معرفي سيستم هاي كنترل و ابزار دقيق
ابزار دقیق و سيستم هاي كنترل (Control Systems) متناسب با كاربردشان، در طيف وسيعي از سيستم هاي بسيار پيچيده تا نسبتاً ساده قرار گرفته اند. براي مثال و بعنوان يكي از فرآيندهاي نسبتاً ساده، سيستم تنظيم خودكار سوخت موتورها را ميتوان نام برد. در اين سيستم ساده، حسگرهائي (Sensors) وجود دارند كه وضعيت موتور و شرايط كار آن، نظير فشار (Pressure) ارتفاع، چرخش (Rotation)، و سرعت (Speed) را مورد باز بيني قرارميدهند.
اتوماسیون صنعتی اطلاعات حاصل از اين حسگرها ابزار دقیق توسط كامپيوتر و يا وسايلي نظير ريز كامپيوتر، ريز پردازنده (Microprocessor)، كنترل كننده (Controller)، به سيگنالهاي كنترل (Control Signals) تبديل ميشوند؛ و نهايتاً بصورت فراميني باعث كنترل كار بهينه موتورها ميگردند. اين فرامين، تركيب سوخت و هوا، مقدار سوخت ، و نسبت جريان سوخت و نظير اينها را تنظيم مي نمايند. لذا عليرغم تغييرات در شرايط كار موتور، كارآئي آن در بهترين حالت تنظيم و كنترل ميگردد. در هر سيستم كنترل و ابزار دقيق علاوه بر اجزاء اصلي كنترل (كامپيوتر، ريز پردازنده و غيره) حداقل سه قسمت و احتمالاً چهار قسمت موجود ميباشد. اين اجزاء عبارتند از:
- اجزاء حس كننده و يا مبدل ها (Sensors, Transducers)
- اجزاء اندازه گيري و آماده سازي سيگنال ( Signal Conditioner )
- وسايل كنترل كننده و عمل كننده ها (Actuator)
- و احتمالاُ نشانگر و ثبات ابزار دقیق
حس كننده ها و يا مبدل ها
معمولاُ اولين قسمت سيستم كنترل خودكار، قسمت احساس كننده و يا حسگر ميباشد كه شرايط، حالات، یا متغيرهاي فرآيند را احساس كرده و متناسب با اين شرايط سيگنال هاي خروجي متناسب با آنها ايجاد مينمايد. غالباٌ سيگنال خروجي اين قسمت بصورت الكتريكي، و قياسي از شرايط متغير فرآيند ميباشد. براي مثال:
خروجي حس كننده به ازاء يك پوند (Pound) فشار، يك ولت تغيير ولتاژ و يا به ازاء يك درجه تغيير دما يك ميلي آمپر تغيير جريان ميباشد. امروزه در سيستم هاي كنترل از مبدلهاي و يا ترانسديوسرهاي مختلفي استفاده ميشود. بطور نمونه ميتوان حس كننده هاي، حركت و نيرو ( شتاب، دامنه، تغيير مكان، نيرو، گشتاور، فشار، قدر مطلق سرعت، سرعت، كشش) شرايط سيال ( جريان، فشار، سطح مايع) رطوبت، بخار هوا، روشنائي، پرتوزائي، دما و صدا را ميتوان نام برد. نظر به اينكه امكان جمع آوري اطلاعات در خصوص انواع مبدلها و حسگرهاي مختلف در يك كتاب درسي وجود ندارد. لذا انواع مهمتر و مورد نظر، اين مبدلها در بخش هاي بعدي توضيح داده خواهند شد.
اجزاء اندازه گيري و آماده سازي سيگنال ابزار دقیق
اندازه گيري، مهمترين قسمت سيستم هاي كنترل و ابزار دقيق ميباشد. براي مثال دما و فشار و يا بطور كلي متغيرهاي فرآيند، مانند سرعت جريان سيال، خاصيت اسيدي و بسياري ديگر از كميت ها اندازه گيري ميشوند. اندازه گيري فقط براي فهميدن شرايط و يا كميت متغير انجام نميگيرد، بلكه بيشتر اوقات مقدار اندازه گيري شده با مقدار مطلوب (Set Point) مقايسه ميشود تا سيگنال خطا تعيين گردد.
