وحدات التحكم في الأدوات

أنواع وحدات تحكم الأجهزة

تُعد وحدات تحكم الأجهزة مكونات أساسية في أنظمة التحكم الآلي والعمليات الصناعية. تتمثل وظيفتها الرئيسية في تنظيم والحفاظ على معلمات محددة، مثل الضغط ودرجة الحرارة والتدفق أو المستوى، من خلال قياس هذه المعلمات باستمرار وتقديم ردود فعل وتدابير تحكم في الوقت الفعلي. تم تصميم هذه الوحدات لضمان عمل العمليات ضمن الحدود المطلوبة، مما يحسن الأداء والكفاءة والسلامة.

وحدة تحكم الأجهزة هي جهاز يُستخدم للتحكم في العمليات والأنظمة. تأتي بأشكال مختلفة:

• وحدات تحكم PID: PID هي اختصار لـ Proportional, Integral, and Derivative. تُستخدم وحدات تحكم PID على نطاق واسع في العديد من التطبيقات نظرًا لبساطتها وفعاليتها. تستخدم خوارزمية تحكم تجمع بين ثلاثة إجراءات: التحكم النسبي يضبط المخرجات بناءً على الخطأ الحالي بين النقطة المحددة والقيمة المقاسة، التحكم التكاملي يُزيل أخطاء حالة الاستقرار من خلال دمج الأخطاء السابقة، والتحكم التفاضلي يتنبأ بالأخطاء المستقبلية بناءً على معدل التغيير. من خلال ضبط معلمات وحدة التحكم، الحدود النسبية والتكاملية والتفاضلية، يمكن تحقيق التحكم الأمثل.
• وحدات التحكم التكيفية: كما يوحي اسمها، تُعدل وحدات التحكم التكيفية وتُكيف استراتيجيات التحكم الخاصة بها في الوقت الفعلي بناءً على ظروف العملية المتغيرة. تُعد هذه الوحدات مفيدة بشكل خاص للعمليات التي تُظهر اختلافات كبيرة في الديناميات أو التي تحتوي على معلمات غير مؤكدة. من خلال مراقبة النظام باستمرار وتكييف معلمات التحكم، يمكن لوحدات التحكم التكيفية الحفاظ على الأداء الأمثل في ظل ظروف متغيرة.
• استراتيجيات التحكم المتقدمة: في الأنظمة المعقدة ذات المتغيرات المتفاعلة المتعددة أو السلوك غير الخطي، قد تكون هناك حاجة إلى استراتيجيات تحكم متقدمة للتحكم الفعال. تشتمل هذه الاستراتيجيات على التحكم التنبئي بالنموذج (MPC)، التحكم غير الخطي، والتحكم بفك الارتباط. يمكن لاستراتيجيات التحكم المتقدمة تحسين أداء النظام، زيادة الاستقرار وتحسين دقة التحكم.
• أنظمة التحكم الموزعة: تتكون أنظمة التحكم الموزعة من العديد من الوحدات المترابطة التي تعمل معًا للتحكم في عملية. تُوفر هذه الأنظمة الزيادة في الموثوقية، مما يسمح بتعويض أي نقطة فشل واحدة بواسطة وحدة تحكم أخرى. تُتيح أنظمة التحكم الموزعة أيضًا دمج النظام، التنسيق والتعاون بين وحدات التحكم المختلفة.
• أنظمة السلامة المُجهزة: أنظمة السلامة المُجهزة (SIS) هي أنظمة أجهزة السلامة المصممة لمنع المواقف الخطرة أو تخفيف عواقبها، وحماية الأفراد والمعدات والبيئة، وضمان الامتثال للوائح والمعايير الخاصة بالسلامة. تُشمل SIS وحدات تحكم السلامة، والأجهزة الاستشعارية، وأجهزة التوصيل النهائي، ومكونات أخرى ضرورية لتنفيذ وظائف السلامة.

وظائف وميزات وحدات تحكم الأجهزة

فيما يلي بعض الميزات العامة والوظائف المقابلة لها:

• التحكم

  السبب الرئيسي لبناء أي وحدة تحكم للأجهزة هو التحكم في قطاعات الصناعة. يتم تحقيق ذلك من خلال التلاعب ببعض المتغيرات اعتمادًا على المهمة المطلوبة، والتي يمكن أن تكون الضغط أو المستوى أو التدفق أو درجة الحرارة.

