کنترلردما
کنترلردما
کارت دما (ماژول دما)
سلام مهندس عزیز در بخش دوم مقاله کنترلردما سعی داریم به نحوه عملکرد کارت دما و کنترلردما بپردازیم.درمقاله اول این کارت ها را معرفی کردیم و مدل های سنسورهایی که متصل میشوند را بررسی کردیم و در این جلسه سعی داریم ادامه مباحث را با هم بررسی کنیم و روند عمل کرد فرایند کنترل دما را به صورت فنی پیش ببریم.
بهتر است این مفهوم را با یک مثال ساده پیش ببریم و مفهوم آن را مطرح کنیم .در داخل پروژه های دما شما 2 حالت پیش رو دارید . اولین حالت این است که سخت افزار پی ال سی دارید که توسط کارت دما اطلاعات دریافت و به پی ال سی اعمال میشود و بعد از پردازش ، دستورات نهایی اجرا میگردد یا اینکه شما یک کنترلردما به صورت مستقل دارید و فرمان های خروجی را دریافت میکنید و به مدار فرمان خود ( رله و کنتاکتور ) اعمال میکنید.
در این مقاله 2 حالت به صورت کامل بررسی میشود . باید اشاره داشت که در حالت اول که پی ال سی موجود است شما قابلیت های بیشتری را دارا هستید چون سناریوی اجرا دردستان شماست ومیتوانید متناسب با نیازروند کاری کنترل دما را تغییر دهید و درحالت دوم که فقط یک کنترلردما مستقل دارید شاید زیاد جای مانور نداشته باشید. اما با قابلیت وآپشن های متفاوتی هستند که دست شما را بازمیگذارند اما باید دقت کنید که هرچه آپشن های شما بیشترمیشود قیمت کنترلردما نیزبیشترخواهد شد.
ابتداحالت دوم یعنی یک کنترلردما را بررسی میکنیم .
یک کنترلر دما در واقع چند بخش دارد که به بررسی آن میپردازیم بخش ورودی که سنسور های ما را تشکیل میدهد که درمقاله قبل بررسی کردیم و بخش دوم خروجی ها هستند که مدل های مختلفی دارند که به صورت مفصل صحبت میکنیم و بخش سوم آپشن های دستگاه است که برای مثال صفحه نمایشگر،مدل های سنسور پشتیبانی کننده ، قابلیت شبکه ، دقت اندازه گیری و ... از قسمت های بخش سوم است که قیمت سخت افزار را درواقع این بخش تعیین میکند.
سنسورهای ورودی یک کنترلردما
درمقاله اول اینجا : کارت دما مدل های مختلف سنسورها را بررسی کردیم کهکردیم که به صورت دیجیتال وآنالوگ فعالیت داشتند و سنسورهای مقاومتی نیزبررسی شد.متناسب با نیاز باید انتخاب کنید که سنسورهایی متناسب با نیازکارشما داشته باشند.اگردربخش خانگی فعالیت دارید نیازی نیست با بازه دمایی تا 300 درجه را انتخاب کنید که مطمئنا دارای یک سنسور PT100 یا TC است، چون مناسب کارشما نیست پس با سنسوردیجیتال با بازه دمایی تا 100 درجه برای شما بهترین انتخاب است. یا اگردرصنعت تاسیسات فعال هستید ، برای یک سرد خانه که شاید دمای - 20 را تجربه کند و فاصله سنسور تا کنترلردما 100 متر باشد،استفاده ازیک سنسورآنالوگ اشتباه بزرگ است چون طبق مقاله اول که بررسی کردیم سنسور های آنالوگ درطول مسیردچارافت ( ولتاژ یا جریان ) میشوند و خطا ایجاد میکنند، پس دراین قسمت باید از سنسور RTD بهره برد. پس اگرمقاله قبل رامطالعه کرده باشید میدانیم که بخش ورودی کنترلردما بخش کلیدی است که باید مورد بررسی قرارگیرد . اما به یاد داشته باشید این مرحله در ماژول دما که دراین مقاله به نام اولین مرحله یعنی ارتباط با پی ال سی نام برده شده است نیزصادق است یعنی شما درزمان انتخاب یک کارت دما جهت ارتباط با پی ال سی نیزاین مرحله را باید پشت سر بگذارید و یک کارت دما مناسب که بتواند سنسورمد نظرشما را پشتیبانی کند را انتخاب کنید.
