PID Controller

مقدمه

در این فصل به بررسی انواع سیستم های صنعتی در یک دید کلی پرداخته شده و مفاهیم سیستم حلقه باز و سیستم حلقه بسته توضیح داده می‌شود قبل از بررسی انواع سیستم های صنعتی آشنایی با مفاهیم پرکاربرد در کنترل صنعتی ارائه می شود. (PID Controller)

آشنایی با مفاهیم پرکاربرد در کنترل صنعتی

در این بخش مفاهیم پرکاربرد صنعتی که از آن در این مقاله استفاده شده است ارائه می‌شود آشنایی با این مفاهیم برای دانشجویان و متخصصین صنایع از اهمیت خاصی برخوردار بوده و کمک زیادی به فهم مطالب مربوط به PID Controller و سایر متفاوت های کنترل می نماید

Process

پروسه یا فرایند اشاره به روش ها و متدهای دارد که با تغییر در مواد خام یافت است اصلاح آنها باعث تولید محصول نهایی می شود. مواد خام در ضمن فرایند ممکن است به صورت مایع، گاز، جامد و یا ترکیبی از موارد فوق در آیند. همچنین ممکن است مواد خام تحت تاثیر گرما یا سرما قرار گرفته با سایر مواد ترکیب شوند فیلتر شوند یا در شرایط دیگر قرار گیرد تا محصول نهایی تولید شود نکته مهمی که در طوسی صنعتی وجود دارد استفاده از کمیت های فیزیکی پیوسته مانند دما، فشار، ارتقاع سطح،  فلو و…  در فرایند است در شکل زیر یک پروسه گرمایشی ترکیب گاز و هوا به منظور تولید برق و نیز تولید انواع گازهای  مختلف نشان داده شده است .( PID Controller )

برخی از پروژه های صنعتی متداول شامل صنایع شیمیایی صنایع نفت و گاز صنایع غذایی و نوشیدنی صنایع دارویی و صنایع مرتبط با فلزات از قبیل فولاد مس و…  و می باشد.

Process control

منظور از کنترل فرایند متفاوت ها و روش های که به منظور کنترل متغیرهای موجود در فرایند در زمان تولید محصول استفاده می شود به عنوان مثال دمای یک محصول فشاری که باید یک ماده تحت آن قرار گیرد میزان ارتفاع سطح در یک مخزن و… از جمله متغیرهای فرایندی هستند که باید تحت کنترل قرار گیرد در اصطلاحات کنترلی منظور از کنترل فرایند انجام کنترل در فرایند هایی است که اکثر متغیر های تحت کنترل متغیرهای پیوسته از قبیل  دما، فشار، سطح، فلو و… و می باشند.

لوپ و کنترل لوپ

 منظور از لوپ یک سیستم حلقه بسته متشکل از سیستم کنترل سنسور و عملگر است. منظور از کنترل لوپ تنظیم یک کمیت فیزیکی( از قبیل دما، فشار، فلو،  سطح و…) در یک مقدار دلخواه است به عنوان مثال در شکل زیر یک لوپ کنترل اول نشان داده شده است.

Process Variable

منظور ازProcess Variable( PV) یک متغیر فیزیکی فرایندی است که می‌تواند در طول فرآیند تغییر نماید. در پروسه صنعتی تعداد زیادی Process Variable  وجود دارد که باید در طول زمان تولید محصول نهایی به شیوه صحیح کنترل شود. برخی از متغیرهای پرکاربرد فرایندی عبارتند از:

•  دما
•  فشار
• ارتفاع سطح
• فلو
• چگالی
• قابلیت اسیدی و قلیایی
• جرم
• سرعت

Set Point 

منظور از Set Point  مقدار مطلوب یک کمیت فرایندی است که باید آن کمیت در این مقدار قرار گیرد. مثلا اگر Set Point  کنترل دما برابر ۸۰ درجه سانتیگراد قرار داده شود یعنی باید دما به نحوی کنترل شود که برابر ۱۸۰ درجه سانتیگراد شود. Set Point  و PV  از جمله کمیت های مهم در کنترل لوپ محسوب می شوند

Measured variable

منظور ازMeasured variable  متغیری است که به منظور انجام صحیح کنترل یک کمیت فرایندی باید اندازه گیری شود مثلاً در یک پروسه کنترل دما مقدار دمای مخزن اندازه گیری می شود که به آن Measured variable  یا متغیر اندازه گیری شده گفته می شود.

