السيطرة المفتوحة والسيطرة المغلقة

Open loop controller and close loop controller

1-   دائرة السيطرة المفتوحة Open loop controller

التعريف :ـ

تتضمن تقدير (تخمين ) لكمية ونوع الفعل الضروري لتحقيق الهدف المنشود . يعتمد هذا النوع من السيطرة أساسا على التخمين حيث لا توجد هناك عملية مراجعة لمدى تطابق الناتج الفعلي مع الهدف المنشود لذلك عند حدوث أي تأثير خارجي خارج النوع أو الكمية المقررة فأن سيطرة الحلقة المفتوحة تفشل في تحقيق السيطرة المثالية ومن مميزاتها :ـ

1.     تعتمد على المقارنة بين القيمة المحددة والقيمة الفعلية للمتغير .

2.     تكون باهضة التكاليف :ـ لوضع مسيطرات بعدد المؤثرات التي يتعرض لها النظام

3.     فقدان السيطرة بالشكل الصحيح : ظهور مؤثرات خارجية خارجة عن الحسبان

4.     وجود المشغل الفني المختص .

ملاحظة :ـ

تصبح عملية !  إذا كان بالأمكان معرفة القيم  الخارجية أو الداخلية المؤثرة على النظام للعمل على تقليلها أو تلافيها .

دائرة السيطرة المغلقة      closed loop controller

التعريف :ـ

 في هذا النوع من السيطرة  المتغير المسيطر عليه يقاس ويقارن مع القيمة المقاسة والقيمة المقدرة ( المرغوبة أو المطلوبة ) وان الفرق بين القيمتين (  set point و Measurement ) هي اشارة تعالج من قبل المسيطر الذي يعطي اشارة خرج تتحكم في فتحة الصمام أي ابقاء قيمة المتغير الفعلية ( المنتوج ) ثابتة حسب المواصفات المحددة له على الرغم من تعرض النظام الى أي نوع من المؤثرات .

ملاحظة :ـ تتكون السيطرة المغلقة بوجود التغذية العكسية للقيمة المراد السيطرة عليها .

كيف تكون السيطرة المغلقة مفتوحة ومتى ؟

1.     عند رفع جهاز من الدائرة .

2.     عند عطل الجهاز في الدائرة

دائرة السيطرة المفتوحة	دائرة السيطرة المغلقة
1.     تعتمد على التخمين .	1. تعتمد على تحديد القيمة المراد قياسها
2. لا توجد بها تغذية عكسية .	2. تتكون بوجود تغذية عكسية .
3. شخص يراقب العملية .	3. تعتمد على المسيطر الذي يقوم بدور الشخص
4. رخيصة الثمن .	4. غالية الثمن .
5. بسيطة	5. معقدة .

المؤثرات :ـ Disturbance

تعرف المؤثرات وهي الأشارات التي تحاول التأثير عكسيا على إستقرارالنظام والمؤثرات تكون على نوعين هما :ـ

1.     المؤثرات الداخلية :ـ وتشتمل على كسب أو فقدان في الطاقة أو كمية المادة ضمن العملية .

2.     المؤثرات الخارجية :ـ وهي المؤثرات المفاجئة التي تحصل على كمية الطاقة أو المادة المجهزة للنظام بدون تخطيط مسبق لذلك بحيث لا يمكن تلافيها قبل وقوعها .

المسيطر نوع فتح – غلق      ON – OFF

يعتمد مبدأ عمله على توازن القوى.

ان نظم سيطرة فتح – غلق تكون مناسبة للاستعملات التي لا تتطلب دقة في السيطرة وهي شائعة الاستعمال في اجهزة التبريد واجهزة تكيف الهواء.

كذلك في منظومات السلامة والامان المستخدمة للحفاظ على سلامة الاجهزة والعاملين في المواقع الصناعية المختلفة وتكون قليلة التكاليف ومتوفرة تجارياً كأجهزة هوائية ميكانيكية او كهربائية.

وشائع الاستعمال منظومات التحميل والخلط.

أفعال السيطرة

هي عبارة عن مجموعة مسيطرات أستجابية مؤثرة مبنية على ملاحظات أو بمواصفات خاصة في جهاز المسيطر.

الغاية منها أعطاء أشارة خرج بعد المقارنة بين أشارة القياس و أشارة التحديد

المؤثرات على أستجابة ألأفعال داخل المسيطرخالية من التذبذب سريعة بزمن قصير

مطابقة مع القيمة المرغوبة أي ألغاء الحيود (ألأنحراف) عن القيمة المراد السيطرة

عليها.

