انواع سیستم های اتوماسیون و کنترل صنعتی
کنترل دستی
ساده ترین و قدیمی ترین نوع کنترل است. در اینجا همه چیز توسط انسان انجام می شود:
1- چشم می بیند.(Sensor & Transmitter)
2- مغز پردازش می کند.(Controller & Processor)
3- 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.
پالایشگاه آبادان بزرگترین پالایشگاه خاورمیانه در ابتدا اینگونه کنترل می شد!
کنترل نیوماتیک یا 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 میدهند هدایت کننده هوای فشرده شده هستند یعنی خط انتقال هوا است.
فشار هوا بطور استاندارد 3 تا 15 پوند بر اینچ مربع ( # or psi) است:
3psi = مقدار صفر
15psi = مقدار ماکزیمم
گاهی به جای هوا از نیتروژن استفاده می شود که دلیل این امر خنثی بودن نیتروژن و در نتیجه ایمن بودن آن در محیط های خطرناک(Hazardous Area ) است.
اگر از مایعات بجای گازها در انتقال سیگنال استفاده شود سیستم کنترل هیدرولیکی خواهدبود. مایعات مورد استفاده معمولاً روغنهای مخصوصی هستند که ضریب انبساطی و فشردگی خیلی کمی دارند.
برای مطالعه بیشتر دراین مورد و عملکرد Flapper- Nozzle ، رله ها، انتگرالگیر- مشتق گیر – تناسبی (PID) و… درسیستم نیوماتیک می توانید به کتاب مهندسی کنترل اگا تا مراجعه کنید.
سیستم نیوماتیک به دلیل نیاز به هوای فشرده زیاد و به تبع کمپرسورهای هوا، خشک کن ، فیلترهای روغن و گرد و غبار، لوله کشی و تیوب کشی و اتصالات جانبی آنها ، حجم زیاد تجهیزات و وجود نشتی هوا بجز در موارد خاص دیگر استفاده نمی شود.
سیستم کنترل پالایشگاه کرمانشاه (دومین پالایشگاه کشور) بجز نیروگاه جدید و واحد تصفیه آب کاملاً نیوماتیک است (تاریخ احداث1301،تاریخ بازسازی 1352).
سیستم 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.
نوع سیگنال انتقالی در سیستم های آنالوگ یکی از موارد زیر است:
1- 0 تا 5 ولت یا 1 تا 5 ولت
2- 0 تا 10 ولت
3- 0 تا 20 میلی آمپر یا 4 تا 20 میلی آمپر
در این سیستم ها ترانسمیتر دقیقاً مانند منبع جریان عمل می کند . ولتاژ تغذیه بین 11 تا 55 ولت میتواند باشد اما بطور استاندارد 24 ولت است.
استفاده از مبنای 1ولت یا 4 میلی آمپر (نه مقدار صفر ) اطمینان داشتن از عدم قطع یا پاره شدن خط انتقال است.
تنها ایرادی که سیستمهای آنالوگ دارند عدم امکان ثبت رویدادها و گزارشات گذشته (Historical Reports) است. برای رفع این مشکل از ثبت کننده ها(Recorder) استفاده می شود که به دلیل کاغذی بودن آنها بایگانی ، نگهداری و بازیابی آنها دردسر ساز است.
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(توزیع شده)
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.
در سال 1998 اولین پروژه فیلدباس که یک بویلر ( دیگ بخار ) بود اجرا شد و به تدریج کرخانه های بزرگ نیز با فیلدباس کنترل شدند.
شرکت ملی صنایع پتروشیمی ایران برای اولین بار از فیلد باس در مجموعه های خود بهره گرفت و شرکت پتروشیمی بیستون ( BPC ) از معدود شرکت هایی است که بطور کامل فیلدباس است.
یکی از مزایای مهم فیلدباس جدا بودن کنترل کننده های آنالوگ و دیجیتال آن و پیوند ( Link ) آنها بصورت نرم افزاری است ، این امر دقیقاً به مثابه داشتن دو PLC قدرتمند در کنار هم است که یکی از آنها فقط پارامترهای آنالوگ را کنترل می کند و دیگری تنها پارامترهای دیجیتال را.
