کارآموزی ابزار دقیق و کنترل سیستمهای الکترونیک و سنسورها

عنوان پروژه : ابزار دقیق و کنترل الکترونیکی
مشخصات و محل کارآموزی :
شرکت الیاف سهامی عام، جاده قدیم کرج، سه راه شهریار، روبروی دپوی ارتش این شرکت در سال ۱۳۴۶ تأسیس گردیده و محصولات این شرکت نخ نایلون ۶ و مواد اولیه پلمیری جهت استفاده در شرکت های تولید مواد پلاستیکی می باشد. در این شرکت قسمت های مختلفی وجود دارند که طبقه بندی شده اند که عبارتند از :
۱ ) امور اداری؛ ۲ ) قسمت تولید؛ ۳ ) قسمت مهندسی؛ ۴ ) ایمنی و آتش نشانی؛ ۵ ) درمانگاه؛ ۶ ) نیروگاه.
قسمت مهندسی شامل زیر شاخه های تعمیرات نیروگاه، تعمیرات تولید، تعمیرات ریسندگی، تعمیرات پلیمر، تراشکاری، قسمت برق فشار قوی، برق فشار ضعیف، ابزار دقیق و الکترونیک و قسمت های PM و … می باشد.

اینجانب در قسمت ابزار دقیق مشغول به انجام دوذه کارآموزی شدن و کار این قسمت در زمینه سیستم های کنترل از جمله سیستم های کنترل دما، فشار، سطح، رطوبت، چگالی، Ph، دور موتورها و … می باشد.

در این دوره سعی شد که با تمامی این موضوعات که جزء درس کنترل صنعتی می باشد، آشنا شده و به صورت عملی بر روی این سیستم ها کار شد.
گزارش ارائه شده در مورد سیستم های ابزار دقیق، پروتکلهای ارتباطی، سیستم های کنترل، سنسورها و موارد مرتبط به آنها می باشد، که طی ۴۴۰ ساعت کارآموزی در این شرکت تهیه و ارائه شده است.

این دوره از تاریخ مهر ۸۸ تا تاریخ بهمن ۸۸ تهیه و تنظیم گردیده است.
میان سیستم مدیریت و سیستم کنترل کارخانه، معمول می گردد که سیستم خای کنترل قدیمی تر
(نیوماتیکی یا ۴ – ۲۰ mA) و حتی سیستم های DCS نسلهای قبل که برای انتقال اطلاعات آنها به سیستم های بالاتر که اکنون همگی بر مبنای تکنولوژی های Interanet/ Internet و WEB قرار گرفته اند، دیگر از حیث کارایی و قیمت، نیازهای مشتریان را برآورده نمی کنند و لازم است با توجه به تحولات ذکر شده، متحول گردند و شکل جدید پذیرند، شکلی که با نیازهای روز منطبق باشد.

در این پایان نامه سعی ما برای است که بر سیستم های اتوماسیون و ابزار دقیق که رکن اساسی صنعت امروز می باشد و تکنولوژی پیچیده امروز جز با وجود آنها میسر نمی گردد، مرور مختصری داشته باشیم.
بدنی منظور به توضیح جزء به جزء لایه های مختلف یک سیستم اتوماسیون می پردازیم.

مقدمه :
شاید منظور قرآن از آیات فوق این باشد که انسان یک پدیده مافوق است اما بالفعل یم پدیده مادی، پدیده مافوق بودن انسان او را از خاک به افلاک می رساند و در این مسیر تکامل است که رسالت انسان مشخص می گردد و با خودسازی جهت خویش را پیدا می کند.
لذا از آنجاییکه هدف از خلقت بشر تعالی او به سوی کمالات معنوی و رسیدن به ذات اقدس خداوندی است و این کمالات جز با فکر و اندیشه و پا گذاشتن در عرصه علم حاصل نمی گردد لذا برماست که فراگیری علوم را بر خود واجب شماریم و لحظه ای از تحصیل علم غافل نباشیم.

کاروان علم بشریت با سرعتی غیر قابل مهار به پیش می رود و دستاوردهای علمی و تکنولوژیک مبین این پیشرفت می باشد. ما نیز که جزیی از کل هستی هستیم باید سهمی هر چند کوچک در این راه ایفا کنیم و گامی در جهت خودکفایی کشور برداریم و در کنار فراگیری علوم تجربی، علوم معنوی خویش را توسعه دهیم و این دو بال را هماهنگ به پرواز درآوریم. در غیر اینصورت تصاد حاصل باعث بی هدف بودن فعالیتها و تلاشها می شود.

