اکثر صنایع برای بهبود بهره وری و کیفیت محصولات با اتخاذ استراتژی های کنترل پیچیده، اقدام به ساخت انواع سیستم های کنترل صنعتی کرده اند. این سیستم ها معمولا برای تولید یک یا چند عمل کنترلی بسته به کاربرد اجرا شده ساخته می شوند. در بازار تجهیزات صنعتی، انواع مختلفی از کنترل کننده قابل برنامه ریزی وجود دارد که یکی از مطرح ترین آنها plc دلتا است.
انواع مکانیزم های کنترل صنعتی
قبل از بررسی انواع مختلف کنترل کننده صنعتی، باید مودهای کنش کنترلی را بشناسیم؛ زیرا اساسا انواع مختلف کنترل کننده از مودهای مختلف کنش کنترلی سرچشمه می‌گیرد. دو نوع مود کنش کنترلی در نظر گرفته می‌شود که عبارتند از مود عملکرد پیوسته و مود عملکرد گسسته.
مود عملکرد گسسته در کنترل کننده
مود عملکرد گسسته در کنترل کننده این امکان را فراهم می‌کند که کنترل کننده مقادیر گسسته را در خروجی ایجاد کند. در این مود کاری، خروجی متناسب با سیگنال تولید شده توسط کنترل کننده «تغییرات نرم» (Smooth Variation) ندارد و در عوض از یک مقدار به مقدار دیگری جهش می‌کند. بر اساس این مود کاری، کنترل کننده ها را میتوان به دو نوع تقسیم کرد.
کنترل کننده چند موقعیتی (Multi position Controllers)
این مود امکان تغییرات نرم خروجی کنترل شده را در سرتاسر بازه عملکرد ایجاد می‌کند. بنابراین خروجی سیستم کنترلی به صورت نرم متناسب با تمام یا بخشی از سیگنال خطا تغییر خواهد کرد.
پس بر اساس ورودی اعمال شده به انواع سیستم های کنترل صنعتی در این مود را به انواع زیر تقسیم می‌کنند:
- کنترل کننده تناسبی (Proportional Controller)
- کنترل کننده انتگرال گیر (Integral Controller)
- کنترل کننده مشتق گیر (Derivative Controller)
کنترل کننده صنعتی دو موقعیتی
انواع سیستم های کنترل صنعتی دو موقعیتی را با نام کنترل کننده خاموش و روشن نیز می‌شناسند. در این حالت، خروجی کنترل کننده بین دو مقدار مشخص نوسان می‌کند که این مقادیر معمولا مقادیر کمینه و بیشینه هستند. مقدار بیشینه برابر با ۱۰۰ درصد و مقدار کمینه برابر با ۰ درصد در نظر گرفته می‌شوند. این کنترل کننده ساده‌ترین و متداول‌ترین نوع کنترل کننده در صنعت محسوب می‌شود.
در کنترل کننده خاموش و روشن، خروجی متناسب با سیگنال خطای «محرک» (Actuating)، بین مقدار کمینه و بیشینه نوسان می‌کند.
در واقع، زمانی که مقدار سیگنال خطای محرک به بالاتر از یک مقدار بحرانی از پیش تعیین شده برسد، خروجی نیز از مقدار کمینه به مقدار بیشینه تغییر خواهد یافت. به طریق مشابه، زمانی که سیگنال خطا به زیر مقدار بحرانی کاهش پیدا کند، خروجی نیز مجددا از مقدار بیشینه به مقدار کمینه کاهش پیدا می‌کند.
فرض کنید m خروجی کنترل کننده، e سیگنال خطای محرک و m1 و m2 نیز به ترتیب نمایش دهنده مقادیر بیشینه و کمینه باشند
انواع مکانیزم های اتوماسیون و کنترل صنعتی
کنترل دستی
ساده ترین و قدیمی ترین انواع سیستم های کنترل صنعتی است. در اینجا همه چیز توسط انسان انجام می شود:
- چشم می بیند. (Sensor & Transmitter)
- مغز پردازش می کند. (Controller & Processor)
- دست یا عضو دیگر عمل تعیین شده توسط مغز را اجرا می نماید. (Actuator)
- مثل تنطیم شعله گاز یک اجاق، چشم شعله را می بیند مغز اندازه آن را محک می زند و به دست فرمان تنظیم را ارسال می کند و دست در جهت مطلوب به حرکت در می آید .هنگامی که مقدار دلخواه شعله از طریق چشم ها دریافت شد مغز فرمان توقف را به دست می دهد.
