آموزشی

کنترل فرایند

کنترل فرایند

کنترل فرایند

مفاهیم پایه ای کنترل

اکثر سیستم های کنترل فرایند شامل یک حلقه ی کنترل مانند شکل زیر می باشد که شامل جز اصلی می باشد:کنترل فرایند
  1. اندازه گیری وضعیت یا شرایط فرآیند
  2. یک کنترل کننده که مقدار اندازه گیری شده را با یک مقدار از پیش تعیین شده یا مورد نظر(نقطه ی تنظیم یا مرجع) مقایسه می کند واختلاف دو مقدار را اندازه گیری می کند.
  3. یک سیگنال خروجی از کنترلر که نتیجه ی محاسبات کنترلر می باشد از طریق چند عملگر برای اداره کردن رفتار فرایند مورد استفاده قرار می گیرد.
  4. فرایند به سیگنال خروجی از عملگر وکنترلر عکس العمل نشان می دهد وحالت ها وشرایط خود را تغییر می دهد.

متغیر کنترل

اغلب دونوع سیگنال بسیار مهم در کنترل فرایند مورد استفاده قرار می گیرند:
  1. متغیرهای فرایند یا PV
  2. متغیر تحت کنترل یا MV
یاد آوری:متغیر (variable) هر عامل، خصیصه یا شرطی است که با مقادیر یا انواع مختلف در گروهی از افراد یا اشیاء وجود دارد. معمولا یک آزمایش یا تحقیق دارای سه نوع متغیر اصلی است که شامل متغیرهای مستقل، وابسته و متغیرهای کنترل شده می باشند. بنابراین در یک تعریف ساده می توان متغیر را هر ویژگی قابل اندازه گیری دانست که تغییر می کند.
در کنترل فرایند صنعتی ،متغیر های فرایند یا PV توسط یک ابزاری که در قسمت فیلد فرایند قرار دارد اندازه گیری می شود و سپس این متغیر اندازه گیری شده به عنوان ورودی یک کنترلر اتوماتیک که بر اساس ارزش این متغیر ورودی اقدام می کند اعمال می گردد وهمچنین می توان PV را به عنوان یک ورودی صفحه ی نمایش داده در نظر گرفت که در این صورت اپراتور می تواند با خواند مقدار متغیر فرایند ورودی به صفحه نمایش به صورت دستی فرایند رو کنترل بکند و بر روی فرایند نظارت داشته باشد. متغیری که به منظور کنترل متغیر فرایند مورد استفاده قرار می گیرد متغیر  Manipulated Variable یا متغیر کنترل شده ویا به اختصار MV نامیده می شود.برای مثال اگر ما یک قسمت خاصی از فلو را کنترل کنیم به این معنی است که یک ولو که برای کنترل فلو است را دستکاری و یا کنترل می کنیم.در این حالت موقعیت ولو ، متغیر کنترل شده (MV)نامیده می شود .

