تجهیزات کلیدی اتوماسیون برق صنعتی و انتخاب درست آن‌ها برای خطوط تولید

فرآیندهای تولید در صنعت روز به روز در حال بهینه شدن می­باشند و در دنیای رقابتی امروز هر ثانیه و هر ریالی که از زمان و هزینه تولید یک محصول کاسته می‌شود برای بقاء، پیشرفت و توسعه یک شرکت در رقابت با شرکت­های رقیب ضروری و حیاتی می­باشد. از طرف دیگر باتوجه به گسترش خرید و فروش آنلاین در سطح جهانی رقابت در فروش محصولات تولیدی نیز روز به روز شدیدتر می­گردد و مصرف کنندگان ترجیح می­دهند تا محصولاتی با کیفیت بالا و در عین حال با قیمت پائین تهیه کنند. دو مقوله­ای که در ظاهر در تضاد با یکدیگر هستند اما شرکت­های نسل جدید شرکت­هایی خواهند بود که همزمان با افزایش کیفیت و کاهش قیمت تمام شده محصولات خود رقیبان خود تحت فشار قرار دهند. این شرکت­ها به منظور رسیدن به اهداف یاد شده در جستجوی مهندسین طراحی هستند که بتوانند با طراحی خطوط تولید جدید و ایجاد دگرگونی در روش­های معمول تولید، ضمن افزایش سرعت و کاهش قیمت تمام شده، کیفیت محصولات تولیدی را نیز افزایش دهند. این موضوع با طراحی بهینه خطوط تولید و استفاده موثر از ترکیب مناسبی از تجهیزات گوناگون اتوماسیون صنعتی برای کنترل و حفاظت این خطوط امکان­پذیر می‌باشد.

اتوماسیون صنعتی چیست؟ و چرا اهمیت دارد؟

اتوماسیون صنعتی مجموعه ای متشکل از تجهیزات صنعتی مانند حسگرها، PLCها، عملگرها، تابلوهای برق صنعتی، سیستم­های SCADA ، HMI و نظایر آن می­باشد. عملکرد هماهنگ و ارتباط مناسب بین این تجهیزات امکان تولید محصولات بهتر در زمان کمتر و با قیمت تمام شده مناسب را فراهم می­سازد. نیروی انسانی برای گرفتن بازخورد از فرآیند تولید از حواس پنجگانه خود استفاده می­کند در حالیکه اتوماسیون صنعتی از حسگرهای صنعتی برای این منظور استفاده می­نماید. سیگنال­های تولید شده توسط حسگرها به سیستم کنترل کننده که معمولا یک PLC است ارسال می­گردد. این تجهیز مغز متفکر مجموعه می‌باشد و تصمیمات لازم برای کنترل و هدایت فرآیند را با استفاده از سیگنال­های دریافتی اتخاذ کرده و دستورات لازم به منظور کنترل و راهبری فرآیند را تولید می­کند. سیگنال­های تولید شده به عملگرها ارسال می‌شوند و این تجهیزات به عنوان بازوهای اجرایی سیستم تغییرات لازم در فرآیند را به منظور دستیابی به کیفیت و کمیت مورد نظر ایجاد می­کنند. انرژی مورد نیاز برای عملکرد عملگرها و موتورهای الکتریکی و سایر تجهیزات خط تولید توسط تابلوی برق صنعتی فراهم می­گردد. این تجهیز به عنوان قلب تپنده سیستم اتوماسیون علاوه بر تامین انرژی مورد نیاز وظیفه حفاظت از تجهیزات خط تولید در مقابل خطاهای الکتریکی را نیز برعهده دارد.