- کنترل دستی نیاز به نیروی کارفراوان وعملاً دقت خیلی کمی دارد.
کنترل بادی
زمانی که از نیمه هادیها خبری نبود و منابع ولتاژ و جریان توسط ویدلار یا میلر کشف نشده بود تنها راه فرار از دست نیروی کارگری و بالا بردن دقت(Accuracy) در اندازه گیری (Measurement) و کنترل روی آوردن به مکانیک و قدرت هوای فشرده شده (Compressed Air) بود. در این سیستم ها تیوبهای استیل( SS Tube ) همانند سیم های مسی که جریان الکتریکی را عبور می دهند هدایت کننده هوای فشرده شده هستند یعنی خط انتقال هوا است.
کنترل الکترونیکی آنالوگ
با ورود ترانزیستور و به دنبال ان IC ها به بازار اعمال تقویت ، PID ، خطی سازی (Linearization) لگاریتم گیری و … به راحتی انجام می شود. در سیستم های آنالوگ سرعت و دقت در حد عالی است. توان مصرفی تجهیزات کم و عمر مفید آنها بالاست.
کنترل کننده های منطقی پذیر
میکروپروسسورها دنیا را دگرگون کردند. قرارگرفتن واحدهای حافظه نیمه هادی و ایجاد مبدل های آنالوگ به دیجیتال (A to D) و بالعکس (D/A) روی یک برد مدار چاپی همه چیز را حل کرد
دیگر تمام حرف ها را صفرها و یک ها می زنند. بیت ها و بایت ها را می توان به راحتی ذخیره کرد و یاویرایش نمود و تغییر داد.
PLC ها در ابتدا برای حل کردن مسایل ناشی از کنترل با رله ها پیشنهاد شدند ، چون استفاده از رله حجم زیادی لازم دارد ، سیم کشی فراوانی می خواهد ،عیب یابی آن مشکل است و به دلیل مکانیکی بودن عمر کوتاه تری خواهد داشت. اما با ایجاد مبدلهای آنالوگ به دیجیتال و دیجیتال به آنالوگ کنترل پارامترهای آنالوگ نیز میسر شد.
با PLC می توان تمام کارهای کنترلی را انجام داد ، از کنترل دمای یک مخزن گرفته تا کنترل روند تولید یک اتومبیل یا یک نیروگاه اتمی و این بسته به نوع CPU استفاده شده در PLC دارد.
سیستم کنترل غیر متمرکز
PLC ها در انجام کارهای ساده خیلی موفق هستند اما هر چقدر فرایند پیچیده تر و بزرگتر شود کنترل کردن آن با یک cpu دقت و سرعت خواسته شده را نخواهد داشت. برای بالا بردن سرعت ، دقت و امنیت سیستم می توان کارها را تقسیم کرد طوری که هر پردازنده یک بخش از کل کارخانه را کنترل کند.
پس می توان با بکار گرفتن همزمان چند plc و مدیریت عملکرد آن ها یک سیستم کنترل DCS ساخت. DCS در کل اتصال چند PLC است که پردازنده های آنها شبکه شده اند و یک کامپیوتر به عنوان مدیر شبکه (Network Manager) )کار کرد کنترل کننده های دیگر (PLCs) را مدیریت می کند.
سیستم کنترل فیلدس
در سیستم DCS شبکه فقط در سطح مدیریت وجود دارد. اگر ما تمام ترانسمیترها و پوزیشنرها را نیز به عنوان گره هایی(Node) از شبکه در نظر بگیریم و شبکه را به درون محیط کارخانه ( Field ) ببریم یک شبکه فیلدباس ایجاد کرده ایم. در سیستم فیلدباس یا همان FCS هر ترانسمیتر یک کامپیوتر است یعنی BIOS دارد، آدرس هگزادسیمال دارد، … و گاهی hang هم می کند که باید آنرا restart کنیم.
سیستم کنترل بی سیم
یکی از مسایل مهم، وقت گیر و پرهزینه در اجرای سیستم های کنترل کابل کشی آن است. کابل کشی (cabling) هم تغذیه ادوات کنترلی را فراهم می کند و هم مسیر انتقال اطلاعات را درسیستم.
