دانلود تحقیق مقدمه ای بر سیستم های کنترل کننده صنعتی

1کنترل و اتوماسیون

در هر صنعتی اتوماسیون سبب بهبود تولید می گردد که این بهبود هم در کمیت ومیزان تولید موثر است و هم در کیفیت محصولات.هدف از اتوماسیون این است که بخشی از وظایف انسان در صنعت به تجهیزات خودکار واگذار گردد.بسیاری از کارخانه ها کارگران خود را برای کنترل تجهیزات می گمارند و کارهای اصلی را به عهده ماشین می گذارند.

کارگران برای اینکه کنترل ماشینها را به نحو مناسب انجام دهند لازم است که شناخت کافی از فرایند کارخانه و ورودیهای لازم برای عملکرد صحیح ماشینها داشته باشند.یک سیستم کنترل باید قادر باشد فرایند را با دخالت اندک یا حتی بدون دخالت اپراتورها کنترل نماید.در یک سیستم اتوماتیک عملیات شروع،تنظیم و توقف فرایندبا توجه به متغیر های موجود توسط کنترل کننده سیستم انجام می گیرد.

2-1مشخصات سیستمهای کنترل

هر سیستم کنترل دارای سه بخش است:ورودی ،پردازش و خروجی .

بخش ورودی وضعیت فرایندو ورودیهای کنترلی اپراتور را تعیین کرده ومی خواند بخش پردازش با توجه به ورودیها، پاسخهاو خروجیهای لازم را می سازدو بخش خروجی فرمانهای تولید شده را به فرایند اعمال می کند.در کارخانه غیر اتوماتیک بخش پردازش رااپراتورها انجام می دهند.

 اپراتور با مشاهده وضعیت فرایند، به طور دستی فرامین لازم را به فرایند اعمال می کند.

§ ورودیها

در قسمت ورودیها،مبدلهای موجود در سیستم، کمیتهای فیزیکی را به سیگنالهای الکتریکی تبدیل می کند.در صنعت مبدلهای زیادی نظیر دما ،فشار،مکان،سرعت،

شتاب و غیره وجود دارند.خروجی یک مبدل ممکن است گسسته یا پیوسته باشد.

§ خروجیها

در یک کارخانه عملگرهایی وجود دارند که فرامین داده شده به آنها را به فرایند منتقل می کنند.پمپها، موتورهاو رله ها از جمله این عملگرها هستند.این وسایل فرامینی را که از بخش پردازش آمده است(این فرامین معمولا الکتریکی هستند)به کمیتهای فیزیکی دیگر تبدیل می کنند.مثلایک موتور،سیگنال الکتریکی را به حرکت دوار تبدیل می کند.ادوات خروجی نیز می توانندعملکرد گسسته ویا پیوسته داشته باشند.

§ پردازش

در یک فرایند غیر اتوماتیک اپراتورها با استفاده از دانش و تجربه خودوبا توجه به سیگنالهای ورودی،فرامین لازم را به فرایند اعمال می کنند.اما در یک سیستم اتوماتیک،قسمت پردازش کنترل که طراحان در آن قرار داده اند، فرامین کنترل را تولید می کنند.طرح کنترل به دو صورت ممکن است ایجاد شود.یکی کنترل سخت افزاری و دوم کنترل برنامه پذیر.

در یک سیستم با کنترل سخت افزاری،بعد ازنصب سیستم، طرح کنترل ثابت و غیر قابل تغییر است.

اما در سیستمهای کنترل برنامه پذیر.طرح کنترلی در یک حافظه قرار داده می شود و هر گاه لازم باشد،بدون تغییر سخت افزار و فقط برنامه درون حافظه، طرح کنترل را می توان تغییر داد.

3-1 انواع فرایندهای صنعتی

در صنایع امروز طیف متنوعی از فرایندهای تولید وجود دارند.از نظر نوع عملیاتی که در فرایند انجام می شود،فرایند ها را می توان به سه گروه تقسیم کرد:

• تولید پیوسته

• تولید انبوه

• تولید اجزای جدا

سیستم کنترلی که برای یک فرایند بکار گرفته می شودباید با توجه به نوع آن باشد.