 در بسیاری از مواردMeasured variable ، PV یک کمیت هستند. مثلاً در کنترل دمای یک مخزن دما هم اندازه گیری و هم کنترل می شود در برخی از فرایند ها Measured variable   و PV  دو کمیت فیزیکی متفاوت هستند مثلاً در یک پروسه ای که کنترل سطح از اندازه گیری فلو صورت می پذیرد،   سطح به عنوان PV  و فلو به عنوانMeasured variable محسوب می شود.

Manipulated Variable

 منظور از Manipulated Variable  متغیر یا عاملی است که باعث تغییر در مقادیر فرایندی به منظور رساندن آن به مقدار Set Point میشود.  معمولاً فرمان کنترلر که به عملکرد ارسال میشود به عنوان Manipulated Variable  شناخته می شود.

Error 

میزان اختلاف بین Set point  وPV  است  که در حقیقت بیانگر میزان خطایی است که در تنظیم یک کمیت فرایندی وجود داشته و باید فرمان کنترل به گونه‌ای تنظیم شود که آن را جبران نماید.  برای Error  چند خصوصیت مهم می توان در نظر گرفت که عبارتند از:

•  اندازهError : منظور از آن میزان اختلاف بین SP وPV  است
•  مدت زمان Error:  مدت زمانی است که Error  در سیستم باقی می ماند
• Offset : میزان Error  ثابت باقی مانده در سیستم یا همان خطای ماندگار

Load Disturbance 

منظور از آن تغییر نامطلوب در یکی از عواملی است که می‌تواند روی مقدارPV تاثیر بگذارد. این عامل باعث تغییر نامطلوب مقدارPV شده و افزایش Error  در سیستم را به دنبال دارد. به عنوان مثال در یک پروسه تنظیم دمای محصول دمای محصول ورودی به سیستم از جمله موارد Load  برای کنترل دما محسوب می شود.

Control Algorithm

منظور از آن الگوریتم ریاضی مورد استفاده در سیستم به منظور انجام کنترل است دو الگوریتم متداول صنعتی عبارتند از الگوریتم حلقه باز و الگوریتم  حلقه بسته خود به روش های متفاوت قابل پیاده سازی است

 کنترل Manual  و Automatic

 منظور از کنترل منوال کنترلی است که با دخالت مستقیم انسان صورت می پذیرد مثلاً در یک لوپ تنظیم دما اپراتور سیستم در صورت افزایش یا کاهش دما میزان درجه هیتر را تنظیم می نماید به این نوع کنترل کنترل منوال گفته می شود

 منظور از کنترل اتوماتیک کنترلی است که بدون دخالت مستقیم انسان صورت می پذیرد در این حالت کنترل، کنترل فرآیند مورد نظر را مطابق الگوریتم طراحی شده برای آن انجام میدهد

 معمولاً اکثر کنترلر های صنعتی دارای دو حالت کار ایمن و اتوماتیک هستند که در حالت منوال مقدار MV  توسط اپراتور سیستم تعیین شده و در حالت اتوماتیک و فرمان توسط الگوریتم موجود در کنترل تولید میشود

سنسور

 سنسو وسیله ای است که می تواند مقدار یک کمیت فیزیکی را اندازه گیری نماید. از آنجایی که سنسور در یک کیلو کنترل به عنوان اولین وسیله به منظور اندازه گیری PV مورد استفاده قرار می گیرد  به آن المان ابتدایی  نیز گفته می شود. برخی از سلسله های متداول در صنعت  عبارتند از:

•  انواع سنسورهای اندازه گیری فشار
•  سنسورهای اندازه گیری دما
•  سنسور های اندازه گیری سطح
•  سنسور های اندازه گیری فلو

 Transducer

وسیله ای است که می تواند یک تغییر مکانیکی را به سیگنال الکتریکی تبدیل نماید به عنوان مثال در یک سنسور اندازه گیری فشار از نوع خازنی ترس می تواند تغییر در فشار را به تغییر در ظرفیت خازنی تبدیل نمایند معمولاً این وسیله درون سنسور تعبیه می‌شود.

Convertor

کانورتور یا مبدل وسیله ای است که می تواند یک نوع نان را به نوع دیگر تبدیل کند مثلاً یک سیگنال ولتاژ را به یک سیگنال جریانی تبدیل نمایند. عنوان‌مثال مبدل I/P  در وزنه های پنوماتیکی می تواند سیگنال جریانی ۴ تا ۲۰ میلی آمپر را به سیگنال پنوماتیکی سه تا ۱۵ PSI  تبدیل نماید.

