کتاب کنترل کننده‌های فرآیند در صنعت

کنترل کننده‌های فرآیند در صنعت

(شیوه کار با کنترلرهای PID و تحلیلی بر استراتژی های کنترل)

مقدمه :

کتاب‌‌های بسیاری در خصوص کنترل فرآیند به تألیف و چاپ رسیده‌اند که هر یک حاصل تلاش و تجربه بزرگان و اساتید این رشته بوده‌اند. این امر باعث شد که حقیر تاکنون اقدام به تألیف هیچ کتابی با این موضوع نکرده و در تدریس‌های خود‌، صرفاً کتب و متون یاد شده را برای کارآموزان مرجع قرار داده ام.

اما اکنون با حدود 20 سال سابقه کار در صنایع نفت و پتروشیمی و پس از حدود 16 سال تجربه تدریس دوره‌های متعدد تئوری و عملی کنترل فرآیند به کارآموزان و شاغلین در حوزه بهره برداری و ابزاردقیق با سطوح و مدارک تحصیلی مختلف‌، بر آن شدم بدلایل زیر کتاب پیش رو را به رشته تحریر درآورم :

1. کتاب‌های موجود برای استفاده در دوره‌های کوتاه مدت به هیچ عنوان قابل استفاده نبوده و برای استفاده و مطالعه در یک ترم چند ماهه دانشگاهی نوشته شده‌‌اند به طوری که عملاً در یک دوره سه روزه کنترل فرآیند برای کارآموزان و شاغلین بهره برداری و ابزاردقیق کاربردی ندارند.
2. در این کتاب‌ها به نیازهای عملی و کاربردی کارآموزان و شاغلین بهره برداری و ابزاردقیق پاسخی داده نمی‌شود. درحقیقت کتاب‌های موجود با اتکای بیش از حد به فرمول‌ها و مباحث ریاضی مربوطه‌، در ارائه مفهومی و ملموس مباحث کنترل فرآیند نارسایی‌های فراوانی داشته بگونه‌ای که با مطالعه آنها چندان ‌نمی‌توان به دانش و درک کاربردی از کنترل صنعتی خصوصاً در صنایع نفت و گاز و پتروشیمی دست یافت. دلیل عمده نارسایی‌های یاد شده‌، تألیف این کتاب‌ها توسط اساتیدی است که تجربه کار در صنعت خصوصاً صنعت نفت یا صنایع نیروگاهی را نداشته و با چالش‌ها و مشکلات مربوطه آشنایی ندارند.
3. در طی سالیان متمادی تدریس به شاغلین در صنعت‌، با سؤالات بسیاری از جانب ایشان در حین تدریس مواجه شده‌ام و از این رو نیازهای کاربردی این عزیزان و همچنین کارآموزانی که قصد ورود به صنعت را دارند برای حقیر کاملاً شناسایی شده که این کتاب در راستای پاسخ به این نیازها به رشته تحریر درآمده است.

در این کتاب سعی نموده‌ام علاوه بر این که مباحث کنترل فرآیند را با زبانی ساده، مفهومی و قابل لمس بیان کنم، طراحی و محاسبات مربوطه را با استفاده از مدل‌های ریاضی ساده و فرمول‌های روان ارائه نمایم. این ویژگی باعث ‌می‌شود تا کارآموزان و شاغلین در حیطه‌های عملیات بهره برداری و ابزاردقیق چه در سطح تکنسین و چه در سطح کارشناسی و بالاتر، بتوانند از مطالب کتاب بهره‌مند شوند. برای سطوح کارشناسی و بالاتر فرض را بر این گذاشته‌ام که خواننده با مدرک کارشناسی مهندسی شیمی یا مهندسی الکترونیک و ابزاردقیق‌، واحد درسی کنترل فرآیند یا کنترل خطی را در دانشگاه گذرانده و لذا در این کتاب از پرداختن به مباحث مقدماتی ریاضی همچون معادلات لاپلاسی‌، ‌سیستم‌های درجه 1 و 2 و … توابع تبدیل لاپلاسی و غیره صرف‌نظر شده است. همچنین از آنجایی که مخاطبین این کتاب کارآموزان و شاغلین در واحدهای بهره برداری هستند که اصطلاحاً به ایشان End User گفته ‌می‌شود‌، نه تنها از ریاضی سنگین و پیچیده‌ای در این کتاب استفاده نشده بلکه مباحث پیشرفته کنترل فرآیند همچون کنترل چند متغیره و غیر خطی نیز که بیشتر به کار طراحان واحدهای بهره‌برداری‌ می‌آید‌، در این کتاب مطرح نشده‌اند.

