دانشکده مهندسي

گروه برق

نامه کارشناسيپايان

کنترل گرايش

عنوان :

کنترلر PIDطراحي سیستم کنترل بهینه سطح مايع در مخازن با استفاده از

Winccدر نرم افزار

دکتر مرتضي اسالمیان استاد راهنما:

محمدرضا سعیدنژاد نگارش:

95 ماه بهمن

تقدير و تشکر

:مقدس وجود ازسه سپاس با

...برسیم توانایی به ما تا شدند ناتوان که آنان

...شویم ماروسفید تا شد سپید موهایشان

...باشند راهمان روشنگر و ما وجود گرمابخش تا سوختند عاشقانه و

تقديم به:

...عزیزم که همواره مشوق و امید بخش من بودندپدر و مادر

و

دکتر مرتضی اسالمیان یجناب آقا ماستاد گرامی

آموخت مرا تا بیاموزم او که

فهرست

1 ..................................................................................... و کاربرد آن PLCه ای بر مقد: م اول فصل

2 .............................................................................................................................. مقدمه 1-1

4 ........................................................................ از گذشته تا به امروزتاریخچه سیستم های کنترل 2 -1

1-3PLC ................................................................................................................................ 5

PLC ..................................................................................................................... 5تاریخچه 1-4

6 ............................................................................................. در صنایع مختلف PLCکاربردهای 1-5

PLC ....................................................................................................................... 7مزایای 1-6

PLC ............................................................................................................ 7سازندگان مطرح 1-7

PLC ................................................................................................. 8 یك دهنده تشكیل اجزاء 1-8

PS (Power Supply)...................................................................................... 8 تغذیه منبع 1-8-1

CPU (Central Processing Unit) ......................................................... 9 مرکزی پردازش واحد1-8-2

10 ............................................................................. (I/O Units) خروجی و ورودی واحدهای 1-8-3

12 ......................................................................................... (Memory Unit) حافظه واحد 1-8-4

PLC ........................................................................................................................ 13 انواع 1-9

1-9-1 PLC 13 ............................................................................................................... یكپارچه

1-9-2 PLC 14 ................................................................................................................ ماژوالر

PLC .......................................................... 15انواع محیط های برنامه نویسی و امكانات نرم افزاری در 1-10

16 ................................................................................... پی ال سی های مختلف شرکت زیمنس 1-11

16 ............................................................................................ های زیمنس PLCخانواده های 1-12

24 ............................................................... کاربرد آنها در صنعت و PIDفصل دوم:کنترل کننده های

25 ............................................................................................................................ مقدمه 2-1

PID ........................................................................................ 26پیاده سازی کنترل کننده های 2-2

Proportional ........................................................................... 28) کنترل کننده های تناسبی) 2-3

29 ..................................................................................... (Integralکنترل کننده های انتگرالی) 2-4

29 .......................................................................... ( DIFRENTIAL)ریگ مشتق یها کننده کنترل 2-5

PI)) .................................................................................. 30کنترل کننده های تناسبی_انتگرالی 2-6

30 ............................................................................................. (PDمشتق گیر)_کنترلر تناسبی 2-7

PID .............................................................................................................. 31کنترل کننده 2-8

PID ........................................................................................................ 32ویژگی های کنترلر 2-9

33 ................................................................................. در صنعت PIDکاربرد کنترل کننده های 2-10

PID ............................................................................................ 33کنترل دما با استفاده از 2-10-1

34 ................................................................................ در کنترل دما PIDنقش کنترل کننده 2-10-2

35 ........................................................................ کنترلر PIDکنترل سطح مخازن با استفاده از 2-10-3

36 .................................................... مخازن در مايع کنترل سطح روش های تشخیص وفصل سوم:

37 ............................................................................................................................ مقدمه 3-1

38 .................................................................................................. کنترل سطح مایع در مخازن 3-2

39 .............................................................................................. اجزای فرایند کنترل سطح مایع 3-3

39 .................................................................................................... سنسورهای ارتفاع یا سطح 3-4

40 ...................................................................................................... کنترل کننده های سطح 3-5

