مقدمة في أنظمة التحكم

يقدم هذا الدرس مقدمة في موضوع التحكم الآلي، بما في ذلك العناصر الأساسية لنظام التحكم، والوظائف المختلفة للتحكم، والمصطلحات ذات الصلة، مع التركيز على بعض جوانب السلامة والاستقرار ودقة التحكم.

موضوع الأنظمة التحكمية الآلية واسع جداً، ويشمل التحكم في المتغيرات مثل درجة الحرارة والتدفق ومستوى السوائل والسرعة.

الهدف من هذا الوحدة هو تقديم مقدمة في أنظمة التحكم الآلي. ويمكن تقسيم هذا أيضاً إلى جزأين:

• التحكم في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (المعروفة اختصاراً بـ HVAC)؛ و
• التحكم في العمليات الصناعية. كلاهما موضوعان شاسعان، يتراوح الأخير من التحكم في فرن منزلي بسيط إلى نظام إنتاج أو عملية كاملة، كما يمكن أن نجده في مجمع بتروكيماويات كبير. يحتاج مهندس التحكم إلى امتلاك مهارات متنوعة - معرفة بالهندسة الميكانيكية والهندسة الكهربائية والإلكترونيات والأنظمة الهوائية، وفهم عملي لتصميم أنظمة HVAC وتطبيقات العمليات الصناعية، ويزداد اليوم الحاجة إلى فهم الحواسيب والاتصالات الرقمية. الهدف من هذه الوحدة هو تقديم رؤية أساسية في الجوانب العملية والنظرية للتحكم الآلي، والتي يمكن إضافة مهارات أخرى إليها في المستقبل، وليس تحويل الفرد إلى مهندس تحكم. تقتصر هذه الوحدة على التحكم في العمليات التي تستخدم السوائل التالية: البخار والماء والهواء المضغوط والزيوت الحرارية. يتحقق التحكم عموماً عن طريق تغيير تدفق السوائل باستخدام الصمامات المُدارَة. بالنسبة للسوائل المذكورة أعلاه، يتطلب الأمر عادةً قياس التغيرات في درجة الحرارة والضغط ومستوى السوائل والرطوبة ومعدل التدفق والاستجابة لها. وتقريباً دائماً، يجب أن تكون الاستجابة لهذه التغيرات في الخصائص الفيزيائية ضمن نطاق زمني محدد. وسيتم شرح التomanip المتكامل للصمام ومُدارِه مع الوقت، والتحكم الدقيق في المتغير المقاس، لاحقاً في هذه الوحدة. لا يقتصر التحكم في السوائل على الصمامات فحسب. يتم التلاعب ببعض التيارات العملية عن طريق عمل مضخات أو مراوح ذات سرعة متغيرة.

الحاجة إلى أنظمة التحكم الآلي هناك ثلاثة أسباب رئيسية تجعل المنشآت الصناعية أو المباني بحاجة إلى أنظمة تحكم آلية:

• السلامة - يجب أن تكون المنشأة أو العملية آمنة للتشغيل. كلما زادت تعقيد أو خطورة المنشأة أو العملية، زادت الحاجة إلى أنظمة التحكم الآلي وبروتوكولات الحماية.
• الاستقرار - يجب أن تعمل المنشأة أو العمليات بشكل ثابت ومتوقع ومتكرر، دون تقلبات أو إيقافات غير مخططة.
• الدقة - هذا متطلب أساسي في المصانع والمباني لمنع التلف، وزيادة الجودة ومعدلات الإنتاج، والحفاظ على الراحة. هذه هي الأساسيات للكفاءة الاقتصادية. المزايا المطلوبة الأخرى مثل الاقتصاد والسرعة والموثوقية مهمة أيضاً، ولكن يتم قياس كل تطبيق تحكم وفقاً للمعايير الرئيسية الثلاثة: السلامة والاستقرار والدقة. مصطلحات التحكم الآلي تُستخدم مصطلحات محددة في صناعة التحكم، وذلك أساساً لتجنب الالتباس. تتلاقى نفس الكلمات والعبارات في جميع جوانب التحكم، وعند استخدامها بشكل صحيح، يكون معناها عالمياً. يُستخدم النظام اليدوي البسيط الموضح في المثال 5.1.1 والشكل 5.1.1 لتقديم بعض المصطلحات القياسية المستخدمة في هندسة التحكم. المثال 5.1.1 تشبيه بسيط لنظام تحكم في المثال العملي الموضح (الشكل 5.1.1)، يقوم المشغّل يدوياً بتغيير تدفق الماء عن طريق فتح أو إغلاق صمام الدخول لضمان:
• ألا يكون مستوى الماء مرتفعاً جداً؛ وإلا سيهدر عبر الفائض.
• ألا يكون مستوى الماء منخفضاً جداً؛ وإلا لن يغطي قاع الخزان. النتيجة من ذلك هي أن الماء يتدفق من الخزان بمعدل ضمن النطاق المطلوب. إذا تدفق الماء بمعدل مرتفع جداً أو منخفض جداً، فإن العملية التي يغذّيها لن تعمل بشكل صحيح. في المرحلة الأولية، يكون صمام الخروج في أنبوب التصريف ثابتاً في وضع معين. قام المشغّل بوضع ثلاث علامات على جانب الخزان لتمكينه من التلاعب بإمدادات الماء عبر صمام الدخول. تمثل المستويات الثلاثة:

1. أدنى مستوى مسموح به للماء لضمان تغطية قاع الخزان.
2. أعلى مستوى مسموح به للماء لضمان عدم التصريف عبر الفائض.
3. المستوى المثالي بين 1 و 2.

يبين المثال (الشكل 5.1.1) ما يلي:

1. يهدف المشغّل إلى الحفاظ على الماء في الوعاء بين المستويين 1 و 2. يُسمى مستوى الماء الحالة المتحكَّم بها.
2. تتحقق الحالة المتحكَّم بها عن طريق التحكم في تدفق الماء عبر الصمام في أنبوب الدخول. يُعرف التدفق بالمتغير المُعالَج، ويُشار إلى الصمام بوصفه الجهاز المتحكَّم به.
3. يُعرف الماء نفسه بوصفه عامل التحكم.
4. عن طريق التحكم في تدفق الماء إلى الخزان، يتغير مستوى الماء في الخزان. يُعرف التغير في مستوى الماء بالمتغير المتحكَّم به.
5. بمجرد دخول الماء إلى الخزان يُعرف بوصفه الوسط المتحكَّم به.
6. يُعرف مستوى الماء الذي يُحاول الحفاظ عليه على المؤشر المرئي بالقيمة المُعيَّنة (تُعرف أيضاً بنقطة الضبط).
7. يمكن الحفاظ على مستوى الماء عند أي نقطة بين 1 و 2 على المؤشر المرئي وما يزال يلبي معايير التحكم بحيث يكون قاع الخزان مغطى ولا يوجد فائض. أي قيمة ضمن هذا النطاق تُعرف بالقيمة المطلوبة.
8. لنفترض أن المستوى مُحافظ عليه بصرامة عند أي نقطة بين 1 و 2. هذا هو مستوى الماء في حالة الاستقرار، ويُشار إليه بالقيمة المتحكَّم بها أو القيمة الفعلية. ملاحظة: بالرجوع إلى (7) و (8) أعلاه، المستوى المثالي للماء الذي يجب الحفاظ عليه كان عند النقطة 3. ولكن إذا كان المستوى الفعلي عند أي نقطة بين 1 و 2، فذلك لا يزال مرضياً. الفرق بين نقطة الضبط والقيمة الفعلية يُعرف بالانحراف.
9. إذا أُغلق صمام الدخول إلى وضع جديد، سينخفض مستوى الماء وسيتغير الانحراف. الانحراف المستمر يُعرف بالإزاحة. عناصر التحكم الآلي