امروزه وقتی از سیستم کنترل گسترده سخن می گوییم معنایی بس وسیعتر از آنچه در دهه گذشته مدنظر بود، توصیف می شود. اگر نظری آینده نگرانه به آن داشته باشیم، سیستم ها را در گسترده ای می یابیم که از یکسو سنسورها و محرکها و از سوی دیگر سیستمهای فروش، مالی و مدیریتی را برمی گیرند. منطق و نیاز بسیار ساده ای چنین سیستمی را توصیه می کند : جریان وسیع و بدون مانع اطلاعات در سرتاسر یک مجتمع صنعتی یا کارخانه و یا حتی یک مجموعه گسترده از واحدها، با توجه به شرایط رقابت روزافزون حاکم بر بازار، عامل مهمی در موفقیت ارائه محصولات با کیفیت و بها مناسب می باشد.

از طرفی بهینه سازی و ارتقاء کیفیت تولید با تکیه بر روشهای پیشرفته کنترل، کاهش هزینه نگهداری در دراز مدت، امکان توسعه و گسترش ساده و سریه وجود فیدبک های مدیریتی قوی و دقیق در قالب گزارش های گوناگون و در زمان و بسیاری مزایای دیگر به وضوح نیاز به چنین سیستم های در قالب کنترل تولید، بالا می برد.

با روشن شدن اهمیت استفاده از سیستم های کنترل پیشرفته در تولید و مهمتر از آن ارتباط.

PART 1
PROTOCOLS
1 ) پروتکلها
برای انتقال اطلاعات در سیستم های کنترل از استانداردهای متفاوتی استفاده می شود که در این بخش به توضیح برخی از آنها می پردازیم.
این استانداردها عبارتند از :
• RS – ۲۳۲
• RS – ۴۲۲
• RS – ۴۸۵
• ۲۰Ma Current Loop
• CAN
• LAN
لازم بذکر است که هر یک از این استانداردها دارای خواص مخصوص به خود می باشند و بسته به نوع و کاربرد سیستم کنترل از استاندارد خاصی استفاده می شود.
بعنوان مثال می توان یک سیستم DCS را با هر یک از استانداردهای RS – ۴۲۲ ، RS – ۴۸۵، حلقه جریان ۲۰ میلی آمپر، CAN و … اجرا نمود.
* استاندارد RS – ۲۳۲ :

امروزه یکی از پر استفاده ترین رابط های سریال در جهان می باشد و بیشتر کانکتورها ۲۵ پین و به فرم حرف D هستند.
هر پین یا خط Data، برای منظور خاصی درنظر گرقفته شده است. در این استانارد ولتاژ بین، ۳+ تا ۱۲+ ولت ۱ فرض می شود و ولتاژ ۳- تا ۱۵- ولت صفر در نظر گرفته می شود. بیشترین سرعت این استاندارد ۱۱۵ bps و حداکثر فاصله ارتباطی ۱۵ متر می باشد. در ابن نوع ارتباط حداکثر یک نقطه انشعاب (Drop) وجود دارد.

* استاندارد RS – ۴۲۲ :
این استاندارد از RS – ۲۳۲ سریعتر می باشد و می تواند تا ۱۰ Mbaud سرعتش بالا برود و تا Drop 32 در شبکه می توان وجود داشته باشد. حداکثر فاصله ارتباطی در این نوع ارتباط ۱۲۰۰ متر می باشد.
استاندارد RS – ۴۸۵ :

این استاندارد می تواند در فواصل حتی بیشتر از ۱۲۰۰ متر کار کند و تا ۳۲ Drop داشته باشد. سیم کشی تحت این استاندارد باید بسیار دقیق باشد که چند نکته درباره آن عبارتند از :

* تمام سیمها باید در یک فاصله مطمئن از سیمهای قدرت قرار گیرند.
* در صورت عبور از سیمهای قدرت باید زاویه عبوری ۹۰ درجه باشد.
* تمام اتصالات به ابزارها (Devices) باید یکسان باشند.
بطور کلی استانداردهای انتقال اطلاعات به دو دسته متعادل و غیرمتعادل تبدیل می شوند. استاندارد RS – ۲۳۲ غیرمتعائل و استانداردهای SR-422 & 485 از گروه متعائلا می باشند.