مطلب مرتبط: اتوماسیون صنعتی

مزایای استفاده از اتوماسیون صنعتی در خطوط تولید چیست؟

هدف از اتوماسیون صنعتی تولید یک محصول بوسیله تجهیزات صنعتی و با حداقل دخالت نیروی انسانی می­باشد. این موضوع با کاهش هزینه­های جاری پرسنلی و خطاهای انسانی نهایتا به افزایش بهره­وری در تولید منجر می­گردد. بنابراین در خطوط تولید صنعتی روز به روز از تعداد نیروی انسانی کاسته شده و بر دقت و سرعت سیستم­های اتوماسیون افزوده می‌شود و عملاً این سیستم­ها جایگزین نیروی انسانی می­شوند. لذا بایستی تا حد امکان توانایی­های مثبت نیروی انسانی مانند سرعت، دقت و هوشمندی را در این سیستم­ها تقویت نمود. سرعت و دقت یک خط تولید در واقع برآیند سرعت و دقت تجهیزات تشکیل دهنده آن می­باشد. بنابراین لازمه تولید محصولات با کیفیت در مدت زمان کم و با قیمت تمام شده مناسب استفاده خلاقانه از تجهیزات مدرن و مناسب در ساخت خطوط تولید می­باشد. مهم­ترین بخش یک خط تولید در راه رسیدن به تولید سریع و ارزان محصولات با کیفیت سیستم کنترل و اتوماسیون آن می­باشد. سیستمی که با کنترل دقیق و سریع پارامترهای فرآیند تولید ضمن فراهم ساختن شرایط مورد نیاز برای تولید محصولات با کیفیت از توقف ناخواسته خط تولید نیز جلوگیری می­کند.

وظایف حسگرها صنعتی و نحوه انتخاب صحیح آنها در خطوط تولید

این تجهیزات نقشی مشابه حواس پنجگانه نیروی انسانی را برعهده دارند، و پارامترهایی مانند دما، فشار، سرعت، شدت نور، سطح مایعات، دبی سیالات و مانند آن را اندازه‌گیری کرده و به صورت یک سیگنال الکتریکی به PLC می­فرستند. تصمیمات اتخاذ شده و دستورات تولید شده توسط PLC براساس اطلاعات ارسالی حسگرها می­باشد. به عبارت دیگر اندازه‌گیری‌های انجام شده توسط حسگرها زیربنای سیستم اتوماسیون صنعتی می­باشند. ارسال اطلاعات نادرست و یا غیردقیق منجر به تولید دستورات خروجی نامناسب توسطPLC  شده و ارسال این دستورات به عملگرها موجب تولید محصولات بی­کیفیت می­شود. این موضوع در برخی موارد ممکن است به آسیب­دیدگی تجهیزات و بروز حوادث منجر شود. لذا حسگرها به عنوان چشم­های سیستم کنتترل بایستی به صورت دقیق توسط مهندس طراح انتخاب گردند. این تجهیزات معمولا با استفاده از تکنولوژی­های پیشرفته ساخته می­شوند و قیمت تمام شده بالائی دارند. هرچه دقت حسگرها بالا باشد قیمت آنها نیز بالاتر میرود، بنابراین انتخاب دقیق­ترین و گران­ترین حسگر موجود همیشه بهترین راه حل نبوده و به افزایش هزینه تمام شده سیستم منجر خواهد گردید. باتوجه به این نکته بایستی با شناخت دقیق محل مورد استفاده از حسگر و خصوصیات مورد نیاز، نسبت به انتخاب حسگر مناسب اقدام شود بطوریکه همزمان با داشتن حداکثر کارآئی مورد نیاز از قیمت مناسبی نیز برخوردار باشد.

