فهرست محتوا
در سیستم های ابزار دقیق الکترونیکی به دو صورت در کنترل فرایند استفاده می شوند:
- کنترل حلقه ی باز یا مانیتورینگ
- کنترل حلقه ی بسته یا خودکار
در مانیتورینگ و کنترل فرایند، داده‌ها به صورت مداوم از حسگرها گرفته شده و به یک تابلو ابزار دقیق که شامل نمودارها، نمایشگرها و صفحه‌های دیجیتالی است، ارسال می‌شود.
در این سیستم، اپراتور انسانی با مشاهده تغییرات در مقادیر اندازه‌گیری شده، تصمیم‌های لازم را درباره پارامترهای مختلف سیستم می‌گیرد. واضح است که در این حالت، اپراتور باید با فرآیند به طور کامل آشنا باشد و به طور مداوم و دقیق تغییرات را زیر نظر داشته باشد، زیرا عدم حضور او می‌تواند منجر به حادثه شود.
بسیاری از کشتی‌ها به این شکل کنترل می‌شوند؛ یعنی یک نفر در اتاق موتور، سرعت کشتی، سرعت موتور، دمای موتور، فشار روغن، سوخت مصرفی و غیره را مانیتور کرده و تنظیمات لازم برای کنترل سرعت کشتی را به صورت دستی انجام می‌دهد.
در سیستم‌های کنترل حلقه بسته یا خودکار، عملگر انسانی حذف می‌شود و به جای آن سیگنال‌های ابزار دقیق الکترونیکی به کار می‌روند.
در این سیستم‌ها، سیگنال‌های به دست آمده از سنسورها با سیگنال‌های فرمان که رابطه ولتاژ-زمان را نشان می‌دهند، مقایسه می‌شوند.
کنترل‌کننده اول اختلاف بین سیگنال فرمان و سیگنال سنسور را اندازه‌گیری کرده و سیگنال خطا یا پسخورد تولید می‌کند.
سپس این سیگنال پسخورد به کنترل‌کننده دوم منتقل می‌شود، جایی که تقویت شده و برای تحریک تجهیزاتی که فرآیند را اصلاح میکنند، استفاده می‌شود.
مثالی از این سیستم‌ها، مکانیزم موقعیت‌دهی با عملگر پیچی است که یک موتور را در حین عملیات ماشینکاری جابه‌جا می‌کند.
موقعیت مطلوب موتور و زمان لازم برای هر موقعیت توسط یک مولد فرمان تعیین می‌شوند تا تغییرات مناسب ولتاژ-زمان را ارائه دهند.
موقعیت واقعی موتور توسط یک مبدل جابه‌جایی اندازه‌گیری می‌شود و تفاوت آن با سیگنال فرمان به کنترل‌کننده اول وارد شده و سیگنال پسخورد تولید می‌شود.
این سیگنال در کنترل‌کننده دوم تقویت شده و برای تحریک تقویت‌کننده جریان استفاده می‌شود. جریان خروجی از این تقویت‌کننده‌ها یک سروموتور را به حرکت درآورده و باعث چرخش پیچ می‌شود.
عملگر پیچی موتور را جابه‌جا کرده و سیگنال پسخورد را به صفر می‌رساند و موتور در موقعیت جدید برای عملیات بعدی قرار می‌گیرد.
کنترل فرآیند نیازمند تنظیم مداوم کمیت‌های آن فرآیند است. تجهیزات مورد استفاده در کنترل حلقه باز و حلقه بسته از جهات مختلفی به یکدیگر شبیه هستند. اکنون به معرفی این تجهیزات می‌پردازیم.
موتور های DC
به جز چند مورد خاص، بیشتر موتورها ماشین‌های دواری هستند که با استفاده از سیم‌پیچ‌های محوری در یک میدان مغناطیسی، داخل یک فضای استوانه‌ای بین دو هسته آهنی حرکت میکنند.
این میدان مغناطیسی توسط سیم‌پیچ‌های ثابت که دور قطب‌های استاتور پیچیده شده‌اند، ایجاد می‌شود. در استاتور، قطب‌های N و S به تعداد زوج و به صورت یکی در میان قرار گرفته‌اند و با جریان ثابت تحریک می‌شوند.