40 ..................................................................................... کنترل کننده های سطح مغناطیسی 3-5-1

42 ................................................................................................ سوییچ کنترل کننده سطح 3-5-2

43 ............................................................................................ کنترل کننده سطح ترانسمیتر 3-5-3

Transmitters ) ) ............................................................................................ 45ترانسمیترها 3-6

46 ............................................................................................................. سنسور آلتراسونیك 3-7

48 ................................................................................. کاربرد سنسور آلتراسونیك در کنترل سطح 3-8

48 ............................................................................................... تشخیص سطح در فشار باال 3-8-1

48 ........................................................................................... تشخیص سطح در مخازن عادی 3-8-2

49 ................................................................................................. کنترل همزمان چند سطح 3-8-3

49 ..................................................................................................................... شیر کنترلی 3-9

50 .................................................................................................................. تحریك شیر 3-9-1

50 ........................................................................................... مكانیزم اصلی شیرهای صنعتی 3-9-2

50 ................................................................................................................ شیر پنوماتیكی 3-10

51 ............................................................................................................................ پمپ 3-11

52 .........................................................................................................نحوه عملكرد پمپ 3-11-1

52 .......................................................................................................................... اینورتر 3-12

52 ...................................................................................... نقش اینورتر در کنترل سطح مایع 3-12-1

PLC S7 300 .......................................................................... 54در PID کنترلرطراحي فصل چهارم:

55 ............................................................................................................................ مقدمه 4-1

FB41 ........................................................................................................... 56 معرفی بلوک 4-2

FB41 ..................................................................................................... 56پارامترهای ورودی 4-3

FB41 .................................................................................................... 58پارامترهای خروجی 4-4

FB41 ......................................................................................................... 59 دیاگرام داخلی 4-5

FB41 .............................................................................................. 60بررسی دیاگرام داخلی 4-5-1

TIA PORTAL V13 ............................................................ 61در نرم افزار PIDمراحل برنامه نویسی 4-6

PID ............................................................................................................. 62تنظیم ضرایب 4-7

PID ................................................................................. 62به روش Levelکنترل پروسه تنظیم 4-8

TIA PORTAL V13 .............................................................................. 63مراحل کار در نرم افزار 4-9

64 ................................................................................................. به خط برنامهتوضیح خط 4-9-1

Wincc .................................... 69سطح مخازن با استفاده از نرم افزاز فصل پنجم:مانیتورينگ کنترل

70 ............................................................................................................................ مقدمه 5-1

HMI ................................................................................................................... 71 تعریف 5-2

73 ................................................................................................ در صنعت HMIدالیل کاربرد 5-3

HMI ........................................................................................................... 73ویژگی کارکرد 5-4

HMI ......................................................................................................... 74 مشخصات کلی 5-5

HMI ....................................................................................................... 75انواع نمایشگرهای 5-6

75 ......................................................................................................... نمایشگرهای متنی 5-6-1

75 ...................................................................................................... نمایشگرهای گرافیكی 5-6-2

76 .................................................................................................. نمایشگرهای تاچ اسكرین 5-6-3

TIA PORTAL V13 ................................................................... 77در نرم افزار HMIمراحل کار با 5-7

81 ...................................................................................................... نحوه طراحی مانیتورینگ 5-8

Screen_1 ............................................................................................................ 82توضیح 5-9

Wincc ................................................................................ 83 در نرم افزار PID تنظیم ضرایب 5-10

Wincc ........................................................................ 84در نرم افزار PIDمراحل تنظیم ضرایب 5-11

88 ...................................................................................................................................مراجع

1

:اول فصل

و کاربرد آن PLCای بر مقدمه

2

مقدمه 1-1

در جامعه صنعتی و پیشرفته امروزه، سیستمهای کنترل اتوماتیك جزء شیوه هایی از زندگی روزمره به شمار

می آیند. اگر چه تاریخچه ی اولین سیستم کنترل ساخت بشر را به چند صد سال قبل از میالد نسبت می

نترل اتوماتیك، با دهند، لیكن مسلم آن است که تحول اساسی در زمینه طراحی و ساخت سیستمهای ک

طراحی و ساخت اولین گاورنر توسط جیمز وات در دوران انقالب صنعتی رخ داد. امروزه اکثر وسایل به

صورت اتوماتیك ساخته می شوند و عملكرد آنها بدون سیستم کنترل، به کلی مختل و بسیار ضعیف است.