نقش PLC در یک سیستم اتوماسیون صنعتی چیست و چه اهمیتی دارد؟

PLC (Programmable Logic Controller) به عنوان مغز متفکر در یک سیستم اتوماسیون صنعتی مورد استفارده قرار می­گیرد. برنامه­های کنترلی مطابق با فرآیند تولید توسط مهندسین متخصص نوشته شده و در حافظه دستگاه بارگذاری می­گردند. اطلاعات و شرایط جاری در خط تولید توسط حسگرهای نصب شده در خط اندازه­گیری شده و بعد از تبدیل به سیگنال­های الکتریکی به سیستم PLC ارسال می­گردند. این سیستم اطلاعات دریافتی را پردازش کرده و نسبت به تولید سیگنال­های خطا یا انحراف اقدام می­کند. بزرگی این سیگنال­ها میزان انحراف پارامترهای واقعی موجود در خط تولید از مقادیر مطلوب را نشان می­دهد. یک سیگنال انحراف با دامنه صفر نشان می­دهد که پارامتر مربوطه دقیقا  برابر با مقدار مطلوب برای تولید محصول با کیفیت عالی تنظیم شده و نیاز به تغییر ندارد. از لحظه راه­اندازی خط تولید تا توقف کامل آن سیستم PLC بایستی درحال کار باشد و از کار افتادن آن در زمان کار خط تولید معادل با سکته مغزی یک انسان بوده و موجب از دست رفتن کنترل و حفاظت خط تولید خواهد گردید. عملکرد نامناسب این تجهیز کل فرآیند تولید را تحت تاثیر قرار می­دهد در حالیکه عملکرد نامناسب تجهیزاتی مانند حسگرها معمولا بر بخش محدودی از سیستم تاثیر می‌گذارد.  بنابراین در انتخاب این تجهیز بایستی باتوجه به امکانات و بودجه پروژه از بهترین سیستم­های در دسترس استفاده گردد.

در انتخاب تابلوی برق صنعتی برای یک خط تولید چه نکاتی بایستی مورد توجه قرار گیرند؟

تابلوی برق صنعتی انرژی الکتریکی لازم برای عملکرد خط تولید را فراهم می­کند. بطوریکه انرژی الکتریکی را از شبکه تغذیه کننده دریافت کرده و بین مصرف کننده­های مختلف خط تولید توزیع می­کند. عملکرد نامناسب این سیستم کل خط تولید را تحت تاثیر قرار داده و بی­برق شدن آن منجر به بی­برق شدن خط تولید و توقف آن می­گردد. بنابراین در خطوط تولید حساس که توقف ناخواسته و ناگهانی خط تولید ممکن است منجر به بروز خسارات جانی یا مالی قابل توجهی گردد، تغذیه تابلوی برق از دو منبع متفاوت برقرار می­گردد که یکی از این منابع ممکن است یک دیزل ژنراتور باشد.

تابلوی برق صنعتی علاوه بر برق­رسانی وظیفه مهم حفاظت از تجهیزات خط تولید در برابر خطاهای الکتریکی را نیز برعهده دارد و تجهیزات حفاظت الکتریکی از قبیل فیوزها، رله­های حرارتی و سایر رله­های حفاظتی در داخل آن تعبیه می­گردند. در انتخاب این تجهیز شرایط کاری و عوامل محیطی بایستی مورد توجه قرار گیرند. در محیط­های صنعتی آلوده و همچنین در صورت استفاده در فضای باز تابلوی انتخاب شده بایستی IP مناسبی داشته باشد تا از نفوذ مایعات و گرد و غبار به داخل تابلو جلوگیری بعمل آید.