اصول سیستم های کنترل

برای انجام یک کنترل موثر بر روی فرایند ،نیاز داریم بدانیم که ورودی کنترلی که ما آن را برای اعمال اثر در خروجی فرایند در نظر گرفتیم چگونه بر سیگنال خروجی تاثیر می گذارد.ما اگر بخواهیم شرایط ورودی رال تغییر دهیم نیاز داریم که موارد زیر را بدانیم:
  1. آیا خروجی افزایش می یابد با کاهش می یابد؟
  2.  بعد از اعمال تغییرات در شرایط اولیه ، چقدر طول می کشد تا سیستم پاسخ دهد؟
  3. منحنی ویا مسیر خروجی چگونه تغییر می کند؟
برای اینکه بتوانیم به این سوالات با دقت بالاتری پاسخ دهیم ابتدا باید یک مدل ریاضی را بین ورودی و خروجی انتخاب شده درنظر بگیریم وبا بدست بیاوریم.طراحان کنترل فرایند از یک تکنیک بسیار مفید از مدل بلوک دیاگرام برای ارائه ی فرایند وسیستم کنترل آن استفاده می کنند.بخش زیر به توضیح شرایطی می پردازد که باید در اکثر حلقه های کنترلی عملیاتی مورد استفاده قرار بگیرد.شکل زیر فرایند یک کارخانه را نشان می دهد که توسط یک ورودی وخروجی ارائه شده است. کنترل فرایند
یاد آوری:ورودی های کنترل را متغیرهای کنترل شده ویا  Manipulated Variable نیز می نامند و خروجی ،متغیرهای فرایند هستند که باید کنترل بشوند.
در شکل بالا، ما شاهد یک سیگنال کنترل کننده هستیم که به صورت یک ورودی به فرآیند اعمال می شود، که به عنوان متغیر کنترل شده نیز شناخته می شود. ما سعی می کنیم که با تغییر ورودی ،خروجی فرآیند را به یک مقدار خاص یا نقطه تنظیم با  هدایت کنیم. خروجی ممکن است تحت تاثیر عواملی و شرایط دیگری در فرایند باشد که از این شرایط می توان به موارد گوناگونی مانند عوامل بیرونی مانند تغییر فشار یا کیفیت مواد استفاده شده در فرایند اشاره کرد که تمام این موارد به عنوان ورودی های اغتشاش یا disturbance inputs محسوب می شوند و ما برای اینکه بتوانیم خروجی با پاسخ زمانی بهتر ودقت بالاتر داشته باشیم باید این تاثیر این ورودی ها بر فرایند را تا حد بسیار زیادی کاهش دهیم.چالش اصلی طراحان کنترل فرایند این است که متغیرهای فرایند کنترل شده را را در مقدار هدف نگه دارند و یا به صورتی تغییر دهند که نیاز های تولید را براورده کنند که این دو مورد تنها در صورتی قابل دستیابی  خواهد بود که بتواند کنترل خوبی بر ورودی های اغتشاش داشته باشد .برای مثال ،اگر ما بخواهیم ارتفاع آب در داخل تانک را در حالی که تانک خروجی دارد در یک ارتفاع ثابت نگه داریم ،ما باید جریان ورودی به تانک را کنترل کنیم آب را در ارتفاع مورد نظر در داخل تانک نگه داریم.ارزش یک مدل فرایند این است که این مدل فرایند وسیله ای برای نشان دادن پاسخ خروجی به تغییرات ورودی می باشد.این کار با داشتن یک مدل ریاضی بر اساس قوانین فیزیکی و شیمیایی که بر روند آن تاثیر می گذارد، انجام می شود.به عنوان مثال در شکل زیر ،یک مخزن باز با سطح مقطع A را درنظر بگیرید که با جریان آب با دبی Q1 که می تواند کنترل و یا دستکاری شود پر می شود.اب خروجی از مخزن با دبی Q2 از یک ولو با مقاومت R عبور میکند . سطح آب یا فشار  در بالای مخزن را با H مشخص میکنندو همچنین می دانیم که  Q2 با افزایش H افزایش می یابد و زمانی که Q2 برابر با Q1 باشد مخزن در حالت پایدارهست.کنترل فرایندبلوک دیاگرام فرایند بالارا می توان به صورت زیر درنظر گرفت:کنترل فرایند

پایداری

یک سیستم کنترل حلقه بسته پایدار است اگر هیچ نوسان مداوم ومتناوبی نداشته باشد.سیگنال های نویز واغتشاش می توانند به عنوان یک روتد متفاوت ظاهر شوند اما هرگزنباید با ناپایداری و بی ثباتی حلقه اشتباه گرفته شود.معیارهای ثبات حلقه دو شرط زیر می باشد :
  1. گین حلقه (KLOOP) برای فرکانس بحرانی کمتر از 1 باشد
  2. شیفت فاز حلقه برای فرکانس بحرانی کمتر از 180 درجه باشد.

حالت های کنترل

پنج حالت اصلی از کنترل در کنترل فرایند مورد استفاده قرار می گیرد که عبارتند از:
  1. On-Off
  2. Modulating
  3. Open Loop
  4. Feed Forward
  5. Closed loop
که در زیر به طور خلاصه به توضیح هرکدام می پردازیم.

On-Off control

قدیمیترین استراتژی برای کنترل همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، استفاده از یک سوئیچ ساده کنترل  on-off است. On-Off control یک شکل ناپیوسته از کنترل است که به کنترل دو موقعیته  two-position control نیز معروف است. یک کنترلر کامل  on-off ،زمانی  ‘on’ است که مقدار اندازه گیری شده کمتر از مقدار (set point (SP بوده و متغیر کنترل شده  MV در حداکثر مقدار خود باشد .بالاتر از (set point (SP کنترلر ‘off’ و متغیر کنترل شده  MV در حدلق مقدار خود قرار دارد.کنترل فرایند

Modulating control

در  modulating control  خروجی کنترلر می تواند در رنج وسیعی از مقادیر حرکت حرکت بکند ویا به عبارتی دیگر خروجی کنترلر می تواند رنج وسیعی از مقادیر را span بکند.modulating control فقط در یک محدوده ی عملیاتی تعریف می شود به این معنی که باید دارای مقادیر بالاتر وپایین تر باشد.modulating control یکفرم صافتر ونرم تری از step control می باشدبه طوری که می توان از این نوع از کنترل در هردوسیستم کنترل حلقه باز وحلقه بسته استفاده کرد.