عمال کرد باید یك هدف و انگیزه مشخص قبل از آنكه بتوان کنترل را به هر مفهوم در هر نوع سیستمی ا

برای اعمال کنترل کننده وجود داشته باشد که ما آن مشخصه ها را عملكرد سیستم می نامیم برای مثال

یك مدیر کارخانه سعی دارد تا با اعمال یك سری قوانین و برقراری نظمی خاص در کارخانه بر تولید بیشتر

د. چهار دلیل استفاده از سیستمهای کنترل را می توان به صورت زیر نام و یا کیفیت بهتر با قیمت ارزان برس

برد :

عملكرد -1

مسائل اقتصادی و سود آوری تولید -2

امنیت کاربرد -3

قابلیت اطمینان -4

سرعت تولید به همراه رسیدن به کیفیت مناسب عواملی بسیار مهم اقتصادی هستند که توسط سیستم های

امروزه با پیشرفت علم و تكنولوژی کاربرد کامپیوتر در صنعت نیز ی است.اتوماسیون و کنترل قابل دسترس

نمود پیدا کرده است بدین گونه که بجای تابلوهای فرمان و قدرت دستگاه های خط تولید که تماما به صورت

از یتجربه و شناخت کاف رله کنتاکتوری ساخته می شد و در نتیجه برای تعمیر و عیب یابی هر ایراد اوال به

تابلو نیاز بود و ثانیا بایستی مرحله به مرحله تمامی تابلو از طریق نقشه کنترل می گردید تا ایراد مشخص

عالوه بر اینكه می توان هر ایرادی plcاستفاده می گردد و به وسیله plcگردد اما امروزه از دستگاهی به نام

3

یاز به نقشه و به راحتی می توان ایرادات دستگاه ها را نمایش داد بدون ن opرا مانیتور نموده و بر روی صفحه

ترین زمان ممكن مشخص و رفع عیب نمود. در کوتاه

قابلیت اتصال آن ها به یكدیگر و برقراری ارتباط شبكه می باشد که بدین وسیله می توان plcاز دیگر مزایای

های داخل خط تولید را کنترل و مورد plcاز طریق یك کامپیوتر مرکزی در اتاق کنترل تمامی تجهیزات و

بررسی قرار داد که این موضوع باعث کاهش نیروی ماهر در خط تولید و افزایش دقت و راندمان تجهیزات می

گردد.

تاکنون تقریبا تمامی تجهیزات خطوط تولید سالن های مختلف از قبیل 1379در کارخانه ایران خودرو از سال

سازی، پرس، موتورسازی و ریخته گری از حالت قدیمی خارج شده و مجهز به مونتاژ، رنگ آمیزی، بدنه

گردیده است. plcسیستم اتوماسیون صنعتی و

4

امروز به تا گذشته از کنترل هایسیستم تاريخچه 2 – 1

نترلک داشتند، قرار بزرگ کنترل تابلوهای در که هاییرله توسط سیستمها از بسیاری 1970 دهة اواسط تا

هداشت زیادی انرژی مصرف همچنین کردند، می تولید گرما ای توجه قابل میزان معموال هارله این. شدند می

.کردند می کار باال سطح ولتاژهای با و

سیم اتصاالت. کردند می ایجاد زیادی مشكالت فنی کارشناسان و مهندسین برای ای رله کنترل سیستمهای

زیادی مشكالت آمدن وجود به منجر موضوع این رسید، می اتصال هزاران به و زیاد خیلی معموال شده بندی

به یازن دلیل همین به و بوده پنوماتیكی صورت به تایمرها. شد می اتصاالت از یكی دادن دست از هنگام به

نكهای دلیل به .شد می مهندسین برای مشكالتی ایجاد باعث امر این که داشتند ای دوره دستی تنظیمات