§ فرایند تولید پیوسته

در یک تولید پیوسته مواد در یک ردیف و بطور پیوسته وارد فرایند شده و در سمت دیگر،محصول تولیدی خارج می گردد.

فرایند تولید، ممکن است در یک مدت طولانی به طور پیوسته در حال انجام باشد.تولید ورق فولاد نمونه ای از فرایند است.

در خط تولید ورقه فولاد.بلوکهای گداخته فولاد ازبین چندین غلتک عبور می کند و تحت فشار قرار می گیرد.

در خط تولید ورقه فولاد.بلوکهای گداخته فولاد ازبین چندین غلتک عبور می کند و تحت فشار قرار می گیرد.

در اثر فشار ضخامت قطعه فولاد رفته رفته کم شده و در انتهای خط تولید ورقه فولاد تولید می گردد.

بسته به طول فولاد چندین دقیقه طول می کشد تا تولید یک ورقه،کامل گردد.

فرایند تولید انبوه در چنین فرایندی میزان مشخصی از مواد اولیه وارد خط شده و پس ازطی مراحل تولید مقدار مشخصی محصول به وجود می آید.

فرایند تولید اقلام مجزا در این نوع فرایند،هر محصول در طول خط تولید از قسمتهای مختلفی می گذردو در هر بخش، عملیات مختلفی روی آن انجام می گیرد.

در هر قسمت ممکن است اجزایی به محصول اضافه شود تا در انتهای خط تولید، محصول کامل ساخته شود.

4-1 استراتژی کنترل کنترل حلقه باز ایده اصلی در این کنترل این است که سیستم تا حد ممکن دقیق طراحی شود.

به طوری که خروجیهای دلخواه را تولید کند و هیچ اطلاعاتی را از خروجی فرایند بهکنترل کننده برگردانده نشود تا کنترل کننده تشخیص دهد آیا خروجی در حد مطلوب است یا خیر.بدین خاطر ممکن است خطای خروجی در بعضی مواقع خیلی زیاد باشد.

در یک سیستم با کنترل حلقه باز تا وقتی که اختلال و جود نداشته باشد فرایند به خوبی عمل می کند، اما اگر اختلال نا خواسته ای باعث شود،خروجیها از حد مطلوب خارج شونددر این صورت ممکن است سیستم کلی از کنترل خارج شود.

کنترل پیشرو درموقعی که اختلالات خارجی که بر عملکرد سیستم تاثیر می گذارد شناخته شده باشند می توان با مشاهده و اندازه گیری میزان اختلال تا حد امکان اثر اختلال را جبران نمود.

این نوع کنترل را کنترل پیشرو می گویند.

این نحوه کنترل هنگامی که میزان اختلال کم باشد و بتوان به طور دقیق آن را اندازه گرفت مناسب است.

اما اگر اختلال خیلی زیاد باشد شیوه مناسبی نیست.

همچنین در مواقعی که اندازه گیری خروجی به طور مستقیم امکان پذیر نباشد،این نوع کنترل مناسب نیست.

کنترل حلقه بسته (Field back) : در این کنترل برای جبران اثر اختلال ، خروجی سیستم اندازه گیری می شودو در صورتی که خروجی از مقدار مطلوب فاصله داشته باشد،تدابیر کنترلی مناسب برای جبران آن اعمال می شود.به این صورت که خروجی سیستم اندازه گیری شده و تفاوت آن با مقدار مطلوب محاسبه می گردد.

تفاوت بین این دو کمیت به کنترل کننده داده شده و کنترل کننده با توجه به میزان این خطا فرایندرا کنترل می نماید.

سیگنال خطا=نقطه تنظیم - میزان اندازه گیری شده E=SP-MV باید توجه کرد که صفر نمودن خطا در عمل امکان پذیر نیست ودر هر سیستم کنترلی همیشه تفاوت ناچیزی بین خروجی مطلوب و خروجی واقعی وجود خواهد داشت، اما تا وقتی که این خطا تا حد قابل قبول باشد از آن چشم پوشی می گردد.

5-1 انواع کنترلر ها کنترلر مغز متفکر یک پردازش صنعتی است و تمامی فرامینی راکه یک متخصص در نظر دارد اعمال کند تا پروسه، جریان استاندارد خود را در پیش گیرد و نهایتا پاسخ مطلوب حاصل شود از طریق کنترلر به سیستم فهمانده می شود.