نحوه عملکرد انواع عملگرها (Actuator)و نقش آنها در یک سیستم اتوماسیون صنعتی

این تجهیز به عنوان بازوی اجرائی سیستم اتوماسیون وظیفه دارد تا دستورات تولید شده توسط PLC را بر روی خط تولید اعمال نماید. این تجهیز مجهز به یک سیستم محرک بوده و خروجی آن به صورت یک حرکت فیزیکی می­باشد. سیستم محرک عملگر می­تواند یک موتور الکتریکی قابل کنترل، یک سیستم هیدرولیکی و یا یک سیستم پنوماتیکی باشد که نیروی لازم برای عملکرد صحیح عملگر را فراهم می­کند. در صورتیکه سیستم محرک یک موتور الکتریکی باشد با اعمال سیگنال کنترلی تولید شده توسط PLC موتور الکتریکی عملگر روشن شده و از طریق یک سیستم انتقال نیروی مکانیکی باعث بازشدن یا بسته شدن یک شیر، یک دمپر و نظایر آن می­گردد. مدت زمان روشن بودن موتور و درنتیجه میزان باز یا بسته شدن شیر یا دمپر مربوطه به بزرگی سیگنال انحراف تولید شده توسط PLC  بستگی دارد. انتخاب مناسب این تجهیزات باتوجه به محل مورد استفاده و شرایط محیطی از اهمیت بالائی برخوردار است. سرعت عملکرد یک عملگر از اهمیت بالائی برخوردار است و در صورتیکه به کندی عمل کند ممکن است کیفیت محصول تولیدی را تحت تاثیر قرار دهد. همچنین مکانیزم مکانیکی انتقال نیرو ممکن است به مرور زمان مستهلک شده و دقت اولیه خود را از دست بدهد. استهلاک و روان نبودن سیستم انتقال نیرو ممکن است باعث اضافه بار موتور الکتریکی شده و به بی­برق شدن آن توسط سیستم حفاظت موتور منجر گردد. در انتخاب یک عملگر بایستی به سرعت، دقت، گشتاور یا نیرو و شرایط محیطی از قبیل دما و آلودگی توجه گردد.

نقش سیستم HMI چگونه در خطوط تولید صنعتی چیست؟

HMI (Human Machine Interface) در واقع یک رابط کاربری بین نیروی انسانی و سیستم اتوماسیون صنعتی می­باشد. HMI به گونه­ای طراحی شده است که امکان دخالت نیروی انسانی در فرآیند خودکار تولید را به آسانی فراهم می­کند. این سیستم معمولا مجهز به یک صفحه لمسی می­باشد که اپراتور می­تواند از طریق آن دستورات لازم برای کنترل بهتر فرآیند تولید را به سیستم اتوماسیون اعمال نماید. نمایشگر سیستم HMI دارای صفحات مختلفی است که پارامترهای مهم خط تولید را نمایش می­هد، به این ترتیب امکان پایش شرایط جاری خط تولید را برای اپراتور فراهم می­آورد. نمایشگر لمسی سیستم HMI همچنین مجهز به یک صفحه کلید مجازی است که اپراتور می­تواند با استفاده از آن تنظیمات مربوط به پارامترهای خط تولید را بسته به شرایط تغییر دهد.در شرایط بروز مشکل در خط تولید اپراتور می­تواند سیستم را از حالت خودکار خارج کرده و خود شخصا کنترل خط تولید را در دست گیرد بعد از سپری شدن نوسانات و بازگشت خط تولید به حالت کار عادی می­توان نسبت به فعال کردن مجدد سیستم خودکار اقدام کرد.

منظور از SCADA چیست؟ و چرا ویژگی­هایی به یک سیستم صنعتی اضافه می­کند؟

در واحدهای صنعتی و مجتمع­های تولیدی بزرگ ممکن است تعداد زیادی خطوط تولید و یا فرآیندهای مستقل و وابسته به هم وجود داشته باشند. در این واحدها به جای استفاده از یک اپراتور برای پایش هر فرآیند، پارامترهای جاری تمام فرآیند جمع­آوری شده و به اطاق کنترل مرکزی ارسال می­گردند. این سیگنال­ها در اطاق کنترل وارد کامپیوترهای بزرگ صنعتی می­شوند و اپراتورها می­توانند ضمن مشاهده شرایط جاری خط تولید دستورات لازم را از طریق ماوس یا صفحه کلید به سیستم وارد کنند. بدین ترتیب از تعداد نیروی انسانی مورد نیاز کاسته می­شود و ضمن کاهش احتمال بروز خطاهای انسانی در هزینه­های پرسنلی نیز صرفه­جوئی می­شود. وظیفه جمع­آوری و انتقال اطلاعات فرآیند تولید برعهده سیستمی به نام SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)  می­باشد. این سیستم اطلاعات خروجی حسگرها را جمع­آوری کرده به محل­های دلخواه منتقل می­کند و بدین ترتیب کنترل از راه دور فرآیندهای تولیدی را ممکن می­سازد. با استفاده از سیستم SCADA امکان پایش، کنترل و راهبری پیوسته یک مجتمع بزرگ صنعتی به وسعت چند صد هکتار و یا شبکه برق یک کشور وسیع مانند ایران از یک اطاق کنترل مرکزی فراهم می­گردد.

