سیستم کنترل حلقه بسته و سیستم های کنترل گسترده (DCS)

کنترل و اتوماسیون

در هر صنعتی اتوماسیون سبب بهبود تولید می گردد که این بهبود هم در کمیت و میزان 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 فرایند با توجه به متغیر های موجود توسط کنترل کننده سیستم انجام می گیرد.

مشخصات سیستم های کنترل

هر سیستم کنترل دارای سه بخش است:ورودی ،پردازش و خروجی . بخش ورودی وضعیت فرایند و ورودی های کنترلی اپراتور را تعیین کرده و می خواند بخش پردازش با توجه به ورودیها، پاسخها و خروجی های لازم را می سازد و بخش خروجی فرمانهای تولید شده را به فرایند اعمال می کند.در کارخانه غیر اتوماتیک بخش پردازش را اپراتورها انجام می دهند.

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.

خروجی ها

در یک کارخانه عملگرهایی وجود دارند که فرامین داده شده به آنها را به فرایند منتقل می کنند.پمپها، موتورها و 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.مثلا یک موتور،سیگنال الکتریکی را به حرکت دوار تبدیل می کند.ادوات خروجی نیز می توانند عملکرد گسسته و یا 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 از نصب 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 شود باید با توجه به نوع آن باشد.

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:

• کنترلر های ناپیوسته (گسسته)
• کنترلر های پیوسته

سیر تکاملی کنترل کننده ها

در سال 1940 برای نماسازی دستگاههای کنترلی از سیگنال فشار 3psi تا 15psi استفاده می شده است . در سال 1960 سیگنالهای 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.آنچه تصویر زیر بیان 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.

اهمیت سیستم های کنترل

در سالهای اخیر ، سیستم های کنترل اهمیت فزاینده ای در توسعه و پیشرفت تکنولوژی جدید یافته اند . هر یک از جنبه های فعالیت روزمره ی ما عملاً نوعی سیستم کنترل قرار دارد . مثلاً برای نمونه در محدوده ی زندگی فردی ، کنترل کننده های خودکار در سیستم های تهویه ی مطبوع ، دما و رطوبت هوای خانه ها و ساختمان ها را در حدمطلوب نگاه می دارند .

سیستم های کنترل در تمام بخشهای صنعت نظیر کنترل کیفیت محصولات ، خط مونتاژ خودکار کارخانجات ، کنترل ماشین ابزارها ، تکنولوژی فضایی و سیستم های نظامی ، کنترل کامپیوتری ، سیستم های حمل و نقل ، سیستم های قدرت ، سیستم های هوش مصنوعی و در موارد بسیار دیگری ، به فراوانی یافت می شوند . صرف نظر از اینکه چه نوع سیستم کنترلی در اختیار داریم ، سه بخش اساسی را می توان در آن مشخص کرد :

1. خواسته ها و انتظارات ما از سیستم کنترل ( ورودی های سیستم )
2. اجزای مختلف سیستم کنترل
3. نتایج ( خروجی سیستم )

کنترل سیستم های بیولوژیکی

تعاریف و کلیات

کنترل با نظریه سیستم ها و مدلسازی ارتباط بسیار نزدیکی دارد. یک سیستم کنترل مجموعه ای از اجزاء به هم پیوسته است که هدف آن فراهم کردن پاسخ مطلوب می باشد. منظور از کنترل یک سیستم این است که رفتار یک یا چند متغیر آن به صورت مطلوب در آید. به عنوان مثال در راندن خودرو ، کنترل به نحوی انجام می شود تا شخص با طی یک مسیر به مقصد مورد نظر برسد.

برای سادگی اجزاء کنترل شونده و کنترل کننده با بلوک دیاگرام نشان داده می شوند. هر بلوک  ارتباط میان ورودی و خروجی یا رابطه علت و معلولی فرایند را نشان می دهد. در کل سیستم های کنترلی در دو دسته قرار می گیرند:

1. کنترل حلقه باز
2. کنترل حلقه بسته

سیستم کنترل حلقه باز یک کنترل کننده و عملگر را به کار می برد تا پاسخ مطلوب را به دست آورد ( شکل 1 الف ) فرمان های کنترلی توسط کنترل کننده صادر می شد و عملگر فرمان ها را بر روی سیستم کنترل شونده اعمال می کند. در سیستم کنترل حلقه بسته (فیدبک)، خروجی واقعی سیستم اندازه گیری می شود و مقدار آن با پاسخ مطلوب مقایسه می شود (شکل 1ب) بر اساس میزان اختلاف موجود کنترل کننده فرمان مناسب را صادر می کند و عملگر این فرمان را بر روی سیستم اجرا می کند. در واقع ایده کنترل فیدبک در ساده ترین حالت به این ترتیب است که تا زمانی که خروجی سیستم از مقدار مطلوب کمتر است ورودی آن افزایش یابد و زمانی که خروجی آن از مقدار مطلوب بیشتر است، ورودی آن کاهش یابد.

معایب سیستم حلقه بسته

استفاده از فیدبک در سیستم کنترل باعث کاهش تاثیر تغییر پارامترهای سیستم می شود، اثر اغتشاشات و نویز را در خروجی سیستم کم می کند، می تواند پاسخ گذرای سیستم را بهبود بخشد و منجر به کاهش خطای حالت دائمی شود. با این وجود استفاده از مزایا سیستم حلقه بسته هزینه هایی را هم به همراه خواهد داشت. نخست اینکه تعداد اجزاء بکار رفته برای کنترل افزایش یافته و پیچیدگی روند کنترل بیشتر می شود. استفاده از سنسورها برای حالت حلقه بسته ضروری است که خود سنسور می تواند عامل نویز باشد.

