سیستم‌های کنترل و انواع آن Control Systems

سیستم‌های کنترل صنعتی یا ICS (به انگلیسی Industrial control system) اصطلاحا به سیستمی اطلاق می‌شود که هدف آن کنترل یک فرایند صنعتی با بهره‌گیری از انواع گوناگونی از سیستم‌ها و ابزار کنترلی می‌باشد.

در این سیستم‌ها مثل ifm سنسور و یا زیمنس plc داده‌‌‌های دریافتی محیطی از سنسور‌ها با مقادیر مطلوب مقایسه و کنترل می‌گردد و سپس جهت کنترل نهایی و مطلوب بوسیله عملگر‌ها دستورات لازم صادر می‌گردد. در این سیستم‌ها معمولا چندین عناصر کنترلی به هم متصل بوده که هر کدام با توجه به طراحی صورت گرفته نقش مهمی را در یک کنترل مستمر و قابل اطمینان ایفا خواهند نمود.

کنترل‌کننده‌‌‌های گسسته

در ساده‌ترین نوع سیستم کنترلی یک تک حلقه کنترلی بر روی کنترل کننده‌های گسسته قرار گرفته و فیدبک حاصل شده پس از مشاهده و کنترل به صورت دستی و یا اپراتور و یا تجهیزات کنترلی ساده اعمال می گردد. در گذشته‌ای نه چندان دور این کنترل کننده‌ها همگی از نوع نیوماتیک بودند ولی هر روزه بر تعداد انواع الکترونیکی آن‌ها افزوده می‌گردد.

بر اساس پیچیدگی سیستم کنترلی، نحوه طراحی و بکارگیری عناصر کنترلی و البته انتخاب نوع سیستم کنترلی متفاوت خواهد بود و نقش طراح در انتخاب بهترین نوع سیستم کنترل و بهره‌گیری از بهترین و مرتبط‌ترین ابزار کنترلی بسیار کلیدی و پر اهمیت خواهد بود.

انواع کنترلر و سیستم‌های کنترل

1. کنترلر‌‌های نیوماتیکی
2. کنترلر‌‌های الکترونیکی آنالوگ
3. سیستم کنترل متمرکز – مستقیم DDC (Direct Digital Control)
4. سیستم کنترل توزیع شده DCS (Distributed Control System)
5. سیستم کنترل کننده ‌‌های برنامه پذیر PLC (Programmable Logic Controllers)
6. سیستم کنترل میدان FCS (Fieldbus Control Systems)

کنترلر‌‌های پنوماتیکی

سیستم کنترلر‌‌های نیوماتیکی از اوایل دهه نود میلادی و حوالی سال 1920 وارد عرصه صنعت گردیدند و در اوایل امر در مکانی که بنا بر اعمال کنترل بود بلافاصله پس از محرک قرار می گرفت. این سیستم‌ها معمولا از اجزای مختلفی تشکیل می گردد که فصل مشترک تمامی آن‌ها می‌توان به اجزایی مانند Bellows ،Baffles  ،Nozzles با ورودی هوای ابزار دقیق که عمل کنترل PID را بر عهده داشت، اشاره نمود. این امر به صورت دستی انجام می‌گرفت که بعد‌ها و با پیشرفت تکنولوژی نوع کنترل اتوماتیک جایگزین کنترل دستی گردید.
تقریبا از سال 1930 ترانسمیتر‌‌های نوع نیوماتیکی با کنترلر‌‌های محلی یا Local  به تدریج جایگزین شدند. Control Room یا همان اتاق کنترل مکانی است که خروجی این ترانسمیتر‌ها به آن منتقل شده و برای پردازش بر روی سیگنال وارد شده و یا توسط اپراتور و یا بصورت کنترلی مورد استفاده قرار می‌گیرد و متعاقب آن محرک یا عملگر بواسطه دستور اعمال شده، عمل می‌نماید.این عمل این اجازه را به اپراتور‌ها می داد که آدرس محل کنترلر را به صورت کنترل تمرکزى centralized control انجام دهند.

کنترلر‌‌های الکترونیکی آنالوگ

از سال 1950 به بعد بود که کنترلر‌‌های الکترونیکی آنالوگ پا به عرصه وجود گذاشتند. در همین راستا سیستم کابل یا Wires جایگزین سیستم پنوماتیک شد. در سیستم‌‌‌های جدید از تجهیزاتی همچون ترانزیستور، خازن‌ها، مقاومت‌ها و تقویت کننده‌ها به عنوان المان‌های الکترونیکی جهت شبیه سازی کنترلر‌‌های PID بهره بردند. حوالی سال 1970 میلادی سیستم‌‌‌های نیوماتیکی تقریبا از رده خارج شدند. این نوع از سیستم‌ها انقلابی در کنترل PID پیشرفته ایجاد نمودند که شامل نسبت کنترلی و Feedforward و غیره گردید.