روتور یا آرمیچر، یک استوانه آهنی است که سیم‌پیچ‌های محوری در شیارهای آن قرار دارند و به کموتاتورها متصل می‌شوند. جریان الکتریکی سیم‌پیچ‌های آرمیچر از طریق برس‌های ثابت که روی کموتاتور دوار می‌لغزند، تامین می‌شود.
رابطه ی سرعت – گشتاوردر تمام موتورهای DC چنین است:
V= E+ iRA = KQW + iRA
T = KQi
که :
V ولتاژ ترمینال
E emf تولید شده توسط آرمیچر دوار
Q فلوی مغناطیسی بر هر قطب (برحسب وبر)
i جریان آرمیچر
RA مقاومت آرمیچر و قفسه و دیگر مقاومت ها
K مقداری ثابت برای یک موتور خاص
اگر از تلفات مکانیکی و الکتریکی صرف نظر شوند، توان الکتریکی ورودی به موتور با توان مکانیکی خروجی برابر می شود. در نتیجه :
i = Tw
بر اساس نحوه اتصال سیم‌پیچ‌ها و میدان، موتورهای DC به سه دسته تقسیم می‌شوند: شنت، سری و ترکیبی (کمپوند). موتورهای ترکیبی ویژگی‌های عملکردی هر دو نوع شنت و سری را دارند.
موتورهای DC در سیستم‌های کنترل برای کارهایی مثل عمل کردن شیرهای کنترل جریان، چرخاندن محرک‌های پیچی، تنظیم دمپرها و موارد مشابه استفاده می‌شوند.
کنترل سرعت و گشتاوری که این موتورها تولید میکنند در این کاربردها اهمیت دارد. با تغییر جریان می‌توان گشتاور خروجی این موتورها را تنظیم کرد.
در موتورهای سری، افزودن یک مقاومت متغیر به طور سری با آرمیچر می‌تواند به کنترل سرعت کمک کند. همچنین با تغییر ولتاژ ترمینال، هم سرعت و هم گشتاور موتور قابل کنترل است.
موتورهای پله ای
موتورهای پله‌ای از چند جهت با موتورهای DC متفاوت هستند. اول اینکه استاتور آنها دارای تعداد زیادی قطب با میدان‌های کوچک است که در اطراف محیط استاتور قرار گرفته‌اند.
هر یک از این قطب‌ها از چند دندانه تشکیل شده‌اند. آرمیچر این موتورها از یک یا دو ردیف دندانه و از جنس آهنربای دائمی ساخته شده است، بنابراین سیم‌پیچ، کموتاتور و برس ندارند.
این موتورها از طریق ارسال مجموعه‌ای از پالس‌ها به هر یک از سیم‌پیچ‌های میدان حرکت میکنند.
ویژگی‌های این پالس‌ها مانند دامنه، زمان جهش، مدت زمان دوام و زمان افول آنها به اینرسی موتور بستگی دارد و طوری تنظیم می‌شود که موتور به ازای هر پالس، یک گام در جهت محیطی بچرخد.
بنابراین، کنترل موقعیت زاویه‌ای این موتورها به راحتی با شمارش تعداد پالس‌هایی که به سیم‌پیچ‌های میدان آنها ارسال می‌شود، امکان‌پذیر است.
یک موتور پله‌ای نمونه که از یک آهنربای دائمی با 50 دندانه و یک استاتور چهارقطبی تک فاز ساخته شده، برای هر دور کامل 200 پالس نیاز دارد. یعنی، به ازای هر پالس 1.8 درجه می‌چرخد.
این میزان دقت را می‌توان با اضافه کردن یک ردیف دندانه به آرمیچر، به شرطی که دندانه‌های ردیف دوم دقیقاً بین دندانه‌های ردیف اول قرار گیرند، به 0.9 درجه در هر پالس افزایش داد.
اگر موتور توان کافی برای تولید گشتاور داشته باشد، دقت موتورهای پله‌ای بسیار بالا است. بدون توجه به تعداد گام‌های n، موقعیت آرمیچر با خطایی کمتر از 3% یک گام (3.24 دقیقه‌ای) n1.8 خواهد بود.
قابلیت‌های سرعت و گشتاور این موتورها به اندازه و نحوه ساخت آنها بستگی دارد. موتورهای بزرگ قادرند تا 10 نیوتن‌متر گشتاور تولید کنند. موتورهای کوچک با تک روتور می‌توانند در گشتاورهای بسیار کم و با سرعت‌هایی تا 15000 پالس در ثانیه (معادل 4500 دور در دقیقه) عمل کنند.
