پی ال سی چیست

پی ال سی چیست؟ کلمه PLC شکل مخفف شده سه کلمه “Programmable Logic Controller” است.Programmable یعنی برنامه پذیر یا به عبارتی قابلیت برنامه نویسی بر روی آن وجود دارد.Logic یعنی منطقی، پس قاعدتا از یک اصولی برای ارتباط کاربر با دستگاه برخوردار است. و نهایتا Controller هم بدان معنا است که می تواند فرایند های مختلف را بر اساس برنامه ای که برای آن تعریف شده کنترل کند. حال اگر این عبارت را بخواهیم بصورت یک جا و به زبان ساده تعریف کنیم می توانیم بگوییم PLC یعنی: کنترل‌گر منطقی برنامه‌پذیر! حال که با مفهوم کلی این عبارت آشنا شدیم لازم است تا به صورت مفهومی و کامل نیز با تعاریف هر یک از کلمات این عبارت آشنا شویم.

کنترلر

از کلمه کنترلر – Controller (کنترل گر) می توانیم دریابیم،با دستگاهی مواجه هستیم که قابلیت انجام تمام فرایندهای کنترلی را دارد. برخی افراد حتی خود پی ال سی را نیز به عنوان اتوماسیون می شناسند که شاید همین ویژگی های PLC باشد که منجر به این نتیجه گیری در بین افراد می گردد. چرا که اتوماسیون نیز سیستمی ست تماما کنترل کننده که در کنار این ویژگی عملگرا نیز هست.دلیل این که پی ال سی ها توانستند جایگزین سیستم های رله شوند همین قابلیت کنترلی آنها بود.

منطقی

منطقی بودن یک دستگاه یا یک ماشین تقریبا قابل درک است. هر ماشینی که منطقی باشد قطعا زبانی برای ارتباط برقرار کردن دارد که اگر زبان آن را بدانید به راحتی می توانید با آن ارتباط برقرار نمایید.

برنامه پذیر

وقتی یک کنترلر منطقی باشد قاعدتا ضروری است که قابلیت برنامه نویسی روی آن نیز فراهم باشد. زبان های برنامه نویسی بر روی پی ال سی بسیار متعددند. و برخی از پیچیدگی بالایی برخوردارند.

تفاوت پی ال سی با کامپیوتر چیست؟

دو تفاوت کلی در بین کامپیوتر و تجهیزات PLC وجود دارد که در ادامه تفاوت ها را به طور کلی مورد بررسی قرار می دهیم.در گذشته در بین سال های ۱۹۵۰-۱۹۶۰ کامپیوتر ها در صنایع سنگین مورده استفاده قرار می گرفتند اما به دلیل همین دو تفاوتی که ذکر شد، آنها توانایی کنترل کارهای سنگین صنعتی را نداشتند.

  • از نظر فیزیکی:

قطعاتی که در کامپیوترها به کار می رود از ظرافت و حساسیت خاصی برخوردار است.این ظرافت و حساسیت عموما برای محیط های صنعتی گزینه خوبی بشمار نمی رود. غالبا محیط های صنعتی از آلودگی هایی همچون غبار، رطوبت، گرما و سرما، نویز الکتریکی و نوسان برق و… برخوردارند. این عوامل به کامپیوتر های شخصی آسیب های بسیار زیاد و جدی را وارد می کنند. اما در طرف مقابل پی ال سی ها می توانند برای مدت زیادی در این شرایط کار کنند.

  • به لحاظ محاسباتی:

اگر یک سیستم کامپیوتری برای یک منظور خاص طراحی و تولید شود از قابلیت های بالایی برخوردار است و می تواند با قدرت عمل نماید. اما زمانی که حیطه کاری آنها گسترده تر می شود و برای کاربرد های عمومی ساخته می شود قدرت و توانایی محاسباتی آنها نیز به شدت کاهش می یابد. در این شرایط است که ضرورت استفاده از یک پی ال سی مشخص می شود. زیرا یک پی ال سی برای کاربردهای خاص طراحی می شود.

پی ال سی امرن

مزایای PLC نسبت به مدارات رله ای

  • دقت بالای PLC
  • سرعت عمکرد بالای PLC نسبت به مدارات رله ای
  • تغییر در منطق کنترل و عیب یابی بسیار سریع و آسان PLCها
  • PLC دارای قابلیت اتصال به انواع درایو و بردهای کنترلی صنعتی را دارد
  • استفاده از PLC در فرایندهای صنعتی منجر به صرفه جویی شود
  • طراحی و اجرای مدار های کنترل با استفاده از پی ال سی بسیار ساده تر از مدارات رله ای است
  • PLC استهلاک مکانیکی ندارد به دلیل اینکه از قطعات الکترونیکی ساخته شده است، و دارای عمر بیشتری می باشد
  • مصرف PLC موجب کاهش حجم و پیچیدگی تابلو می شود، لذا منطق کنترل فرمان با نرم افزار پیاده سازی می شود و باعث کابل کشی کمتر و کاهش عناصر می شود.
  • در استفاده از  PLC می توان تایمر ها، شمارنده ها و رله های کمکی را از مدار حذف نموده و داخل PLC برنامه نویسی نمود.

کاربرد PLC در صنعت

پی ال سی را می توانید در مصارف و کاربردهای مختلفی استفاده نمایید. همچنین آنها می توانید در صنایعی مانند صنعت فولاد، صنعت خودرو، صنایع شیمیایی و بخش انرژی بکار ببرید. دامنه کاری PLC بسیار گسترده است و بر اساس نیاز به توسعه در همه فناوری های مختلف، کاربرد و استفاده شان به طرز چشمگیری افزایش می یابد. از سویی کاربرد PLC در هر صنعتی ممکن است با صنعت در گیر مغایرت داشته باشد. برای مثال در صنعت حمل و نقل، از پی ال سی برای نظارت بر سیستم کنترل ایمنی و کار با بالابر و پله برقی استفاده می شود.

 کاربرد پی ال سی در صنعت شیشه

PLCهای چندین دهه است که در صنعت شیشه مورد استفاده قرار میگیرد. پی ال سی ها عمدتا برای کنترل نسبت مواد و همچنین پردازش لیوان های تخت استفاده می شوند. این فناوری در طول سالها پیشرفت کرده و همین مساله افزایش تقاضا را برای پی ال سی جهت استفاده در صنعت شیشه به دنبال داشته است. تولید شیشه یک فرایند پیچیده و سخت است، بنابراین شرکت هایی که در این حوزه فعالیت می کنند غالبا از PLC در حالت کنترل خود استفاده می کنند. به طور کلی، PLC هم در ضبط داده های آنالوگ در تولید شیشه و هم در کنترل کیفیت و موقعیت دیجیتال اعمال می شود.

مزایای PLC در صنعت کاغذ سازی

در صنعت چاپ کاغذ، PLC ها در فرآیندهای مختلف استفاده می شوند. این  فرایندها شامل کنترل ماشین آلاتی می باشد که محصولات کاغذی را با سرعت زیاد تولید می کنند. به عنوان مثال، یک PLC تولید صفحات کتاب یا روزنامه ها را در چاپ افست تحت کنترل و نظارت قرار می دهد.

 کاربرد پی ال سی در تولید سیمان

تولید سیمان شامل مخلوط کردن مواد اولیه مختلف در کوره است. کیفیت این مواد اولیه و نسبت آنها به طور قابل توجهی بر کیفیت محصول نهایی تأثیر می گذارد. برای اطمینان از استفاده از کیفیت و مقادیر مناسب مواد اولیه، صحت داده ها در مورد چنین متغیرهای فرآیندی مهم است. یک سیستم کنترل توزیع شده شامل PLC در حالت کاربری و یک نرم افزار پیکربندی در فرایندهای تولید و مدیریت صنعت استفاده می شود. PLC، فرایندهایی مانند آسیاب کشی، کوره زغال سنگ و کوره شفت را کنترل می کند.

کاربرد های دیگر

نمونه های دیگر برنامه های کاربردی برنامه نویسی PLC که امروزه در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرد، شامل سیستم های خاموش کردن مخزن آب در بخش هوا فضا، سیستم کنترل ماشین پر کردن در صنایع غذایی، کنترل ماشین لباسشویی صنعتی و … می باشد.

PLC همچنین در سیستم تغییر فن دیگ های بخار ذغال سنگ در بیمارستانها، سیستم کنترل دستگاه راه و تغذیه سیلو و همچنین سیستم های کنترل قالب گیری تزریقی در صنعت پلاستیک استفاده می شود.

مزایا و فواید استفاده از PLC در صنعت

  • سرعت خیلی بالا
  • آسان برای تغییر منطق یعنی انعطاف پذیری
  • قابل اطمینان به دلیل عدم وجود قطعات متحرک
  • مصرف برق کم
  • تعمیر و نگهداری آسان به دلیل مونتاژ مدولار
  • امکاناتی در یافتن عیب و تشخیص
  • قابلیت مدیریت عملیات منطقی بسیار پیچیده
  • مستند سازی خوب
  • جفت شدن با رایانه های پردازشی آسان است
  • کنترل سیگنال آنالوگ و برنامه نویسی کنترل حلقه بسته
  • شمارنده، تایمر و مقایسه کننده را می توان برنامه ریزی کرد
  • به دلیل معرفی سیستم توصیفی و رنگ آمیزی ، رابط اپراتوری آسان

استفاده از PLC آسان است

PLC ها به گونه ای طراحی شده اند که به راحتی قابل استفاده هستند. به عنوان مثال کارمندان برای استفاده از آنها نیازی به آموزش خاصی ندارند و نظارت بر تصمیمات سیستم کنترل ساده است. یک PLC بهتر از یک سیستم عامل دسکتاپ مانند ویندوز، اجرای منطق قطعی را اجرا می کند. توابع قابل اطمینان تر و سازگار تر هستند.

مزیت در ورودی و خروجی

مزیت اصلی دیگر PLCها قابلیت ورودی/خروجی آنها است. رایانه های سنتی به سادگی تعداد گزینه های ارائه شده PLC را ندارند و یافتن سخت افزار PLC با قابلیت مدیریت ورودی/خروجی اضافی نسبتاً آسان است. همچنین کاربران از طیف وسیعی از رابط های بالقوه انتخاب می کنند. بعنوان مثال، شما ممکن است یک مدل ساده انتخاب کنید که از یک سیستم ساده، سبک و سوئیچ استفاده میکند. علاوه براین می توانید یک صفحه رابط گرافیکی انتخاب کنید. PLC حتی می تواند در یک فضای اداری جداگانه به یک میز کار سنتی متصل شود. گزینه های متنوع این اطمینان را می دهد که مدیران صنعتی می توانند فناوری خود را برای پاسخگویی به تقاضای فزاینده به جای کل سیستم جایگزین کنند. PLCها می توانند به عنوان کنترل رله متوالی، کنترل حرکت، شبکه، سیستم های کنترل توزیع شده و موارد دیگر عمل نمایند.

PLC مقرون به صرفه است

حتی اگر در توسعه نرم افزار سفارشی سرمایه گذاری کنید، هزینه PLC به شدت ارزان تر از اجزایی است که برای ایفای همان نقش ها لازم است. اگرچه این تنها دلیل برای در نظر گرفتن PLC است، اما کارآیی بیشتر سیستم در واقع باعث صرفه جویی در هزینه ها می گردد.

سایز مزایا

مزایای PLC برای صنعت از عملکرد برتر و کیفیت مناسب تا هزینه کمتر می باشد. به ندرت اتفاق می افتد که این دو مزیت با هم تداخل داشته باشند. یک پی ال سی می تواند در برابر سختی کارخانه های صنعت و مراکز حمل و نقل مقاومت کند بدون اینکه محاسبات دقیق را به خطر بیندازد. واحدهای پی ال سی کمتر از معادل عملکردی اشغال می کنند و تقریباً همیشه ماندگاری بیشتری دارند. جای تعجب نیست که یک سیستم کنترلی که به طور خاص برای محیط های صنعتی ایجاد شده در شرایط صنعت عملکرد بهتری نسبت به رقابت دارد. PLC تصفیه شده ترین سیستم محاسبات صنعت موجود امروز را ارائه می دهد. با دامنه عملکرد پویا و دسترسی آسان، مزایا مشخص است.

 انواع پی ال سی

پی ال سی ها را به طور کلی می توان به چهار دسته اصلی تقسیم نمود. در ادامه به تشریح هر یک خواهیم پرداخت.

مینی پی ال سی

در صنعت، مینی PLCهای مختلفی با اسامی گوناگون وجود دارد که از مقایسه آنها می توان دریافت که تقریباً نحوه اتصال و سیم کشی انواع آنها با یکدیگر یکسان است و تنها از نظر شکل نرم افزار و نحوه برنامه ریزی تفاوت هایی دارند.مینی PLC کوچکترین محصول کارخانه های سازنده پی ال سی و از انواع سیستم های کنترل است. شرکت های سازندۀ این وسیله تقریباً یک دهه است که آن را به بازار عرضه کرده اند. در ابتدا به علت گران بودن قیمت این مینی پی ال سی ها زمینه های استفاده و کاربرد کمی داشتند.اما امروزه با وجود پایین آمدن قیمت بعضی از پی ال سی ها، زمینه کاربردی مینی پی ال سی افزایش یافته و با تنوع بیشتری تولید می شود. یکی از دلایل اصلی ساخت آن ها داشتن امکان برنامه ریزی با دست توسط کلیدهای روی PLC ا ست که آن را تبدیل به قطعه ای منحصر به کرده است.

پی ال سی کامپکت (Compact)

 این پی ال سی ها دارای ساختار و شکل ظاهری یکپارچه هستند که در برخی مدل ها دارای نمایشگر بوده و با چهار کلید جهت دار می توان این نمونه پی ال سی ها را بدون نیاز به کامپیوتر برنامه برنامه ریزی نمود. نمونه ای از این کنترل کننده ها، پی ال سی های زلیوی ساخت شرکت اشنایدر الکتریک فرانسه هستند که برای کارهای کنترلی کوچک ساخته شده اند. انتخاب نوع پی ال سی در موفقیت سیستم کنترلی تأثیر گذار است یعنی باید با توجه به مشخصات فرآیند، نوع پی ال سی مناسب انتخاب شود.

فاکتور های انتخاب PLC

 اطلاعات مورد نیاز برای انتخاب یک پی ال سی مناسب شامل موارد زیر است:

    1.  تغذیۀ AC یا  DC
    2.  تعداد ورودی (آنالوگ یا دیجیتال)
    3.  تعداد خروجی (آنالوگ یا دیجیتال)
اغلب شرکت‌های سازنده پی ال سی ها، این نوع  PLCها را همراه دیگر  PLCها به بازار ارائه می‌دهند اما بعضی از سازندگان آنرا با نام میکرو PLC ارائه می کنند.
خرید پی ال سی امرن cp1e از نمایندگی امرن در تهران

PLC ماژولار

   در این نوع از پی ال سی ها، اجزای پی ال سی یکپارچه نیست و ماژول منبع تغذیه، ماژول ورودی و خروجی، ماژول اصلی شاملCPU  و حافظه از یکدیگر جدا هستند. اما ماژول ها طوری ساخته شده اند تا بتوانیم آنها را کنار هم قرار دهیم و با حالت کشویی یا نری – مادگی  به هم متصل می گردند.

