حلقة التحكم

تُعدّ حلقة التحكم اللبنة الأساسية لأنظمة التحكم بشكل عام، وأنظمة التحكم الصناعية بشكل خاص. وهي تتكون من مستشعر العملية ، ووظيفة وحدة التحكم، وعنصر التحكم النهائي (FCE) الذي يتحكم في العملية اللازمة لضبط قيمة متغير العملية المقاس (PV) تلقائيًا لتساوي قيمة نقطة الضبط المطلوبة (SP).

هناك نوعان شائعان من حلقات التحكم: الحلقة المفتوحة والحلقة المغلقة.

• في نظام التحكم ذي الحلقة المفتوحة، يكون إجراء التحكم الصادر من وحدة التحكم مستقلاً عن متغير العملية. مثال على ذلك غلاية التدفئة المركزية التي يتم التحكم بها بواسطة مؤقت فقط . يتمثل إجراء التحكم في تشغيل الغلاية أو إيقافها. أما متغير العملية فهو درجة حرارة المبنى. تعمل وحدة التحكم هذه على تشغيل نظام التدفئة لفترة زمنية ثابتة بغض النظر عن درجة حرارة المبنى.
• في نظام التحكم ذي الحلقة المغلقة، يعتمد إجراء التحكم الصادر من وحدة التحكم على متغير العملية المطلوب والفعلي. في حالة استخدام الغلاية كمثال، يُستخدم منظم حرارة لمراقبة درجة حرارة المبنى، وإرسال إشارة لضمان حفاظ وحدة التحكم على درجة حرارة المبنى قريبة من القيمة المضبوطة على منظم الحرارة. تحتوي وحدة التحكم ذات الحلقة المغلقة على حلقة تغذية راجعة تضمن قيامها بإجراء تحكم لضبط متغير العملية عند نفس قيمة نقطة الضبط. لهذا السبب، تُسمى وحدات التحكم ذات الحلقة المغلقة أيضًا بوحدات التحكم بالتغذية الراجعة. ^{[ 1 ]}

بشكل أساسي، هناك نوعان من حلقات التحكم: التحكم ذو الحلقة المفتوحة (التغذية الأمامية)، والتحكم ذو الحلقة المغلقة (التغذية الراجعة).

• في نظام التحكم ذي الحلقة المفتوحة، يكون إجراء التحكم الصادر من وحدة التحكم مستقلاً عن "مخرجات العملية" (أو "متغير العملية المتحكم به"). ومن الأمثلة الجيدة على ذلك غلاية التدفئة المركزية التي يتم التحكم بها بواسطة مؤقت فقط، بحيث يتم تطبيق الحرارة لفترة زمنية ثابتة، بغض النظر عن درجة حرارة المبنى. يتمثل إجراء التحكم في تشغيل/إيقاف الغلاية، ولكن المتغير المتحكم به يجب أن يكون درجة حرارة المبنى، وهو ما لا يحدث لأن هذا نظام تحكم ذي حلقة مفتوحة للغلاية، والذي لا يوفر تحكمًا ذا حلقة مغلقة في درجة الحرارة.
• في التحكم ذي الحلقة المغلقة، يعتمد إجراء التحكم الصادر من وحدة التحكم على مخرجات العملية. في حالة تشبيه الغلاية، يتضمن ذلك منظم حرارة لمراقبة درجة حرارة المبنى، ومن ثم إرسال إشارة لضمان حفاظ وحدة التحكم على درجة الحرارة المضبوطة على منظم الحرارة. لذلك، تحتوي وحدة التحكم ذات الحلقة المغلقة على حلقة تغذية راجعة تضمن قيامها بإجراء تحكم يُعطي مخرجات العملية مطابقة لـ "المدخل المرجعي" أو "نقطة الضبط". لهذا السبب، تُسمى وحدات التحكم ذات الحلقة المغلقة أيضًا بوحدات التحكم بالتغذية الراجعة. ^{[ 2 ]}

يُعرّف نظام التحكم ذو الحلقة المغلقة وفقًا لمؤسسة المعايير البريطانية بأنه "نظام تحكم يمتلك تغذية راجعة للمراقبة، حيث تُستخدم إشارة الانحراف الناتجة عن هذه التغذية الراجعة للتحكم في عمل عنصر التحكم النهائي بطريقة تهدف إلى تقليل الانحراف إلى الصفر". ^{[ 3 ]}

وبالمثل؛ " نظام التحكم بالتغذية الراجعة هو نظام يميل إلى الحفاظ على علاقة محددة بين متغير نظام وآخر من خلال مقارنة وظائف هذه المتغيرات واستخدام الفرق كوسيلة للتحكم." ^{[ 3 ]}

أمثلة أخرى

من أمثلة أنظمة التحكم نظام تثبيت السرعة في السيارة ، وهو جهاز مصمم للحفاظ على سرعة السيارة عند سرعة ثابتة يحددها السائق . وحدة التحكم هي نظام تثبيت السرعة، والسيارة هي النظام ، والنظام هو السيارة ونظام تثبيت السرعة معًا . مخرج النظام هو سرعة السيارة، والتحكم نفسه هو وضع دواسة الوقود في المحرك الذي يحدد مقدار الطاقة التي يولدها.

