کنترل فرایند (process control) یک رشته مهندسی است که برای حفظ خروجی یک فرایند خاص در محدوده مورد نظر معماری‌هایی را شکل می‌دهد و مکانیزم‌ها و الگوریتم‌هایی ایجاد می‌کند.
کنترل فرایند به طور گسترده در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرد و قادر به تولید انبوه فرایندهای مستمر مانند پالایش نفت، تولید کاغذ، مواد شیمیایی، نیروگاه‌های برق و بسیاری از صنایع دیگر است. کنترل فرایند به وسیله یک هیئت کوچک از پرسنل عامل فرایند اتوماسیون را انجام می‌دهد که می‌تواند یک فرایند پیچیده را از یک اتاق کنترل مرکزی تحت نظر داشته باشد.
سابقه
کنترل فرایند می‌تواند از بازخوردها استفاده کند یا ممکن است به صورت حلقه‌های باز باشد. کنترل همچنین می‌تواند به صورت پیوسته (مانند کروز "پایش" کنترل خودرو) یا به صورت ترتیبی از رویدادهای گسسته (مانند یک تایمر در آب پاش چمن "روشن / خاموش" یا اعمال کنترل بر یک آسانسور "توالی منطقی") باشد.
ترموستات در بخاری یک نمونه از کنترل است که روشن یا خاموش میشود. سنسور دما، منبع حرارت را در صورتی که درجه حرارت زیر نقطه تعیین‌شده باشد، روشن می‌کند و در هنگامی که درجهٔ حرارت به نقطه تعیین‌شده رسیده باشد، منبع حرارت را خاموش می‌کند. هیچ سنجشی برای تفاوت بین نقطه تعیین‌شده و درجه حرارت اندازه‌گیری‌شده وجود ندارد (به عنوان مثال هیچ سنجش خطایی وجود ندارد) و هیچ تنظیمی برای نرخی که گرما اضافه میشود، وجود ندارد.
یک مثال از کنترل‌های بازخوردی، کنترل پایشی یک خودرو است. در این مثال، سرعت، یک متغیر سنجشی است. اپراتور (راننده) نقطهٔ تعیین‌شده را برای سرعت تنظیم می‌کند (برای مثال ۱۰۰ کیلومتر بر ساعت) و کنترل‌کننده سنسور سرعت را پایش می‌کند و سرعت سنجیده‌شده را با نقطهٔ مرجع مقایسه می-کند. هر انحراف مانند تغییر شیب، اصطکاک، سرعت باد و یا حتی انحرافی که به دلیل استفاده از انواع مختلف سوخت است (به عنوان مثال یک ترکیب اتانول) توسط کنترل‌کننده به وسیلهٔ تنظیم سوپاپ سوخت که یک متغیر دستکاری‌شده است، اصلاح میشود. اگرچه تنظیمات به عنوان متغیر تنظیمی‌ای شناخته می‌شوند که برای رسیدن به کنترل پایدار است، ولی کنترل‌کننده فقط بر اساس اطلاعاتی که در مورد خطا (اندازه، میزان تغییر و یا خطای تجمعی) دارد، قضاوت می‌کند. عملیات یک چنین کنترل‌کننده-هایی موضوع نظریهٔ کنترل است.
دستگاه کنترل مورد استفاده، کنترل کننده منطقی قابل برنامه‌ریزی یا PLC نامیده میشود. این دستگاه مجموعه‌ای از ورودی‌های دیجیتال و آنالوگی که مجموعه‌ای از گزاره‌های منطقی را پیاده‌سازی می‌کنند، می-خواند و در پایان این دستگاه مجموعه‌ای از خروجی‌های دیجیتال و آنالوگ را تولید می‌کند. برای مثال، اگر یک دریچهٔ قابل تنظیم برای نگه‌داشتن سطح مخزن استفاده شود. حکم منطقی، فشار معادل نقطهٔ تعیین‌شده را با نقطهٔ خوانده‌شده توسط سنسور مقایسه می‌کند و میزان باز¬ یا بسته بودن دریچه را برای ثابت نگه‌داشتن سطح مخزن تعیین می‌کند. خروجی PLC میزان افزایشی تغییر در موقعیت دریچه را محاسبه می‌کند. سیستم‌های پیچیده‌تر را می‌توان توسط سیستم توزیع کنترل (DCS) یا سیستم SCADA کنترل کرد.
