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. در یک سیستم اتوماتیک عملیات شروع،تنظیم و توقف فرایندبا توجه به متغیر های موجود توسط کنترل کننده سیستم انجام می گیرد. هر سیستم کنترل دارای سه بخش است: ورودی ، پردازش و خروجی .
انواع استراتژی های کنترل:
کنترل حلقه باز
کنترل پیشرو
کنترل حلقه بسته
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.
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.
PLCاز عبارت Programmable Logic Controller به معنای کنترل کننده قابل برنامه ریزی گرفته شده است.PLC کنترل کننده ای است نرم افزاری که در قسمت ورودی، اطلاعات را بصورت باینری دریافت و آنها را طبق برنامه ای که در حافظه اش ذخیره شده پردازش می نماید و نتیجه عملیات را نیز از قسمت خروجی به صورت فرمانهایی به گیرنده ها و اجرا کننده های فرمان ، ارسال می کند.
بطور کلی می توان زبانها برنامه نویس PLCرا به پنج دسته تقسیم کرد:
• زبان SFC یا Sequential Function Chart Language
• زبان FBD یا Function Block Diagram Language
• زبان LD یا Ladder Diagram Language
• زبان ST یا Structured Text Language
• زبان IL یا Instruction List Language
به طور کلی چهار سیستم کنترلی وجود دارد:
1.سیستمهای رله ای از قدیمی ترین سیستم کنترلی هستند. در این سیستمها کلیه عملیات کنترلی با استفاده از رله ها انجام می پذیرد.
2.سیستمهای کنترلی مبنی بر مدارهای منطقی. در این سیستم ها از دروازه های منطقی و تراشه های کوچک برای پیاده سازی عملیات منطقی استفاده می شود.
3.کنترل با کامپیو تر شخصی
4.کنترل مبنی بر PLC.
سیستم SCADAعلاوه بر کاربرد در فرایندهای صنعتی مانند تولید و توزیع برق ( به شیوه های مرسوم یا هسته ای) ،ساخت فولاد، صنایع شیمیایی،صنایع آب ،گاز و نفت در بعضی از امکانات آزمایشی مانند فوزیون هسته ایی نیز کاربرد دارد.
اندازه اینچنین تاسیساتی از 1000تا چندین ده هزار کانال I/O می باشد. و با کمک شبکه ها و سیستمهای مخابراتی منطقه وسیعی را تحت بازرسی ونظارت قرار می دهد.
سیستمهای SCADA بر روی سیستم عاملهای DOS، VMSو UNIXقابل اجرا هستند در سالهای اخیر همه سیستم های SCADAبه سمت سیستم عامل NT و بعضی هم بسمت Linuxگرایش پیدا کرده اند.
« پیشگفتار»
اصطلاح اتو ماسیون صنعتی به طور عام مربوط به علوم و تکنولوژی کنترل پروسه است و شامل کنترل فرایند های متفاوتی در صنعت است. این بحث امروزه در مجامع صنعتی بصورت خیلی عادی رایج است و در بسیاری از اماکن صنعتی به مرحله اجرا در آمده است.
توسعه در کنترل و صنعتی سازی امکان پیشرفت بیشتر و گسترده تر پروسه های پیچیده و دخالت دادن تکنولوژیهای جدید و استفاده از مزایای اقتصادی آنها را فراهم ساخته است .
و لازم است به این نکته مهم متذکر شویم که اقتصادی کردن سیستمها زیر ساخت پیشرفتهای آن بوده و هست وهمین پیشرفت ها منجر به این شد که اقبال عمومی نظر به سیستمهای تمام توماتیک داشته باشد.