توسط اين سيگنال خطا يك عمل كننده بكار مي افتد تا متغير فرآيند را به مقدار معيني برساند و يا خروجي فرايند را كنترل نمايد. در سيستمهاي كنترل معمولي، نخست توسط يك حسگر شرايط يا كميتهاي متغير فرآيند، به سيگنال الكتريكي يا فشارهواي معادل تبديل ميشود. معمولاٌ سيگنال الكتريكي كه به اين ترتيب تبديل شده و سپس اندازه گيري ميشوند، در قالب اوقات جريان، ولتاژ، مقاومت، ظرفيت خازني، ظرفيت القائي، فركانس و سرعت تكرار پالس ميباشند.
در سيستم هاي بر مبناي ريز كامپيوتر، فرآيند اندازه گيري، شامل تبديل مقادير آنالوگ ( مثلاٌ ولتاژ معادل فشار و غيره ) به مقادير عددي ( ديجيتال) و برعكس نيز ميباشد. بعبارت ديگر، چون در كامپيوترها پالسهاي ديجيتالي مورد استفاده قرار ميگيرد، لذا در اين سيستمها از مدارهاي مبدل آنالوگ به ديجيتال (A/D) و مبدل ديجيتال به آنالوگ (D/A) استفاده ميشود.
وسايل كنترل كننده و عملگرها ابزار دقیق
در اكثر سيستمهاي كنترل ؛ آخرين مرحله از سيستم معمولاٌ شامل:
• يك كليد يا كنتاكت ميباشد كه در حالت باز و يا بسته قرار ميگيرد.
• يك شير كه در حالت كاملاٌ باز و يا بسته و يا در يك حالت مياني ميباشد.
• يك وسيله الكترومغناطيسي كه توسط جريان الكتريكي تحريك شده و يك عمل مكانيكي را انجام ميدهد و يا
• شامل يك موتور است كه شروع به چرخش يا توقف نموده و يا جهت آن تعويض شده؛ و يا سرعت آن تغيير مييابد ( گاهي اوقات از موتورهاي پله اي به اين منظور استفاده ميشود.)
مابين نخستين جزء سيستم كنترل كه معمو لا حسگر بوده و عمل كنترل را شروع مينمايد و آخرين قسمت آن كه عملگر ميباشد؛ اجزاء كنترل مختلفي قرار دارند كه هركدام عمل معيني را در سيستم انجام ميدهند. اين وسايل معمولاٌ كليد؛ شير؛ سيم پيچ مغناطيسي؛ رله ها ؛ لامپ هاي الكتروني و عناصر كنترل نيمه هادي مي باشند.
نشانگر و ثبات، وسايل نشان دهنده و كامپيوتر ابزار دقیق
اصطلاح نشانگر و ثبات به وسايلي اطلاق ميشود كه سيگنالها را ثبت و يا نشان داده است. و يا باعث انتقال سيگنالي بين اجزاء مختلف سيستم ميشوند. در سيستم هاي ساده تر و قديمي تر، نشان دهنده به، فشارسنج ها، دما سنج ها ؛ اندازه گيرهاي الكتريكي و چراغ هاي روي تابلوهاي كنترل كه نشان دهنده اتفاقي در سيستم ميباشند.
(نظير چراغ هاي قرمز چشمك زن كه هنگام رسيدن سطح مايع در مخزن به حد معيني روشن و خاموش ميشوند) و وسايلي نظير اينها اطلاق ميشد. اما در سيستمهاي بر مبناي ريز كامپيوتر كلمه نشان دهنده معمولاٌ به نشانگر هاي ديجيتالي، پايانه هاي تصويري، و ماشينهاي چاپگر گفته ميشود.
