تاریخچه سیستم های کنترلی

نیاز بشر به سیستم های کنترلی

جمله معروفی هست که می گوید : احتیاج مادر اختراع است . از دیرباز بشر همواره برای تامین نیازهای خود به دنبال ساخت ابزار جدید بوده است و حتی در شرایطی که از هر نظر امکانات زندگی خود را در حد مطلوب فراهم کرده است ، باز عطش سیری ناپذیر او برای دستیابی به رفاه ، ثروت و امکانات بیشتر ساخت وسایل و ابزارآلات جدید را رقم زده است .

این احساس نیاز منجر به سیر تکاملی ساخت وسایل جدید گردید ونهایتا انقلاب صنعتی را رقم زد در این ایام تصور انسان بر این بود که هرچه  بیشتر از منابع و مواد خام و نیروی کار استفاده کند امکانات وسیع تری را برای خود فراهم می سازداما به تدریج و به ویژه در قرون اخیر به این نتیجه رسید که تکیه بر منابع و نیروی کار کافی نیست و لازم است توانمندیهای ذهنی خود را نیز افزایش دهد . تلاش در جهت افزایش دانش و توانمندی فکر ، منجر به نتایجی شگفت آور شد. وسایلی ساخته شد که از نظر مواد ومنابع بسیار کوچک و کم حجم بودند ولی توانایی های وسیعی را با خود به همراه آوردند ، تراشه های سلیکونی از این دسته  بودند و انقلاب میکروپروسسوری  را رقم زدند . ارزش اینگونه وسایل به خاطر دانشی بود که برای ساخت آنها به کار رفت نه به خاطر مواد اندکی که در آنها استفاده شد، از این مرحله انسان به مفهوم واقعی دانش گرا شد و روند حرکت به سوی دانش برای تولید ثروت و رفاه بیشتر سرعت گرفت.

سیستم های کنترل از جمله مثالهای بارز در این زمینه هستند این سیستم ها می توانند بدون دخالت انسان تصمیم گیری کنند و فرایند را به سمت مطلوب و بهینه هدایت نمایند .

سیستم های کنترل اتوماتیک صرفا سیستم مدرنی که امروزه در اطراف ما به وفور یافت می شوند نیستند ، سیستم های کنترل اتوماتیک از دیرباز وجود داشته اند، اینکه اولین سیستم چه بوده و توسط چه کسی ابداع شده است به درستی مشخص نیست ، ولی یافته ها نشان می دهد که بشر حتی سال ها قبل از میلاد مسیح نمونه هایی از کنترل خودکار را پیاده سازی نموده است . به نظر می رسد یکی از اولین سیستم های خودکار در کنترل باز و بسته کردن در معبد ها به کار می رفته و مردم عادی را شگفت زده می نموده است . سیستم به گونه ای بود که وقتی آتش در معبد روشن می شده درهای معبد باز و با خاموش کردن آن درهای معبد بسته می شده است. با روشن شدن آتش ، هوا در لوله ی بسته ی زیر ان گرم شده و انبساط هوا آب را از مخزن به داخل سطل می راند و وزن آن را زیاد می کند تا اینکه بر وزنه تعادلی غلبه کرده ودر را باز می کند.

نمونه دیگری که از حدود چند دهه قبل از میلاد سراغ داریم ساعت آبی است که با تغییر سطح آب نمایشگر زمان جا به جا می شده است

اختراعاتی از این دست از زمانهای قدیم کم و بیش عرضه شده اند . با این حال اولین سیستم های حلقه بسته مجهز به فیدبک در قرن 15 میلادی عرضه شدند که از معروفترین آنها می توان به سیستم کنترل فشار دیگ بخار که توسط دنیس پاپن ابداع گردید اشاره نمود.

سیستمهای کنترل مکانیکی

اولین کاربرد صنعتی سیستم های کنترل در قرن 17 میلادی توسط جیمز وات ابداع گردید . این سیستم که به گاورنر توپ گردان موسوم است در واقع یک کنترل کننده سرعت به شمار می رود. با وقوع انقلاب صنعتی در اروپا کوره ها ، بویلرها ، موتورهای بخار پیشرفته و رگولاتورهای شناور طراحی شد که کنترل آنها توسط سیستم های ساده امکان پذیر نبود . این سیستم های کنترل همگی به صورت مکانیکی بودند .

جنگ جهانی دوم علیرغم خسارتهای جانی و مالی زیادی که به بشریت تحمیل کرد ، کمک شایانی به پیشرفت سیستم های کنترلی نمود . هزینه های زیادی  با اهداف نظامی صرف این سیستم ها گردید تا ادوات جنگی عملکرد بهتری از نظر سرعت و دقت داشته باشند این امر عملا منجر به شکوفایی مهندسی کنترل گردید .

در دهه 50 میلادی اولین کامپیوترهای بزرگ ساخته شدند ، این کامپیوترهای بزرگ اگر چه کند بودند ولی با استفاده از آنها تحلیل الگوریتم های پیچیده و بهینه سازی سیستم های کنترل امکان پذیر گردید. تا این زمان هنوز کامپیوتر به عنوان یک ابزار کنترل کننده به کار گرفته نشده بود واز آن فقط برای تحلیل سیستم ها استفاده می شد .

