بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحي و پياده سازي کنترل کننده فازي با استفاده از PLC براي يک سيستم WIND UP و مونيتورينگ آن بوسيله HMI
چکيده : اين مقاله يک روش جهت پيـا هسازي سيستم کنترل فـازي بـر روي دستگـاههـاي وايــنداپ (WIND UP) کــارخانجات تولــيد نـ خ پلـيمـري ارائـه مي دهد. سيستم کنترلي فوق از طريق کنترل کنندههاي منطقي برنامه پذير (PLC) پيـاده ســازي شــده و وضعيــت آن توسـط سيستم رابط بين انسان و ماشين (HMI) مونيتورينگ مي گردد. هدف از انجام اين پروژه تنظـيم وکنترل کشـش نــخ دسـتگاههـاي واينـداپ بـه منظور جلوگيري از پارگي نـخ با درنظرگرفتن سرعت خطي توليد نخ وسرعت زاويـه اي قرقـره هـاي جمع کن مي باشد.
از آنجا که مقوله ي هزينه در صنايع به عنوان يک فاکتور مهم و اساسي مدنظر مي باشد، سيستم PLC استفاده شده در ايـن مقالـه از سـادهتـرين و ارزان قيمت ترين نوع انتخاب شده است . اين مدل PLC بدون هيچگونه ماژول فازي و يا نرمافزار مرتبط بوده وکليه پارامترهاي توابع عضويت و خود کنترلکنندهي فازي بدون استفاده از نرمافزار MATLAB ، توسط PLC پيادهسازي شده است . الگوريتم طراحي شده براي ايجـاد سيسـتم فـازي فوق درPLC قابل تعميـم و استفاده براي سيستم هـاي ديگـر بــوده و تنها مختص سـيستـم واينـداپ ذکـر شـده در ايـن مـقالـه نمي باشد.
کلمات کليدي : سيستم واينداپ (WIND UP) ، کنترل کننده فازي، کنترل کنندههاي منطقي برنامـه پــذير (PLC) ، سيستــم رابــط بيــن انسـان و ماشـين (HMI).
١- مقدمه
امروزه با مکانيزه شدن سيستم هاي موجود در صنايع مختلـف وکـاهش نقش انسان در اپراتوري ماشين هاي صنعتي نياز به سيستم هاي کنترل خودکار بيش از پيش مورد توجـه قـرار گرفتـه اسـت . تکنولـوژيهـاي گوناگوني براي طراحي و اجراي سيستم هـاي کنتـرل خودکـار معرفـي گرديده اسـت . يکـي از پـر کـاربردترين ايـن تکنولـوژيهـا در صـنعت سيستم هاي مبتني برکنترلکنندههـاي منطقـي برنامـه پـذير (PLC) مي باشد. از دلايل پر کاربرد بودن PLCها مي تـوا بـه مـواردي ماننـد قابليت اطمينان بالا، سادگي ، انعطاف پذيري بالا و هزينه هاي نگه داري وراه اندازي پايين اشاره نمود [١]. بنابراين باتوجه به موارد اشاره شـده، پيکره و ساختار اکثر سيستم هاي کنترل پيچيدهي صنعتي بـر پايـه ی PLCها بنا نهاده شده است .
در ابتدا براي کنترل سيستم هـا از روشهـاي کنترلـي مختلفـي ماننـد کنترل PID ، کنترل بهينه وکنترل وفـقــي اسـتفاده مـي شـد. ولــي امـروزه از روشهاي هوشمند مختلفي نظير شبکه هاي عصـبي ، منطـق فازي و شبکه هاي فازي - عصبي استفاده مي شود. در اين مقاله روشـي را ارائه مي دهيم که با استفاده از آن بتوان سيستم هاي کنترل فـازي را برروي تجهيـزات و ماشـين آلات صـنعتي پيـادهسـازي نمـود. جهـت دستيابي به اين هدف، ازکنترل کنندههاي منطقي بـرنامه پذير(PLC) استفاده مي کنيم [١،٣]. برخلاف روشهـاي معمـول کـه از نـرم افـزار MATLAB براي طراحـي و پيـادهسـازي کنتـرل کننـدههـاي فـازي استفاده مي شود ما در اين مقاله از PLC به جاي اين نرمافزار اسـتفاده کردهايم . با توجه به نياز صنعت به استفاده از سيستم هاي کنترلـي کـم هـــزينه ، در ايـــن پـــروژه از ارزانتــرين و ســادهتــرين مــدل PLC (DELTA DVP20EX00R2) اسـتفاده شـده اســت . ايــن مــدل PLC داراي هيچـگونـه مـاژول فازي و يا نرمافزار سطح بالا نمي باشد. در ايـــن پـــروژه از روش فـــوق در سـيســـتم هـــاي وايــــنـــداپ (WIND UP)کارخانه ي تولـيـد نـخ پلـيـمري استـفـاده شده اسـت .