انواع فرایندهایی که از کنترل فرایند استفاده می‌کنند
در عمل، فرایندها را می‌توان به یک یا چند نوع از اشکال زیر کنترل نمود:
- گسسته: این نوع در بسیاری از فرایندهای تولید، حرکت و بسته‌بندی کاربردی استفاده میشود. مونتاژ روباتیک که در تولید اتومبیل کاربرد دارد می‌تواند به عنوان یک فرایند کنترل گسسته باشد. بیشتر فرایندهای ساخت و تولیدی گسسته شامل تولید قطعات جداگانه‌ای از محصولات میشود؛ مانند ماشین پرس فلزات.
- دسته‌ای: در برخی از کاربردها لازم است تا میزان مشخصی از مواد خام در مسیر خاصی برای مدت زمان معینی ترکیب شوند تا محصول میانی یا نهایی تولید گردد. یک مثال تولید چسب و سریش است که نیاز است مقدار خاصی از مواد خام برای مدت زمان معینی در یک ظرف گرم‌شده ترکیب شوند تا میزان مشخصی از محصول نهایی تولید شود. مثال مهم دیگر در تولید مواد غذایی، نوشیدنی و دارو است. فرایندهای دسته‌ای به منظور تولید کم محصول در هر سال استفاده میشود (از چند پوند تا میلیون‌ها پوند).
- پیوسته: اغلب اوقات یک سیستم فیزیکی از طریق متغیرهایی که در طول زمان گسستگی ندارند و بدون وقفه هستند به نمایش در می‌آیند. کنترل دمای آب در یک کت گرمایشی یک مثال برای کنترل فرایند پیوسته است. برخی از فرایندهای پیوستهٔ مهم، فرایندهای تولید سوخت، مواد شیمیایی و پلاستیک هستند. فرایندهای پیوسته در ساخت و تولید برای تولید مقدار زیادی از محصول در هر سال استفاده می‌شوند (از میلیون‌ها تا میلیاردها پوند).
کاربردهایی که مولفه‌هایی از سه نوع کنترل فرایند گسسته، دسته‌ای و پیوسته را دربرمی‌گیرند، کاربردهای ترکیبی نامیده می‌شوند.
مثال‌ها
- یک سیستم ترمز ضد- قفل یک مثال پیچیده است که شامل چندین ورودی، شرایط و خروجی‌ها میشود.
- کنترل پایداری هواپیما یک نمونه بسیار پیچیده با استفاده از ورودی‌های مختلف و خروجی‌های متنوع است.
سیستم کنترل فرایند (به انگلیسی: Process Control System) یک سیستم تنظیم کننده خودکاری است که شامل خروجی متغیری؛ نظیر دما، فشار،سطح مایع یا PHH می باشد.
کنترل فرایند کاربرد گسترده‌ای در صنعت دارد. در چنین سیستمهایی اغلب از اعمال کنترل برنامه ریزی شده نظیر کنترل دمای کوره‌های حرارتی که در آنها دمای کوره بر اساس برنامه مشخصی کنترل میشود، استفاده میشود. برنامه مشخص مثلاً می‌تواند به این صورت باشد که دمای کوره در مدت مفروضی تا دمای مفروضی افزایش یابد. و سپس در مدت مفروض دیگری کاهش یابد. و به دمای مفروض دیگری برسد. در این نوع کنترل با برنامه، نقطه مقرر یا از پیش تعیین شده بر اساس جدول زمانی معینی تغییر می‌کند. و کار کنترل کننده حفظ دمای کوره در نزدیکی نقطه مقرر متغیر است.
منابع
آزمایشگاه کنترل فرایند
دستگاه‌های موجود در این آزمایشگاه:
- کنترلPID دما به کمک کامپیوتر
ویژگی‌ها
- رسم منحنی مشخصه شیر ورودی
- تعیین رفتار دینامیکی مبدل حرارتی
- بررسی سیستم مدار باز و مدار بسته فرایند
- کنترل PID دمای آب سرد و گرم خروجی به صورت مجزا
- بررسی تاثیر پارامترهای مختلف کنترلی بر سرعت پایداری سیستم
کاربرد
به کمک این دستگاه مفاهیم مربوط به کنترل دمای خروجی از یک مبدل حرارتی را می‌توان درک کرد.