بنابراین، کنترل موقعیت زاویه‌ای این موتورها به راحتی با شمارش تعداد پالس‌هایی که به سیم‌پیچ‌های میدان آنها ارسال می‌شود، امکان‌پذیر است.
یک موتور پله‌ای نمونه که از یک آهنربای دائمی با 50 دندانه و یک استاتور چهارقطبی تک فاز ساخته شده، برای هر دور کامل 200 پالس نیاز دارد.
یعنی، به ازای هر پالس 1.8 درجه می‌چرخد. این میزان دقت را می‌توان با اضافه کردن یک ردیف دندانه به آرمیچر، به شرطی که دندانه‌های ردیف دوم دقیقاً بین دندانه‌های ردیف اول قرار گیرند، به 0.9 درجه در هر پالس افزایش داد.
اگر موتور توان کافی برای تولید گشتاور داشته باشد، دقت موتورهای پله‌ای بسیار بالا است. بدون توجه به تعداد گام‌های n، موقعیت آرمیچر با خطایی کمتر از 3% یک گام (3.24 دقیقه‌ای) n1.8 خواهد بود.
قابلیت‌های سرعت و گشتاور این موتورها به اندازه و نحوه ساخت آنها بستگی دارد. موتورهای بزرگ قادرند تا 10 نیوتن‌متر گشتاور تولید کنند. موتورهای کوچک با تک روتور می‌توانند در گشتاورهای بسیار کم و با سرعت‌هایی تا 15000 پالس در ثانیه (معادل 4500 دور در دقیقه) عمل کنند.
سلونوئید
سلونوئید یک سیم‌پیچ است که از چندین حلقه سیم تشکیل شده و دور یک هسته استوانه‌ای پیچیده شده است. وقتی جریان الکتریکی از این سیم‌پیچ عبور می‌کند، یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود که می‌تواند به هسته آهنی داخل سیم‌پیچ نیرو وارد کند. بزرگی این نیرو به جریان الکتریکی، تعداد حلقه‌ها و شکل سیم‌پیچ بستگی دارد.
سلونوئیدها معمولاً برای باز و بسته کردن شیرها استفاده می‌شوند که جریان مایعات را در بسیاری از فرآیندها کنترل میکنند. این شیرها فقط دو حالت باز و بسته دارند که بسته به موقعیت هسته سلونوئید تعیین می‌شود. برای بازگرداندن هسته به حالت اولیه، از فنر استفاده می‌شود.
سلونوئیدها در سیستم‌های هیدرولیک و نیوماتیک نیز کاربرد وسیعی دارند و برای کنترل شیرهای هیدرولیک در مدارهای مختلف استفاده می‌شوند. عملگر آنها جریان روغن را در داخل شیرها قطع و وصل می‌کند.
اجزای سلونوئید در شکل زیر نشان داده شده است:
شیرهای موتوردار (شیر برقی)
در مواردی که کنترل جریان توسط شیرهای سلونوئیدی به خوبی انجام نمی‌شود، از شیرهای موتوردار (شیر برقی) استفاده میکنند. در این موارد، یک موتور DC همراه با یک مکانیزم پیچی به کار می‌رود.
این سیستم امکان تنظیم دقیق دریچه شیر و کنترل دقیق نرخ جریان را فراهم می‌کند. شیرهای موتوردار برای کنترل جریان در فرآیندهایی که تغییرات جریان آهسته و کم هستند، مؤثرند. اما وقتی تغییرات جریان سریع باشد، استفاده از این شیرها مناسب نیست.
شیر های کنترل خودکار
شیرهای کنترل خودکار تجهیزاتی الکترومغناطیسی هستند که برای کنترل جریان استفاده می‌شوند و نسبت به شیرهای موتوردار سریع‌تر پاسخ می‌دهند.
این شیرها به تغییرات سیگنال فرمان خود سریع واکنش نشان می‌دهند. پاسخ فرکانسی که نشان‌دهنده سرعت پاسخ سیستم است، در شیرهای کوچک بین 20 تا 40 هرتز است.
یعنی این شیرها می‌توانند 20 تا 40 بار در ثانیه به تغییرات فرمان ورودی واکنش نشان دهند.
