اتوماسیون صنعتی

اتوماسیون صنعتی
اتوماسیون صنعتی

 

سیستم های اتوماسیون صنعتی می توانند ماهیت بسیار پیچیده و دارای تعداد زیادی دستگاه در کاربرد های مختلف باشند که تحت نظارت سیستم کنترل مرکزی به صورت همزمان برای انجام فرآیند کلی کار می کنند. در مقاله ی آشنایی با اتوماسیون صنعتی به شرح و بررسی تاریخچه و شناخت مفهوم اتوماسیون صنعتی پرداختیم. محور اصلی این مقاله بررسی سلسله مراتب یک سیستم اتوماسیون صنعتی و جزئیات بیشتری از اتوماسیون می باشد. شکل زیر سلسله مراتب سیستم اتوماسیون را در قالب سطوح مختلف هرم اتوماسیون توصیف می کند.

 

هرم اتوماسیون صنعتی

 

 
 
سطح میدانی (Field Level)

 

 

این سطح پایین ترین طبقه از هرم اتوماسیون صنعتی است که شامل انواع سنسورها و عملگرها همچون سنسورهای نوری، مجاورتی، لیمیت سوئیچ ها، محرک های پنوماتیکی و … در دستگاه ها و ماشین آلات مختلف خطوط تولید مانند دستگاه های پرس، کاردینگ، گیل باکس و… است. وظیفه اصلی این تجهیزات میدانی، انتقال داده های فرآیندها و ماشین آلات به سطح بالاتر یعنی سطح «کنترل» برای نظارت و تجزیه و تحلیل است. و همچنین شامل کنترل پارامتر های مختلف یک فرآیند از طریق سنسورها و عملگرها  می باشد.

سنسورها پارامترهای Real time دستگاه و یا فرآیند صنعتی همچون دما، فشار، دبی، سطح و… را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کنند. این داده ها جهت تجزیه، تحلیل و کنترل فرآیند به کنترل کننده منتقل می شوند. از سوی دیگر محرک ها سیگنال های الکتریکی را که از کنترل کننده دریافت کرده اند. به ابزارهای مکانیکی برای کنترل فرایندها تبدیل می کنند. شیرهای کنترل جریان، شیرهای برقی، عملگرهای پنوماتیکی، پمپ ها، رله ها، موتورهای DC ، AC و سروو موتورها نمونه هایی از محرک ها هستند.

 

سطح کنترل (Control Level)

 

 

در سطح کنترل (Control)،PLC  مغز متفکری است که تجزیه، تحلیل و کنترل دستگاه یا فرآیند صنعتی را بر عهده دارد. PLC مخفف Programmable logic controller به معنای “کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی” است. تجهیزات در لایه کنترل، مقادیر اندازه گیری شده توسط سنسورها در سطح Field را به عنوان ورودی دریافت نموده و با توجه به پروسس یا فلسفه کنترل فرآیند، اطلاعات دریافتی را تجزیه و تحلیل نموده و با ایجاد خروجی، سیستم را کنترل می نمایند. با گسترش تعداد ورودی و خروجی ها و نیز پیچیدگی فرآیندها،  قدرت پردازش و توان کنترل کننده باید ارتقا یابد به شکلی که در فرآیندهای حساس و پیچیده همچون کنترل بویلرها، کوره ها، تصفیه خانه های آب و فاضلاب و … باید از کنترل کننده های همچون DCS مخفف Distributed Control System به معنای “سیستم کنترل توزیع شده” بهرمند شد.

 

 

لازم به ذکر است سیستم های کنترل از ماژول های مختلفی همچون CPU، ورودی و خروجی آنالوگ، ورودی و خروجی دیجیتال، ماژول های ارتباطی و … تشکیل شده اند. برنامه نویس با بهرمندی از این تجهیزات یک عملکرد یا استراتژی کنترلی را برای انجام عملیات اتوماتیک روی فرآیند پیاده می کند. برای مثال، بسیاری از فرآیندهای صنعتی به کنترل دقیق دما نیاز دارند. یک کنترل کننده PID controller (مشتق گیر- تناسبی-انتگرال گیر)، که در برنامه PLC مورد استفاده قرار گرفته است، با توجه به مقدار Set point مورد نظر و همچنین مقادیر ورودی از سنسورهای سطح Field، در تمام مراحل فرآیند دما را در مقدار Set point مورد نظر حفظ نمایند.

 

سطح نظارت (Supervisory Level)

 

 

سطح سوم هرم اتوماسیون به عنوان سطح نظارتی شناخته می شود؛ در این سطح از سیستم های SCADA استفاده می شود. SCADA مخفف”Supervisory Control and Data Acquisition” به معنی کنترل نظارتی و کسب اطلاعات است. SCADA اساساً ترکیبی از سطوح قبلی است که برای دسترسی به داده ها و سیستم های کنترل از یک مکان واحد استفاده می شود. در این لایه، داده ها پردازش شده و از طریق رابط های کاربری کنترل می شوند و سپس در پایگاه های داده ذخیره می شوند. به علاوه اینکه معمولاً یک رابط کاربری گرافیکی یا یک HMI برای کنترل عملکردها از راه دور نیز در نظر گرفته می شود.

نکته مهمی که باید در مورد SCADA به آن توجه داشت آن است که می توان تعداد زیادی از فرآیند و سیستم ها را از یک مکان واحد، مانیتور و کنترل نمود. سیستم های SCADA معمولاً برای کنترل و مانیتورینگ کل خط تولید در فرآیندهای پیچیده مورد استفاده قرار می گیرند. به طور کلی این سیستم فقط به یک تجهیز مانند HMI محدود نمی شود.

 

سطح برنامه ریزی ((MES) Planning Level)

 

 

سطح چهارم هرم اتوماسیون سطح برنامه ریزی نامیده می شود. در این سطح از سیستم مدیریت رایانه ای، معروف به MES (Manufacturing Execution System) یا سیستم اجرای ساخت استفاده می شود. در سطح MES کل فرآیند تولید در یک کارخانه از ورود مواد اولیه تا محصول نهایی رصد می شود. در واقع این سطح این امکان را فراهم می سازد تا مدیران بخش های مختلف دقیقاً از اطلاعات سطوح مختلف تولید اطلاع داشته باشند و بر اساس آنها تصمیم بگیرند. برای مثال می توانند سفارشات مواد اولیه یا برنامه های حمل و نقل و جابجایی را بر اساس داده های واقعی دریافت شده از سیستم هایی که در ابتدا به آنها پرداختیم، برآورد نمایند.

 

سطح مدیریت کل و برنامه ریزی سازمان
(Enterprise Resource Planning Level or Enterprise Level (ERP))

 

 

راس هرم اتوماسیون همان جایی است که سطح مدیریت نامیده می شود. شرکت ها در این سطح از سیستم مدیریت یکپارچه که به عنوان ERP یا برنامه ریزی منابع سازمانی شناخته می شود استفاده می کنند. ERP در واقع همان جایی است که مدیریت عالی شرکت می تواند تمام عملیات ها را ببیند و کنترل کند. ERP معمولاً مجموعه ای از برنامه های مختلف کامپیوتری است که می تواند همه چیز در شرکت را نمایش دهد.

ERP این اجازه را می دهد تا مدیریت بتواند تمام سطوح کسب و کار را از تولید، فروش، خرید، بودجه و حقوق و دستمزد و همچنین بر بسیاری از کارهای دیگر نظارت کند. اجرای ERP با نظارت بر همه افراد در کارخانه باعث افزایش کارایی و شفافیت می شود.

 

انواع سیستم های اتوماسیون صنعتی

 

اتوماسیون صنعتی در حال حاضر در صنایع بی شماری از کارخانجات کوچک تا صنایع بزرگ مورد استفاده قرار می گیرند.