Open loop control

دلیل نامگذاری این نوع از کنترل به کنترل حلقه باز(سامانه کنترل حلقه باز یا کنترل‌گر حلقه باز  یا سیستم بدون پسخورد) این است که اقدام کنترل (سیگنال خروجی (OP) کنترلر)تابعی از متغیر فرایند (PV)  ویا تغییرات بار نمی باشد.در سیستم کنترل حلقه باز خروجی با ورودی مقایسه نمی‌شود. بنابراین خروجی نه اندازه‌گیری می‌شود و نه پسخورانده.در سیستم‌های کنترل حلقه باز خروجی با ورودی مبنا مقایسه نمی‌شود. بنابراین برای هر ورودی مبنا شرط عمل خاصی وجود دارد. از این رو دقت سیستم به کالیبراسیون آن بستگی دارد. سیستم‌های کنترل حلقه باز باید به دقت کالیبره شوند و در صورتی مفیدند که این کالیبراسیون را حفظ کنند. چنانچه اغتشاشاتی بوجود آید، سیستم حلقه باز وظیفه مطلوب را انجام نخواهد داد. سیستم حلقه باز فقط در صورتی می‌تواند به کار آید که رابطه میان ورودی و خروجی معلوم و هیچگونه اغتشاش درونی یا برونی وجود نداشته باشد. چنین سیستم‌هایی از نوع کنترل پسخوردی نیستند.

Feed forward control

کنترل Feed forward که نوعی کنتل حلقه باز می باشد،  بر مبنای پیش بینی متغیرهای کنترل شده (MV) که برای ارائه ی متغیر خروجی موردنیاز است اقدام می کند.كنترل پيشخور اثر اغتشاش را قبل از اينکه کنترل فيدبک عمل کند،آشکار سازي کرده و حذف مي کند. درست مثل کنترل انتگرالي در حذف خطاي ماندگار مؤثر است . تکنيک كنترل پيشخور اساساً براي حذف اثر اغتشاش به كار گرفته مي شود.كنترل پيشخور به شدت به تابع تبديل فرآيند و تابع تبديل اغتشاشي وابسته است. بنابراين، شناسايي اين توابع تبديل در پياده سازي اين كنترل كننده حياتي است. چون معمولاً شناسايي دقيق توابع تبديل اين فرآيند ها امكان پذير نيست و خطاي مدل سازي داريم، اغتشاش توسط كنترل پيشخوركاملاً حذف نخواهد شد. به همين جهت، كنترل پيشخور را با كنترل فيدبك همراه مي كنيم.

Closed loop or feedback control

در کنترل حلفه بسته ویا کنترل فیدبک ،اگر PV ،هدف  کنترل ،برای اقدام کنترل اندازه گیری می شود .اصول ومبانی کنترل فیدبک در شکل زیر نشان داده شده است.کنترل فرایندایده ی اصلی در کنترل فیدبک ،اندازه گیری متغیر فرایند PV است به طوری که مقدار PV را بعد از اندازه گیری با مقدار ( SP (Set Point که مقدار مورد نظر یا مقدار هدف است مقایسه می کند که نیجیه ی این مقایسه تعیین یک عمل کنترلی است که به صورت خودکار OP یا سیگنال خروجی کنترلر را تغییر میدهد.در اغلب موارد ترم (ERROR(ERR برای محاسبه ی مقدار OP مورد استفاده قرار می گیرد .

ERR=PV-SP

ولی اگر ERR=SP-PV مورد استفاده قرار بگیرد ،کنترلر باید برای عمل کنترلی معکوس تنظیم شود.

حالت های کنترلی در کنترل حلقه بسته:

اکثر کنترل کننده های حلقه بسته قادر به کنترل با سه حالت کنترلی می باشند که می توانند به صورت جداگانه و یا باهم مورد استفاده قرار بگیرند.
  1. کنترل تناسبی (P)
  2. کنترل انتگرالی (I)
  3. کنترل مشتقی (D)
 به طور خلاصه کنترل فرایند و ابزار دقیق، پایه کنترل پروسه های صنعتی است. در پروسه های صنعتی تعداد زیادی از متغیرها مانند دما، فلو، فشار، سطح مایع و … باید به صورت پیوسته اندازه گیری و کنترل شوند که وظیفه اندازی گیری این متغیرها بر عهده سنسورها قرار دارد. اغلب طراحان پروسه های صنعتی انتظاراتی مانند عملکرد ایمن پلانت و نرخ تولید بالا دارند که برای رسیدن به این امر نیاز داریم که با استفاده از سنسورها و عملگرهای مناسب پروسه را به صورت مناسبی توسط راههای کنترلی که در بالا ذکر شد ونیز در مطالب بعدی به روش های بیشتر وکاربردی تری اشاره خواهیم نمود در بیاوریم. 
 برای خرید تجهیزات  اتوماسیون صنعتی ، کنترل صنعتی و  مانیتورینگ و هم چنین دریافت مشاوره تخصصی در زمینه انجام پروژه های اتوماسیون صنعتی (مانیتورینگ،مراکز دیسپچینگ وتمامی پروژه های نفت وگاز) با رسا صنعت تماس حاصل فرمایید در اسرع وقت پاسخگوی شما خواهیم بود. 

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *