راه‌اندازی PID دما با استفاده از plc دلتا

کنترلر PID دما یک نوع حلقه کنترلی است که در آن هدف اصلی بالا بردن دقت فرایند بر روی کنترلرهایی است که بیشترین پردازش را دارند. راه اندازی PID با استفاده از PLC دلتا به کمک فرمولی است که در آن اختلاف دمای فعلی و دمای مطلوب اندازه‌گیری می‌شود.

سپس در مرحله بعدی مقدار توانی که برای سیکل فرایند فعلی بدون تأثیر تغییرات محیط نیاز است تا دما ثابت بماند را پیش‌بینی می‌کند. در ادامه بیشتر در خصوص PID و شیوه راه اندازی آن به کمک پی‌ال‌سی دلتا که جزو مهم‌ترین تجهیزات اتوماسیون صنعتی است صحبت خواهیم کرد.

PID چیست؟

PID مخفف عبارت Proportional–integral–derivative control است که نوعی کنترل به شکل پیوسته است که دقت آن بسیار بالا و پایدار است. هدف اصلی در PID این است که مقدار PV با SP برابر باشد یا به حداقل میزان خطا برسد. PID نوعی سیستم کنترلی بر پایه فیدبک است.

PID سطح و دما چیست؟

PID سطح یا دما نیازمند تنظیم شدن ضرایب P، I و D هستند که به نوبه خود تأثیر جداگانه‌ای بر روی سیستم دارند. اینکه هر کدام از این ضرایب باید چه مقداری بگیرند کاملا تجربی است و براساس تجربه باید ضرایب مناسب سیستم خود را پیدا کنید.

اگر از ما بپرسید که PID چطور عمل می‌کند باید بگوییم که PID ابتدا به کمک سنسور، مقدار فعلی را اندازه‌گیری کرده و سپس با مقداری که ما تنظیم کرده‌ایم یا SETPOINT مقایسه می‌کند. سپس ضرایب P، I و D و به کمک فرمول مربوطه مقدار PV را به SP می‌رساند.

آشنایی با کنترلر PID دما

در خصوص راه اندازی PID با استفاده از PLC دلتا ابتدا باید با این نوع کنترلر آشنایی کامل پیدا کنید و بفهمید که هر کدام از این ضرایب به چه معنا بوده و چه کاری انجام می‌دهند. همانطور که گفتیم PID مخفف عبارتی است که شامل کلمات Proportional یا تناسبی، Intergral یا انتگرال و Derivative یا مشتق است.

PID به کمک سیستم فیدبک، وضعیت سیستم را به کنترلر ارسال می‌کند تا حالت خروجی با دقت بسیار بالا کنترل شود. به خاطر همین دقت بسیار بالاست که PID کنترلرها پایداری بسیار بالایی دارند و راه اندازی آنها به کمک پی‌ال‌سی دلتا جزو نیازمندی‌های قطعی پی ال سی کاران محسوب می‌شود. تا اینجا سعی کردیم با مفهوم PID کنترلر آشنا شوید تا بتوانید با سیستم‌های کنترلی مبتنی بر فیدبک ارتباط برقرار کنید.

در ادامه برای اینکه بهتر و به طور دقیق کنترلر PID دما را بشناسید تا به درک مطلوب از نحوه راه اندازی PID با استفاده از PLC دلتا برسید به بررسی انواع سیستم‌های کنترلی می‌پردازیم. به طور کلی سیستم‌های کنترلی به دو دسته حلقه باز یا Open-loop و حلقه بسته یا closed-loop تقسیم‌بندی می‌شوند.

در سیستم حلقه باز، فیدبک وجود ندارد و دستور روشن و خاموش شدن از طریق فرد اعمال شده یا در زمان از پیش تعیین شده، سیستم خاموش یا روشن می‌شود. پس فیدبک از خروجی دریافت نمی‌کنیم و نمی‌توانیم وضعیت را تحت کنترل بگیریم تا متوجه بروز خطاها شویم و آنها را برطرف کنیم. سیستم‌های حلقه باز پیچیدگی ندارد و برای پروژه‌های حساس مناسب نیست.