کاربرد:

پی ال سی های ماژولار در سیستم های کنترل فرآیند بزرگ صنعتی با تعداد ورودی و خروجی بالا به کار می روند. ورودی به این پی ال سی ها اطلاعاتی است که از طریق سنسورها و یا پی ال سی های Slave دیگر یا کامپیوترهای مرکزی Master PLC دیگر می آید و خروجی این پی ال سی ها شامل فرمان هایی است که به درایورها (Drivers) یا انواع موتورها و یا فرمان به پی ال سی های Slave دیگر  و یا حتی بوبین کنتاکتور ها صادر می گردد که تمامی این بخش ها از طریق شبکه ها (فیلد باس، پروفی باس، مد باس و…) با هم در ارتباط هستند.

 بررسی سخت افزاری پی ال سی

واحد پردازش مرکزی یا CPU

هسته مرکزی در پی ال سی واحد پردازش مرکزی می نامند و بدون وجود آن، مغز دستگاه از کار می افتد و امکان کار کردن سایر بخش ها نیز وجود نخواهد داشت. پردازنده ها در انواع مختلفی وجود دارند و از CPUهای کوچک در پی ال سی های کوچک و از پردازنده های بزرگ در پی ال سی های بزرگ (که در صنایع مهم و اساسی کاربرد دارند) به کار برده می شود. وظیفه واحد پردازش مرکزی یا پردازنده در پی ال سی این است تا اطلاعات مختلف را از ورودی های دستگاه دریافت کند و بر طبق دستورات برنامه این اطلاعات را پردازش و فرمان هایی را به خروجی ها صادر نماید. سرعت پردازش CPU تاثیر زیادی در سرعت عملکرد دستگاه دارد و هرچه سرعت آن بالاتر باشد برنامه ها با سرعت بالاتری اجرا می گردند.

منبع تغذیه پی ال سی

منبع تغذیه، ولتاژ و جریان مورد نیاز واحد CPU و سایر اجزای پی ال سی را تامین می کند و ولتاژ آن را باید به صورت دقیق تنظیم نماییم. ولتاژ ۲۴ ولت DC، ۱۱۰ یا ۲۲۰ ولت AC و ولتاژ ۵ ولت DC از ولتاژهای مورد استفاده در منبع تغذیه پی ال سی می باشد.

واحد ورودی پی ال سی

واحد ورودی انتقال سیگنال های ورودی از پردازنده PLC به کنترل کننده ها را انجام می دهد. این واحد از اجزایی شامل کلیدهای مختلف، ورودی های اپراتور و حسگرهای فشار تشکیل شده است و در دو نوع ورودی دیجیتال و آنالوگ می توانید آنها را تهیه نمایید. با دادن برنامه های مختلف به پی ال سی می توان ورودی های مختلفی را به دستگاه ارائه داد و عملکردهای مختلفی را از آن دریافت کرد. یک پی ال سی می تواند دارای چندین ورودی باشد که هر یک وظیفه دریافت اطلاعات خاصی را بر عهده داشته و در نهایت منجر به خروجی خاصی می گردد.

قسمت خروجی پی ال سی

واحدهای خروجی انتقال اطلاعات مختلف از داخل دستگاه به محیط خارجی از  پی ال سی را انجام می دهند. در صورتی که ورودی دستگاه از نوع آنالوگ باشد خروجی آن نیز از همین نوع است و در صورت دیجیتال بودن ورودی پی ال سی، خروجی آن نیز دیجیتال خواهد بود. در واقع خروجی پی ال سی را می توانیم  محل صدور فرمان های پی ال سی به پروسه تحت کنترل بنامیم که در پی ال سی های مختلف تعداد آن متفاوت می باشد.

بدنه پی ال سی

تمامی اجزای پی ال سی در کنار یکدیگر قرار گرفته و بر طبق مکانیسمی که برای آن ها طراحی شده است به یکدیگر متصل می گردند. برای این که بتوان تمامی اجزای به کار رفته در پی ال سی را در یک مکان جمع نمود از بدنه یا شاسی استفاده می گردد. استحکام بدنه پی ال سی از اهمیت بالایی برخوردار بوده چرا که آسیب به آن می تواند منجر به صدمه دیدن سایر اجزای دستگاه شده و کارایی آن را با اختلال مواجه نماید.

واحد برنامه نویسی پی ال سی

برنامه نویسی از مراحل مهم در عملکرد پی ال سی می باشد که به دلیل وجود همین برنامه به آن کنترل گر منطقی برنامه پذیر گفته می شود. هر پی ال سی دارای کد برنامه نویسی و نرم افزار مخصوص به خود می باشد و فردی که برنامه نویسی پی ال سی را انجام می دهد نیاز است تا با استفاده از واحد برنامه نویسی پی ال سی به انجام این کار بپردازد. برنامه نویس وظیفه دارد تا برای واحدهای مختلف برنامه مخصوص به خود را نوشته و به دستگاه بدهد تا پی ال سی قادر به کنترل خط تولید بر طبق برنامه نوشته شده باشد.

 

نقش ربات های صنعتی در تغییر نحوه کار نیروهای انسانی

در دنیای امروز وجود سیستم های رباتیک در دنیای صنعت و اتوماسیون صنعتی بیش از هر زمان دیگری احساس می شود و نقش ربات های صنعتی بر هیچکس پوشیده نیست. از جمله دلایل این امر می توان به کاهش نیروی کار انسانی برای انجام برخی فرایندها و همچنین اهمیت بالای ایمنی، سرعت، دقت و کیفیت می باشند.
سازمان استاندارد جهانی یا همان ISO در اوایل شکوفایی ربات های صنعتی تاکید بر ایجاد فاصله بین منابع انسانی و ربات های صنعتی داشت تا از بروز آسیب جلوگیری کند اما با گذر زمان به این نتیجه رسیدند که تعامل بین انسان و ربات جز موارد ضروری در اتوماسیون است.در سال ۲۰۱۶ ایزو قوانین جدید را مصوب نمود که ایمنی ربات ها برای تعامل با انسان افزایش یابد و از سوی دیگر آموزش های لازم برای تعامل بین انسان و ربات را ارائه نمود.
تصویب همین قانون موجب شد تا ربات ها شکوفایی بیشتر داشته باشند و تنها محدود به اتوماسیون صنعتی نشوند و بتوان آنها را در محیط های عمومی تری همچون مراکز خرید و فروشگاه ها، فرودگاه ها و بسیاری از امکان دیگر استفاده کرد.همین موضوع منجر به ایجاد فرصت های شغلی بیشتری می گردد.در ادامه به بررسی دلایل بیشتر در مورد نقش ربات های صنعتی خواهیم پرداخت.

نقش ربات های صنعتی در ایجاد فرصت های شغلی بیشتر

پیش بینی ها حاکی از آن است که طی یک دهه آینده حدود ۲۳ درصد از مشاغل جهان توسط ربات ها اداره شوند و فرایند ها به صورت خودکار انجام گردد. اما این به معنی حذف کامل نیروهای انسانی نیست، در واقع نقش ربات های صنعتی این است که بتوانند کارهای پیش پا افتاده را به جای انسان ها انجام دهند و نیروهای انسانی تمرکز بیشتری را بر روی کارهای گروهی و خلاقانه قرار دهند.همانند ربات های چسب زنی، بسته بندی، جابجایی،جوشکاری  و… تمام این ربات ها برای کمک بیشتر به انسان وارد دنیای صنعت شده اند و هیچکدام قرار نیست که جایگزین انسان شوند و مشاغل انسانی را به مخاطره بیندازند بلکه منجر به تربیت نیروهای کارآزموزده و زبده می شود.

مهارت شرط موفقیت

بدون شک تکنولوژی های جدید همچون رباتیک، هوش مصنوعی، پردازش تصویر و … به دنبال خود دانش جدید را نیز به همراه خواهند داشت.لازم است تا دانش، مهارت و خلاقت توامان با هم منجر به دستاوردهای تازه شوند.در آینده ای نه چندان دور نیاز به ماشین های با هوش مصنوعی به شدت افزایش خواهد یافت و در نتیجه نیروهای کار دیگر افراد با دانش پایین و نیروی کار ساده نخواهند بود.

آزمایش و عیب یابی الکتروموتور ها

یکی از مهم ترین اجزا در صنعت و اتوماسیون های صنعتی الکتروموتور ها می باشند . نیروی محرکه ای که توسط الکترو موتور ها ایجاد میشود مبدا شروع حرکت مکانیکی بوده و به زوایا و محور های مختلف تبدیل می شود بنابراین می توان نتیجه گرفت که بدون حرکت الکتروموتور ها خط تولید یک کارخانه به صورت کامل بی حرکت مانده و تولید به صورت کامل از کار می افتد.

بنابراین به این نتیجه می رسیم که آزمایش ، تعمیر و نگهداری و همچنین عیب یابی الکتروموتور ها یکی از موضوعات بسیار مهم می باشد که باید همواره در کارخانجات و جایگاه های دیگر صنعتی مورد توجه قرار گیرد .

 

روش های آزمایش موتور های الکتریکی :

  1. آزمایش هایی که معمولاً انجام می شود آزمایش های در حین کار از حالت بی باری تا ۱۲۵٪ بار کامل است.
  2. آزمایش های گشتاور-سرعت که نشان دهنده ی چگونگی تغییر گشتاور همگام با سرعت است.
  3. افزایش گرما در شرایط بار ثابت برای الکتروموتور هایی که به صورت پیوسته کار می کنند ، این آزمایش نشان دهنده ی دمای نهایی سیم پیچ ها و سایر اجزا الکتروموتور می باشد .

 

یکی از موارد ضروری که در مهندسی برق کاربرد زیادی دارد محاسبه ی تلفات یک الکتروموتور می باشد که این موضوع به نیاز به ازمایش هایی دارد که الکتروموتور در حالت بی باری با یک منبع ولتاژ قابل تغییر بدون اینکه به ناحیه ی اشباع کار کند هم چنین در آزمایش های ۱ و ۳ که در بالا ذکر شد به وسایلی لازم است که موتور تحت بار قرار گیرد که منجر می شود توان مکانیکی خروجی الکتروموتور به دقت اندازه گیری شود.

برای آزمایش یک موتور سه فاز در محیط های آزمایشگاهی به تجهیزات زیر نیاز است :

یکی از مهم ترین تجهیزات منبع ولتاژ متغیر است که بتوان ولتاژ آن را در محدوده ی وسیعی تغییر داد ، ولت متر ها ، آمپر متر ها ، وات متر ها با ظرفیت های مناسب ، وسیله ای برای خواندن دقیق  سرعت روتور ، ترمز اصطکاکی برای آزمایش های بارگذاری موتور و یک داینامومتر که قادر باشد بار را به طور پیوسته در سرعت دلخواه تغییر دهد.

ترمز اصطکاکی

اگر بر روی محور اصلی موتور یک استوانه قرار بگیرد و از طریق نوار یا هر تجهیز دیگری بتوانیم مانع حرکت شفت الکتروموتور شویم موجب بارگذاری روی الکتروموتور میشود. هنگام ترمز کردن گشتاوری به نوار وارد می شود که توسط اهرم منتقل می شود و از این طریق می توان جریان کشی الکتروموتور را به مقدار نامی رساند و توان خروجی را به صورت گرما ی اصطکاکی بین ترمز و استوانه تلف می شود .

حال اگر انتهای اهرم را وسیله ای وصل کنیم که نیروی اهرم را اندازه گیری کند ، گشتاور موتور که توسط اهرم منتقل میشود قابل اندازه گیری خواهد بود

آزمایش ها تست های موتور های الکتریکی قبل از راه اندازی

شماری از آزمایش ها و تست ها وجود دارد که جهت اطمینان از صحت کارکرد و سلامت الکتروموتور می باشد و قبل از راه اندازی انجام میشود.یکی از این تست ها سنجش مقدار مقامت عایقی سیم پیچ ، سیم های قدرت و فرمان می باشد .

در مورد سیم پیچی های الکتروموتور، باید میزان مقاومت عایقی هر سه سیم پیچ با بدنه را اندازه گیری کنیم. دو حالت را باید برای این موضوع مورد توجه قرار داد اول آنکه نباید از حد مشخصی پایین تر باشد که نشان از اتصال کوتاه دارد و دوم اینکه این مقدار باید از حدی که شرکت سازنده ی الکتروموتور ذکر کرده است پایین تر باشد . معمولا میزان مقاومت عایقی را با دستگاه میگر اندازه گیری می کنند.

یکی از مسائل پیش افتاده قبل از راه اندازی الکتروموتور این است که باید به اتصالات و فونداسیون آن توجه نمود ، زیرا اگر این اتصالات محکم نباشند و الکتروموتور دارای شوک یا ضربه ی راه اندازی باشد یا حتی اگر به سرعت نامی خود برسد به دلیل داشتن، لرزش استهلاک الکتروموتور و دستگاه اصلی را چند برابر می کند.

الکتروموتور را در حالت Free Run یعنی در حالت آزاد و بدون اتصال مکانیکی راه اندازی می کنیم ، اول از همه جهت موتور را چک کرده و با تعویض ۲ فاز از سه فاز جهت گردش دلخواه خود را ایجاد می کنیم. در این حالت می توانیم جریان بی باری الکتروموتور را اندازه گیری نموده و با مقدار مشخص شده توسط سازنده ی موتور مطابقت دهیم.همچنین در این زمان می توان توسط یک دستگاه ویبرومتر لرزش بخش های مختلف الکتروموتور را اندازه گیری کرد . لرزش زیاد الکتروموتور می تواند ناشی از ایراد در خود موتور و یا عدم نصب صحیح آن باشد.

>>> اینورتر یاسکاوا <<<

صدای غیر عادی بخش های مختلف الکتروموتور نیز با دستگاه خاصی اندازه گیری می شود که نام آن سنداسکوپ می باشد و دستگاهی با مکانیزم ساده می باشد. صدای و لرزش های غیرعادی می تواند به این نشانه باشد که موتور معیوب بوده یا کارکرد صحیحی ندارد.

در حالت Free Run باید حتما دمای الکتروموتور چک شود که بیش از حد افزایش نیافته باشد. همچنین افزایش دمای الکتروموتور در هر باری (Load) می تواند نشانگر کاکرد نادرست الکتروموتور مثل اضافه بار ، عیب در سیستم خنک کننده و … باشد که باید به سرعت مورد توجه قرار گیرد.

بسته به نظر طراح و سازنده، الکتروموتور مدتی در این وضعیت باید کار کند. پس از ثبت اطلاعات مربوطه، الکتروموتور را بدون بار راه اندازی کرده و به تدریج بار را اعمال می کنیم و همزمان با آن موارد ذکر شده یعنی جریان ، دما، لرزش ، صدا و … به صورت همزمان چک میکنیم . بعد ثبت تمامی اطلاعات باید آنان را با معیار های مرجع در کاتالوگ و دیتاشیت تطابق داد در صورت مطابقت داشتن مقادیر اندازه گیری شده با مقادیر معیار کارکرد الکتروموتور مورد تاییده بوده و می توان از آن بهره برداری کرد .

چه عواملی موجب خرابی  الکتروموتور ها هستند؟
  1. عواملی که در کیفیت توان موثر هستند مانند ولتاژ گذرا ، عدم تعادل ولتاژ، اعوجاج هارمونیکی
  • ایجاد ولتاژ گذرا می تواند دلایل متفاوتی داشته باشد ، از دلایل آن می توان به بانک های خازنی اصلاح ضریب توان، کلید زنی در بار های مجاور و …

دامنه و فرکانس ولتاژ های گذرا می تواند متغیر باشد و گاهی می تواند موجب شکست عایقی سیم پیچ های موتور شود .