در واقع هرگاه پروسه های صنعتی به تنهایی و بدون استفاده از کنترل کننده در حلقه کنترل قرار گیرند معمولا پاسخهای مطلوبی را به لحاظ ویژگیهای گذرا یا ماندگار نخواهند داشت.بنابراین انتخاب و برنامه ریزی یک کنترلر مناسب از مهمترین مراحل یک پروسه صنعتی است.انتخاب کنترلر با توجه به درجه اهمیت پاسخ گذرا یا ماندگار و یا هردو و همچنین ملاحظات اقتصادی ویژه صورت می پذیرد.

یک کنترلر چگونه عمل می کند؟

در ابتدا سیگنال خروجی از سنسور وارد کنترلر می شود و با مقدار مبنا مقایسه می گردد و نتیجه مقایسه که همان سیگنال خطا می باشد، معمولا در داخل کنترلر هم تقویت شده و هم بسته به نوع کنترلر و پارامترهای مورد نظر، عملیاتی خاص روی ان انجام می گیرد سپس حاصل این عملیات به عنوان سیگنال خروجی کنترل کننده به بلوک بعدی وارد می شود.

مقایسه سیگنالها و تقویت اولیه در همه کنترلر ها صرف نظر از نوع انها انجام می گیرد ،در واقع این عملیات بعدی است که نوع کنترلر را مشخص می کند.

کنترلر ها از نظر نوع عملکرد به انواع زیر تقسیم بندی می شوند: 1-5- 1کنترلر های ناپیوسته (گسسته) • کنترلر های دو وضعیتی:این نوع کنترلر ها ساختمانی ساده و کم حجم دارند و به نسبت ارزنتر از دیگر کنترلرهای پیچیده هستند به همین خاطر کاربردهای فروانی در صنعت ودر مکانهایی که کنترل ترکیبی ،پیوسته و پیچیده مورد نظر نیست دارند.

• کنترلر های سه وضعیتی • کنترلرهای چند وضعیتی شکل1-5 :انواع کنترلر ها 2-5-1 کنترلر های پیوسته: کنترلر تناسبی: (Proportional) دراین نوع کنترلربین خروجی و ورودی یک نسبت مستقیم وجود دارد با یک ضریب مشخص که آنراگین یا بهره کنترل کننده می نامند.

سیگنال خطا *Kp = خروجی البته کنترلر تناسبی به تنهایی کافی نیست .

زیرا وقتی خروجی سیستم بسمت مقدار مطلوب پیش می رود، خطا کاهش یافته و در نتیجه خروجی کنترلی نیز کم می گردد.

بنابراین همواره یک خطای ماندگار بین مقدار مطلوب و خروجی واقعی وجود دارد.

این خطا را می توان با افزایش بهره کنترل کننده کاهش داد اما باعث ناپایداری سیستم و نوسان خروجی می شود.

برای حل این مشکلات معمولا کنترلرتناسبی را همراه کنترلرهای مشتق و انتگرال بکار می برند.

کنترلر انتگرالی(Integral): همانطور که از نامش پیداست بین ورودی و خروجی یک رابطه انتگرالی برقراراست این کنترلر برای جبران خطای ماندگار به کار می رود،زیرا تا وقتی که خطایی در خروجی وجود داشته باشد،جمله انتگرال تغییر پیدا می کند و در نتیجه خطای خروجی رفته رفته کاهش می یابد.

کنترلر تناسبی – انتگرالی (PI) : کنترلر PIترکیبی از کنترلر انتگرالی و تناسبی است که به صورت موازی بهم وصل شده اند.(شکل2-5) این کنترلر اگر بطور صحیح طراحی شود مزایای هردونوع کنترل انتگرالی و تناسبی را خواهد داشت .پایداری ، سرعت و نداشتن خطای حالت ماندگار از ویژگیهای این کنترلر است.

شکل 2-5 : کنترلر PI کنترلر تناسبی – مشتق گیر(PD): کنترلر PDاز ترکیب موازی دونوع کنترلر مشتق گیر و انتگرالی ایجاد می شود.

