جهاز التحكم في درجة حرارة PID مع إيثرنت: الفوائد والميزات

 1. المقدمة

في العديد من التطبيقات الصناعية والتجارية والعلمية، من الضروري تنظيم درجة الحرارة بدقة. ضمن هذا المجال، الاشتقاق النسبي التكامليجهاز التحكم في درجة الحرارة) باعتبارها تكنولوجيا أساسية تشتهر بفعاليتها في الحفاظ على نقاط تحديد درجات الحرارة المرغوبة. وقد درجت هذه الأجهزة على الاعتماد على الوصلة البينية المحلية للرصد والتشغيل. غير أن قدرة هذه الشبكات على الاتصال بشبكة إيثرنت قد عززت قدراتها إلى حد كبير. فهو يوفر مرونة غير مسبوقة، وإمكانية الوصول عن بعد، وإمكانيات التكامل. تستكشف المقالة وحدات تحكم PID مع قدرات إيثرنت. تستكشف هذه المقالة المكونات الأساسية للأجهزة والبرامج. كما يدرس كيفية تمكين الإيثرنت من الميزات المتقدمة. هذه التكنولوجيا ضرورية للمديرين والمهندسين والفنيين الذين يعملون في مناطق حيث الحفاظ على درجة الحرارة هو أولوية.

2. الأجزاء والمكونات

تتكون وحدة تحكم PID لإيثرنت من العديد من مكونات الأجهزة التي تعمل معًا. ولتسهيل فهمها، يتم تجميع المكونات الأساسية في فئات واسعة.

تقع وحدة التحكم الرئيسية في قلب النظام. يمكن أن يكون متحكم منطقي قابل للبرمجة أو متحكم دقيق. وحدة التحكم الرئيسية هي المسؤولة عن العملية بأكملها. فهو يستقبل قياسات درجة الحرارة، وينفذ خوارزمية PID، ويحسب الناتج ويدير الاتصالات. تستخدم معظم وحدات التحكم الحديثة منصات قوية يمكنها التعامل مع المنطق المعقد وبروتوكولات الشبكات.

مجسات درجة الحرارة: يعتمد اختيار مجسات درجة الحرارة اعتمادا كبيرا على كل من التطبيق والبيئة. تستخدم المزدوجات الحرارية بشكل شائع بسبب متانتها الطويلة الأمد، كاشفات مقاومة الحرارة، أو RTDs، للدقة العالية والثرمستورات لحساسيتها في درجات الحرارة المنخفضة. وتستخدم أجهزة الاستشعار لتحويل تغيرات درجة الحرارة إلى إشارات كهربائية يمكن تغذيتها إلى جهاز التحكم.

جيم -أجهزة التشغيل: لضبط درجة الحرارة، يجب ترجمة خرج جهاز التحكم إلى أفعال مادية. يتم توصيل جهاز التحكم مع مشغلات، مثل عناصر التسخين مثل الملفات المقاومة ومصابيح الكوارتز أو أجهزة التبريد (مثل المبردات القائمة على المروحة أو وحدات التبريد). ولتحقيق درجة الحرارة المطلوبة، يقوم جهاز التحكم بتعديل الطاقة إلى الأجهزة وفقًا لإخراج خوارزمية تعريف المعلمات.

وحدة دي. إيثرنت: هذه الميزة هي التي تميز وحدات تحكم إيثرنت عن تلك التقليدية. وحدات إيثرنت تسهل الاتصالات الرقمية، وعادة ما تستخدم بروتوكولات إيثرنت/IP ومودبوس TCP. وترسل الوحدة البيانات عبر كابلات مزدوجة مجدولة أو الألياف الضوئية. وهذا يسمح للاتصالات البعيدة المدى ودمج الشبكات المحلية القائمة أو الشبكات الصناعية الأوسع.

E. الأسلاك وإمدادات الطاقة: يتطلب كل مكون إمدادات طاقة موثوقة ومناسبة. وحدات الإمداد بالطاقة تحول الطاقة الواردة (على سبيل المثال كهرباء التيار المتردد) إلى جهد مستمر مطلوب من قبل وحدات التحكم وأجهزة الاستشعار ووحدات إيثرنت. لتقليل ضوضاء التداخل وضمان نقل موثوق، من المهم أن أجهزة الاستشعار والإيثرنت متصلة بأزواج مجدولة معزولة.

3. الخوارزميات والبرمجيات

البرمجيات والخوارزميات هي العقل العقل المتحكم PID. تملي البرامج سلوك المتحكم، في حين أن الأجهزة هي الأساس.

