آشنایی با اتوماسیون صنعتی

مقدمه

در هر کارخانه یا فرآیند صنعتی‌، انواع تجهیزات مختلف در کنار هم قرار گرفته‌اند؛ این تجهیزات باید به نحو صحیح انجام وظیفه نمایند تا محصول خاصی تولید و یا عملیات خاصی انجام پذیرد. مثلاً در یک کارخانه تولید محصول شیمیایی، باید در ابتدای فرآیند، محصول خام دریافت شده و پس از انجام عملیات مختلف از قبیل تنظیم دما، فشار، غلظت و ترکیب نمودن با برخی مواد دیگر، محصول نهایی در انتهای فرآیند به دست آید. به‌منظور کنترل صحیح مراحل تولید و نیز امکان نظارت بر آن، به تجهیزات مختلفی نیاز است که بتوانند در کنار هم کار نموده و یک سیستم یکپارچه را شکل دهند. وظیفه این سیستم، اتوماتیک‌سازی کنترل و نظارت بر فرآیندهای صنعتی است و به آن اتوماسیون صنعتی گفته می‌شود.

2-2 آشنایی با بخش‌های مختلف اتوماسیون صنعتی

همانطور که در بخش مقدمه ذکر شد، اتوماسیون صنعتی متشکل از تجهیزات مختلف کنترل و نظارت (مانیتورینگ) بر فرآیند است. این تجهیزات را می‌توان در قالب یک هرم نمایش داد که به آن، هرم اتوماسیون صنعتی گفته می‌شود. هرم اتوماسیون صنعتی در شکل (1) نشان داده شده است.

همانطور که در شکل (1) مشاهده می‌شود، در ساده‌ترین تقسیم‌بندی، هرم اتوماسیون صنعتی را می‌توان به سه بخش (سه سطح) تقسیم‌ بندی نمود. این بخش‌ها عبارتند از:

• سطح فیلد: محل قرار گیری سنسورها و عملگرها است و معمولاً در کنار ماشین یا فرآیند تحت کنترل قرار دارد.
• سطح کنترل: محل قرار گیری سیستم کنترل است و معمولاً با کمی فاصله نسبت به سایت قرار دارد.
• سطح مانیتورینگ: در این سطح سیستم‌های مانیتورینگ و بعضاً سیستم‌های مهندسی و عیب‌یابی قرار می‌گیرند.

به طور خلاصه می‌توان بیان نمود که سنسورها مقادیر کمیت‌های فیزیکی را اندازه‌گیری نموده و در اختیار سیستم کنترل قرار می‌دهند. سیستم کنترل مطابق برنامه تعریف شده در آن، فرمان‌های لازم را تولید و برای عملگرها ارسال می‌کند، عملگرها نیز باعث تغییر در کمیت‌های فرآیندی می‌شوند. سیستم مانیتورینگ امکان نظارت بر فرآیند را فراهم کرده و شبکه‌های صنعتی وظیفه برقراری ارتباط بین سطوح مختلف با یکدیگر را بر عهده دارند. حال به بررسی وظایف هرکدام از بخش‌های فوق پرداخته و اجزای مختلف آنها را معرفی می‌نماییم.

2-3 آشنایی با سطح فیلد

سطح فیلد اشاره به محلی دارد که در آن سنسورها و عملگرهای موجود در فرآیند قرار گرفته‌اند. این بخش در حقیقت به خود Plant یا محیط اصلی کارخانه که در آن تجیهزات مختلف مکانیکی و الکتریکی قرار گرفته‌اند، اشاره می‌کند؛ زیرا محل قرار گرفتن سنسورها و عملگرها در بخش فیزیکی سایت کارخانه، یعنی در ماشین‌آلات و تجهیزات تحت کنترل است. در شکل (2) نمایی از یک Plant صنعتی نشان داده شده است.

