مفاهیم پایه ابزار دقیق و سیستم های کنترل صنعتی

Industrial Instrumentation

ابزار دقیق (Instrumentation) و سیستم های کنترل صنعتی (Industrial Control Systems) از جمله مباحث اساسی در صنایع مدرن هستند که نقش حیاتی در بهبود فرآیندهای تولید، افزایش دقت، کاهش خطاها و افزایش ایمنی ایفا می کنند. این مفاهیم در صنایع مختلفی مانند نفت، گاز، پتروشیمی، خودروسازی، داروسازی و صنایع غذایی کاربرد گسترده ای دارند. در این مقاله به بررسی مفاهیم پایه ای ابزار دقیق، روش های اندازه گیری پارامترهای مختلف، سیستم های کنترل صنعتی و شبکه های ارتباطی در صنعت پرداخته می شود.

ابزار دقیق نقش کلیدی در اندازه‌گیری، کنترل و نظارت دقیق بر پارامترهای مهم فرآیندهای صنعتی مانند فشار، دما، جریان و سطح ایفا می‌کند. این سیستم‌ها باعث بهبود کیفیت محصول، افزایش ایمنی، کاهش خطاها و بهینه‌سازی مصرف انرژی می‌شوند. انتخاب و نصب صحیح ابزار دقیق از اهمیت بالایی برخوردار است، زیرا هرگونه خطا می‌تواند منجر به کاهش راندمان، آسیب به تجهیزات، اتلاف منابع و حتی بروز حوادث خطرناک شود.

 1. ابزار دقیق و اجزای آن

ابزار دقیق، ستونی اساسی در قلب فرآیندهای صنعتی مدرن است که به مجموعه ای از تجهیزات و سیستم‌های پیچیده اطلاق می‌شود. هدف اصلی آن، اندازه‌گیری، کنترل و نظارت دقیق بر پارامترهای کلیدی فرایندهای تولیدی به منظور بهینه‌سازی عملکرد، افزایش کیفیت محصول، تضمین ایمنی و حفاظت از محیط زیست می‌باشد. این پارامترها شامل طیف وسیعی از متغیرهای فیزیکی مانند فشار، دما، سطح مایعات و جامدات، جریان سیالات (گازها و مایعات)، رطوبت، غلظت مواد، ویسکوزیته، جرم، و ارتعاشات می‌شوند. دقت و صحت اندازه‌گیری این پارامترها نقش تعیین‌کننده‌ای در راندمان و بهره‌وری فرایندهای صنعتی داشته و هرگونه خطا در اندازه‌گیری می‌تواند به بروز مشکلات جدی، از جمله کاهش کیفیت محصول، آسیب به تجهیزات، اتلاف انرژی و حتی حوادث خطرناک منجر شود. بنابراین، انتخاب، نصب و راه‌اندازی صحیح ابزار دقیق از اهمیت فوق‌العاده‌ای برخوردار است و نیازمند دانش فنی گسترده و تجربه عملی فراوان می‌باشد. سیستم‌های ابزار دقیق مدرن، از فناوری‌های پیشرفته‌ای مانند :

1.1. اندازه گیرها (Sensors)

اندازه‌گیرها یا سنسورها، تجهیزاتی هستند که پارامترهای فیزیکی مانند فشار، دما، سطح و جریان را اندازه گیری می کنند. این تجهیزات اطلاعات را به صورت سیگنال های الکتریکی یا نیوماتیکی به سیستم کنترل ارسال می کنند. سنسورها شامل ترموکوپل، RTD، فشارسنج، فلومتر و … هستند. حسگرها (Sensors) به عنوان چشم و گوش سیستم‌های ابزار دقیق، نقش اساسی در اندازه‌گیری دقیق پارامترهای فیزیکی مختلف در فرایندهای صنعتی ایفا می‌کنند. این عناصر، اولین نقطه تماس سیستم اندازه‌گیری با فرایند هستند و وظیفه آن‌ها دریافت و تبدیل اطلاعات فیزیکی (مانند فشار، دما، سطح، جریان، و ارتعاش) به سیگنال‌های قابل اندازه‌گیری است. نوع حسگر مورد استفاده، به پارامتر مورد اندازه‌گیری، محدوده اندازه‌گیری، دقت مورد نیاز، شرایط محیطی (دما، فشار، رطوبت، خوردگی و … )، و همچنین هزینه بستگی دارد. حسگرها انواع مختلفی دارند که هر کدام برای اندازه‌گیری یک پارامتر خاص یا محدوده خاصی از مقادیر طراحی شده‌اند.

سنسورها تجهیزاتی هستند که پارامترهای فیزیکی مانند فشار، دما، سطح و جریان را اندازه‌گیری کرده و آن‌ها را به سیگنال‌های الکتریکی یا نیوماتیکی تبدیل می‌کنند. انواع مختلفی از سنسورها وجود دارد، از جمله ترموکوپل‌ها، RTDها، فشارسنج‌ها و فلومترها، که هر یک برای اندازه‌گیری دقیق یک پارامتر خاص طراحی شده‌اند. انتخاب سنسور مناسب بر اساس دقت، محدوده اندازه‌گیری، شرایط محیطی و هزینه انجام می‌شود. نصب و کالیبراسیون صحیح سنسورها برای عملکرد دقیق و قابل‌اعتماد سیستم بسیار ضروری است.

