدداً آنها را به سیگنال‌های آنالوگ تبدیل كرد. به این ترتیب، به یکباره بسیاری از مشکلات گذشته حل شد وسیستم‌های کنترل با اطمینان و دقت قابل قبول در صحنة تولید ظاهر شدند.

در این سیستم، تـابلوهای کنترل و تـجهیزات روی آنـها همان‌طور کـه در شکل 1ـ10 نشان داده شده است، هیچ‌گونه تغییر و یا تفاوتی با سیستم‌های کنترل نسل قبل از آن ندارند.

در طرح گسترش مجتمع پتروشیمی شیراز یک تحول دیگر هم اتفاق افتاد و آن طراحی Trip system به نحوی بود که اولین عامل که باعث خاموشی دستگاه و یا ماشین می‌شد، نیز مشخص می‌گردید. این دو اتفاق موجب شد که کارشناسان صنعت پتروشیمی به استفاده از سیستم‌های کنترل با تکنولوژی‌های نوین تشویق شوند. به نحوی که مدیریت پروژه طرح پتروشیمی اراک، در سال 1367 جرأت کرد که تکنولوژی DCS را که به تازگی به بازار عرضه شده بود برای این طرح انتخاب كند.

تفاوت عمده در این سیستم جدید جایگزین‌شدن تعدادی مانیتور، طبق شکل‌های 1ـ11 و1ـ12 به‌جای تابلوهای کنترل بزرگ قبلی است که پذیرش آن برای اپراتورهايی که با تابلوهای قدیمی کار کرده‌اند، مشکل بود.

وقتی شرکت شل برای اولین بار در یکی از پالایشگاه‌های خود در استرالیا از سیستم کنترل DCS استفاده كرد، کارکنان اطاق‌های کنترل در اعتراض به این انتخاب اعتصاب کردند، زیرا این وضعیت برایشان نامانوس بود. طوری که شرکت شل مجبور شد یک تابلوی کنترل معمولی هم در کنار آن نصب كند و بعد که افراد با این سیستم آشنا شدند آن تابلو را جمع کرد.

با فراگیرشدن تکنولوژی دیجیتال به‌تدریج سازندگان ترانسمیترها به این فکر افتادند که از این تکنولوژی در ساخت این دستگاه‌ها نیز بهره بگیرند، لذا ترانسمیترهای هوشمند را به بازار عرضه كردند. عرضة ترانسمیترهای هوشمند به بازار این ایده را قوت بخشید که چرا از امتیازات این تکنولوژی در انتقال سیگنال از ترانسمیتر به اتاق کنترل نیز استفاده نشود و این فکر موجب شد که سیستم‌های کنترل فیلدباس به بازار عرضه شود.

ظهور Zener Barrier‌ ها و ارائة مدارهايی با ساختار ذاتاً ایمن نیز کاربرد تجهیزات ابزار دقیق الکترونیکی را در واحدهای حاوی سیالات قابل اشتعال و انفجار تسهیل كرد. این فناوری موجب شد که استفاده از محفظه‌های گران قیمت ضد انفجار در واحدها و مشکلات ناشی از انباشت حرارت در آنها نیز بر طرف شود.

صنعت پتروشیمی که به استفاده از سیستم‌های کنترل با تکنولوژی‌های نوین تشویق شده بود، در استفاده از این سیستم نیز پیش‌تاز بود. در سال 1999 وقتی جمعی از مدیران و کارشناسان پتروشیمی از نمایشگاه اینترکاما 99 ³ که در دوسلدورف آلمان برگزار شده بود بازدید می‌كردند، متوجه می‌شوند که همه‌جا صحبت از سیستم‌های کنترل فیلدباس است. همان‌جا برای استفاده از این سیستم در طرح‌های جدید با سازندگان معتبر صحبت می‌شود که به خاطر تحریم، پاسخ مثبتی دریافت نمی‌شود. در بازگشت وقتی موضوع با مدیرعامل وقت پتروشیمی در میان گذاشته می‌شود، ایشان همة مسئولان طرح‌ها را موظف می‌كنند که منحصراً سیستم‌های کنترل خود را از سازندگانی خریداری كنند که آمادگی فروش سیستم‌های کنترل فیلدباس را دارند. این پافشاری‌ها سبب شکسته‌شدن تحریم شد و موجب شد که این فناوری وارد کشور شود. اولین بار شرکت‌های ژاپنی پذیرفتند این سیستم را به ایران بفروشند، آنگاه دیگران هم برای آنکه عقب نمانند، به‌تدريج وارد صحنه شدند.

اجرای این تصمیم با مشکل دیگری هم مواجه بود و آن، اینکه کسی نمی‌دانست فاندیشن فیلدباس چیست. چون این سیستم برای دنیا هم تازگی داشت. برای حل این مشکل تصمیم گرفته شد، کمیته‌ای به‌نام کمیتة فیلدباس در شرکت ملی صنایع پتروشیمی تشکیل شود و مقرر شد که ترتیبی داده شود تا صاحب‌نظران موجود چه در دانشگاه‌ها و چه در صنعت، در این کمیته گرد هم آمده تا محور کار باشند و به سؤالات و مشکلات متقاضیان پاسخ بدهند. این در حالی بود که بسياري از شرکت‌های مشاور، حتی کارشناسان شرکت‌های خارجی ‌هم نمی‌دانستند فاندیشن فیلدباس چیست و با خرید آن مخالفت می‌کردند و می‌گفتند این سیستم گرفتاری و مشکلات خاص خودش را دارد. البته خود این سیستم هم در حال تحول بود و مشکلاتی داشت که همان باعث شد کمیتة فیلدباس اعلام كند، هر جا که امکان استفاده از فاندیشن فیلدباس وجود ندارد، می‌توان ازسیستم کنترل دوگانه نیز استفاده كرد، اما حتی‌المقدور، سعی شود از سیستم فیلدباس استفاده شود. اصولاً هنگامی که یک سیستم تازه وارد بازار می‌شود و کسی با آن آشنایی قبلی ندارد، همه شروع به عیب‌جويی و نفی آن می‌کنند. به‌خصوص در مورد سیستم کنترل فاندیشن فیلدباس که دگرگونی در آن بسیار زیاد بود. براي مثال، یک ترانسمیتر آنالوگ را می‌توان با یک میلی‌آمپرمتر ساده تنظیم كرد، ولی تنظیم یک ترانسمیتر منطبق با سیستم فاندیشن فیلدباس، دستگاه‌های ویژه و مهارت‌های خاصی را ‌طلب می‌کند که در آغاز وجود نداشت و کسی هم با آنها آشنایی قبلی نداشت، لذا همه با درد سر رو‌به‌رو شدند. در هر صورت طرح‌های پتروشیمی که ظرف چند سال اخیر به تولید رسیده‌اند، اکثراً از این سیستم استفاده می‌كنند. امروزه با استفاده از فناوری دیجیتال و پردازشگرهای پرقدرت تمام مشکلات محاسباتی از جمله مشکل محاسبة مصرف مواد و تولید محصول برای هر مقطع زمانی حل شده و Historian‌ های موجود می‌توانند سوابق و اطلاعات فرایندی را تا مدت‌های مدیدی در حافظه خود نگهداری كنند.

منابع برای مطالعة بیشتر

خاکی صدیق، ع. 1384. تاریخ مهندسی کنترل، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی.