تحقیق مقاله کنترل قطعات از طریق وب

دیباچه

 کنترل کلمه ای است که بشر از ابتدای خلقت به دنبال شیوه های گوناگون آن بوده است. بشر نخستین(ناندرتال) با آزمون روش های مختلف  به دنبال رام کردن طبیعت و بارور کردن  زمین بود. با تشکیل جوامع بشری از کوچکترین شکل خود(خانواده)انسان به دنبال تحت اختیار گرفتن جنبه های مختلف زندگی بوده است. به دنبال گسترش زندگی اجتماعی و بوجود آمدن مبانی حکومتی، افراد  مختلف به سبب قدرت، مکنت، اصالت خانوادگی و... در پی کسب برتری نسبت به سایرین که منجربه در دست داشتن اختیار خود و دیگران بوده، تلاش میکردند. به دنبال این خصیصه که حس جاه طلبی انسان را تحریک می کرد برای بدست آوردن قدرت و کنترل بیشتر میان جوامع مختلف جنگهای خونینی رخ داده است که حتی در صده های اخیر نیز شاهد آن بوده ایم.

با شکل گرفتن فناوری و خارج شدن بشر از ورطه جهالت  تلاش برای بدست گرفتن کنترل، انسان را به یافتن شیوه های جد ید برای ارضای آز خویش وا داشت. با اختراع اسلحه دیگر دوران شمشیر و کمان به سر آمد. با به میدان آمدن توپ و تانک دیگر جایی برای اسب و منجنیق نبود.

اما در دنیای فناوری هیچ چیز متوقف نمی شود. با کشف کامپیوتر و هوش مصنوعی زندگی بشر به کلی دگرگون شد. با این اکتشافات از ارزش جنگ افزار روزبه روز کاسته می شد و بر اهمیت تبلیغ و علوم وابسته به هوش مصنوعی افزوده می شد. اندک اندک کنترل جنبه فیزیکی خود را به جنبه فکری بدل می کرد و تشنگان قدرت به دنبال راههای کنترل افکار افتادند و نه کنترل اجسام.

اما اگر به سطح خرد جامعه بنگریم در می یابیم که هر انسانی چه برای ارضای حس جاه طلبی و چه برای رفاه و آسایش خود به دنبال روشهایی برای کنترل و تحت اختیار داشتن شئونات زندگی خود است. این کنترل شامل اعضای خانواده، اسباب زندگی، لوازم کار و... می شود.

با نگاه به زندگی بشری از زمان شکل گیری بنیان زندگی خانوادگی مشاهده می کنیم که اولین مظهر پیشرفت بشریت در خانه انسان نمایان می شود و همواره این پیشرفت برای توسعه رفاه انسان بوده است.

از زمان اختراع چرخ تا اولین کامپیوتر و لامپ خلا ء  اسباب زندگی به شکل شگرفی دچار دگرگونی شده اند. اما تغییرات عمده در نیم قرن اخیر رخ داده است که کامپیوتر وارد زندگی شخصی هر فرد شده و هر که بیشر و بهتر از مزا یای آن مطلع شد و بهره برد، رفاه بیشتری خواهد داشت.

امروزه کار بدانجا رسیده است که انسان حاضر نیست حتی برای خاموش کردن یک چراغ از جای خود حرکت نماید و حال که فن آوری اینچنین اجازه ای به او میدهد او نیز حریصانه طالب آن است. امروز حتی می توان از فواصلی بعید به کنترل آنچه مربوط به ماست بپردازیم، کاری که بشر نخستین در رویا میدید.

در این پایان نامه  برحسب موضوع به ارائه شمایی از یک سیستم کنترل وسایل(اسباب منزل,خطوط تولیدات صنعتی,...) از طریق فناوری اینترنت به عنوان یک شبکه ارتباطی و از راه دور می پردازیم. در این راستا سعی شده است تا از سخت افزار و نرم افزار مناسب استفاده شود، اما ذیق وقت و در بعضی موارد کمبود امکانات دایره مقدورات را تنگ نمود و حاصل آن،این پایان نامه است که تقدیم میگردد.

فصل اول _ پیش درآمد

- اتوماسیون صنعتی

درابتدا بهتر است کمی با مفهوم اتوماسیون یا به معنای ساده تر کنترل دستگاههای صنعتی با استفاده از کامپیوتر آشنا شویم.

1-1- لزوم استفاده از اتوماسیون صنعتی

با توجه به پیشرفت بسیار سریع تکنولوژی و وجود رقابت‌های شدید در بین صنعت‌گران دو مقوله دقت و زمان در انجام کارهای تولیدی و خدماتی بسیار مهم و سرنوشت‌ساز شده است. دیگر سیستم‌های قدیمی جوابگوی نیازهای صنعت توسعه یافته امروز نبوده و به کار بردن سیستم‌هایی که با دخالت مستقیم نیروی انسانی عمل می‌کنند، امری نامعقول می‌نمود. چرا که در این موارد دقت و سرعت عمل سیستم بسیار پایین و وابسته به نیروی کاربر است.

بنابراین ماشین‌های هوشمند و نیمه‌هوشمند وارد بازار صنعت شدند و بعد از مدتی آن چنان جای خود را پیدا کردند که علاوه بر زمینه‌های صنعتی در کارهای خدماتی نیز جایگاه ویژه‌ای یافتند. کنترل سیستم‌های بسیار پیچیده‌ای که قبلا غیرممکن بود به راحتی انجام می‌گرفت. مکانیزه کردن سیستم‌ها و ماشین‌آلات (اتوماسیون صنعتی) مقوله بسیار مهم و پرطرف‌داری شده و نیاز به آن هر روز بیشتر و بیشتر مشهود می‌شود.

اتوماسیون صنعتی در زمینه‌های بسیار گسترده‌ای کاربرد دارد. از مکانیزه کردن یک ماشین بسیار ساده کنترل سطح گرفته تا مکانیزه نمودن چندین خط تولیدی و شبکه کردن آن‌ها. با نگاهی به محیط اطرافمان می‌توانیم نمونه‌های بسیار زیادی از کاربرد اتوماسیون را در اغلب زمینه‌ها پیدا کنیم. اتوماسیون در واحدهای مسکونی جدید، در شبکه‌های مخابراتی، در سیستم‌های دفع فاضلاب، سیستم توزیع برق، کارخانجات مختلف و ... .

در یک سیستم اتوماسیون شده کنترل پروسه توسط ماشین انجام می‌شود و در این سیستم‌ها دخالت انسان به حداقل و در برخی موارد به صفر رسیده است. سیستم با گرفتن سیگنال‌های ورودی از قطعاتی نظیر سنسورهای تشخیص فشار، رنگ، سطح مایعات، قطعات فلزی، سنسورهای دما، میکروسوئیچ‌ها، کلیدها و شستی‌ها، واسط‌های کاربر با ماشین و نظایر آنها وضعیت موجود را حس کرده و بررسی می‌کند و سپس در مورد عکس‌العمل ماشین تصمیم‌گیری کرده و فرمان‌های لازمه را به قطعات خروجی که تحت کنترل ماشین هستند، اعمال می‌کند. با توجه به مواردی که ذکر شد می‌توان ساختار یک سیستم اتوماسیون را بدین صورت لیست نمود:

- قطعات ورودی شامل سنسورها، سوئیچ‌ها و ...؛

- قطعات خروجی مثل موتور، پمپ، شیر برقی، نشان‌گرها؛

- یک کنترل داخلی با CPU برای پردازش داده‌ها و اجرای برنامه کنترلی سیستم و حافظه برای ذخیره نمودن برنامه کنترلی و اطلاعات دریافتی از قطعات ورودی؛

- یک واسط بین کاربر و ماشین در مواردی که نیاز به انجام تنظیمات توسط کاربر داریم و یا می‌خواهیم یک سری اطلاعات و آلارم‌ها را به اطلاع کاربر برسانیم.

توجه داشته باشید با بالا بردن سرعت و دقت کنترلر مورد استفاده در سیستم اتوماسیون شده و انتخاب درست آن بر طبق کاربردی که از آن انتظار داریم می‌توانیم امکانات و قابلیت‌های سیستم را بالاتر ببریم. به عنوان مثال در یک سیستم ساده کنترل سطح مخزن سرعت پاسخ‌گویی سیستم در حد چند ثانیه هم برای این کار کافی خواهد بود. اما در سیستم‌های پیچیده موقعیت‌یاب یا پردازش تصویر به سیستم‌های بسیار معتبر و دقیق‌تر احتیاج داریم و سرعت پاسخ‌گویی در حد میکروثانیه برای ما لازم است.

به عنوان مثال در مواردی که نیاز به کنترل در یک محیط نامساعد داریم و استفاده از نیروی انسانی بسیار مشکل و یا غیرممکن است، چه کار باید کرد. در محیط‌هایی با شرایط آب و هوایی بسیار بد و با مناطق جغرافایی صعب‌العبور و یا در محیط‌هایی که آلودگی صوتی و یا آلودگی‌های شدید تنفسی دارند، در این موارد ایمن‌تر و با صرفه‌ترین گزینه اتوماسیون کردن سیستم‌ها و استفاده از ماشین به جای انسان است.

اجرای کامل سیکل کنترلی، گرفتن گزارشات لازم در حین انجام عملیات کنترلی، قابلیت تغییر سیکل کاری و تعریف نمودن پارامترهای کنترلی، امکان انجام کنترل دستی در موارد اضطراری و ... حال به مثال دیگری می‌پردازیم. حساب کنید در یک سیستم بسیار ساده بسته‌بندی محصولات غذایی برای بسته‌بندی هزار کیلو شکر در بسته‌های یک کیلویی به چند نفر و چه قدر زمان احتیاج داریم. چند نفر برای وزن کردن محصول، چند نفر برای آماده‌سازی پاکت‌ها، چند نفر برای پر کردن پاکت‌ها و بسته‌بندی آن، زدن تاریخ مصرف و ... . در این گونه سیستم‌ها مشکلات زیادی وجود دارد که به برخی از آن‌ها در زیر اشاره شده است:

- زیاد بودن تعداد نفراتی که در این قسمت کار می‌کنند؛

- نیاز به محیط کاری بزرگ‌تر تا بتوان از شلوغی ناشی از تعدد نیروی انسانی کاست؛

- خستگی و دقت پایین افراد؛

- صرف زمان زیاد؛

- هزینه بسیار بالا؛

- بازدهی بسیار اندک؛

- کیفیت بسیار پایین محصولات؛

از این مثال‌ها در صنعت بسیار زیاد بوده است. به هر حال نتیجه‌ای که از آن‌ها می‌گیریم این است که نیاز به اتوماسیون یک نیاز غیرقابل اجتناب بوده و استفاده از آن روز به روز بیشتر خواهد شد. در نتیجه استفاده از این نوع سیستم‌ها لحظه به لحظه بر کیفیت محصولات و خدمات افزوده و صنایعی را که از این سیستم‌ها استفاده می‌کنند، بی‌رقیب و قدرتمند می‌سازد.

2-1- تاریخچه سیستم‌های کنترل

سیر تحولات سیستم‌های کنترل را می‌توان به چهار مرحله زیر تقسیم نمود:

1- سیستم‌های کنترل پنوماتیکی

2- سیستم‌های کنترل الکترونیکی

3- سیستم‌های کنترل مستقیم دیجیتال

4- سیستم‌های کنترل غیرمتمرکز (DCS)

1-2-1- سیستم‌های پنوماتیک

پیش از استفاده از سیگنال‌های الکتریکی برای کنترل دستگاه‌ها در صنعت، از ابزارهای نیوماتیک استفاده می‌شد. به این ترتیب که به هر ابزار فیلد تغذیه هوا با فشار استاندارد psi100 متصل می‌شد و سیگنال‌های ورودی سیستم کنترل و نیز فرمان‌های کنترلر به صورت تغییرات فشار در خطوط هوای بین وسیله و کنترلر منتقل می‌شد.

موارد مورد نیاز در سیستم‌های نیوماتیک برای برقراری ارتباط شامل کمپرسورها، خطوط هوا، رگولاتورها، خشک‌کن‌ها و ... می‌باشد. سیگنال فرستاده شده از وسیله در کنترلر به کمک کنترلرهای تناسبی، PID، PI فرمان لازم برای عمل‌گر را تولید می‌کند.

در این راستا، در دهه 1950 اولین کنترلرهای پنوماتیکی به بازار عرضه شدند. بسیاری از پالایشگاه‌ها و صنایع شیمیایی و پتروشیمی هنوز از این نوع سیستم‌ها استفاده می‌کنند. سیستم‌های پنوماتیکی از نظر ایمنی برای محیط‌های آتش‌گیر مناسبند و در ضمن بسیار بادوامند، اما به علت پایین بودن سرعت پاسخ، این تجهیزات برای کنترل‌های پیشرفته مناسب نمی‌باشند. در ضمن تابلوهای کنترل از این نوع حجم زیادی را اشغال می‌کنند.