  • عدم تعادل ولتاژ در موتورها :

شرایط عادی شبکه به این صورت است که سیستم های سه فاز ۳۸۰ ولت با پخش بار مناسب جهت استفاده ی تجهیزات تک فاز ۲۲۰ ولت قرار می گیرند، اگر در این شرایط پخش بار و امپدانس با محاسبات درست و دقیق انجام نشود منجر به عدم تعادل و تقارن ۳ فاز می شود. در حالت عادی ولتاژ هر سه فاز باید به یک اندازه باشد. عدم تعادل ولتاژ موجب جریان کشی بیشتر شده که همین عامل سبب افزایش دما و در نتیجه شکست عایقی خواهد بود .

  • اعوجاج هارمونیکی :

همان طور که می دانید هارمونیک ها منابع اضافه ولتاژها و یا جریان های ac فرکانس بالا هستند که انرژی را به سیم پیچ های موتور منتقل می کنند، این انرژی الکتریکی به حدی نیست که موجب شود شفت الکتروموتور بچرخد ولی در نهایت به صورت تلفات در سیم پیچ ها تلف می شود ، این تلفات حرارت و گرم شدن هسته و سیم پیچ ها را به دنبال دارد و با گذشت زمان عایق های سیم پیچ ها رو ضعیف کرده و رفته رفته از بین می برد. امروزه برای محاسبه و آگاهی از میزان اعوجاج هارمونیکی و همچنین عیب یابی الکتروموتور ها از دستگاهی به نام آنالایزر کیفیت توان (پاورمتر یا به عبارت دیگر پاور آنالایزر) سه فاز استفاده می شود. مشکل اصلی اعوجاج های هارمونیکی کاهش راندمان و همچین افزایش دمای موتور است .

 

  1. عواملی که با اینورترها و درایو های سرعت متغیر مرتبط هستند : انعکاس یا بازتاب ها در سیگنال های pwm خروجی درایو، جریان های پارازیت (جریان سیگما)، اضافه بار موتور که البته تا حد زیادی توسط درایو شناسایی شده و باعث قطع کار میشود.
  • اضافه بارهای عملیاتی : در حقیقا اضافه بار زمانی رخ میدهد که موتور بیشتر از بار نامی مجاز خود زیر بار قرار گیرد و جریانی بیشتر از جریان نامی خود را از شبکه دریافت کند. از نشانه های اضافه بار می توان به موضوعاتی چون کشیدن جریان بیش از حد از نامی ، کم بودن مقدار گشتاور و همچنین حرارت بیش از حد الکتروموتور اشاره کرد. با توجه به آمار های امروزی دلیل ۳۰ درصد خرابی الکترو موتور ها اضافه بار است .

گاهی اوقات درست عمل نکردن یا معیوب بودن یاتاقان ها یا بلبرینگ های موتور و همچنین اعضای مکانیکی دیگر موتور می توانند موجب جریان کشی زیاد ور در نتیجه اضافه بار شوند ولی در زمانی که تمام اجزا درست کار میکنند می توان نتیجه گرفت که ظرفیت بار با توان خروجی موتور هم خوانی ندارد.

فروش اینورتر میتسوبیشی

  1. عوامل مکانیکی : این موارد کمتر از عوامل دیگر رخ میدهد و دلیل آن می تواند گذشت زمان و استهلاک و فرسایش باشد. این عوامل را میتوان ، عواملی چون نا هم محوری شفت دوار موتور و راستای بار، عدم تعادل شفت، لغزان بودن و لنگی شفت، از بین رفتن یاتاقان ها.

 

  1. عواملی که به دلیل نصب نادرست ایجاد می شود: این عوامل در اکثر اوقات به دلیل بی تجربگی در نصب و اصولی نبودن نوع نصب شدن پایه ها ایجاد میشود.

 

عیب یابی موتور های الکتریکی :

عیب های یک موتور الکرتیکی زمانی مشخص میشود که نوع عملکرد آن به مشکل خورده یا در هنگام کاری مشکلاتی مثل گرمای بیش از حد مجاز ، صدا و لرزش، جریان کشی بیش از حد نامی و تغییر تعداد دور(RPM) بوجود بیاید

 

 

افزایش دما به چه دلایلی رخ می دهد ؟

  1. جریان سه فاز بیشتر از جریان نامی شود
  • گاهی اوقات مشاهده می شود که بدون اضافه بار جریان کشی الکتروموتور ها بیشتر می شود، اگر عیب های مکانیکی یا مسائل دیگری مطرح نباشد می تواند افزیایش یا کاهش ولتاژ شبکه رخ داده باشد ، در ساعاتی از شبانه روز ممکن است این اتفاق بیفتد.
  • توجه نکردن به کاربرد الکتروموتور و همچنین عدم تطابق این طراحی موتور و کاربرد مورد استفاده می تواند افزایش جریان را در بر داشته باشد، مثلا از موتوری که برای زمان کاری کوتاه طراحی شده است نمی توان به صورت تمام وقت استفاده نمود.
  1. جریان های متفاوت سه فاز :

  • گاهی اوقات ممکن بر اسر فرسودگی یا ضربه یکی از سیم پیچ ها از داخل قطع شده باشد و موتور ۲ فاز شود که این موضوع منجر به جریان کشی شدید و آسیب جدی به الکتروموتور می شود.
  • اتصال حلقه های یک کلاف به یکدیگر، اتصال بدنه و اتصال حلقه های دو کلاف از دو فاز مختلف به یکدیگر نیز می توانند باعث نابرابری جریان فازها شوند.
  1. صدا و لرزش موتور زیاد از حد نرمال باشد ، و قسمتی از سیم پیچ ها داغ شده و دود کردن آن مشهود باشد:

یکی دیگر از عیب های نسبتا رایج الکتروموتور ها می تواند صدا و داغ شدن باشد که در این صورت:

  • سیم پیچ در نقاطی دچار اتصال به بدنه شده یا که بین حلقه ها اتصال کوتاه بوجود آمده است که دلیل آن از بین رفتن عایق سیم پیچ می باشد .در این صورت الکتروموتور نمی چرخد.
  • جریان استاتور تا حد زیادی دچار نوسان بوده و پایدار نمی باشد که این موضوع صدای الکتروموتور را تغییر می دهد . در برخی موارد قطع شدن سیم پیچ روتور و همچنین قطع شدن میله های روتور قفسه سنجابی موجب صدای عجیب در موتور می شود.

 

  1. موتور به سختی راه اندازی شود و در زیر بار تعداد دور آن کاهش یابد

برای عیب یابی در این شرایط یکی از مشکلات زیر رخ داده است

  • سیم پیچ های استاتور اشتباهاً به جای مثلث ، به صورت ستاره بسته شده اند.
  • ولتاژ تغذیه کم است یا سیم های رابط بین موتور و منبع تغذیه (شبکه) از سطح مقطع پایینی برخوردار هستند که هنگام کارکرد موتور در بار نامی داغ شده و با افزایش مقاومت موجب افت ولتاژ بیشتر شده ، در این زمان باید در سطح مقطع سیم های رابط تجدید نظر کرد.
  • در صورت اتصال حلقه های سیم پیچ به یکدیگر هم، موتور به سختی راه افتاده و به افزایش بار، دور آن کاهش می یابد.
  • گاهی اوقات بر اثر بی تجربی تکنسین های فنی ممکن است یکی از سیم های رابط را به سیم صفر شبکه وصل کنند که همین امر موجب می شود دور موتور پایین تر باشد و ممکن است موجب آسیب به الکتروموتور شود

 

در اتوماسیون صنعتی تابلو های فرمان به منظور حفاظت موتور و قطع اتوماتیک آن در صورت افزایش درجه حرارت بدنه موتور ناشی از اضافه بار از رله های حرارتی (بی متال) و یا کلید محافظ موتوری (رله حرارتی- مغناطیسی) در مدار استفاده می شود.

حال برای آنکه بخواهیم از بی متال برای حفاظت از موتور استفاده کنیم باید از تجهیزات حفاظتی زیر بهره بگیریم :

  • کلید جدا کننده زیر بار مثل کلید گردان
  • فیور برای حفاظت در برابر اتصال کوتاه، که در این حالت طراحی فیوز بر اساس جریان نامی موتور صورت می گیرد.
  • کنتاکتور به منظور قطع، وصل و کنترل مدار

 

نکاتی برای عیب یابی الکتروموتور

یکی از روش های ساده عیب یابی الکتروموتور ها استفاده مولتی متر می باشد که از طریق آن می توان به قطعی یا اتصال کوتاه شدن سیم پیچ ها پی برد.

همچنین از طریق آمپر متر آن می توان جریان الکتروموتور را اندازه گیری کرده و با جریان نامی روی پلاک آن تطابق داده و در صورت اضافه جریان وارد عمل شد تا از آسیب بیشتر به موتور جلوگیری کرد. اضافه جریان در موتور می تواند ناشی از اضافه بار، یاتاقان های خراب، سیم پیچی های اتصال کوتاه شده و یا سیم پیچی های باز شده باشد.

برای مشخص شدن اتصال کوتاه سیم پیچ ها به بدنه یا به زمین یا به دیگر سیم پیچ ها در اکثر اوقات از دستگاه های میگر استفاده می کنند، در حقیقت تجهیز میگر برای تست مقاومت عایقی سیم پیچ ها استفاده می شود به این صورت که با وارد کردن شوک با ولتاژ بالا (جریان محدود شده ) می تواند صحت مقاومت عایقی سیم پیچ را مشخص کرده و در صورت ضعف عایق آن را مردود اعلام کند. لازم به ذکر است که برای تست میگر باید به این نکته توجه نمود که الکتروموتور از شبکه جدا شده باشد .

 

کاربردهای پردازش تصویر در دنیای امروز

پردازش تصویر یا Image processing دانشی است که در بیست سال گذشته با سرعت چشمگیر و قابعل توجهی رشد و توسعه یافته است، به نوعی که امروزه در جای جای دنیای صنعت می توانید حضور این دانش را به خوبی لمس کنید. در این مقاله نیز ما قصد داریم تا کاربردهای پردازش تصویر را تا حد ممکن در صنایع و علوم مختلف بررسی و تحلیل کنیم.

چرا پردازش تصویر؟

امروزه تصاویر به عنوان داده های اولیه، نقش بسیار مهمی را در کابردها و صنایع مختلف ایفا می کنند.فارغ از حوزه ای که پردازش تصویر بکار می رود، می توانیم کاربرد آنرا در صنعت به چهار قسمت کلی و اصلی تقسیم کنیم:

  • بهبود کیفیت ظاهری(Enhancement)
  • بازسازی تصاویر مختل شده(Restoration)
  • فشردگی و رمزگذاری تصویر (Compression and Coding)
  •  درک تصویر توسط ماشین (Understanding)

بهبود کیفیت با پردازش تصویر

در برخی موارد ممکن است تصاویر دریافت و در دست، از کیفیت مطلوبی برخوردار نباشند اما پردازش تصویر می تواند با استفاده از یکسری فیلتر کیفیت تصاویر را بهبود بخشیده و آنها را قابل درک کنند. برای مثال رفع کردن محو شدگی تصویر، یا بهبود نور، از بین بردن برخی نویزهای تصویری و… از جمله مواردی است که پردازش تصویر به کمک انسان می آید تا اطلاعات بهتری را در دسترس داشته باشیم.

کاربردهای پردازش تصویر

همانطور که در ابتدا نیز اشاره کردیم، پردازش تصویر می تواند در صنایع و موارد گوناگونی مورد استفاده قرار گیرد که در ادامه این مقاله به هر صنعت و کاربرد پردازش تصویر در آن صنعت خواهیم پرداخت.

مرجع اتوماسیون صنعتی
۱- صنعت

یکی از مهمترین کاربردهای پردازش تصویر در زمینه صنعت است. در دنیای امروز کمتر صنعتی دیده می شود که از ماشین بینایی بهره نبرد. ممکن است هنوز در کشور ما ایران این دانش زیاد مورد استفاده نباشد، اما خوشبختانه روند رشد این دانش درصنایع داخلی نیز رو به افزایش و رو به رشد است.

پردازش تصویر در صنعت کمک می کند تا خطا به کمترین میزان و یا حتی نزدیک به صفر شودو از طرفی نیاز به حضور منابع انسانی نباشد. همین ویژگی عدم نیاز به اپراتور باعث می شود علاوه بر افزایش سرعت و دقت، هزینه نگهداری نیز به کمترین میزان خود برسد.مزایای استفاده از این دانش در صنعت بسیار زیاد است اجازه دهید با ذکر یک مثال نمونه ای از کابرد آن را توضیح دهیم.

یک مثل از کاربرد ماشین بینایی

یکی از کاربردهای ماشین ویژن این است که می تواند محصولات را اندازه گیری کند. ممکن است این کار را انسان نتواند به سادگی انجام دهد.

برای مثال فرض کنید که یک کارخانه تولید نوشیدنی قصد دارد سطح مایعات داخل بطری را اندازه گیری کند، به این شکل که اگر میزان مایع داخل بطری کمتر از یک سطح مشخص بود آن را از روی کانوایر برداشته و در دسته محصولات غیر قابل قبول قرار دهد. اگر بطری شفاف باشد ممکن است انسان هم این کار را بتواند انجام دهد اما بسیار کندترو زمان بر است. اما این فرایند به کمک بینایی ماشین می تواند با سرعت بسیار بالا انجام پذیرد. حال اگر بطری، مانند بطری دوغ یا حتی روغن های مایع، غیر شفاف باشد نه تنها سرعت انجام توسط اپراتور خیلی کندتر می شود حتی در مواقعی انجام آن ممکن غیرممکن نیز بشود. اما به کمک پردازش تصویر اطلاعات در کسری از ثانیه توسط دوربین های صنعتی از روی خط تولید دریافت شده و به کامپیوتر های صنعتی ارسال می شود و پس از انجام پردازش تصمیم لازم گرفته می شود که آیا محصول تولید شده کیفیت لازم را دارد و یا باید از خط تولید خارج شود.

مثال دوم

در همان مثال قبلی فرض کنید که علاوه بر موارد فوق باید بررسی شود که آیا لیبل های روی بطری ها به درستی چسبانده شده است یا خیر؟ و یا گاهی ممکن است درب بطری به درسته بسته نشده باشد و یا حتی دارای ترک باشد که همین موضوع منجر به از بین رفتن گاز موجود ( در نوشیدنی های گازدار) یا خارج شدن مایعات داخل آن و یا حتی خراب شدن محصول شود. تشخیص تمام این ایرادها در کسری از ثانیه و با کمترین خطای ممکن توسط ماشین بینایی انجام می گردد.

۲- هواشناسی

یکی از علومی که در دنیای امروز به شدت به پردازش تصویر وابسته است علم هواشناسی است، زیرا در این علم بیشتر اطلاعات جهت پیش بینی آب و هوا از طریق تصاویر ماهواره ای صورت می پذیرد. به کمک این تصاویر و ماشین بینایی، می توان دقیق ترین پیش بینی های آب هوایی را با کمترین خطای ممکن انجام داد. پیشرفت این دانش آنقد زیاد بوده که امروزه سامانه های هواشناسی قادرند تا میزان بارش باران در روزهای آینده را نیز به خوبی تشخیص داده و پیش بینی کنند.

