औद्योगिक प्रोसेस लूप, द्रव के स्तर, दबाव और तापमान को सटीक बनाए रखने के लिए क्लोज़्ड-लूप फीडबैक पर निर्भर करते हैं। जटिल प्रोसेस प्लांट में पूर्ण Proportional-Integral-Derivative (PID) एल्गोरिदम का व्यापक उपयोग होता है, लेकिन कई तरल भंडारण सिस्टम साधारण Proportional (P) कंट्रोलर से भरोसेमंद तरीके से काम करते हैं।

Siemens TIA Portal में आनुपातिक टैंक स्तर नियंत्रण लागू करना, फैक्टरी ऑटोमेशन परियोजनाओं के लिए एक त्वरित प्रतिक्रिया वाला समाधान है। आनुपातिक गेन (Kp) की कार्यप्रणाली समझने से कंट्रोल इंजीनियरों को तरल स्तर प्रबंधन बेहतर बनाने और वाल्व के अत्यधिक घिसाव व सिस्टम की अस्थिरता को रोकने में मदद मिलती है।

1. क्लोज़्ड-लूप आनुपातिक नियंत्रण के मूल सिद्धांत

क्लोज़्ड-लूप सिस्टम, प्रक्रिया के वैरिएबल की लगातार निगरानी करता है और त्रुटि को कम करने के लिए कंट्रोल आउटपुट को समायोजित करता है। मानक ON-OFF नियंत्रण के विपरीत, आनुपातिक नियंत्रण त्रुटि सिग्नल के सीधे अनुपात में अंतिम कंट्रोल एलिमेंट की स्थिति बदलता है।

गणितीय संबंध इस प्रकार व्यक्त किया जाता है:

C(s) = Kp * e(t)

जहाँ:

• C(s), गणना किए गए आउटपुट कंट्रोल सिग्नल को दर्शाता है।
• Kp (या P), आनुपातिक गेन कॉन्स्टेंट है।
• e(t), सेटपॉइंट (SP) और प्रोसेस वैरिएबल (PV) के बीच त्रुटि का अंतर है।

2. ON-OFF सिस्टम के बजाय आनुपातिक नियंत्रण क्यों चुनें

पारंपरिक डिस्क्रीट ON-OFF नियंत्रण में सेटपॉइंट के आसपास लगातार चक्रीय संचालन होता है। इस निरंतर स्विचिंग से कंट्रोल वाल्वों पर यांत्रिक दबाव पड़ता है और प्रोसेस पाइपिंग में हाइड्रोलिक झटके पैदा होते हैं।

आनुपातिक नियंत्रण, कंट्रोल वाल्वों को धीरे-धीरे थ्रॉटल करके तेज़ चक्रीय संचालन को रोकता है। जैसे-जैसे तरल स्तर सेटपॉइंट के पास पहुँचता है, त्रुटि कम होती जाती है, जिससे भरने वाला वाल्व धीरे-धीरे बंद हो जाता है। परिणामस्वरूप, यह निरंतर क्रिया कंट्रोल सिस्टम में द्रव प्रबंधन को स्थिर करती है।

फील्ड इनसाइट: केवल आनुपातिक नियंत्रण में बदलती लोड स्थितियों के दौरान स्वाभाविक रूप से स्थिर-अवस्था त्रुटि (ऑफ़सेट) होती है। यदि आपकी प्रक्रिया में शून्य स्थिर-अवस्था त्रुटि आवश्यक है, तो इंटीग्रल (I) टर्म जोड़ना ज़रूरी हो जाता है। हालाँकि, बेसलाइन सर्ज टैंकों या बफर स्टोरेज के लिए, शुद्ध आनुपातिक नियंत्रण इंटीग्रल विंडअप के जोखिम के बिना भरोसेमंद प्रदर्शन देता है।

3. सिस्टम की मुख्य संरचना और हार्डवेयर सेटअप

एक मानक औद्योगिक स्तर नियंत्रण लूप में फ़ील्ड इंस्ट्रूमेंटेशन को प्रोग्रामेबल लॉजिक कंट्रोलर के साथ जोड़ा जाता है। इसकी भौतिक संरचना में फ़ील्ड सेंसर, मॉड्यूलेटिंग वाल्व और स्थानीय ऑपरेटर इंटरफ़ेस शामिल होते हैं।

मुख्य हार्डवेयर घटक हैं:

• Level Transmitter: टैंक में तरल की ऊँचाई को रियल टाइम में मापता है और 4-20mA या 0-10V एनालॉग सिग्नल देता है।
• Proportional Valves: PLC से मिलने वाले 0-10V एनालॉग कमांड के आधार पर इनलेट और आउटलेट के प्रवाह को नियंत्रित करते हैं।
• Control Console: इसमें पुशबटन, SP और Gain समायोजित करने के लिए पोटेंशियोमीटर और डिजिटल डिस्प्ले होते हैं।
• Siemens S7-1200 / S7-1500 PLC: स्केलिंग रूटीन और आनुपातिक कंट्रोल एल्गोरिदम निष्पादित करता है।

4. संचालन क्रम और आनुपातिक क्रिया

ऑपरेटर के Start बटन दबाने और स्तर का सेटपॉइंट दर्ज करने पर कंट्रोल प्रोग्राम चलना शुरू होता है। सिस्टम इस क्रम में काम करता है:

1. कंट्रोलर लेवल ट्रांसमीटर और सेटपॉइंट पोटेंशियोमीटर से कच्चे एनालॉग इनपुट पढ़ता है।
2. त्रुटि e(t) निर्धारित करने के लिए प्रोग्राम इच्छित स्तर (SP) में से मौजूदा स्तर (PV) घटाता है।
3. यदि e(t) > 0 और Gain Kp > 0 है, तो कंट्रोलर इनलेट वाल्व के लिए एनालॉग आउटपुट की गणना करता है।
4. टैंक में पानी भरने पर इनलेट वाल्व पहले 100% खुलता है, फिर धीरे-धीरे बंद होता है।
5. जब प्रोसेस वैरिएबल लक्ष्य सेटपॉइंट से अधिक हो जाता है, तो ड्रेनिंग वाल्व सममित रूप से काम करता है।

5. Siemens TIA Portal में लॉजिक की संरचना

इंजीनियर अक्सर Siemens TIA Portal में कंट्रोल लॉजिक को मॉड्यूलर बनाने के लिए फ़ंक्शन ब्लॉक (FBs) का उपयोग करते हैं। Structured Text (SCL) या Statement List (STL) का उपयोग करके, ब्लॉक इनपुट सामान्यीकरण, स्केलिंग और त्रुटि की गणना संभालता है।

एल्गोरिदम कच्चे एनालॉग पूर्णांकों (0 से 27648) को इंजीनियरिंग इकाइयों (0.0 से 300.0 cm) में सामान्यीकृत करता है। इसके बाद, यह स्केल की गई त्रुटि को आनुपातिक गेन पैरामीटर से गुणा करता है। अंत में, यह परिणाम को सीमित करके वापस कच्चे पेरिफेरल आउटपुट फ़ॉर्मैट (0 से 27648) में बदलता है।

6. सिस्टम की स्थिरता के लिए आनुपातिक गेन को ट्यून करना

सही प्रपोर्शनल गेन (Kp) चुनने के लिए प्रतिक्रिया की गति और सिस्टम की स्थिरता के बीच संतुलन बनाना ज़रूरी है। गेन बढ़ाने से सिस्टम की प्रतिक्रिया तेज़ होती है, लेकिन ओवरशूट और क्षणिक दोलन भी बढ़ते हैं।

• कम गेन (Kp): वाल्व की प्रतिक्रिया धीमी करता है, राइज़ टाइम बढ़ाता है और स्थिर अवस्था में अधिक ऑफ़सेट पैदा करता है।
• इष्टतम गेन (Kp): सेटपॉइंट में बदलाव के दौरान ओवरशूट को न्यूनतम रखते हुए तेज़ स्थिरीकरण देता है।
• अत्यधिक गेन (Kp): हंटिंग, वाल्व की खड़खड़ाहट और प्रोसेस में अस्थिर दोलन पैदा करता है।

कमीशनिंग इंजीनियरों को लाइव उत्पादन उपकरणों पर पैरामीटर लागू करने से पहले TIA Portal सिमुलेशन टूल में गेन वैल्यू का स्टेप-टेस्ट करना चाहिए।

औद्योगिक अनुप्रयोग का परिदृश्य: केमिकल बफर टैंक प्रबंधन

समस्या का विवरण

एक केमिकल बैचिंग सुविधा में कच्चे माल की आपूर्ति लाइन पर दबाव में अचानक तेज़ उछाल और वाल्व में गंभीर घिसाव की समस्या थी। पुराने सिस्टम में इनलेट आइसोलेशन वाल्व को चालू-बंद करने के लिए हाई/लो फ्लोट स्विच का इस्तेमाल होता था। इस ऑन-ऑफ कंट्रोल से अपस्ट्रीम हेडर को वॉटर हैमर से नुकसान पहुँचा।

सॉल्यूशन आर्किटेक्चर

इंजीनियरों ने Siemens S7-1200 PLC और रडार लेवल ट्रांसमीटर का उपयोग करके सेल को निरंतर प्रपोर्शनल कंट्रोल के लिए अपग्रेड किया:

1. इंस्ट्रूमेंटेशन अपडेट: फ्लोट स्विच की जगह निरंतर 4-20mA गाइडेड-वेव रडार सेंसर लगाया।
2. कंट्रोल का पुनः-इंजीनियरिंग: TIA Portal में एनालॉग कंट्रोल वाल्व के साथ प्रपोर्शनल कंट्रोल ब्लॉक लागू किया।
3. गेन कैलिब्रेशन: प्लांट में आने वाले अधिकतम प्रवाह की दरों के अनुरूप प्रपोर्शनल गेन को कैलिब्रेट किया।

परिचालन परिणाम

प्रपोर्शनल रणनीति ने स्थिर संचालन के दौरान टैंक का स्तर सेटपॉइंट के +/- 3% के भीतर बनाए रखा। वाल्व के सुचारू मॉड्यूलेशन से पाइपलाइन में वॉटर हैमर पूरी तरह समाप्त हो गया और हर साल रखरखाव संबंधी हस्तक्षेपों में 40% की कमी आई।

लेखक के बारे में

Li Ming 15 साल से अधिक के फील्ड अनुभव वाले प्रिंसिपल इंडस्ट्रियल ऑटोमेशन स्पेशलिस्ट हैं। उन्हें DCS आर्किटेक्चर, PLC सॉफ़्टवेयर और प्रोसेस इंस्ट्रूमेंटेशन सिस्टम डिज़ाइन करने का अनुभव है। उन्होंने तेल और गैस, केमिकल प्रोसेसिंग और बिजली उत्पादन क्षेत्रों में बड़े पैमाने पर ऑटोमेशन अपग्रेड का नेतृत्व किया है। उनकी विशेषज्ञता में एडवांस्ड प्रोसेस कंट्रोल (APC), लूप ट्यूनिंग और Siemens TIA Portal इम्प्लीमेंटेशन शामिल हैं।