خوارزمية التحكم في بيانات تعريف المنتج: تعمل أجهزة التحكم في بيانات تعريف المنتج عن طريق الحساب المستمر لقيمة خطأ، وهي الفرق بين درجات الحرارة المحددة المرغوبة ودرجات الحرارة الفعلية المقاسة. ثم يتخذ جهاز التحكم في تعريف الهوية الشخصي إجراءً تصحيحيًا يعتمد على المصطلحات الثلاثة المشتقة من هذا الخطأ.

نسبي (P): يقدم هذا التعبير رد فعل فوري يتناسب مع الخطأ الحالي. وكلما كان الخطأ أكبر، كان الإجراء التصحيحي أكبر. وهذا يساعد على تقليل انحراف درجة الحرارة بسرعة.

عدد صحيح (I): يستخدم هذا المصطلح لوصف تأثير الأخطاء الماضية على الخطأ الحالي. يضيف المصطلح المتكامل التصحيح إلى أي أخطاء كانت موجودة لبعض الوقت.

يستخدم هذا المصطلح للتنبؤ بالأخطاء المستقبلية من خلال تحليل التغير في معدل الخطأ. يساعد هذا المصطلح على تثبيط استجابة النظام عن طريق منع التذبذبات والتجاوز حول النقطة المحددة.

يتم تضمين هذه الخوارزمية في البرنامج الثابت من وحدة التحكم أو البرنامج قيد التشغيل. يستقبل البرنامج إشارات مستشعر درجة الحرارة، ويحسب مصطلحات تعريف المنتج ويدمجها لإنتاج مخرجات التحكم. ثم يرسل هذه الإشارة عبر واجهة مناسبة إلى المشغل (عادة ما يكون محول رقمي إلى تناظري أو خرج تعديل عرض النبضة).

ج. بروتوكول اتصال إيثرنت: يتم تنظيم اتصال إيثرنت بواسطة بروتوكولات محددة لتبادل البيانات. أصبح مودبوس TCP مفضلاً في الأتمتة الصناعية بسبب سهولة استخدامه ودعمه الواسع. يسمح البروتوكول لأجهزة الشبكة بتبادل الرسائل باستخدام تنسيقات الرسائل القياسية. إيثرنت/آي بي، الذي طوره مجلس تكنولوجيا الأتمتة ويستخدم على نطاق واسع لتوصيل الأجهزة الصناعية عبر شبكات إيثرنت هو بروتوكول آخر.

الوظيفة الأساسية هي التحكم. ومع ذلك، تم تطوير واجهة لأداء هذه الوظيفة. وعادة ما يتم ذلك على واجهة الآلة البشرية (HMI)، أو الكمبيوتر المتصل بالنظام. تسمح الواجهة للمشغل بضبط معلمات تعريف المعلمات، وعرض حالة النظام ودرجة الحرارة الحالية في الوقت الحقيقي، وتعيين درجة الحرارة المطلوبة.

4. ميزات إيثرنت

عندما يتم دمج إيثرنت في وحدة التحكم في تعريف المنتج، فإنه يحولها من جهاز مستقل إلى مكون يمكن ربطه شبكيا. هذا يفتح عددا من الميزات المتقدمة التي لم تكن متاحة سابقا مع الاتصال التناظري أو الاتصالات الرقمية المحدودة.

القدرة على مراقبة والتحكم عن بعد هي ربما أكبر ميزة تقدمها إيثرنت للاتصال. يمكن للموظفين المرخص لهم استخدام متصفح ويب، أو برنامج SCADA للوصول إلى حالات المتحكم، وإجراء تغييرات، وتعديل المعلمات وتلقي الإخطارات من أي مكان متصل بالإنترنت.

تتيح بي إيثرنت إمكانية الإبلاغ عن البيانات وتسجيلها بسلاسة. جهاز التحكم قادر على تسجيل درجات الحرارة والنقاط المحددة والتحكم في المخرجات. يمكن تخزين هذه البيانات على وحدة التحكم نفسها أو إرسالها إلى خادم أو قاعدة بيانات. ويمكن استخدامها بعد ذلك لتوليد التقارير التشغيلية، وتحليل أداء العملية، وتحديد الاتجاهات ودعم الامتثال للاحتياجات التنظيمية (على سبيل المثال في الأدوية أو تجهيز الأغذية).

(ج) يمكن دمج أجهزة التحكم في تعريف الهوية الشخصية الشبكي بسهولة مع النظم المؤسسية الأكبر. يسمح التكامل بتنسيق أفضل لأجهزة التحكم المختلفة. كما تربط البيانات التشغيلية بنظم تخطيط الموارد في المؤسسة.