نکته : درقسمت بالا ازسنسوری با نام TC استفاده شد که باید بگوییم منظورهمان ترموکوپل است .ترموکوپل درصنعت با نام مخفف TC نام گذاری میشود .
بخش دوم خروجی کنترلردما
کنترلردماهایی که در بازار مشاهده میکند دارای خروجی onoff ( روشن / خاموش ) و خروجی pid هستند . این حالت بیس اصلی کنترلردما است که در این بخش بررسی میکنیم.
خروجی onoff در کنترلر دما
این مدل ازکنترلردما بسیارعملکرد ساده ای دارد ودرخروجی خود یک یا دوکنتاکت دارد ( ممکن است در مدل های سفارشی خروجی بیشتری نیز مشاده شود) که به مدارت فرمان دستورمیدهند. فرض کنید میخواهیم دمای یک اتاق را با کنترلردما کنترل کنیم . این دستگاه ها غالبا دارای 2 خروجی رله یا کنتاکت هستند که برای کولینگ ( سرد کننده ) و هیتینگ ( گرم کننده ) استفاده میشوند. درابتدای مساله فرض بگیرید یک اتاق را میخواهیم به دمای 40 درجه برسانیم و مقدارعدد 40 را به عنوان ست پوینت درنظرمیگیریم.ست پوینت در واقع نقطه دمای مد نظرماست که برروی کنترلردما های موجود دربازاراین نقطه را با set نمایش میدهند. این نقطه را set value مینامند و برروی کنترلردما با نام مخفف sv مشاهده مینمایید.اما اتاقی که درآن قرارداریم درحال حاضر یک دمایی را داراست مثلا 25 درجه،دمای حال حاضر را درکنترلردما پرزنت ولیو مینامند (present value ) و با حرف مخفف pv نمایش میدهند.
پس یک نتیجه کلی اگردمای تنظیم شده ازطرف ما برروی کنترلردما بالاترازدمای حال حاضربود پس سیستم ما به صورت گرم کننده است و اگرکمتر از دمای حال حاضر بر روی کنترلردما تنظیم کردیم سیستم به صورت سرد کننده فعالیت میکند. باید اشاره کرد که درابتدای این قسمت اشاره کردیم که سیستم کنترلردما on/off به صورت فرمان رله ای و یا کنتاکتی است پس زمانی که از گرم کننده و سرد کننده صحبت میکنیم یعنی خروجی کنتاکت به یک هیتریا فن دستورروشن یا خاموش شدن را میدهد.
اما با هم مثال فوق را ادامه میدهیم تا نقاظ ضعف وقوت یک کنترلردما on/off را بررسی کنیم. ما دمای ست را 40 درجه تعریف کردیم و دمای اتاق نیز25 درجه بود پس رله هیتینگ سریعا روشن شده و به هیتر فرمان روشن شدن میدهد و دمای اتاق شروع به افزایش میکند.فرض کنید دما به 40 درجه رسید وحالا باید فرمان را قطع دهد ، این عملکرد درست است اما بعد از قطع و خاموش شدن هیترمجدد دما افت میکند ، کافی است دما به مقدار 39.9 درجه برسد دراین زمان مجدد فرمان روشن شدن صادرمیشود و دما را به 40 میرساند و دوباره خاموش میشود. کمی به این فرآیند نگاه کنیم یک مشکل بزرگ وجود دارد هیترکه یک دستگاه قدرتی است درفاصله زمان های کوتاه مرتبا خاموش وروشن میشد و باراصطحلاکی بالایی را به سیستم متحمل میکند. واین اتفاق درسرد کننده ها نیزصادق است .اما راه حل این موضوع چیست ؟ میتوانیم زمان قطع وصل را کمی تغییربدهیم و این مشکل حاد را کمی بهبود ببخشیم. پارامتری ایجاد میکنیم با نام هیسترزیس این پارامتر یک زمان ریکاوری واستراحت به دستگاه گرم کننده و یا سرد کننده میدهد برای مثال یک عددی را بین 1 تا 5 که برحسب درجه است برای کنترلردما تعریف میکنیم ( مقداراین عدد ممکن است بیشترنیز باشد ) خب دراین مثال ما عدد 3 را درنظرمیگیریم و دمای ست پوینت ما 40 درجه ودمای حال حاضرما نیز 25 درجه است . در نتیجه فرمان روشن شدن را صادرمیکند وسیستم هیتینگ (گرم کننده) روشن شده و دما بالا میرود.به دما 40 درجه که رسیدیم سیستم خاموش شده و دما افت میکند ومجدد دما کم میشود ، آیا زیر40 درجه مجدد هیترروشن میشود ؟ خیر، در این زمان که به عدد هیسترزیس نگاه میکند و میبیند که عدد 3 تعریف شده است ومیداند که تا 37 درجه نیازبه تغییر وضعیت دادن نیست. دمای اتاق آرام آرام کاهش پیدا میکند و به کمتر از 37 میرسد و مجدد فرمان هیترفعال میشود. با تکنیک هیسترزیس توانستیم مقداری ازاین اصطحلاک را کم کنیم اما این سیستم هنوزکارآمد نیست اما از ویژگی هایش قیمت کم آن را میتوان نام برد که درصنعت درپروژهای متوسط مورد استفاده قرارمیگیرد. درزیرنمودار به این سبک مشاهده میکنید.
