همواره به فکر استفاده از ابزارها و روشهایی است که نقایص فیزیکی و ذهنی خود را مرتفع ساخته و به یک تکامل نسبی در این خصوص نایل گردد و حداکثر بهره جویی را در مقاطع زمانی مشخص با هزیه کمتر و کیفیت بالاتر کسب کند.
استفاده از وسایل اندازه گیری و کنترل به منظور صرفه جویی در بکارگیری نیروی انسانی، افزایش دقت و در جهت تأمین ایمنی کارکنان و تأسیسات هر روز روند روبه رشدی دارد.
هرچندکه سیستمهای کنترلی نیوماتیکی و الکترونیکی ، در جهت عدم وابستگی،مناسب است اما بدلیل تکامل صنعت، دستگاههای قدیمی از رده خارج شده و استفاده از دستگاههای جدید کنترلی و هوشمند اجتناب ناپذیر می گردد.
امروزه با مطالعات و بررسیهای فراوان و پیشرفت در تکنولوژی دیجیتال و بهره گیری از پروتکل های مخابراتی، سیستمهای کنترل جدیدتری ارائه می گردد که امتیازات بیشتری نسبت به گذشته داشته و بسرعت جایگزین سیستمهای آنها می گردند.
در مجموع، بکارگیری کلیه عناصر ابزارها و جریانهایی که در فرایند یک صنعت منجر به افزایش بهره وری و یا بهینه سازی تولید محصول به هر لحاظ می گردد، پدیده ای است بنام اتوماسیون صنعتی ؛ که اهداف زیر را دنبال میکند:
1) بهینه سازی تولید محصول و یا جریان فرآیند
2) رعایت کلیه شاخص های استاندارد با استفاده از منابع آماری تجربی
3) بالا بردن حفاظت و امنیت سیستم، با استفاده از ابزارهای مناسب و برنامه ریزی شده
4) استفاده از ماشین آلات و تجهیزات بجای نیروی انسانی متخصص.
نقش نیروی انسانی در اجرای خودکار فرآیند که در تمام مراحل فقط کاربرد ماشین آلات و ابزار کنترلی و اپراتوری اجرای عملیات توسط دستگاههاست.
5) کاهش زمان در تصمیم گیری و کنترل فرآیند
6) کاهش هزینه در پژوهش، تولید و عملیات .
ابزار دقیق هوشمند
Intelligent Instrument
ابزارکنترلی خودکار یادر اصطلاح ابزاردقیق هوشمند، بطور کلی دارای اجزائی متنوع وبه هم پیوسته است که عبارتند از:
1)سنسورها وعملگرها
علاوه بر انتقال مقادیر اندازه گیری شده پارامترهای فرآیندی (کمیت های فیزیکی، شیمیایی، محیطی و...) و اجرای عملیات کنترلی، دارای مشخصات زیر می باشند:
- انتقال اطلاعات از اجزاء سیستم به صورتی که قابل پردازش باشد
- اعلام هر گونه خرابی درحسگر و اشکال در خطوط انتقال اطلاعات
- اعلام بروز اشکال در تغذیه سیستم و یا ریز پردازنده
- قابلیت پردازش و برنامه ریزی شدن از راه دور
- امکان برقراری ارتباط با دیگر ابزار کنترلی و اجرای یک سیستم کنترل گسترده
2 ) کنترل کننده های منطقی قابل برنامه ریزی
(Programmable logic Controller )
برخی از اهداف طراحی سیستمهای کنترل قابل برنامه ریزی به قرار زیر می باشند:
- استفاده از قابلیت ها و توانمندیهای ریز پردازنده ها در کنترل فرآیند
- انتقال کنترل ازسطح سخت افزار به نرم افزار
- انجام عملیات کنترلی در زمان حقیقی (REAL TIME)
- افزایش سرعت پردازش و کنترل سیگنالای کنترلی (SCAN TIME) با قابلیت تکرار
- افزایش قابلیت اعتماد (RELIABILITY)
- کاربری آسان (USER FRIENDLY)
- سادگی در ویرایش و یا افزایش مراحل کنترلی فرآیند
- سادگی در توسعه سیستم کنترلی
با رشد تکنولوژیکی ریز پردازنده ها و نرم افزارهای کنترلی متناسب با ماهیت کنترلی فرآیندها ، ماشین آلات و شرایط اقتصادی اجرای پروژه های صنعتی، کنترل کننده های مختلف قابل برنامه ریزی توسط سازندگان مختلف ارائه گردیده است که در جدول زیر برخی از مشخصات این تجهیزات جهت مقایسه آورده شده است
3) سیستمهای نمایش، سوپر و ایزری و مدیریت ساده ترین شکل یک سیستم نمایش و سوپرو ایزری استفاده از یک کامپیوتر مجهز به امکانات سخت افزاری و نرم افزاری لازم جهت برقراری ارتباط با کنترل کننده ها نمایش مقادیر پارامترها و وضعیت تجهیزات و ماشین آلات و همچنین بهره برداری از آنها می باشد.