Types of Sensors

به عنوان مثال، برای اندازه‌گیری فشار، می‌توان از حسگرهای فشار دیافراگمی، حسگرهای بور دون تیوب (Bourdon Tube)، و حسگرهای پیزوالکتریک استفاده کرد. در اندازه‌گیری دما، ترموکوپل‌ها، RTDها (Resistance Temperature Detectors)، و ترمیستورها (Thermistors) از جمله حسگرهای متداول هستند. برای اندازه‌گیری سطح، حسگرهای شناور، حسگرهای اختلاف فشار (DP)، حسگرهای راداری، و حسگرهای اولتراسونیک وجود دارند. در اندازه‌گیری جریان سیالات، حسگرهای اختلاف فشار (مانند اوریفیس پلیت، ونچوری تیوب، و نازل)، حسگرهای مغناطیسی، حسگرهای توربینی، و حسگرهای اولتراسونیک از جمله روش‌های رایج هستند. حسگرهای ارتعاش نیز با استفاده از روش‌های مختلفی مانند تکنولوژی جریان‌های فوکو (Eddy Current) ارتعاشات را اندازه‌گیری می‌کنند. خروجی حسگرها، اغلب به صورت سیگنالی غیرالکتریکی (مانند جابجایی مکانیکی، تغییر فشار، و یا تغییر در خواص مواد) است که برای استفاده در سیستم‌های کنترل مرکزی، نیاز به تبدیل به سیگنال‌های الکتریکی (آزمایشگاهی) دارد. انتخاب نوع حسگر مناسب، نقش کلیدی در دقت و قابلیت اطمینان کل سیستم ابزار دقیق دارد و باید با دقت زیادی انجام شود. علاوه بر انتخاب نوع حسگر، نصب و کالیبراسیون صحیح آن نیز برای تضمین عملکرد دقیق سیستم ضروری است.

1.2. کنترل کننده ها (Controllers)

کنترل کننده ها بخشی از سیستم هستند که اطلاعات دریافتی از سنسورها را پردازش کرده و دستورات لازم را به محرک ها ارسال می کنند. این بخش شامل PLC (Programmable Logic Controller)، DCS (Distributed Control System) و سیستم های کنترل هوشمند است. کنترل کننده‌ها (Controllers) یا تنظیم کننده‌ها، قلب سیستم‌های ابزار دقیق هستند که وظیفه نظارت بر مقادیر اندازه‌گیری شده توسط حسگرها و مقایسه آن‌ها با مقادیر مورد نظر (Set Point) را بر عهده دارند. بر اساس اختلاف بین مقدار اندازه‌گیری شده و مقدار مورد نظر (خطا)، کنترل کننده‌ها فرمان‌های لازم را برای عناصر نهایی کنترل (مانند شیرهای کنترل، موتورها، و گرم‌کن‌ها) صادر می‌کنند تا پارامترهای فرایند به مقدار مورد نظر برسند و در آن مقدار حفظ شوند. کنترل کننده‌ها در انواع مختلفی طراحی و تولید می‌شوند که از جمله می‌توان به کنترل کننده‌های تناسبی (Proportional)، انتگرالی (Integral)، مشتقی (Derivative)، و ترکیبی از این سه نوع (PID) اشاره کرد.

کنترل‌کننده‌ها با پردازش داده‌های حسگرها و مقایسه با مقدار مطلوب (Set Point)، فرمان‌های لازم را برای عناصر نهایی کنترل ارسال می‌کنند. انواع آن شامل تناسبی (P)، انتگرالی (I)، مشتقی (D) و ترکیبی (PID) است که با تنظیم ضرایب Kp، Ki، و Kd عملکرد بهینه‌ای ارائه می‌دهند. کنترل‌کننده‌های دیجیتال پیشرفته دارای قابلیت‌هایی مانند خودتنظیمی، عیب‌یابی و ارتباط با شبکه‌های صنعتی هستند. این دستگاه‌ها به بهبود دقت، پایداری و بهره‌وری فرآیندهای صنعتی کمک می‌کنند.

کنترل کننده‌های تناسبی با اعمال یک فرمان متناسب با مقدار خطا، سعی در کاهش خطا می‌کنند. کنترل کننده‌های انتگرالی با در نظر گرفتن تاریخچه خطا، به کاهش خطای پایدار کمک می‌کنند. کنترل کننده‌های مشتق با پیش‌بینی روند تغییرات خطا، به سرعت بخشیدن به پاسخ سیستم و جلوگیری از نوسانات بیش از حد کمک می‌کنند. کنترل کننده‌های PID ترکیبی از سه عمل تناسبی، انتگرالی و مشتقی هستند و با تنظیم مناسب ضرایب تناسبی (Kp)، انتگرالی (Ki)، و مشتقی (Kd)، بهترین عملکرد را در کنترل فرایند ارائه می‌دهند. انتخاب نوع کنترل کننده و تنظیم مناسب ضرایب آن، نقش اساسی در پایداری، سرعت پاسخ و دقت سیستم کنترل دارد. این انتخاب به ویژگی‌های فرایند تحت کنترل (مانند زمان پاسخ، نوسانات و …) بستگی دارد. در سیستم‌های کنترل پیشرفته، از کنترل کننده‌های دیجیتال که به کمک میکروکنترلرها یا کامپیوترها عمل می‌کنند، استفاده می‌شود. این کنترل کننده‌ها قابلیت‌های بیشتری مانند اجرای الگوریتم‌های پیچیده کنترل، ذخیره‌سازی داده‌ها، و ارتباط با سایر سیستم‌ها را دارند. همچنین کنترل کننده‌های پیشرفته امکانات عیب‌یابی (Diagnostics) و خودتنظیمی (Auto-tuning) را نیز ارائه می‌دهند. کنترل‌کننده‌ها به طور کلی از طریق رابط‌های گرافیکی (HMI) مجهز به صفحه نمایش، و همچنین رابط‌های ارتباطی مختلف (مانند شبکه‌های صنعتی) با اپراتورها و سیستم‌های دیگر ارتباط برقرار می‌کنند تا امکان نظارت بر عملکرد سیستم و انجام تنظیمات لازم را فراهم کنند. دقت و قابلیت اطمینان کنترل کننده‌ها، عامل کلیدی در عملکرد صحیح سیستم‌های ابزار دقیق بوده و نقش مهمی در بهینه‌سازی فرایندهای صنعتی و جلوگیری از بروز خطا و حوادث ایفا می‌کنند.

1.3. محرک ها (Actuators)

محرک‌ها (Actuators) عناصر نهایی کنترل در سیستم‌های ابزار دقیق هستند که وظیفه تبدیل سیگنال‌های الکتریکی یا پنوماتیکی (به ندرت هیدرولیکی) دریافتی از کنترل‌کننده‌ها را به حرکت مکانیکی دارند. این حرکت مکانیکی، برای کنترل عناصر فرایند، مانند باز و بسته کردن شیرهای کنترل، تنظیم سرعت موتورها، و یا تغییر موقعیت سایر تجهیزات استفاده می‌شود. نوع محرک مورد استفاده، به نوع سیگنال کنترل‌کننده، نیروی مورد نیاز برای حرکت عنصر فرایند، سرعت مورد نیاز، و شرایط محیطی بستگی دارد. محرک‌ها به طور کلی به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

1. محرک‌های پنوماتیکی (Pneumatic Actuators): این محرک‌ها از هوای فشرده برای تولید حرکت استفاده می‌کنند. محرک‌های پنوماتیکی به دلیل سادگی طراحی، هزینه پایین، ایمنی ذاتی (به دلیل استفاده از هوا به جای برق)، و توانایی کار در محیط‌های خطرناک، بسیار پرکاربرد هستند. این نوع محرک‌ها معمولاً شامل یک دیافراگم یا پیستون هستند که با تغییر فشار هوای فشرده، حرکت می‌کنند. محرک‌های پنوماتیکی با فنر بارگذاری شده (Spring Loaded) نیز وجود دارند که در صورت قطع شدن منبع هوای فشرده، به طور خودکار به موقعیت ایمنی (باز یا بسته) برمی‌گردند.

2. محرک‌های الکتریکی (Electric Actuators): این محرک‌ها از انرژی الکتریکی برای تولید حرکت استفاده می‌کنند. محرک‌های الکتریکی دقت و تکرارپذیری بالاتری نسبت به محرک‌های پنوماتیکی دارند و قابلیت کنترل دقیق‌تر موقعیت و سرعت را فراهم می‌کنند. این نوع محرک‌ها معمولاً شامل یک موتور الکتریکی (مانند موتورهای DC یا AC servo) و یک مکانیزم تبدیل حرکت دورانی به خطی (مانند چرخ‌دنده، پیچ و مهره) هستند. محرک‌های الکتریکی به دلیل قابلیت کنترل دقیق‌تر در سیستم‌های کنترل پیچیده بسیار مناسب هستند.

3. محرک‌های هیدرولیکی (Hydraulic Actuators): این محرک‌ها از مایع تحت فشار برای تولید حرکت استفاده می‌کنند. محرک‌های هیدرولیکی قدرت زیادی تولید می‌کنند و برای حرکت دادن بارهای سنگین مناسب هستند. اما به دلیل پیچیدگی بیشتر طراحی و نگهداری و مسائل ایمنی مرتبط با استفاده از مایع تحت فشار، کاربرد کمتری نسبت به دو نوع دیگر دارند.

محرک‌ها عناصر نهایی کنترل در سیستم‌های ابزار دقیق هستند که وظیفه تبدیل سیگنال‌های دریافتی از کنترل‌کننده‌ها به حرکت مکانیکی را دارند. این حرکت برای کنترل فرایندهایی مانند باز و بسته کردن شیرها و تنظیم سرعت موتورها استفاده می‌شود. سه نوع اصلی محرک‌ها شامل پنوماتیکی (با استفاده از هوای فشرده)، الکتریکی (با دقت بالا و کنترل دقیق)، و هیدرولیکی (برای بارهای سنگین) هستند. انتخاب و نصب صحیح محرک به نیرو، دقت، شرایط محیطی و نیاز فرایند بستگی دارد.

انتخاب نوع محرک مناسب، بسیار بستگی به ویژگی‌های فرایند و عنصر فرایند تحت کنترل دارد. عوامل مهم در انتخاب محرک شامل اندازه، نیرو، سرعت، دقت، قابلیت اطمینان، هزینه، و شرایط محیطی هستند. علاوه بر انتخاب نوع محرک، نصب و کالیبراسیون صحیح آن نیز برای تضمین عملکرد صحیح و بهینه سیستم ابزار دقیق ضروری است. محرک‌ها اغلب با سیستم‌های فیدبک (Feedback) مجهز هستند تا موقعیت و یا سرعت حرکت آن‌ها به طور دقیق نظارت شود و در صورت نیاز، تنظیمات لازم انجام شود.

2. روش های اندازه گیری پارامترهای صنعتی

2.1. اندازه گیری فشار

اندازه‌گیری فشار، یکی از مهم‌ترین پارامترهای اندازه‌گیری در صنایع مختلف، به ویژه در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی است. فشار به عنوان نیروی وارد بر واحد سطح تعریف می‌شود و در سیالات، نقش کلیدی در تعیین خواص ترمودینامیکی و رفتار سیال دارد. روش‌های مختلفی برای اندازه‌گیری فشار وجود دارد که انتخاب هر روش به محدوده فشار، دقت مورد نیاز، نوع سیال، و شرایط محیطی بستگی دارد. این روش‌ها به طور کلی به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

1. روش‌های مکانیکی: این روش‌ها از تغییر شکل یک عنصر مکانیکی به دلیل اعمال فشار استفاده می‌کنند تا مقدار فشار را اندازه‌گیری کنند. برخی از روش‌های مکانیکی عبارتند از:

مانومتر (Manometer): این وسیله ساده‌ترین روش اندازه‌گیری فشار است که از یک لوله U شکل حاوی مایع (معمولاً جیوه یا آب) استفاده می‌کند. اختلاف ارتفاع ستون مایع در دو شاخه لوله، متناسب با اختلاف فشار در دو طرف مانومتر است.