المثال 5.1.2 عناصر التحكم الآلي

• يكشف عين المشغّل حركة مستوى الماء مقابل مؤشر المقياس المُعلَّم. يمكن اعتبار عينه حسَّاساً.
• تُرسل العين (الحسَّاس) هذه المعلومات إلى الدماغ، الذي يلاحظ الانحراف. يمكن اعتبار الدماغ مُتحكِّماً.
• يعمل الدماغ (المُتحكِّم) على إرسال إشارة إلى عضلة الذراع واليد، ويمكن اعتبارهما مُداراً.
• تُدير عضلة الذراع واليد (المُدار) الصمام، ويمكن اعتباره جهازاً متحكَّماً به. تُكرَّر هذه النقاط بطريقة مختلفة قليلاً لتعزيز المثال 5.1.2: بكلمات بسيطة، هدف المشغّل في المثال 5.1.1 هو الحفاظ على الماء داخل الخزان عند مستوى مُحدد مسبقاً. يمكن اعتبار المستوى 3 هو الهدف أو نقطة الضبط. يتلاعب المشغّل فعلياً بالمستوى عن طريق ضبط صمام الدخول (جهاز التحكم). ضمن هذا التشغيل، من الضروري أخذ كفاءة المشغّل وتركيزه في الحسبان. ولهذا، من غير المرجح أن يكون مستوى الماء بالضبط عند المستوى 3 في جميع الأوقات. عموماً، سيكون عند نقطة أعلى أو أقل من المستوى 3. الموضع أو المستوى في أي لحظة معينة يُسمى القيمة المتحكَّم بها أو القيمة الفعلية. مقدار الخطأ أو الفرق بين نقطة الضبط والقيمة الفعلية يُسمى الانحراف. عندما يكون الانحراف ثابتاً أو في حالة مستقرة، يُسمى انحرافاً مستمراً أو إزاحة. على الرغم من أن المشغّل يتلاعب بمستوى الماء، إلا أن الهدف النهائي هو تحقيق نتيجة صحيحة، في هذه الحالة، تدفق مطلوب من الماء من الخزان. ****تقييم السلامة والاستقرار والدقة يمكن افتراض أن عملية نموذجية كتلك الموجودة في المثال 5.1.1 لا تحتوي على مكونات ثمينة أو ضارة. لذلك، فإن الفائض أو نقص الماء سيكون آمناً، ولكن ليس اقتصادياً أو منتجاً. من حيث الاستقرار، سيكون المشغّل قادراً على التعامل مع هذه العملية بشرط أن يولي انتباهه الكامل والمستمر. الدقة ليست سمة لهذه العملية لأن المشغّل لا يستطيع إلا الاستجابة لخطأ مرئي ومعترف به. ملخص المصطلحات

نقطة الضبط	القيمة المُعيَّنة على مقياس نظام التحكم للحصول على الحالة المطلوبة. إذا كان المُتحكِّم مُعيَّناً على 60 درجة مئوية لتطبيق معين: فإن 60 درجة مئوية تُسمى ‘نقطة الضبط’.
القيمة المطلوبة	القيمة المطلوبة التي يجب الحفاظ عليها في ظل الظروف المثالية.
القيمة المتحكَّم بها	قيمة الحالة المتحكَّم بها المحفوظة فعلياً في ظل الظروف المستقرة.
الانحراف	الفرق بين نقطة الضبط والقيمة المتحكَّم بها.
الإزاحة	الانحراف المستمر.
الحسَّاس	العنصر الذي يستجيب مباشرة لمقدار الحالة المتحكَّم بها.
الوسط المتحكَّم به	الوسط الذي يتحكم فيه النظام. الوسط المتحكَّم به في الشكل 5.1.1 هو الماء في الخزان.
الحالة المتحكَّم بها	الحالة الفيزيائية للوسط المتحكَّم به. الحالة المتحكَّم بها في الشكل 5.1.1 هي مستوى الماء.
المُتحكِّم	جهاز يستقبل الإشارة من الحسَّاس ويُرسل إشارة تصحيحية (أو تحكمية) إلى المُدار.
المُدار	العنصر الذي يُعدِّل الجهاز المتحكَّم به استجابةً لإشارة من المُتحكِّم.
الجهاز المتحكَّم به	عنصر التحكم النهائي في نظام التحكم، مثل صمام التحكم أو مضخة ذات سرعة متغيرة.

هناك العديد من المصطلحات الأخرى المستخدمة في أنظمة التحكم الآلي؛ وسيتم شرحها لاحقاً في هذه الوحدة.

عناصر نظام التحكم في درجة الحرارة ****صوّر المثال 5.1.1 نظام تحكم يدوي بسيط لمستوى السوائل. ويمكن مقارنته بنموذج تحكم بسيط في درجة الحرارة كما هو موضح في المثال 5.1.3 (تحكم يدوي) والشكل 5.1.3. تنطبق جميع العوامل والتعريفات السابقة. المثال 5.1.3 تصوير نظام تحكم يدوي بسيط لدرجة الحرارة المهمة هي إدخال كمية كافية من البخار (وسط التدفئة) لتسخين الماء الوارد من درجة حرارة T1؛ مع ضمان خروج الماء الساخن من الخزان عند درجة الحرارة المطلوبة T2.

