بخش اول مقدمه

مغز متفکر یک پردازش صنعتی کنترلر است .کنترلر در لغت به معنی اداره کردن جهت انجام عملیات است . در علوم فنی کنترلر را سیسنمی می دانند که در آن می توان از لحاظ کیفی و کمی در انرژی و نیروی انسانی صرفه جویی کرد . کنترلر ها در بحث اتوماسیون و ابزار دقیق از مهم ترین تجهیزات محسوب می شوند .

معیارهای انتخاب کنترلر بستگی به شرایط زیر دارند :

• سرعت و حافظه P.U کنترلر
• مکانیزم کنترلر
• تعداد ورودی و خروجی ها
• پشتیبانی از نوع پروتکل صنعتی
• آنالوگ یا دیجیتال بودن ورودی و خروجی ها
• و …

بخش دوم : انواع کنترلر

۱) کنترل دستی (Manual) :

کنترل های دستی از ساده ترین و قدیمی ترین نوع کنترلر هستند . در این نوع کنترلرها همه چیز توسط انسان تنظیم و اجرا می شود . ابتدا چشم می بیند و سپس مغز پردازش می کند و در نهایت دست با عضو دیگر عمل تعیین شده را انجام می دهد مانند تنظیم شعله گاز ، چشم شعله را می بیند و با فرمان مغز به دست ، دست میزان شعله را تنظیم می کند . این نوع کنترلر به میزان وقت و نیروی کار بستگی دارد .

۲) کنترلر نیوماتیک (Pneumatic) یا بادی :

امروزه انرژی بادی منبع بسیار خوبی برای تامین انرژی تبدیل شده است . استفاده از کنترل های بادی مزیت های زیادی داشته از جمله فرار از دست نیروی کارگری و بالا بردن دقت در اندازه گیری و به جای آن قدرت هوای فشرده شده توانست انرژی مورد نیاز جهان آینده را تامین کند . هدایت کننده هوای فشرده یا به عبارتی دیگر خط انتقال هوا در این نوع کنترلرها تیوبهای استیل هستند که مانند سیم های مسی ، جریان الکتریکی را عبور می دهند .

ماکزیمم فشار هوا در این نوع سیستم ها ۱۵psi است .

در محیط های خطرناک برای ایمنی بیشتر ، بجای هوا از نیتروژن استفاده می شود در نتیجه به علت استفاده از گاز در انتقال سیگنال ، سیستم هیدرولیکی خواهد بود .

این نوع سیستم ها در موارد خاص استفاده می شود زیرا به هوای فشرده زیاد و در نتیجه کمپرسورهای هوا ، فیلترهای روغن و گردوغبار ، خشک کردن، لوله کشی و اتصالات جانبی نیاز داریم .

۳) سیستم الکترونیکی آنالوگ :

در سیستم های الکترونیکی آنالوگ ، ترانسیتر مانند منبع جریان عمل می کند . با ورود LCها به بازار PID به راحتی قابل انجام است . تنظیم دقیق فرآیندهای صنعتی بوسیله کنترلرهای PLC انجام می شود .

کنترلرPLC بوسیله سه پارامتری فرآیند را کنترل می کنند . این سه پارامترها عبارتند از :

1. کنترل متناسب (pro portional control) یا نوع P
2. کنترل انتگرالی (Integral control) یا نوع I
3. کنترل اشتقاقی (Derivatire control) یا نوع D

کنترل متناسب : این نوع کنترل پیوسته است و جزء ساده ترین نوع کنترل پیوسته محسوب می شود .

کنترل P در این کنترلر به دقت زیاد احتیاجی نیست در مقایسه با سایر کنترلرها زمان پاسخ گویی سریعتری دارد این نوع کنترلر، دو نوع دیگر کنترلر را تشکیل می دهد که با ترکیب شیوه های I و D ، شیوه های PD ، PI و PID بوجود می آیند .

کنترل انتگرالی : در این نوع کنترلر اگر چه زمان پاسخ دهی آهسته می شود ولی زمانی که عدم وجود انحراف در سیستم مهم باشد باید از آن استفاده کرد . این نوع کنترلر باعث پایدار شدن سیستم می شود و در آن نیازی به دقت زیاد است . از جمله معایب این نوع کنترلر ایجاد بی ثباتی در کنترل کننده است .

کنترلر اشتقاقی : این نوع کنترلر تغییرات خطا را آنالیز می کنند و بر طبق آن شرایط فرآیند را پیش بینی می کند . خروجی این نوع کنترلر باعث پایداری سیستم نمی شود بنابراین این نوع کنترلر دارای خاصیتی است که می توان برای رسیدن به نتایج مطلوب با کنترلرهای P و PI جفت شود تا سیستم به حالت مطلوب پایدار برسد . در حالت کلی از معایب سیستم های آنالوگ می توان عدم امکان ثبت رویدادها را نام برد که با بکارگیری از ثبت کننده ها این مشکل رفع می شود ولی بدلیل کاغذی بودن نگهداری و بایگانی آنها مشکل ساز می شود.