اجزاء سيستم هاي كنترل و ابزار دقيق
همانطور كه در شكل زير نشان داده شده است. سيستم هاي اندازه گيري اصولاٌ شامل يك مبدل ميباشند. كه وضعيت و يا كميت مورد اندازه گيري ( مورد سنجش ) را به سيگنال قابل استفاده و معمولاٌ الكتريكي تبديل مينمايد. البته اصطلاحات مبدل و حسگر غالباٌ و اصولاٌ در رشته ابزار دقيق و كنترل با هم تعويض ميشوند. اما از نظر تخصصي مبدل يك وسيله كاملي است كه بازاء يك كميت مورد سنجش خروجي مورد نظر را ايجاد ميكند؛ اما حسگر يك جزئي از مبدل ميباشد كه بطور واقعي كميت مورد سنجش را حس ميكند.
لذا مبدل ها يا فقط از يك حسگر تشكيل شده و يا شامل هردوقسمت حسگر و تبديل كننده ميباشند. بندرت سيگنال هاي خروجي حسگرها و يا مبدلها به همان صورتي كه هستند. مورد استفاده قرار ميگيرند. بنابراين غالباٌ سيگنالهاي خروجي مبدل، توسط مدارهاي آماده سازي سيگنال پردازش شده و بصورت قابل استفاده اي در ميآيند. نتيجتاٌ بيشتر اوقات مبدلها، شامل مدارهاي آماده سازي سيگنال Signal Conditioning Circuits نيز ميباشند.
در سيستم اندازه گيري نشان داده شده در شكل فوق؛ سيگنالهاي آماده شده به سيستم كنترل و ابزار دقيق كه ميتواند شامل يك نشان دهندهء ديجيتالي و يا آنالوگ، ثبات يا چاپگر عددي نيز باشد اعمال ميگردد. در نتيجه كميت مورد سنجش به شكل قابل استفاده براي خواندن مثل درجه، عدد و غيره در نشان دهنده نيز آشكار ميشود. در سيستم هاي كنترل مشابه آنچه در شكل زير نشان داده شده است. خروجي هاي كنترل به يك كنترل كننده و يا يك وسيلهء كنترلي ديگر اعمال ميگردد. در نتيجه كنترل كننده سيگنالي را با توجه به مبناي ورودي و مقادير حاصل از خروجي فرايند مورد نظر ايجاد ميكند. تا وسايل كنترل مننده فرايند، نظير شيرها، عمل كننده ها ؛ موتورها و غيره را بكار اندازد.
براي مثال در يك سيستم بسيار سادهء كنترلي (شكل 4)، مبدل، فشار يك مخزن را اندازه گيري كرده است. و متناسب با آن خروجي توليد ميكند كه از طريق مدار آماده سازسيگنال به كنترل كننده اعمال ميشود. سپس كنترل كننده شيري را بكار مي اندازد تا فشار مخزن را كنترل نمايد. فشار مخزن توسط اين سيستم با حلقهء بسته تا حد معيني و در مقدار مورد نظر تثبيت ميشود. مدارهاي آماده سازي سيگنال قسمتي از مبدل يا كنترل كننده بوده است. و يا در هر دو قسمت مدار قرار خواهند داشت.
سنسورها و عملگرها (Sensors and Actuators)
ترانسديوسرو يا مبدل (Transducer) به مجموعه اي از قطعات و يا وسايلي اطلاق ميشود. كه بتواند كميت فيزيكي مورد نظر را دريافت و متناسب با آن كميتي از جنس ديگر تحويل دهد. و يا وسيله ايست كه يك نوع از انرژي را به نوع ديگري تبديل مينمايد. اين عمل در مبدلهای ابزار دقیق با دريافت انرژي از خارج از دستگاه صورت ميگيرد. مثلاٌ ترانسديوسر حركت مكانيكي به فشار پنيوماتيك توسط تغذيه هواي فشرده تغيير مكان مكانيكي را به فشار هوائي متناسب با حركت تبديل مينمايد. و يا ترانسديوسر حركت مكانيكي به شدت جريان الكتريكي مستلزم دريافت انرژي الكتريكي از خارج دستگاه ميباشد. شكل زير مدار شماتيك يك ترانسديوسر را نشان ميدهد.