یکی از قایلیتهای مهم خودکار سازی وجود تجهیزات قابل انعطاف یا به عبارتی انعطاف پذیری است که به اختصار می توان به شکل زیر تعریف کرد:
سازگاری آرام و پیوسته در تغییر یک کارخانه با رعایت استفاده بهینه از امکانات موجود و گام برداشتن به سوی پیشرفت با رعایت انطباق با سیستمهای قدیمی و بالا بردن قابلیتها و کیفیت تولید و بهینه سازی در مواد اولیه مصرفی و انرژی.
این خواسته سیستمها را به سوی طراحی و ساخت مجتمعهای تمام کامپیوتری CIM هدایت کرد.
این مقوله روی نمایش پروسه ها در زمان کنترل تولید و قابلیت تقسیم کار بین قسمتها و طراحی فراورده ها با مواد اولیه و انرژی مصرفی و زمان کم و کیفیت بالا تمرکز دارد.در بحث توسعه تکنولوژی و اتوماسیون مدرن عوامل متفاوتی دخالت داشته اند،
که از جمله آنها عبارتند از:
• پیشرفت میکرو پروسسور ها، حافظه ها و توسعه تکنولوژی VLSI مربوط به سنسورها و تکنولوژی فیبر نوری
• عملی شدن کنترلر های قابل برنامه ریزی(PLC)
• استاندارد کردن سخت افزارهای ماژولار و نرم افزار های کنترل پروسه
• پیشرفت در تکنولوژی کامپیوتر
• ضرورت ایجاد قابلیتهای نمایش فرایندها به صورت on-line و به شکلی جذاب برای ارتباط کاربر به صورت استاندارد
• استاندارد شدن ارتباط و خطوط مخابره داده در کامپیوترها
• سازگار بودن با روشهای متفاوت سیستم . کنترل جدید مانند تخمین پارامتر ، کارهای وفقی بهینه و خود تنظیمی
• توسعه روشهای هوشمند علمی و عملی
« سپاسگزاری »
پس از حمد و سپاس خدایی که به هستی و وجود من کرامت عطا فرمود ، به وجود خسته اما سرافراز پدرم درود
بی پایان می فرستم و دستان گرم مادرم را به نشان قدردانی می بوسم .
و تلاش خستگی نا پذیرو صادقانه استادانم را ارج می نهم.سرورانی که در زندگی تحصیلی ، مرا یاری
داده اند ، آنان که دلسوزانه بستر را برای تحقیقات علمی من فراهم آورده اند و تجربیات گران سنگ خود را در اختیارم نهادند ، دست عقل و اندیشه ام را گرفتند تا به شاهراه تکامل و پیشرفت های عملی رهنمونم سازند.
در اینجا تقدیر خالصانه خود را نثار آن عزیزان می نمایم ، به ویزه استاد گران قدر جناب آقای مهندس آهنگداز
مفتخر خواهم شد اگر آنها مراتب سپاس مرا که بی ریا تقدیم می گردد بپذیرند ، بلکه تشکر ویژه من تسکینی بر خدمات ارزنده ایشان باشد.
به پاس همه خوبی ها یشان ، خدا یارشان باد و عزت پایدارشان .
« والسلام »
تقدیم به :
همه ی عزیزانی که از آغاز تا انجام با محبت های بی بدیعشان مرا در دستیابی به این مهم یاری نمودند.