لوله بور دون (Bourdon Tube): این حسگر از یک لوله خمیده از جنس فلز قابل انعطاف تشکیل شده است. با اعمال فشار به داخل لوله، آن خم شده و این خمیدگی با استفاده از یک مکانیزم مکانیکی به یک نشانگر انتقال داده می‌شود تا مقدار فشار را نشان دهد.

دیافراگم (Diaphragm): این عنصر از یک صفحه فلزی قابل انعطاف تشکیل شده است که با اعمال فشار به آن خم می‌شود. این خمیدگی با استفاده از یک مکانیزم مکانیکی یا الکتریکی به یک سیگنال قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌شود.

کپسول (Capsule): این حسگر از دو دیافراگم فلزی که به هم متصل شده‌اند تشکیل شده است. فضای بین دو دیافراگم با یک مایع یا گاز پر شده است و با اعمال فشار، تغییر شکل کپسول اندازه‌گیری می‌شود.

بلوز (Bellows): این عنصر از یک لوله فلزی آکاردئونی شکل تشکیل شده است که با اعمال فشار به داخل آن منبسط یا منقبض می‌شود. این تغییر طول به وسیله یک مکانیزم مکانیکی اندازه‌گیری می‌شود.

2. روش‌های الکتریکی: این روش‌ها از تغییر در خواص الکتریکی یک عنصر به دلیل اعمال فشار استفاده می‌کنند. برخی از روش‌های الکتریکی عبارتند از:

استرین گیج (Strain Gauge): از تغییر مقاومت الکتریکی یک عنصر در اثر کرنش (تغییر شکل) به دلیل اعمال فشار استفاده می‌کند.

خازنی (Capacitive): از تغییر ظرفیت خازن در اثر تغییر فاصله بین دو صفحه به دلیل اعمال فشار استفاده می‌کند.

پیزوالکتریک (Piezoelectric): از تولید شارژ الکتریکی در اثر اعمال فشار بر برخی از بلورها استفاده می‌کند.

در نهایت، سیگنال‌های دریافتی از این حسگرها به وسیله یک مبدل به سیگنال‌های الکتریکی استاندارد تبدیل شده و به سیستم‌های کنترل مرکزی ارسال می‌شوند. انتخاب نوع حسگر فشار بستگی به محدوده فشار، دقت مورد نیاز، و دیگر شرایط دارد.

2.2. اندازه گیری دما

سه روش اصلی برای اندازه‌گیری دما وجود دارد که هر کدام از مکانیزم‌های متفاوتی برای تبدیل تغییرات دما به سیگنال‌های قابل اندازه‌گیری استفاده می‌کنند:

1. ترموکوپل (Thermocouple): ترموکوپل‌ها از ساده‌ترین و پرکاربردترین حسگرهای دما هستند که بر اساس اثر سیبک (Seebeck effect) کار می‌کنند. این اثر بیان می‌کند که اگر دو فلز غیرهم‌جنس در یک مدار بسته به هم متصل شوند و محل اتصال آن‌ها (اتصال گرم) در معرض دمای متفاوت از محل اتصال دیگر (اتصال سرد) قرار گیرد، ولتاژی متناسب با اختلاف دما در مدار ایجاد می‌شود. این ولتاژ کوچک، با استفاده از یک میلی‌ولت‌متر اندازه‌گیری شده و با استفاده از یک جدول کالیبراسیون، به دما تبدیل می‌شود. ترموکوپل‌ها در محدوده وسیعی از دماها قابل استفاده هستند و به دلیل سادگی، دوام و قیمت مناسب، بسیار محبوب هستند. با این حال، دقت آن‌ها نسبت به RTDها و ترمیستورها پایین‌تر است و سرعت پاسخ آن‌ها نیز به عوامل مختلفی بستگی دارد.

2. RTD (Resistance Temperature Detector): RTDها از تغییر مقاومت الکتریکی یک فلز (معمولاً پلاتین) در اثر تغییر دما استفاده می‌کنند. با افزایش دما، مقاومت فلز نیز افزایش می‌یابد و این تغییر مقاومت با استفاده از یک مدار پل (Bridge Circuit) اندازه‌گیری می‌شود. RTDها دقت بالاتری نسبت به ترموکوپل‌ها دارند و رابطه بین مقاومت و دما در آن‌ها تقریباً خطی است. اما سرعت پاسخ آن‌ها نسبت به ترمیستورها پایین‌تر است و به دلیل استفاده از فلز پلاتین، قیمت آن‌ها نیز بالاتر است. برای جبران تاثیر مقاومت سیم‌های اتصال، از RTDهای دو سیمه، سه سیمه و چهار سیمه استفاده می‌شود.