توضیحات
یکی از مسائل مهم در کنترل دمای اینگونه مبدل‌ها رفتار دینامیکی مبدل با توجه به دما و دبی سیالات ورودی است. با مشخص کردن این رفتار می‌توان محدوده دمایی کارکرد مبدل حرارتی را به‌دست آورد. در این دستگاه آب گرم به کمک پمپ از مخزن به روتامتر و شیر کنترلی وارد میشود و پس از عبور از شیر به مبدل حرارتی از نوع صفحه‌ای وارد می‌گردد. آب سرد نیز با دبی مشخص و قابل اندازگیری، جهت تبادل حرارت ورود مبدل حرارتی میشود. نرم‌افزار طراحی شده برای این فرایند توانایی کنترل دمای آب گرم خروجی و آب سرد خروجی از مبدل را دارد.
- کنترلPID فشار به کمک کامپیوتر
ویژگی‌ها
- بررسی رفتار دینامیکی سیستم کنترل فشار در فرآیند درجه اول بصورت مدار باز
- بررسی رفتار دینامیکی سیستم کنترل فشار در فرآیند درجه اول بصورت مدار بسته
- بررسی رفتار دینامیکی سیستم کنترل فشار در فرآیند درجه دوم با اثر متقابل بصورت مدار باز
- بررسی رفتار دینامیکی سیستم کنترل فشار در فرآیند درجه دوم با اثر متقابل بصورت مدار بسته
کاربرد
این دستگاه آزمایشگاهی برای مطالعه کنترل فشار هوای یک خط لوله و بررسی پارامتر های ثابت زمانی انتگرالی و مشتقی، طراحی شده است.
توضیحات
كنترل فشار در صنایع گاهی به دلایل ایمنی بكار گرفته میشود. شیر های اطمینان نصب شده در مخازن جهت جلوگیری از انفجار، عمل كنترل فشار را انجام میدهند. این شیر ها هنگامی كه فشار از حد مشخص شده بالاتر میرود باز شده و با تخلیه گاز از افزایش فشار جلوگیری می نماید. بعضی اوقات كنترل فشار جهت حفظ كیفیت كار یك واحدانجام می شود. بعنوان مثال در برخی از راكتورهای گازی، واکنش ها در یك فشار معین انجام می شوند و یا در برجهای تقطیر، فشار در میزان جداسازی تأثیر داشته و معمولاً از طریق جریان آب سرد كندانسور بالای برج قابل كنترل است. بسته به نوع فرآیند، كنترل فشار از طریق كنترل جریانهای ورودی، خروجی، جریان گازهای بی اثر مانند ازت در ورودی و خروجی مخازن تحت فشار و یا روش های دیگر انجام می گیرد.
- کنترلPID جریان به کمک کامپیوتر
ویژگی‌ها
- بررسي تاثير ضرايب تناسبي و انتگرالي و مشتقي بر عملكرد سيستم كنترل
- بررسي عملكرد كلي سيستم‌هاي كنترل جريان
- مشاهده پروفيل عملكرد سيستم برروي نرم‌افزار مرتبط
کاربرد
می توان با استفاده از این دستگاه نقش پارامتر های ثابت زمانی انتگرالی و مشتقی را بررسی کرد.
توضیحات
رآیندهای مختلف را می توان با استفاده از اصول اساسی مانند انتقال حرارت، جرم، سیالات و ... به صورت یک مدل ریاضی بیان نمود. اما در عمل بسیاری از فرآیندهای صنعتی پیچیده تر از آن هستند که بوسیله مدلهایی که بر مبنای اصول تئوری بدست می آیند، بیان شوند. در اینگونه موارد می توان با انجام آزمایشاتی بر روی فرآیند و کسب اطلاعات تجربی، مدل مناسبی برای آن بدست آورد. تعیین تجربی یک مدل (رفتار دینامیکی) برای یک فرآیند را شناسایی فرآیندمی نامند. مدل‌های بدست آمده در سیستم های کنترل کاربرد دارند.کنترل کردن نرخ جریان سیال گذرنده از خط لوله، در صنایع از اهمیت خاصی برخوردار است. این دستگاه آزمایشگاهی برای