خروجی pid در کنترلردما
برای حل مشکل فوق ، روشpid درکنترلردما پیاده سازی شده است که با هم بررسی میکنیم. فرض بگیرید یک ربات هوشمند داریم و قراراست یک فرآیند را دردست بگیرد.فرض بگیرید یک کتری آب جوش را برروی گازقرارداده ایم حال ،میخواهیم آب را که دمای 20 درجه دارد را به دمای 100 درجه برسانیم .یعنی دما را میخواهیم 80 درجه افزایش دهیم پس باید ربات کنترلردما با حداکثرتوان فعالیت کند پس شعله گازرا تا حداکثر بالامیبرد وپس ازمدتی دمای آب را به 80 درجه میرساند ، دراین مرحله باید دقیق تر عمل کنیم ربات فرآیند دیگری را شروع میکند شعله را متناسب با دما ، کنترل میکند فرض بگیرید اویک دما سنج داخل آب جوش دارد که همواره دما را رصد میکند ومتناسب با افزایش دما شعله را کم ومتناسب با کاهش دما شعله را زیاد میکند.دقت کنید شعله را خاموش نمیکند بلکه کم وزیادمیکند.دما پس ازمدتی به 95 درجه میرسد ربات میخواهد دما را دراین محدوده فیکس کند محدوده دمای مورد نظرکم است ومیخواهیم آب بین 99.9 تا 100.1 فیکس بماند پس نگاه ربات که ما او را دراین مثال ربات کنترلردما نامیدیم مرتبا به دما وشعله است اگردما از 100 درجه بالا رود شعله را کم و ازاگردما به زیر 100 درجه برود شعله را زیاد خواهد کرد این روند را مرتبا تکرارمیکند و دما را در 100 درجه فیکس نگه میدارد. باید گفته شود دراین روش رله ای وجود ندارد که خروجی را قطع ووصل کند پس اصطحلاکی نیزوجود ندارد بلکه خروجی با یک دامنه ولتاژآنالوگ کنترل میشود.
برای درک بهتراین موضوع کمی فنی ترمبحث با روش pid را بررسی میکنیم. درتصویربالا یک نقطه ورودی و یک نقطه خروجی میبینید نقطه ورودی را با نام نقطه تنظیم و نقطه خروجی با نام خروجی کنترل کننده نام گذاری شده است .حال یک پارامترداریم با نام متغییر فرایند که به مقدارورودی اضافه یا کم میشود ، این متغییر را در نمودار ورودی میبینید .این مقدارمتغییرفرایند ازخروجی نمونه برداری شده واگرخروجی زیاد شود یک مقداری از ورودی کم میکند که متعادل بشود واگرخروجی کم شود مجدد یک مقداری را به ورودی اضافه میکند که متعادل بشود، درواقع همیشه میخواهد یک سیستم پایداربماند این سبک کنترل را حلقه بسته مینامند.اما فرایندی که این عمل تعادل را ایجاد میکند یک رابطه ریاضی است که درآن 3 پارامتر، ضریب ثابت ( تناسبی ) ، ضریب انتگرال و ضریب مشتق گیروجود دارد. درواقع این فرایند همان ربات کنترلردما ماست که درمثال قبلی با هم بررسی کردیم که همواره یک نگاه به دما و یک نگاه به شعله داشت پس یک سیستم پایدارودقیقی خواهیم داشت.