در فرآيند توليد نخ هاي پليمري يکي از مهم ترين بخش هـاي سيسـتم ، قسمت واينداپ يا جمع کن نخ مي باشد. در اين فرآيند نخ پـس از يـک سري عمليات با يک سرعت مشخص که سـرعت خطـي توليـد ناميـده مي شود، وارد قـسمت واينداپ شده و توسط قرقره با يک سرعت زاويه - اي که رابطه مستقيم با نيروي کشش نخ دارد، جمع مي گردد.
هـدف اصلي پـروژه کنترل نـيروي کشش نخ با استفاده از يک کنترل- کننده ي فازي و پياده سازي آن تـوسط PLC مي باشد. از آنجا که براي طراحي کنترلکنندهي فازي از نرم افـزار MATLAB اسـتفاده نشـده است ، کليه پارامترهاي توابع عضـويت وروديهـا و خروجـي هـا (فـازي سازي )، موتور استنتاج و غير فازي سازيها در نـر افـزار PLC تعريـف واجرا گرديده است . روابط فـازي پيادهســازي شـده در PLC ، از نـوع ممداني مي باشد. براي نمايش تغييرات پارامترهاي مختلـف سيسـتم از يک رابط بين انسان و ماشين (HMI) اسـتفاده کـردهايـم [٢]. در ايـن رابط ابتدا مقادير مطلوب پارامترهاي توسـط اپراتـور وارد گرديـده و از طريق پروتکل ارتبـاطي RS٤٨٥ واردPLC شـده و پـس از تجـزيــه و تحـليـل توسـط PLC نمـايــش داده مـي شـوند. چـون بـرا اجـراي دستورات PLC نياز به يک محرکه داريم از يـک درايــو AC سرعــت متغير استفاده شده که خروجي آن به موتـور قرقـره وصـل مـي گـردد.
سيستم کنترل استفاده شده به صورت ON LINE بوده و اطلاعات در هر لحـظه توسـط يک ترانـسميتر از خروجي به PLC انتقال داده مي - شود.
نکته حائز اهميت در اين پروژه اينست که هيچ گونه تابع انتقالي بـراي طراحي کنترلکننده در اختيار نداشته ايم و کنترل کننـده بـه صـورت مستقل از مدل سيستم طراحي شده است . در بخش (٢) کليه تعـاريف و روابط مربوط به ورودي و خروجي و بلوک دياگرام سيستم ذکر شـده است . در بخش (٣) به معرفي و سپس طراحي کنتـرلکننـدهي فـازي پرداخته شده است . در بخش (٤) پيادهسازي سخت افزاري توضيح داده مي شود. در بخش (٥) نتايج و نمودارهاي پياده سازي شده معرفي مي - گردد. در بخش (٦) اين مقاله را با ارائه نتايجي به اتمام مي رسانيم .
٢- توصيف متغيرهاي ورودي و خروجي سيستم
فرآيـند توليد نخ هاي پليمري از قسمت هاي مختلفي تشکيل مي گـردد کـه در ايـن پـروژه قسمت کنترل واحد واينداپ آن مـورد توجـه قـرار مي گيرد. در اين واحد نخ توليد شده در قسمت هاي قبل فرآيند بـه دور قـرقـرهها جمع شده و محصـول نهـايي را تشـکيل مـي دهـد. سـرعت زاويه اي قرقره جمع کن را به عنوان ورودي و کشش نـخ را بـه عنـوان خروجي سيستم تعريف مي کنيم . بلوک دياگرام اين سيسـتم SISO در شکل (١) نمايش داده شده است .
شکل (١) : بلوک دياگرام سيستم
بر اساس بلوک دياگرام شـکل (١) بـا افـزايش سـرعت زاويـه اي قرقـره کشش نخ افزايش يافته و بالعکس . همچنين با جمع شـدن نـخ بـرروي قرقره ، به علت افزايش قطر قرقره نيروي کشش نخ با گذشت زمان نيـز افزايش مي يابد.
در اين سيستم نيروي کشش نخ متناسب با تغيير سرعت زاويه اي قرقره تغيير مي کند ولي هيچگونه کنترلي بر روي ميزان اين تغييرات وجـود ندارد که باعث پاره شدن نخ و يا شکستن و از بين رفتن قرقره مي شود.