کنترلرمشتق گیردارای این مشخصه است که خود را سریعا با تغییرات ورودی هماهنگ می کنند لذا در مواردی که پاسخ سریع خروجی مد نظر است می توان از این نوع کنترلر ها استفاده کردامااز انجایی که عمل مشتق گیری باعث تقویت نویزهای موجود در محیط پروسهمی شوندو به علاوه مشتق گیرها تنها نسبت به تغییرات ورودی حساسیت نشان می دهندبنابراین مشتق گیرها به تنهایی مورد استفاده قرار نمی گیرند بلکه هرگاه نیاز به خاصیت مشتق گیری در یک پروسه باشد ،کنترلرآان را به صورت مشتق گیر-تناسبی یا مشتق گیر-انتگرالی یا مشتق گیر-تناسبی – انتگرالی می سازند.

کنترلرPID: این نوع کنترلر از ترکیب موازی سه کنترلر تناسبی ،انتگرالی و مشتق گیر ایجاد می شود و متداولترین نوع کنترلر در صنایع می باشد.

شکل3-5 : کنترلرPID انواع دیگری از کنترلرها که از نظر منبع تغذیه مورد استفاده ،ساختمان داخلی و انواع کاربردها با کنترلر های ذکرشده در بالا اندکی متفاوت هستند.

• کنترلر های نیوماتیکی(Pneumatic):این نوع کنترلر از باد و هوای فشرده بعنوان منبع تغذیه استفاده می کند.بدلیل ساختمان ساده،راحتی تعمیر و نگهداری ، ایمنی در برابر انفجار و اتش سوزی و ارزانی انها کاربردهای فراوانی در صنعت داشته اند و امروزه بدلیل جایگزین شدن سیستمهای پیچیده الکترونیکی و نرم افزارهای کنترلی قابل تغییر و پیاده سازی بر روی سیستمهای الکترونیکی ،کمتراز کنترلر هاینیو ماتیکی استفاده می شود.

• کنترلر های هیدرولیکی(Hydraulic):این نوع کنترل کننده ها از نیروی روغن هیدرولیک تحت فشار به عنوان منبع تغذیه استفاده می کنند، مزایای زیادی که اینگونه سیستمها دارند، باعث شده تا جای خوبی برای خودشان در صنعت باز کنندو در جاهایی که حرکات تحت فشار و وزن بالا انجام می پذیرد سیستمهای هیدرولیک بهترین و دقیق ترین عملکرد را از خود نشان می دهند کنترلر های هیدرولیک علاوه برقابلیت انجام حرکت سنگین بطور پیوسته دارای دقت و سرعت عمل بسیار خوبی نیز می باشند.امروزه باوجود جایگزینی مدلهای الکترونیکی پیچیده تر و کارامدتر هنوز هم نمی توان کارایی های بالا و منحصر بفرد سیستمهای هیدرولیکی را نادیده گرفت.

• کنترلرهای الکترونیکی (Electronic):کنترلرهای الکترونیکی ، کنترلرهایی هستند که از نیروی الکتریسیته جهت کنترل، هدایت و فرمان دادن استفاده می کنند .

6-1 سیر تکاملی کنترل کننده ها در سال 1940 برای نماسازی دستگاههای کنترلی از سیگنال فشار 3psi تا 15psi استفاده می شده است .

در سال 1960سیگنالهای استاندارد انالوگ 4mA-20mA برای کنترل ابزار دقیق مورد استفاده قرار گرفته است در همان زمان برخی از استانداردهای دیگر نیز بوجود آمد.توسعه پردازنده دیجیتال در دهه 70میلادی ، استفاده از کامپیوترهای رابرای نماسازی و کنترل یک سیستم ابزار دقیق از یک نقطه مرکزی توسعه داد.

در دهه 90 برای بهینه سازی اجرای سیستم های کنترل و فشردگی بیشتر سیستها فیلدباس ایجاد گردید که به تدریج استاندارد شد.انچه تصویرزیربیان می کند این است که سیر پیشرفت علم کنترل از اتوماسیون مکانیکی اغاز گردیده و سپس با اتوماسیون پنوماتیک ادامه یافته و پس ازآن بسمت الکتریکی شدن پیش رفته است .پس از ایجاد کنترل کننده های قابل برنامه ریزی ، انفور ماتیک و الکترونیک رشد کرده و به شیوه الکترونیکی در حجم گسترده تری بوجود آمده است.