« فهرست مطالب »
عنوان صفحه
مطالب مقدماتی
به نام او ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2
بسم الله الرحمن الرحیم ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3
عنوان بندی ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4
چکیده ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 5
پیشگفتار ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 7
سپاس گزاری ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 9
تقدیم به ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 10
فصل اول :
« مقدمه ای بر سیستم های کنترل » ---------------------------------------------------------- 18
کنترل و اتوماسیون ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 18
مشخصات سیستم های کنترل ---------------------------------------------------------------------------------------------- 19
ورودی ها--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 19
خروجی ها--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 19
پردازش --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 20
انواع فرایندهای صنعتی ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 20
فرایند تولید پیوسته---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 20
فرایند تولید انبوه--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 21
فرایند تولید اقلام مجاز ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 21
استراتژی کنترل ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 21
کنترل حلقه باز -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 21
کنترل پیشرو ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 22
کنترل حلقه بسته --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 22
انواع کنترلرها -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 23
کنترلرهای ناپیوسته -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 24
کنترلرهای پیوسته -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 24
کنترلر تناسبی -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 24
عنوان صفحه
کنترلر انتگرالی ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 25
کنترلر تناسبی-انتگرالی ---------------------------------------------------------------------------------------------------------25
کنترلر تناسبی-مشتق گیر -------------------------------------------------------------------------------------------------------26
کنترلر PID ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------26
کنترلر نیوماتیکی ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------27
کنترلر هیدرولیکی ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------27
کنترلر الکترونیکی ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------27
سیر تکاملی کنترل کننده ها ----------------------------------------------------------------------------------------------------27
فصل دوم :
« انتقال اطلاعات در صنعت »--------------------------------------------------------------------------- 29
مقدمه ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 29
معماری شبکه --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 31
لایه فیزیکی ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 32
لایه دیتا لینک ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 32
لایه شبکه ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 32
لایه انتقال ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 32
لایه session ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 33
لایه Application ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 33
استانداردهای معروف لایه فیزیکی شبکه های صنعتی ------------------------------------------------------------- 34
Rs232 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 34
RS449 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 35
RS530 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 35
RS423 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 35
RS422 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 35
RS485 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 36
گذرگاه H1 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 36
گذرگاه H2 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 37
HART -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 37
معرفی واسط های انتقال و عوامل موثر در انتقال ------------------------------------------------------------------- 37
کابل کواکسیال --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 37
زوج سیم به هم تابیده ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 38
فیبر نوری -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 38
پروتکل ها و استانداردها ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 40
استانداردهای اترنت --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 40
پروتکل MAP --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 40
عنوان صفحه
پروتکل TOP ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 41
پروتکل TCP/IP -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 41
پروتکل SNA -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 42
پروتکل MM --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 42
استاندارد Bus Field------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 42
استاندارد Profi Bus ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 43
فصل سوم :
« کنترل کننده های برنامه پذیر PLC »---------------------------------------------------- 43
مقدمه ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 43
مقایسه سیستم های کنترلی مختلف -------------------------------------------------------------------------------------------44
توجهات خاص در بکار گیری سیستم های PLC --------------------------------------------------------------------------45
سخت افزار PLC -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------46
ماژول منبع تغذیه ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------47
واحد پردازش مرکزی --------------------------------------------------------------------------------------------------------------47
حافظه -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------48
ماژول های ورودی ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------48
ماژول های خروجی -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------49
ماژول تغییر شکل سیگنال ---------------------------------------------------------------------------------------------------------49
ماژول ارتباط پروسسوری ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 50
ماژول رابط IM ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------50
انواع محیط های برنامه نویسی و امکانات نرم افزاری در PLC --------------------------------------------------- 50
زبان های برنامه نویسی PLC ----------------------------------------------------------------------------------------------- 51
زبان SFC ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 51
حالت های مختلف برای اتصال Step و Transition ------------------------------------------------------- --------- 55
ماکرو Step -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 56