براي انتقال اطلاعات به يك ريز كامپيوتر (Microcomputer)، بهترين وسيله ترانسديوسري است. كه سيگنال يا كميت ورودي ابزار دقیق را به يك سيگنال يا كميت الكتريكي، مانند، ولتاژ، جريان، مقاوت و يا …. خروجي تبديل نمايد. يكي از دلايل براي تبديل سيگنالهاي غير الكتريكي به سيگنالهاي الكتريكي قابليت و امكانات وسيع موجود براي پروسس و تحليل اين گونه سيگنالها بوسيله سيستم هاي مدرن الكترونيكي ميباشد.
ترانسديوسر و يا مبدل يك كميت فيزيكي و يا كميت مورد اندازه گيري را عملاٌ حس كرده است. وآنرا به كميتي يا سيگنالي الكتريكي و قابل اندازه گيري شدن تبديل مينمايد. ( مانند ترموكوپل كه درجه حرارت را به ولتاژ تبديل ميكند). جايگاه سنسور كه عملاٌ جزئي از سيستم اندازه گيري ميباشد. در يك حلقه كنترل بسته در شكل شماتيك زير نشان داده شده است.
ميزان كميت مورد نظر در خروجي فرايند ( تحول ) توسط عنصرحس كننده حس شده است. و در مقايسه كننده با مقدار مطلوب مقايسه شده و سيگنال حاصله ( سيگنال خطا ) به كنترلر اعمال و نتيجتاٌ جهت بهبود در وضعيت كنترل كميت مورد نظر به فرايند ( تحول) اعمال ميگردد. و آنقدر اين عمل تكرار ميگردد تا سيگنال خطا به صفر نزديك شود.
تعريف عنصر حس كننده از ديدگاه ( ISA (Instrument Society of America: عنصر حس كننده بخشي از مكانيسم ترانسديوسر ( مبدل ) ميباشد. كه در اتصال با كميت مورد اندازه گيري ميباشد. بطوريكه هر لحظه به تغييرات حاصله در كميت مورد نظر براي اندازه گيري پاسخ ميدهد.
سنسورها معمولاٌ براي آشكار سازي جابجائي (Displacement): درجه حرارت، كشش (Strain)، نيرو (Force)، نور (Light)، و غيره استفاده ميشوند.
معمولاٌ تمام سنسورها احتياج به مدارهاي اضافي براي توليد ولتاژ و جريان دارند. بعنوان مثال در مورد ترميستور (Thermistor) كه مقاوت الكتريكي اش متناسب و يا بصورت تابعي از درجه حرارت تغيير ميكند. يك مدار پل اندازه گيري مورد احتياج است تا بتوان بوسيله آن ولتاژ متناسبي توليد نمود.
در مواردي مثل سلول هاي فتو الكتريك و يا فتو ديود هاي سيليكاني (Silicon Photodiode) كه متناسب با نور يك جريان توليد ميكنند. يك طبقه تقويت كننده مورد احتياج است. تا جريان مورد اندازه گيري را به ولتاژي با سطح مناسب تبديل نمايد.
غالباٌ كلمه سنسور (Sensor)، براي وسيله اي استفاده ميشود. كه داراي ترانسديوسر و مدار مورد احتياج براي توليد ولتاژ يا كميت الكتريكي خروجي باشد. براي آشنائي بيشتر با كاربرد سنسورها ميتوات موارد و يا مثالهاي زير را بطور نمونه و براي مثال ذكر نمود:
- استفاده از مقاومت متغير براي ثبت نوسانات يك پاندول.
- اندازه گيري درجه حرارت با استفاده از ترمومتر مقاومت پلاتينيوم (PT100) (Platinium)، ترموكوپل (Thermocouple) و ترميستور (Thermistor).
- اندازه گيري نيرو با استفاده از استرين گيج هاي (Strain Gauge) نصب شده است. بر روي يك ميله پلاستيكي و متصل به يك مدار پل اندازه گيري ابزار دقیق
- اندازه گيري نور بوسيله يك فتو ديودسيليكان (Silicon Photodiode).
عملگر ها
عملگر ها نيز يكي از مهم ترين اجزاء سيستم هاي كنترل بوده است. و در واقع نوعي ترانسديوسر هستند كه انرژي الكتريكي را به يك كميت فيزيكي تبديل ميكند. جدول زير ليست بعضي از كميت هاي فيزيكي و سنسور و عمل كننده مربوطه شان را ذكر كرده است.
نظرات