د. أمن الإيثرنت: يوفر اتصال الإيثرنت المرونة ولكنه ينطوي أيضا على نقاط ضعف أمنية محتملة. ومن الضروري تنفيذ التدابير الأمنية المناسبة لحماية المراقب من التدخل الضار أو الوصول إلى البيانات أو اختراقها دون إذن. استخدام الجدران النارية والمصادقة القوية هي ممارسة شائعة. التشفير لنقل البيانات، مثل HTTPS و VPN، وتحديثات البرامج الثابتة المنتظمة لإصلاح الثغرات الأمنية هي أيضا ممارسات.

5 .لضمان أعلى مستوى من الأداء والموثوقية، من المهم تخطيط وتنفيذ تنفيذ وحدة تحكم في معرف البيانات الشخصية باستخدام إيثرنت.

الرسم البياني الكتلية: يبين هذا الرسم البياني بنية النظام، بما في ذلك الربط بين جهاز التحكم وأجهزة الاستشعار أو المشغلات، ووحدة إيثرنت، وواجهة المستخدم، وكذلك أي أجهزة أخرى متصلة بالشبكة. هذه أداة بصرية قيمة خلال مرحلة التصميم لفهم تدفق البيانات وتفاعل المكونات.

يتضمن الإعداد الأولي تكوين معلمات التحكم مثل نطاقات درجات الحرارة وأنواع المستشعرات والمعايرة ونقاط الضبط واكتساب قيم لـ PID (Kp Ki Kd). تكوين الشبكة مهم أيضا. وهذا يشمل تعيين عنوان IP ثابت، وتكوين DHCP للتعيينات الديناميكية، أو تعيين بروتوكولات الاتصال. هذا التكوين يمكن القيام به عن طريق HMI، أو عن طريق توصيل الكمبيوتر.

(ج) تعتمد دقة ضبط درجة الحرارة على أجهزة استشعار معايرة. ومن أجل تحقيق الدقة، تتطلب عملية المعايرة مقارنة قراءات المستشعر مع النقاط المرجعية المعروفة. وقد يكون من الضروري إعادة المعايرة بانتظام، ولا سيما إذا كانت أجهزة الاستشعار تنجرف مع مرور الوقت أو كانت الظروف البيئية قد تغيرت تغيرا كبيرا.

د -حل المشكلات والصيانة: وحدات التحكم في تعريف المنتج التي تستخدم الإيثرنت لا تختلف عن أي نظام معقد آخر. أعطال جهاز الاستشعار، والأخطاء الكهربائية، والتقلبات في إمدادات الطاقة، ومشاكل الاتصالات، وإعدادات المعلمات غير الصحيحة هي كلها مشاكل شائعة. ومن المهم استخدام أسلوب نظامي لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها، والذي يمكن أن يسترشد بسجلات التشخيص أو الرسائل التي توفرها برامج وحدة التحكم. من أجل الوثوقية على المدى الطويل، الصيانة المنتظمة ضرورية. ويشمل ذلك تنظيف أجهزة الاستشعار، والتحقق من الاتصال، وتحديث البرامج/البرامج الثابتة وغيرها من المهام.

6. الطلبات وحالات الاستخدام

وهي مناسبة للعديد من التطبيقات في مختلف الصناعات نظرا لتعددها وقدراتها المتزايدة.

ألف -فيما يتعلق بعمليات التصنيع الصناعية، مثل تصنيع أشباه الموصلات، وتجهيز المعادن، والمعالجة الكيميائية، فإن دقة درجات الحرارة أمر حاسم لتحقيق الاتساق في التفاعل، وخصائص المواد وجودة المنتج. وتتيح أجهزة التحكم في شبكة الإيثرنت الرصد المركزي لنظم التدفئة/التبريد، مما يحسن الكفاءة.

بيئات مختبر البحوث: تتطلب العديد من مرافق البحوث ضوابط درجة الحرارة التي هي عالية الدقة والمستقرة لتجاربها، وتخزين العينات، ومعدات التحليل. يسمح استخدام منصات تعريف الارتباط الشبكية بالمراقبة عن بعد وجمع البيانات، والتي يمكن استخدامها لتحليل البحوث. كما يتم دمجها في بروتوكولات التجربة الآلية.

C. HVAC Systems: اتصال إيثرنت هو الفائدة الرئيسية لأنظمة HVAC. ويمكن أن تكون أجهزة التحكم في أجهزة تحديد الهوية الشخصية، التي تستخدم في كثير من الأحيان لإدارة المبردات والمراجل، مفيدة للغاية. يسمح التعديل عن بعد من التدفئة والتبريد، ومراقبة الطاقة، والتكامل مع نظام إدارة المباني، والصيانة التنبؤية باستخدام البيانات التشغيلية.