زبان FBD --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 57
زبان LD --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 58
زبان ST ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 59
زبان IL -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 59
توابع کنترل پیوسته در PLCها ------------------------------------------------------------------------------------------------60
ماژول های PID -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------60
برنامه ریزی ماژول های PID ------------------------------------------------------------------------------------------------- 61
کاربرد ماژول های PID -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 61
ارتباط در PLCها ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 62
ارتباط سریال ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 62
فاصله انتقال ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 63
عنوان صفحه
حلقه جریان 20 mA -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 63
423/422 RS ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 63
ارتباط PLCها ، ماژول ها و برنامه ریزی -------------------------------------------------------------------------------- 64
ارتباط بین چندین PLC ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 65
شبکه های محلی -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 65
کنترل گسترده ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------66
فصل چهارم :
« سیستم های کنترل گسترده DCS »------------------------------------------------------ 67
مقدمه ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 68
ایجاد سیستم های کنترل کسترده DCS ------------------------------------------------------------------------------------- 68
ساختار سیستم های DCS ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 70
اعمال کمپیوتر مرکزی ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 72
سطوح کاری --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 74
سطح کنترل مستقیم پروسه ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 75
سطح کنترل مدیریتی --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 76
سطح کنترل ترتیبی تولید ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 76
سطح کنترل مدیریت پلانت ----------------------------------------------------------------------------------------------------------76
برخی از مزایای DCS --------------------------------------------------------------------------------------------------------------79
Data Base Organization --------------------------------------------------------------------------------------------------79
اصول کاری سیستم های DCS ---------------------------------------------------------------------------------------------------84
المان های سیستم ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------87
ارتباط ماشین با انسان --------------------------------------------------------------------------------------------------------------87
سطح صفر(حوزه میدان) -----------------------------------------------------------------------------------------------------------88
A500 & Procontrol I -------------------------------------------------------------------------------------------------------90
ایستگاه واسطه ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------90
ایستگاه کامپیوتر مرکزی -----------------------------------------------------------------------------------------------------------91
قسمت نمایشگر ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------92
ساختار و چگونگی نمایش دادن --------------------------------------------------------------------------------------------------93
نمایش میله ی استاندارد ------------------------------------------------------------------------------------------------------------94
صفحه کلید ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------95
کاربردها ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------96
عنوان صفحه
فصل پنجم :
« سیستم های اتوماسیون APACS »------------------------------------------------------------ 96
مقدمه ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 97
Controller Configuration Software ------------------------------------------------------------------------------- 97
بسته های نرم افزاری APACS ------------------------------------------------------------------------------------------------98
Configuration Software --------------------------------------------------------------------------------------------------98
امکانات Mation 4 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------99
واسط اپراتوری (Operator Interface) ------------------------------------------------------------------------------99
Internet Based viewer ----------------------------------------------------------------------------------------------------101
Historian Open -------------------------------------------------------------------------------------------------------------101
Industry specific Options --------------------------------------------------------------------------------------------102
Unix-Based operator Interface -----------------------------------------------------------------------------------102
سایر ویژگی های APACS ----------------------------------------------------------------------------------------------------103
سخت افزار سیستم APACS ---------------------------------------------------------------------------------------------------103
افزونگی (Redundancy) ----------------------------------------------------------------------------------------------------104
معماری سخت افزاری APACS ----------------------------------------------------------------------------------------------105
سیستم محلی -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------106
Plantwide System --------------------------------------------------------------------------------------------------------106
QUADLOG ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------107
بسته های سخت افزاری APACS ------------------------------------------------------------------------------------------108
انواع پیکربندی MODULPAC 1000 --------------------------------------------------------------------------------110
MODULPAC 2000 -----------------------------------------------------------------------------------------------------112
RACKs(قفسه ها) سیستم APACS -----------------------------------------------------------------------------------115
I/O RACK Remote -------------------------------------------------------------------------------------------------------116
I/O Bus -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------117
Power Bus -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------117
نصب I/O RACK Remote ----------------------------------------------------------------------------------------------118