مثالی از یک سیستم کنترلی حلقه باز مثل فن یا پنکه است که حتی اگر دمای محیط هم خیلی سرد شود باز هم مشغول به کار است تا زمانی که خودمان خاموش کنیم. در سیستم حلقه بسته، یک یا چندین فیدبک داریم و سنسورها وضعیت خروجی را به کنترلر گزارش می‌دهند تا به شکل لحظه‌ای کنترل شوند. سیستم‌های حلقه دقت بالایی دارند و برای پروژه‌های حساس هم مناسب هستند.

مقدار گزارش شده توسط سنسورها با مقدار تنظیم شده یا مطلوب به شکل پیوسته مقایسه می‌گردد و اختلاف آن به عنوان خطا گزارش می‌شود. نهایتا خروجی به شکلی اعمال می‌گردد که خطا حذف شده یا کاهش پیدا کند. نمونه مناسبی از سیستم کنترلی حلقه بسته، سیستم کروز کنترل ماشین است که فیدبک لحظه‌ای از سرعت ماشین می‌گیرد تا به سرعت تنظیم شده برسد.

سیستم کنترلی حلقه بسته هم به نوبه خود یا گسسته عمل می‌کند یا پیوسته. در حالت گسسته یا دیجیتال، خروجی به شکل 0 و 1 است یعنی یا فعال است یا فعال نیست. به همین دلیل کنترل گسسته به دو حالت ON/OFF و PWM شناخته می‌شود. در کنترل پیوسته یا آنالوگ، کمیت‌هایی مثل دما، فشار، وزن و غیره که قابل اندازه‌گیری هستند کنترل می‌شوند.

PID کنترلرها معروف‌ترین مدل سیستم کنترل حلقه بسته پیوسته هستند. اکنون که با این کنترلرها آشنا شدید به ادامه مبحث راه اندازی PID با استفاده از PLC دلتا می‌پردازیم.

هدف کنترل در کنترلر PID دما

فرض کنید هدف کنترل در کنترلر PID دما، تنظیم خودکار یا اتومات پارامترهای PID کنترل توسط پی ال سی برای کنترل دمای یک کوره بر روی دمای 80 درجه سانتیگراد باشد.

المان‌ها در کنترلر PID دما

براساس آنچه که گفته شد المان‌ها در کنترلر PID دما به شرح زیر هستند که کارکرد هر کدام نیز گفته شده است.

برنامه کنترل در کنترلر PID دما

برای راه اندازی PID دما با استفاده از PLC دلتا نیاز دارید تا برنامه کنترل را ببینید و با طرز کار آن آشنا شوید. در ادامه برنامه کنترل را مشاهده می‌کنید.

روش‌های تنظیم پارامترهای PID

برای آشنایی با روش‌های تنظیم پارامترهای PID ابتدا بهتر است با این ضرایب و پارامترها آشنایی پیدا کنید. ضریب P که مربوط به سیگنال ارور است که مقدار خطا در ضریب KP یا gain ضرب می‌گردد و هر چقدر خطا بیشتر باشد خروجی هم بیشتر خواهد بود. هر چقدر ضریب P بالاتر باشد پاسخ سیستم هم سریع‌تر خواهد بود و هدف از این پارامتر این است که خروجی را در سریع‌ترین حالت ممکن به مقدار SP یا تنظیم شده یا مطلوب برساند.

بالا بودن ضریب P خطای حالت ماندگار را کمتر می‌کند ولی احتمال نوسانی شدن سیستم نیز وجود دارد. اگر ضریب را خیلی بزرگ تنظیم کنیم کنترلر به شکل ON/OFF کار خواهد کرد و اگر هم خیلی کوچک تنظیم شود تأثیر آن ناچیز شده و ناکارآمد می‌شود. ضریب یا پارامتر I از سیگنال ارور انتگرال می‌گیرد و به سیستم فرمان می‌دهد و در هر دوره سیکل، ارور قبلی با فعلی جمع بسته می‌شود تا زمانی که مقدار ارور صفر شود.

اگر خطا زیاد باشد، خروجی توسط ضریب I به سرعت بالا و پایین شده ولی اگر کوچک باشد تغییرات تدریجی اعمال می‌شود. با توجه به اینکه ضریب I به معنی انتگرال زیر منحنی ارور است پس میزان خطا به تدریج بیشتر شده و خروجی کنترلر هم بزرگ‌تر می‌شود تا جایی که سیستم خطا را صفر کند. ضریب I خطای حالت ماندگار را حذف می‌کند پس برای سیستم‌هایی که تغییرات سریع دارند به کار نمی‌آید.