مزیت دیگر این سیستم زیبایی و سادگی پیکربندی محیط گرافیکی و نمایشی ( Monitoring ) و بهره گیری کاربر از امکانات ویندوز درآن محیط است.
پروتکل های دیگری نیز هستند که شبکه را درون فیلد برده اند مثل Profibus اما در فیلدباس بصورت استاندارد از پروتکل FOUNDATION استفاده می شود و بیش از 200 شرکت سازنده تجهیزات ابزاردقیق از آن پیروی می کنند.
هدف از فیلدباس اولاً کاهش حجم کابل کشی است و سپس کاهش سخت افزار مورد استفاده برای سیستم کنترل. از طرفی با استفاده از فیلدباس می توانیم اطلاعات زیادی را از ترانسمیترها گرفته یا به آنها بدهیم . از سوی دیگر چون ساختار ایجاد استراتژی و برنامه های کنترلی در فیدباس بصورت بلوکی است ( Function Block ) ، پیاده سازی و پیکربندی (configuration ) امور کنترلی بسیار راحت است.
بدیهی است فیلدباس ایده ال اصلاً وجود خارجی ندارد. در پروژه هایی که نظارت قدرتمندی نداشته باشند محل نصب و یا صدمات وارد شده به کابل باس ، محل نصب ترانسمیترها و … باعث ایجاد نویز در اطلاعات شده وبسیار مشکل آفرین خواهد بود .
اگر محل ترانسمیترهایی که فیلدباس هستند درست تعیین نشود خط bus دچار پیچ و خم های زیادی شده و و میزان کابل مصرفی از DCS نیز بیشتر می شود!
در حال حاضر فیلدباس پیشرفته ترین سیستم کنترل می باشد چرا که در دل آن سیستم های کنترل قبلی همراه با نرم افزارهای مفید قرار گرفته است.
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.
برای کابل کشی ابتدا باید نگهدارنده سینی کابل ها (cable tray support ) را ساخت. سپس آنها را روی ستونهای بتونی (rack) یا پایه های فلزی ( steel structure ) سوارکرد. مرحله بعد نصب سینی کابل روی نگهدارنده هاست. حال به چندین کارگر تنومند نیاز است تا کابل ها را از قرقره ها کشیده و آنرا متره ودر متراژ مناسب قطع نمایند.
در این بین یک نظارت دقیق نیز نیاز است تا هم پوسته کابل ها آسیب نبینند و هم تکه های مازاد کابل( پرتی ) ایجاد نشود!
بعد از کابل کشی نوبت به gland (گیره کابل ) و shroud (غلاف گیره کابل ) زدن و در نهایت انجام اتصالات ( connection ) کابل به ترانسمیتر یا جعبه اتصالات ( junction box ) میرسد که قبل از اتصالات حتماً باید از wire shoe یا cable shoe بهره بگیریم که سر سیم ها بخاطر افشان بودن پخش یا قطع نشوند
این مراحل برای زمانی که فواصل زیر 100 یا 200 متر باشند قابل تحمل هستند اما وقتی کار به کیلومتر می کشد
بر این اساس انجام کابل کشی برای مسافت های بالا بصرفه نمی باشد.
یک ایستگاه فرستنده / گیرنده کوچک می تواند در اینجا راه گشا باشد.
مطابق با استانداردهای FOUNDATION Fieldbus (FF ) حتی با تکرارکننده های خط (Bus Repeater ) طول کابل نمی تواند بیشتر از 1950 متر باشد ( ماکزیمم 4 تکرار کننده ).
در چندسال اخیر (از سال 2002 ) شرکت هایی نظیر Fuji به فکر بی سیم کردن ترانسمیترها و تجهیزات کنترلی درون کارخانه افتادند. تنها مشکلی که در اینجا به چشم می خورد تغذیه کردن دستگاههای مذکور است ، که گفته میشود آن هم با قراردادن باطری های قابل شارژ روی ترانسمیتر ها و شارژ چند ماهیانه و یا سالیانه آنها قابل حل است.
کتاب مرجع کامل سیستم های اندازه گیری کنترل و ابزار دقیق کاربردی