2-2-1- سیستم‌های الکترونیک

در سال 1947 شرکت Bell توانست مدار مجتمع را اختراع نماید و در دهه 1960 از آن در ساخت تجهیزات کنترلی از نوع الکترونیک استفاده شد. حجمی که این تجهیزات اشغال می‌کنند کمتر از نوع پنوماتیک است و لذا پنل‌های کنترل الکترونیک کم حجم‌ترند ولی در عوض محافظت این سیستم‌ها مشکل‌تر است. جلوگیری از اتصال کوتاه شدن و جرقه زدن در این تجهیزات بسیار مهم است. یکی دیگر از مشکلات مسأله آلوده شدن سیگنال‌ها به نویز می‌باشد که با تمهیدات لازم باید از آن جلوگیری نمود.

3-2-1- سیستم‌های کنترل دیجیتال

در اوایل دهه 1970 استفاده از کامپیوتر برای کنترل فرآیند تجربه گردید. در این نوع سیستم کنترل، یک کامپیوتر کل فرآیند را کنترل می‌نماید. در صورت خرابی کامپیوتر می‌توان از یک کامپیوتر دیگر که به صورت Standby کار می‌کند، استفاده نمود.

4-2-1- سیستم‌های کنترل غیرمتمرکز

با معرفی میکروپروسسورها و میکروکامپیوترها به بازار کارهایی که در یک پروسه بر عهده یک کامپیوتر بود، بین میکروپروسسورها و میکروکامپیوترها تقسیم شد و باعث به وجود آمدن نسلی از روش کنترل به نام DCS شد.

DCS مخفف Distributed Controller System است، هدف از آن انجام عملیات کنترلی به صورت غیرمتمرکز است. بر خلاف ظاهر سیستم DCS که کلیه کنترلرها به اتاق کنترل آورده شده‌اند و به نظر می‌رسد که کنترل به صورت متمرکز انجام می‌شود. این در حالی است که در سیستم‌های نیوماتیک کنترلرها اکثرا به صورت محلی وجود دارد که در سایت نصب شده‌اند: در DCS دیگر کنترلری در محل سایت نداریم؛ آن چه اساسا در سیستم DCS رخ می‌دهد، تقسیم عملیات کنترلی بین چندین کنترل‌کننده است که در اتاق کنترل قرار گرفته‌اند؛ به دلیل همین تقسیم است که سیستم توزیع‌پذیر نام‌گذاری شده است.

در این سیستم حلقه‌های ساده‌ای متشکل از فیلد و کنترلر وجود دارد که این کنترلرها (میکروپروسسورها) در یک لایه بالاتر در سطح supervisor به هم متصل هستند.

برای DCS می‌توان چهار سطح کاری در نظر گرفت:

1- فیلد

در این سطح ما با سنسورها و عملگرها سر و کار داریم.

2- مارشال کابینت

ترمینال‌هایی که سیم‌کشی را مرتب می‌کنند. در این ترمینال‌ها ایزولاتور، سدهای تغییردهنده سیگنال به طور دلخواه و ... موجود است.

3- ایستگاه فرآیند

شامل کابینت‌هایی است که داخلشان کارت I/O و کنترلرها قرار دارد.

4- ایستگاه اپراتور

جایی که اپراتور می‌نشیند کارخانه را نظارت می‌نماید.

در این جا گذرگاه I/O به صورت سریال است و کنترلرهای مختلف از طریق شاه‌راه داده‌ها به هم متصل هستند و گاهی از پروتکل RS485 یا RS232 استفاده می‌کنند. معمولا پروتکل شاه‌راه داده‌ها را توسط یک واسط تبدیل به پروتکل اترنت می‌نمایند. مثلا از انواع این واسط‌ها می‌توان به HDL اشاره کرد. ارتباط LAN از طریق کابل کواکسیال؛ زوج سیم یا فیبر نوری صورت می‌گیرد. در سیستم DCS، PID در کنترلرها انجام می‌شود. نکته بسیار مهم در مورد DCS قابلیت ذخیره‌سازی اطلاعات است. در سیستم‌های قدیمی چنان چه از اطلاعات به دست آمده استفاده نماییم، اطلاعات از بین می‌رود.