سیستم های کنترل نیو ماتیکی

قبل از به کارگیری کامپیوتر در کنترل ، سیستمهای کنترلی دیگری نیز استفاده می شد که سیستم کنترل نیوماتیکی از این جمله است . این سیستم ها با تغذیه فشار هوای ابزار دقیق کار می کردند . و مجهز به کنترل کننده های PID نیوماتیکی بودند

سیستم های کنترل الکترونیکی

بعد از اختراع ترانزیستور در سال 1947 میلادی ، صنعت الکترونیک با سرعت زیادی رشد نمود . با توسعه تکنولوژی ساخت مدارات الکترونیکی ، سیستم های کنترلی الکترونیکی عرضه شد . مدارات آنا لوگ زیاد با استفاده از عناصر الکترونیکی ساخته شد وبه جای سیستم های کنترل مکانیکی و نیوماتیکی به کار گرفته شد .

سیستم های کنترل میکروپروسسوری

با ساخت مدارات مجتمع IC ، کنترل کننده های پیشرفته و قابل برنامه ریزی و با هزینه کمتر عرضه شد در ده 70 میکرو پروسسورها وارد دنیای کنترل شدندو کار کنترل لوپها را به دست گرفتند .

این پیشرفت ها سیستم های کنترل را دچار تحول اساسی کرد . میکروپروسسور جامه جدیدی به سیستم های کنترل پوشاند و سیستمهای کنترل مکانیکی و نیوماتیکی و الکترونیکی قدیمی را کنار زد .

لازم است اشاره شود که قبل از آن در دهه 60 وسایل ابزار دقیق یعنی ترانسمیترها و کنترل ولوها ساخته و عرضه شدند.

سیستم های کنترل DDC ( اولین کنترل کننده های کامپیوتری )

اولین سیستم های کنترل کامپیوتری در 1962 با نام DDC عرضه شد که برای مانیتور کردن و کنترل فرآیند از آنها استفاده گردید. کامپیوتر می توانست سیگنالهای استاندارد ترانسمیترها را دریافت نموده و آنها را نمایش دهد ، بعلاوه می توانست بر اساس فانکشن برنامه نویسی شده ی PID ، فرامینی را تولید کند تا پس از تبدیل به سیگنالهای استاندارد به کنترل ولوها اعمال شود. عیب بزرگ این سیستم این بو دکه در صورت بروز مشکل در سیستم کنترل مرکزی کل فرایند دچار اختلال می شد.

سیستم های کنترل PLC  و DCS

برای رفع معایب سیستم های DDC ، متخصصین شروع به چاره اندیشی کردند و ایده ایجاد سیستم غیر متمرکز موسوم به DCS مطرح گردید . در 1976 اولین سیستم کنترل غیر متمرکز ارائه شد . در این سیستم از چندین پردازشگر استفاده می شود که هرکدام لوپ های کنترلی مستقلی را کنترل می کنند و در صورت بروز مشکل در یک پردازشگر ، کنترل سایر لوپ ها از دست نمی رود . به این ترتیب سیستم DCS جایگزین DDC شد.

اما PLC نیز تقریبا همزمان با DCS ( دقیقا چند سال قبل از آن ) متولد شد. هدف اولیه از طراحی PLC ، جایگزینی پردازشگر میکروپروسسور به جای سیستم های رله کنتاکتوری بود . از آنجایی که در سیستم های رله کنتاکتوری کار بر روی سیگنالهای دیجیتال مد نظر بود ، بنابراین PLC با هدف پردازش این سیگنالها ارائه شد، در حالی که DCS با هدف کنترل لوپ های آنالوگ عرضه گردید.

ساخت اولین PLC در دنیا

تصور کنید برای کنترل یک سیستم ، پنج تابلوی فرمان در کنار تابلوی قدرت نصب شده است . کابلهای مختلف به تابلوها متصل و سیم کشی های پیچیده بین اجزای آنها انجام شده است . برای ردیابی این سیستم چندین نقشه وجود دارد . اگر در چنین سیستمی اشکالی پیش آید یا نیاز به تغییر منطق کنترل باشد چقدر کار مشکل خواهد بود ؟ بعلاوه هزینه سرویس و نگهداری قطعات الکترومکانیکی نظیر رله و کنتاکتور در دراز مدت تا چه حد زیاد خواهد بود؟

این مشکلی بود که در سال 1968 جنرال موتورز به دنبال حل آن بود واز شرکتهای مختلف درخواست کرد که پیشنهاد خود را برای جایگزینی سیستمی به جای رله کنتاکتورها ارائه کنند.

برنده این پیشنهاد شرکت Bedford بود راه حل این شرکت ساخت یک PLC بود که پس از ساخته شدن ، مدل 084 نام گرفت زیرا این پروژه هشتادو چهارمین پروژه شرکت Bedford بود.

یکی از افرادی که در پروژه ساخت اولین PLC برای جنرال موتورز فعالیت داشت  Richard Morely بود از این رو برخی او را پدر PLC معرفی می کنند.

Bedford پایه گذار شرکت Modicon بود که نام آن را بر اساس  Modular Digital Controller انتخاب نمود. چند سال بعد یکی از مهندسین این شرکت به نام Michael Greenberg اولین PLC به معنای صنعتی را با نام 184 عرضه نمود.

پیشکسوتان ساخت PLC که در سالهای 1968 تا 1973  اولین PLC خود را عرضه کردند به ترتیب عبارتند از :

·         Modicon

·         Allen Bradley

·         General Electric

·         Siemens

·         Omron

از سازندگانی که بعدا به این زمینه وارد شدند می توان شرکتهای زیر را نام برد :

·         AEG

·         ABB

·         Merlin Green

·         Toshiba

·         Mitsubishi

·         Fuji Electreic

·         Hitachi