روشهای کنترل دور و گشتاور موتورهای الکتریکی در صنعت و اهمیت آن در خطوط تولید

بارهای صنعتی نیازهای سرعت و گشتاور متفاوتی دارند که این نیازهای ممکن است ثابت نبوده و بسته به شرایط خط تولید تغییر کنند. بنابراین موتورهای محرک این بارها بایستی قابلیت تغییر و کنترل همزمان گشتاور و سرعت را در شرایط مختلف خط تولید داشته باشند. قابلیت کنترل دور و گشتاور در موتورهای DC ذاتا بهتر از موتورهای AC  می­باشد. به همین دلیل در سال­های نه چندان دور برای کاربردهای صنعتی که نیاز به تغییرات پیوسته دور و گشتاور داشتند از موتورهای DC استفاده می­شد. اما پیشرفت­های اخیر در الکترونیک قدرت امکان کنترل پیوسته گشتاور و سرعت خروجی موتورهای AC را فراهم کرده است. کنترل دور و گشتاور موتورهای AC از طریق کنترل همزمان ولتاژ و فرکانس تغذیه موتور ممکن می­باشد. اما فرکانس و ولتاژ شبکه برق سراسری تقریبا ثابت می­باشد. بنابراین برای رسیدن به این هدف بایستی انرژی الکتریکی با ولتاژ و فرکانس متغیر و قابل کنترل تولید گردد که این امر مهم توسط یک مجموعه یکسوساز و اینورتر که اصطلاحا درایور نامیده می­شود انجام می­گیرد. این سیستم با تبدیل برق AC دریافتی به برق DC و تولید مجدد برق AC  با فرکانس و ولتاژ متغیر و قابل کنترل سرعت و گشتاور خروجی موتور AC را کنترل می­کند.

تشریح نحوه عملکرد اجزاء یک سیستم کنترلی ساده در ارتباط بایکدیگر

حلقه کنترلی نشان داده شده در شکل ۹ در نظر بگیرید. این شکل حلقه کنترلی مربوط به یک کوره پخت مواد غذایی را نشان می‌دهد. حسگر نصب شده در داخل کوره دما را اندازه­گیری کرده و به PLC می­فرستد. PLC سیگنال دریافتی را با مقدار دمای مطلوب از پیش تعیین شده (به عنوان مثال ۲۰۰ درجه سانتیگراد) که در مرحله برنامه­نویسی برای آن تعریف شده است مقایسه نموده و سیگنال مناسب را تولید می­کند. سیگنال تولید شده به یک عملگر که ممکن است یک شیر برقی باشد ارسال می­گردد. شیر برقی باتوجه به نوع سیگنال نسبت به بازکردن و یا بستن مسیر گاز ورودی اقدام کرده و به این ترتیب دمای کوره را افزایش یا کاهش می­دهد. در صورتیکه دقت حسگر استفاده شده نامناسب باشد ممکن است دمای کوره را بیشتر یا کمتر از مقدار واقعی آن اندازه­گیری کند. اگر دمای اندازه­گیری شده توسط حسگر به عنوان مثال ۲۰ درجه سانتیگراد کمتر از دمای واقعی کوره باشد سیستم شیر گاز را باز کرده و دما را در ۲۲۰ درجه تنظیم می­کند. در واقع سیتم کنترل به واسطه خطای حسگر دمای واقعی را ۲۰ درجه کمتر تشخیص می­دهد و سعی می­کند تا مطابق با برنامه نوشته شده دما را در ۲۰۰ درجه تنظیم کند. اما دما عملا در ۲۲۰ درجه تنظیم می­گردد که به کاهش کیفیت کیک­های تولیدی منجر می­شود و ممکن است به سوختن محصول بیانجامد.