شکل 2- یک نمونه Plant صنعتی

با توجه به نکات بیان شده، اجزای اتوماسیون صنعتی که در در سطح فیلد قرار گرفته‌اند عبارتند از:

• انواع سنسورها و ترانسمیترها
• انواع عملگرها
• شبکه‌های صنعتی فیلدباس

سنسورها و ترانسمیترها

سنسور یا حسگر، وسیله‌ای است که می‌تواند یک کمیت فیزیکی از قبیل دما (Temperature)، Level، فشار (Pressure)، فلو، جابجایی، سرعت و … را اندازه‌گیری نموده و نتیجه را به صورت یک سیگنال الکتریکی دیجیتال یا آنالوگ تبدیل نماید. ترانسمیتر وسیله‌ای است که می‌تواند سیگنال الکتریکی تولیدی یک سنسور را دریافت نموده و آنرا به صورت استاندارد (مثلاً 4-20 mA) تبدیل نماید. همچنین ترانسمیتر قادر به تقویت سیگنال و ارسال آن در فواصل طولانی است.

لازم به ذکر است که ترانسمیتر معمولاً در سنسورهایی که سیگنال آنالوگ تولید می‌کنند کاربرد دارد. همچنین در بسیاری از سنسورها، ترانسمیتر و سنسور در یک مجموعه ارائه شده‌اند که اصطلاحاً به آن X Transmitter گفته می‌شود. به جای حرف X، نام کمیت فیزیکی که سنسور قادر به اندازه‌گیری آن است ذکر می‌شود. مثلاً Pressure Transmitter بیانگر سنسوراندازه‌گیری فشار است که درون خود دارای ترانسمیتر نیز بوده و پس از اندازه‌گیری فشار، یک سیگنال استاندارد مثلاً 4-20 mA ارائه می‌دهد. در شکل (3) چند نوع سنسور (ترانسمیتر) مختلف صنعتی نشان داده شده است.

الف) Flow Transmitter     ب) Level Transmitter    ج) Pressure Transmitter

سنسورها و ترانسمیترهای موجود در صنعت را می‌توان به دو نوع معمولی و هوشمند تقسیم‌‌بندی نمود. در نوع معمولی، سنسور امکان اتصال به شبکه‌های صنعتی را دارا نبوده ولی در نوع هوشمند، سنسورمی‌تواند به برخی از شبکه‌های فیلدباس متصل گردد. حال به بررسی دقیق‌تر این موضوع می‌پردازیم.

الف) سنسورها و ترانسمیترهای معمولی

این دسته از سنسورها پس از اندازه‌گیری کمیت‌های مختلف فیزیکی، یک سیگنال الکتریکی تولید می‌نمایند. سیگنال تولیدی این نوع سنسورها را می‌توان با استفاده از سیم‌کشی به سیستم کنترل ارسال نمود. در این نوع سنسورها امکان کالیبراسیون و عیب‌یابی سنسور از طریق سیستم‌های مانیتورینگ و مهندسی فراهم نمی‌باشد.

ب) سنسورها و ترانسمیترهای هوشمند (Smart)

این دسته از سنسورها ضمن اندازه‌گیری کمیت‌های مختلف فیزیکی دارای همه مزایای زیر یا برخی از آنها نیز می‌باشند:

• امکان اتصال مستقیم به برخی از شبکه‌های صنعتی فیلدباس
• امکان کالیبراسیون به کمک سیستم‌های مهندسی موجود در فرآیند یا کامپیوترهای دستی
• امکان عیب‌یابی توسط سیستم‌های مهندسی
• امکان پردازش برخی از برنامه‌ها (در شبکه‌های فوندیشن فیلدباس و هارت)
• امکان کنترل لوپ در فیلد (در شبکه‌های فوندیشن فیلدباس و هارت)

در شکل (4-الف) کاتالوگ فنی یک سنسور فشار از نوع هوشمند که امکان اتصال به شبکه Foundation Fieldbus را دارد، نشان داده شده است. همچنین در شکل (4-ب) گواهی ثبت این سنسور به عنوان یک تجهیز قابل استفاده در Foundation Fieldbus نشان داده شده است.

الف) مشخصات فنی یک نوع سنسور اندازه‌گیری فشار                  ب) گواهی استفاده در FF

شکل 4

عملگرها (Actuator)

منظور از عملگر وسیله‌ای است که می‌تواند سیگنال الکتریکی را دریافت نموده و مطابق آن عملیات خاصی را انجام دهد. مثلاً یک شیر برقی می‌تواند سیگنال الکتریکی مناسب را دریافت نموده و مسیر عبور یک سیال یا گاز را باز یا بسته نماید.