نینهمچ و گرفت می صورت آهستگی بهها رله کویل شدن خاموش و هستند، روشن مكانیكی عنصر یكها رله

ای هرل سیستمهای در که بود دیگری مشكل این. بود متفاوت آن نوع به بسته رله عملكرد برای الزم زمان

کامل ضتعوی یا و کنتاکتها کردن تمیز برای ای دوره نگهداری به نیازها رله نیز مكانیكی لحاظ از. داشت وجود

هب دستیابی برای بایدها رله در موجود کنتاکتهای تعداد محدودیت به توجه با همچنین. اند داشتهها رله

منطق رد تغییر منظور به تغییرات ایجاد .است شده می استفاده موازی صورت بهها رله از بیشتر کنتاکتهای

امر این هک داشت شده بندی سیم سیمهای از بعضی برداشتن یا و جایی به جا به نیاز کنترل سیستم عملكرد

نمی تثب به جایی معموال نیز بندی سیم در شده ایجاد تغییرات .است شده می زیادی اشتباهات به منجر نیز

یادیز مشكالت با نیز اشكال رفع. است شده می مدار اشكال رفع هنگام در مشكالت افزایش باعث که رسید

تابلو زا سیمها کشیدن کنترل، بیرون تابلو به مربوط اسناد ولتاژها، خواندن گیری اندازه شامل که بود همراه

کنترل منطق. شد می کشی سیم مسیر در مشكالت یا و قطعی کردن پیدا برای سیمها کردن دنبال و کنترل

عمودی "یهاستون" روش این در که. است شده می ترسیم( RLL) "ای رله نردبانی منطق " شكل به نیز

ودهب دستگاه کنترل ای رله منطق دهندة نشان نیز افقی "یهاپله" و منطقی مدار قدرت مسیر دهندة نشان

.است

5

1- 3 PLC

PLC از عبارتprogrammable logic control به معنای کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی گرفته

شده است. پی ال سی کنترل کننده ای نرم افزاری است که در قسمت ورودی اطالعاتی را به صورت باینری

یا آنالوگ دریافت و آن ها را طبق برنامه ای که در حافظه اش ذخیره شده است پردازش می نماید و نتیجه

سمت خروجی به صورت فرمان هایی به گیرنده ها و اجرا کننده های فرمان ارسال می کند. عملیات را نیز از ق

عبارت از یك کنترل کننده منطقی است که می تواند منطق کنترل را توسط برنامه PLCبه عبارت دیگر

برای آن تعریف نمود و در صورت نیاز براحتی آن را تغییر داد.

ت فرمان و رله های کنتاکتوری بود که امروز استفاده از آن ها منسوخ شده قبالً به عهده مدارا plcوظیفه

است. از اشكاالت عمده این رله ها این بود که با افزایش این رله ها حجم و وزن مدارات فرمان بسیار بزرگ

می گردید. رشده و قیمت آن ها نیز افزایش می یافت و نهایتا عیب یابی اینگونه مدارات بسیار پیچیده و زمان ب

برای رفع این معضل مدارات فرمان الكترونیكی ساخته شدند که آن ها نیز به علت اینكه تك کار بودند و برای

استفاده در چند مدار می بایستی تغییرات عمده در آن ها ایجاد می شد کارایی کمی داشتند.

صورت می گیرد زیرا دیگر الزم نیست تغییر در روند تولید یا عملكرد ماشین به راحتیPLC با استفاده از

PLCسیم کشی ها و سخت افزار سیستم کنترل تغییر کند و تنها کافی است چند سطر برنامه نوشت و به

ارسال کرد تا کنترل مورد نظر تحقق یابد.

در انجام عملیات منطقی و محاسباتی و مقایسه ای و نگهداری اطالعات به مراتب PLCاز طرف دیگر قدرت

به طراحان این امكان را می دهد که آنچه را که در ذهن دارند PLC بیشتر از تابلوهای فرمان معمولی است.

در اسرع وقت بیازمایند.