درایورهای غیرمتعادل :
در استاندارد غیرمتعادل تمام سیگنالها در اتصالات واسطه بصورت ولتاژهایی که با زمین مقایسه می شوند، ظاهر می شوند. بعنوان مثال اطلاعات ارسالی از یک ابزار DTE در پایه ۲ ظاهر می شوند که در کانکتور ۲۵ پین نسبت به پایه ۷ که زمین است اندازه گیری می شوند.
در صورت رها بودن خط این ولتاز منفی خواهد بود و در صورت وصل بودن خط این ولتاژ بین ۵- و ۵+ و بین ۱۵- و ۱۵+ متغیر خواهد بود.
درایوهای متعادل :
در سیستم متعادل تفاضلی ولتاژ تولید شده در درایور توسط خطی متشکل از یک جفت سیم که تنها یک سیگنال را شامل می باشند، ایجاد می شود.
در شکل صفحه قبل چگونگی این انتقال نشان داده شده است. درایور متعادل خط ولتاژی بین ۲ تا ۶ ولت بین دو سیم انتقال خود ایجاد می کند.
یک درایور متعادل خط همچنین یک سیگنال ورودی دریافت می کند که به آن سیگنال Enable می گویند. هدف این سیگنال اتصال دادن درایور به ترمینالهای خروجی سیگنال اطلاعات می باشد. بدین صورت که اگر سیگنال Enable خاموش باشد به این مفهوم است که خطوط سیگنال قطع شده اند.
یک درایور RS – ۴۸۵ همیشه به این سیگنال نیازی دارد ولی در درایور RS – ۴۲۲همیشه به این سیگنال نیازی نیست.
گیرنده های متعادل :

گیرنده های خط تفاضلی متعادل، وضعیت ولتاژ خطوط انتقال را در دو پایه ورودی سیگنال خود حس می کنند و همچنین یک سیگنال زمین دارند که برای اتصال صحیح خط سیگنال لازم می باشد.
شکل بالا نمایی از یک دریافت کننده متعادل را نشان می دهد. در این شکل ولتاژهایی که برای یک گیرنده متعادل مهم است نیز نشان داده شده است.
اگر ولتاژ تفاضلی ورودی بزرگتر از ۲۰۰+ میلی ولت باشد، گیرنده یک سطح منطقی را تشخیص خواهد داد و اگر کوچکتر از ۲۰۰- میلی ولت باشد سطح منطقی مخالف آن را تشخیص خواهد داد.
استاندارد ۲۰Ma Current Loop :

استاندارد حلقه جریان ۲۰ میلی آمپر در صنعت کنترل دارای کاربرد زیادی می باشد. جریان در خط ارتباط سریال در مقدار ۲۰mAثابت نگه داشته می شود. منطق ۱و منطق ۰ بوسیله بازکردن و بستن حلقه جریان معلوم می شود.
از آنجایی که جهت ارسال سیگنال منطق ۱ فرستنده جریان ۲۰mAرا بصورت ثابت نگه می دارد مقاومت خط و در نتیجه طول خط اثری بر سیگنال اطلاعات ندارد. حداکثر فاصله ارتباطی در این استاندارد ۱۰۰۰ متر می باشد.
CAN (Contoller Area Network) :
مزایای استفاده از CAN :

شبکه CAN را می توان بعنوان یک شبکه ارتباطی سریال مناسب بین سنسورها و Actuator و میکروکنترلرها و ادوات هوشمند بکار برد. شبکه CAN در ابتدا به منظور استفاده در خودروها طراحی و پیاده سازی شد.
زمینه کاربرد CAN از عرصه خودرو فراتر رفته در صنایعی چون اتوماسیون، مدیریت ساختمان و صنایع پزشکی نیز مطرح شده است. مزایای عمده ناشی از کاربرد این شبکه به قرار زیر است :
• کاهش هزینه ها
• توانایی کار در محیط های سخت کاری از نظر اغتشاشات الکتریکی
• توانایی کار در سرعت های بالا و در نتیجه توانایی پاسخ به رویدادها به صورت بلادرنگ (Real time)
• سهولت استفاده از CAN