يتكون من :-

1)    فعل السيطرة التناسبية.

2)     فعل السيطرة التناسبية التكاملية.

3)    فعل السيطرة التناسبية التكاملية التفاضلية.

وعند ألألغاء أفعال السيطرة يتحول المسيطر الى نوع المسيطر فتح –غلق (ON—OFF).

المسيطر التناسبي:Proportional  Controller

يعرف:

 المسيطر التناسبي هو مقدار التغير الحاصل في اشارة الخرج الى التغير الحاصل قيمة اشارة الدخل او اشارة القياس.

يعمل المسيطر التناسبي على اعطاء اشارة الى الصمام لتحديد مقدار فتحة نسبة الى التغير الحاصل في قيمة اشارة القياس فبعمل الصمام على موازنة بين الكمية الداخلة والكمية الخارجة في الصمام.

ينظم صمام السيطرة في بداية عملية التشغيل الى قيمة 50% عادة من قيمة فتحتة الكلية تسمى هذه العملية (Biasing)  اي عندما تساوي اشارة التحديد واشارة القياس فان الصمام لا يغلق غلق تام وانما يرجع الى قيمة (Bias)  وعند حدوث تغير في اشارة القياس عن اشارة التحديد فان فتحة تتغير عن 50% يعتمد هذا التغير على عامل الربح (Controller gain)

عامل الربح : هو النسبة اشارة خرج المسيطر الى مقدار الخطأ الحاصل.

يتغير عامل الربح بتغير الحزمة التناسبية

الحزمة التناسبية : P.B Proportional Band

وهو النسبة بين مقدار التغير في قيمة اشارة القياس الى التغير الحاصل في قيمة اشارة الخرج وتكون كنسبة مئوية من المدى الكلي للجهاز .

وبزيادة الحزمة التناسبية يمكن الحصول على تغير قليل في فتحة الصمام وبتقليلها يكون التغير في فتحة الصمام اكبر.

ان الهدف من استعمال السيطرة التناسبية هو اعادة قيمة المتغير الى القيمة المحدد له عند حدوث اي تغير في قيمة الحمل علميا لا يتم ذلك وليس للتطابق ويسمى هذا الفرق بعد الاستقرار العملية بالحيود off set

تستعمل المسيطرات ذات الحزمة التناسبية الضيقة في دوائر السيطرة على درجة الحرارة البسيطة التي لا تصل الى درجة الغليان او الانجماد وتنصب عادة موقعيا وتكون هوائية.

وكذلك يستعمل في النظم المستقرة البسيطة للسيطرة على المستوى التي يكون لها ثابت الزمني طويل نسبيا.

حيث يكون الحيود ملازم للسيطرة التناسبية .

من الناحية العلمية الزيادة في الضغط الخارج من المسيطر يكون اقل من الفرق بين القيمة المقاسة والقيمة المرغوبة والسبب في ذلك هو ان جزء من حركة المسند ( الناتج من الفرق بين القيمة المقاسة والقيمة المرغوبة) سوف يوازن بالاجاه المعاكس بسبب مرونة التصلب elastic) (stiffness  للنابض ووحدات المنفاخ .

المسيطر التناسبي التكاملي  Proportional + Integral Controller

ان زيادة تعقيدات العمليات تتطلب سيطرة عليها اصعب حيث يمكن تفادي التذبذبات التي تحصل بالعملية نتيجة زيادة الحزمة التناسبية وان هذه الزيادة اي زيادة الحزمة التناسبية تؤدي الى تكبير مدى تغير قيمة اشارة القياس مما يؤدي الى سيطرة ضعيفة على قيمة المتغير لانه يصعب تحديده الى قيمة معينة لهذا السبب نحتاج الى مسيطر يضاف الى المسيطر التناسبي هو المسيطر التكاملي .

يعتمد تغير فتحة الصمام في المسيطر (P+I)  على مقدار الحيود بين اشارة القياس واشارة التحديد وعلى مقدار الفترة الزمنية التي يستغرقها هذا الحيود .لذلك فان فعل هذا المسيطر هو ابقاء اشارة القياس مساويا لاشارة التحديد .

ان استجابة منفاخ التكامل يعتمد على قيمة الخانق الى ان يصل الى التوازن الذي يعني تساوي (set = in put) وهذا يعني عدم وجود حيود .

ان تقليل وقت التكامل يجعل الصمام يستجيب اسرع في العملية لذا يظهر تذبذب وزيادة وقت التكامل يؤدي الى عدم استجابة العملية لقيمة اشارة التحديد بالسرعة الممكنة.

وعند اختيار وقت التكامل صحيح فان مقدار فتحة الصمام يكون بنفس المعدل استجابة العملية.

يعتمد قيمة وقت التكامل على طبيعة العملية المسيطر عليها .

المسيطرP+I+D التناسبي + التكاملي+ التفاضلي

ان بعض العمليات الصناعية تكون بطيئة مثل العمليات الحاوية على الحرارة والحامضية  PH

ففي هذه الحالة يصبح المسيطر الثنائي P + I  غير قابل على الموازنة العملية بالسرعة الممكنة

في حالة حصول اي تغير لذا يتطلب الامر اضافة فعل جديد الى المسطير الثنائي هو الفعل

التفاضلي ان استجابة فعل التفاضلي تتناسب مع المعدل الزمني لابتعاد قيمة اشارة القياس عن

اشارة التحديد .

 وكذلك تزيد من حساسية المسيطر لمعدل تغير المتغير فيصبح بالامكان استعمال حزمة تناسبية

ضيقة وهذا يؤدي الى تقليل مقدار الحيود وقيمة التذبذب عند حدوث اي تغير ، اي انه يعمل على

تغيير قيمة قتحة الصمام حال حدوث اي تغير وذلك لاعادة موازنة العملية .

ان وجود خانقين في هذا المسيطر يؤدي الى حصول على اشارة خرج عالية عند حدوث اي تغير

( اي عند حدوث هبوط في قيمة المتغير عند قيمة اشارة التحديد ) والسبب لان المنفاخ التناسب

 سيستغرق بعض الوقت قبل ان يبدأ تاثيره على العتلة.

المسيطر اليدوي Manual Controller   

هو المسيطر الذي يقوم بفتح وغلق الصمام يدويا ويبين مقدار فتحته اثناء عمل المسيطر الاحادي على السيطرة الاتوماتيكية بوجود مدرج ذات مؤشر اما في المسيطر اليدوي يكون مرافقا للمسيطر الاحادي دائما مما يميزه عن الاجهزة الموجودة على لوحة السيطرة او غرفة السيطرة مثل المبين والسجل.

يعمل بالطريقة الاتوماتيكية اثناء استقرار النظام لسير العملية بصورة مستقرة.

يعمل بالطريقة اليدوية في الحالات التالية:

1-    في بداية التشغيل.

2-    اثناء المعايرة.

3-    عند عطل احد الاجهزة الموجودة في الدائرة المغلقة باستثناء الصمام.

طريقة المعايرة:-

1- تحويله الى الوضع اليدوي عن طريق مفتاح التحويل.

2- اعطاء اشارة تجهيز مقدارها (20 psi)  او (104 kgf/cm²)

3- التوصيل

4- تنضبط العجلة يدوية على قيمة مبينة على تدرج الجهاز وملاحظة اشارة الخرج يجب ان تكون مساوية لها.

أ‌-       اذا كانت القيمة على الصفر 0% يجب ان تكون اشارة الخرج (kgf/cm² 0.2) او (3psi) اذا كان هناك خطا ينضبط من برغي التنظيم الصفري.

ب‌-  اذا كانت القيمة على (100%) يجب ان تكون ااشارة الخرج  (1 kgf/cm²)  او ( 15 psi)   اذا كان هناك خطأ ينضبط من تنظيم عتلة المدى.

المسيطر الهوائي الاحادي Pneumatic controller

المسيطر:-

 وهو الجهاز الذي يستلم اشارة القياس واشارة التحديد فيقارن بينهما في جزء خاص يسمى (summer)  وترسل الاشارة من وحدة التجميع الى وحدة السيطرة والتي بدورها تعطي اشارة تسمى بالمتغير المعالج التي تمثل مقدار الخطا موجبة كانت او سالبة وعلى طبيعة فعل السيطرة حيث يجهز الى العنصر النهائي.

يكون موقع المسيطر الاحادي في غرفة السيطرة ( control room ) حيث يخضع للمشاهدة والمراقبة المستمرة من قبل المشغل لاجهزة غرفة السيطرة وذلك لضبط تنظيم السيطرة المستقرة للعمليات الانتاجية والمتغيرات الفيزياوية وكذلك موقعه في غرفة السيطرة ويكون محفوظ من التاثيرات الخارجية ( الحرارة والامطار والاتربة).

