چگونه سیستم کنترلی طراحی کنیم؟

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، سیستم های کنترلی واقعی معمولا غیرخطی اند، ولی اگر بتوان کار آنها را با مدل های ریاضی خطی تقریب زد، می توان از روش های طراحی مدون شده ای استفاده کرد. از دید عملی، مشخصات عملکرد تعیین شده برای سیستم، روش طراحی را تعیین می کند.

اگر مشخصات عملکرد بر حسب مشخصات پاسخ گذرا و یا معیارهای حوزه فرکانس بیان شده باشد، چاره ای جز پیروی از روش های مکان هندسی ریشه ها و یا پاسخ فرکانسی وجود ندارد. اگر مشخصات عملکرد بر حسب شاخص های مبتنی بر متغیرهای حالت داده شده باشد، باید از روش های کنترل مدرن استفاده کرد. طراحی سیستم کنترل بر اساس رهیافت های مکان هندسی ریشه ها و پاسخ فرکانسی کاری مهندسی است؛ ولی در طراحی سیستم براساس نظریه کنترل مدرن (روش های فضای حالت) از فرمول بندی ریاضی مسئله و اعمال نظریه های ریاضی برای حل آن استفاده می شود، در این حالت سیستم می تواند چند ورودی چند خروجی، و حتی متغیر با زمان باشد.

در نظریه کنترل مدرن، شما می توانید با شروع از یک شاخص عملکرد و قیدهای تحمیل شده بر سیستم، با روشی کاملاً تحلیلی یک سیستم پایدار طرح کنید. شما می توانید سیستم کنترلی ایجاد نمایید که نسبت به یک شاخص عملکرد، بهینه باشد و این یکی از مزایای این روش می باشد. سیستم هایی که با روشهای سنتی می توانید طراحی نمایید، معمولاً سیستم های یک ورودی یک خروجی، خطی و مستقل از زمان هستند. شما می توانید با پیروی از الگوهای امتحان شده، سعی و خطا، تمام معیارهای عملکرد را برآورده نمایید.

پس از طراحی سیستم، آن را امتحان کنید تا ببینید سیستم طراحی شده مشخصه های مطلوب را دارا می باشد یا نه، در صورت منفی بودن جواب، فرآیند طراحی با تنظیم یک پارامتر یا تغییر آرایش تکرار شود تا سرانجام مشخصات مطلوب به دست آید. گرچه این روش طراحی یک روش سعی و خطاست ولی هوش و دانش مهندسی نقش مهمی در اجرای موفق این روش دارد.

معمولاً بهتر است سیستم طراحی شده در پاسخ به سینگال های ورودی، تا حد ممکن خطای کمی داشته باشد. از این لحاظ میرایی سیستم باید معقول باشد.

رفتار دینامیکی سیستم باید به تغییرات کوچک پارامترهای سیستم نسبتاً غیرحساس باشد. اغتشاش های نامطلوب باید به خوبی تضعیف شود. در حالت کلی بخش فرکانس بالا باید تضعیف شود تا نویزهای فرکانس بالا مانند (نویزهای حس کننده) تعضيف شوند. اگر فرکانس های نویز و اغتشاش معلوم باشد، برای حذف آنها می توانید از فیلترهای میان نگذر استفاده نمایید.


طراحی سیستم کنترلی

اگر طراحی سیستم معادل، انتخاب بین چند سیستم جایگزین باشد، گزینش را می توانید براساس ملاحظاتی چون عملکرد کلی، هزینه، حجم و وزن صورت دهید. در تجهیزات سیستم های کنترل صنعتی هدف، طراحی و پیاده سازی حلقه های کنترلی نظیر حلقه های کنترل دما، فشار، سطح و فلو در پروسه های صنعتی می باشد. بطور کلی مراحل طراحی و پیاده سازی حلقه های کنترل صنعتی برای کنترل رفتار معینی از پروسه های مختلف عبارتند از:

۱- شناخت صحیح و دقیق پروسه

۲- ارائه طرح اولیه از نحوۀ کنترل، شامل انتخاب کنترل کننده مناسب، طراحی کنترل کننده، انجام محاسبات

تئوری

٣- تعیین و سفارش خرید اجزاء و قطعات مورد نیاز برای پیاده سازی اولیه طرح براساس مشخصات مورد نیاز و با رعایت مسائل اقتصادی

۴- تصحیح طرح در صورت موجود نبودن برخی از قطعات و جایگزینی آنها با قطعات موجود

۵- نصب، راه اندازی و آزمایش اجزاء و قطعات

۶- راه اندازی سرد حلقه کنترل و انجام تنظیمات اولیه

۷- تصحیح طرح در صورت ناقص بودن و یا بروز اشکال

۸- راه اندازی گرم حلقه کنترل با رعایت موارد ایمنی و انجام تنظیمات نهایی

۹- تصحیح طرح در صورت بروز اشکال

۱۰- مستندسازی و ثبت مشخصات نهایی طرح و اجزاء

در شکل های زیر طرح تجهیزاتی کنترل دمای یک مخزن آمده است. در این طرح ابتدا دمای مخزن اندازه گیری شده و به کنترل کننده ارسال می شود. با مقایسه مقدار اندازه گیری شده (Process Value) با مقدار مطلوب (Set Point) سیگنال خطا تعیین می گردد. کنترل کننده بر اساس سیگنال خطا و تنظیمات انجام شده، فرمان کنترلی را به شیر کنترلی ارسال می دارد که در اثر آن شیر بخار تنظیم و دمای مخزن تصحیح می گردد.


هشدار دهنده ها

وقوع خطا، جزئی تفکیک ناپذیر از سیستم های کنترل صنعتی است. اعلام هشدار به هنگام وقوع خطا، سبب توجه و حساسیت بیشتر شما در مراقبت از اجرای صحیح پروسه ها می شود. آشکارسازی وقوع خطا به وسیله هشدار دهنده ها انجام می شود. در یک هشدار دهنده، وقوع هر خطا بوسیلۀ یک نشان دهنده اعلام می شود.

 

بطور کلی بسته به وضعیت وقوع خطا، سه هشدار متفاوت به شما داده می شود:

١- هشدارهای مربوط به خطاهای تأیید نشده

در این حالت هنگام وقوع خطا، نشان دهنده مربوطه به حالت چشمک زن روشن می شود، همچنین در این حالت وقوع خطا را می توان با تولید صدا نیز آشکار ساخت.


۲- هشدارهای مربوط به خطاهای تأیید شده و برطرف نشده

هنگامی که خطا تأیید شد اما شرایط وقوع خطا همچنان به قوت خود باقی است، هشدار دهنده از حالت چشمک زن به حالت روشنایی ثابت می رود.

٣- هشدارهای مربوط به خطاهای تأیید شده و بر طرف شده

وقتی که شرایط وقوع خطا رفع می شود آنگاه نور دائمی هشدار دهنده قطع می شود. یکی از مسائل مهم در طراحی سیستم های هشدار، گروه بندی خطاها است. بعنوان مثال یک سیستم ساده هیدرولیکی را در نظر بگیرید، وقوع خطا در هر یک از سه حالت توقف پمپ، کاهش فشار هیدرولیکی و کاهش سطح تانک بوسیله هشدار دهنده آشکار می شود.

هشدار خطای ناشی از توقف پمپ، سبب هشدار کاهش فشار هیدرولیکی می شود. از طرف دیگر پایین بودن فشار هیدورلیکی سبب توقف پمپ برای جلوگیری از وقوع صدمات و خسارات می شود. به طور مشابه هشدار پایین بودن سطح تانک سبب هشدار کاهش فشار و در نتیجه توقف پمپ می شود. اگر این هشدارها در یک گروه قرار بگیرند آنگاه هشدار ابتدایی نمایش داده می شود و از هشدارهای بعدی صرفه نظر می شود و یا در یک صف قرار می گیرند. آنگاه شما بدون گمراه شدن، می توانید مرجع وقوع خطا را بیابید.