معرفی انواع کنترل کننده ها
- انواع مکانیزم های کنترل صنعتی
- سیستم های مکانیکی
- سیستم های نیوماتیکی
- مدارات رله ای
- سیستم های الکترونیکی
- سیستم های کنترل کامپیوتری
- سیستم کنترل PLC
سیستم های مکانیکی
از قدیمی ترین سیستم های بکار رفته به منظور کنترل صنعتی، می توان به سیستم های مکانیکی اشاره نمود.
در این سیستم ها با استفاده از تجهیزات کاملا مکانیکی و بدون استفاده از تجهیزات هوشمند، سیستم کنترل پیاره سازی می شده است.
از جمله این سیستم ها می توان به سیستم کنترل موتورهای بخار اشاره نمود.
برخی از معایب سیستم های کنترل مکانیکی عبارتند از:
- غیر هوشمند بودن
- عدم امکان کنترل از راه دور
- استهلاک زیاد
- هزینه زیاد
- امکانات کنترلی کم
- حجیم بودن
سیستم های نیوماتیکی
این سیستم ها با تغذیه فشار هوای ابزار دقیق کار می کردند و مجهز به تجهیزات خاصی از قبیل شستی ها و پوش باتون های مخصوص و در برخی از موارد کنترل کننده های PID نیوماتیکی بودند. در این سیستم، فشار هوا از تجهیزاتی مشابه شستی ها و پوش باتون های مخصوصی عبور داده شده و به عملگرهای خاصی اعمال می شد.
عملگر نیز به نوبه خود عمل خاصی را انجام می داد. ساختار و طراحی این نوع سیستم ها، مشابه مدارات فرمان رله ای است، با این تفاوت که در مدارات رله ای جریان الکتریکی از شستی ها و پوش باتون ها عبور نموده و باعث ایجاد یک عمل خاص می شود اما در سیستم های نیوماتیکی فشار هوا از از تجهیزات عبور داده شده و باعث انجام عملیات خاص می گردد.
سیستم های نیوماتیکی نیز دارای معایبی بودند که برخی از آنها عبارتند از:
- به دلیل استفاده از فشار هوا، استفاده از این سیستم در هر جایی ممکن نبوده و باید از کمپرسور به منظور تولید فشار هوا استفاده نمود.
- باید در همه ی بخش های کارخانه لوله کشی مناسب برای انتقال هوا صورت پذیرد.
- از نظر اقتصادی هزینه ی سیستم زیاد است.
- سیستم به صورت غیرهوشمند می باشد.
- نیاز به تعمیرات و نگهداری دارد.
مدارات رله ای
در این مدارات از تجهیزات الکترومکانیکی از قبیل رله، کنتاکتور، تایمر و … به منظور پیاده سازی سیستم کنترل استفاده می شود. تا قبل از اختراع PLC استفاده از این مدارات در صنعت بسیار زیاد بود ولی با ورود PLC به صنعت، استفاده از این مدارات بسیار کاهش یافته است.
مدارات رله ای دارای اشکالات فراوانی می باشند که برخی از آنها عبارتند از:
- حجیم هستند.
- غیر هوشمند هستند.
- نیاز به انجام سیم کشی فراوان بین تجهیزات دارند.
- طراحی و پیاده سازی آنها مشکل است.
- ایجاد تغییرات در آنها مشکل است.
- قابلیت توسعه در آنها کم است.
- نیاز به سرویس مداوم دارند.
- دارای استهلاک می باشند.
- سیستم های الکترونیکی
- بعد از اختراع ترانزیستور در سال ۱۹۴۷ میلادی، صنعت الکترونیک با سرعت زیادی رشد نمود.
- در این زمان سیستم های کنترل الکترونیکی عرضه شدند.
- مدارات آنالوگ با استفاده از عناصر الکترونیکی ساخته شده و به جای سیستم های کنترل مکانیکی و نیوماتیکی بکارگرفته شدند.
- این سیستم ها سرعت و دقت بیشتری نسبت به سیستم های نیوماتیکی داشتند و از نظر اقتصادی نیز ارزان تر بودند.
سیستم های کنترل کامپیوتری
اولین سیستم های کنترل کامپیوتری در ۱۹۶۲ با نام DDC مخفف Direct Digital Control عرضه شد که برای مانیتور کردن و کنترل فرآیند از آنها استفاده گردید.
