اجزای سیستم های کنترلی

یک سیستم کنترل مدار بسته علاوه بر دستگاه های اندازی گیری ، دارای بخش های دیگری شامل ترانسمیترها ، کنترل کننده ، محرک ها ، عنصر نهایی کنترل ، اجزای ثبت کننده و نمایشگرها نیز میباشد. 

معمولا یک دستگاه اندازه گیری شامل سنسور یا حسگر و ترانسدیوسر یا مبدل می باشد . یک دستگاه اندازه گیری می تواند بدون ترانسدیوسر و تنها یک سنسور بکار رود.

مانند اندازه گیرهای فشار بُردنی که خروجی آنها توسط عقربه نشان داده می شود لازم به ذکر است، معمولا دستگاه اندازه گیر به اسم سنسور یا ترانسدیوسر به کار رفته در آن شناخته می شود.

سنسور: 

انواع دستگاه های اندازه گیری دارای سنسور یا حس کننده های متفاوتی هستند که کمیت هایی ماننده دما، فشار، دبی و ... را اندازه گیری می کنند. این سنسور ها بر حسب نوع عمل کرد دارای خروجی های متفاوتی از قبیل مقاومت، ظرفیت الکتریکی، جا به جایی و غیر هستند. در واقع سنسور ابزاری است که در همه دستگاه های اندازه گیری وجود دارد و وظیفه آن تماس با سیال و تأثیر پذیری از پارامترهای مورد اندازه گیری می باشد

این تأثیر باعث ایجاد تغییر در برخی از خواست فیزیکی یا شیمیایی آن سنسور خواهد شد

به عنوان مثال، یک ترموکوبل که برای اندازه گیری دما مورد استفاده قرار می گیرد دارای خروجی به شکل ولتاژ الکتریکی در حد میلی ولت هست.

 

و یا یک لوله بردن که برای اندازه گیری فشار به کار می رود دارای خروجی از نوع جا به جایی می باشد.

مبدل ها یا ترنسدیوسرها: 

از آنجایی که در یک واحد شیمیایی تعداد زیادی دستگاه اندازه گیری وجود دارد که لزوما نزدیک به سیستم کنترل مستقر نیستند انتقال خروجی آنها به سیستم کنترل به صورت مستقیم امکان ناپذیر است. به عنوان مثال، جا به جایی که لوله بردن ایجاد می کند آنقدر کم می باشد که انتقال آن به سیستم کنترل که فاصله نثبتاً دوری از آن قرار دارد بسیار مشکل است و یا خروجی ترموکوبل که برای اندازه گیری دماست ولتاژ الکتریکی می باشد که ورود مستقیم آن به سیستم کنترل امکان ایجاد خطا می نماید. بنابراین، لازم است تمامی خروجی های انواع سنسورها به یک سیگنال قابل اعتماد و استاندارد تبدیل شوند.

در بعضی موارد برای پرهیز از اشتباه نیاز به تعریف دقیق تری از سنسور و ترنسدیوسر خواهیم داشت به این صورت که ترنسدیوسر بخشی از دستگاه اندازی گیری است که برای تبدیل یک نوع از انرژی مثل انرژی مکانیکی حاصل از فشار به نوع دیگری مانند جریان الکتریکی و با استفاده از یک منبع انرژی به عنوان تغذیه کننده ی دستگاه به کار می رود در عوض سنسور این تبدیل را بدون استفاده از یک عامل خارجی و به شکل خود به خودی انجام می دهند.

 مانند ترموکوبل که با دریافت انرژی گرمایی ولتاژ الکتریکی تولید می کند و نیازی به یک منبع خارجی برای این تبدیل ندارد. سنسور ها همونطور که از نامشان پیداست به واسطه ی ارتباط مستقیمی که با محیط مورد اندازی گیری برقرار می کنند کار می کنند ولی ترنسدیوسر ها اغلب به واسطه ی سنسور ها کار تبدیل سیگنال را انجام می دهند

در برخی موارد که این تقسیمات از اهمیت آنچنانی برخوردار نیست مثل استرین گیج های فشار با کمی اقماز می توان دیافراگمی را که فشار سیال را به کشش روی سیم ها منتقل می کنند به سادگی جز ترنسدیوسر به حساب آورد. در نتیجه این تعریف می توان دریافت که در یک اندازی گیری همیشه نیاز به یک سنسور وجود دارد ولی الزامی برای استفاده از یک ترنسدیوسر وجود نخواهد داشت.