سطح پیچیدگی و تعامل انسان با یک سیستم اتوماتیک از نظر کاربرد متفاوت است. شرکت هایی که با اتوماسیون صنعتی شروع به کار می کنند بسته به درجات مختلف و سطوح عملکردی، دامنه محصول، حجم تولید، حساسیت و دقت کنترل فرآیند و … از انواع مختلفی از اتوماسیون بهرمند هستند. به طورکلی شرکت ها در 3 دسته اتوماسیون قرار می گیرند:

  1. اتوماسیون ثابت یا سخت (Fixed or Hard Automation)
  2. اتوماسیون قابل برنامه ریزی (Programmable Automation)
  3. اتوماسیون نرم یا انعطاف پذیر (Flexible or Soft Automation)
 
اتوماسیون صنعتی ثابت یا سخت (Fixed or Hard Automation):

 

این نوع اتوماسیون برای انجام عملیات ثابت، تکراری و به منظور دستیابی به نرخ تولید بالا استفاده می شوند. این نوع اتوماسیون، از تجهیزات ویژه یا اختصاصی برای اتوماتیک سازی عملیات مونتاژ یا پردازش های متوالی و ثابت استفاده می کند. به هنگام استفاده از این نوع اتوماسیون، تغییر در طرح محصول نسبتاً دشوار است. بنابراین، در ارائه تنوع محصول انعطاف پذیر نیست. این شکل از اتوماسیون دارای کمترین انعطاف پذیری است و اغلب برای انجام کارهای تکراری با تجهیزات اختصاصی به منظور بهبود بهره وری تولید و افزایش نرخ تولید پیاده سازی می شوند. این نوع اتوماسیون، اقتصادی ترین نوع اتوماسیون است. نمونه ای از اتوماسیون ثابت، خطوط مونتاژ در صنعت خودروسازی می باشند.

 

 
 
اتوماسیون صنعتی قابل برنامه ریزی (Programmable Automation):

 

در این نوع اتوماسیون کلاس خاصی از محصول تغییر می کند و همچنین عملیات مونتاژ یا پردازش را می توان با اصلاح برنامه کنترلی تغییر داد. برنامه کنترل را می توان برای هر دسته با مشخصات داده شده و وظایف پردازشی و تعیین توالی، دوباره برنامه ریزی کرد. این فرآیند تغییر زمان می برد زیرا در اکثر موارد تجهیزات نیز باید از یک نوع به نوع دیگر پیکربندی شوند. اما این تغییر و پیکربندی مجدد سیستم برای یک محصول جدید دشوار است. اتوماسیون قابل برنامه ریزی اغلب برای حجم متوسط ​​استفاده می شود اما در صورت توجیه اقتصادی می تواند برای حجم کم یا زیاد نیز استفاده شود. توصیه می شود از این نوع اتوماسیون در صنایع با تولید کم استفاده کنید، زیرا روند برنامه ریزی مجدد دستگاه برای انطباق آن با محصولات جدید، پیچیده است و به زمان خاصی نیاز دارد. نمونه هایی از سیستم اتوماسیون قابل برنامه ریزی، صنایع و کارخانجات تولید کاغذ ، نورد فولاد، روبات های صنعتی و … هستند.

 

 
 
اتوماسیون صنعتی نرم یا انعطاف پذیر (Flexible or Soft Automation)

 

از این سیستم ها اغلب به عنوان اتوماسیون نرم یاد می شود. این سیستم اتوماسیون به گونه ایست که انعطاف پذیری زیادی برای ایجاد تغییر در طراحی محصول دارد. از آنجا که انعطاف پذیری را برای تغییر محصول فراهم می کند به عنوان اتوماسیون قابل برنامه ریزی شناخته می شود. تغییرات را می توان از طریق دستوراتی که به صورت کد به عملگرها داده می شود به سرعت انجام داد. این نوع از اتوماسیون به تولید کنندگان این امکان را می دهد تا محصولات متعدد با دامنه مختلف را به عنوان یک فرآیند ترکیبی تولید کنند. نمونه ای از سیستم اتوماسیون نرم، ماشین های چند منظوره CNC هستند.

 

 

تولیدکنندگان امروزه در فضای رقابتی سطح جهان با چالش های زیادی روبرو هستند. برخی از این چالش ها شامل محیط های تولید ایمن (در دنیایی که به طور فزآینده بر روی ایمنی متمرکز شده است)، زنجیره های تأمین پیچیده، لزوم مطابقت با آخرین استانداردهای جهانی و نیز رقابت با شرکت هایی که با بهرمندی از هوش مصنوعی و ربات های صنعتی در راندمان و کیفیت محصولات تولیدی به رشد بالایی دست یافته اند. بسیاری از این دلایل زمینه ساز توجه صاحبان صنایع و کارخانجات به اتوماسیون صنعتی و خودکار سازی تمام مراحل تولید محصول شده است.

 

 مزایای اتوماسیون صنعتی عبارتند از:

 

   1- افزایش کیفیت و انعطاف پذیری

در ابتدای شکل گیری اتوماسیون، هدف افزایش راندمان تولید و بهره وری بود چرا که سیستم های خودکار می توانند 24 ساعت شبانه روز کار کنند و در درجه دوم کاهش هزینه های مرتبط با اپراتورهای انسانی مد نظر بود. در حالی که امروزه تمرکز اتوماسیون به سمت افزایش کیفیت و انعطاف پذیری در فرآیند تولید سوق یافته است. برای مثال در صنعت اتومبیل، نصب پیستون در موتور قبلاً به صورت دستی و با میزان خطای 1-1.5٪ انجام می شد، اما در حال حاضر، این کار با استفاده از ماشین آلات خودکار با نرخ خطای 0.00001 درصد انجام می شود. ربات ها هیچگونه خستگی در کارشان نیست که نتیجه آن تولید محصولاتی با کیفیت یکنواخت در زمان های مختلف است. البته لازم به ذکر است در این حالت ایجاد تغییر جدید در خط تولید، نیازمند برنامه نویسی کنترلرها خواهد بود و ربات های صنعتی این قابلیت را دارند برای انجام هر فعالیتی با سرعت و دقت بالا برنامه ریزی شوند. این امر باعث می شود روند تولید انعطاف پذیرتر باشد.

 

   2- افزایش بهره وری

اگرچه بسیاری از شرکت ها صدها نیروی انسانی  را برای حداکثر ساعت کار و برای سه شیفت استخدام می کنند، اما خستگی و نتیجتا کاهش دقت نیروی انسانی و نیز وجود تعطیلات در ایام مختلف سال باعث کاهش راندمان تولید و کیفیت محصولات این شرکت ها می شوند. در مقابل اتوماسیون صنعتی در 24 ساعت شبانه روز، 7 روز هفته و 365 روز سال به کارخانه این امکان را می دهد تا تولید حداکثری را هدف خود قرار دهد. این امر منجر به افزایش چشمگیر بهره وری و راندمان کارخانه می شود.

 

   3- کاهش هزینه های جانبی

استفاده از ربات ها و ماشین آلات به وضوح هزینه کمتری نسبت به اپراتورهای انسانی دارد. پس از پرداخت هزینه اولیه یک ربات، تنها هزینه ای که می ماند، هزینه انرژی و نگهداری مورد نیاز در حین کار است. هزینه نگهداری مربوط به ماشین آلات مورد استفاده برای اتوماسیون صنعتی کم است زیرا اغلب خراب نمی شوند. در صورت خرابی نیز مهندسان برق، مکانیک و تعمیرات و نگهداری موظف به تعمیر آن هستند. با گذشت زمان، صرفه جویی در هزینه در مقایسه با حقوق و مزایای اپراتورها قابل توجه است. علاوه بر این، ربات ها فرآیندها را بهینه می کنند و کیفیت را بهبود می بخشند، در نتیجه ضایعات کمتری نیز ایجاد می شود. اتوماسیون صنعتی هزینه های مراقبت های بهداشتی، مرخصی استحقاقی و تعطیلات مرتبط با یک اپراتور انسانی را نیز کاهش می دهد.

 

   4- افزایش ایمنی

افزایش ایمنی اپراتور یکی از بزرگترین مزایای اتوماسیون صنعتی است زیرا اپراتورها دیگر نیازی به انجام کارهای خطرناک مانند کار با مواد شیمیایی خطرناک، برداشتن اجسام سنگین، کار در شرایط نامناسب مانند درجه حرارت بالا و انجام کارهایی با تکرار ندارند. هنگامی که این نوع کارها توسط ربات ها و سایر راه حل های اتوماسیون انجام می شود، اپراتورها ایمنی بیشتری دارند.

همچنین اتوماسیون صنعتی به نظارت از راه دور نیز کمک می کند:

بیشتر عملیات های صنعتی باید از راه دور کنترل شوند. برای چنین مواردی، سیستمهای اتوماسیون، شبکه های ارتباطی بین منطقه فرآیند و منطقه نظارت (نظارت و کنترل) را فراهم می کنند و در نتیجه این امکان برای اپراتورها فراهم می شود تا فرآیندهای صنعتی را از مکانی دورتر و در اتاق کنترل تحت ارزیابی، نظارت و کنترل قرار دهند.

 

 
   5- کاهش چک لیست های معمول

اتوماسیون به طور کامل نیاز به بررسی دستی پارامترهای مختلف فرآیند را کاهش می دهد. با برنامه نویسی و بهرمندی از اتوماسیون صنعتی، مقادیر مورد نظر برای پارامترها با استفاده از مقادیر سنسورها و کنترلرهای حلقه بسته، محاسبه و تنظیم می گردد.

 

 
 
 
اجزای سیستم های اتوماسیون صنعتی:

 

   1- موتورهای القایی و سرو موتورها

موتور های الکتریکی از پرکاربردترین تجهیزات در صنعت بشمار می روند. از جمله کاربرد موتور ها می توان به موارد زیر اشاره نمود:

  • کانوایر ها
  • محرک فن ها و پمپ ها
  • محرک کمپرسور ها
  • بالابرها
  • جرثقیل ها
  • حرکت ربات ها

و …

 

 
 
   2- شیرها

شیرها تجهیزاتی هستند که جریان و فشار مایعات و گاز های درون سیستم را کنترل می کنند. همچنین به عنوان تنظیم کننده نیز شناخته می شوند و در کاربردهای بسیار متنوعی مورد استفاده قرار می گیرند. شیرآلات از نظر اندازه، مکانیزم کنترل، طرح و عملکرد بسیار متنوع هستند از این رو دسته بندی های مختلفی وجود دارد که برای طبقه بندی شیرآلات استفاده می شود. در مقاله های آینده به صورت تخصصی به بررسی و بیان جزئیات و دسته بندی مختلف شیر ها خواهیم پرداخت.

 

 
 
   3- عملگر های هیدرولیکی و پنوماتیکی

همانطور که می دانید، محرک ها تجهیزاتی در دستگاه ها و ماشین آلات صنعتی هستند که انرژی را به حرکت تبدیل می کنند. محرک ها نقش مهمی در حرکت و کنترل مکانیسم سیستم دارند. به طور کلی، ما می توانیم محرک ها را به سه دسته محرک های هیدرولیکی، محرک های پنوماتیکی و محرک های الکتریکی دسته بندی کنیم. این دسته بندی به نوع انرژی تبدیل شده به حرکت مکانیکی بستگی دارد. در محرک های هیدرولیکی، مایعات هیدرولیک تحت فشار استفاده می شوند. در محرک های پنوماتیکی، گازهای فشرده مورد استفاده قرار می گیرند و در محرک های الکتریکی، انرژی الکتریکی به حرکت تبدیل می شود.  سیلندر هیدرولیک، جک ها، موتور پله یا استپ موتورها، موتور های الکتریکی و … نمونه هایی از محرک ها هستند. در ادامه به بیان تفاوت محرک هیدرولیک و محرک پنوماتیک می پردازیم.

 

محرک هیدرولیک (HYDRAULIC ACTUATOR)

محرک هیدرولیکی از مهمترین نوع عملگرها است که در عملیات های سنگین کاربرد دارد. در محرک های هیدرولیکی، از هر نوع سیال هیدرولیک غیر قابل فشرده سازی (به طور معمول هر روغنی که خصوصیات سیال را نشان می دهد) استفاده می شود. تقریباً در همه سیستم های هیدرولیکی مایع مورد استفاده نوعی روغن است. از آنجا که فشرده سازی روغن بسیار دشوار است به راحتی حجم زیادی از انرژی را منتقل می کند و سیال تحت فشار قرار می گیرد به طوری که انرژی هیدرولیکی را به طور موثری به نیروی مکانیکی تبدیل می کند. این محرک می تواند نیروی زیادی وارد کند و خروجی نیز از نظر نوع حرکت: خطی ، چرخشی یا نوسانی خواهد بود.

فشارهای مورد استفاده در محرک هیدرولیکی بین 1000 تا 5000 پوند بر اینچ مربع  (psi)است. محرک های بزرگ برای کاربردهای تخصصی می توانند بیش از psi 10000 نیز باشند.

با توجه به ساختار محرک های هیدرولیکی، نگرانی اصلی، بوجود آمدن نشتی (Leakage) است. نشت مایع هیدرولیک می تواند باعث افزایش آسیب پذیری تجهیزات هیدرولیک، افزایش هزینه های تعمیر و نگهداری، کاهش راندمان عملکرد کلی دستگاه، کثیف شدن فضای کار و چسبیدن گرد و غبار به سایر تجهیزات شود.

 

 
 
محرک پنوماتیک ( PNEUMATIC ACTUATOR )

محرک های پنوماتیک گزینه ای رایج در بسیاری از صنایع هستند. گاز فشرده شده امکان ذخیره انرژی قابل توجهی را دارد و با توجه به در دسترس بودن هوا،  اکثر سیستم های محرک پنوماتیک از هوا فشرده برای انجام عملیات استفاد می کنند.

محرک های پنوماتیک با استفاده از گازهای فشرده انرژی را به حرکت تبدیل می کنند. کار اساسی هر دو محرک هیدرولیک و پنوماتیک مشابه است. در محرک های پنوماتیک، پیستون با فشار گاز فشرده حرکت می کند و این حرکت پیستون انرژی پنوماتیک را به حرکت چرخشی یا خطی مربوطه تبدیل می کند، که به مکانیزم متصل به پیستون بستگی دارد.

سادگی، دوام، سهولت نصب، تمیز نگهداشتن محیط و ایمنی از مزایای اصلی محرک های پنوماتیک است. از کاربرد های متداول محرک های پنوماتیک می توان به سیلندرها، بازوهای پنوماتیکی، مولد خلا و … اشاره نمود.

اکثر سیستم هایی که از نیروی پنوماتیک استفاده می کنند، دارای سرعت فشرده سازی حدود 80 تا 100 psi هستند. این میزان فشار محدود باعث می شود سیستم های پنوماتیک پایدار و ایمن باشند. با این حال، فشار پایین باعث می شود که محرک های پنوماتیک قدرت کمتری نسبت به محرک های هیدرولیکی داشته باشند.

محرک های پنوماتیک محدودیت هایی نیز دارند. قدرت پایین و ظرفیت کار محدود اولین نکته ای است که باید مورد توجه قرار گیرد. همچنین، محرک های پنوماتیک در مقایسه با سایر محرک ها معمولا چرخه ی عمر کوتاه تری دارند.  

 

 
 
   4- سنسور ها

سنسورها، آشکارسازها، مبدل ها و تجهیزات الکترونیک نوری و… برای تعیین وجود شی، قطعه یا تشخیص حرکت یا عملکردی خاص ساخته شده اند. انواع مختلفی از سنسورها، آشکارسازها و مبدل ها برای درک خصوصیات فیزیکی مانند دما، فشار، جرم و … طراحی شده اند؛ و برخی دیگر می توانند حرکت، سطح، فاصله و … را تشخیص دهند.

 

سنسورها بسته به نوع کاربرد، بر مبنای اصول مختلفی عمل می کنند و برمبنای قوانین فیزیکی همچون میدان های الکترومغناطیسی، اپتیک، قوانین انرژی و … طراحی می شوند. با ظهور اینترنت اشیا (IOT) ، نیاز به سنسورها به عنوان ابزار اصلی برای طراحی و اجرای سیستم های اتوماسیون، روند افزایشی داشته است.

 

 

سنسورهای موجود در صنایع مختلف بسیار متنوع بوده و در مقالات آینده به بررسی مشخصات و ویژگی های سنسورهای مورد استفاده در صنایع مختلف خواهیم پرداخت. اما در ادامه به صورت اجمالی به معرفی برخی از سنسورهای پر استفاده و عمومی تر می پردازیم.

 

سنسور دما (Temperature Sensor)

 اصطلاح سنسور دما به دسته ای از سنسورها گفته می شود که اندازه گیری دمای اجسام، مایعات، گازها و… را ارائه می دهند و یا دما را مستقیماً نمایش می دهند یا سیگنالی را در خروجی تولید می کنند که مقدار آن می تواند به قرائت دما در کنترلر منجر شود.

انواع مختلفی از سنسورهای دما در کاربردهای صنعتی وجود دارد. در ادامه متداول ترین سنسورهای دما را بررسی می کنیم و همچنین اطلاعاتی در مورد نحوه عملکرد و کاربردهای آنها ارائه را خواهیم نمود.

 

  • Thermocouple
  • RTD (Resistance Temperature Detector)
  • Thermistor Temperature Sensor
  • Thermometer

 

 

 

اکثر سنسورها (به استثنای سنسورهای دمای مادون قرمز) سنسورهای تماسی هستند، با این مفهوم که سنسور باید از نظر فیزیکی با جسمی که دمای آن در حال اندازه گیری است در تماس باشد تا بتواند دما را اندازه گیری کند. سنسورهای مادون قرمز انرژی گرمایی تابش شده از جسم را اندازه گیری می کنند تا دمای آن را تشخیص دهند و بنابراین سنسورهای غیر تماسی هستند. تقریبا اکثر سنسورهای دما به گونه ای طراحی شده اند که در خروجی یک سیگنال الکتریکی تولید می کنند که برای تعیین مقدار دما و نمایش در نمایشگر یا کنترلر مورد استفاده قرار می گیرد.

 

سنسور دمای ترموکوپل (Thermocouple) :

 

ترموکوپل ها با استفاده از اتصال دو فلز غیر همجنس به یکدیگر و ایجاد اتصال از یک طرف و در طرف دیگر یک ولت متر، دما را اندازه می گیرند. به این معنی که اگر به محل اتصال دو فلز غیر همجنس حرارت اعمال شود در آن اختلاف پتانسیل ایجاد شده و این اختلاف پتانسیل را می توان در طرف دیگر با ولت متر اندازه گرفت. به محل اتصال دو فلز، محل اتصال گرم می گویند. و به طرف دیگر که انتهای سنسور و در واقع محل اندازه گیری ولتاژ است، به عنوان اتصال سرد شناخته می شود. ولتاژ ثبت شده بر روی ولت متر در واقع اختلاف دما بین اتصال سرد و گرم ترموکوپل است که با استفاده از تناسب میتوان دما را قرائت نمود.

 

 

اکثر ترموکوپل ها برای جدا کردن فلزات از دمای محیط و ایجاد محافظ در برابر خوردگی و سایر عوامل مخرب در یک غلاف محافظ پوشانده می شوند. جنس غلاف ها غالبا از نوع فولاد ضد زنگ می باشد.

 

با توجه به جنس فلزات خاصی که برای ساخت ترموکوپل استفاده می شود، به سنسور ها یکی از حروف J، K ، T ، N ، E ، B ، R ، S اختصاص داده می شود. هر یک از این مدل ها دارای مشخصات خاصی در رابطه با دامنه دمای قابل تحمل، مقاومت در برابر لرزش، سازگاری شیمیایی و موارد استفاده در کاربرد های خاص هستند. ترموکوپل های نوع J ، K ، T و E از متداول ترین ترموکوپل ها هستند.

 

 
سنسور دمای  Resistance Temperature Detector) RTD)

 

Resistance Temperature Detector یا به اختصار RTD، سنسورهای دمایی هستند که با استفاده از تغییرات مقاومت الکتریکی که درماده رسانا ایجاد می شود مقداری را برای دما تعیین می کنند. فلزات رسانای الکتریکی بوده و از خود مقاومت الکتریکی نشان می دهند. با تغییر دما، مقاومت الکتریکی که با اهم اندازه گیری می شود نیز تغییر می کند و همان طور که می دانید با افزایش دما، شاهد افزایش مقاومت خواهیم بود. RTD ها از یک عنصر مقاومتی تشکیل شده اند که از آن جریان الکتریکی کمی در محدوده ی 1-5 میلی آمپر عبور می کند، هرگونه تغییر دما، مقدار مقاومت اندازه گیری شده را تغییر می دهد، که با توجه به خصوصیات فلز مورد استفاده، مقدار دما محاسبه می شود. برای مثال پلاتین از جمله فلزاتی است که در RTD ها مورد استفاده قرار می گیرد. پلاتین به دلیل پایداری بسیار بالا، از نظر شیمیایی بی اثر است. همچنین در این فلز بین مقاومت و دما رابطه خطی وجود دارد. ویژگی خطی بودن روند تبدیل مقاومت الکتریکی به مقدار دما را دقیق و سادتر می نماید. فلزات دیگر نظیر نیکل و مس گزینه های دیگری برای استفاده به عنوان عناصر مقاومتی در RTD ها هستند. فلزات مورد استفاده در RTD ها با ضریب مقاومت دمایی (TCR) آنها مشخص می شوند، ضریب مقاومت دمایی فلز در واقع چگونگی تغییر مقاومت الکتریکی مواد با توجه به تغییر یک درجه ای دما است. فلزات و مواد رسانای الکتریکی دارای مقدار مثبتی از TCR هستند، درحالی که نیمه هادی ها و مواد غیرفلزی TCR منفی از خود نشان می دهند، با این مفهوم که با افزایش دما مقاومتشان کاهش می یابد.

 

سنسورهای RTD در انواع مختلف 2 سیمه، 3 سیمه و 4 سیمه در بازار وجود دارند که با توجه به کاربرد، شرایط، دقت و … انتخاب می شوند.

 
سنسور دمای ترمیستور (Thermistor Temperature Sensor)

 

ترمیستورها از مهمترین سنسورهای دما هستند که با توجه به تغییر مقاومت الکتریکی برای اندازه گیری مقدار دما مورد استفاده قرار می گیرند.

 

ترمیستور اصطلاحی است که از ترکیب واژه  Thermally sensitive resistor شکل می گیرد، این سنسور ها کوچکترین تغییرات در مقاومت الکتریکی خود را به صورت دقیق نشان می دهند. ترمیستور ها در دو نوع اصلی وجود دارند:

  1. ترمیستورهای ضریب دمای منفی / Negative Temperature Coefficient (NTC) 
  2. ترمیستورهای ضریب دما مثبت / Positive Temperature Coefficient (PTC)

ترمیستورهای NTC، ترمیستورهایی هستند که با افزایش دما مقاومت آنها کاهش می یابد، در حالی که ترمیستورهای PTC با افزایش دما مقاومت الکتریکی آنها افزایش می یابد. ترمیستور NTC بیشتر در کاربردهای سنجش دما مورد استفاده قرار می گیرد، در حالی که ترمیستور PTC  برای محافظت از مدار الکتریکی از جمله محدود کردن جریان هجوم یا محافظت در برابر افزایش ناگهانی ولتاژ مدار مورد استفاده قرار می گیرند.

 

ترمیستورها بسته به محدوده ی دمای کاری و زمان پاسخگویی در ابعاد و اندازه های مختلف طراحی و ساخته می شوند. به طور کلی، این سنسورها برای دما های پایین مناسب بوده و همچنین قیمت مناسبی دارند.

ترمیستورها در محدوده دمای کاری، زمان پاسخ دهی سریعی را ارائه می دهند. آنها همچنین دارای تغییرات گسترده مقاومت در واحد دما هستند، بنابراین حساسیت و دقت بیشتری را در اندازه گیری دما ایجاد می کنند.

ترمیستورها برخلاف سنسورهای RTD از منحنی دمای غیرخطی برخوردار هستند که از محدودیت های این سنسورها می باشد همچنین دارای گستره دمایی محدودی بوده و در جریان تحریک و دماهای بالا، عملکرد مطلوبی نخواهند داشت و اصطلاحا ناپایدار می باشند.

از جمله موارد استفاده از ترمیستورها میتوان به کاربرد در تجهیزات سیستم های هوا فضا، خودرو، لوازم خانگی، تهویه مطبوع و… اشاره نمود.

 

سنسور فشار (Pressure Sensor)

سنسورهای فشار، سنسور های الکترومکانیکی هستند که نیروهای اعمالی بر واحد سطح را در گازها، جامدات و مایعات تشخیص داده و با تولید سیگنال های الکتریکی و پردازش در کنترلر یا نمایشگر مقدار فشار مشخص می شود. سنسورهای فشار معمولا از دیافراگم و کرنش سنج برای شناسایی و اندازه گیری نیروی وارد شده استفاده می کنند. مشخصات اصلی این سنسورها شامل نحوه عملکرد سنسور، گستره ی فشار قابل اندازه گیری، دقت در مقیاس کامل یا به عبارتی دیگر رزولوشن، سیگنال الکتریکی خروجی و… بر روی سنسور مشخص می شود. هر کجا که اطلاعاتی از فشار گاز یا مایع برای کنترل یا اندازه گیری مورد نظر باشد، از سنسورهای فشار استفاده می شود.

 

 

 

 
سنسور سطح (Level Sensor)

سنسورهای سطح، سنسورهای الکترونیکی یا الکترومکانیکی هستند که برای تعیین ارتفاع مایعات یا جامدات پودری و یا گرانولی در مخازن، سیلوها، بانکه ها و … و ارسال سیگنال الکتریکی به کنترلر یا نمایشگر استفاده می شوند. سنسورهای سطح برای تعیین ارتفاع از روش های آلتراسونیک، ظرفیت خازنی، ایجاد ارتعاش یا قطعات مکانیکی مانند اهرم یا میله و فنر استفاده می کنند. عملکرد این سنسور ها به گونه ایست که با تغییرات در مشخصات الکتریکی یا انرژی الکترومغناطیسی یا صوتی برای تبدیل سطح به یک سیگنال قابل استفاده برای کنترلر عمل می کنند. انتخاب روش عملکرد سنسور با توجه به کاربرد خاص، به ماهیت ماده مورد اندازه گیری، خصوصیات فیزیکی آن (مانند گرانروی ، خورندگی و …) و شرایط کار مانند دما، فشار و … بستگی دارد.

در حالت کلی میتوان تکنولوژی ساخت سنسور های سطح را در گروه های زیر دسته بندی نمود:

 

  • Float switches or sensor
  • Rotary paddle level switches or sensor
  • Hydrostatic level sensor
  • Load cell level sensor
  • Optical level sensor
  • Vibrating (tuning fork) level sensor
  • Ultrasonic level sensor
  • Electromagnetic (radar) level sensor
  • Laser level sensor
  • Magnetorestrictive level sensor
  • Capacitive level sensor
  • Conductive or resistive level sensor
 
 
سنسور مجاورتی (Proximity Sensor)

سنسور های مجاورتی، سنسورهای الکترونیکی هستند که در خطوط تولید برای تشخیص وجود قطعات و اجزای فرآیند بدون تماس با شی مورد استفاده قرار می گیرند. سنسورهای مجاورتی وجود اجسام را معمولاً در محدوده میلی متر تشخیص می دهند و با توجه به ساختار سنسور، سیگنال الکتریکی را برای کنترل کننده ارسال می کنند. از جمله مشخصات اصلی این سنسور ها می توان به نوع سنسور، حداکثر فاصله سنجش، حداقل و حداکثر درجه حرارت عملیاتی، ابعاد طولی و قطر سنسور و … اشاره نمود. سنسورهای مجاورت عموماً سنسور هایی با برد تشخیص کوتاه هستند اما در برخی از مدل ها می توانند وجود اجسام تا چند اینچ را نیز تشخیص دهند.

انواع مختلفی از سنسورهای مجاورتی وجود دارد:

 

  • سنسورهای القایی (Inductive sensors)
  • سنسورهای مغناطیسی  (Magnetic sensors)
  • سنسورهای خازنی  (Capacitive sensors)
  • سنسورهای فتوالکتریک  (Photoelectric sensors)
  • سنسورهای آلتراسونیک  (Ultrasonic sensors)
 
انکودر (Encoder)

انکودرها سنسور هایی هستند که هدفشان ارائه فیدبک از حرکت اجسام به سیستم های کنترل است. این فیدبک به سیستم کنترل این امکان را می دهد تا تعیین کند جسمی که تحت نظارت است به درستی جابجا شده، به درستی در محل مورد نظر قرار گرفته، یا اقدامات بر اساس حرکت و موقعیت مورد نظر انجام شده است یا خیر؟

 

انکودرها به طور معمول برای اندازه گیری یک یا چند پارامتر خاص در مورد جسم مانند سرعت، موقعیت، جهت یا تعداد اشیا و مقادیر مربوط به آن ها استفاده می شوند.

 

 مثال ساده ای از چگونگی استفاده از انکودر در فرآیند تولید و برش پارچه

یک عملیات برش را تصور کنید که برای تولید منظم مواد با طول ثابت و مشخص، طراحی شده است. مواد اولیه مانند پارچه به طور پیوسته از یک دوک به داخل دستگاه وارد می شود. دستگاه باید تعیین کند که چه مقداری از واحد طول از دوک به نوار نقاله دستگاه تغذیه شده است و سپس باید به قسمت برش دستور دهد که دقیقاً در لحظه مناسب عملیات برش را اجرا کند تا طول مناسبی از پارچه برش بخورد. در پروژه هایی از این قبیل انکودرها استفاده می شوند تا فیدبک مناسب را به کنترلر ماشین ارسال نموده و محل و زمان برش در کنترلر محاسبه و انجام شود.

 

 
 
انواع انکودرها

با توجه به کاربرد های مختلف حرکتی همچون حرکت خطی، چرخشی و زاویه ای انواع مختلفی از انکودرها طراحی و ساخته شده اند. انتخاب انکودرها با توجه به نوع حرکت بخش متحرک مورد اندازه گیری صورت می گیرد.

 

انکودر خطی (Linear Encoder)

انکودر های خطی با حرکت اشیا  در امتداد یک مسیر یا خط، مانند برنامه برش در طول که بالاتر ذکر شد، سروکار دارند. این مدل از انکودرها برای اندازه گیری حرکت یا فاصله بین دو نقطه استفاده می شوند.

 

 
 
انکودر چرخشی (Rotary Encoder)

انکودر های چرخشی برای ارسال فیدبک از حرکت یک جسم چرخان مانند شفت موتور استفاده می شوند. انکودر چرخشی موقعیت زاویه ای شفت متحرک را به یک سیگنال خروجی آنالوگ یا دیجیتال تبدیل می کند و سپس سیستم کنترل را قادر می سازد موقعیت یا سرعت شفت را تعیین نماید.

انکودرهای چرخشی ممکن است دارای شفت باشند یا از مدلی باشند که دارای حفره می باشند که اصطلاحا به این مدل انکودرها  hollow shaft encoder می گویند با این مفهوم که توانایی نصب مستقیم روی شفت موتور را دارند. انکودرهای هالو شفت با تنوع گسترده ای در اندازه و طریقه های نصب گیره ای یا پیچ دار وجود دارند که آنها را برای اتصال در برنامه های طراحی و ساخت ماشین آلات مناسب می سازد.

 

 
 
 
انکودر زاویه ای (Angle Encoder)

انکودرهای زاویه ای از طریق چرخش و دورانی که انجام می دهند، فیدبکی را ارائه می دهند و از این نظر مانند انکودرهای چرخشی هستند اما باید به این نکته توجه داشت که انکودرهای زاویه ای دقت بالاتری را ارائه می دهند.