در این سیستم، کنترل فرآیند برعهده کامپیوتر مرکزی قرار داشت و این کامپیوتر اطلاعات را از سنسورها و ترانسمیترها دریافت نموده و پس از پردازش، فرمان های لازم را به تجهیزات عملگر (مانند ولو، کنترل ولو و …) ارسال می نمود.
سیستم DDC نیز پس از مدتی منسوخ، و سیستم DCS جایگزین آن شد.
البته امروزه سیستم های نوین کنترلی بر مبنای کامپیوتر تحت عنوان سیستم های PC Base ارائه شده اند که در آنها وظیفه کنترل برعهده CPU کامپیوتر قرار داشته و توسط نرم افزارهای خاصی طراحی می شوند. در حال حاضر از این سیستم ها در برخی موارد برای کنترل فرآیند استفاده می شود.
سیستم های کنترل PLC
PLC مخفف Programmable Logic Controller به معنی کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی می باشد.
هدف اولیه طراحی PLC ، جایگزینی پردازشگر میکروپروسسور به جای سیستم های رله کنتاکتوری بود.
در واقع PLC یک سیستم کنترل هوشمند است که در آن معایب سیستم های رله ای برطرف شده است.
PLC دارای پردازشگری به نام CPU است که می تواند برنامه های پیچیده را نیز اجرا نموده و توسط نرم افزارهای خاص می توان به راحتی آن را برنامه ریزی نمود.
برخی از مزایا PLC نسبت به مدارات رله ای عبارتند از:
- هوشمند بودن
- کاهش حجم سیستم کنترل
- امکان برنامه نویسی در محیط نرم افزاری (به جای سیم کشی)
- سهولت طراحی و پیاده سازی
- امکان توسعه
- عدم نیاز به سرویس و نگهداری
- امکان ارتباط با سیستم های مانیتورینگ
- امکان ارتباط با PLCهای دیگر از طریق شبکه های صنعتی
- مراحل طراحی و پیاده سازی حلقه های کنترل صنعتی
- مراحل طراحی و پیاده سازی حلقه های کنترل صنعتی
- به طور کلی مراحل طراحی و پیاده سازی حلقه های کنترل صنعتی برای کنترل رفتار معینی از پروسه های مختلف عبارتند از:
- شناخت صحیح و دقیق پروسه
- ارائه طرح اولیه از نحوۀ کنترل، شامل انتخاب کنترل کننده مناسب، طراحی کنترل کننده، انجام محاسبات تئوری
- تعیین و سفارش خرید اجزاء و قطعات مورد نیاز برای پیاده سازی اولیه طرح براساس مشخصات مورد نیاز و با رعایت مسائل اقتصادی
- تصحیح طرح در صورت موجود نبودن برخی از قطعات و جایگزینی آنها با قطعات موجود
- نصب، راه اندازی و آزمایش اجزاء و قطعات
- راه اندازی سرد حلقه کنترل و انجام تنظیمات اولیه
- تصحیح طرح در صورت ناقص بودن و یا بروز اشکال
- راه اندازی گرم حلقه کنترل با رعایت موارد ایمنی و انجام تنظیمات نهایی
- تصحیح طرح در صورت بروز اشکال
- مستندسازی و ثبت مشخصات نهایی طرح و اجزاء
سخن پایانی
سیستم های کنترل، برای جایگزینی ماشین آلات پیشرفته با نیروی انسانی طراحی گردیدند. برای انواع سیستم های کنترل صنعتی می توان دو مود کنش کنترلی پیوسته و گسسته را نام برد. همچنین انواع مگانیزم های کنترل صنعتی شامل کنترل دستی، بادی، کنترل الکترونیکی آنالوگ، کنترل کننده های منطقی پذیر و… می باشد.
سوالات متداول
انواع مکانیزم های اتوماسیون چیست؟
انواع مکانیزم های اتوماسیون صنعتی شامل کنترل دستی، کنترل بادی، کنترل الکترونیکی آنالوگ و کنترل کننده های منطقی پذیر می باشد.
مزیت PLC نسبت به سیستم های رله ای چیست؟
از مزایای PLC میتوان به هوشمند بودن، کاهش حجم سیستم کنترل، امکان برنامه نویسی در محیط نرم افزاری (به جای سیم کشی)، سهولت طراحی و پیاده سازی، امکان توسعه، عدم نیاز به سرویس و نگهداری، امکان ارتباط با سیستم های مانیتورینگ و امکان ارتباط با PLCهای دیگر از طریق شبکه های صنعتی اشاره کرد