ان المسيطر الاحادي يستلم الاشارة  (signal) من المرسلة وتعتبر كاشارة  دخل in put  بمقدار (0.2-1 kgf/cm² , 3-15psi)  ويجهز بهواء مضغوط supply  مقداره (1.4 kgf/cm² ,20 psi)  ويعطي اشارة  out put  الى صمام السيطرة بمقدار   (0.2-1 kgf/cm² , 3-15psi) حيث ان المسيطر الاحادي يحتوي على افعال سيطرة ( الحزمة التناسبية proportational band  للسيطرة التناسبية , المسيطر التكاملي  Integral  والمسيطر التفاضلي Derivative ) حيث ان فعل هذه المسيطرات ...

P  + I +D   Action

وذلك لاعطاء اشارة خرج out put  ذات استجابة سريعة وخالية من التذبذب.

معاير المسيطر:-

مبدأ عمل المسيطر الهوائي توازن الحركة.

عند معايرة المسيطر يجب ان نتبع الخطوات التالية :

1-    معايرته كمبين :

أ‌-       وذلك باعطاء اشارة مقدارها  0.2 kgf/cm² او 3 psi  في هذه الحالة يجب ان يقرا الجهاز المؤشر الاحمر على 0% ففي حالة حدوث اي خطأ يجب تنظيمه من برغي الصفري.

ب‌-  اعطاء اشارة مقدارها 1 kgf/cm²  او 15 psi  في هذه الحالة يجب ان يقرا الجهاز المؤشر الاحمر على 100% ففي حالة حدوث اي خطا يجب تنظيمه من برغي تنظيم المدى.

ج- اما الخطا وسط القراءة ففي هذه القراءة اي القراءة الوسطية يكون المؤشر على 50%.

2-    يحتوي المسيطر الهوائي على الافعال المباشرة والغير مباشرة حيث يكون المسيطر ذا فعل غير مباشر (DEC)  تكون الاشارة الخارجة في حالة نقصان الى الصمام ان كانت اشارة القياس اكبر من اشارة التحديد اما في الحالة  (INC)  فتكون اشارة الخرج الى الصمام في حالة زيادة اذا كانت اشارة القياس اكبر من اشارة التحديد العكس صحيح.

3-    ملاحظة افعال السيطرة اي تسجيل القيم ( RT , PB )

4-    تحديد الاشارة  set point  وملاحظة اشارة الخرج.

5-    تغير القيم ( RT , PB ) مع ملاحظة اشارة الخرج وتاثيرها بالتغير الحاصل من سرعة الاستحابة.

6-    تغير وضع اذا كان (INC)  الى (DEC)  وبالعكس

المسيطر الموقعي Local controller

يكون موقعه في موقع العمل على الخزانات , الانابيب لهذا نلاحظ شكله الخارجي مهيء للظروف المناخية من الامطار والحرارة والاتربة وليس في غرفة السيطرة.

حيث يستلم الاشارة من المرسلة مباشرة ويعطي اشارة الى الصمام القريب عليه في حالة المستوى اما في حالة الضغط الاكثر استعمالا يدخل الضغط اي ضغط المادة القاسة اليه مباشرة الى العنصر المتحسس.

ومن هنا يجب تغير العنصر المتحسس اذا كان مباشرة بانبوب بوردن ذات المدببات العالية او الواطئة اما في حالة استلام الاشارة من المرسلة المستوى فالعنصر المتحسس يكون مكبسي يمكن للمشغل ملاحظته في اوقات مبرمجه.

عمله ومعايرته:-

يعتمد مبدا عمله على توازن الحركة, حيث يستلم الاشارة من المرسلة الذي يكون مقدارها  (0.2-1 kgf/cm² 3-15 PSI) حيث يتحسس بهذه الاشارة العنصر المتحسس الذي يقوم بدوره مؤثرا على حركة المؤشر

 ,في حالة اعطاء الاشارة مقدارها (0.2 kgf/cm² او 3psi ) يجب ان يقرا الجهاز( 0%)واذا كان هناك اختلاف في هذه الاشارة يجب تنظيمها من برغي التنظيم الصفري,

  اما في حالة اعطاء اشارة مقدارها (1 kgf/cm² 15 psi)   يجب ان يقرا الجهاز( 100%) ففي حالة حدوث اي خطا يجب تنظيمه من برغي تنظيم المدى اما في حالة اعطاء اشارة    مقدارها   (0.6kgf/cm² , 9 psi ) يجب ان يقرا الجهاز على 505 ففي هذه الحالة يجب تنظيم الخطا من ذراع التنظيم المتصل بالعنصر المتحسس والمؤشر ويسمى هذا الخطا بخطا وسط القراءة ,

 وبعد ذلك نحدد اشارة التحديد set point  ونلاحظ اشارة الخرج  out put  وكذلك حسب وظيفة المؤشر اذا كان مباشر (INC)  او غير مباشر (DEC)  كما جاء في المسيطر الهوائي الاحادي.