Transmitter 

وسیله ای است که سیگنال دریافت شده از سنسور یا ترانسدیوسر را به یک سیگنال استاندارد تبدیل نموده و آن را برای سیستم کنترل ارسال می‌کند برخی از رزمی طرح های متداول صنعتی عبارتند است

• ترانسمیتر فشار
•  ترانسمیتر فلو
•  ترانسمیتر دما
•   ترانسمیتر ارتفاع
•  ترانسمیتر  آنالایزر

توجه: در سنسورهای نوین صنعتی سنسور  ترانسدیوسر و ترانسمیتر  در قالب یک مجموعه تحت عنوان ترانسمیتر ارائه می شود.

انواع سیگنال های کنترلی در صنعت

 در انواع پروژه های صنعتی سه نوع متداول سیگنال کنترلی مورد استفاده قرار می‌گیرد این سیگنال ها عبارتند از:

•   سیگنال پنوماتیکی
•  سیگنال آنالوگ
•  سیگنال دیجیتال

 پنوماتیک سیگنال

 پنوماتیک سیگنال ای است که در اثر تغییر فشار هوای درون یک لوله ایجاد میشود سیگنال پنوماتیک استاندارد مورد استفاده در صنعت سیگنال سه تا ۱۵ psi است ست که معمولا برای کنترل برد های پنوماتیکی استفاده می شود.

 سیگنال آنالوگ

 آنالوگ پیوسته سیگاری است که دارای تغییرات پیوسته در یک بازی مشخص می باشد.  متداول ترین سیگنال آنالوگ استاندارد مورد استفاده در صنعت سیگنال ۴ تا ۲۰ میلی آمپر است که می‌تواند از آن سنسور های آنالوگ دریافت شود. منظور از سنسور آنالوگ سنسور هایی است که به منظور اندازه گیری کمیت های فیزیکی پیوسته از قبیل دما فشار ارتفاع فلو و…  استفاده می شوند. یکی دیگر از انواع سیگنالهای آنالوگ استاندارد سیگنال ۱ تا ۵ ولت است. ( PID Controller )

 سیگنال دیجیتال

 سیگنال دیجیتال یک سیگنال دو حالت است که دارای دو حالت  و وصل و قطع می باشد. پرکاربردترین نوع سیگار دیجیتال مورد استفاده در صنعت سیگنال ۲۴ ولت می باشد.

 نمایشگرها.

 نمایشگر وسیله ای است که از آن برای نمایش مقدار یک کمیت فرایندی از قبیل دما فشار و…  استفاده می شود. در برخی از موارد نمایشگر به عنوان یک وسیله مستقل و مجزا از سیستم کنترل و مانیتورینگ ارائه می شود. در سیستم‌های نوین نمایشگر در درون بخش مانیتورینگ سیستم تعبیه می گردد در برخی از موارد نیز سنسور یا کنترل دارای نمایشگر بوده و می تواند برخی از کمیت ها را نشان می دهد. ( PID Controller )

Recorder

وسیله ای است که می تواند سیگنال خروجی یک سنسور را ثبت نمایند در سیستم های قدیمی ثبت کننده در قالب یک وسیله مجزا از سیستم کنترل ارائه می‌شد ولی امروزه این وظیفه در درون سیستم کنترل تعبیه شده و می توان مقادیر ثبت شده را از محیط مانیتورینگ در قالب Trend  نمایش داد. ( PID Controller )

Controller 

سیستم کنترل می‌تواند مطابق الگوریتم موجود در آن برنامه خاص را اجرا و یک یا چند کمیت فرایند را کنترل نماید سیستم کنترل می تواند یک Signal Loop Controller یا یک سیستم DCS  با توانایی کنترل چندین دور باشد. ( PID Controller )

برخی از سیستم های کنترل نوین صنعتی عبارتند:

PLC: کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی است که می‌تواند مطابق برنامه درون کنترل فرایند را انجام دهد استفاده از PLC برای کنترل چند لوب مناسب است ولی در صورت افزایش حجم ورودی ها و خروجی ها و تعداد لوپ ها بهتر است از سیستم DCS  استفاده شود .

DCS: سیستم کنترل توزیع شده است که می تواند متشکل از چندPLC چند با مدلهای خاص و سیستم مانیتوری با ارتباط شبکه بین آنها باشد این سیستم توانایی اجرای وظایف کنترلی پیچیده تری نسبت بهPLC را دارا بوده و نیز دارای امکانات مانیتورینگ بیشتری است