در محیط کهSTEP7 Classic، شرکت زیمنس برای پیادهسازی این حلقههای کنترلی، بلوک استاندارد FB41 (CONT_C) که در مقاله تخصصی آموزش تخصصی PLC زیمنس STEP7 Classic از الکترونت معرفی شده است را ارائه کرده است.
در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی و نیروگاهی، بخش عمدهای از حلقههای کنترلی بر پایه کنترلکنندههای PID طراحی میشوند. کنترل فشار خطوط انتقال گاز، کنترل دمای کورهها، کنترل سطح مخازن، کنترل دبی سیالات و حتی کنترل سرعت توربینها همگی نمونههایی از کاربرد PID هستند.
این بلوک یک کنترلکننده PID پیوسته (Continuous Controller) است که با فعال یا غیرفعال کردن بخشهای P، I و D میتواند بهصورت P، PI، PD یا PID عمل کند و در کنترلهای تکحلقهای، آبشاری (Cascade)، نسبت (Ratio) و ترکیبی استفاده شود.
در بسیاری از پروژههای EPC، FB41 بهعنوان هسته اصلی حلقههای کنترل فرآیند
شناخته میشود و آشنایی کامل با آن برای مهندسان کنترل و مدیران پروژه اهمیت زیادی
دارد.
FB41 (CONT_C) چیست؟
FB41 با نام CONT_C (Continuous Controller) یک Function Block استاندارد در کتابخانه PID زیمنس است که برای کنترل فرآیندهایی با ورودی و خروجی پیوسته (Continuous Input/Output) طراحی شده است. این بلوک امکان استفاده بهعنوان کنترلکننده PID مستقل یا در ساختارهای چندحلقهای مانند Cascade، Ratio و Blend را فراهم میکند.
ویژگی مهم FB41 این است که به دلیل ماهیت Function Block،
تمامی پارامترها و وضعیت داخلی خود را در Instance DB ذخیره
میکند؛ بنابراین وضعیت انتگرالگیر، خروجی کنترل و سایر مقادیر بین سیکلهای
اجرای
PLC حفظ میشوند.
چرا
FB41 در پروژههای نفت و گاز اهمیت دارد؟
تقریباً در هر واحد فرآیندی دهها تا صدها حلقه PID وجود دارد.
نمونههایی از کاربرد:
· کنترل فشار خطوط انتقال گاز
· کنترل دمای راکتورها
· کنترل سطح جداکنندهها (Separator)
· کنترل دبی خوراک پالایشگاه
· کنترل فشار بویلر نیروگاه
· کنترل سطح مخازن ذخیره
· کنترل سرعت توربین بخار
· کنترل نسبت سوخت و هوا در مشعلها
در همه این موارد، FB41 راهکاری استاندارد، آزموده و قابل اطمینان برای
پیادهسازی کنترل
PID فراهم میکند.
ساختار داخلی FB41
FB41 از چند بخش اصلی تشکیل شده است:
· شاخه مقدار مرجع (Setpoint Branch)
· شاخه مقدار اندازهگیریشده (Process Variable Branch)
· محاسبه خطای کنترل (Error Calculation)
· الگوریتم PID
· پردازش حالت دستی (Manual Mode)
· پردازش خروجی کنترل (Manipulated Variable)
· امکان اعمال Feed Forward یا اغتشاش (Disturbance Feedforward)
جدول پارامترهای مهم FB41
|
پارامتر |
توضیح |
|
SP_INT |
مقدار مطلوب (Set Point) |
|
PV_IN |
مقدار واقعی فرآیند (Process Variable) |
|
MAN |
فعالسازی حالت دستی |
|
MAN_IN |
مقدار خروجی در حالت Manual |
|
GAIN |
ضریب بهره (Kp) |
|
TI |
زمان انتگرالگیر |
|
TD |
زمان مشتقگیر |
|
LMN |
خروجی کنترل |
|
LMN_HLM |
حد بالای خروجی |
|
LMN_LLM |
حد پایین خروجی |
|
COM_RST |
ریست کامل کنترلکننده |
|
PVPER_ON |
فعالسازی ورودی درصدی |
نحوه عملکرد FB41
در هر سیکل اجرای PLC، FB41 مراحل زیر را انجام میدهد:
1. دریافت مقدار واقعی از سنسور
2. دریافت مقدار مطلوب از اپراتور یا سیستم کنترل
3. محاسبه اختلاف بین PV و SP
4. اجرای الگوریتم PID
5. اعمال محدودیتهای خروجی
6. تولید خروجی آنالوگ برای تجهیز نهایی
این چرخه در هر بار فراخوانی FB41 تکرار میشود.
مدهای کنترلی
یکی از مزیتهای FB41 امکان فعال یا غیرفعال کردن هر بخش از الگوریتم PID است.
بنابراین میتوان آن را بهصورت:
· P Controller
· PI Controller
· PD Controller
· PID Controller
استفاده کرد.
مثال اول
کنترل فشار خط انتقال گاز
فرض کنید فشار خط باید روی ۶۵ Bar ثابت
بماند.
ورودی FB41:
SP = 65 Bar
PV = مقدار ترانسمیتر فشار
خروجی FB41:
Position Control Valve
اگر فشار کاهش یابد، خروجی PID افزایش پیدا میکند و ولو بیشتر باز میشود.
اگر فشار زیاد شود، خروجی کاهش مییابد.
مثال دوم
کنترل سطح مخزن
در یک Separator سطح مایع باید روی ۵۰٪ نگه
داشته شود.