 

 
 
انکودرهای مطلق و افزایش (Absolute and Incremental Encoders)

انکودرهای خطی (Linear) و چرخشی (Rotary) بصورت انکودر مطلق یا افزایشی در دسترس هستند. در انکودرهای مطلق، سیگنال خروجی تولید شده منجر به تشکیل مجموعه ای منحصر به فرد از بیت های دیجیتالی می شود که منطبق با موقعیت خاصی از حرکت جسم می باشد. در این انکودرها با قطع و وصل برق، انکودر مطلق به گونه ای طراحی شده است که می تواند موقعیت جسم را تعیین و حفظ نماید و اصطلاحا موقعیت را گم نکند، چرا که متناسب با هر موقعیت خاص، یک سیگنال دیجیتالی خاص شکل می گیرد.

انکودر های مطلق چرخشی (Rotary absolute encoders)  در دو مدل Single-turn و Multy-turn موجود هستند. انکودرهای Single-turn قادر به ارائه اطلاعات برای هر دور چرخش شفت هستند. انکودرهای Multy-turn قادر به ارائه اطلاعات در مورد موقعیت دور های متعددی از چرخش شفت هستند.

 

انکودرهای مطلق در کاربری هایی مورد استفاده قرار می گیرند که دانستن موقعیت دقیق جسم مهم است. آنها همچنین در شرایطی استفاده می شوند که ماشین یا فرآیند برای زمان های زیادی غیرفعال بوده یا با سرعت بسیار کمی در حرکت باشد.

انکودرهای افزایشی از روش ساده تری برای ارائه فیدبک حرکت استفاده می کنند در خروجی این انکودرها به ازای مقدار مشخصی چرخش، پالس هایی تولید می شود و سپس با توجه به مشخصات و تعداد پالس تولیدی انکودر در هر چرخش، محاسبات سرعت، موقعیت و … در کنترلر انجام می شود. با توجه به اینکه انکودرهای افزایشی به تولید و شمارش پالس متکی هستند، هیچ نشانه ی دیجیتالی منحصر به فردی وجود ندارد که بتوان برای تعیین موقعیت مطلق از آن استفاده کرد. از این رو در صورت قطع برق، انکودرهای افزایشی باید به موقعیت اصلی یا نقطه مرجع ارجاع داده شوند تا شمارنده بتواند مجددا تنظیم شود و سپس برای محاسبه حرکت نسبی استفاده شود. یکی از مهمترین تفاوت انکودرهای مطلق و افزایشی آن است که انکودرهای افزایشی حرکت نسبی را در برابر برخی از نقاط مرجع اندازه گیری می کنند، در حالی که انکودرهای مطلق موقعیت را مستقیماً از یک کد سیگنال دیجیتالی منحصر به فرد که با موقعیت متناسب است استخراج می کنند.

 

   5- کنترل کننده صنعتی PLC 

 

 

PLC مخفف”Programmable Logic Controller” تجهیزی است که به طور خاص برای کنترل خطوط تولید، فرآیندها و دستگاه های صنعتی با قابلیت اطمینان بالا در شرایط و محیط های خاص صنعتی همچون کنترل کوره هایی با درجه حرارت بالا، دستگاه و ربات های خاص صنعتی در خطوط تولید، فرآیندهای پتروشیمی و نیروگاهی حساس و … طراحی شده است.

 

 

PLC بسیاری از ویژگی های رایانه های شخصی را دارا می باشد. هر دو دارای منبع تغذیه، CPU واحد پردازش مرکزی، ورودی و خروجی I/O ، حافظه و نرم افزار عملیاتی هستند. (البته لازم به ذکر است PLC دارای یک نرم افزار عملیاتی متفاوت است). مهمترین تفاوت PLC با کامپیوترها را می توان در طراحی PLC برای عملکرد و انجام پروسس های صنعتی و فعالیت های گسسته و مداوم با دقت و سرعت بالا در محیط های خشن صنعتی دانست. به عبارتی PLC ها رایانه های دیجیتالی مستحکم و بادوام هستند که فرآیندهای الکترومکانیکی یک محیط صنعتی را مدیریت می کند.

PLC ها به عنوان اصلی ترین بخش و هسته برنامه پذیر، نقشی اساسی در زمینه اتوماسیون خطوط تولید، فرآیندها و دستگاه های صنعتی ایفا می کنند. PLC ها می توانند با توجه به نیاز عملیاتی فرآیند، برنامه نویسی شوند. در خطوط تولید، به دلیل تغییر در ماهیت و فرآیند تولید، چالش برنامه نویسی مجدد وجود دارد از این رو برای پاسخگویی به این چالش، سیستم های کنترل مبتنی بر PLC معرفی شده اند.

PLC توسط دیک مورلی در سال 1964 اختراع شد. از آن زمان PLC انقلابی در بخش های صنعتی و تولیدی ایجاد کرد. پشتیبانی از طیف گسترده ای از توابع در PLC همچون زمانبندی ها، شمارش گرها، محاسبه کننده ها، مقایسه گرها، توابع خاص کنترلی و پردازشگرهای سیگنال های مختلف آنالوگ و… بسیاری از دشواری های سیستم های کنترلی را برطرف کرده است.

 

 

مزیت اصلی PLC نسبت به سیستم کنترلی مدار فرمان “سیم کشی” آن است که می توان پس از برنامه ریزی، با صرف کمترین هزینه و زمان، برنامه PLC را اصلاح نمود. در واقع در سیستم کنترلی مدار فرمان، برای اصلاح، رفع معایب و اصلاح عملکرد باید سیم کشی مدرات را بررسی نمایید و در واقع باید مجددا سیم کشی را از ابتدا شروع کنید و در نتیجه نیازمند صرف هزینه و زمان بسیار بالایی خواهد بود. برای درک بهتر این موضوع به مثال زیر توجه نمایید.

 

فرض کنید هدف کنترل چراغ متصل به سوئیچ به گونه ای است که با اتصال سوئیچ، پس از مدت زمان 30 ثانیه چراغ روشن شود. برای رسیدن به این هدف باید مدار فرمانی متشکل از رله تایمر طراحی کنیم و در نتیجه اضافه نمودن تجهیز جدید به مدار و تابلو کنترل خواهیم بود و در واقع تغییرات زیاد برای اعمال تغییری جزئی می باشد.

در اینجا اگر از PLC به عنوان کنترل کننده قابل برنامه ریزی سیستم استفاده کرده باشیم بدون نیازی به سیم کشی و سخت افزار اضافی و فقط با یک تغییر ساده در کد برنامه PLC، تغییر مورد نظر را به سیستم اعمال می کنیم. این مثال بسیار ساده برای بیان تفاوت وجود یا عدم وجود کنترلرهای منطقی برنامه پذیر (PLC) در کنترل دستگاه ها می باشد. در واقع PLC ها توانایی کنترل خطوط تولید، دستگاه ها و فرآیندهای بسیار بزرگتر و پیچیده تری را دارند. با توجه به گستردگی کاربرد PLC ها در کنترل انواع فرآیندها، شرکت های سازنده PLC ها، با توجه به نوع کاربرد، پیچیدگی و حساسیت فرآیند، نوع و تعداد ورودی و خروجی ها و … انواع مختلفی از  PLC ها را طراحی و ارائه نموده اند. طراح و کارشناسان سیستم کنترل با در نظر گرفتن تمام اهداف و نیز چالش های احتمالی، PLC مورد نیاز برای کنترل سیستم را انتخاب می کنند.

 

 

با توجه به اهمیت و گستردگی کاربرد PLC در طراحی، ساخت و اجرای سیستم های کنترل و اتوماسیون صنعتی، در مقالات بعدی به طور کامل به شرح و بررسی عملکرد PLC و معرفی انواع برندهای معتبر در این حوزه خواهیم پرداخت.

 

   6- مانیتورینگ صنعتی HMI

 

 

HMI مخفف ” Human Machine Interface ” رابط گرافیکی بین ماشین و انسان است که امکان اعمال فرامین و دستورات کاربر به ماشین را فراهم می سازد. در واقع HMI با کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی (PLC) سیستم در ارتباط بوده و دستورات صادر شده از سوی اپراتور را  به کنترلر منتقل می کند و همچنین برخی از نتایج حاصل را نیز از کنترلر به کاربر منتقل و بر روی صفحه نمایش می دهد.