• القياس

  تم تصميم الأجهزة بقدرة قياس الكميات الفيزيائية، من الضغط ودرجة الحرارة والمستوى وسرعة التدفق إلى الإزاحة. عند القياس، تُزود وحدات التحكم بأجهزة استشعار قادرة على اكتشاف الكميات الفيزيائية. يتبع ذلك حساب القيمة من قبل وحدة التحكم وعرضها. يساعد هذا القياس في تحديد ما إذا كان يتم تحقيق شرط التشغيل المطلوب.

• الإشارة

  تتمتع وحدات التحكم بالقدرة على الإشارة إلى قياسات معينة. تُحقق ذلك من خلال تقديم بيانات في الوقت الفعلي في شكل تناظري أو رقمي. يساعد ذلك المشغلين على فهم شروط التشغيل التي يتم تلبيتها. من بين الشاشات التي تُستخدم شاشات LED وشاشات LCD.

• التنبيه

  تُوجد التنبيهات والإنذارات لإبلاغ المشغلين عن أي حالات خطرة محتملة قد تكون موجودة. تساعد المشغلين على اتخاذ الخطوات اللازمة لتجنب الحوادث والمواقف الخطرة. تُوجد أنظمة التنبيه هذه لخلق سلامة وحماية إضافية في مكان العمل. تُستخدم الإنذارات أيضًا للإبلاغ عن الحاجة إلى الصيانة أو الخدمة.

• جمع البيانات

  يتم جمع البيانات باستمرار للحصول على سجل لاتجاهات البيانات بمرور الوقت. ثم تُستخدم هذه البيانات وتحليلها لتحسين الكفاءة، والمساعدة في اتخاذ القرارات، وتوفير رؤى حول العمليات. ستُظهر اتجاهات البيانات، مع قدر معين من التأكد، ما يحدث في عملية معينة والمساعدة في دعم اتخاذ القرار.

• حلقة التغذية الراجعة

  تعمل وحدات تحكم الأجهزة على نظام التغذية الراجعة. هناك قياس وتحكم وتلاعب تعتمد جميعها على التغذية الراجعة المعطاة. يساعد ذلك في الحفاظ على شروط التشغيل المطلوبة.

تطبيقات وحدات تحكم الأجهزة

تُعد تطبيقات وحدات تحكم الضغط ووحدات تحكم الأجهزة الأخرى عديدة. تُشمل الأنشطة التالية:

• مصانع التصنيع: تُعد وحدات تحكم الأجهزة أصولًا قيمة في مصانع التصنيع لأنها تساعد الأشخاص على تنظيم المعلمات الأساسية مثل التدفق والضغط ودرجة الحرارة والمستوى في أنظمتهم. تُمكن هذه الوحدات الموظفين من الحفاظ على شروط التشغيل ضمن حدود محددة مسبقًا وضمان جودة المنتج الثابتة.
• الصناعات العملية: تُستخدم العديد من الصناعات العملية، بما في ذلك البتروكيماويات والكيميائية وتوليد الطاقة، وحدات تحكم الأجهزة لمراقبة والتحكم في العمليات. تقوم وحدات تحكم الأجهزة بأخذ القياسات من أجهزة مختلفة والتحكم في متغيرات العملية لتحقيق نتائج مثالية.
• أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء: تعتمد أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء على وحدات تحكم الأجهزة لإدارة وتنظيم المعلمات مثل الرطوبة والضغط ودرجة الحرارة وجودة الهواء. تُضمن وحدات تحكم الأجهزة للموظفين الحفاظ على ظروف مريحة في المباني السكنية والتجارية.
• صناعات الفضاء والطيران: تُعد وحدات تحكم الأجهزة ضرورية في صناعات الفضاء والطيران. يستخدمها فريق الطيران لمراقبة المعلمات الحاسمة مثل السرعة والارتفاع وأداء المحرك. تساعد وحدات تحكم الأجهزة أيضًا فريق الطيران على ضمان التشغيل الآمن للطائرات والمركبات الفضائية.
• صناعة السيارات: تلعب وحدات تحكم الأجهزة دورًا مهمًا في صناعة السيارات. تُتحكم في كل شيء تقريبًا، من أنظمة إدارة المحرك إلى الكبح والتوجيه ونظام النقل وغيرها الكثير. تُمكن وحدات تحكم الأجهزة من تصميم المركبات الحديثة بكفاءة و أمان و أداء ممتازة.
• المرافق الطبية والرعاية الصحية: تُنظم و تُراقب وحدات تحكم الأجهزة المعلمات الطبية المهمة مثل الضغط ودرجة الحرارة والحجم والعديد من غيرها في صناعات الرعاية الصحية والطبية. تساعد هذه الوحدات مهنيي الرعاية الصحية على تقديم مستوى جيد من الرعاية للمرضى من خلال الحفاظ على المعلمات الحيوية و استخدام أجهزة دعم الحياة و معدات التخدير.