انواع آن عبارتنداز: سیستمهای نمایش و جمع آوری اطلاعات (MS & DAS = MONITORING SYSTEM & DATA ACQUISATION SYAATEM) سیستمهای کنترل گسترده (DSC = DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM) سیستمهای جم آوری اطلاعات و کنترل از راه دور SCADA= SUPPERVISORY CONTROL AND DATA ACQUISATION)) در صورتیکه هدف از طراحی یک سیستم کنترل، اجرای یکپارچه کنترل کارخانه یا مجتمع باشد نیاز به یک سیستم کنترل هوشمند با تقسیم بندی وظایف در سطوح مختلف مدیریتی، بهره برداری، مهندسی، تعمیرات و نگهداری، انبارداری، بسته بندی، بارگیری و..
است.
در اینصورت باید سیستم کنترل و بصورت یک شبکه کنترل هوشمند که متشکل از اجزاء سیستم کنترل و کانال تبادل و مخابره اطلاعات (COMMUNICATION) بین آنهاست مورد مطالعه قرار دارد.
در سطوح بالای کنترلی (نمایش، سوپروایزری، مدیریت) با وجود PCها، سیستم های عامل شبکه، نرم افزارهای خاص پردازش و مدیریت اطلاعات و همچنین پروتکل ها و استاندارهای تبادل اطلاعات (… INTERNETT- ETHERNET- TCP/IP) در ایجاد شبکه های کامپیوتری، دستیابی به شبکه کنترلی آسان می باشد.
آنچه در شبکه های کنترلی حائز اهمیت است وجود یک استاندارد مخابراتی و تبادل اطلاعات در سطوح پایین کنترلی (فیلد و کنترل کننده ها) است.
در این خصوص سازندگان مختلف سیستمهای کنترلDCS هر یک پروتکل خاصی را ارائه داده اند (بطور مثال زیمنس پروتکل SINEC ،آلن برادلی پروتکل DHو AEG پروتکل MODBUSرا ارائه کرده اند) .
این پروتکل های خاص سبب ایجاد محدودیت استفاده از تجهیزات یک سازنده ، در سیستمهای کنترل DCS میگردد.
برای رفع این اشکال سازندگان تجهیزات ابزار دقیق و کنترل با تشکیل کمیته ها وکنسرسیومهایی اقدام به تعریف و ایجاد استانداردهای مخابراتی مشترک در سطح تجهیزات فیلد و کنترل کنندهها نموده اند.
پروتکلهای(ACTUATOR SENSOR) MANUFACTURING AUTOMATION PROTOCOL) (MAP= و FIELDBUS)، INTERFACE) نتیجه این همکاریهاست.
با طراحی سیستمهای کنترل میدان گرا (FIELDBUS CONTIROL) تحول جدیدی در سیستمهای کنترل فرآیند بوجود آمده است.
این سیستمها یک شبکه محلی ابزار دقیق (LAN INSTRUMENT) برای کنترل فرآیند واحدهای عملیاتی را تعریف می کنند.
این شبکه های محلی دیجیـتال می توانند حجم بسیار زیادی اطلاعات فرآیندی و همچنین اطلاعات مربوط به سخت افزارهای مربوط به آنها را در اختیار کاربر قرار دهند.
از انواع مختلف این شبکه های محلی ابزار دقیق، پروتکل شبکه محلی فاندیشن (FOUNDATION FIELDBUS) می باشد که با همکاری 140 شرکت بزرگ صنعتی که بیش از 90% تجهیزات کنترل و ابزار دقیق را درسراسر جهان تولید می کنند معرفی گردیده و از جایگاه خاصی برخوردار است.