انتقال به کمک جریان الکتوریسیته و هوا دو روش بسیار معمول در صنعت می باشد.

 علت بکارگیری هوا به عنوان یک سیال به علت تراکم پذیر بودن و نیز در دسترس بودن آن است از دیگر مزایای استفاده از هوا، تهیه ارزان و نیز عدم خورندگی آن می باشد. مبدل ها یا ترنسدیوسر ها در حالت کلی ابزار هایی هستند که خروجی های مختلف تولیدی توسط دستگاه های اندازی گیری را به خروجی الکتریکی یا هوای فشرده تبدیل می نماید.

انتقال به روش هوای فشرده را روش نیوماتیکی نیز می گوید.

ترنسمیترها:

خروجی هر کدام از ترنسدیوسر های الکتوریکی یا نیوماتیکی می تواند بازه های مختلفی داشته باشد. مثلا خروجی یک ترنسدیوسر الکتریکی می تواند از چند میلی آمپر تا چندین آمپر باشد. برای عمل کرد ساده تر سیستم کنترلی و آسان تر شدن مقایسه سیگنال های اندازی گیری با سیگنال های مطلوب معمولا ترجیح داده می شود سیگنال های ورودی به کنترلر ها در یک بازه ی مشخص باشد. ترنسمیتر ها وظیفه ی تقویت سیگنال های خروجی از مبدل ها و انتقال آنها را دارند.

معمولا ترنسمیتر ها سیگنال های الکتریکی ورودی را به سیگنال استاندارد 4 تا 20 میلی آمپر و سیگنال نیوماتیک ورودی را به سیگنال استاندارد 3 تا 15 پی اس آی تبدیل و منتقل می کنند.

سیگنال های 4 تا 20 میلی آمپر و 3 تا 15 پی اس آی استانداردهای جهانی برای انتقال اطلاعات در سیستم های کنترلی می باشند. حد پایین سیگنال های استاندارد صفر انتخاب نشده است چون اگر حد پایین سیگنال صفر انتخاب شود در دو حالت سیگنال ورودی به کنترلر صفر خواهد بود. یک حالت زمانیست که متغیر مورد اندازه گیری در حد پایین خود قرار دارد و حالت دیگر زمانی اتفاق می افتد که سیم های انتقال جریان الکتریکی قطع شوند و یا مثلا خطوط لوله ی انتقال دهنده ی هوای فشرده شکسته شوند. بنابراین کنترلر ها و همچنین اپراتور ها نمی توانند بین این دو وضعیت تفاوتی قایل شوند و مشکلات پیش آمده در واقع تشخیص داده نخواهند شد ولی در حالت استاندارد که حد پایین مقداری غیر از صفر می باشند در صورتی که کنترلر سیگنال صفر دریافت کند نشان دهنده ی وجود مشکلات در خطوط انتقال خواهد بود. از آنجایی که در کنترل فرایندهای صنعتی غالبا نیاز به سنسور، ترانسدیوسر و ترانسمیتر می باشد کمپانی های سازنده این سه عنصر را معمولا یک جا و به صورت یک دستگاه می سازند. 

کنترلر:

کنترلر یا کنترل کننده ها مغز متفکر سیستم های کنترلی می باشند خروجی ها یا سیگنال های اندازه گیری توسط ترنسمیتر به کنترلر انتقال می یابند تا کنترلر به کمک این اطلاعات و بر اساس تابعی که برای آن تعریف شده است تصمیمات لازم برای عکس العمل مورد نیاز را بگیرد. کنترل کننده با مقایسه سیگنال اندازی گیری با مقدار مطلوب و انجام محاسبات لازم مقادیر متغیرهای تنظیم شونده را تعیین می کند. برای کنترل فرایند های مختلف انواع مختلفی از کنترلر ها با تنظیمات و پیچیدگی های متفاوتی استفاده می شوند. 