شیرهای کنترل خودکار دو بخش دارند:
1. بخش الکترومغناطیسی: سیگنال‌های کنترلی از یک تقویت‌کننده جریان به سیم‌پیچ می‌رسند و باعث ایجاد نیرویی برای حرکت سیم‌پیچ داخلی می‌شوند.
2. بخش هیدرولیکی: حرکت سیم‌پیچ داخلی، اهرم محرک را که به یک لوله خمشی متصل است، جابجا می‌کند. این حرکت باعث نامتعادل شدن مدار پل هیدرولیکی چهار بازویی از طریق دو اریفیس کنترل ثابت و دو نازل کنترل می‌شود.
نامتعادل شدن سیستم هیدرولیکی، جریان سیال را به یک سمت ماسوره شیر هدایت می‌کند و ماسوره را جابجا می‌کند تا یکی از پورت‌های خروجی بسته شود.
این سیستم هیدرولیکی تقویت‌کننده، اجازه می‌دهد که شیر بزرگ با نیروهای کوچک الکترومغناطیسی حرکت کند. بنابراین، شیر کنترلی با جریان کنترلی کوچکی در حدود 10 تا 50 میلی‌آمپر کار می‌کند.
تجهیزات موقعیت ده (Positioning Divices)
برای ایجاد موقعیت دقیق خطی، می‌توان از موتورهای DC با کنترل فیدبک یا موتورهای پله‌ای استفاده کرد، اما برای ایجاد جابه‌جایی خطی دقیق، نیاز به زیرسیستم‌های مکانیکی دیگری همچون سروموتورها و پیچ‌های محرک وجود دارد.
ساده‌ترین راه برای کنترل دقیق موقعیت، استفاده از یک سروموتور به همراه یک پیچ محرک است. به عنوان مثال، اگر از یک موتور پله‌ای با گام 1 میلی‌متر و حدود 3.24+ یا 3.24- دقیقه استفاده شود، می‌توان تا دقت 0.15 میکرومتر در موقعیت‌دهی داشت.
اما در استفاده از پیچ‌های محرک، دو عیب وجود دارد. اول اینکه سرعت حرکت آنها معمولاً کند است، حداکثر سرعت آنها معمولاً در حدود mm/s100 است.
دوم اینکه در تغییر جهت حرکت، فاصله بین پیچ و مهره باعث ایجاد لغزش می‌شود که ممکن است دقت را کاهش دهد. برای سرعت‌های بالا، می‌توان از جک‌های هیدرولیکی استفاده کرد.
در روش جک‌های هیدرولیکی، موقعیت انتهایی میله پیستون توسط یک شیر خوردکار کنترل می‌شود که جریان را به یک طرف پیستون یا طرف دیگر تنظیم می‌کند.
سرعت میله پیستون به نرخ جریان شیر خوردکار و مساحت سر پیستون بستگی دارد. برای جک‌های با قطر کوچک که به شیرهای با نرخ جریان زیاد مجهز هستند، سرعت میله به m/s10 می‌رسد.
نیروهایی که توسط این عمل کننده‌های هیدرولیکی ایجاد می‌شوند، به فشار هیدرولیک (معمولاً بین 3000 تا 5000 psi) و سطح مقطع پیستون بستگی دارند.
گرمکن های مقاومتی (Resistsnce Heaters)
هنگامی که نیاز به افزایش دمای یک جسم یا جرمی با استفاده از یک سیال وجود دارد، معمولاً از گرمکن‌های مقاومتی استفاده می‌شود. در مایعات، این گرمکن‌ها داخل یک محافظ قرار داده شده و در مکان‌های مختلف نصب می‌شوند.
برای اجساد جامد که در اجاق یا فر قرار دارند، ممکن است از مقاومت‌های مانند میله‌های روشنی (ساخته شده از مواد مانند SiC) یا لامپ‌های کوارتز استفاده شود.
هر دو نوع این مقاومت‌ها قادرند دماهای بسیار بالا تا بیش از 1000 درجه سانتیگراد ایجاد کنند. گرما از طریق تابش مادون قرمز به جسم منتقل می‌شود.
در همه موارد، از یک سیگنال فیدبک همراه با یک تقویت‌کننده جریان برای کنترل توان استفاده می‌شود، تا دمای جسم به دقت مورد نظر برسد.