برخی از عملگرهای متداول در صنعت عبارتند از:

• ولوهایOFF/ON:

ولو به معنی شیر برقی بوده و عملگری است که می‌تواند مسیر عبور مایعات یا گازها را باز یا بسته نماید. نوعی از این ولو‌ها، ولوهای دو حالته یا OFF/ON هستند که فقط دارای دو حالت کار کاملاً باز و کاملاً بسته می‌باشند. از دیدگاه کنترلی این تجهیزات به عنوان تجهیزات دیجیتال (دو حالته) شناخته می‌شوند و معمولاً با سیگنال 24V DC کار می‌کنند. در شکل (5) چند نمونه از این نوع ولوها نشان داده شده است.

شکل 5

• ولوهای آنالوگ (کنترل ولو):

این نوع ولوها که به نام کنترل ‌ولو شناخته می‌شوند، قادر هستند که مسیر عبور یک مایع یا گاز را به تدریج باز و یا بسته نمایند. این نوع ولوها بر خلاف ولوهایOFF/ON، با سیگنال الکتریکی آنالوگ از قبیل سیگنال 4-20mA کار می‌کنند. در شکل (6) چند نمونه کنترل‌ ولو نشان داده شده است.

شکل 6 چند نمونه کنترل ولو

• درایوهای کنترل سرعت موتورهای الکتریکی:

درایو وسیله‌ای است که از آن برای کنترل سرعت موتورهای الکتریکی استفاده می‌شود. از دیدگاه کنترلی، درایو به عنوان یک تجهیز آنالوگ شناخته می‌شود. درایو می‌تواند مطابق Set Point دریافتی از سیستم کنترل (به صورت سیگنال الکتریکی یا از طریق شبکه)، سرعت موتور را در نقطه دلخواه تنظیم نماید. امروزه اکثر درایوهای صنعتی امکان اتصال به انواع شبکه‌های صنعتی را دارا بوده و به عنوان اجزای لاینفک در اتوماسیون صنعتی شناخته می‌شوند. در شکل (7) چند نمونه درایو کنترل سرعت نشان داده شده است.

الف) درایو LS                 ب) درایو ABB               ج) درایو Siemens

شکل 7

• Soft Starter:

به منظور راه‌اندازی موتورهای سه‌فاز توان بالا و متوسط (و حتی توان پایین) می‌توان از Soft Starter یا همان راه‌انداز نرم استفاده نمود. این وسیله در حقیقت جایگزین مدارات قدیمی ستاره مثلث است و در شرایطی که از درایو به منظور کنترل دور موتور استفاده نشود، می‌توان از آن به منظور راه‌اندازی نرم موتور استفاده نمود. لازم به ذکر است که در درایو امکان راه‌اندازی نرم موتور پیش‌بینی شده و در صورت استفاده از آن، نیازی به استفاده از Soft Starter نمی‌باشد.

از دیدگاه کنترلی، Soft Starter به عنوان یک تجهیز دیجیتال شناخته می‌شود و معمولاً فرمان آن به صورت سیگنال 24V DC می‌باشد. در شکل (8) چند نمونه Soft Starter نشان داده شده است.

شکل 8: چند نمونه Soft Starter

• انواع کنتاکتورهای راه‌اندازی موتورهای الکتریکی:

در برخی از شرایط به دلیل عدم نیاز به کنترل سرعت و نیز به دلیل پایین بودن توان موتور، ضرورتی به استفاده از درایو و Soft Starte نمی‌باشد. در این شرایط می‌توان از کنتاکتور که یک کلید مغناطیسی است، به عنوان راه‌انداز موتور استفاده نمود. از دیدگاه کنترلی، کنتاکتور به عنوان یک تجهیز دیجیتال شناخته می‌شود که با سیگنال 24V DC یا 220V AC (در نمونه‌های مختلف) کار می‌کند. در شکل (9) چند نوع کنتاکتور راه‌انداز موتورهای سه‌فاز نشان داده شده است.

شکل 9: چند نمونه کنتاکتورراه‌اندازموتورهای الکتریکی