۴) کنترل کننده های منطقی برنامه ریز (Programmable Logic Controllers):

میکروپروسسورها باعث تحول بزرگی در جهان شدند . PLCها با استقامت طراحی شده اند تا در مقابل دو و رطوبت مقاوم باشند . این نوع کنترلرها به کامپیوتر شبیه هستند و برای ورودی ها و خروجی ها دارای مدارهای واسطی هستند . رله ها به دلیل حجم زیاد و سیم کشی فراوان دارای عیب است و عمر کوتاهی دارند و PLCها از همان اوایل برای رفع مشکلات ناشی از کنترل با رله ها پیشنهاد شدند اما با بوجود آمدن مبدلهای آنالوگ به دیجیتال و دیجیتال به آنالوگ کنترل پارامترهای آنالوگ نیز ممکن شد . PLCها را با توجه به نوع CPU می توان تمام کارهای کنترلی را انجام دهند از روند تولید یک اتومبیل گرفته تا کنترل دما یک مخزن .

۵) سیستم کنترل غیر متمرکز (توزیع شده) یا DCS (Distributed control system):

زمانی که یک فرآیند ساده باشد PLCها به خوبی از عهده آن بر می آیند اما وقتی فرآیند بزرگ تر شود و به تبعیت از آن پیچیدگی آن باعث می شود که CPU دقت و سرعت کافی را نداشته باشد . بنابراین با به کارگیری هر پردازنده در یک بخش از کارخانه دقت ، سرعت و امنیت سیستم را می توان بالا برد و با به کار گرفتن همزمان چند PLC و مدیریت کارکرد آنها ، سیستم کنترل DCS بوجود می آید . DCSها از اتصال چند PLC بوجود می آیند که CPUهای آن ها شبکه هستند و کامپیوتر مدیر شبکه است و عملکرد کنترلرها را مدیریت می کند .

۶) سیستم کنترل فیلد باس (Fieldbus control system):

در این نوع سیستم تمام پوزیشنرها و ترانسیترها به عنوان گره هایی از شبکه در نظر گرفته شده اند و شبکه درون محیط کارخانه وجود دارد و این عامل باعث ایجاد شبکه فیلد باس گردیده است . اولین پروژه فیلد باس در سال ۱۹۸۸ به عنوان یک بویلر (دیگ بخار) ایجاد شد و اکنون در شرکت ملی صنایع پتروشیمی ایران از آن استفاده می شود که جزء اولین استفاده های ایران از فیلدباس در این زمینه محسوب می شود. در سیستم فیلدباس یا FCS هر ترانسمیتریک کامپیوتر است که BLOS دارد و در صورت HANG ، آن را RESTART می کنیم . در فیلدباس ها کنترل کننده های آنالوگ و دیجیتال جدا هستند و پیوند آنها در نرم افزاری است که نشانه قدرتمند بودن دو PLC است که وظیفه کنترل پارامترهای آنالوگ دیجیتال را بر عهده دارند . هدف از فیلدباس کاهش سخت افزار مورد استفاده برای سیستم کنترل و همچنین کاهش کابل کشی است . مزایای زیاد فیلدباس باعث شده به یکی از پیشرفته ترین سیستم های کنترلی تبدیل شوند .

۷) سیستم کنترل بی سیم (Wire less system) :

به دلیل مشکل ساز بودن کابل کشی برای مسافتهای طولانی و همچنین پر هزینه بودن و وقت گیر بودن این پروسه در چند سال اخیر شرکتهایی از جمله شرکت  Luji ایده ی بی سیم کردن ترانسمیترها و تجهیزات کنترلی درون کارخانه را ارائه دادند . تنها مشکل این ایده تغذیه کردن دستگاه های مورد استفاده بود که این مشکل با بکارگیری از باطری های قابل شارژ روی ترانسمیترها حل شد و باعث شارژ ماهیانه و سالانه این دستگاه ها شد . ایده دوم فرستادن سیگنال تغذیه از طریق امواج رادیویی به ترانسمیترها است .

بخش سوم : طراحی و ساخت کنترلر

اهداف طراحی کنترلر

بطور کلی کنترلر را به منظور رسیدن به سه هدف طراحی می کنند که عبارتند از :

1. زمانیکه سیستم خیلی تند باشد و هدف کنترل کردن و تعدیل سرعت باشد . برای مثال گاهی سیستم بسیار حساس است و با کوچکترین تغییر عکس العمل شدیدی به شیر کنترل وارد می کند که باعث استهلاک آن می شود . به همین دلیل طراحی و ساخت کنترلر باید به گونه ای باشد که از عکس العمل های شدید شیر کنترل جلوگیری گردد . این حالت زمانی بوجود می آید که یک دینامیک در سیستم وارد کنیم .

2. گاهی در طراحی و ساخت کنترلر با جداسازی فرآیند و حذف دینامیک سیستم ، سرعت را بالا می بریم تا سریعتر به جواب برسیم . این نوع طراحی در مورد سیستم های بسیار کند جوابگو است که باید مدار کنترلی بخشی از دینامیک فرآیند را خنثی کند .
3. یکی از اساسی ترین و مهمترین مبحث در طراحی و ساخت کنترلر ، پایداری ، آن است . یک سیستم باید با دقت مطالعه شود تا از پایداری آن مطمئن شویم . زمانی که سیستم ناپایدار است باید آن را پایدار کنیم و الگوریتم های موجود آن را پیاده سازی کنیم . حتی اگر سیستم پایدار باشد باید مراقب باشیم پس از بستن مدار و طراحی کنترلر سیستم ناپایدار نشود .