ضریب یا پارامتر D از سیگنال ارور مشتق می‌گیرد تا شیب خط منحنی خطا به دست بیاید. سپس ضریب D وضعیت فعلی سیگنال خطا را با وضعیت قبلی آن مقایسه می‌کند اگر تغییر داشته باشد به خروجی فرمان می‌دهد. پس اگر مقدار خطا یا ارور ثابت باشد ضریب D تأثیر خاصی نخواهد داشت پس به تنهایی قابل استفاده نیست.

با توجه به موارد گفته شده تنظیم ضرایب PID به دو شکل انجام می‌گیرد. یا تنظیم به شکل دستی است که دشوار است و زمان زیادی می‌برد چون براساس آزمون و خطاست یا به کمک فرمول ریاضی است که پیدا کردن فرمول و محاسبات درست هم در صنایع پیچیده بسیار دشوار و زمانبر است. بنابراین تنظیم ضرایب PID در هر پروژه بسته به شرایط همان پروژه و تجهیزات به کار رفته انجام می‌شود.

طرز کار برنامه کنترلی در کنترلر PID دما

برای راه اندازی PID با استفاده از PLC دلتا یک مثال زدیم و نمونه برنامه کنترلی هم برایتان قرار دادیم. اکنون به بررسی طرز کار برنامه کنترلی می‌رسیم:

• کارت DVP04PT-S به منظور اندازه‌گیری دمای کوره استفاده می‌گردد و نتیجه اندازه‌گیری دما به PLC منتقل می‌شود. در دستور PID باید به درستی پارامترهای گفته شده را تنظیم کنید در غیر این صورت مناسب‌ترین تنظیمات توسط PLC انتخاب خواهد شد.
• دمای محیط تحت کنترل را می‌توانید با کمترین میزان انحراف یعنی کمتر از 8 درجه سانتیگراد ثابت نگه دارید. فعال شدن فلگ های M0 و M1 توسط کاربر و اجرای دستور MOV و تنظیم مقدار D204=K,3 همه پارامترهای PID کنترل به شکل اتوماتیک تنظیم خواهند شد.
• بعد از گذشت چندین دقیقه، پارامترهای PID هم تنظیم گشته و اتوتیون تمام می‌گردد پس از آن به کمک PLC مقدار D204 با K4 برابر می‌شود. در این مد دما با روش PID کنترل شده و مخصوص PID کنترل دما و حفظ آن در حد مدنظر یا مطلوب است.
• با مقایسه کردن دمای اندازه‌گیری شده از اطراف و دمای مطلوب، PLC تحت عنوان یک کنترل کننده برای تنظیم دمای محیط توسط PID اطلاعات پردازش می‌شود و برحسب مقدار انحراف از دمای مدنظر ما فرمان لازم صادر می‌گردد. این فرمان در دستور PID در رجیستر D0 ذخیره می‌گردد. مقدار D0 پهنای پالس دستور GPWM را تعیین کرده و با اجرای این دستور خروجی Y0 پی ال سی به تبع D0 فعال می‌گردد. پس با این رویه می‌توان روشن شدن هیتر را در کوره کنترل کرد.

بلوک دیاگرام کنترل PID را در شکل زیر مشاهده می‌کنید.

به طور کلی تنظیم ضرایب کنترل PID نیازمند آزمون و خطا در اجرا و کنترل فرایند است. برای کنترل دما از روش اتوتیون استفاده می‌شود و برای تنظیم پارامترهای K₁، K_D و K_P در پروسه‌های دیگر باید مراحل زیر را طی کنید:

• مقدار K₁ و K_D را 8 و K_P را صفر، 08 یا 00، 08 تنظیم کنید. منحنی‌های مربوط به PV در شرایط گوناگون مشابه تصویر زیر هستند.