مطالب این کتاب با هدف استفاده یک تکنسین یا مهندس شیمی و ابزاردقیق شاغل در یک واحد بهره‌برداری ( نفت‌، گاز‌، پتروشیمی‌، نیروگاهی …) یا کارآموزان تازه وارد به این صنایع‌، بگونه‌ای تنظیم شده که آن فرد با استفاده از این کتاب توانایی تحلیل حلقه‌های کنترل فرآیند ساده و ترکیبی را بدست آورده و قادر خواهد بود حداقل چاره اندیشی را در هنگام بروز مشکل و در کوتاه‌ترین زمان انجام دهد.

فصل اول این کتاب شامل مطالبی در باب آشنایی با حلقه کنترل و اجزای تشکیل دهنده آن است. در این بخش اجزای چهارگانه حلقه کنترل شامل :1- خود فرآیند ‌به‌عنوان یک سیستم، 2- ترانسمیترها ‌به‌عنوان بخش اندازه‌گیری و ارسال پارامترهای فرآیند‌، 3- کنترلر ‌به‌عنوان واحد پردازش و فرمان دهنده و 4- محرک فرآیند (مثل شیرکنترل) ‌به‌عنوان عامل تحریک فرآیند مطابق با فرمان دریافتی از کنترلر‌، مورد بررسی کلی قرار‌ می‌گیرند.

فصل دوم کتاب با کنترلرهای on/off آغاز‌ می‌گردد و در ادامه با بحث در خصوص اکشن کنترلرها ‌به‌عنوان اولین قدم در پیکربندی یک کنترلر‌، به پیشباز بررسی کنترلرهای PID خواهیم رفت. در این فصل ‌به‌طور جداگانه اثر کنترلر‌های تناسبی (Proportional)‌، انتگرال‌گیر (Integrating) و مشتق‌گیر(Derivative) هم به‌صورت مفهومی و هم با به کارگیری از مدل‌های ریاضی‌، در حلقه کنترل فرآیند مورد بررسی قرار خواهند گرفت. سپس ترکیب کنترلرهای فوق که منجر به تشکیل حالت‌هایی از جمله PI‌، PD و PID ‌می‌شود‌، توضیح داده خواهد شد. در نهایت نیز راهکارهایی جهت بهینه‌سازی کنترلر‌های PID با هدف پاسخ‌دهی مناسب‌تر در مواجهه با شرایط گوناگون ارائه خواهد شد.

فصل سوم که به صورت ویژه به تنظیم یا Tuning کنترلرهای PID‌ می‌پردازد‌، قدری از فصل‌های قبلی تخصصی‌تر‌ می‌باشد. هدفی که در این فصل دنبال ‌می‌شود  این است که خواننده بتواند با دارا بودن یک پایه ریاضی متوسط‌، با روش‌های ساده و زود بازده مقادیر ضرایب کنترلرهای PID را محاسبه نماید و مجبور نباشد صرفاً به روش چشم بسته سعی و خطا این ضرایب را انتخاب نماید. در این فصل خواننده علاقه مند می‌تواند بخوبی به مزایا و محاسن Tuning ضرایب یک کنترلر PID پی برده و عملکرد عالی کنترلری را که درست طراحی و تنظیم شده باشد ببیند. به عبارتی می‌توان گفت درک کامل حلقه‌های کنترل در انتهای فصل سوم است که محقق خواهد شد. البته ممکن است این فصل برای تکنسین‌های بهره برداری و ابزاردقیق و به اصطلاح مراقبین دستگاه در سایت (Siteman) چندان جذابیت نداشته باشد چرا که تنظیم کنترلر PID جزء شرح وظایف این عزیزان نیست.