– روش های مهم در طراحی و ساخت کنترلر

1. سیستم مدار بسته (Closed loop system) :

در این روش با استفاده از اطلاعات فرآیند و مقایسه آن با مقدار مطلوب سیستم طراحی می شود که از مهمترین روش های طراحی و ساخت محسوب می شود زیرا در این روش سیستم های کنترلی ، کنترل می شوند . این سیستم به خوبی باعث عدم قوامیت می شود ولی حساسیت آن کاهش می یابد .

2. کنترل پیشخور (Feed forward):

در این روش طراحی با اغتشاشات قابل اندازه گیری و اثرات آن مقابله می شود . کنترلر باید اثر بار ورودی را خنثی کند و این عمل با رساندن اطلاعات مربوط به اغتشاش ورودی و رهبان ابتدا انجام می گیرد .

3. کنترلر (Feed forward / Feed back):

در طراحی سیستم ها فرآیندی با خطا مواجه هستیم و سیستم مدار بسته این اثرات را به خوبی خنثی می کند بنابراین باید پس از طراحی و ساخت کنترلرها سیستم را مدار بسته کرد . در این فرآیند با خنثی کردن اثر بار ورودی بوسیله پیشخور و کنترل کردن فرآیند با مدار پس خور تعیین می شود که سیستم به جواب مورد نظر ما رسیده است یا خیر . ما برای عملکرد مطلوب سیستم کنترلی باید هم از مدار پیش خور و هم از مدار پسخور استفاده کنیم زیرا مدار پیشخور عملکرد سیستم را در حد مطلوب بهبود می بخشد و با اثر است. Load مقابله می کند و مدار پیشخور سیستم را در برابر اثرات خطای مدلسازی مقاوم می کند .

4. کنترل زنجیره ای (Cascode) :

در این روش با اثرات نویز در اغتشاشات وارد شده به سیستم مقابله می شود به این مشکل زیاد بر می خوریم . و برای کنترل کردن سیستم باید یک وسیله اندازه گیری در قسمتی که اغتشاش وارد می شود قرار دهیم و توسط یک شیر کنترل سیستم را کنترل کنیم . در این قسمت سیستم ها برای جلوگیری از ناپایدار شدن فرآیند باید دما یا فشار کنترل شوند . از مهمترین کاربردهای این نوع کنترلر در کنترل جریانهای واحد utility می باشد و اغتشاشات حاصل از جریانها مقدار ثابتی ندارد .

نحوه تنظیم و ساخت کنترلر :

در ساخت کنترلر دو عامل بررسی می شود :

1. پایداری : پایداری در کنترلرها مهم ترین اصل است و باید مقدار ورودی به سیستم در زمان معین برابر با مقدار خروجی از همان سیستم باشد . در راکتورها اگر این عامل رعایت نشود باعث انفجار می شود . بنابراین در ساخت و تنظیم کنترلر باید توجه بویژه به پایداری آن داشت .
2. عملکرد کنترلر : عملکرد کنترلر باید به گونه ای باشد به جواب مطلوب برسیم . در این مبحث باید سرعت رسیدن به جواب نهایی مطلوب باشد و میزان انجراف یا آفت حداقل باشد .

با بوجود آوردن اورشوت در برخی سیستمها سرعت عکس العمل بالا می رود و در نتیجه با سرعت بالاتری به جواب نهایی میرسیم البته این موضوع باعث استهلاک کنترلر و خرابی محصولات می شود . موضوع آخر در بحث عملکرد کنترلر انتگرال خطا می باشد که هر چه سطح زیریفودار کوچکتر باشد ، عملکرد کنترل بهتر است

بخش چهارم   بحث و نتیجه گیری :

کنترلرها و هر صنعتی باعث بهبود در کمیت و میزان تولید محصولات می شوند . امروزه استفاده از کنترلرها باعث تحول در جهان آینده شده و بدون استفاده از آنها پروسه های صنعتی پاسخ مطلوبی از لحاظ ویژگی گذراو یا ماندگار نخواند داد . روش های نام برده شده شده در طراحی و ساخت کنترلر هر کدام معایب و مزایا خود را دارند و تنها تعیین کننده اصلی انتخاب بهترین روش ، شرایط است شرایط مختلف تعیین می کند که کدام روش ساخت برای کنترلر مناسب تر است .

منابع

۱ . سیستم های کنترل صنعتی – رسول باقری

۲ . کتاب تکنولوژی فیلدباس مهندس ماهر

۳ . http://inso.mihanblog.com

۴ . http://www.ewa.ir

۵ . Sharp,D.Jenkins , N.bossanyi , E.Burton , T.(2008) : Wind Energy Handbook.West Sussex , England : John Wiley & sons