۳-کاربردهای پردازش تصویر در شهرسازی

یکی دیگر از کاربردهای پردازش تصویر در زمینه شهرسازی است. ماشین بینایی به شما کمک می کند تا پیش از ساخت یک ساختمان و یا حتی یک شهرک جدید آنرا طراحی کرده و مشکلات احتمالی را نیز شبیه سازی و پیش بینی کنید.

همچنین با دریافت تصاویر ماهواره ای از شهرها و پردازش آنها می توان پی برد که در چه مسیرهایی بهتر است، مثلا جاده سازی انجام شود. و یا حتی پردازش تصویر کمک می کند تا تمام جاده های اصلی و فرعی، ساختمان ها، رودخانه ها و غیره را بر روی تصویر تحلیل و تفکیک کنید.

همه ما با دوربین های کنترل ترافیک آشنایی داریم. این دوربین ها نقش به سزایی در مدیریت ترافیک دارند. دقت بفرمایید که فارغ از اینکه دوربین های راهنمایی و رانندگی می توانند رانندگان متخلف را شناسایی کنند، می توانند به گرفتن تصمیمات صحیح ترافیک را مدیریت و کنترل کنند. برخی چراغ های راهنمایی دیگر با تایمرهای ثابت کار نمی کنند. فرض کنید در یک تقاطع سه مسیر خلوت ترند و یک مسیر به یک جهت خاص بسیار شلوغ و پر ترافیک تر است. در چنین شرایطی منطقی نیست که تمام خودروها برای مثال ۱۰۰ ثانیه پشت چراغ بمانند. این سامانه مدیریت میکند که روند ترافیک روان تر باشد و بر اساس اطلاعات ارسالی و دریافتی ، خودرو ها هدایت شوند.

۴- کشاورزی

پردازش تصویر در کشاورزی شامل دو بخش می شود؛پردازش تصاویر از ارتفاعات بالا و نزدیک به زمین.

به کمک تصاویر دسته اول، یعنی تصاویر از ارتفاعات بالا،مواردی همچون تقسیم بندی اراضی، میزان صدمات احتمالی، تحلیل مرغوب ترین خاک مناسب کشاورزی، شناسایی مناطق پر آب تر و غیره را بررسی نمود.
در تصاویر نزدیک، ماشین بینایی گیاهان هرز یا گیاهان آسیب دیده را تشخیص می دهد و به کمک داده های موجود تصمیم می گیرد که گیاه نیاز به درمان دارد و یا اینکه باید کلا از بین برود. همچنین قابلیت تشخیص بیماری ها ، زمان آبیاری و کود دهی، و موارد بسیار دیگر این چنینی را دارد که منجر به افزایش بهره وری و همچنین کاهش تلفات می شود. ماشین ویژن حتی می تواند زمان مناسب چیدن محصولات را اعلام کند و بر اساس الگوریتم هایی که دارد، محصولات برداشت شده را طبقه بندی و دسته بندی کند تا در هنگام بسته بندی محصولات با کیفیت بالا از محصولات کم کیفیت جدا شوند.

کاربردهای پردازش تصویر در کشاورزی

۵- علوم نظامی و امنیتی

تا به حال به این موضوع فکر کرده اید که موشک های نظامی چگونه اهداف خود را دنبال می کنند؟ و یا اینکه چگونه با خطای نزدیک به صفر شلیک می شوند؟ تمام این موارد از کاربردهای پردازش تصویر است. پردازش تصویر به موشک ها کمک می کند تا نقاط ضعف اهداف شلیکی را شناسایی کنند تا با اصابت به آن نقاط بیشترین تخریب را به جای داشته باشند.

در زمینه امنیت نیز همه ما روزانه بارها با کاربردهای مختلف ماشین بینایی سرو کار داریم.ساده ترین و رایج ترین کاربردی که همه ما می شناسیم همان قابلیت تشخیص اثر انگشت یا Finger Print بر روی لپ تاپ های شخصی و یا گوشی های تلفن همراه مان است.این دانش می تواند اثر انگشت های مختلف را پردازش و تحلیل کند. البته تنها اثر انگشت نیست، آنها می توانند بسیاری از خواص بیومتریک دیگر را نیز در اندام انسان تشخیص دهند. مثلا، حتما شنیده اید که دانشمندان می گویند مردمک چشم انسان ها نیز منحصر به فرد است و می توان با پردازش این داده ها، مسائل امنیتی را پیاده سازی نمود.
یک مثال دیگر از کاربردهای پردازش تصویر در زمینه امنیت را با هم بررسی کنیم. یک فروشگاه زنجیره ای بزرگ نمی تواند توسط نیروهای انساننی کنترل شود. زیرا روزانه افراد بسیار زیادی به آنجا مراجعه می کنند و همچنین اپراتورها قادر نیستند که از پشت مانیتور تشخیص دهند که آیا فرد در حال سرقت محصولات است یا خیر. اما ماشین ویژن بر اساس حرکات بدنی افراد می تواند تشخیص دهد که آیا فرد در حال سرقت است یا تنها قصد دارد محصول را بررسی کرده و سپس در سبد خرید خود قرار دهد.

۶-کاربردهای پردازش تصویر در نجوم و فضا نوردی

به کمک ماشین بینایی، علم ستاره شناسی پیشرفت های بسیاری داشته است. دیگر نیاز نیست انسان به تحلیل و رصد آسمان و وقایع اسمانی بپردازد. ماشین ها می توانند به صورت اتوماتیک نقشه های سه بعدی از کیهان و جهان هستی تهیه کنند.

همچنین در فضا نوردی می توان براساس تصاویری که دریافت شده است سطح سیارات و قمرها را تحلیل و بررسی کرد. امروزه اطلاعات بسیار زیادی بدست آمده که تمام آنها به کمک تجهیزات ماشین بینایی است.
مورد دیگر از کاربردهای پردازش تصویر در فضانوردی این است که می توانند فضاپیماها را کنترل کنند و برای فرود از آن استفاده شود.

۷- ماشین ویژن در پزشکی

یکی از بارزترین کاربردهای ماشین بینایی در علم پزشکی، زمانی است که پزشکان نیاز دارند تا تمام عکسها با بیشترین شفافیت و وضوح گرفته شوند. علت این ضرورت آن است که دیدن تمام جزئیات ضروری است. جراحی های ریز که به انگلیسی microsurgery نامیده می شود، با ایجاد یک سوراخ کوچک و فقط دیدن محل جراحی توسط پزشک، از راه دور و توسط بازوهای رباتیک بسیار دقیق انجام می پذیرد.

۸- فناوری های علمی

یکی دیگر از کاربردهای پردازش تصویر کمک به افزایش سرعت پیشرفت ­های علمی و همچنین هنری بوده است.بارزترین تاثیر آن در هنر عکاسی است.تصویر برداری از وقایعی که با سرعت بالا و در کسری از ثانیه رخ می دهند تنها به کمک علم پردازش تصویر است.به کمک این علم تصاویر گرفته شده اصلاح شده و با وضوح بسیار بالا ثبت می گردند.

این دانش در زمینه فناوری GPS نیز تاثیرهای به سزا و شایانی داشته است.همچنین این دانش تحولات عظیمی را در زمینه تهیه نقشه های سه بعدی داشته است.گوگل مپ را می توان یکی از بارزترین دستاوردهای این دانش دانست.

در زمینه رباتیک نیز پردازش تصویر منجر به ایجاد مسابقات رباتیک ، همچون ربات های فوتبالیست شده است.

احتمالا با خودروهای بدون سر نشین نیز آشنایی دارید. خودروهای هوشمند نیز از دانش پردازش تصویر بهره می برند و به کمک این علم می توانند در لحظه تصمیمات صحیح را بگیرند و همچنین با اتصال به نقشه های آنلاین از مسیر های پرترافیک و یا خطرناک آگاه شده و درست ترین تصمیم را بگیرند.به جرات می توان گفت که این خودروها احتمال بروز حادثه را به مرز صفر می رسانند. از سوی دیگر با خواندن تابلوهای شهری و علائم رانندگی این اطمینان را به کاربر می دهند که هیچ تخلفی را مرتکب نشوند و همواره طبق اصول راهنمایی و رانندگی هر کشور، رانندگی کنند.

۹- باستان شناسی

بدون شک تاریخ و باستان شناسی برای هرفردی موضوع شیرین و جذابی است که مردمان آن زمان چگونه می زیستند.اما از آن دوران اسناد با کیفیتی به جز برخی تصاویر ،غار نوشته و یا کتیبه وجود ندارد. پردازش تصویر می تواند به کمک همین اسناد یکسری شبیه سازی ها را انجام داده و شهرها و بناهای آن زمان را شبیه سازی کند. از سوی دیگر، همان دست نوشته ها و تصاویر از کیفیت چندانی برخوردار نیستند اما پردازش تصویر میتواند آنها را بازسازی کرده و با کیفیت بسیار بالا نمایش دهد.

در طی یک پروژه ای، متخصصان ایتالیایی موفق به بازسازی روم باستان شده اند و گردشگران با استفاده از عینک های واقعیت مجازی می توانند در خیابان ها و پس کوچه های روم باستان قدم بزنند.

۱۰- تبلیغات

علم تبلیغات و بسته بندی از مهم ترین عوامل در فروش و یا عدم فروش یک محصول است. پردازش تصویر می تواند با کمک الگوریتم های مختلف یک محصول را در طرح ها وبسته بندی های مختلف قرار داده و آنها را از نظر ، دید کاربر بررسی کند تا به بهترین بسته بندی ممکن برسد.

۱۱- سینما

تاثیر پردازش تصویر در سینما بسیار بالا و قابل توجه بوده است. به کمک motion capture یک شخصیت انیمیشنی و یا حتی یک شخصیت در یک بازی کامپیوتری می تواند تمام حرکات بدن و یا صورت یک شخصیت واقعی را تقلید کند، تاجایی که امروزه در ساخت برخی انیمیشن ها از بازیگران حرفه ای در این زمنیه استفاده می شود.

۱۲-کاربردهای پردازش تصویر در اقتصاد

موارد متعددی هستند که اقتصاد یک کشور را می سازند. یکی از همین موارد پردازش تصویر است که با پردازش کردن داده ها و تصاویر مختلف، و یا شاخص ها و نمودارهای گوناگون، تصمیم های درست را می گیرد

دیگر کاربرد آن در بانک های تمام الکترونیک است که در آنها کارمندی وجود ندارد و تمام فرایند ها به دقت بالا توسط ماشین ها انجام می شود. 

۱۳- روانشناسی

در علم روانشناسی شاخه ای با عنوان روانشناسی رنگ وجود دارد که با یک جستجوی ساده در گوگل می توانید تاثیر هر رنگ را بر روی روان انسان برررسی کنید. حال پردازش تصویر قادر است تا با پردازش تصاویر و ویدیو ها رنگ مایه مد نظر را جهت القا حس مربوطه، اعمال کند.

۱۴- زمین شناسی‌

دستگاه هایی وجود دارند که با کاوش سطوح مختلف در کره زمین به بررسی و شناسایی سنگ ها و کانی های مختلف می پردازند. این فرایند تنها به کمک Image processing انجام می پذیرد. ماشین ها با گرفتن تصاویر مختلف ،کسب تجربه و مقایسه آنها با یکدیگر می توانند به توسعه علم خود کمک کنند.

۱۵- کنترل کیفیت

یکی از کاربردهای بینایی ماشین و پردازش تصویر در کنترل کیفیت خروجی کارخانه‌ها می‌باشد. در این قسمت می‌خواهیم ببینیم که یک جسم چگونه اجازه عبور می‌یابد و برعکس چگونه به بعضی از جسم¬ها اجازه عبور و ادامه دادن داده نمی‌شود.
پس از اینکه جسم از جلوی سنسور عبور کرد، سیگنال ارسالی به رایانه فرمان گرفتن تصویر را می¬دهد. سپس تصویر گرفته شده، پردازش و نتایج لازم از آن استخراج می¬شود. در این جا ما سعی در مکانیزه کردن فرآیندی یکنواخت داریم که به‌صورت معمول و تکراری توسط انسان انجام می‌شود. اولین مسأله و مشکل ما این است که چگونه عکس‌های تهیه شده از اشیایی که در حال حرکت بر روی نوار نقاله هستند را تبدیل به داده‌های قابل فهم و تفسیر سیستم (صفر و یک) نماییم، که این مشکل توسط دوربین CCD (Charge Coupled Device) و تبدیل داده ها به صفر و یک حل می‌شود. سپس این داده ها برای تحلیل به کامپیوتر انتقال می¬یابند.
دوربین های صنعتی و دیجیتال معمولاً از نوع CCD هستند،. نور از طریق یک عدسی وارد دوربین و برروی یک پرده مخصوص تصویر می‌شود که تحت عنوان تراشه CCD شناخته می‌شود. تراشهCCD که تصاویر با استفاده از آن گرفته می‌شوند از تعداد زیادی سلول تشکیل شده که همگی در یک تراشه با الگوی خاصی مرتب شده‌اند و تحت عنوان پیکسل (pixels) شناخته می‌شوند. زمانی که تراشه CCD این اطلاعات را دریافت می‌کند، آن‌ها را به شکل سیگنال‌های دیجیتالی از طریق کابل‌هایی به سیستم دریافت‌کننده می‌فرستد و بعد تصاویر در این سیستم به صورت مجموعه‌ای از اعداد ذخیره می‌شوند.

صنعت چوب

صنایع چوب یکی از پر کاربرد ترین صنایع در عصر حاضر است.این صنعت قدیمی روز به روز در حال پیشرفت در زمینه¬های مختلف آن می¬باشد.اکنون دیگر صنایع چوب به یک صنعت آمیخته با هنر تبدیل شده است.همان طور که می دانیم برش و حالت دهی از جمله مهم¬ترین و کلیدی ترین کارهای صنعت چوب می¬باشد.
اما همیشه یک مشکل اساسی در برش صحیح چوب وجود داشت و آن هم این بود که چگونه چوب به حالتی برش شود که کمترین میزان اتلاف چوب را داشته باشد و نیز بعد از برش چگونه می توان صحیح بودن برش را کنترل کرد.این مشکل نیز به راحتی توسط پردازش تصویر قابل حل است.بعد از این که برش یک قسمت از چوب تمام شد، با استفاده از یک دوربین آن قسمت را کنترل می¬کنیم تا نقصی از لحاظ برش وجود نداشته باشد.

شمارش محصولات

بحث شمارش، جزء لاینفک بسته بندی کالاهای مختلف می¬باشد.زمانی که تعداد بسته بندی¬ها بالا رود، این کار یک کار خسته کننده و طاقت فرسا برای انسان به نظر می¬آید.اما شاید ساده¬ترین کار در بحث پردازش تصویر، شمارش باشد.شمارش تعداد به خودی خود شامل چندین موضوع می¬شود؛ از جمله¬: شمارش اجزای داخل بسته بندی، شمارش اجزای روی نوار نقاله و….