• در شکل مشاهده می‌کنید که اگر K_P را 08 بگذارید، پاسخ سیستم به شکل فراجهشی یا overshoot خواهد بود که اصلا مطلوب نیست. اگر K_P را 02 بگذارید فراجهش به وجود نمی‌آید و با وجود خطای حالت ماندگار به مقدار مطلوب یا مدنظر نزدیک‌تر هم خواهید شد. اما این انتخاب هم رد می‌شود چون تغییر ناگهانی و سریع پاسخ گذرا پیش می‌آید.
• اگر K_P را 01 بگذارید پاسخ سیستم کندتر می‌شود و با وجود خطای حالت ماندگار به مقدار مطلوب نزدیک می‌گردد. اگر K_P را 5 تنظیم کنیم پاسخ سیستم خیلی کند خواهد شد و به مقدار SV نخواهد رسید پس مناسب سیستم ما نیست. با انتخاب K_P برابر با 10 باید K1 را از کوچک به بزرگ یعنی 0 تا 4، 2، 1 انتخاب نمایید. پس به طور کلی K₁ نباید از K_P بزرگ‌تر باشد که با انتخاب مقدار درست خطای حالت ماندگار کاهش پیدا خواهد کرد.
• K_D را از کوچک به بزرگ می‌توان انتخاب کرد (0.2، 0.1، 50.0، 0.01) و اینکه نباید از 08% K_P بزرگ‌تر باشد. اگر K_D درست انتخاب شود و مقداردهی گردد آشفتگی‌های بزرگ خارجی با سرعت بالا کنترل شده و تثبیت خواهند شد. نهایتا منحنی SV و PV به شکل زیر در خواهند آمد.

در شکل بالا مشخص است که با تنظیم کردن K_P و K₁ سرعت پاسخ سیستم افزایش پیدا خواهد کرد و خطای حالت ماندگار هم کمتر می‌گردد تا به مقدار مورد نظر در SV برسیم. دقت کنید که ضرایب PID بسته به شرایط سیستم گرمایش تنظیم و انتخاب می‌شوند و تنظیم این مقادیر هم تا حد زیادی تجربی است که در راه اندازی PID با استفاده از پی ال سی دلتا اهمیت پیدا می‌کند.

در تصویر زیر مشاهده می‌کنید که پاسخ گذرا سیستم‌های کنترلی در اکثر موارد قبل از اینکه به حالت ماندگار برسند نوسان میرا دارند. برخی از مشخصات پاسخ گذرا در ادامه توضیح داده‌ایم.

• Tr یا زمان صعود یا rise time: مدت زمانی که طول می‌کشد تا پاسخ از 80% به 80% مقدار نهایی برسد با این پارامتر مشخص می‌گردد و به نوعی سرعت پاسخ را معلوم می‌کند.
• Ts یا زمان نشست یا settling time: مدت زمانی که طول می‌کشد تا منحنی پاسخ به محدوده مشخصی حول مقدار نهایی برسد و ثابت بماند.
• Tp یا زمان اوج یا peak time: مدت زمان لازم برای اینکه به اولین فراجهش برسد.

طبق جدول زیر می‌توانید ارتباط و تأثیر پارامترهای PID کنترل در مشخصات پاسخ را مشاهده کنید.

• در دستور PID چند روش داریم که با توجه به فرایند باید مدل درست انتخاب گردد. در مثالی که بررسی شد از روش اتوتیون برای تنظیم اتوماتیک ضرایب PID استفاده شده است. اما دقت کنید که این روش فقط برای کنترل دماست و برای کنترل سرعت و فشار کاربردی ندارد.
• به منظور کنترل دما در پی ال سی دلتا امکان اتوتیون کردن پارامترهای PID کنترل وجود دارد که پس از آن همه ضرایب K₁، K_D و K_P به کمک پی ال سی تنظیم می‌شوند پس برای کنترل دما نیاز نیست مراحلی که گفته شد را طی کنید.

شکل‌های زیر نشان می‌دهند که برای دستیابی سریع‌تر و بهتر به دمای هدف که همان 80 درجه سانتیگراد است، نتایج به دست آمده از روش Auto tune به چه صورت هستند.

تنظیمات اولیه: ابتدا بهترین ضرایب برای کنترل PID دما انتخاب گردیده و اجرا می‌شوند و در رجیسترهای D200~D219 ذخیره می‌گردند. مرحله تنظیم خودکار پارامترها و پاسخ گذرا در شکل قابل مشاهده است.

با کمک ضرایب K1، KD و KP تنظیم شده منحنی کنترل مشابه تصویر زیر خواهد شد و همانطور که می‌بینید بعد از تنظیم اتوماتیک و Auto tuning عملکرد عالی دارد و دما بعد از 2 دقیقه به مقدار مدنظر یا مطلوب می‌رسد.