به همين جهت براي کنترل نيروي کشش نـخ از يـک کنتـرل کننـده استفاده مي کنيم . بلوک دياگرام اين سيستم جديد در شکل (٢) نمايش داده شده است .
شکل (٢) : بلوک دياگرام سيستم به همراه کنترلکننده
براي کنترل اين سيستـم مي توان از کنترلکنندههاي کلاسيک ماننـد کنترلکنندهي PID و يا هوشمند مانند منطق فازي ، شبکه هاي عصبي و يا شبکه هاي عصبي - فازي استفاده نمود.
امروزه کاربرد کنترل کنندههاي هوشمند به خصوص کنتـرل کننـدهي فازي گسترش يافته است . يکي از دلايـل اسـتفاده از کنتـرل کننـدهي فازي دراين پـروژه عـدم اطلاع از تابـع انتـقـال سيستــم اسـت [٤] و دليل ديگر، پيادهسازي آسانتر اين نوع کنترل کننـده از طريــق PLC مي باشد.
يکي از عيوب سيستم فـوق اينسـت کـه سـرعت خطـي توليـد نـخ در طراحي و پيادهسازي لحاظ نشده است . جهت رفع ايـن عيـب ، سـرعت خطي توليد را نيز به عنوان يکي از وروديهـاي ديگـر کنتـرل کننـده فازي تعريف مي نماييم . بنابراين کنترل کننـده داراي دو ورودي و يـک خروجي مي شود. وروديهاي کنـترل کننده عبارتند از سـرعت خطـي نخ V وکشش نخ T وخروجي آن سرعت زاويه اي قرقره ω مـي باشـد.
بلوک دياگرام سيستم فوق در شکل (٣) نمايش داده شده است .
شکل (٣) : بلوک دياگرام سيستم به همراه کنترلکننده با دو ورودي
٣- معرفي و طراحي کنترل کننده فازي
الف ) معرفي کنترل کنندهي فازي
همان طوري که در بخش (٢) مشاهده گرديد، کنترل کننـدهي فـ زي داراي دو ورودي و يک خروجي مـي باشـد. ورودي اول سـرعت خطـي توليد نخ مي باشـد بـا V نمـايش داده مـي شـود. ورودي دوم خطـاي حاصل از کشش نخ بوده و با E نمايش داده مي شود. ايـن خطـا مقـدارٍ اختلاف بين کشش نخ مطلوب وکشش نخ واقعي مي باشد.
خروجي ، سرعت زاويه اي قرقره بوده و با ω نمايش داده مي شود. هـدف از طراحي اين کنترلکننده فازي ، تنظيم و کنترل نيـروي کشـش نـخ مي باشد.
از آنجايي که اين سيستم به طور عملي در تجهيزات صنعتي طراحـي و پيادهسازي شده و هدف ما استفاده از PLC در اين فرايند بـوده اسـت ، روند طراحي و پيادهسازي کنترلکنندهي فازي از همـان ابتـدا در نـرم افزار PLC طراحي شده و از نرم افزارهاي مـرتبط بـا طراحـي کنتـرل کنندههاي فازي مانند MATLAB استفاده نگرديده است .
حسن استفاده از PLC براي طراحي کنترل کنندهي فازي در اين است که به راحتي قابل تعميم و استفاده در تجهيزات صنعتي ديگري غير از سيستم واينداپ ذکر شده در اين پروژه و يـا حتـي مـدل PLC گفتـه شده مي باشد.
ب) طراحي کنترلکننده ي فازي
کنترل کننده فازي استفاده شده در اين پروژه از نـوع ممـداني بـوده و براي طراحي اين کنترل کننده از روش فـازي سـازي منفـرد اسـتفاده شده است . کليه ي توابع عضويت وروديها و خروجي ، بـه علـت امکـان پياده سازي درPLC، از نوع مثلثي انتخاب گرديده است . تابع عضـويت ورودي ســـرعت خطــي V داراي ســه ناحيــه ي B,M,S بــوده ودر محدوده ي (m.min) [١٥,٥٠] تعريف شده است . تـابع عضـويت ورودي خطاي کشش E داراي پنج ناحيه VB,B,Z,S,VS بوده ودر محدوده تعريف شده است . شـکل نـواحي تعريـف شده در توابع عضويت وروديها و خروجـي در شـکل هـاي (٤) تـا (٦) نمايش داده شده است .
شکل (٤) : خطاي کشش نخ ( E)
شکل (٥) : سرعت خطي توليد نخ (V)