HMI ها با کنترلرهای منطقی قابل برنامه ریزی (PLC) ، سنسورهای ورودی، عملگرهای خروجی و … برای دریافت و نمایش اطلاعات و مشاهده اپراتور ها در ارتباط هستند. اطلاعات توسط PLC از سنسورها، اکچوایتورها و… به عنوان ورودی دریافت، تجزیه و تحلیل می شوند و جهت نمایش به HMI منتقل می شوند.

صفحات HMI می توانند صرفا برای عملکردی واحد، مانند نظارت و نمایش و یا برای کاربردهای نظارت، کنترل و اعمال فرامین اپراتور به سیستم مورد استفاده قرار گیرند. رابط کاربری HMI و کنترل کننده PLC از ارکان اصلی خطوط تولید در صنایع و کارخانجات هستند.

 

 
 
تفاوت HMI & SCADA

 کنترل نظارتی و اکتساب داده ها (Supervisory Control And Data Acquisition) یا به اختصار SCADA   و HMI ارتباط تنگاتنگی با یکدیگر دارند. هر دو بخشی از یک سیستم کنترل صنعتی بزرگ و گسترده هستند، اما هر یک از آنها عملکردها و ویژگی های مختلفی را از خود نشان می دهند. HMI ها بر روی انتقال بصری اطلاعات برای کمک به کاربران و اپراتورها با هدف نظارت بر فرآیند صنعتی متمرکز هستند، در حالی که سیستم های SCADA ظرفیت بیشتری برای جمع آوری داده ها و عملکرد بر روی کل فرآیند صنعتی دارند.

 HMI ها برخلاف سیستم های SCADA، معمولا اطلاعات را جمع آوری و ضبط نمی كنند و به پایگاه داده متصل نمی شوند. HMI یک ابزار ارتباطی موثر و در ارتباط با اپراتور است که به عنوان بخشی از سیستم SCADA یا در کنار آن عمل می کند.

 

Human Machine Interface (HMI)

 

 

 

 

Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA)

 

 
 
   7- درایو و سافت استارتر

 

الکتروموتورها در لحظه راه اندازی به روش مستقیم جریان بسیار بالایی در حدود 3 تا 10 برابر جریان نامی (بسته به توان و سایر مشخصات موتور) مصرف می کنند. همچنین ضربه ناگهانی که در زمان راه اندازی به موتور وارد می شود به مرور زمان باعث بروز مشکلات مکانیکی متعددی می شود. این مشکلات در راه اندازی به روش ستاره مثلث تا حدودی رفع می شوند، اما جریان کشی در لحظه راه اندازی و شوک مکانیکی و سایر مشکلات مانند افزایش توان راکتیو، راندمان پایین، عدم کنترل بر روی الکتروموتور و… وجود خواهند داشت. از این رو برای رفع مشکلات فوق و بهره مندی از ویژگی ها و امکانات فوق العاده کاربردی در کنترل الکتروموتورها دو تجهیز «سافت استارتر» و «درایو» پیشنهاد می شود.

 

 

همان طور که از نام soft starter مشخص است، راه اندازی نرم و توقف نرم ویژگی اصلی این تجهیز است. همچنین برای سافت استارتر،  ولوم و کلید هایی تعبیه شده است که با بهرمندی از آنها می توان زمان شیب راه اندازی (Acceleration time) و زمان شیب توقف (Deceleration time) را تنظیم نمود. در بسیاری ازموارد، کاربرد سافت استارتر به همین جا ختم می شود. اما درایو اینگونه نیست! کنترل Acceleration time و Deceleration time و راه اندازی نرم یکی از صدها امکانات درایو می باشد.

 

با بهرمندی از درایوها، کنترل صفر تا صد الکتروموتور در اختیار ما است و از جمله مزایای حاصل از درایو می توانیم به ایمنی کامل الکتروموتور بدون استفاده از تجهیزات حفاظتی، حذف توان راکتیو، بهبود ضریب توان، کاهش مصرف برق، کنترل فرکانس، کنترل گشتاور، کنترل موقعیت و همچنین امکان بکارگیری انواع روش های کنترلی همچون:

 

         1- روش Voltage per Frequency) V/F) 

         2- روش کنترل برداری (Vector Control)

         3- روش Sensor less Vector Control) SVC) 

         4- روش Field Oriented Control) FOC) 

         5- روش  FOC + Encoder

         6- روش Direct Torque Control) DTC) 

 

و بسیاری از مود های کنترلی اشاره نمود. با توجه به اهمیت و کاربرد گسترده درایوها در صنعت در مقالات آینده به طور کامل به بررسی کاربردها، امکانات، قابلیت ها، برندهای مختلف درایوها و … خواهیم پرداخت.

 

 
 
   8- شبکه های صنعتی

شبکه های صنعتی یکی از اجزای اصلی سیستم های اتوماسیون هستند که با بهرمندی از آنها تجهیزات با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند در واقع شبکه های صنعتی ابزاری قدرتمندی برای تبادل داده و نیز ایجاد قابلیت کنترل و انعطاف پذیری برای اتصال دستگاه های مختلف را فراهم می کنند.

 

 

تجهیزات مختلف سیستم های کنترل که در اتوماسیون صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند و در ابتدا نیز به آنها اشاره کردیم همچون کنترلرهای منطقی قابل برنامه ریزی PLC ، سیستم های مانیتورینگ HMI، کنترل نظارتی و اطلاعات SCADA و سیستم کنترل توزیع شده DCS و … برای ارتباط با یکدیگر و نیز برای ارتباط با تجهیزات میدانی همچون سنسورها، عملگرها و… نیز کارت های ورودی/خروجی، درایوها و سرودرایوها و… از شبکه های صنعتی و طرح مختلف ارتباطی با سرعت بالا استفاده می کنند.

 

 

در ادامه به بررسی این سوال خواهیم پرداخت که آیا می توان دو تجهیز از اتوماسیون صنعتی همچونPLC  و DRIVE را بدون استفاده از شبکه با یکدیگر ارتباط داد یا خیر؟

 

بله، امکان برقراری ارتباط از طریق سیم کشی گسترده بین دو تجهیز فراهم می باشد اما باید به حجم سیم کشی و سرعت انتقال داده نیز توجه داشته باشیم. برای مثال اگر بخواهیم اطلاع فعال شدن موتوری را از  PLC  اول به  PLC  دوم برسانیم. واضح است که باید با یک رشته سیم حاوی اطلاعات روشن شدن موتور را از PLC  اول به PLC دوم منتقل کنیم. حال فرض کنید تعداد 100 موتور داشته باشیم و بخواهیم وضعیت هر یک را در PLC دوم بخوانیم؛ بنابراین باید 100 رشته سیم به PLC دوم ببریم. حال این مشکل را به کل فرآیند صنعتی یا دستگاه تعمیم دهید. مشاهده می کنید که حجم زیادی از سیم را باید به صورت مداوم بین تجهیزات جابجا کنیم. همچنین مشکلاتی نظیر عیب یابی سیستم، سرعت انتقال اطلاعات، تغییرات برنامه و …. را با این حجم بالای سیم درنظر بگیرید.

 

 

با در نظر گرفتن مشکلات فوق، قطعا بهترین راه ارتباطی بین تجهیزات اتوماسیون صنعتی، استفاده از شبکه های صنعتی است. به طور کلی مهم ترین مزیت های شبکه های صنعتی عبارتند از:

  • کاهش حجم سیم کشی
  • عیب یابی و اصلاح آسان
  • امکان انتقال حجم زیادی از اطلاعات
  • هزینه کم
  • امکان مانیتورینگ گستره ی وسیعی از داده ها و …

 

شبکه های صنعتی در انواع مختلفی دسته بندی می شوند، که مهمترین دسته بندی توجه به نوع پروتکل ارتباطی است. پروتکل مجموعه قراردادها و قوانینی از جمله نوع انتقال، نرخ انتقال داده، حجم سیم، لایه فیزیکی و… است که برای هر پروتکل ارتباطی به صورت خاص طراحی می شود. به بیان ساده تر برای آنکه تجهیزات در سیستم اتوماسیون صنعتی با یکدیگر به تبادل داده و اطلاعات بپردازند باید از زبان مشترکی تحت عنوان پروتکل ارتباطی استفاده کنند.