در مثالی که گفتیم D219~D200 محل ذخیره پارامترهای PID است چون در قسمت S3 دستور PID رجیستر D200 استفاده شد. در ابتدای برنامه می‌بینید که زمان نمونه برداری دستور PID در رجیستر D200 دقتی معادل با 10 میلی ثانیه و در رجیستر D20 زمان یک سیکل از اجرای دستور GPWM دقتی برابر با 1 میلی ثانیه است. طول این 2 مدت زمان باید معادل با هم تنظیم گردد.

نکته بعدی این است که زمان نمونه برداری دستور PID باید نسبت به زمان نمونه برداری از مقدار کمیت PV دو برابر باشد که معمولا بین 2 تا 6 ثانیه تنظیم می‌شود. در دستور 01 بیتی PID، در قسمت S3، 28 رجیستر اشغال می‌گردد. جدول زیر نشان می‌دهد که پارامترهای هر رجیستر چیست.

تثبیت مقدار PV که در دستور PID استفاده می‌کنید باید قبل از اجرای دستور اتفاق بیفتد یعنی مقادیر مختلف فورا به دستور وارد نشوند. اگر از کارت‌های مدل DVP04PT، DVP06XA، DVP04DA و DVP04AD برای کنترل سیستم توسط PID استفاده می‌کنید باید بدانید که چقدر طول می‌کشد تا داده‌های آنالوگ به دیجیتال تبدیل شود. بیشترین خطا در اجرای دستور PID مربوط به زمان نمونه‌گیری PID است و همانطور که گفتیم باید از مدت زمان اسکن برنامه بیشتر باشد.

ضمنا می‌توانید این زمان اسکن را به شکلی تنظیم کنید که ثابت باقی بماند. در راه اندازی PID با استفاده از PLC دلتا به این نکته دقت داشته باشید که عملکرد PID تا حد زیادی وابسته به شرایط محیطی مثل جرم، توان سیستم گرمایشی یا سرمایشی و نیاز کاربر است. به عنوان مثال در یک سیستم خاص، overshoot خسارت ایجاد می‌کند اما زمان رسیدن به دمای مطلوب مهم نیست و برعکس.

اصطلاحات کاربردی در PID

در راه اندازی PID با استفاده از PLC دلتا باید با اصطلاحات رایج این حوزه آشنایی کامل داشته باشید:

• مقدار setpoint به مقدار مدنظر ما مربوط است که برای سیستم مشخص می‌گردد. مثلا مشخص می‌کنیم که یک پمپ باید به شکلی کار کند که ارتفاع سطح آب در یک تانکر از حد خاصی بالاتر یا پایین‌تر نرود یا یک کولر به نحوی کار کند که دما از حد خاصی بالاتر نرود. به این مقدار SP هم می‌گویند.
• present value مقداری است که توسط سنسور اندازه‌گیری شده و همان مقدار لحظه‌ای است که در خروجی می‌بینیم و به آن PV گفته می‌شود.
• تفاوت و اختلافی که بین PV و SP وجود دارد به آن خطا یا error می‌گویند که هر چقدر کمتر باشد سیستم دقت بیشتری خواهد داشت. PID کنترلرها تلاش می‌کنند این مقدار را به صفر برسانند.
• ضرایب PID یعنی همان ضرایب P، I و D هر یک تأثیر مخصوص خود را روی سیگنال خطا می‌گذارند. در یک سیستم و پروژه با توجه به شرایط فعلی باید به این ضرایب مقداردهی کرد تا نتیجه مناسبی بگیریم.

سخن آخر

در این مطلب در خصوص راه اندازی PID با استفاده از PLC دلتا صحبت کردیم و با پارامترهای مختلف آن و نحوه تنظیم هر یک با یک مثال کاربردی صحبت کردیم. دقت داشته باشید که تنظیم پارامترها برای راه اندازی یک امر تجربی است و با توجه به شرایط هر پروژه تعیین می‌گردد.

سؤالات متداول

1. پارامترهای ضریب PID چیست؟

✅این پارامترها یا ضرایب شامل P، I و D هستند که تأثیر هر کدام بر روی فرایند متفاوت است.

2. بهترین مقادیر ضرایب PID چطور تعیین می‌شوند؟

✅براساس شرایط و نیاز پروژه و به شکل تجربی.