ویژگیهای این شبکه عبارتند از: ایمنی ذاتی (INTRINSIC SAFTY) استفاده از یک زوج سیم برای ارسال اطلاعات مربوط به چندین دستگاه (MULTIDROP WIRING) استفاده از یک زوج سیم مربوط به تبادل اطلاعات برای تغذیه الکتریکی تجهیزات تبادل حجم زیادی از اطلاعات فرآیندی و همچنطن اطلاعات مربوط به سخت افزار (ابزار دقیق کنترل فرآیند) انجام عملیات کنترل PID و INTERLOCKING در محل نصب تجهیزات انتقال دو طرفه اطلاعات بین تجهیزات فیلد ومرکز کنترل ارائه اطلاعات مربوط به شرایط محیطی، وضعیت (STATUS)، پارامترهای تنظیم و تاریخ تنظیم تجهیزات به کاربر.
کاهش هزینه ها (30% کاهش نسبت به سیستمهای DCS) سادگی در نصب و عیب یابی سیستم قابلیت توسعه نامحدود سیگنالهای ورودی اثرعملکرد انواع سوییچها و کنتاکتها و دگمه های فشاری بوده و همچنین سیگنالهای خروجی شیرها، سولونوئیدها، موتورها و غیره را عمل می دهد.
طرح سیستم PLC PLC از چهار واحد اصلی تشکیل میشود.شمای کلی و نحوه ارتباط آنها نشان دیده میشود.
1- واحد پردازنده مرکزی : که از سه قسمت زیر تشکیل یافته است: الف) پردازشگر: که مرکز رایانه بوده وظیفه آن انجام محاسبات منطقی است.
ب) حافظه: قسمتی از CPU که اطلاعات و برنامه کنترل در آن ذخیره می شود.
علاوه بر این برنامه ، سیستم عامل که کارش مدیریت کلی بر PLC است در حافظه قرار دارد.
CPU یا واحد پردازش مرکزی در حقیقت قلب دستگاههایPLC همچنین DCS و کامپیوترهای فرآیندی بشمار می رود که اعمال منطقی و کارهای محاسباتی در این واحد صورت می گیرد و کار آن دریافت اطلاعات از ورودیها، پردازش این اطلاعات مطابق دستورات برنامه و صدور فرمان هایی است که بصورت فعال کردن خروجیها وغیر فعال کردن آنها(صفر ویک شدن)صورت میگیرد.
در PLC های کوچکتر، حافظه های نیمه هادی، مدولهای I/O و منبع تغذیه در یک واحد جای داده شده اند.
در PLC های بزرگتر، پردازنده و حافظه در یک واحد، منبع تغذیه در واحد دوم و واسطه ها (مدولهای I/O) در واحدهای بعدی قرار دارند.
اغلب CPUها مجهز به یک باتری پشیبان (BACK UP) هستند.
بنابراین اگر تغذیه ورودی قطع شود و متعاقبا منبع تغذیه نتواند ولتاژ سیستم را تأمین کند باتری پشتیبان برنامه ذخیره شده در RAM را حفظ می کند.
هر چه فرآیند تحت کنترل PLC پیچیده تر باشد، حافظه بیشتری مورد نیاز است.
همانطوریکه در شکل مشاهده می نمایید، پردازنده قسمتی از CPU است که وظیفه آن دریافت تحلیل، پردازش و ارسال داده ها بصورت دیجیتال است.
" پردازنده" ج) منبع تغذیه : ولتاژ متناوب خط را به ولتاژ مستقیم با مقادیر مختلف مورد نیاز PLC تأمین می کند.
این ولتاژ معمولاً +5،-5،+12،-12،24 ولت میباشند.
قسمتهای مختلف آن عبارتند از: 1-واحد بهسازی ACکه شکل موج AC خروجی را در صورتیکه در اثر کلیدزنی و یا مسائل فنی ژنراتور دچار اعوجاج شده باشد تصحیح می کند .
- قسمت یکسو ساز (RECTIFIER) که وظیفه تبدیل موج AC به DCضرباندار را دارد.
و همراه یک فیلتر است که عمل ضاف کردن تغییرات موج DC ضرباندار را به عهده دارد.
2- واحد تنظیم کننده (REGULATOR) است که ولتاژ مورد نیازرا ثابت نگه می دارد.
3- سوییچ باطری پشتیبانی که می تواند منبع انرژی الکتریکی (باطری ذخیره) را به محض قطع شدن منبع تغذیه در مدار قرار دهد.