مهمترین و کاربردی ترین پروتکل های شبکه عبارت اند از:

  • مدباس
  • پروفی باس
  • MPI
  • اترنت
  • پروفی نت
  • CAN
  • CAN OPEN

و …

 

 
 
   9- پردازش تصویر و ربات های صنعتی

ربات های صنعتی دارای عملکرد و توانایی های خاصی هستند که به آنها امکان می دهد در محیط های صنعتی فعالیت کنند و همچنین آنها را از سایر ربات ها یا دستگاه ها متمایز می کند. مجموعه ای از حرکات مکانیکی پیچیده، پارامترهای متعدد سنسورها، دستورات برنامه نویسی، بهره گیری از پردازش تصویر و… ربات های صنعتی را قادر می سازد که طیف وسیعی از کارها مانند: جوشکاری نقطه ای، عملیات های انتخاب، گذاشتن و برداشتن اجسام یا اصطلاحا  pick & place، مونتاژ، رنگ آمیزی و … را انجام دهند.

 

 

ربات هایی که به طور خاص برای کاربردهای صنعتی طراحی شده اند، با توجه به حالت های عملیاتی، سیستم کنترلی، ابزار نصب شده در end effector، مکانیزم های تعاملی و هندسه بازو و… به انواع مختلفی تقسیم می شوند.

ربات های صنعتی برتری های بسیاری  نسبت به ماشین آلات اتوماتیک دارند. حتی در حالتی که ماشین آلات را به تمامی تجهیزات و ابزارها مجهز کنیم همچنان با بسیاری از ربات ها قابل مقایسه نیستند.

 لازم به ذکر است که بسیاری از ربات های صنعتی برای کاربردهای خاصی مشابه مواردی که در بالا اشاره شد ( مونتاژ، جوشکاری و…) طراحی و ساخته می شوند.

از نظر قابلیت های حرکتی، چندین پیکربندی رباتیک رایج وجود دارد:

  • Vertically Articulated
  • Cartesian
  • Scara
  • Cylindrical
  • Polar 
  • Delta
: Vertically Articulated

ساختار مفصل بندی شده ی عمودی، که بازوی مفصلی نیز نامیده می شود.

 

 

: Cartesian

یک پیکربندی دکارتی، که به آن rectilinear نیز گفته می شود، می تواند در امتداد سه محور Z,Y,X حرکت کند. بنابراین فضای کاری مکعب مربع است. اتصالات بازو ها در این پیکربندی به صورت خطی می باشد.

 

 

 

 :(Selective Compliance Assembly Robot Arm) SCARA

این نوع پیکربندی دارای دو اتصال افقی و یک منطقه کار استوانه ای است.

 

 

 

 :Cylindrical

مانند SCARA، این پیکربندی نیز دارای یک منطقه کار استوانه ای است. با این تفاوت که، بازوی ربات از طریق یک مفصل به پایه متصل می شود، و اتصالات خطی مفصل های بازو را به هم متصل می کنند.

 

 

 

 :Polar

در یک پیکربندی قطبی، بازوی رباتیک از طریق اتصال پیچشی به پایه متصل می شود. مفصل های بازو از طریق ترکیبی از اتصالات چرخشی و خطی به هم متصل می شوند. ناحیه کار این ربات به شکل کروی است.

 

 
Delta:

پایه این ربات در بالای فضای کار نصب شده است و تمام محرک ها روی آن قرار دارند. از پایه، سه بازوی مفصل میانی گسترش می یابد. انتهای این بازوها به یک پلتفرم مثلثی کوچک متصل می شوند. با فعال سازی مفصل ها، پلتفرم مثلثی در راستای X ، Y یا Z حرکت می کند. تحریک این قسمت را می توان با محرک های خطی یا چرخشی انجام داد.

 

از آنجا که محرک ها همه در پایه قرار دارند، بازوها می توانند از یک ماده کامپوزیت سبک ساخته شوند. در نتیجه این قطعات متحرک ربات دلتا دارای اینرسی کمی هستند. این ویژگی در سرعت ها و شتاب بالا عملکرد خود را نشان می دهند. اتصال تمام بازوها به هم و به end effector باعث افزایش استحکام ربات می شود، در حالی که حجم کار آن را کاهش می دهد.

استفاده از ربات های دلتا در کارخانه ها و در بخش های چیدمان و بسته بندی از محبوبیت بالایی برخوردار هستند زیرا سرعت بالایی داشته و بعضی از آنها در هر دقیقه می توانند 300 انتخاب را انجام دهند.

 

 
 
طراحی و اجرای سیستم های کنترل و اتوماسیون صنعتی:

 

در طراحی و اجرای سیستم های اتوماسیون صنعتی از تجهیزات و اجزای معرفی شده در بالا متناسب با سطح پروژه، نوع کاربرد، پیچیدگی و حساسیت فرآیند، نوع و تعداد ورودی و خروجی ها و … استفاده  می شود. به طور کلی قبل از اجرای سیستم های کنترل و اتوماسیون صنعتی، طراحی مدارک و نقشه های فنی و مهندسی با توجه به سایر مدارک پروژه همچون نقشه های P&ID، PFD و … انجام می گیرد در ادامه این مدارک مطابق با نظرات و پیشنهادات کارفرما، مشاوره و پیمانکار و در برخی از موارد با نظارت مدیریت پروژه تکمیل و پس از دریافت تاییدیه های مورد نظر به مرحله اجرا می رسد. برخی از مدارک و نقشه های فنی و مهندسی سیستم های کنترل و اتوماسیون صنعتی عبارت اند از :

 

        1- فلسفه کنترل (Control Philosophy)

        2- مدارک لیست ورودی و خروجی ها (I/O LIST)

        3- نقشه های مربوط به Wiring

        4- نقشه های مربوط به جانمایی تابلو

        5- نقشه های هوک آپ تجهیزات ابزار دقیق

 

 

در مقالات بعدی به بررسی انواع نقشه ها و مدارک فنی و مهندسی، استانداردها و مراحل طراحی و ساخت تابلوهای برق کنترل و اتوماسیون صنعتی خواهیم پرداخت.

 

در پایان امیدواریم از این مقاله بهره کافی را برده باشید.

موفق باشید.

 

واحد آموزش – گروه صنعتی نوین کنترل

4 نظر

  • درود بر شما. مطالب و عکس های سایت شما بسیار مفید و زیبا هستند. موفق باشید. منتظر مقالات بعدی شم هستیم.

    • سلام، سپاس از محبتتون
      در حال حاضر در شبکه های اجتماعی اینستاگرام، لینکدین و تلگرام فعال هستیم که در صورت تمایل به ما افتخار میدید اگر عضو این کانال ها باشید.
      در اینستاگرام با نام NovinControl.co ما رو پیدا می کنید. (لینک شبکه های اجتماعی ما در پایین صفحات سایت هستند.)
      موفق و موید باشید.

ارسال نظر

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

پروژه ها


دستگاه های مولتی دریل
دستگاه های وایندر
خطوط ذوب ریسی
خطوط تولید استرچ متال
دستگاه های پاساژ
سیستم های بوستر پمپ

اطلاعات تماس


ساعات کاری


شنبه
8:00 تا 16:00
یک شنبه
8:00 تا 16:00
دو شنبه
8:00 تا 16:00
سه شنبه
8:00 تا 16:00
چهار شنبه
8:00 تا 16:00
پنج شنبه
8:00 تا 14:00
جمعه
تعطیل

درباره ما


گروه صنعتی نوین کنترل با بهرمندی از هسته مهندسی در زمینه مشاوره، طراحی، ساخت و اجرای سیستم های برق قدرت،اتوماسیون صنعتی و ابزاردقیق فعالیت می کند.

ایمیل:NovinControl.Co@yahoo.com

تلفن: 55239280-9831+

پروژه ها


دستگاه های مولتی دریل
دستگاه های وایندر
خطوط ذوب ریسی
خطوط تولید استرچ متال
دستگاه های پاساژ
سیستم های بوستر پمپ

تمامی حقوق مادی و معنوی این سایت برای گروه صنعتی نوین کنترل محفوظ می باشد.

error: Content is protected !!