معماری CAN :
همانطور که بحث شد شبکه صنعتی CAN یک شبکه ارتباطی سریال منطبق بر استاندارد ISO 11898 (استاندار باس های بلادرنگ) می باشد که برای تبادل اطلاعات بکار می رود. در این بخش به توضیح پیرامون ساختار CAN در مقایسه با مدل مرجع OSI خوایم پرداخت.
اولین نسخه CAN که در سال ۱۹۸۰ توسط شرکت Bosch طراحی و پیاده سازی شد شامل دو لایه پایین این مدل است :
در لایه فیزیکی مسایلی چون وسعت انتقال داده ها، سطوح ولتاژی سیگنالهای انتقال، محیط انتقال و غیره بررسی می شوند. لایه ارتباط داده به دو زیر لایه تقسیم می شود. زیر لایه انتقال که عملیاتی چون کنترل ارسال صحیح پیام ها، انجام داوری، آشکار سازی خط و ارسال پیغام خطا، تشخیص و حذف واحد های دچار خطا از شبکه در آن انجام می گیرد. زیر لایه دوم اطلاعاتی را که برای این گروه اهمیت دارد، به لایه بالاتر می فرستد.
پیاده سازی موفق CAN در خودرو طراحان شبکه های صنعتی را تشویق به استفاده از این شبکه در فرآیندهای صنعتی نمود. در فعالیت لازم است که ناظر (Supervisor) همواره بر عملکرد سیستم نظارت کافی داشته باشد. بعلاوه مهندسان هم باید بتوانند پارامترهای مختلف سیستم های فرآیند را براحتی تنظیم و هماهنگ کنند.
اما در اولین نسخه CAN هیچ قابلیتی برای پاسخگویی به این نیاز وجود نداشت. به بیان دیگر مهندسان و ناظران هیچ امکانی برای مشاهده و تنظیم عملکرد شبکه نداشتند. همین امر سبب گردید که در نسخه های صنعتی CAN لایه ای برای برقراری ارتباط بین ناظران و مهندس شبکه از یکسو و لایه فیزیکی از سوی دیگر در نظر گرفته شود که این لایه همان لایه کاربردی (Aplication layer) است. بنابراین نسخه صنعتی CAN سه لایه دارد.
لایه فیزیکی :
شکل زیر نحوه ارتباط گره ها در CAN را نشان می دهد :
ارتباط سیم ها با استفاده از زوج سیمهای بهم تابیده برقرار می شود و بمنظور جلوگیری از وقوع پدیده Reflection دو باس توسط مقاومت های ۱۲۴ اهم بسته شده اند.
اگر اختلاف ولتاژ بین دو پایه L – CAN و H – CAN کمتر از ۵/۰ ولت باشد باس حاوی بیت صفر است. اما اگر ولتاژ پایه H – CAN حداقل ۹/۰ ولت از ولتاژ پایه L – CAN بزرگتر باشد باس حاوی بیت یک است. در هنگامی که یک گره در حال ارسال اطلاعات است واحد Transceiver سیگنالهای دریافتی از پایه TXD را به قالب L – CAN و H – CAN تبدیل کرده و روی باس می فرستد.
در مرحله دریافت هم سیگنال دریافتی از باس را بفرم استاندارد ۰ – ۵ ولت تبدیل کرده و به پایه RXD میکرو کنترلر می دهد. جدول زیر حداکثر طول ممکن برای باس را برحسب نرخ بیت ارتباطی آن مشخص می کند.
برای اتصال هر یک از گره ها به باس CAN استاندارد DS – ۱۰۲ CIA برای کانکتورهای ۹ پین بصورت زیر تعریف شده است.
LAN (Local Area Network) :
LAN شبکه اطلاعاتی سرعت بالایی است که محدوده جغرافیایی نسبتاً کوچکی را پوشش میدهد. بطور نوعی LAN ایستگاههای شبکه، کامپیوترهای شخصی، پرینترها، Server ها و ابزار دیگر را بهم متصل می کند.
استفاده کنندگان LAN از مزایای زیادی برخوردارند از قبیل :
• دستیابی مشترک بر کاربردها و ابزارهای شبکه
• تبادل مشترک بر کاربردها و ابزارهای شبکه
• تبادل فایل بین استفاده کنندگانی که به شیکه وصل باشند
• ارتباط بین استفاده کنندگان از طریق پست الکترونیکی و دیگر امکانات