مهمترین موضوع در سیستم حلقه بسته، امکان پیدایش ناپایداری است. در حالی که یک سیستم حلقه باز پایدار است، یک سیستم حلقه بسته ممکن است همیشه ناپایدار نباشد. با این وجود مزایای سیستم حلقه بسته بسیار بیشتر از معایب آن است.

مشخصه های عملکرد سیستم کنترل

توانایی تنظیم عملکرد گذرا و حالت دائمی یکی از مزایای عمده سیستم های کنترل حلقه بسته است. برای تحلیل و طرح سیستم های کنترل باید مشخصه های عملکرد سیستم کنترل را تعریف و آنها کمی کنیم. با توجه به اینکه سیستم های کنترل اغلب دینامیک هستند، عملکرد سیستم معمولاً بر حسب پاسخ زمانی و خطای حالت دائمی برای یک سیگنال ورودی خاص  مشخص می شوند.

سیستم های کنترل گسترده (DCS)

حوزه کار و عمر سیستمهای کنترل گسترده Control System) (Distributedیا DCS اکنون به پنجاه سال می رسد و دوره های اوج خود را سپری کرده است. بیشترین درجه اهمیت این موضوع مربوط به زمان ساخت میکرو کامپیوترهای با قیمت کم در حدود سالهای 1970 می باشد. پس از آن حوزه کار DCSها در محدوده پروسه های صنعتی پیوسته گسترده تر و پیچیده تر شد.کاربردهای مختلف این تکنیکها در فرایندهای مختلف صنعتی مانندشیمی، پتروشیمی، نفت و گاز و پالایشگاهها، صنایع آهن و فولاد و مواردی از این قبیل است

امروزه DCSها به عنوان یک ابزار اتوماسیون معمول در آمده اندکه از دیدگاههای مختلف می توانند تعابیر مختلفی داشته باشند. از نقطه نظر مهندسی پروسه این سیستم می تواند سبب بهبود میزان تولید و کیفیت تولید و ایمنی و قابل اطمینان و انعطاف پذیری بیشتر قسمتهای صنعتی و افزایش حوزه نظارت بر مراحل اجرای یک پروسه به کار گرفته می شود.

از دیدگاه مهندسی کنترل و کامپیوتر این فناوری حوزه ای است که کاربرد و رشد سریع تکنولوژی مخابرات و شبکه ها ی کامپیوتری در خدمت سیستمهای کنترلی را به نمایش می گذاردو حتی منجر به معرفی و اختصاص شبکه های کامپیوتری برای سرویس ها کنترلی شد که یک نمونه معروفCANیا(Control Area Network) است.

• مقدمه ای بر سیستم های کنترل
• ۱-۱کنترل و اتوماسیون
• ۲-۱مشخصات سیستمهای کنترل
• ورودیها
• خروجیها
• پردازش
• ۳-۱ انواع فرایندهای صنعتی
• فرایند تولید پیوسته
• فرایند تولید انبوه
• فرایند تولید اقلام مجزا
• ۴-۱ استراتژی کنترل
• کنترل§ حلقه باز
• کنترل§ پیشرو
• کنترل حلقه§ بسته (Field back)
• ۵-۱ انواع کنترلر ها
• ۱-۵- ۱کنترلر های ناپیوسته (گسسته)
• شکل۱-۵ :انواع کنترلر ها
• ۲-۵-۱ کنترلر های پیوسته
• کنترلر تناسبی: (Proportional)
• سیگنال خطا *Kp = خروجی
• کنترلر انتگرالی(Integral)
• کنترلر تناسبی – انتگرالی (PI)
• شکل ۲-۵ : کنترلر PI
• کنترلر تناسبی – مشتق گیر(PD)
• کنترلر PID
• شکل۳-۵ : کنترلر PID
• ۶-۱ سیر تکاملی کنترل کننده ها
• سیستم های کنترل نرم افزاری
• کنترل سیستم های بیولوژیکی
• ۱- تعاریف و کلیات
• شکل۲۱٫ کنترل حلقه بسته ‌دمای اتاق
• ۲- روش های کنترل
• ۲-۱- تبدیل لاپلاس
• جدول ۲٫ چند خاصیت مهم تبدیل لاپلاس
• ۲-۲- تابع تبدیل سیستم
• ۲-۳- نمایش سیستم با بلوک دیاگرام
• ۲-۴- سیستم های کنترل حلقه باز و حلقه بسته
• شکل ۶٫ سیستم حلقه باز و حلقه بسته
• ۲-۴-۱- حساسیت سیستم های کنترل نسبت به تغییرات پارامترها
• ۲-۴-۲- اغتشاش و نویز در سیستم کنترل حلقه بسته
• شکل ۷٫ بررسی اثر اغتشاش
• ۲-۴-۳- خطای حالت دائمی
• ۲-۴-۴- معایب سیستم حلقه بسته
• ۳- مشخصه های عملکرد سیستم کنترل
• ۳-۱- جبران سازی
• شکل ۱۰٫ جبران کننده متوالی
• 4 سیستمهای کنترل گسترده (DCS)
• ۱-۴ مقدمه
• ۲-۴ ایجاد سیستمهای کنترل گسترده (DCS)
• ۳-۴ ساختار سیستم های DCS