2- برنامه مونیتور (PROGRAM MEMORY) PM ابزار برنامه نویسی، صفحه کلیدی است که دستور العملهای برنامه توسط کاربر ، روی آن ثبت می شوند.
مونیتور هم در در واقع یکی از خروجی هاست که اطلاعات وارد شده با اطلاعات عملیاتی روی آن نشان داده می شوند.
3- مدولهای ورودی و خروجی (I/O): مدول ورودی: دارای ترمینالهایی است که از طریق آنها کاربرد سیگنالهای الکتریکی خارجی را وارد PLC می کند و محل دریافت اطلاعات فرآیندی است.
مدولای ورودی میتوانند، انواع سیگنالهای ارسالی از دستگاهها و تأسیسات را از دگمه های فشاری (P.B)، سوئیچهای فشاری، سوئیچهای دما، سوئیچهای ارتفاع مایعات، ترموکوپلها، RTDها و سینگالهای ON/OFF و کنتاکتهای NO/NC در ولتاژهای 12، 18، 24، 36، 60، 110،220 دریافت دارند.
بسته به حجم تأسیسات و تعداد سیگنالهای دیجیتال موجود در تأسیسات ممکن است تعداد کارتهای ورودی در یک سیستم PLC را کم و زیاد نموده و ر کارت ورودی دیجیتال می تواند 8،16،32 سیگنال ورودی را دریافت و به سیستم کنترل PLC تغذیه نماید.
برخی از مدلهای PLC قادر هستند سیگنالهای آنالوگ 0-10Vdc و و 4-20mAv را از خروجی ترموکوپلها RTD ها و پتانسیومترها دریافت ، و به سیستم پردازش PLC ارسال نماید.
تمام ترمینالهای یک MODULE دارای مدار یکسان هستند.
بلوک اولیه ، سیگنالهای ورودی را از سوئیچها، حسگرها و غیره دریافت می کند.
سیگنالهای AC در واحد مبدل DC که به یکسو ساز و وسایلی برای کاهش سطح ولتاژ مجهز است، به سیگنالهای DC تبدیل می شوند.
مدول خروجی: این قسمت محل صدور فرمانهای PLC است.
هر خروجی از لحاظ منطقی می تواند مقادیر یک (فعال) و صفر (غیر فعال) را داشته باشد.
این سیگنالها به تقویت کننده های قدرت یا مبدلهای ولتاژ ارسال می شوند تا به یک ماشین یاکنتاکتور فرمان دهد تا حرکت مکانیکی مناسب را ایجاد نماید.
مدولهای خروجی از نظر ساختمان داخلی و مدارات الکترونیکی مشابه با مدولهای ورودی می باشدو به گونه ای برعکس مدول ورودی کارمی کنند .
پاره ای از سازندگان PLC مدولهای خروجی و ورودی یکسان و مشابهی را در سیستم خود نصب کرده اند.
یک سیگنال DC که از CPU ارسال می شود در هر مدول خروجی به سیگنال الکتریکی با سطح ولتاژ مناسب به صورت AC یا DC که توسط دستگاهها قابل استفاده می باشد، تبدیل میشود.
هر خروجی دیجیتال ترانزیستوری می تواند تاm A 500 در 24 ولت را به طور مداوم تغذیه کند و طوری طراحی شده که می تواند جریان یک بابت خروجی را تا 2000 تأمین کند.کنتاکتهای باز و بسته رله های خروجی دیجیتال معمولاً به شکلهای متنوعی در دسترس است.
مدول خروجی در هر پویش از CPU ، سیگنال دریافت می کنند.
اگر کد ارسال شده از CPU با شماره اختصاصی داده شده به آن مدول یکسان باشد آن مدول روشن می شود.و اگر در حین پویش خروجی، هیچ سیگنال تطبیقی دریافت نشود، ترمینالها تحریک نمی شوند.
سیگنال تطبیقی دریافت شده از CPU ، به طبقه جداساز می رود.
مجدداً در خروجی نیز واحد جداساز برای جلوگیری از بازگشت شوک الکتریکی از دستگاههای خروجی و جلوگیری از آسیب رسیدن به CPU قرار دارد.
سپس خروجی جداساز به مدارهای کلیدزنی یا رله خروجی فرستاده می شود.
عمل کلیدزنی متناوب معمولاً به استفاده از ترایاک انجام می شود.
خروجی هر مدول می تواند از یک رله به صورت ACیا DCگرفته شود.
مدولهای خروجی دیجیتال برای انرژایز