تقييم السلامة والاستقرار والدقة بينما يمكن للتشغيل اليدوي التحكم في مستوى الماء في المثال 5.1.1، فإن التحكم اليدوي في درجة الحرارة أصعب بطبيعته في المثال 5.1.3 لأسباب مختلفة.

إذا تغير تدفق الماء، فإن ال_conditions_ ستتغير بسرعة بسبب كمية الحرارة الكبيرة الموجودة في البخار. قد لا تكون استجابة المشغّل في تغيير وضع صمام البخار سريعة بما فيه الكفاية. وحتى بعد إغلاق الصمام، سيبقى اللفائف تحتوي على كمية من البخار المتبقي، والذي سيستمر في التخلي عن حرارته عن طريق التكثيف. التنبؤ بالتغيير يساعد الخبرة بشكل عام، لكن المشغّل لن يكون قادراً على التنبؤ بالتغيير. يجب عليه مراقبة التغير قبل اتخاذ قرار وأداء عمل.

هذا وعوامل أخرى، مثل الإزعاج وتكلفة وجود مشغّل بشري في الخدمة بشكل دائم، وخطأ المشغّل المحتمل، وتغيرات احتياجات العملية، والدقة، والتغيرات السريعة في ال_conditions_، ومشاركة عدة عمليات - كل ذلك يدعو إلى الحاجة إلى أنظمة التحكم الآلي.

من حيث السلامة، تم تقديم جهاز إنذار صوتي في المثال 5.1.3 للتحذير من ارتفاع درجة الحرارة - وهو سبب آخر لأنظمة التحكم الآلي. التحكم الآلي قد تكون الحالة المتحكَّم بها درجة حرارة أو ضغط أو رطوبة أو مستوى سوائل أو تدفق. وهذا يعني أن عنصر القياس قد يكون حسَّاس درجة حرارة أو محول ضغط أو مُرسِل أو كاشف مستوى أو حسَّاس رطوبة أو حسَّاس تدفق.

قد يكون المتغير المُعالَج بخار أو ماء أو هواء أو كهرباء أو زيت أو غاز، بينما قد يكون الجهاز المتحكَّم به صماماً أو بوابة أو مضخة أو مروحة.

لأغراض عرض المبادئ الأساسية، ستركز هذه الوحدة على الصمامات بوصفها جهازاً متحكَّماً به ودرجة الحرارة بوصفها حالة متحكَّماً بها، مع حسَّاسات درجة الحرارة بوصفها عنصر قياس. مكونات التحكم الآلي يبين الشكل 5.1.4 المكونات الأساسية لنظام تحكم أساسي. يُرسل الحسَّاس إشارة إلى المُتحكِّم. يحدد المُتحكِّم، الذي قد يستقبل إشارات من أكثر من حسَّاس واحد، ما إذا كان التغير مطلوباً في المتغير المُعالَج، بناءً على هذه الإشارة (الإشارات). ثم يأمر المُدار بنقل الصمام إلى وضع مختلف؛ أكثر انفتاحاً أو أكثر إغلاقاً حسب الحاجة.

يُصنَّف المُتحكِّمون عموماً حسب مصادر الطاقة التي تُشغّلهم: كهربائية أو هوائية أو هيدروليكية أو ميكانيكية.

يمكن اعتبار المُدار بمثابة محرك. تُصنَّف المُدارات أيضاً بنفس الطريقة حسب مصادر الطاقة التي تُشغّلها، مثل المُتحكِّمات. تُصنَّف الصمامات حسب الإجراء الذي تستخدمه لفتح أو إغلاق فتحة التدفق، وحسب تكويناتها، على سبيل المثال سواء كانت تتضمن عمود منزلق أم حركة دورانية. إذا دُمجت عناصر النظام مع أجزاء النظام (أو الأجهزة)، يمكن رؤية العلاقة بين ‘ما الذي يجب فعله؟’ و’كيف يتم ذلك؟’. قد لا تكون بعض المصطلحات المستخدمة مألوفة بعد. ومع ذلك، في الأجزاء التالية من الوحدة 5، سيتم معالجة جميع المكونات والعناصر الفردية الموضحة في الرسم السابق.