3. ترمیستور (Thermistor): ترمیستورها از مواد نیمه‌رسانا ساخته شده‌اند که مقاومت الکتریکی آن‌ها با تغییر دما به شدت تغییر می‌کند. این تغییر مقاومت بسیار بیشتر از تغییر مقاومت در RTDها است و به همین دلیل، ترمیستورها حساسیت بالاتری نسبت به RTDها دارند. ترمیستورها در محدوده دمایی خاصی عمل می‌کنند و رابطه بین مقاومت و دما در آن‌ها خطی نیست. اما سرعت پاسخ آن‌ها بسیار بالا است و به همین دلیل برای اندازه‌گیری سریع تغییرات دما مناسب هستند. ترمیستورها به دو نوع NTC (مقاومت منفی با افزایش دما) و PTC (مقاومت مثبت با افزایش دما) تقسیم می‌شوند.

در نهایت، سیگنال‌های دریافتی از این حسگرهای دما به وسیله یک مبدل به سیگنال‌های الکتریکی استاندارد تبدیل شده و به سیستم‌های کنترل مرکزی ارسال می‌شوند. انتخاب نوع حسگر دما بستگی به محدوده دمایی، دقت مورد نیاز، سرعت پاسخ مورد نیاز و دیگر شرایط دارد.

2.3. اندازه گیری سطح

اندازه‌گیری دقیق سطح مایعات در مخازن، برای کنترل فرایند، جلوگیری از سرریز و یا کمبود مایع، و اطمینان از عملکرد بهینه سیستم‌ها از اهمیت فراوانی برخوردار است. روش‌های متعددی برای اندازه‌گیری سطح مایعات وجود دارد که انتخاب هر روش به نوع مایع، محدوده سطح، دقت مورد نیاز، شرایط محیطی (دما، فشار، رطوبت، خوردگی و… )، و هزینه بستگی دارد. در ادامه به سه روش رایج اشاره می‌شود:

1. شناور (Floater): این روش یک روش مکانیکی است که از یک شناور استفاده می‌کند که روی سطح مایع قرار گرفته و با تغییر سطح مایع، حرکت می‌کند. این حرکت به وسیله یک مکانیزم مکانیکی (مانند اهرم و چرخ‌دنده) یا الکتریکی (مانند پتانسیومتر یا حسگر مغناطیسی) به یک سیگنال قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌شود. روش شناور سادگی و قیمت مناسبی دارد اما دقت آن نسبت به روش‌های اولتراسونیک و راداری پایین‌تر است و تنها برای مایعات با ویسکوزیته کم و تغییرات سطح آرام مناسب است. همچنین این روش برای مایعات خورنده مناسب نیست و نیازمند حفاظت مکانیکی و عدم تماس مستقیم با مایع می باشد.

2. اولتراسونیک (Ultrasonic): این روش از امواج صوتی با فرکانس بالا استفاده می‌کند. یک ترانسدیوسر (مبدل) امواج صوتی را به سمت سطح مایع ارسال می‌کند. امواج به سطح مایع برخورد کرده و بازتاب می‌شوند. زمان بازگشت این امواج به وسیله حسگر اندازه‌گیری شده و با دانستن سرعت صوت در محیط، فاصله تا سطح مایع محاسبه می‌شود. روش اولتراسونیک دقت بالاتری نسبت به روش شناور دارد و برای مایعات با ویسکوزیته های متفاوت مناسب است. اما به دلیل حساسیت به کثیفی، رطوبت، و بخار، در بعضی شرایط محدودیت دارد. همچنین اندازه‌گیری دقیق نیازمند یک محیط آرام و بدون نویز صوتی است.

3. راداری (Radar): این روش از امواج رادیویی با فرکانس بالا (معمولا در محدوده مایکروویو) استفاده می‌کند. یک آنتن امواج رادیویی را به سمت سطح مایع ارسال می‌کند. امواج به سطح مایع برخورد کرده و بازتاب می‌شوند. زمان بازگشت امواج اندازه‌گیری شده و برای محاسبه سطح مایع استفاده می‌شود. روش راداری دقت بالایی دارد و برای مایعات با ویسکوزیته های متفاوت و همچنین در شرایط محیطی سخت (مانند دما و فشار بالا، رطوبت زیاد، و وجود بخار) مناسب است. اما قیمت آن نسبت به دو روش دیگر بالاتر است.

در هر سه روش، سیگنال دریافتی به وسیله یک مبدل به سیگنال‌های الکتریکی استاندارد تبدیل شده و به سیستم‌های کنترل مرکزی ارسال می‌شوند. انتخاب روش مناسب اندازه‌گیری سطح بستگی به عوامل مختلفی دارد که باید با دقت مورد بررسی قرار گیرد.

2.4. اندازه گیری جریان

اندازه‌گیری جریان سیالات (مایعات و گازها) برای کنترل فرایندهای صنعتی و محاسبه مصرف مواد اولیه و محصولات از اهمیت فراوانی برخوردار است. روش‌های مختلفی برای اندازه‌گیری جریان وجود دارد که انتخاب هر روش به نوع سیال، ویسکوزیته، محدوده جریان، دقت مورد نیاز، و شرایط محیطی بستگی دارد. در ادامه به سه روش رایج اشاره می‌شود:

1. اریفیس پلیت (Orifice Plate): این روش یکی از روش‌های متداول و ارزان اندازه‌گیری جریان است که از یک صفحه با یک سوراخ دایره‌ای شکل در مسیر جریان استفاده می‌کند. این سوراخ باعث ایجاد اختلاف فشار در دو طرف صفحه می‌شود. این اختلاف فشار با مربع جریان سیال متناسب است و با استفاده از یک ترانسدیوسر اختلاف فشار، مقدار جریان محاسبه می‌شود. روش اریفیس پلیت سادگی و قیمت مناسبی دارد اما دقت آن نسبت به روش‌های توربینی و مغناطیسی پایین‌تر است و باعث افت فشار در سیستم می‌شود. همچنین کثیف شدن سوراخ می‌تواند باعث ایجاد خطا در اندازه‌گیری شود.

2. توربین فلومتر (Turbine Flowmeter): این روش از یک توربین کوچک که در مسیر جریان قرار دارد استفاده می‌کند. با عبور سیال، پره‌های توربین به چرخش درمی‌آیند و سرعت چرخش آن با جریان سیال متناسب است. یک حسگر (معمولاً حسگر مغناطیسی) سرعت چرخش توربین را اندازه‌گیری کرده و این مقدار به وسیله یک مبدل به جریان سیال تبدیل می‌شود. روش توربینی دقت بالاتری نسبت به روش اریفیس پلیت دارد و افت فشار کمتری ایجاد می‌کند. اما برای سیالات چسبناک مناسب نیست و نیاز به تمیز بودن سیال دارد. همچنین قیمت آن نسبت به روش اریفیس پلیت بالاتر است.

3. فلومتر مغناطیسی (Magnetic Flowmeter): این روش از اصل القای الکترومغناطیسی فارااده استفاده می‌کند. یک لوله هدایت‌کننده سیال در بین دو قطب یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد. با عبور سیال هادی از لوله، ولتاژی در لوله تولید می‌شود که با جریان سیال متناسب است. این ولتاژ اندازه‌گیری شده و برای محاسبه جریان سیال استفاده می‌شود. روش مغناطیسی دقت بالایی دارد و برای سیالات چسبناک و خورنده مناسب است. اما قیمت آن نسبت به دو روش دیگر بالاتر است و برای سیالات غیرهادی قابل استفاده نیست.

در هر سه روش، سیگنال دریافتی به وسیله یک مبدل به سیگنال‌های الکتریکی استاندارد تبدیل شده و به سیستم‌های کنترل مرکزی ارسال می‌شوند. انتخاب روش مناسب اندازه‌گیری جریان بستگی به عوامل مختلفی دارد که باید با دقت مورد بررسی قرار گیرد.

3. سیستم های کنترل صنعتی

3.1. PLC (Programmable Logic Controller)

PLCs for a monitoring system in the pharmaceutical industry

PLC (Programmable Logic Controller) یا کنترل کننده منطقی برنامه پذیر، یک کامپیوتر صنعتی است که برای کنترل فرایندهای صنعتی و ماشین آلات استفاده می‌شود. PLCها قادرند سیگنال‌های ورودی (از حسگرها و سوییچ‌ها) را دریافت کرده، آن‌ها را بر اساس یک برنامه پیش‌نوشته پردازش کنند، و سیگنال‌های خروجی (به محرک‌ها و عملگرها) را برای کنترل فرایند صادر کنند. PLCها به دلیل قابلیت برنامه‌پذیری، انعطاف‌پذیری بالا، قابلیت اطمینان، و هزینه مناسب، در صنایع گسترده‌ای استفاده می‌شوند.

ویژگی‌های کلیدی PLCها:

برنامه‌پذیری: برنامه‌های PLCها می‌توانند به راحتی تغییر کرده و به‌روزرسانی شوند تا نیازهای متغیر فرایند را برآورده کنند. این برنامه‌ها با استفاده از زبان‌های برنامه‌نویسی خاص (مانند Ladder Diagram، Function Block Diagram، Structured Text و…) نوشته می‌شوند.

انعطاف‌پذیری: PLCها می‌توانند با انواع مختلفی از حسگرها و محرک‌ها ارتباط برقرار کنند و در محدوده وسیعی از کاربردها استفاده شوند.

قابلیت اطمینان: PLCها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که در شرایط سخت صنعتی (مانند دما و ارتعاش زیاد، گرد و غبار و…) به طور قابل اعتمادی عمل کنند. اغلب PLCها دارای مکانیزم‌های حفاظتی برای جلوگیری از آسیب به دلیل نوسانات برق و خطاهای سیستمی هستند.

هزینه مناسب: نسبت به سیستم‌های کنترل دیگر، PLCها دارای هزینه مناسبی هستند و هزینه نگهداری آن‌ها نیز پایین است.

اجزای اصلی یک PLC:

واحد پردازش مرکزی (CPU): مغز سیستم PLC است که برنامه‌های کنترل را اجرا می‌کند.

مدول‌های ورودی/خروجی (I/O Modules): برای ارتباط PLC با حسگرها و محرک‌ها استفاده می‌شوند.

منبع تغذیه (Power Supply): تغذیه الکتریکی PLC و مدول‌های I/O را فراهم می‌کند.

برنامه‌ریز/مانیتور (Programmer/Monitor): برای نوشتن، بارگذاری، و نظارت بر برنامه‌های PLC استفاده می‌شود.

کارت‌های شبکه (Network Cards): برای ارتباط PLC با سایر PLCها و سیستم‌های کنترل دیگر به‌کار می‌روند.

PLCها در مقیاس‌های مختلفی از سیستم‌های کوچک با چند ورودی/خروجی تا سیستم‌های بزرگ با هزاران ورودی/خروجی قابل استفاده هستند. انتخاب نوع PLC مناسب به نیازهای خاص فرایند و پیچیدگی کنترل بستگی دارد. استفاده از PLCها به دلیل قابلیت‌های گسترده و هزینه مناسب آن‌ها، به‌طور فزاینده‌ای در صنایع گوناگون در حال گسترش است.