ذخیره سازی اطلاعات مربوط به متغیرهای عملیاتی

یکی از مسائل مهم در طراحی سیستم های اتوماسیون، مستندسازی اطلاعات مربوط به طراحی و اطلاعات مربوط به پروسۀ در حال کار می باشد. در یک پروسه صنعتی مشغول بکار، حجم زیادی از داده و اطلاعات تولید می شود.

داده ها و اطلاعات مربوط به متغییرهای عملیاتی به منظور تحلیل عملکرد پروسه، تعیین میزان بازده و خروجی پروسه مورد استفاده قرار می گیرند. لذا ذخیره سازی و ثبت آنها از اهمیت بالایی برخوردار است. ذخیره سازی اطلاعات معمولاً توسط کامپیوترهای محلی و کامپیوتر اتاق کنترل مرکزی انجام می شود.

اما در صورتی که استفاده از کامپیوتر برای کنترل پروسه ممکن و یا ضروری نباشد، آنگاه از سیستم های صنعتی برای ذخیره سازی داده ها استفاده می شود. در طراحی یک سیستم صنعتی، برای ذخیره سازی داده ها موارد ذیل لحاظ می شوند:

۱- ذخیره مقادیر آنالوگ و دیجیتال یک پروسه در بازه های زمانی معمول

۲- بررسی شرایط وقوع هشدار و ذخیره سازی وضعیت پروسه در زمان وقوع هشدار

۳-ثبت حوادث و زمان وقوع آنها

داده های حاصله معمولاً روی یک لوح فشرده ذخیره می شوند و همچنین برای اطمینان پرینت می شوند و بدین وسیله یک مجموعه اطلاعات قابل دسترسی مجدد حاصل می گردد.

در بلوک شکل زیر دیاگرام یک سیستم ذخیره داده ها، نشان داده شده است. در این سیستم، داده های آنالوگ از طریق یک مالتی پلکسر خوانده می شوند و سپس از یک واحد نمونه گیری و ارسال می شود. داده های آنالوگ معمولاً به فرم (A/D) ذخیره و توسط مبدل های آنالوگ به دیجیتال، وارد سیستم ذخیره داده می شوند. سپس به کمک برنامه واحد کنترل، به واحدهای مهندسی نظیر درجه سانتیگراد تبدیل می شوند. برای انجام این تبدیل، ابتدا حدود بالا و پایین مشخص می شود، سپس از زیر برنامه خطی سازی استفاده می شود.



محرک ها و عناصر نهایی

آخرین عنصر حلقه کنترل یک پروسه، عنصر نهایی می باشد. یک حلقۀ کنترلی با اندازه گیری خروجی پروسه آغاز و با اعمال فرمان ورودی به پروسه توسط کنترل کننده پایان می پذیرد. فرمان کنترل کننده توسط عنصر نهایی به پروسه تحت کنترل ارسال می شود. در پروسه های صنعتی معمولاً از شیرها به عنوان عناصر نهایی استفاده می شود.

حرکت دادن عنصر نهایی مانند باز و بسته کردن یک شیر مستلزم مصرف انرژی می باشد. فرمانی که از کنترل کننده ارسال می شود یک سیگنال کنترلی است که معمولاً انرژی لازم برای حرکت دادن عنصر نهایی را ندارد. بنابراین این فرمان تقویت شده و به محرک اعمال می گردد، سپس محرک عنصر نهایی را به حرکت در می آورد. عنصر نهایی و محرک مربوطه، معمولاً بطور یکجا عرضه می شوند که شیرهای سلونوئیدی نمونه متداول آنها می باشند.

 

منبع: الیکا الکتریک