تشخیص شماره پلاک خودرو

نرم افزار شمارش خودروهای عبوری از عرض خیابان

بی شک یکی از مؤثرترین مولفه‌ها در مدیریت و برنامه ریزی دسترسی به آمار دقیق می‌باشد. درصورت وجود آمار دقیق و سریع می‌توان از روش¬های کنترل بهینه استفاده کرد و بهره¬وری را افزایش داد. به عنوان مثال اگر آمار دقیقی از میزان مصرف یک محصول غذایی وجود داشته باشد با برنامه¬ریزی مناسب می‌توان زمینه تولید و عرضه اصولی آن را فراهم کرد. لذا احتمال نابسامانی در بازار و متضرر شدن کشاورز و مصرف کننده کاهش می‌یابد. چنان که بیان شد مهم¬ترین فاکتور در برنامه ریزی دسترسی به آمار مناسب است اما تهیه آمار فرایند پیچیده و وقت گیر است و معمولا هزینه زیادی را در بر¬دارد. به عنوان مثال به دلایلی از جمله کنترل ترافیک یا کنترل میزان روشنایی خیابان باید خودروهای عبوری از خیابان شمارش شوند. این کار اگر به صورت دستی یا انسانی انجام شود، هزینه زیادی نیاز دارد، امکان سهل انگاری انسانی نیز وجود دارد پس استفاده از یک دستگاه مناسب که توانایی شمارش خودروهای عبوری را داشته باشد تنها گزینه ممکن است. با توجه به نیاز فوق نرم افزاری تهیه شده‌است که با استفاده از تصاویر گرفته شده از عرض خیابان خودروهای عبوری را تشخیص می‌دهد و تعداد آنها را شمارش می‌کند. این نرم افزار امکان استفاده در روز یا شب را دارا می‌باشد. شمایی از این نرم افزار در زیر نشان داده شده‌است.

کنترل ماشین آلات و تجهیزات صنعتی یکی از وظایف مهم در فرآیندهای تولیدی است. بکارگیری کنترل خودکار و اتوماسیون روزبه روز گسترده تر شده و رویکردهای جدید با بهره¬گیری از تکنولوژی‌های نو امکان رقابت در تولید را فراهم می‌سازد. لازمه افزایش کیفیت و کمیت یک محصول، استفاده از ماشین آلات پیشرفته و اتوماتیک می‌باشد. ماشین آلاتی که بیشتر مراحل کاری آن¬ها به طور خودکار صورت گرفته و اتکای آن به عوامل انسانی کمتر باشد. امروزه استفاده از تکنولوژی ماشین بینایی و تکنیک‌های پردازش تصویر کاربرد گسترده‌ای در صنعت پیدا کرده‌است و کاربرد آن بویژه در کنترل کیفیت محصولات تولیدی، هدایت روبات و مکانیزم‌های خود هدایت شونده روز به روز گسترده¬تر می‌شود.
عدم اطلاع کافی مهندسین از تکنولوژی ماشین بینایی و عدم آشنایی با توجیه اقتصادی بکارگیری آن موجب شده‌است که در استفاده از این تکنولوژی تردید و در بعضی مواقع واکنش منفی وجود داشته باشد. علی رغم این موضوع، ماشین بینایی روز به روز کاربرد بیشتری پیدا کرده و روند رشد آن چشمگیر بوده‌است. عملیات پردازش تصویر در حقیقت مقایسه دو مجموعه عدد است که اگر تفاوت این دو مجموعه از یک محدوده خاص فراتر رود، از پذیرفتن محصول امتناع شده و در غیر این‌صورت محصول پذیرفته می‌شود. در زیر پروژه‌هایی که در زمینه پردازش تصاویر پیاده سازی شده‌است، توضیح داده می‌شود. این پروژه‌ها با استفاده از پردازش تصویر، شمارش و اندازه گیری اشیا، تشخیص عیوب، تشخیص ترک، دسته بندی اشیا و عملیات بیشمار دیگری را انجام می‌دهند:
۱٫ اندازه گیری و کالیبراسیون
۲٫ جداسازی پین¬های معیوب
۳٫ بازرسی لیبل و خواندن بارکد
۴٫ بازرسی عیوب چوب
۵٫ بازرسی قرص
۶٫ بازرسی و دسته بندی زعفران
۷٫ درجه بندی و دسته بندی کاشی
۸٫ بازرسی میوه

اتوماسیون صنعتی

با استفاده از تکنیک¬های پردازش تصویر می‌توان دگرگونی اساسی در خطوط تولید ایجاد کرد. بسیاری از پروسه‌های صنعتی که تا چند دهه پیش پیاده سازیشان دور از انتظار بود، هم اکنون با بهرگیری از پردازش هوشمند تصاویر به مرحله عمل رسیده‌اند. از جمله منافع کاربرد پردازش تصویر به شرح زیر است.
• افزایش سرعت و کیفیت تولی
• کاهش ضایعات
• اصلاح روند تولید
• گسترش کنترل کیفیت

نمونه ای از کاربردهای پردازش تصویر در زمینه رهگیری (tracking):

نتیجه گیری
رد پای پردازش تصویر در بسیاری از علوم و صنایع مشاهده می¬شود و بعضی از این کاربردها آنچنان به پردازش تصویر وابسته هستند که بدون آن، اساساً قابل استفاده نمی¬باشند. کاربرد پردازش تصویر در هر یک از زمینه¬هایی که بحث شد، بسیار گسترده است.

تفاوت بین سافت استارتر و VFD

در دو مقاله جداگانه به توضیح مفصل سافت استارتر و درایو فرکانسی به طور کامل پرداختیم و همچنین مزایا و معایب آنها را به طور کامل مورد بررسی قرار دادیم. اکنون که با کاربرد این دو تجهیز آشنا شدیم قصد داریم تا تفاوت بین سافت استارتر و درایو فرکانس متغیر یا همان VFD را نیز تحلیل و بررسی کنیم.

سافت استارتر یا VFD ؟

شاید این سوال هم برای شما پیش بیاید که برای کاربرد مد نظرتان باید از درایو فرکانس متغیر استفاده کنید و یا یک سافت استارتر بکارببرید. با ما همراه باشید تا پاسخ تمام سوالاتی که در ذهن دارید درباره این دو تجهیز بدست اورید.

تفاوت بین سافت استارتر و درایو

تفاوت های بسیاری بین این دو تجهیز وجود دارد اما اگر مقالات مربوطه را مطالعه کرده باشید، گفتیم که سافت استارتر ها تنها در زمان استارت و استپ الکتروموتور بکار می روند و کمک میکنند تا موتور شروع به کار نرمی داشته باشد اما پس از آن دیگر کاربردی ندارند. درحالیکه درباره VDFها گفتیم که قادرند تا سرعت موتور را کنترل کنند. پس می توان گفت اولین و اصلی ترین تفاوت میان سافت استارترها و VDF ها قابلیت کنترل سرعت موتور است.

تفاوت دوم

دیگر تفاوتی که می توانیم به آن اشاره کنیم نحوه عملکرد این دو تجهیز است.شما با توجه به کاربردی که دارید می توانید تصمیم بگیرید که از سافت استارتر استفاده نمایید یا از درایو فرکانسی. چنانچه قصد کنترل دور موتور را ندارید و تنها می خواید در هنگام راه اندازی الکتروموتور جریان هجومی و گشتاور زمان راه اندازی را کاهش دهید، می توانید به سراغ سافت استارتر ها بروید زیرا وظیفه آنها کنترل ولتاژ است.اما اگر علاوه براین ویژگی ها می خواهید سرعت موتور را نیز کنترل کنید، یعنی برای مثال نمی خواهید که موتور با تمام  توان خودش کار کند و با سرعت مد نظر شما کار کند، بدون شک نیاز به خرید اینورتر دارید.

اینورتر میتسوبیشی

مزایای VFD ها

  • ذخیره انرژی
  • قابلیت تنظیم سرعت
  • امکان تنظیم ولتاژ و فرکانس
  • کنترل استارت و استپ
  • مدیریت شتاب
  • ویژگی کنترل گشتاور دینامیکی
  • توانایی کنترل جریان راه اندازی
  • حرکت روان در کاربردهای سنگین
  • بهبود عملکرد تجهیزات
  • درجه حفاظتی بالا
  • ورودی/خروجی های دیجیتال و آنالوگ
  • و …

نصب پی ال سی روی تابلو

به لحاظ ساختار فیزیکی و ظاهری و نحوه قرارگیری پی ال سی ها بر روی ریل اکثرا مشابه هم هستند.در این مقاله قصد داریم تا نحوه نصب و یا جدا کردن PLC از روی تابلو یا ریل را به شما آموزش دهیم.

نصب پی ال سی روی ریل

جهت نصب پی ال سی بر روی ریل کافی ست ابتدا PLC را از بالا بر روی ریل قرار دهید و سپس قسمت زیرین آنرا فشار داده تا زبانه PLC بر روی ریل قرار گرفته و چفت شود. در صورتی که پی ال سی به درستی بر روی ریل قرار گیرد صدایی مانند کلیک ماوس کامپیوتر شنیده می شود.

جدا کردن پی ال سی از روی تابلو

جدا کردن پی ال سی از روی تابلو هم بسیار کار ساده ای است. کافیست که به کمک یک پیچ گوشتی قسمت قفل پی ال سی که بر روی ریل قرار دارد را فشار دهید تا پی ال سی آزاد شود و سپس آن را از روی ریل جدا کنید.

 

کنترلر PID چیست

احتمالاً شما هم به‌دفعات نام PID را شنیده‌اید، اما واقعاً PID چیست و به چه‌کار می‌آید؟ همراه ما باشید تا نگاهی بسیار دقیق به این کنترل‌کننده داشته باشیم.

آنچه که در این نوشتار خواهید خواند

  • تعریف PID
  • تاریخچه PID
  • روش‌های کنترلی
  • کنترل حلقه بسته یا باز
  • عملکرد PID
  • مدهای کنترلی PID
  • انتخاب کنترل‌کننده مناسب
  • تنظیم ضرایب PID
  • سخت‌افزار PID
  • کاربرد PID
  • کنترلر دمای PID
  • توسعه PID
  • سؤالات متداول PID
  • سخن پایانی
  • منابع

مقدمه

امروز می‌خواهیم در ابتدا به تعریف PID و اینکه هر بخش از اسم آن به کدام مد کنترلی اشاره می‌کند بپردازیم در ادامه نگاهی به تاریخچه آن و نقش بی‌بدیل آقای نیکولاس مینورسکی در سال ۱۹۲۲ (۱۳۰۱ ه.ش) در توسعه PID خواهیم داشت. سپس قبل از اینکه وارد بحث اصلی شویم انواع روش‌های کنترلی را نام ببریم تا جایگاه دقیق PID بیشتر مشخص شود و پس آن در بخش عملکرد پی آی دی به عملکرد فانکشن‌های اساسی؛ تناسبی، انتگرالی و مشتقی اشاره کنیم.

ازآنجایی‌که PID خود از سه مد اصلی تشکیل شده است و هرکدام از این مدها علاوه بر عملکرد انفرادی می‌توانند با یکدیگر نیز مدهای جدیدی بسازند، به تمام ۵ مد موجود نگاهی خواهیم داشت و تاثیر هر مد را بروی خطا شرح خواهیم داد. پس از درک کامل آن به روش‌های انتخاب کنترل‌کننده مناسب می‌پردازیم تا شما با یک نگاه بتوانید کنترلر خود را انتخاب نمایید.

در تنظیم ضرایب PID، با اصطلاح Tune کردن آشنا خواهیم شد و سپس به سخت‌افزارهای موجود PID مانند؛ کنترلرهای اختصاصی، PLC و DCS می‌پردازیم.

ازآنجایی‌که کاربرد PID بیش از سایر کنترلرها می‌باشد در این بخش عمیق‌تر شده و علاوه بر مثال‌های مختلف به کنترلر دمای PID و مسائل مرتبط به آن خواهیم پرداخت. در نهایت در بخش توسعه PID به ترند روز این تجهیز یعنی PID فازی نگاهی کوتاه خواهیم داشت.

تعریف PID

کنترل‌کننده پی‌آی‌دی یا Proportional–Integral–Derivative یک سیستم کنترلی بر پایه فیدبک (بازخورد) می‌باشد که هدف اصلی آن نزدیک کردن نتیجه نهایی فرآیند به مقدار مدنظر ما می‌باشد. به زبان ساده‌تر، تمام دغدغه یک کنترل‌کننده PID، هدایت سیستم به‌طرف یک سطح، موقعیت و یا هر مقداری که ما مشخص می‌کنیم، می‌باشد.

PID کنترلرها در صنعت جزء دقیق‌ترین و پایدارترین کنترل‌کننده‌ها به‌حساب می‌آیند و عمدتاً از آنها در راستای خودکارسازی (یا بخشی از یک اتوماسیون) کارها برای نزدیک شدن (تا جای ممکن) به خروجی از پیش تنظیم شده یا هدفی مشخص استفاده می‌کنیم.

بیش از ۹۰% سیستم‌های کنترلی از PID به‌عنوان کنترل‌کننده بازخوردی استفاده می‌کنند.

علت محبوبیت کنترلر پی آی دی

به‌خاطر عملکرد قوی و سادگی عملکردی، این روش توسط عمده شرکت‌های مطرح دنیا در زمینه ساخت کنترلر پذیرفته شده است و از آن در محصولات خود استفاده می‌کنند.

در کنترل‌کننده PID دو تعریف “خطا” و “SetPoint” از اهمیت بالایی برخوردار هستند. ست‌پوینت در اینجا به معنای نقطه مدنظر (سطح، موقعیت، کمیت و یا هر چیزی که ما می‌خواهیم در سیستم کنترلی به آن برسیم) می‌باشد و از طرف دیگر خطا به میزان انحراف (اختلاف) میان نقطه مدنظر و مقدار نهایی خروجی گفته می‌شود. نگفته پیداست که هرچه خطا کمتر باشد بهتر بوده و بدین معناست که ما توانسته‌ایم مقدار نهایی سیستم را با مقدار مدنظر خودمان دقیقاً یکی نماییم.

برای رسیدن به این نقطه مطلوب (خطا = صفر، مقدار خروجی سیستم = SetPoint) سیستم کنترلی PID از سه عملگر به نام‌های؛ تناسبی (Proportional)، انتگرال‌گیر (Integral) و مشتق‌گیر (Derivative) استفاده می‌کند. این سه ضریب پایه در هر کنترلر پی آی دی برای کاربردهای خاص به‌منظور رسیدن به واکنش بهینه متغیر هستند. در ادامۀ بحث به شکلی مفصل به این ضرایب و نحوه عملکرد آنها خواهیم پرداخت.

ضریب تناسبی باعث ایجاد یک کنترل صاف و بدون تغییرات شدید می‌گردد، ضریب انتگرالی به طور خودکار خطای سیستم را اصلاح می‌کند و درنهایت کنترل مشتق به‌سرعت به اختلالات پاسخ می‌دهد.

تاریخچه PID

اگر بخواهیم خیلی در تاریخ PID عمیق شویم به قرن ۱۷ خواهیم رسید، زمانی که از ابتدایی‌ترین گارونرها به‌عنوان یک کنترل‌کننده پیوسته استفاده می‌شد(دقت داشته باشید که PID کنترلر در دسته کنترل‌کننده‌های پیوسته قرار می‌گیرد).