3.2. DCS (Distributed Control System)

Distributed Control System (DCS) – DCS overview

DCS (Distributed Control System) یا سیستم کنترل توزیع‌شده، یک سیستم کنترل پیشرفته و پیچیده است که برای نظارت و کنترل فرایندهای صنعتی بزرگ و پیچیده استفاده می‌شود. برخلاف PLCها که عموماً دارای یک واحد پردازش مرکزی هستند، DCSها دارای چندین واحد پردازش توزیع‌شده هستند که به صورت موازی با هم کار می‌کنند و به طور موثر بار پردازشی را تقسیم می‌کنند. این مکانیزم باعث افزایش قابلیت اطمینان و کاهش خطر توقف کل سیستم در صورت خرابی یکی از واحدها می‌شود.

ویژگی‌های کلیدی DCSها:

توزیع پردازش: وظایف کنترل و نظارت در DCSها به طور توزیع‌شده بین چندین واحد پردازش (کنترل‌کننده) انجام می‌شود. این مکانیزم باعث افزایش قابلیت اطمینان و کارایی سیستم می‌شود.

قابلیت اتصال بالا: DCSها قادر به ارتباط با تعداد زیادی از حسگرها، محرک‌ها و سایر تجهیزات هستند. آن‌ها از شبکه‌های صنعتی برای ارتباط بین واحدهای پردازش و تجهیزات استفاده می‌کنند. این شبکه‌ها معمولاً از فناوری‌های پیشرفته‌ای مانند فیبر نوری برای انتقال داده‌ها با سرعت بالا استفاده می‌کنند.

انعطاف‌پذیری: DCSها به دلیل قابلیت برنامه‌پذیری و توزیع پردازش، انعطاف‌پذیری بالایی در پیاده‌سازی انواع مختلف استراتژی‌های کنترل دارند.

رابط کاربری گرافیکی پیشرفته (HMI): DCSها معمولاً دارای رابط کاربری گرافیکی پیشرفته‌ای هستند که به اپراتورها امکان نظارت و کنترل فرایند را با استفاده از نمودارها، نمایشگرها و ابزارهای گرافیکی فراهم می‌کند. این رابط‌ها معمولاً دارای قابلیت‌های پیشرفته‌ای مانند نمایش وضعیت عملکرد تجهیزات، شناسایی خطاها و عیب‌یابی هستند.

قابلیت اطمینان بالا: DCSها معمولاً دارای ساختار افزونگی (Redundancy) هستند تا در صورت خرابی یکی از اجزا، سیستم به کار خود ادامه دهد.

اجزای اصلی یک DCS:

واحدهای کنترل توزیع‌شده (Distributed Control Units یا DCUs): این واحدها وظیفه کنترل و نظارت بر بخش‌های مختلف فرایند را بر عهده دارند.

شبکه ارتباطی (Communication Network): برای ارتباط بین واحدهای کنترل توزیع‌شده و سایر تجهیزات استفاده می‌شود.

ایستگاه اپراتوری (Operator Station): به اپراتورها امکان نظارت و کنترل فرایند را فراهم می‌کند.

ایستگاه مهندسی (Engineering Station): برای برنامه‌ریزی، تنظیم و نگهداری سیستم استفاده می‌شود.

DCSها به دلیل قابلیت‌های پیشرفته خود در کنترل فرایندهای بزرگ و پیچیده و افزایش قابلیت اطمینان و ایمنی سیستم، در صنایعی مانند پتروشیمی، نفت و گاز، نیروگاه‌ها، و صنایع غذایی به‌طور گسترده استفاده می‌شوند.

3.3. SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) یا سیستم کنترل نظارتی و اکتساب داده، یک سیستم نرم‌افزاری و سخت‌افزاری است که برای نظارت و کنترل فرایندهای صنعتی در مقیاس بزرگ استفاده می‌شود. SCADA به اپراتورها اجازه می‌دهد تا از یک محل مرکزی (معمولاً اتاق کنترل)، بر عملکرد تجهیزات و فرایندهای متعدد نظارت کرده و آن‌ها را کنترل کنند. SCADA معمولاً برای کنترل فرایندهایی استفاده می‌شود که در مناطق جغرافیایی گسترده و یا دارای تجهیزات متعدد پراکنده هستند.

ویژگی‌های کلیدی SCADA:

نظارت از راه دور: SCADA به اپراتورها اجازه می‌دهد تا از راه دور بر عملکرد تجهیزات نظارت کنند و اطلاعات لازم را جمع‌آوری نمایند. این امکان به‌ویژه در فرایندهایی که در مناطق دوردست و یا خطرناک واقع شده‌اند، مفید است.

کنترل از راه دور: SCADA به اپراتورها اجازه می‌دهد تا از راه دور برخی از عملکردهای تجهیزات را کنترل کنند. این امکان می‌تواند در صورت بروز مشکل و یا نیاز به تغییر در عملکرد سیستم، بسیار مفید باشد.

جمع‌آوری داده‌ها: SCADA داده‌های زیادی را از تجهیزات مختلف جمع‌آوری می‌کند که می‌تواند برای تجزیه و تحلیل عملکرد سیستم و بهینه‌سازی فرایند استفاده شود. این داده‌ها می‌توانند برای ایجاد گزارش‌ها و نمودارها نیز بکار روند.

هشدار و اطلاع‌رسانی (Alarming): SCADA می‌تواند در صورت بروز مشکل و یا خارج شدن پارامترهای فرایند از محدوده مجاز، به اپراتورها هشدار دهد.

رابط کاربری گرافیکی (HMI): SCADA دارای رابط کاربری گرافیکی است که به اپراتورها امکان نظارت آسان بر عملکرد سیستم و کنترل آن را فراهم می‌کند.

اجزای اصلی یک سیستم SCADA:

تجهیزات میدانی (Field Devices): حسگرها، محرک‌ها و سایر تجهیزات که مستقیماً با فرایند در ارتباط هستند.

واحدهای تله‌متری (RTUs یا Remote Terminal Units): این واحدها داده‌ها را از تجهیزات میدانی جمع‌آوری کرده و به سیستم SCADA ارسال می‌کنند.