كيفية اختيار وحدات تحكم الأجهزة

بالنظر إلى طلب السوق على وحدات تحكم درجة الحرارة، من المتوقع أن يصل سوق التحكم في درجة الحرارة العالمي إلى 91 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2030، وهو نمو كبير من 44.62 مليار دولار أمريكي في عام 2022. يُشير ذلك إلى عائد استثمار محتمل لأي مشترٍ يدخل في بيع وحدات تحكم درجة الحرارة. ومع ذلك، لا يمكن تحقيق ذلك إلا إذا باع المرء النوع الصحيح من وحدات تحكم درجة الحرارة. يمكن التأكد من النوع الصحيح فقط من خلال فهم احتياجات العملاء وتطبيقاتها في الإعدادات الصناعية.

بالنظر إلى طلب أجهزة التحكم في الضغط، تم تقدير حجم سوق أجهزة التحكم في الضغط العالمي بـ 4.31 مليار دولار أمريكي في عام 2021، ومن المتوقع أن يصل إلى 7.67 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2031، بنسبة نمو سنوية مركبة تبلغ 5.7٪ من عام 2023 إلى عام 2031. تُظهر هذه البيانات زيادة في الطلب على التحكم في الضغط بين الصناعات التي تتطلب مراقبة دقيقة للضغط. ومع ذلك، ستحدد التطبيقات المحددة نوع جهاز التحكم في الضغط المطلوب، مما يُسلط الضوء على الحاجة إلى فهم تطبيقات الصناعة وتفضيلاتها.

من المتوقع أن يزداد الطلب العالمي على وحدات تحكم أجهزة التدفق ، ليصل إلى 7.5 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2026. يعود سبب زيادة الطلب إلى توسع صناعات البتروكيماويات والكيميائية، التي تتطلب قياسات دقيقة للتدفق والتحكم فيها لتحسين عمليات الإنتاج و ضمان السلامة. تزداد الصناعات الأخرى في قطاع التصنيع، مما يُزيد من الطلب على وحدات تحكم الأجهزة. ومع ذلك، يجب على المرء معرفة التطبيقات المحددة لفهم أي عداد تدفق يُناسب احتياجات عملاء معينين.

بشكل عام، يُظهر زيادة الطلب على هذه الوحدات عائد استثمار محتمل لأي مشتري يدخل في هذه السوق. ومع ذلك، فإن معرفة نوع الوحدة التي يُفترض تخزينها و الاختلافات المحددة للبائع أمر حيوي للحفاظ على هذا العمل كعمل تجاري مربح. يمكن للتحليل المفصل لوحدات التحكم المختلفة أن يساعد المصنعين و أولئك في أتمتة الصناعة على اختيار النوع الصحيح بناءً على أسئلة وتطبيقات عملاء العمل الفريدين.

بالنظر إلى الميزات و التصميم، تُوفر وحدة تحكم PID تحكمًا و كفاءة أفضل في الوصول إلى نقطة محددة مطلوبة و الحفاظ عليها من وحدة تحكم ON/OFF. لا ينطبق ذلك إلا في حالة عدم وجود تغيرات كبيرة و سريعة في الظروف الخارجية. في هذه الحالة، تُصبح أداة التحكم في درجة الحرارة أداة تحكم في درجة الحرارة. عند اختيار أي أداة تحكم في درجة الحرارة، يجب على المرء النظر في قدراتها، دقتها، موثوقيتها، سهولة التكامل، التعديل، و متطلبات الصيانة، بالإضافة إلى التكلفة و الاستخدام. تُطبق هذه العوامل الأساسية بشكل مماثل عند اختيار أداة تحكم في الضغط أو التدفق.

• متطلبات التطبيق:

يجب على المرء تحديد التطبيق المحدد و ظروف البيئة التي ستعمل فيها وحدة التحكم. سيساعد ذلك أي مشتري على تحديد نوع الوحدة المحدد المطلوب، سواء كانت وحدة تحكم في درجة الحرارة أو الضغط أو التدفق. يساعد معرفة متطلبات التطبيق في ضيق الخيارات.

