حلقه‌های فرایندی صنعتی برای حفظ دقیق سطح سیال، فشار و دما به بازخورد حلقه‌بسته متکی هستند. هرچند الگوریتم‌های کامل تناسبی-انتگرالی-مشتقی (PID) بر کارخانه‌های پیچیده فرایندی غالب‌اند، بسیاری از سامانه‌های ذخیره‌سازی مایع با یک کنترل‌کننده تناسبی (P) ساده نیز عملکرد قابل‌اعتمادی دارند.

پیاده‌سازی کنترل تناسبی سطح مخزن در Siemens TIA Portal، راهکاری پاسخ‌گو برای پروژه‌های اتوماسیون کارخانه فراهم می‌کند. شناخت دینامیک بهره تناسبی (Kp) به مهندسان کنترل امکان می‌دهد مدیریت سطح مایع را بهینه کنند و از فرسودگی بیش‌ازحد شیرها و ناپایداری سامانه جلوگیری کنند.

1. مبانی کنترل تناسبی حلقه‌بسته

یک سامانه حلقه‌بسته، متغیرهای فرایند را پیوسته پایش می‌کند و برای به‌حداقل‌رساندن خطا، خروجی‌های کنترلی را تنظیم می‌کند. برخلاف کنترل استاندارد روشن-خاموش، کنترل تناسبی موقعیت عنصر نهایی کنترل را متناسب با سیگنال خطا تغییر می‌دهد.

رابطه ریاضی به‌صورت زیر بیان می‌شود:

C(s) = Kp * e(t)

که در آن:

• C(s) سیگنال خروجی کنترلی محاسبه‌شده را نشان می‌دهد.
• Kp (یا P) ثابت بهره تناسبی است.
• e(t) اختلاف خطا بین نقطه تنظیم (SP) و متغیر فرایند (PV) است.

2. چرا کنترل تناسبی را به سامانه‌های روشن-خاموش ترجیح دهیم؟

کنترل سنتی گسسته روشن-خاموش باعث نوسان پیوسته پیرامون نقطه تنظیم می‌شود. این قطع‌و‌وصل مداوم، به شیرهای کنترلی تنش مکانیکی وارد می‌کند و در لوله‌کشی فرایند ضربه هیدرولیکی ایجاد می‌کند.

کنترل تناسبی با تنظیم تدریجی شیرهای کنترلی، از نوسان‌های شدید جلوگیری می‌کند. با نزدیک‌شدن سطح مایع به نقطه تنظیم، خطا کاهش می‌یابد و شیر پرکن به‌تدریج بسته می‌شود. در نتیجه، این عملکرد پیوسته مدیریت سیال را در سامانه‌های کنترلی پایدار می‌کند.

نکته‌ای از تجربه عملی: کنترل صرفاً تناسبی، هنگام تغییر شرایط بار، ذاتاً با خطای ماندگار (آفست) همراه است. اگر فرایند شما به خطای ماندگار صفر نیاز دارد، افزودن جمله انتگرالی (I) ضروری است. بااین‌حال، برای مخازن ضربه‌گیر پایه یا ذخیره‌سازی حائل، کنترل صرفاً تناسبی عملکردی پایدار، بدون خطر انباشته‌شدن انتگرال، ارائه می‌دهد.

3. معماری اصلی سیستم و راه‌اندازی سخت‌افزار

یک حلقه استاندارد کنترل سطح صنعتی، تجهیزات ابزار دقیقِ میدان را با یک کنترل‌کننده منطقی برنامه‌پذیر یکپارچه می‌کند. توپولوژی فیزیکی شامل حسگرهای میدان، شیرهای تنظیم‌کننده و رابط‌های محلی اپراتور است.

عناصر اصلی سخت‌افزار عبارت‌اند از:

• فرستنده سطح: ارتفاع لحظه‌ای مایع مخزن را اندازه‌گیری می‌کند و سیگنال آنالوگ 4-20mA یا 0-10V خروجی می‌دهد.
• شیرهای تناسبی: جریان ورودی و خروجی را بر اساس فرمان‌های آنالوگ 0-10V از PLC تنظیم می‌کنند.
• کنسول کنترل: دکمه‌های فشاری، پتانسیومترهای تنظیم SP و بهره و نمایشگرهای دیجیتال را در خود جای می‌دهد.
• PLCهای Siemens S7-1200 / S7-1500: روال‌های مقیاس‌بندی و الگوریتم کنترل تناسبی را اجرا می‌کنند.