هر کس با مدارات فرمان رله ای کار کرده باشد به خوبی می داند که پس از طراحی تابلو اگر نكته ای از کار

ن پیش روست و زمان زیادی نیز صرف خواهد شد.افتاده باشد مشكالت بسیاری برای رفع آ

PLCتاريخچه 1-4

PLC ها تاریخچه کوتاهی دارند و از تولد اولین آن ها عمر چندانی نمی گذرد. اولینPLC 70ها در دهه

برای استفاده در صنایع اتومبیل سازی طراحی شدند. نخستین بار کنترلرهای برنامه پذیر توسط شرکت

Modicon وارد صنعت شدند که با هدف جایگزینی رله های مكانیكی از آن ها استفاده می 1968در سال

شد.

6

کار چندان ساده ای نبود چون به راحتی قانع نمی شدند plcدر ابتدا ترغیب کردن صنعتگران به استفاده از

ی متشكل از تابلو 50-40که یك مجموعه از قطعات الكترونیكی به همراه چند خط برنامه بتواند وظایف

با توجه به مزایایی که داشت به تدریج رایج شد و plcکنتاکتوری را انجام دهد. اما استفاده از –مدارات رله

ها نیز از قابلیت های بهتر PLCسازندگان متعددی نیز در این رشته پدیدار شدند. با پیشرفت علم الكترونیك

در PLCر گرفته شدند. هم اکنون بیش از میلیون ها و بیشتری برخوردار شدند و در صنایع مختلف به کا

سراسر دنیا در حال کار هستند و روز به روز نیز به تعداد آن ها افزوده می شود.

در صنايع مختلف PLCکاربردهای 1-5

در پروسه های مختلف صنعتی به چشم می خورد که خود نشانگر اهمیت PLCامروزه کاربردهای فراوانی از

در صنعت است. از جمله این استفاده ها می توان به موارد زیر اشاره کرد: PLCفراوان

صنایع اتومبیل سازی شامل سوراخ کاری و پاشش رنگ و حمل موتورLIFT وDROP

صنایع پالستیك سازی شامل ذوب قالبگیری و دمش هوا

صنایع سنگین شامل کوره های صنعتی کنترل دمای اتوماتیك

شامل دستگاه های مخلوط شیمیاییصنایع شیمیایی

... خدمات ساختمانی شامل آسانسور تهویه هوا و

... سیستم های حمل و نقل شامل جرثقیل ها سیستم کانوایر و

PLCمزايای مهم 1-6

. گردد می فرمان تابلوی حجم کاهش موجب PLC از استفاده .1

و لوازم هزینه، در توجهی قابل جویی صرفه موجب عظیم فرآیندهای در مخصوصاً PLC از استفاده .2

. گردد می قطعات

3. PLC های سرویس و تعمیرات به نیازی بیشتر، عمر بر عالوه بنابراین ندارند، مكانیكی استهالک ها

نخواهد داشت. ای دوره

4. PLC کند. می مصرف کمتری انرژی

5. PLC کنند. نمی ایجاد صوتی و الكتریكی نویزهای کنتاکتوری، رله مدارات خالف بر ها

:دانشجویان محترم

آزمایشگاه پروژه گروه برقو یا کتابخانه دانشکده مهندسیبه ها ایان نامهپمتن کامل جهت دسترسی به .مراجعه فرمایید

88

مراجع:

تهران، PLC SIEMENS ، 9786006190464 با کاربردی های پروژه مجموعه، مهندس احمد فرجی [1]

1394انتشارات نگارنده دانش

تهران SIEMENS ،9786006190143 اتوماسیون پیشرفته های پروژه مجموعه، مبین محسن زاده [2]

1392 ،انتشارات نگارنده دانش،

9786006190457، (دوم ویرایش) Win CC v7 کاربردی مرجع ترین کامل، مهندس احمد فرجی [3]

1394، انتشارات نگارنده دانشتهران،

، تهران 9648424144جلد اول، STEP7 محمدرضا ماهر، به اهتمام شرکت صابكو، راهنمای جامع [4]

1384انتشارات قدیس،

گروه صنعتی ندا PLCجزوه آشنایی با [5]

89