سیستم کنترل  DDC

سیستم کنترلی DDC تقریبا از اواسط دهه نود میلادی جهت پشتیبانی از سیستم‌های آنالوگی پا به عرصه وجود نهاد. در این سیستم‌ها سیستم به واسطه یک صفحه کلید و نمایشگر با اپراتور مرتبط می‌شود. کل اجزای کنترلی همچون سنسور‌ها، کنترل کننده‌ها و عملگر‌ها مستقیما به کامپیوتر متصل گردیده و تمامی آن‌ها از طریق کامپیوتر سیگنال‌‌‌های ارتباطی خود را دریافت یا به آن ارسال می‌نمایند. واضح است که کامپیوتر مرکزی قابلیت پردازش حجم بالایی از انواع متغیر‌ها را داراست ولیکن این قابلیت نیز محدودیتی داشته و افزایش بیش از حد داده‌ها و تشکیل حلقه‌های پیچیده، کارکرد و سرعت کامپیوتر را تحت تاثیر قرار داده و موجب افت عملکرد آن و بروز مشکلاتی در سیستم کنترلی خواهد گردید.

معایب سیستم کنترل مستقیم

۱- هزینه نگهداری نسبتا زیاد

۲- توقف تمام سیستم در صورتی که در پردازشگر مرکزی مشکلی رخ دهد.

٣- برنامه نویسی دشوار به دلیل این که فقط از یک پردازشگر داخل سیستم استفاده می‌گردد.

۴- هزینه بالای سیم کشی و کابل کشی (وایرینگ)

۵- عدم کارایی در فاصله‌های طولانی

۶- مشکل در کشف خطا برای تکنسین‌‌ها

سیستم کنترل DCS

این سیستم در اواسط دهه نود میلادی به مبحث کنترل فرآیند و در واقع جهت تکمیل سیستم ‌‌های DDC ورود نمود. یک سیستم کنترل توزیع شده، سیستمی است که عملکرد آن بجای این که در یک نقطه متمرکز باشد، پراکنده است. اجزای متشکل یک سیستم کنترل توزیع شده تعدادی ماژول‌‌‌های میکرو پروسسوری هستند که با همکاری یکدیگر عملکرد یک سیستم را کنترل و مانیتور می‌کنند. با توجه به کامپیوتر‌ها با توجه به محیط سایت، جاگذاری می‌شوند بنابراین باعث کاهش هزینه نصب و وایرینگ می‌گردد.

سیستم کنترل FCS

در سال 1985 انجمن ابزار دقیق آمریکا استانداردی را برای ارتباطات دیجیتال دو طرفه بین سیستم‌های کنترل و ابزاردقیق بنیان گذاشت که تا امروز “استاندارد لایه فیزیکی فیلدباس” تکمیل شده و از سال 1990 در دسترس می‌باشد.

با ایجاد فیلدباس و استاندارد‌‌های مربوط به آن، سیستم‌های کنترلی به صورت کاملا توزیع شده مدیریت می‌گردند. فیلدباس امکان انتقال تغذیه مایحتاج تجهیزات را نیز به وسیله یک جفت سیم افزون بر امکان ارتباط سیگنال‌ها مابین تجهیزات ابزاردقیق در اتاق کنترل و سایت ممکن می‌سازد که این امر منجر به صرفه جویی قابل ملاحظه در هزینه‌های وایرینگ و سینی‌های نگهدارنده کابل می‌گردد. فیلدباس، یک پروتکل مخابراتی استاندارد، بین تجهیزات اتاق کنترل و سایت می‌باشد. یکسان بودن پروتکل در شبکه فیلدباس سبب می‌شود تا محصولات شرکت‌های مختلف در یک شبکه به هم متصل شده و کار کنند.

مزیت‌های  FCS

سیستم FCS نسبت به یک سیستم DCS از قیمت اولیه به مراتب پایین‌تری برخوردار است که این امر در نتیجه حذف تجهیزات اتاق کنترل و ابزار‌ها و سیم کشی‌ها و کابل کشی ‌‌های FIELD که معمولا در سیستم DCS کاربرد دارند اتفاق می‌افتد. همچنین افزایش داده‌ها و اطلاعات مانند اطلاعات مرتبط با DIAGNOSTIC و دقیق‌تر بودن به لطف ارتباطات دیجیتال از دیگر مزیت‌‌‌های آن می‌باشد.