4. توالی عملکرد و کنش تناسبی

برنامه کنترل پس از آن اجرا می‌شود که اپراتور دکمه Start را فشار دهد و نقطه تنظیم سطح را وارد کند. عملکرد سیستم از یک توالی ساختاریافته پیروی می‌کند:

1. کنترل‌کننده ورودی‌های آنالوگ خام را از فرستنده سطح و پتانسیومتر نقطه تنظیم می‌خواند.
2. برنامه برای تعیین خطای e(t)، سطح فعلی (PV) را از سطح مطلوب (SP) کم می‌کند.
3. اگر e(t) > 0 و بهره Kp > 0 باشد، کنترل‌کننده خروجی آنالوگ شیر ورودی را محاسبه می‌کند.
4. وقتی خطا زیاد است، شیر ورودی تا 100% باز می‌شود و با پر شدن مخزن، میزان بازشدگی آن کاهش می‌یابد.
5. وقتی متغیر فرایند از نقطه تنظیم هدف فراتر می‌رود، شیر تخلیه به‌صورت متقارن عمل می‌کند.

5. ساختاربندی منطق در Siemens TIA Portal

مهندسان اغلب از بلوک‌های تابع (FB) برای ماژولارسازی منطق کنترل در Siemens TIA Portal استفاده می‌کنند. این بلوک با استفاده از زبان متن ساختاریافته (SCL) یا فهرست دستورها (STL)، نرمال‌سازی ورودی، مقیاس‌بندی و محاسبه خطا را انجام می‌دهد.

الگوریتم، اعداد صحیح خام آنالوگ (از 0 تا 27648) را به واحدهای مهندسی (از 0.0 تا 300.0 cm) نرمال‌سازی می‌کند. سپس خطای مقیاس‌بندی‌شده را در پارامتر بهره تناسبی ضرب می‌کند. در پایان، نتیجه را محدود می‌کند و دوباره به قالب خروجی خام جانبی (از 0 تا 27648) تبدیل می‌کند.

6. تنظیم بهره تناسبی برای پایداری سیستم

انتخاب بهرهٔ تناسبی درست (Kp) مستلزم ایجاد تعادل میان سرعت پاسخ و پایداری سامانه است. افزایش بهره، پاسخ سامانه را سریع‌تر می‌کند، اما فراجهش و نوسانات گذرا را تشدید می‌کند.

• بهرهٔ کم (Kp): باعث واکنش کند شیر، زمان خیز طولانی و خطای ماندگار بزرگ‌تر می‌شود.
• بهرهٔ بهینه (Kp): هنگام تغییر نقطهٔ تنظیم، پایداری سریعی را با حداقل فراجهش فراهم می‌کند.
• بهرهٔ بیش‌ازحد (Kp): موجب نوسان مداوم، لرزش شیر و نوسانات ناپایدار فرایند می‌شود.

مهندسان راه‌اندازی باید پیش از اعمال پارامترها به تجهیزات تولیدی در حال کار، مقادیر بهره را با استفاده از ابزارهای شبیه‌سازی TIA Portal و آزمون پله‌ای بررسی کنند.

سناریوی کاربرد صنعتی: مدیریت مخزن بافر مواد شیمیایی

شرح مسئله

یک واحد بچینگ مواد شیمیایی با افزایش ناگهانی فشار و فرسودگی شدید شیر در خط تأمین مواد اولیه روبه‌رو بود. سامانهٔ قدیمی برای قطع‌و‌وصل شیرهای ایزولهٔ ورودی از کلیدهای شناور حد بالا و پایین استفاده می‌کرد. این کنترل قطع‌و‌وصل ناگهانی به هدرهای بالادست آسیب ناشی از ضربه قوچ وارد می‌کرد.

معماری راهکار

مهندسان با استفاده از PLC زیمنس S7-1200 و یک ترانسمیتر سطح راداری، سامانه را به کنترل تناسبی پیوسته ارتقا دادند:

1. به‌روزرسانی ابزار دقیق: کلیدهای شناور با یک حسگر راداری موج هدایت‌شوندهٔ پیوستهٔ 4-20mA جایگزین شدند.
2. بازطراحی کنترل: یک بلوک کنترل تناسبی با شیر کنترل آنالوگ در TIA Portal پیاده‌سازی شد.
3. کالیبراسیون بهره: بهرهٔ تناسبی برای انطباق با حداکثر نرخ ورودی سیال به واحد کالیبره شد.

نتایج عملیاتی

راهبرد تناسبی، سطح مخزن را هنگام کار پایدار در محدودهٔ +/- ۳٪ نقطهٔ تنظیم نگه داشت. تعدیل نرم شیر، ضربه قوچ در خط لوله را کاملاً از بین برد و مداخلات تعمیر و نگهداری سالانه را ۴۰٪ کاهش داد.

درباره نویسنده

لی مینگ متخصص ارشد اتوماسیون صنعتی است و بیش از ۱۵ سال تجربه میدانی در طراحی معماری‌های DCS، نرم‌افزار PLC و سامانه‌های ابزار دقیق فرایندی دارد. او ارتقاهای اتوماسیون در مقیاس بزرگ را در بخش‌های نفت و گاز، فراوری مواد شیمیایی و تولید برق رهبری کرده و در کنترل پیشرفته فرایند (APC)، تنظیم حلقه‌های کنترلی و پیاده‌سازی‌های Siemens TIA Portal تخصص دارد.