شبکه ارتباطی (Communication Network): برای ارتباط بین واحدهای تله‌متری و سیستم SCADA استفاده می‌شود. انواع مختلفی از شبکه‌ها (مانند شبکه‌های سریال، شبکه‌های Ethernet و…) قابل استفاده هستند.

سیستم مرکزی SCADA (Master Station): این سیستم داده‌ها را از واحدهای تله‌متری دریافت کرده، پردازش می‌کند، و به اپراتورها نمایش می‌دهد. همچنین فرمان‌های کنترل را به واحدهای تله‌متری ارسال می‌کند. SCADA در صنایع متعددی مانند نفت و گاز، آب و فاضلاب، برق، و حمل و نقل به‌کار می‌رود و نقش کلیدی در نظارت و کنترل فرایندهای بزرگ و پیچیده دارد. انتخاب سیستم SCADA مناسب بستگی به نیازهای خاص هر فرایند و پیچیدگی آن دارد.

4. شبکه های صنعتی

شبکه های صنعتی نقش مهمی در ارتباط بین تجهیزات ابزار دقیق و سیستم های کنترل ایفا می کنند. این شبکه ها امکان انتقال داده ها بین سنسورها، کنترل کننده ها و محرک ها را فراهم می کنند. برخی از پروتکل های رایج در شبکه های صنعتی عبارتند از:

4.1. HART (Highway Addressable Remote Transducer)

HART یک پروتکل ارتباطی است که امکان انتقال سیگنال های آنالوگ و دیجیتال را به طور همزمان فراهم می کند. این پروتکل معمولاً در سیستم های کنترل صنعتی استفاده می شود و امکان ارتباط دو طرفه بین تجهیزات فیلد و سیستم کنترل را فراهم می کند.

4.2. Profibus

Profibus یک پروتکل ارتباطی سریال است که برای انتقال داده ها بین تجهیزات صنعتی استفاده می شود. این پروتکل در صنایع مختلفی مانند خودروسازی، صنایع شیمیایی و صنایع غذایی کاربرد دارد.

4.3. Modbus

Modbus یک پروتکل ارتباطی ساده و باز است که برای انتقال داده ها بین تجهیزات صنعتی استفاده می شود. این پروتکل معمولاً در سیستم های SCADA و PLC استفاده می شود.

5. شیرهای کنترل و محرک ها

شیرهای کنترل (Control Valves) از جمله مهم ترین محرک ها در سیستم های کنترل صنعتی هستند. این شیرها برای تنظیم جریان سیالات در فرآیندهای صنعتی استفاده می شوند. شیرهای کنترل شامل انواع مختلفی مانند شیرهای پروانه ای (Butterfly Valve)، شیرهای توپی (Ball Valve) و شیرهای دیافراگمی (Diaphragm Valve) هستند.

5.1. پوزیشنر شیر (Valve Positioner)

پوزیشنر شیر یک دستگاه است که برای کنترل دقیق موقعیت شیرهای کنترل استفاده می شود. این دستگاه سیگنال کنترل را از سیستم کنترل دریافت کرده و موقعیت شیر را تنظیم می کند. پوزیشنرها معمولاً در سیستم های کنترل فشار، دما و جریان استفاده می شوند.

5.2. اکچویتورها (Actuators)

اکچویتورها دستگاه هایی هستند که برای حرکت دادن شیرهای کنترل استفاده می شوند. این دستگاه ها شامل اکچویتورهای نیوماتیکی، الکتریکی و هیدرولیکی هستند. اکچویتورهای نیوماتیکی معمولاً در سیستم های کنترل فشار استفاده می شوند، در حالی که اکچویتورهای الکتریکی در سیستم های کنترل دما و جریان کاربرد دارند.

6. ایمنی و قابلیت اطمینان در سیستم های کنترل

ایمنی و قابلیت اطمینان از جمله مهم ترین مباحث در سیستم های کنترل صنعتی هستند. سیستم های کنترل باید به گونه ای طراحی شوند که در صورت بروز خطا، فرآیند به طور ایمن متوقف شود. برخی از روش های افزایش ایمنی و قابلیت اطمینان عبارتند از:

6.1. سیستم های افزونگی (Redundancy)

سیستم های افزونگی شامل استفاده از چندین دستگاه یا سیستم به صورت موازی است تا در صورت خرابی یکی از آنها، سیستم دیگر بتواند عملکرد سیستم را ادامه دهد. این روش معمولاً در سیستم های کنترل بحرانی مانند نیروگاه های برق و پالایشگاه ها استفاده می شود.

6.2. سیستم های تشخیص خطا (Fault Detection Systems)

سیستم های تشخیص خطا برای شناسایی سریع خطاها در سیستم های کنترل استفاده می شوند. این سیستم ها معمولاً از الگوریتم های هوشمند و سنسورهای پیشرفته استفاده می کنند تا خطاها را در مراحل اولیه شناسایی کنند.

نتیجه گیری

ابزار دقیق و سیستم های کنترل صنعتی نقش حیاتی در بهبود فرآیندهای تولید و افزایش ایمنی در صنایع مختلف ایفا می کنند. با پیشرفت تکنولوژی، سیستم های کنترل هوشمند و شبکه های صنعتی روز به روز پیشرفته تر می شوند و امکان کنترل دقیق تر و کارآمدتر فرآیندهای صنعتی را فراهم می کنند. درک مفاهیم پایه ای ابزار دقیق و سیستم های کنترل برای مهندسان و تکنسین های صنعتی ضروری است تا بتوانند از این سیستم ها به طور موثر استفاده کنند.