به جهت کوتاه و مفید بودن این بخش از قرن ۱۷ عبور می‌کنیم و داستان را با آقای Elmer Ambrose Sperry محقق و کارآفرین آمریکایی که در سال ۱۹۱۱ (۱۲۹۰ ه.ش) بروی یک نمونه اولیه کنترل‌کننده PID جهت هدایت کشتی‌ها کار می‌کرد، شروع می‌کنیم.

ازآنجایی‌که آقای Elmer یک محقق تجربی بود تا یک ریاضی‌دان، به پیشرفت قابل‌توجهی نتوانست دست یابد تا اینکه در سال ۱۹۲۲ (۱۳۰۱ ه.ش) قوانین پایه و عملکردی PID که ما امروزه به‌عنوان مبنای عملکردی آنها می‌دانیم توسط دانشمند آمریکایی و روسی به نام نیکولاس مینورسکی تهیه شد.

مینورسکی پروژه تحقیق و طراحی فرمان اتوماتیک برای یک کشتی نیروی دریایی ایالات متحده بر اساس مشاهدات یک سکان‌دار را آغاز نمود. در این حین او متوجه شد که سکان‌دار کشتی نه‌تنها بر اساس خطای فعلی مسیر بلکه بر اساس خطای گذشته و همچنین نرخ لحظه‌ای تغییرات، کشتی را هدایت می‌کند.پس از آن مینورسکی به سراغ اثبات ریاضیاتی آن رفت، در عمل مینورسکی به دنبال ثبات بود نه کنترل عمومی و همین هدف باعث ساده‌سازی قابل‌توجهی در متد او گردید.

او دریافت که کنترل تناسبی (ضریب P در نام PID) می‌تواند ثبات را در برابر اغتشاشات کوچک فراهم نماید، در ادامه او برای حل مشکل وجود دائمی مقداری خطا، به انتگرال (ضریب I در نام PID) روی آورد که البته کافی نبود و سرانجام با افزودن مشتق‌گیر (ضریب D در نام PID) توانست به ثبات و بهبود مدنظر خود برسد.

در نهایت نیروی دریایی آمریکا سیستم بی‌نظیر مینورسکی را به دلیل مقاومت پرسنل به کار نگرفت!

بااین‌حال حرکت Nicolas Minorsky سرآغازی جدید برای سیستم‌های کنترلی به شمار می‌رود و پس از آن اندک‌اندک افراد بسیاری در این زمینه کار کردند و حتی نسخه پنوماتیکی PID نیز ساخته شد.این مسیر تا جایی ادامه پیدا کرد که ما امروزه شاهد پیشرفته‌ترین و به‌نوعی کامل‌ترین نسخه کنترلر PID در عصر حاضر می‌باشیم.

روش‌های کنترلی

قبل از اینکه به بحث اصلی یعنی PID بپردازیم اجازه دهید نگاهی داشته باشیم به مهم‌ترین دسته‌بندی روش‌های کنترلی از دید “تولید فرمان”.

روش‌های کنترلی به دو دسته: پیوسته و گسسته تقسیم می‌شوند، هرکدام از این بخش‌ها نمایندگان ویژه‌ای دارند که در ادامه به آنها خواهیم پرداخت.

کنترل گسسته

در این بخش با عناصر گسسته سروکار داریم و به همین دلیل از جبر و حساب عمدتاً استفاده می‌شود. برای درک بهتر این واژه بهتر است متغیر گسسته را تعریف کنیم:

متغیر گسسته می‌تواند اعداد یا ارزش‌هایی را که مشخص‌کننده یک وجه مشخص و معیّن از یک مقیاس هستند، به خود اختصاص دهد. به‌عنوان‌مثال، جنس یک متغیر گسسته است: یک شخص یا زن است یا مرد. اختصاص هر نوع ارزش دیگری بین این دو نوع ارزش امکان‌پذیر نیست. تعداد بازیکنان یک تیم فوتبال نیز یک متغیر گسسته است، زیرا فقط امکان داشتن ۱، ۲، ۳، ۴، ۵، ۶، ۷، ۸، ۹، ۱۰، ۱۱ بازیکن وجود دارد و نه ۵.۵ نفر بازیکن.

دو روش بسیار کاربردی در این بخش عبارت‌اند از: کنترل ON/OFF و کنترل PWM.

روش ON/OFF

ساده‌ترین نوع کنترل یک فرآیند، به شکل کنترل دو وضعیتی یا اصطلاحاً ON/OFF است. کولرگازی‌های قدیمی یک مثال از این نوع کنترل هستند.اگر خاطرتان باشد، این کولرها دارای یک ترموستات بودند که دمای محیط را اندازه می‌گرفت. فرض کنید می‌خواستیم دمای محیط روی ۱۸ درجه تنظیم شود. به‌محض اینکه دمای محیط از این مقدار بیشتر می‌شد کولر روشن می‌گردید و با تمام توان شروع به خنک‌کردن اتاق می‌کرد. بعد از آن که دما به کمتر از ۱۸ درجه می‌رسید کولر خاموش می‌شد و درواقع منتظر می‌ماند تا دوباره دمای اتاق بالا رود و دوباره کولر کار خود را با تمام توان انجام دهد. این روش اگرچه کارایی داشت و گرمای تابستان را برای خانواده قابل‌تحمل می‌کرد اما به‌خاطر اینکه فقط در دو حالت روشن و خاموش عمل می‌کرد، نمی‌توانست دما را روی یک عدد، ثابت نگه دارد و دما مرتباً حول آن عدد نوسان می‌کرد. علاوه بر اینکه به‌خاطر تعداد زیاد روشن و خاموش شدن کولر، عمر آن کم شده و به‌خاطر جریان بالای راه‌اندازی موتور، هزینه برق هم بسیار زیاد می‌شد.

البته برای اینکه تعداد روشن و خاموش شدن‌ها را کاهش دهند از تکنیکی به اسم باند هیسترزیس استفاده می‌شود. مثلاً در مثال کولرگازی به‌جای آنکه بگویند دقیقاً کولر در دمای بالای ۱۸ درجه در سرویس قرار بگیرد و به‌محض رسید به ۱۸ از سرویس خارج شود، یک محدوده‌ای مثلاً ۲ درجه را در نظر می‌گیرند. به این صورت که کولرگازی در دمای ۲۰ درجه در سرویس قرار می‌گیرد و بعد ازآنکه به ۱۸ رسید فوراً خاموش نمی‌شود بلکه اجازه می‌دهد بازهم دما کاهش‌یافته و به ۱۶ درجه برسد و آنگاه خاموش می‌شود. با این روش بااینکه تعداد خاموش و روشن‌های کولر کمتر است اما نوسان دمای خروجی بیشتر خواهد شد.

روش PWM

اگر بخواهیم یک مفهوم آنالوگ یا پیوسته را به‌وسیله یک موج صرفاً صفر و یک ایجاد کنیم از این نوع کنترل استفاده می‌کنیم. درواقع PWM رابط بین دنیای دیجیتال و آنالوگ است. برای این کار زمان صفر و یک شدن به‌گونه‌ای تنظیم می‌شود که درنهایت میانگین این صفر و یک شدن‌ها مقدار مطلوب را به دست دهد. مثلاً اگر زمان یک بودن ۲ ثانیه و زمان صفر بودن ۸ ثانیه باشد، در یک دورهٔ ۱۰ ثانیه‌ای درواقع یک‌پنجم زمان که معادل یک موج با اندازه ۰.۲ است برای ما تولید می‌شود.

یکی از کاربردهای مهم تکنیک PWM استفاده از آن در اینورتر و درایوهای الکتریکی می‌باشد.

از همین روش برای تولید موج‌های متناوب هم می‌توان استفاده کرد. شکل زیر چگونگی تولید یک موج سینوسی را با استفاده از روش PWM توضیح می‌دهد.

 

کنترل پیوسته

این روش به شکلی غیرمستقیم در مقابل نوع گسسته که صحبت شد قرار گرفته است. در نوع پیوسته عمدتاً از توابع مثلثاتی، مشتق و انتگرال استفاده می‌شود. برای درک بهتر این واژه نیز بهتر است متغیر پیوسته را تعریف کنیم:

متغیر پیوسته متغیری است که بین دو واحد آن هر نقطه یا ارزشی را می‌توان انتخاب کرد. در این متغیر درجات مختلف اندازه‌گیری وجود دارد و دقت وسیله اندازه‌گیری، تعداد این درجات را تعیین می‌کند. به‌عنوان‌مثال، وزن یک متغیر پیوسته است و می‌تواند بین صفر تا بی‌نهایت باشد. وزن یک شخص می‌تواند ۵۵ یا ۵۶ کیلوگرم باشد و یا می‌تواند هر عددی بین این دو عدد باشد (مثلاً ۵۵.۶ یا ۵۵.۶۴ کیلوگرم). قد، زمان، طول یا ارتفاع پرش، درصد چاقی بدن، و سطح هموگلوبین خون نمونه‌هایی از متغیرهای پیوسته هستند.

در این بخش نماینده ما، PID قرار گرفته است که با یک مثال سعی می‌کنیم با آن بهتر آشنا شوید.

روش PID

فرض کنید یک کتری را روی گاز گذاشته‌اید و می‌خواهید دمای آب داخل آن را روی ۷۰ درجه نگهدارید. یک روش این است که وقتی دمای آب کمتر از ۷۰ درجه شد شعله گاز را تا آخر زیاد کنید و هروقت دما بیشتر شد شعله را خاموش کنید که در این صورت دما احتمالاً خیلی زیاد شده و سپس کم می‌شود. روش دیگر (PID) آن است که باتوجه‌به سرعت گرم‌شدن آب درون کتری و مقدار دمای فعلی آب، مقدار شعله را تنظیم کنید. مثلاً زمانی که آب ۲۰ درجه است شعله را تا آخر زیاد کنید و بعدازاین که دما به حدود ۵۰ درجه رسید آرام‌آرام شعله را کم کنید تا سرعت افزایش دما کمتر شود. در این حالت دمای آب به شکل مناسب‌تری به مقدار مطلوب خواهد رسید.

در بخش بعدی در PID دقیق‌تر خواهیم شد و به نحوه عملکرد آن خواهیم پرداخت، قبل از اینکه به سراغ این بخش برویم مجدداً خاطرنشان می‌شود که PID یک کنترلر حلقه بسته است.

کنترل حلقه بسته یا باز

برای دستیابی به کنترل دقیق‌تر، پارامتر تحت کنترل باید اندازه‌گیری شده و با ورودی مرجع مقایسه شود و سیگنال تحریکی متناسب با تفاضل ورودی و خروجی به سیستم اعمال شود. در نتیجه خطا تصحیح می‌شود. سیستمی با یک یا چند مسیر فیدبک مانند شکل زیر، یک سیستم حلقه بسته نامیده می‌شود.

به‌عنوان‌مثال اگر ما پمپی داشته باشیم که بخواهیم در خروجی‌اش، فشار آب ثابتی را به ما بدهد، می‌توانیم سرعت اینورتر روی آن را به‌صورت دستی روی مقدار ثابتی قرار دهیم و امیدوار باشیم که فشار در تمامی لحظات روی مدار ثابت بماند، و شب‌ها هم می‌توانیم کمی سرعت اینورتر را کم کنیم. این یک کنترل حلقه باز است.

راه‌حل بهتر به‌کارگیری یک سنسور فشار و اتصال سیگنال آن به اینورتر است. اینورتر مقدار واقعی (یعنی اندازه‌گیری شده) فشار را با مقدار مطلوب (نقطه مرجع موردنظر) مقایسه می‌کند و سرعت پمپ را دائماً تغییر می‌دهد تا فشار را در مقدار ثابتی نگه دارد. ازآنجاکه اتصال سنسور فشار یک حلقه تشکیل می‌دهد (اینورتر – موتور – پمپ – سنسور) این سیستم‌ها به سیستم‌های کنترلی حلقه بسته شهرت دارند. مقایسه این دو نوع کنترل در تصویر زیر آمده است.

کنترل حلقه بسته کاربردهای زیادی دارد، از سیستم‌های تثبیت‌کننده هواپیما گرفته تا کنترل تنش در سیستم‌های سیم‌پیچی، و همچنین کاربردهای ساده‌تری مثل تثبیت فشار، سرعت جریان یا دما.

مسئله مهم در کنترل حلقه بسته، پایداری است. در این سیستم با پردازش صحیح خطا می‌توان پایداری را ایجاد کرد. خط اتلاف بین نقطه مرجع و مقدار واقعی، سیگنال فیدبک یا اندازه‌گیری است. درنهایت خطا به سیستم کنترلی داده می‌شود که در مثال بالا همان اینورتر است. اینورتر باید بتواند با پردازش سریع خطای موجود را پردازش و برطرف کند.

عملکرد PID

همان‌طور که قبلاً گفته شد PID از سه جز بسیار مهم به نام‌های Proportional (تناسبی)، Integral (انتگرال‌گیری) و Derivative (مشتق‌گیری) تشکیل شده است. در عمل هرکدام از آن‌ها سیگنال خطا را به‌عنوان ورودی گرفته و عملیاتی را روی آن انجام می‌دهد و در نهایت خروجی‌شان با هم جمع می‌شوند. خروجی این مجموعه که همان خروجی کنترل‌کننده PID است برای اصلاح خطا (Error) به سیستم بازگشت (فیدبک) داده می‌شود.

برای اینکه با معادلات PID هم آشنا شویم دو فرمول استاندارد و تابع تبدیل آن را در زیر آورده‌ایم.

فرمول استاندارد PID به شکل زیر است:

باتوجه‌به فرمول بالا به‌راحتی می‌توان تابع تبدیل زیر را به دست آورد:

درنهایت اگر سه بخش را به‌صورت موازی در کنار هم قرار دهیم به دیاگرام کلی کنترلر PID، طبق شکل زیر خواهیم رسید.

قاعده اساسی پشت عملکرد یک کنترل‌کننده PID این است که عبارت‌های تناسبی، انتگرالی و مشتقی باید به طور جداگانه تنظیم یا «کوک» شوند. این تنظیم توسط مهندس برق مربوطه و با تحلیل و عمدتاً آزمون‌وخطا به دست می‌آید.

جهت رسیدن به بهترین نقطه عملکردی PID باید مقدار هرکدام از ضرایب (P، I و D) را در کنار هم محاسبه کرده و درنهایت بهترین مقادیر را استفاده نمود

اینکه هرکدام از این ضرایب در کنترل PID چه نقشی دارند و اصولاً چگونه باید تعیین شوند را در بخش بعدی شرح خواهیم داد.

مدهای کنترلی PID

در کنترل‌کننده PID ۵ مد اساسی به نام‌های زیر داریم:

  1. کنترل تناسبی (Proportional Controler)
  2. کنترل انتگرالی (Integral Controler)
  3. کنترل مشتقی (Derivative Controler)
  4. کنترل تناسبی + انتگرالی (Proportional Integral Controller)
  5. کنترل تناسبی + انتگرالی + مشتقی (Proportional Integral Derivative Controller)

هر یک از این ۵ مد، واکنش متفاوتی نسبت به خطا دارند. مقدار پاسخ تولیدی هر مد کنترلی را می‌توان با تغییر تنظیمات آن بهینه نمود و در نهایت با در کنار هم قراردادن (سه مد کنترلی اصلی؛ P، I و D) آن به یک سامانه بهینه PID دست یابیم. در ادامه، هر یک از این مدها را به‌صورت کامل بررسی می‌کنیم.