شناسایی سخت افزار --------------------------------------------------------------------------------------------------------------118
آماده سازی -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------119
ملاحظات محیطی ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------121
مونتاژ I/O RACK Remote -------------------------------------------------------------------------------------------- 122
کابل I/OBUS و اتصالات موازی/ جامپر ------------------------------------------------------------------------------123
MODULRAC ----------------------------------------------------------------------------------------------------------124
SIXRAC ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------125
UNIRAC ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------125
عنوان صفحه
RIS -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------126
ویژگی های سخت افزاری RIS --------------------------------------------------------------------------------------------126
قابلیت های RIS -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------127
ماژول های کنترل -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------128
پیکربندی (Configuration) -----------------------------------------------------------------------------------------------130
شرح مدار ماژول کنترل +ACM -------------------------------------------------------------------------------------------130 WATCHDOG/RESET---------------------------------------------------------------------------------------------------131
Time Out & Bus Arbitration Bus -----------------------------------------------------------------------------131
RAM and ROM ------------------------------------------------------------------------------------------------------------131
Serial ports ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------132
MODULBUS --------------------------------------------------------------------------------------------------------------132
I/O BUS --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------133
SCSI REDUNDANCY ------------------------------------------------------------------------------------------------133
ماژول های I/O ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------134
توصیف مدار SDM ------------------------------------------------------------------------------------------------------------136
فصل ششم :
« سیستم های SCADA »---------------------------------------------------------------------------------137
SCADA چیست؟ -------------------------------------------------------------------------------------------------------------137
معماری SCADA---------------------------------------------------------------------------------------------------------------138
ارتباطات ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------139
واسط ها ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------139
REDUNDANCY ---------------------------------------------------------------------------------------------------------140
MMI ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------141
Handing Alarm ----------------------------------------------------------------------------------------------------------141
Logging / Archiving ---------------------------------------------------------------------------------------------------142
ایجاد گزارش ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------142
فصل هفتم :
« سیستم های FIELD BUS و مقایسه آنها با سیستم های DCS »
مقدمه -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------143
نحوه عملکرد سیستم های FCSدر مقایسه با DCS -----------------------------------------------------------145
مدل مرجع OSI ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------147
عنوان صفحه
انواع لایه های فیلد باس -----------------------------------------------------------------------------------------------------147
لایه فیزیکی ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------147
لایه پشته ارتبطات -----------------------------------------------------------------------------------------------------------148
لایه کاربردی --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------148
دسته بندی فیلد باس --------------------------------------------------------------------------------------------------------148
توپولوژی های فیلد باس ----------------------------------------------------------------------------------------------------149
Chain daisy Topology-------------------------------------------------------------------------------------------------149
Tree Topology -------------------------------------------------------------------------------------------------------------150
Spur Topology ------------------------------------------------------------------------------------------------------------151
Point to Point Topology ---------------------------------------------------------------------------------------151
مقایسهFCS و DCS و مزایا و معایب آنها نسبت به یکدیگر ----------------------------------------------153
سایر مزایایFCS -----------------------------------------------------------------------------------------------------------156
خاصیتInteroperability ادوات FCS -------------------------------------------------------------------------157
معایب فیلد باس ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------159
انواع بلوک های استاندارد -------------------------------------------------------------------------------------------------159
فصل اول :
مقدمه ای بر سیستم های کنترل
کنترل 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.
مشخصات 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 توانند عملکرد 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.
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 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.
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.
انواع کنترلرها
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.
کنترلرها از نظر نوع عملکرد به انواع زیر تقسیم بندی می شوند:
کنترلرهای 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
کنترلرهای پیوسته:
کنترلر تناسبی: (Proportional)
دراین نوع کنترلربین خروجی و ورودی یک نسبت مستقیم وجود دارد با یک ضریب مشخص که آنرا گین 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 دهند
بنابراین 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.
• کنترلرهای 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 .
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.
فصل دوم
انتقال اطلاعات در صنعت
مقدمه:
در سالهای اخیر مسئله بر قراری ارتباط در پروسه های صنعتی رشد چشمگیری داشته است. پیش از این ارتباط درصنعت و پروسه های کنترل صنعتی به فرستادن سیگنال از جانب یک مرکز کنترل به مرکز فرماندهی خلاصه می شد. اما امروزه تمام کنترل کننده های کوچک و بزرگ (PLCs) در هر نقطه ای از فیلد که باشند باید با یکدیگر و در نهایت بامرکزکنترل مربوط به خود ارتباط بر قرار کنند و همین امر باعث پیچیده شدن هرچه بیشتر سیستمهای ارتباطی خواهد شد.