دال -نظم المراقبة البيئية: تعتمد تطبيقات مثل الحاضنات للنمو البيولوجي، والغرف البيئية لاختبار المواد، ومرافق التخزين للسلع الحساسة للحرارة (مثل الأدوية واللقاحات) على البيئات الحرارية المستقرة. وتتطلب هذه النظم رصد الموصولية بشبكة إيثرنت، لأنها تتيح الرصد عن بعد وتسجيل البيانات آليًا والامتثال للوائح التخزين.

فوائد البرنامج

يوفر دمج الإيثرنت في أجهزة التحكم في درجة الحرارة مع خاصية تعريف الهوية المسبق العديد من المزايا عن أجهزة التحكم التقليدية. وهو يحسن الكفاءة التشغيلية والتحكم في النظام وقيمته.

ألف -تنظيم درجات الحرارة الدقيقة: عند تنفيذها بشكل صحيح، تتيح خوارزميات تحديد الهوية الشخصية تنظيم درجات الحرارة بدقة عالية. ويمكن استخدام هذه الدقة عبر شبكات أوسع مع اتصال إيثرنت، مما يسمح بالتحكم المنسق في العديد من النظم والنقاط.

تحسين كفاءة العمليات: يتيح الرصد عن بعد والوصول في الوقت الحقيقي للمشغلين التفاعل بسرعة مع أي انحرافات، أو تحسين العمليات باستخدام بيانات دقيقة. وتسجيل البيانات والإبلاغ الآلي أمران أساسيان لتيسير التحسين المستمر من خلال إعطاء رؤى بشأن استهلاك الطاقة وأداء العمليات.

ج. يتيح التوصيل بشبكة إيثرنت تحسين السلامة والموثوقية. ويمكنه تنبيه الموظفين إلى أي وضع حرج (مثل درجة الحرارة خارج النطاق، وتعطل جهاز الاستشعار)، بغض النظر عن مكان تواجدهم. كما يمكن لنظام مركزي للتشخيص والإدارة أن يساعد في تحديد المشاكل المحتملة قبل أن تصبح مشاكل رئيسية.

قد تبدو التكلفة الأولية أعلى ولكن الفوائد على المدى الطويل غالبا ما تفوق ذلك. والحد من النفايات والعيوب في المنتجات هو نتيجة لتحسين مراقبة العمليات. ينخفض استهلاك الطاقة عندما تزيد الكفاءة. التشخيص عن بعد وويمكن أن يوفر الرصد الوقت والمال بتقليل عدد عمليات التفتيش في الموقع. ويمكن أيضا تحسين جدول الصيانة استنادا إلى البيانات من أنظمة التشغيل توسيع نطاق المعدات#عمر 39 سنة.

7.ويمثل إدماج أجهزة التحكم في درجة حرارة أجهزة كشف البيانات الشخصية مع الموصولية بشبكة إيثرنت تقدما كبيرا في صناعة التحكم في الحرارة. تجمع أجهزة التحكم هذه بين متانة ودقة تعريف الهوية الشخصي مع المرونة والوصول وقوة معالجة البيانات الخاصة بالشبكات. توفر هذه الأجهزة مزايا كبيرة للكفاءة التشغيلية، واتساق العمليات، وإدارة النظام. وتتيح الرصد عن بعد وتسجيل البيانات والتكامل السلس مع نظم الشركات، فضلا عن تعزيز الأمن. وسيظل التحكم في درجة الحرارة باستخدام الإيثرنت أداة أساسية لأن الصناعات تحتاج إلى مزيد من الدقة والتشغيل الآلي والاتصال.

المزيد من القراءة

ملاحظة: سيورد هذا الفرع عناوين مواقع الويب وأسماء المؤلفين للمقالات الأكاديمية، والمواقع الشبكية للمصنعين، والأوراق البيضاء أو دراسات الحالة).

قائمة بالمواقع الشبكية ذات الحجية وتحتوي على وثائق ومعلومات عن نظرية تعريف الهوية الشخصية ونماذج المتحكم بها والإيثرنت في التشغيل الآلي.

الوصف الفوقي:

اكتشف مزايا وميزات وحدات التحكم التي لديها اتصال إيثرنت. ستتعلمون عن الأجهزة، خوارزميات تعريف الهوية الشخصية، تصاميم الأنظمة، المراقبة عن بعد، تطبيقات الصناعة، التدفئة والتهوية وتكييف الهواء والتصنيع، وكذلك كيف يمكن أن تعزز إيثرنت التحكم الدقيق في درجة الحرارة.