• نوع وحدة التحكم:

في هذه الحالة، يجب أن تُطابق معادلة النموذج نموذج العملية الحقيقية التي سيتم التحكم فيها. تُستخدم وحدات تحكم درجة الحرارة؛ إذا كان المتغير المتحكم هو درجة الحرارة، فسيكون الضغط إذا كان المتغير المتحكم هو الضغط، وهكذا. اختيار عمليات التأثير و التأخير في الوقت عوامل حاسمة في تحديد نوع وحدة التحكم و تعقيد نظام التحكم.

• الدقة و النطاق:

يجب أن يكون نطاق القياس و التحكم ضمن الأجهزة التي ستعمل فيها وحدات التحكم. هذه عوامل حاسمة في تحديد وحدات التحكم التي يجب على المرء شرائها. هذه عوامل حاسمة أيضًا في تحديد وحدات التحكم التي يجب على المرء شرائها. إذا كانت الأجهزة تقع ضمن فئة مختلفة، يمكن اختيار جهاز خارج الفئة ذات ميزات و مواصفات مشابهة.

• التكامل:

يحتاج المشترون إلى تقييم توافق وحدة التحكم مع النظم الموجودة، مثل الأجهزة الاستشعارية و أجهزة التنشيط و حلقات التحكم.

بناءً على معايير التقييم أعلاه، يمكن للمرء تقييم البائعين المحتملين و فحص عوامل أكثر تفصيلًا مثل التكلفة و الضمان و خدمة العملاء. تُشير الظروف العامة إلى معرفة التطبيق المحدد. بينما قد تكون بعض وحدات تحكم الأجهزة أفضل في قياس الظروف في تدفق الإمداد المغلق، فإن الآخرين أفضل لقياسات الغرفة أو الهواء الطلق، اعتمادًا على وقت استجابة أداة قياس درجة الحرارة.

في النهاية، ستحدد حساسية الأداة المُراد قياسها للضغط، و سرعة استجابتها للتغيرات في النظام، و سهولة قياس الضغط باستخدام هذه الأداة النموذج المحدد و نوع أداة القياس التي سيتم شراؤها. يمكن لهذه العوامل والعديد من العوامل الأخرى أن تساعد في تحديد نوع وحدة تحكم الأجهزة المطلوبة، إلى جانب معايير التقييم أعلاه.

أسئلة و أجوبة وحدات تحكم الأجهزة

س1: كيف يتم التحكم في درجة الحرارة في وحدة تحكم درجة الحرارة؟

ج1: تُستخدم وحدة تحكم درجة الحرارة جهاز استشعار يكتشف درجة الحرارة الحالية. تُفحص وحدة التحكم هذه درجة الحرارة مقارنة بالقيمة المحددة. إذا كانت درجة الحرارة عالية جدًا أو منخفضة جدًا، فإن وحدة التحكم تُعدل أجهزة التدفئة أو المبردات لإعادتها إلى درجة الحرارة المطلوبة.

س2: ما هي مزايا استخدام وحدة تحكم PLC في أنظمة أتمتة الصناعة؟

ج2: من بين المزايا التحكم الدقيق في الآلات و العمليات، و تحسين الكفاءة و الإنتاجية، و ال تشغيل المرنة، و تبسيط تصحيح الأخطاء و صيانة أنظمة التحكم.

س3: ما هي الصفات التي تجعل وحدة تحكم PID مثالية للعديد من أنظمة التحكم الصناعية؟

ج3: تُعد وحدة تحكم PID شائعة في العديد من أنظمة التحكم الصناعية نظرًا لموثوقيتها و متانتها. لها أيضًا تصميم بسيط و استراتيجيات تحكم بديهية، مما يُسهل تجميعها و تشغيلها. تُعد وحدة التحكم قابلة للتكيف مع جميع الاستجابات الديناميكية لأنظمة التحكم.

س4: كيف تُبسط وحدة تحكم المراجل عمل المراجل و تُضمن السلامة؟

ج4: تُراقب وحدة تحكم المراجل و تُحكم باستمرار على معلمات متنوعة للحفاظ عليها ضمن حدود آمنة. لها أيضًا إنذارات و أقفال سلامة تساعد في منع المواقف الخطرة. تُمكن وحدة التحكم من أتمتة المهام مثل بدء و إيقاف تشغيل المراجل، مما يُجعل تشغيل المراجل أكثر كفاءة و أمانًا.