PLCها امروزه طوری طراحی و سا خته می شوند که بجز وظیفه اصلی و مهم خود که همان اجرای فرامین کنترلی تعریف شده و کنترل اتو ماتیک یک پروسه صنعتی است، بتوانند موارد مهم دیگری از قبیل برقراری ارتباط با مرکز کنترل و دیگر کنترل کننده های داخل فیلد را نیز بر عهده بگیرند. بنابراین در ساختار داخلی آنها پیش بینی های لازم جهت استفاده از ابزار ها و لوازم خاص ارتباطی صورت گر فته است.
به عنوان مثال می توانیم یک سیستم PLC که در محل خط تولید قرار دارد و توسط ترمینال مخصوص شبکه محلیLAN(Local area network) به ماشینهای مرکز کنترل که در محل اتاق کنترل کار خانه قرار دارند، متصل کنیم و از همانجا ، PLCرا کنترل کنیم.
مثلا می توانیم بهPLC فرمان دهیم تا رو تین کنترلی مربوط به تولید قطعه ای خاص را اجرا کرده، فرامین آنرا صادر کندو همچنین بر روند کل پروسه نظارت کامل داشته باشد. سپس نفر بعدی که در شیفت بعدی فعالیت می کند ، می تواند یک گزارش کامل از چگونگی کنترل پروسه توسط PLC مورد نظر را تهیه کرده و از روی آن تعداد قطعات سالم و خراب و حتی زمانهای از دست رفته و تلف شده در حین تولید را محاسبه کند. مرکز تعمیرات کارخانه نیز می تواند با استفاده ازروشهای ارتباطی و مخابراتی، از بروزاشکال در هریک از ماشینهای کارخانه اطلاع حاصل کرده و پرسنل تعمیرکاری را جهت رفع اشکال اعزام دارد،
مرکز تعمیرات حتی می تواند با اطلاع داشتن از وضعیت کلیه ماشینهای خراب، اولویت تعمیر را به هر کدام از آنها واگذار کند.
برای درک بهتر مطلب شکل1-1 را که بلوک دیاگرام معماری شبکه ارتباطی را در بخشی از کارخانه نشان می دهد ، ببینید.
شکل 1-1: شبکه محلی PLCsو شبکه گسترده ETHENET بین کار خانه ها
همانطور که در شکل مشخص شده هر ماشین یک PLCدارد که آنها توسط شبکه محلی LAN بهم مر تبط هستند و همگی روی لینک ارتباطی شبکه گسترده Ethernetبه هم مرتبط می شوند.
در نگاه اول ممکن است اینطور به نظر برسد که PLCها و کنترل کننده های محلی تمامی اطلاعات در یافت کرده و جمع آوری کرده را مستقیما به کامپیوتر های اصلی در مرکز کنترل کارخانه ارسال می کنند، اما در عمل چنین چیزی غیر ممکن است ، زیرا با ارسال چنین حجم بزرگی از اطلاعات ، که در صد بسیار زیادی از آنها نیز برای مرکز کنترل بی ارزش محسوب می شوند،کامپیوتر های مرکز کنترل دچار مشکل شده و خیلی زود از کار خواهند افتاد.
امروزه PLCها و کنترل کننده های محلی، خود به تنهایی قادر به آنالیز اطلاعات جمع آوری شده می باشند ، بنابراین پس از بررسی و آنالیز اطلاعات می توانند موارد سودمند و قابل استفاده برای سیستم کنترل را به مرکز کنترل ارسال کرده تا از آنها استفاده شود و در ضمن نسخه پشتیبان نیز از این اطلاعات
دانلود مقاله کارافرینی بررسی ساختار و نحوه عملکرد سیستم های کنترل صنعتی