برای درک بهتراین موضوع نمودار زیر را بررسی میکند.
بررسی حالت اول کنترل دما
( وجود پی ال سی در ساختار کنترل دما )
اگر روند کنترل دما را به پی ال سی واگذارکنیم حال دیگر به کنترلردما نیازی نیست بلکه یک کارت دما نیازداریم که دما را برای ما بررسی کند و اطلاعات را برای پی ال سی ارسال کند.که دراین بخش به بررسی این کارت دما میپردازیم
درواقع کارت دما یک مبدل دما است که دما را توسط سنسور دما ( ترموکوپل – pt100 ) سنس میکند و نتیجه را به پی ال سی ارسال میکند . حال ارسال دما از کارت دما به پی ال سی به چند صورت انجام میشود.
1- ارسال اطلاعات دما از کارت دما به پی ال سی توسط ولتاژآنالوگ (0تا10ولت) وجریان آنالوگ (4 تا 20میلی آمپر)
2-ارسال اطلاعات دما از کارت دما به پی ال سی توسط شبکه 485 یا اترنت
3-ارسال اطلاعات توسط کارت دما به پی ال سی توسط ماژول خود پی ال سی که به عنوان ماژول کمکی به پی ال سی مرتبط میشود.
باید دقت کنیم این روش ازکنترل دما که توسط پی ال سی مدیریت میشود بسیار دقیق و دست کابربرای ایجاد آپشن وایجاد سناریو بسیاربازاست .
بررسی نقاط ضعف و قوت 3 روش فوق
روش اول که مقدارآنالوگ را ارسال میکند روش پرکاربردی است اما کمی سنتی ، دراین روش دریک بازه مد نظراسکیل میکنیم ومتناسب با آن مقدارخروجی آنالوگ دریافت میکنیم وآن را به پی ال سی انتقال میدهیم .برای مثال میخواهیم دما را بین بازه -20 تا +50 کنترل کنیم ابتدا باید این بازه را به کارت دما بدهیم ، که این کار را اسکیل بندی مینامیم. اگر دارای صفحه ال سی دی باشد این تنظیمات راحت است اما اگر دارای نمایشگر نباشد باید این تنظیمات توسط کامپیوترانجام پذیرد .اما نکته بعدی این است که خروجی آنالوگ نسبت به مسافت سیم ارتباطی بین کارت دما و پی ال سی حساس است ، اگرطول سیم بالای 20 مترباشد حتما باید ازکارت دما با خروجی آنالوگ جریانی بهره ببریم و اگردرمحیط پرنویز نیزدرحال فعالیت هستیم باید کارت دما با خروجی جریانی را انتخاب کنیم و حتما ازکابل شیلد دار جهت ارتباط با پی ال سی بهره ببریم. اما باید اشاره داشت قیمت این مدل کم میباشد و نقطه قدرت این تیپ از کارت دما میباشد.
روش دوم نیزمانند روش اول دارای تنظیمات اسکیل بندی میباشد اما ازنقاط قوت این تیپ از کارت دما میتوان حساسیت کم نسبت به نویزرا نام برد. 2 مدل بررسی شده دارای مدل های ایرانی با کیفیت هستند که میتوان درپروژهای صنعتی ازاین مدل ها بهره برد.
روش سوم که شاید بسیارعرف بازارباشد بهره گیری از کارت دما خود پی ال سی است برای مثال یک پی ال سی با برند دلتا را تهیه میکنم وکارت دما با برند خود دلتا نیزخریداری کرده و به پی ال سی متصل میکنیم . تنها نقطه ضعف در این روش قیمت تمام شده است که در اجرا کاربران را دچارمشکل میسازد. شاید بیش از2500000 تومان برای یک کارت دما 4 کاناله باید هزینه پرداخت کرد که این فرایند را میتوان توسط روش اول یا دوم به 900000 تومان رساند . شاید علت عرف بودن این کارت ها عدم اطلاع رسانی و تبلیغات مناسب برای کاربران است که بتوانند از این کارت ها بهره ببرند.
درتصویرفوق نمونه ای ازیک کارت دما ازبرند دلتا را مشاهده میکنید باید اشاره داشت که کارت دما ممکن است توانایی کنترلردما را نیز داشته باشد که درمقاله بعدی به بررسی این موارد میپردازیم.
نظرات بازدیدکنندگان