ورودیها:
Level Transmitter
↓
FB41
↓
Control Valve
در این مثال، FB41 بهصورت PI تنظیم میشود؛ زیرا در کنترل سطح معمولاً مؤلفه
مشتقگیر موردنیاز نیست.
مثال سوم
کنترل دمای راکتور پتروشیمی
راکتور
باید در دمای ۱۸۰°C کار
کند.
ورودی:
Temperature
Transmitter
↓
FB41
↓
Steam Control
Valve
خروجی PID میزان باز شدن شیر بخار را تنظیم میکند تا دما
روی مقدار مطلوب ثابت بماند.
مثال چهارم
کنترل
دبی خوراک پالایشگاه
Flow Meter
↓
FB41
↓
VFD Pump
↓
Flow ثابت
در این کاربرد، خروجی PID سرعت اینورتر پمپ را تغییر میدهد تا دبی در
مقدار تنظیمشده حفظ شود.
Auto و
Manual
یکی از مهمترین قابلیتهای FB41،
امکان سوئیچ بین حالت Automatic و Manual است.
در حالت Manual:
· خروجی توسط اپراتور تعیین میشود.
· الگوریتم PID دخالتی در کنترل ندارد.
در حالت Automatic:
· خروجی بر اساس اختلاف بین PV و SP
محاسبه میشود.
این ویژگی در زمان Commissioning،
تعمیرات و تست تجهیزات بسیار مهم است.
Anti-Windup
در بسیاری از فرآیندها، خروجی کنترلکننده ممکن
است به حد بالا یا پایین خود برسد. اگر انتگرالگیر همچنان به جمع کردن خطا ادامه
دهد، پس از رفع محدودیت، سیستم دچار
Overshoot شدید خواهد شد.
FB41 با مکانیزم Anti-Windup از این
پدیده جلوگیری کرده و عملکرد پایدارتر حلقه کنترل را فراهم میکند. (Siemens Industry Support)
Feed Forward
در برخی فرآیندهای پیچیده، علاوه بر خطای بین PV و SP، یک اغتشاش قابل اندازهگیری نیز وجود دارد.
FB41 امکان اعمال Feed Forward را فراهم میکند تا سیستم قبل از تأثیر کامل اغتشاش، واکنش مناسب نشان دهد. این قابلیت در کنترل دبی، نسبت سوخت و هوا و کنترل بار توربین بسیار مفید است. (
نکات طراحی در پروژههای EPC
برای استفاده حرفهای از FB41 در پروژههای بزرگ پیشنهاد میشود:
· برای هر حلقه PID یک Instance DB مستقل
ایجاد کنید.
· FB41 را در OB35 (Cyclic Interrupt) فراخوانی کنید تا دوره نمونهبرداری ثابت باشد؛ این روش نسبت به اجرای آن در OB1 دقت و پایداری کنترل را افزایش میدهد.
· سیگنالهای آنالوگ را پیش از ورود به FB41 با FC105 به
واحد مهندسی تبدیل کنید.
· خروجی FB41 را پیش از ارسال به کارت آنالوگ با FC106 به
مقدار خام تبدیل کنید.
· حدود
LMN_HLM و
LMN_LLM را مطابق مشخصات تجهیز نهایی تنظیم کنید.
· پارامترهای Gain، TI و TD را مستندسازی کنید تا در زمان بهرهبرداری و Revamp قابل ردیابی باشند.
اشتباهات رایج مهندسان
· اجرای FB41 داخل
OB1 با
Scan Time متغیر.
· تنظیم نادرست Gain و ایجاد نوسان در حلقه.
· فعال کردن مشتقگیر برای فرآیندهای دارای نویز
زیاد.
· عدم استفاده از Anti-Windup.
· اشتباه گرفتن واحدهای مهندسی با مقادیر خام کارت
آنالوگ.
· استفاده مشترک چند حلقه PID از یک Instance DB.
مزایای FB41 در پروژههای نفت، گاز و پتروشیمی
· کاهش زمان توسعه نرمافزار
· استفاده از الگوریتم استاندارد و آزمودهشده
زیمنس
· افزایش پایداری حلقههای کنترل
· مناسب برای کنترلهای Cascade، Ratio و
Blend
· قابلیت استفاده در صدها حلقه PID یک پروژه
· کاهش زمان Commissioning
· افزایش قابلیت نگهداری و توسعه نرمافزار
· هماهنگی کامل با معماری استاندارد STEP7 و PCS 7
جمعبندی
FB41 (CONT_C) یکی از
مهمترین
Function Blockهای
استاندارد زیمنس برای پیادهسازی کنترلکنندههای PID پیوسته است. این بلوک با پشتیبانی از حالتهای P، PI، PD و PID،
قابلیتهای
Manual/Auto،
محدودسازی خروجی، Feed Forward و
Anti-Windup،
راهکاری مطمئن برای کنترل فرآیندهای پیوسته در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی و
نیروگاهی ارائه میدهد. استفاده صحیح از FB41 نهتنها کیفیت کنترل را افزایش میدهد، بلکه با
استانداردسازی حلقههای کنترلی، زمان مهندسی، راهاندازی و نگهداری پروژههای EPC را نیز بهطور قابلتوجهی کاهش میدهد.
عالی، در این صورت مقاله را بر اساس FB42 (CONT_S – Continuous Controller with Step Output) از کتابخانه Standard PID Control زیمنس پیش میبریم. این مقاله نیز مانند مجموعه OB و FC با هدف جذب مدیران پروژه، مدیران برق، مدیران ابزار دقیق و شرکتهای EPC صنایع نفت، گاز، پتروشیمی و نیروگاهی نگارش شده است.