در فصل چهارم کتاب به استراتژی‌های کنترل فرآیند و حلقه‌های کنترل ترکیبی پرداخته خواهد شد که در برخی از کتاب‌های کنترل به اشتباه‌، کنترلرهای صنعتی نام‌گذاری شده‌اند. حال آنکه کنترلرهای تک حلقه‌ای مطرح شده در فصل‌های یک تا سه نیز کنترلر صنعتی هستند. در فصل چهارم خواهیم دید که در کنترل برخی فرآیند‌ها به دلیل یک سری ملاحظات فرآیندی و امنیتی ناچار به ترکیب حلقه‌های کنترل تکی (Single Loop) یا بکارگیری از استراتژی‌های خاص کنترلی خواهیم بود. استراتژی‌هایی از قبیل Cascade‌، Feedforward‌، Override‌، Ratio  و Split Range  که به‌صورت مبسوط در این فصل به آنها پرداخته ‌می‌شود.

فهرست کنترل کننده‌های فرآیند در صنعت

فصل اول/ حلقه کنترل.

1-1 فرآیند ‌به‌عنوان یک سیستم.

2-1 کنترل کننده.

1-2-1 کنترل کننده ها در گذر زمان

3-1 ترانسمیترها

1-3-1 سنسور اولیه.

2-3-1 مبدل(Transducer)

3-3-1 مدارات Signal Conditioner

4-3-1 مبدل ولتاژ به جریان.

4-1 محرک ها

1-4-1 شیرهای کنترل

5-1 حلقه کنترل فیدبک

فصل دوم/ کنترل کننده ها

1-2 کنترلرهای on/off

2-2 اکشن کنترلرها (Controller Action)

1-2-2 نحوه تعیین اکشن یک کنترلر

3-2 کنترلرهای تناسبی (Proportional)

1-3-2 تأثیر ضریب پروپرشنال روی کنترل فرآیند

2-3-2 بررسی کنترلر تناسبی با مدلهای ریاضی.

3-3-2 تله افزایش K_p در کنترلر تناسبی.

4-3-2 بهره تناسبی متغیر و غیرخطی

5-3-2 Proportional Band

4-2 کنترلر انتگرال‌گیر (Integrative)

1-4-2 تأثیر پاسخ زمانی انتگرال‌گیر روی کنترل فرآیند

2-4-2 بررسی کنترلر PI با مدل‌های ریاضی

3-4-2 پدیده Reset Windup

5-2 کنترلر مشتق‌گیر

1-5-2 اثر تغییرات ضریب مشتق‌گیر روی کنترل فرآیند.

2-5-2 بررسی کنترلر PD با مدل‌های ریاضی

6-2 کنترل کننده PID

1-6-2 تابع تبدیل یک کنترلر PID

2-6-2 PID ایده آل و عملی

3-6-2 استفاده از PID Function Block

4-6-2  بهینه سازی کنترلرهای PID

فصل سوم/ تنظیم کنترلرهای (Tuning) PID

1-3  پایداری حلقه کنترل

1-1-3 محاسبه حداکثر بهره کنترل کننده (Ultimate Gain)

2-3 تنظیم ضرایب یک کنترلر PI برای یک فرآیند خود تنظیم (Self Regulating)

3-3 تنظیم پارامترهای یک کنترلر برای فرآیندهای انتگرالی

4-3 ترکیب کنترلرهای فیدبک.

1-4-3  فرآیند لحظه‌ای و سریع

2-4-3 فرآیند درجه اول

3-4-3 فرآیندهای درجه دو

4-4-3 فرآیندهای انتگرالی.

فصل چهارم/ استراتژی‌های کنترل فرآیند

1-4 کنترل Cascade

1-1-4 دیاگرام بلوکی و ملاحظات پایداری حلقه Cascade

2-1-4 نکات مهم در استفاده از حلقه کنترل Cascade

2-4  کنترل Feedforward

3-4  کنترل Ratio

4-4 کنترل Override

1-4-4  استفاده از تکنیکAnti Windup  در کنترلرهای Override

5-4 کنترل Split Range