طريقة تحويله من اليدوي الى الذاتي وبالعكس :-

طريقة تحويله تحتوي على منظم مبين متحسس للتوازن مفتاح التحويل الطريقة تسمح التغير بالمفتاح دون افساد العملية.

1-    من السيطرة اليدوية الى الذاتية:

تدوير ببطئ عجلة التحديد مما يحرك الكرة داخل المبين ( الانبوبة الزجاجية ) الى وسط للتوازن اي منتصف الانبوبة الزجاجية دور المفاتيح على الذاتي التحويل (A)

2-    التحويل من السيطرة الذاتية الى اليدوية : تدوير المنظم ببطئ حتى تصبح الكرة داخل المبين ( الانبوبة الزجاجية) ف يوسط للتوازن اي منتصف الانبوبة الزجاجية بعدا حرك عجلة التحديد فاذا تحركت الكرة داخل الانبوبة حول الى الوضع اليدوي (M)

نظم السيطرة المركبة.-

يحتوي هذا النوع من النظم على متغيرين او اكثر وتتطلب السيطرة عليهما معا وذلك لضمان استقرارية النظام في اقل وقت ممكن.

المسيطر التعاقبي والسيطرة التعاقبية cascade controller

لمعرفة السيطرة التعاقبية يجب المقارنة بينها وبين السيطرة الاحادية.

نظام السيطرة على درجة الحرارة :

ان مثل هذه النظم تكون بطيئة ويكون الثابت الزمني لها طويل لذا لا يمكن استخدام المسيطر الثنائي P + I   في هذا النوع من السيطرة فان المسيطر الثلاثي  P + I + D  يفي بالغرض حيث يكون ذو زمن تكاملي طويل واذا تعرض ضغط البخار الى اي مؤثرات فهذا يعني ان النظام بحاجة الى نوع اخر من السيطرة

 ان الثابت الزمني لهذا النظام يكون سريع لذلك يتطلب زمن تكاملي قصير نسبيا بحيث تكون اشارة خرج المسيطر الاول كاشارة تحديد للمسيطر الثاني وتسمى هذه الاشارة   Remote set

ان الثابت الزمني لدائرة المسيطر الثاني يجب ان يكون اسرع من الثابت الزمني لدائرة المسيطر الاول اما العكس فتصبح السيطرة غير مجدية.

المسيطر التعاقبي  Control cascade

يمكن ملاحظة الواجهة الامامية لهذا المسيطر من خلال الشكل اعلاه حيث يتكون من ثلاث مؤشرات وهي:-

1-    مؤشر اشارة التحديد ( remote set point)  الذب هو مشابه في الشكل الى مؤشر التحديد في المسيطر الاحادي.

2-    مؤشر الاحمر لاشارة القياس ويكون نفس العمل في المسيطر الاحادي لبيان اشارة القياس.

3-    المؤشر الاسود ويكون في الجهة اليسرى من المسيطر التعاقبي وهو اشارة التحديد ( local set point)  حيث يحدد من قبل المشغل من عجلة التحديد القيمة المطلوبة.

اما المؤشر فهو مشابه لاشارة التحديدفي المسيطر اللاحادي فيعمل بقراءة اشارة الخرج المسيطر الابتدائي على المسيطر التعاقبي وتكون اشارة التحديد المسيطر التعاقبي بعد تحويل العجلة الى (Remote) اي( R ( بدون تحدبد المشغل ويعمل اثناء ربط الجهاز. اما عجلة ( LOCAL – remote switch)  ففي حالتين ( R and L)  هي L – local  يعمل المسيطر في هذه الحالة كمسيطر احادي R – remote  فيعمل المسيطر في هذه الحالة كمسيطر تعاقبي.

المعايرة والتشغيل :

عند معايرة او ملاحظة عمل المسيطر التعاقبي يجب اولا ان نتبع معايرة المسيطر الاحادي كمبين وعلاقة اشارة التحديد واشارة القياس بالنسبة لاشارة الخرج في الحالتين مباشر (INC)  وغير مباشر (DEC)  عندما تكون ( الاكرة ) عجلة تغير وضع المسيط من الاحادي (Local) اي المحلي الى وضع (Remote)  التعاقبي حيث يتم الغاء عمل (set point) في حالة (Local) والعمل على (set point)  في حالة (Remote)  وكذلك ملاحظة اشارة الخرج في هذه الحالة.