کنترلر های قدیمی ساده تر و متشکل از چند مداره الکتریکی بودند ولی امروز معمولا از این کامپیوتر ها و با تعریف توابع به صورت نرم افزاری برای کنترل فرایند ها استفاده می شوند ولی اصول کلیه کار کرده کنترل کننده های نیوماتیک، الکترونیک و توابع نرم افزاری یکسان می باشند.

عنصر نهایی کنترل : 

 تصمیمات گرفته شده توسط کنترلر به وسیله ی عنصر نهایی کنترل به اجرا گذاشته می شوند این المان آخرین عضو یک حلقه کنترل می باشد. در فرایندهای شیمیایی معمولا عنصر نهایی کنترل یک شیر می باشد. برای مثال اگر کنترل کننده تصمیم بگیرد که جریان خروجی را افزایش یا کاهش دهد تا ارتفاع سطح مایع در یک مخزن را در حد مطلوب نگه دارد این کار توسط عنصر نهایی کنترل که یک شیر که به میزان خاصی باز یا بسته می شود، انجام می پذیرد. 

محرک: 

زمانی که در یک سیستم کنترل عضو کنترل نهایی یک شیر باشد امکان انتقال مستقیم فرمان به آن وجود ندارد به همین علت از دستگاهی که به آن محرک یا اکچویتر گفته می شود استفاده می کنند تا فرمان ارسالی از کنترلر را در یافت نموده و موجب به حرکت در آمدن بند آور شیر شود به عبارت دیگر وظیفه مهم محرک تأمین انرژی لازم برای به حرکت در آوردن بند آور شیر می باشد این انرژی می تواند از یک منبع انرژی الکتریکی یا هوای فشرده ی مداری نیوماتیکی باشد.


بسیاری از تولید کنندگان عنصر نهایی و محرک مربوطه را یک جا عرضه می کنند. محرک ها دارای انواع مختلفی هستند مثل محرک های الکتریکی محرک های هیدرولیکی و محرک های نیوماتیکی . تقریبا اکثر محرک های مورد استفاده در صنایع شیمیائی محرک های نیوماتیکی می باشند. یکی از دلایل استفاده از این محرک ها ایمنی بیشتر و عملکرد ساده و تمیزتر می باشند. محرک های نیوماتیکی از انرژی هوای فشوده برای تولید نیرو استفاده می کنند و می توانند به شکل دیافراگمی یا پیستونی باشند این محرک ها می توانند جهت ایمنی واحد به صورت air to close یا air to open عمل کنند محرک های air to close  طوری طراحی شده اند که در صورت قطع شدن هوای ابزار دقیق شیر کنترل کاملا باز می شود. ولی در محرک های air to open  با قطع شدن هوای ابزاردقیق عکس این قضیه اتفاق می افتد. هر یک از این دو نوع محرک بر اساس شرایط و خطرات مربوط به فرایند و سیال درون لوله انتخاب می شود. به عنوان مثال معمولا شیرهای کنترل سوخت air to open  می باشند.

 معمولا از محرک های هیدرولیکی برای باز کردن شیرهای بسیار بزرگ و در خطوط با فشار بالا استفاده می شود. محرک های الکتریکی شامل محرک های سلونویدی یا موتوری می باشند. از سلونویدها برای حالتی که شیر فقط باید وضعیت باز یا بسته داشته باشد استفاده می شود ولی برای کنترل پیوسته ی شیرها از الکتروموتورها استفاده می شود.

ثبت کننده ها و نمایشگرها:

 ثبت کننده ها و نماگشگرها از دیگر اجزای یک سیستم کنترل می باشند. ثبت کننده ها تجهیزاتی هستند که به منظور ثبت تغییرات و رفتار فرایندها در طول شبانه روز استفاده می شوند. در واحدهای قدیمی اطلاعات روی صفحات کاغذی ثبت می شوند. ولی امروز به منظور افضایش کیفیت و ثبت و بازیابی دقیق تر اطلاعات از کامپیوتر ها و حافظه های دیجیتالی برای ثبت اطلاعات استفاده می شوند. نمایشگر ها نیز برای نمایش چگونگی رفتار واحد به کار می روند و می توانند عقربه ای یا دیجیتال باشند. همچنین برای نشان دادن آلارمها از چراغهایی که روشن و خاموش می شوند و معمولا همراه با آژیر هستند استفاده می شوند.