مد کنترل تناسبی (P)

در مد کنترل تناسبی خروجی کنترل‌کننده در تناسب با مقدار خطاست (به همین دلیل به آن تناسبی می‌گویند). اگر خطا بزرگ باشد، خروجی کنترل‌کننده هم بزرگ است و اگر خطا کوچک باشد خروجی کنترل‌کننده هم کوچک است.

تمام ضرایب PID یک مقدار بهینه دارند و به این صورت نمی‌باشد که صرفاً مقادیر آنها تا حد ممکن کم و یا زیاد نماییم.

پارامتر قابل تنظیم کنترل تناسبی، بهره کنترل‌کننده (Controller Gain) یا Kc نامیده می‌شود. هرچه بهره کنترل‌کننده بزرگ‌تر باشد، عمل کنترل تناسبیِ خطا را افزایش می‌دهد. اگر بهره کنترل‌کننده در مقدار بسیار بالایی تنظیم شود، حلقه کنترل شروع به نوسان می‌کند و ناپایدار می‌شود. از سوی دیگر، اگر بهره بسیار کم باشد، پاسخ به اغتشاشات یا تغییرات نقطه تنظیم، به‌اندازه کافی کارساز نخواهد بود.

بخش P در کنترلر PID بر مدهای کنترل انتگرالی و مشتقی نیز تأثیر می‌گذارد. به همین دلیل است که این پارامتر را بهره کنترل‌کننده می‌نامیم، نه صرفاً بهره تناسبی.

درحالی‌که اغلب کنترل‌کننده‌ها از بهره کنترل‌کننده (Kc) به‌عنوان تنظیم تناسبی استفاده می‌کنند، برخی کنترل‌کننده‌ها از باند تناسبی (Proportional Band) یا PB بهره می‌برند که برحسب درصد بیان می‌شود.

استفاده از کنترل‌کننده تناسبی به‌تنهایی، یک عیب بزرگ دارد و آن، آفست (Offset) است. آفست، یک خطای پایدار است که نمی‌توان به‌تنهایی با کنترل تناسبی آن را از بین برد.

برای درک بهتر آفست (Offset) اجازه دهید یک مثال کاربردی را باهم مرور نماییم:

تصور کنید که ما یک اتاق به همراه یک گرم‌کننده داریم، سیستم کنترلی ما در اینجا صرفاً بخش تناسبی (P) بوده و خبری از I و D فعلاً نیست.

در این اتاق دمای مدنظر باید بروی ۳۰ درجه سانتی‌گراد تنظیم شود.

گزاره بالا نقطه هدف و یا آنچه که ما می‌خواهیم می‌باشد، در ادامه شرایطی رخ می‌دهد که باهم واکنش کنترل‌کننده تناسبی را خواهیم دید.

۱. اتفاقی غیرمعمول می‌افتد و یکی از پنجره‌‌ها باز می‌شود.

۲. دمای اتاق به یکباره از ۳۰ به ۲۵ درجه می‌رسد و این کاهش با یک سرعت مشخص ادامه پیدا می‌کند.

۳. کنترل‌کننده تناسبی که از فیدبک دمای اتاق استفاده می‌کند متوجه تغییرات دمایی شده و سعی می‌کند با روشن‌کردن دمنده مانع این تغییر دمای ناخواسته شود.

۴. دمای اتاق به ۲۳ درجه رسیده ولی باتوجه‌به روشن شدن دمنده سرعت کاهش دما کمتر شده است.

۵. کنترل‌کننده تناسبی ما قدرت دمنده را افزایش می‌دهد.

۶. در این نقطه دقیقاً دمنده ما به همان اندازه که هوای سرد وارد اتاق می‌شود گرما تولید می‌کند پس دمای اتاق دقیقاً بروی عدد ۲۳ درجه Set می‌گردد.

۷. از دید کنترل‌کننده تناسبی تغییرات ناخواسته دما به اتمام رسیده و اکنون سیستم بدون هیچ خطایی در حال کار می‌باشد!

احتمالاً الان متوجه مشکل بزرگ استفاده از کنترل‌کننده تناسبی به‌تنهایی شده‌اید، درواقع این کنترل‌کننده پس از اتمام کار یک مقدار خطای دائمی در سیستم ایجاد می‌کند (اختلاف دمای ۳۰ درجه مدنظر با دمای کنونی اتاق که ۲۳ درجه سانتی‌گراد می‌باشد)، به این میزان خطای پایدار که در این مثال ۷ درجه سانتی‌گراد می‌باشد آفست (Offset) می‌گویند.

در کنترل فقط تناسبی، آفست تا زمانی که اپراتور به‌صورت دستی بایاس خروجی کنترل‌کننده را تغییر ندهد، وجود خواهد داشت. این کار معمولاً با قراردادن کنترل‌کننده در حالت دستی و تغییر خروجی به‌صورت دستی تا رسیدن به خطای صفر انجام می‌شود. پس از آن، کنترل‌کننده به حالت خودکار سوئیچ می‌شود. در این حالت می‌گوییم اپراتور به‌صورت دستی کنترل‌کننده را بازنشانی کرده است.

ضریب کنترلی در این مد Kp می‌باشد.

باتوجه‌به توضیحاتی که داده شد استفاده منفرد از کنترل‌کننده تناسبی عمدتاً جوابگوی کار ما نیست به همین دلیل به سراغ جزء دوم یعنی کنترل‌کننده انتگرالی می‌رویم.

مد کنترلی انتگرالی (I)

باتوجه‌به مشکل ذکر شده در بخش کنترل تناسبی و حذف انحراف همیشگی آن، از عملکرد انتگرال استفاده می‌شود.

I، انتگرال (نسبت به زمان) مقدار واقعی خطا است، به سبب انتگرال‌گیری، مقدار خطای بسیار کمی، پاسخ انتگرالی بسیار بزرگی را نتیجه می‌دهد. در ادامه عملیات کنترل‌کننده انتگرالی تا جایی ادامه می‌یابد تا خطای آفست صفر شود.

مد کنترل انتگرالی، خروجی کنترل‌کننده را به‌صورت پیوسته کم یا زیاد می‌کند تا خطا را به صفر کاهش دهد. اگر خطا بزرگ باشد، مد انتگرالی خروجی کنترل‌کننده را به‌سرعت افزایش یا کاهش می‌دهد و اگر خطا کوچک باشد، تغییرات آرام‌تر رخ خواهد داد.

به زبان ساده‌تر در عملکرد انتگرال، سطح زیر منحنی خطا، انتگرال منحنی خطاست. ازاین‌رو هرچند در عملکرد تناسبی، منحنی خطا دارای انحراف است، ولی چنانچه عملکرد انتگرال را به آن بیفزاییم به‌مرور سطح زیر منحنی خطا (هرچند که خطا کم باشد) زیاد می‌شود و این امر باعث افزایش سیگنال خروجی از کنترل‌کننده و کاهش مقدار خطا و انحراف می‌گردد.

کنترل‌کننده انتگرالی برای تغییرات سریع مناسب نیست و اگر در تجهیزی (مانند موتور الکتریکی) انتگرال‌گیری ذاتی وجود دارد بهتر است از این جز استفاده نشود.

ضریب کنترلی در این مد Ki می‌باشد.

در این بخش نیز به کنترل‌کننده انتگرالی منفرد (یعنی تنها از I برای کنترل استفاده نماییم) پرداختیم، در بخش بعدی به سراغ جزء D یا کنترل‌کننده مشتقی می‌رویم.

مد کنترلی مشتقی (D)

همین ابتدا خاطرنشان می‌شود که کنترل‌کننده مشتق‌گیر هیچ‌گاه به‌تنهایی استفاده نمی‌شود چون اگر خطا ثابت (غیر صفر) باشد، خروجی کنترل‌کننده صفر خواهد شد. در این وضعیت، کنترل‌کننده مانند حالت خطای صفر رفتار می‌کند، اما درواقع مقداری خطا (ثابت) وجود دارد.

y(t) ∝ de(t)/dty(t) = Kd * de(t)/dt

همان‌طور که در رابطه بالا نشان‌داده‌شده است، خروجی کنترل‌کننده مشتق‌گیر رابطه مستقیمی با سرعت تغییر خطا نسبت به زمان دارد. با حذف علامت تناسب، ما به ثابت بهره مشتق (Kd) می‌رسیم. به‌طورکلی کنترل‌کننده‌های مشتق‌گیر زمانی استفاده می‌شوند که متغیرهای فرآیند شروع به نوسان کنند یا تغییرات در سرعت بسیار بالا داشته باشند. کنترل‌کننده‌های مشتقی همچنین برای پیش‌بینی عملکرد آینده خطا، به‌وسیلهٔ منحنی خطا استفاده می‌شوند.

این نوع کنترل‌کننده در کنترل فرآیند نسبت به نویز بسیار حساس است و عمدتاً تنظیم با استفاده از سعی و خطا را دشوارتر می‌کند.

در این مد وقتی تغییرات خطا زیاد باشد، مد مشتقی عمل کنترل بیشتری تولید خواهد کرد. وقتی خطا تغییر نکند، عمل مشتقی صفر خواهد بود. مد مشتقی یک تنظیمات قابل تغییر دارد که زمان مشتق (TD) نامیده می‌شود. هر چه زمان مشتق بیشتر باشد، عمل حاصل از مشتق بیشتری تولید خواهد شد. وقتی زمان مشتق بسیار طولانی باشد در این مد نیز نوسان‌هایی رخ می‌دهد و حلقه کنترل ناپایدار خواهد شد.ضریب کنترلی در این مد Kd می‌باشد.

کنترل تناسبی + انتگرالی (PI)

از میان موارد بالا که تاکنون صحبت شد تنها شماره ۱ (کنترل‌کننده تناسبی) کاربردی می‌باشد، باقی موارد عمدتاً به‌صورت منفرد در جایی استفاده نمی‌شوند.اگر کنترل‌کننده تناسبی را با کنترل‌کننده انتگرالی ترکیب نماییم به یک کنترل‌کننده جدید دست خواهیم یافت که دیگر مشکل آفست (OffSet) یا خطای ماندگار را نخواهد داشت.به این کنترلر به‌اختصار PI کنترلر می‌گویند.

اگر بخواهیم این کنترلر را به‌صورت رابطه ریاضی بیان نماییم به‌صورت زیر خواهد بود:

y(t) ∝ [e(t) + ∫ e(t) dt] y(t) = kp *e(t) + ki ∫ e(t) dt

در این کنترلر سطح زیر منحنی خطا را انتگرال منحنی خطا می‌دانند. ازاین‌رو هرچند در عملکرد تناسبی، منحنی خطا دارای انحراف است، ولی چنانچه عملکرد انتگرال را به آن بیفزاییم به‌مرور سطح زیر منحنی خطا زیاد می‌شود و این امر باعث افزایش سیگنال خروجی از کنترل‌کننده و کاهش مقدار خطا و انحراف می‌گردد.

کنترل تناسبی + انتگرالی + مشتقی (PID)

نگفته پیداست که این کنترل‌کننده ترکیب کنترل‌کننده‌های P، I و D است. خروجی کنترل‌کننده مجموع پاسخ‌های تناسبی، انتگرالی و مشتقی است.

چنانچه گفته شد عملکرد انتگرال به گذشته نظر دارد. برای افزودن آینده‌نگری به سیستم کنترل، عملکرد مشتق به دو عملکرد یاد شده اضافه می‌شود. مشتق یک منحنی در یک نقطه (در اینجا منحنی خطا)، ضریب زاویه یا میل به آینده منحنی را در آن نقطه نشان می‌دهد. ازاین‌رو می‌توان در فرآیندهایی که در آنها جرم زیادی باید شتاب داده شوند یا شتابشان کم شود و یا گرم یا سرد شوند از آنها استفاده کرد.

اگر بخواهیم PID را به شکل معادله ریاضی نشان دهیم به‌صورت زیر خواهد بود:

y(t) ∝ [e(t) + ∫ e(t) dt + de(t)/dt] y(t) = kp * e(t) + ki ∫ e(t) dt + kd * de(t)/dt

در این معادله هر سه ضریب؛ Kp، Ki و Kd تأثیرگذار هستند.

ازآنجایی‌که در ترکیب کردن دست ما باز است به همین دلیل برای این مد کنترلی سه پیکربندی ارائه شده است که عبارت‌اند از؛

  • PID تعاملی (Interactive)
  • PID غیرتعاملی (Noninteractive)
  • PID موازی (Parallel)

در عمده کتاب‌‌ها و مقالات علمی از نوع PID موازی بیشتر استفاده می‌شود، با این وجود برخی از شرکت‌‌ها اجازه تنظیم و انتخاب نوع پیکربندی PID را نیز در اختیار اپراتور قرار می‌دهند.

موج بعدی از کنترلر، تناسبی بوده و همان‌طور که انتظار می‌رفت بخش آفست آن دارای مقدار خطای ثابت می‌باشد. اگر موج کنترل‌کننده PI را با موج P مقایسه کنیم مشاهده می‌شود که به دلیل حضور المان انتگرال‌گیر بخش خطای ماندگار حذف شده است.

در نهایت موج PID قرار گرفته است که به دلیل حضور مشتق‌گیر توانسته‌ایم از نوسانات زیاد نسبت به PI جلوگیری نماییم.

انتخاب کنترل‌کننده مناسب

تاکنون در مورد انواع مدهای کنترلی صحبت کردیم اما برای اینکه جمع‌بندی کنیم و درنهایت به‌سادگی بتوانیم تشخیص دهیم که کدام متد کنترلی برای ما مناسب است در ادامه توضیحاتی را ارائه خواهیم داد.

اولویت نخست ما در طراحی یک کنترل‌کننده، سادگی آن است هرچند ممکن است مقداری خطا هم به وجود بیاید! پس ممکن است در مواردی متد کنترلی P جایگزین PI و حتی PID باشد!

P: زمانی استفاده می‌شود که وجود آفست در سیستم مهم نبوده و قابل‌تحمل باشد یا وقتی‌که فرآیند به طور طبیعی دارای ماهیت انتگرالی باشد.

PI: زمانی استفاده می‌شود که آفست قابل‌تحمل نیست و باید در حالت ماندگار هیچ‌گونه خطای وجود نداشته باشد.

PD: اصولاً به‌ندرت استفاده می‌شود به همین دلیل در دسته‌بندی بالا آن را قرار نداده‌ایم. به‌کارگیری PD باعث خواهد شد که سیستم کنترلی با وجود مقادیر بزرگ‌تر بهره کنترل‌کننده، همچنان پایدار باقی بماند.

PID: زمانی که جبران برخی لختی‌‌های طبیعی در سرتاسر سیستم مهم باشد و سیگنال‌‌های فرآیند نسبتا عاری از نویز باشند قطعا PID انتخاب ما خواهد بود.

در جدول زیر مزایا و معایب سه کنترل‌کننده اصلی آورده شده است.

++جدول مزایا و معایب کنترل‌کننده‌‌های P، I و D

ضریب مزایا معایب
P سریع ساده و ارزان می‌باشد. نمی‌تواند خروجی را به مقدار نهایی مطلوب برساند. تصمیمات بر اساس خطای لحظه‌ای است.
I می‌تواند خروجی را به مقدار مطلوب برساند. به نویز یا تغییرات ناگهانی حساس نیست. بر اساس تاریخچه خطا عمل می‌‌کند. خیلی کند است. پایداری سیستم را کاهش می‌دهد. ساده و ارزان نیست.
D خیلی سریع است. سیستم را پایدار می‌کند. نمی‌تواند خروجی را به مقدار نهایی برساند. به نویز حساس است. ساده و ارزان نیست.