تتمثل إحدى الطرق البدائية لتطبيق نظام تثبيت السرعة في تثبيت وضع دواسة الوقود عند تفعيل السائق للنظام. مع ذلك، إذا تم تفعيل نظام تثبيت السرعة على طريق غير مستوٍ، فإن السيارة ستسير بسرعة أقل عند الصعود وسرعة أكبر عند النزول. يُطلق على هذا النوع من أنظمة التحكم اسم " نظام التحكم ذو الحلقة المفتوحة" لعدم وجود تغذية راجعة ؛ إذ لا يتم استخدام أي قياس لمخرجات النظام (سرعة السيارة) لتعديل التحكم (وضع دواسة الوقود). ونتيجة لذلك، لا يستطيع نظام التحكم التعويض عن التغيرات التي تطرأ على السيارة، مثل تغير ميل الطريق.

في نظام تحكم ذي حلقة مغلقة ، تدخل البيانات من مستشعر يراقب سرعة السيارة (مخرج النظام) إلى وحدة تحكم تقارن باستمرار القيمة التي تمثل السرعة بالقيمة المرجعية التي تمثل السرعة المطلوبة. ويحدد الفرق بينهما، والذي يُسمى الخطأ، موضع دواسة الوقود (التحكم). والنتيجة هي مطابقة سرعة السيارة مع السرعة المرجعية (الحفاظ على مخرج النظام المطلوب). الآن، عندما تصعد السيارة منحدرًا، يحدد الفرق بين المدخل (السرعة المقاسة) والقيمة المرجعية موضع دواسة الوقود باستمرار. عندما تنخفض السرعة المقاسة عن القيمة المرجعية، يزداد الفرق، فتُفتح دواسة الوقود، وتزداد قوة المحرك، مما يزيد من سرعة السيارة. وبهذه الطريقة، تُعاكس وحدة التحكم ديناميكيًا التغيرات في سرعة السيارة. الفكرة الأساسية لهذه الأنظمة هي حلقة التغذية الراجعة ، حيث تؤثر وحدة التحكم على مخرج النظام، والذي بدوره يُقاس ويُعاد إلى وحدة التحكم.

يوضح الرسم التخطيطي المرفق حلقة تحكم ذات مدخل واحد (PV)، ووظيفة تحكم، ومخرج تحكم (CO) يُعدّل عمل عنصر التحكم النهائي (FCE) لتغيير قيمة المتغير المُتحكَّم به (MV). في هذا المثال، تُعرض حلقة تحكم في التدفق، ولكن يمكن أن تكون حلقة تحكم في المستوى، أو درجة الحرارة، أو أيٍّ من معايير العملية العديدة التي تحتاج إلى التحكم. وظيفة التحكم الموضحة هي من النوع "الوسيط"، مثل وحدة تحكم PID، مما يعني أنها قادرة على توليد نطاق كامل من إشارات الخرج بين 0 و100%، بدلاً من مجرد إشارة تشغيل/إيقاف. ^{[ 1 ]}

في هذا المثال، تكون قيمة PV دائمًا مساوية لقيمة MV، نظرًا لتوصيلهما على التوالي في خط الأنابيب. مع ذلك، إذا كان مصدر التغذية من الصمام إلى خزان، وكانت وظيفة وحدة التحكم هي ضبط مستوى السائل باستخدام صمام التعبئة، فإن قيمة PV ستكون مستوى السائل في الخزان، وقيمة MV ستكون التدفق إلى الخزان.

يمكن أن تكون وظيفة التحكم وحدة تحكم منفصلة أو وحدة وظيفية ضمن نظام تحكم محوسب، مثل نظام التحكم الموزع أو وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة . في جميع الأحوال، يُعد مخطط حلقة التحكم وسيلةً ملائمةً وفعّالةً لتمثيل وظيفة التحكم وتفاعلها مع النظام. عمليًا، على مستوى التحكم في العمليات، تُختصر حلقات التحكم عادةً باستخدام رموز قياسية في مخطط الأنابيب والأجهزة ، الذي يُظهر جميع عناصر قياس العملية والتحكم فيها استنادًا إلى مخطط تدفق العملية . ^{[ 4 ]}

على مستوى تفصيلي، يتم إنشاء مخطط توصيل حلقة التحكم لإظهار التوصيلات الكهربائية والهوائية. وهذا يُسهّل بشكل كبير عمليات التشخيص والإصلاح، حيث تظهر جميع التوصيلات الخاصة بوظيفة تحكم واحدة في مخطط واحد.

للمساعدة في تحديد المعدات بشكل فريد، يتم تحديد كل حلقة وعناصرها بواسطة نظام "الوسم"، ولكل عنصر علامة تعريف فريدة. ^{[ 5 ]}

استنادًا إلى المعايير ANSI / ISA S5.1 و ISO 14617 -6، تتكون التعريفات من 5 أحرف كحد أقصى.

الحرف الأول يُشير إلى القيمة المقاسة، والثاني مُعدِّل، والثالث يُشير إلى وظيفة القراءة/الوضع السلبي، والرابع إلى وظيفة الإخراج/الوضع النشط، والخامس إلى مُعدِّل الوظيفة. يلي ذلك رقم الحلقة، وهو رقم فريد خاص بتلك الحلقة.

على سبيل المثال، يشير الرمز FIC045 إلى وحدة التحكم في مؤشر التدفق في حلقة التحكم 045. يُعرف هذا أيضًا باسم مُعرّف "الوسم" الخاص بالجهاز الميداني، والذي يُحدد عادةً موقع الجهاز ووظيفته. قد تحتوي الحلقة نفسها على الرمز FT045، وهو مُرسِل التدفق في الحلقة نفسها.