تنظیم ضرایب PID

یکی از مهم‌ترین نکاتی که باید قبل از تنظیم ضرایب PID بدانید این است که اصولاً تغییر هر پارامتر، باعث چه تغییراتی در منحنی سیستم کنترل خواهد شد. جدول زیر تأثیر هرکدام از این پارامترها را بر منحنی سیستم نشان می‌دهد:

ضریب زمان صعود (Rise time) بالازدگی (Overshoot) زمان نشست (Setting time) خطای حالت ماندگار (Steady error)
Kd کاهش کاهش کاهش تغییر کوچک
Kp کاهش افزایش تغییر کوچک کاهش
Ki تغییر کوچک افزایش افزایش حذف

تنظیم ضرایب PID یا اصطلاحاً Tune کردن این ضرایب روش‌های گوناگونی دارد و در بسیاری از اوقات باتوجه‌به شناختی که فرد با تأثیر ضرایب و همین‌طور رفتار فرآیند دارد، به‌صورت تجربی و گاهی آزمون‌وخطا انجام می‌شود. همچنین امروزه بسیاری از کنترلرهای دیجیتال از ویژگی به نام Auto tune برخوردار هستند که به‌صورت خودکار ضرایب مناسب را بعد از چند بار امتحان به دست می‌آورد.

باتوجه‌به اینکه این بخش نیاز به مباحث دیگری دارد سعی خواهیم کرد بررسی روش‌های تنظیم ضرایب PID را در آینده و در مطلبی جداگانه آموزش دهیم.

سخت‌افزار PID

قدیمی‌ترین سخت‌افزار ساخته شده همان گونه که در بخش تاریخچه گفته شد، PIDهای پنوماتیکی می‌بودند که امروزه به دلیل حضور الکترونیک و الکترونیک قدرت عملاً کنار گذاشته شده‌اند، به دلیل ماهیت قابل‌فهم و ساده PID می‌توان آن را در عمده پردازشگرها و میکروپروسسورها قرار داد، در این میان PLC، PID Digital Controller (کنترل‌گر منطقی برنامه‌پذیر) و DCS (سیستم کنترل توزیع‌شده) از اهمیت ویژه‌تری برخوردار هستند.

در مورد PLC و DCS پیش‌تر مفصل صحبت کرده‌ایم. اگر بخواهیم یک مثال برای استفاده از PID در PLC داشته باشیم می‌توانیم به موضوع کنترل فشار با استفاده از پی‌ال‌سی نگاهی داشته باشیم.

در شکل زیر یک پی‌ال‌سی را با دو ماژول آنالوگ ورودی و خروجی مشاهده می‌کنید، ماژول ورودی این PLC به Pressure sensor and transmitter متصل شده است و به‌صورت لحظه‌ای مقدار فشار را اندازه‌گیری می‌کند.از سوی دیگر این PLC با استفاده از ماژول خروجی آنالوگ خود می‌تواند به Variable flow valve (شیر متغیر جریان) فرمان باز شدن یا بسته شدن را بدهد.

باتوجه‌به این توضیحات، بخش اول در حکم فیدبک برای PID و بخش دوم برای کنترل می‌باشد. ادامه کار که به محاسبات PID و مقایسه مقدار خطا (انحراف از میزان فشار مدنظر) و میزان Set-point مربوط می‌گردد در بخش CPU واقع در PLC صورت می‌پذیرد.به زبان ساده‌تر ما در CPU پی‌ال‌سی، PID خود را تعریف می‌کنیم و پس از آن سایر موارد به‌صورت خودکار تحلیل و پردازش خواهند شد.

اما PID Digital Controller چیست؟

یک سری تجهیزات هستند که معمولاً فقط توانایی کنترل PID را دارا هستند و امکان اجرای سایر برنامه‌ها در آنها وجود ندارد. البته این تجهیزات در انواع مختلفی ساخته می‌شوند که توانایی کنترل یک تا چند لوپ کنترلی را به‌صورت هم‌زمان دارا هستند.

کاربرد PID

باتوجه‌به اینکه PID برای ما کنترل حول یک نقطه (SetPoint) را ارائه می‌کند می‌تواند کاربردهای فراوانی داشته باشد و در عمل نیز به همین صورت است و به همین دلیل شاهد کنترل‌کننده‌های اختصاصی PID در بازار نیز هستیم.کاربردهای PID در رنج وسیعی از موارد مانند؛ عملیات حرارتی فلزات، خشک‌کردن، تبخیر کردن حلال‌ها، مسائل فرادمایی، پخت فرم‌های متفاوتی از عناصر و … استفاده می‌شود.

طراحی MPPT (ردیابی نقطه حداکثر توان)

اگر خاطرتان باشد در دوره سیمولینک متلب پروژه‌ای در مورد MPPT و چگونگی حداکثر کردن توان سلول‌های خورشیدی انجام دادیم، ازآنجایی‌که مشخصه جریان – ولتاژ یک سلول فتوولتائیک به دما و سطح تابش بستگی دارد؛ بنابراین جریان و ولتاژ، به نسبت تغییر شرایط جوی، تغییر خواهد کرد؛ بنابراین ردیابی نقطه توان حداکثر برای یک سیستم فتوولتائیک کارا بسیار مهم است. برای پیداکردن MPPT، کنترل‌کننده PID مورداستفاده قرار می‌گیرد و برای آن جریان و ولتاژ نقطه موردنظر به کنترل‌کننده داده می‌شود. اگر شرایط جوی تغییر کند این دنبال‌کننده، ولتاژ و جریان را ثابت نگه می‌دارد.

همان‌طور که مشاهده کردید PID کاربردهای زیادی دارد ولی بااین‌حال مهم‌ترین کاربرد PID همچنان در بحث مسائل دمایی می‌باشد که در ادامه به شکل خاص‌تری به آن می‌پردازیم.

کنترلر دمای PID

دو روش اصلی برای تنظیم کنترلر دما با استفاده از مقادیر PID وجود دارد.۱. یک مهندس برق متغیرهای P، I، D، و توان موردنیاز فرآیند جهت تنظیم دما را به‌صورت دستی به دست آورد.۲. با وارد نمودن مقادیر هدف و استفاده از ساختار خود – تنظیمی کنترلر دما، PID خودش ضرایب را محاسبه و مستقیماً کنترل نماید.در هر دو روش، PID مقدار توان موردنیاز جهت تثبیت دمایی را به ما می‌دهد که حالا می‌تواند به‌صورت دستی یا خودکار باشد.

انتخاب کنترل‌کننده دما PID

حلقه تنظیم PID در انواع کنترلرهای دمایی به تعداد مختلف استفاده می‌شود. متداول‌ترین حالت کنترلر دما، انجام محاسبات PID و مدیریت تک فرآیندی است.تجهیزات پزشکی برای اطمینان از ثابت ماندن دما برای استریلیزه شدن کامل ابزارها، از کنترلر دمای PID تک حلقه استفاده می‌کنند. حس‌گر دما در داخل مخزن استرلیزاسیون دما را اندازه گرفته و به کنترلر می‌دهد تا توان سیستم گرمادهی را افزایش یا کاهش دهد.

برنامه چند حلقه کنترلر دمای PID پیچیدگی بیشتری دارد، در این برنامه کنترلر چندین فرآیند را هم‌زمان پردازش می‌کند. بااین‌حال هر فرآیند مستقل بوده و حلقه منحصربه‌فرد خودش را دارد و اختلال در یک فرآیند روی سایرین تأثیری ندارد. برای مثال یک نانوایی ممکن است چند اجاق فر داشته باشد که همگی دمایی یکسان داشته باشند اما هیچ‌کدام روی دیگری تأثیری نمی‌گذارند و درنهایت تمام این مجموعه توسط یک کنترلر دمای PID چند حلقه کنترل شود.

کنترل‌های PID با حلقه‌های کنترلی آبشاری

برخی کنترلرهای PID قابلیت‌های بهبودیافته‌ای دارند و می‌توانند حلقه‌های مرتبط را بجای حلقه‌های مستقل اجرا کنند.در کنترل آبشاری، دو حلقه مرتبط باهم به‌صورت اولیه و ثانویه عمل می‌کنند. حلقه اولیه عنصر اصلی فرآیند تحت گرما را کنترل می‌کند درحالی‌که روی قسمت گرما دهنده کنترلی ندارد. حلقه ثانویه اما در عوض همانند ژاکتی به دور حلقه اول قرار گرفته و توسط گرما دهنده تاثیر می‌پذیرد. کنترلر PID دمای هر دو حلقه را اندازه‌گیری می‌کند و توان اعمالی مؤثر بر گرمای قسمت ثانویه را تنظیم کرده تا درنهایت گرمای بخش اولیه را به حد تنظیمی برساند.

میزان‌سازی یا تنظیم کردن (Tuning) برای حلقه آبشاری امری ضروری است چرا که برخلاف سایر متدها ممکن است با اورشوت‌های (Overshoot) ناخواسته‌ای مواجه شود. در این روش کنترلر PID با رسیدن دما به حد تنظیمی (Setpoint) توان را کاهش می‌دهد تا دما در همان مقدار ثابت بماند. یک مثال مناسب برای این روش آب‌کردن شکلات است، شکلات اگر خودش مستقیماً در معرض حرارت قرار گیرد می‌سوزد اما در کاسه‌ای که روی آب جوش قرار دارد به‌راحتی ذوب می‌شود. شکلات حلقه اولیه است، ماده‌ای حساس که درنهایت باید حرارت ببیند، و کاسه آب که نقش واسطه‌ای بین تجهیز گرما دهنده و حلقه اولیه را دارد، حلقه ثانویه است. حلقه‌های آبشاری، قواعد عملکردی یکسانی دارند اما از جهت بزرگی مقیاس و دقت کنترل دما می‌توانند نسبت به یکدیگر متفاوت ظاهر شوند.

کنترل دمای PID چند ناحیه‌ای

کنترلرهای دمای PID چند ناحیه‌ای برای مدیریت فرآیندهایی‌اند که در چند ناحیه جریان دارند، فرآیند کنترلی یکی است اما عنصر تحت حرارت به‌قدری بزرگ است که ممکن است بین نواحی مختلف آن اختلاف دما وجود داشته باشد.برای مثال در اجاق فر صنعتی با ۶ قسمت گرما دهنده مختلف، دما در کل اجاق باید یکسان باشد اما ممکن است برخی از نقاط باعث ایجاد تفاوت دمایی شوند. چون فرآیند به دمایی یکپارچه در تمام نواحی نیاز دارد. راه‌حل؛ استفاده از کنترلر دمای PID چند ناحیه‌ای برای کنترل هر ۶ قسمت گرما دهنده است، بنابراین ۶ حلقه کنترلی وجود خواهد داشت که به‌صورت هم‌زمان در حال اجرا هستند. کنترلر PID هرکدام از این ۶ قسمت را به‌صورت جدا کنترل می‌کند تا دما در تمامی نواحی اجاق فر روی حد تنظیمی ثابت بماند.

سؤالات متداول PID

PID چگونه عمل می‌‌کند؟

عملکرد اصلی یک کنترل کننده PID خواندن یک سنسور، سپس محاسبه خروجی محرک موردنظر با محاسبه پاسخ‌های تناسبی (ضریب P)، انتگرال (ضریب D) و مشتق (ضریب I) و درنهایت جمع‌آوری این سه مؤلفه برای محاسبه خروجی می‌باشد.

اجزای سازنده PID چیست؟

یک PID از سه بخش؛ تناسب، انتگرال و مشتق تشکیل شده است. در بخش P، کنترل‌کننده تناسبی (Proportional – نگاه به حال فرآیند) قرار گرفته است و وظیفه تناسب با مقدار خطاست. در بخش I، کنترل کننده انتگرالی (Integral – نگه به گذشته فرآیند) قرار گرفته که وظیفه آن حذف مقدار دائمی خطا از سیستم می‌باشد و در نهایت بخش D، کنترل کننده مشتقی (Derivative – نگاه به آینده فرآیند) می‌باشد که وظیفه آن نیز میراسازی و حذف نوسانات خروجی است.

کاربرد کنترل کننده PID چیست؟

کنترل کننده‌های تناسبی – یکپارچه – مشتق (PID) امروزه در بیشتر برنامه‌های کنترل فرآیند اتوماتیک در صنعت برای تنظیم جریان، دما، فشار، سطح و بسیاری دیگر از متغیرهای فرآیند صنعتی استفاده می‌شوند.

مزایا و معایب کنترل کننده PID چیست؟

مزایا: طراحی ساده، ارزان‌قیمت بودن، امکان استفاده از PLC، DCS و سیستم‌های کنترلی شناخته شده و نداشتن مقدار خطای دائم. معایب: کنترل کننده‌های PID عملکرد کنترل ضعیفی را برای فرآیندهای انتگرالی و طولانی از خود نشان می‌دهند.

آیا آردوینو (Arduino) یک PID است؟

خیر، آردوینو یک پلتفرم سخت‌افزاری و نرم‌افزاری متن‌باز است. پلتفرم آردوینو شامل یک میکروکنترلر تک‌بردی متن‌باز است که قسمت سخت‌افزار آردوینو را تشکیل می‌دهد. ما با استفاده از این میکروکنترلر می‌توانیم نه‌تنها PID بلکه توابع دیگری را نیز طراحی و اجرا نماییم.

سخن پایانی

PID حقیقتاً یکی از کارآمدترین ابزارها جهت کنترل فرآیندهای SetPoint محور می‌باشد که توانسته به‌خوبی خود را در بازار به اثبات برساند به همین دلیل داشتن دانش تخصصی در این زمینه قطعاً می‌تواند برای شما مفید و کاربردی بوده و سبب استفاده بهتر از فرصت‌های پیشرو گردد. چیزی که مشخص است قطعاً PID در این سطح نخواهد ماند و پیشرفت‌های بیشتری را به خود خواهد دید به همین دلیل توصیه می‌کنم در سازوکار و طراحی آن بیشتر عمیق شوید.

منابع

  1. Khan Nouman, Zaman Asim, Khan Qasim, “Comprehensive Study on Performance of PID Controller and its Applications“, Electronic and Automation Control Conference (IMCEC), DOI: 10.1109/IMCEC.2018.8469267, May 2018 
  2. Hills, Richard L, “Power From the Wind”, Cambridge University Press, 1996 
  3. N. Minorsky, “Directional Stability of Automatically Steered Bodies“, Journal of the American Society for Naval Engineers, May 1922 
  4. پیمان پربها، “کنترل PID به زبان آدمیزاد!”، ویرایش اول 
  5. Aidan O’Dwyer, “Handbook of PI and PID controller tuning rules”, Imperial College Press, June 2009 
  6. What is a PID Temperature Controller?“, West Control Solutions. 
  7. D. Shilane, J. S. Martikainen and S. Dudoit, “A general frame-work for statistical performance comparison of evolutionary computation algorithms“, Information Sciences, Journal, Vol:178, pp. 2870-2879 , july 2008 
  8. D. B. Fogel, “Evolutionary Computation: Toward a New Philosophy of Machine Intelligence“, Wiley-IEEE Press, 2006