การแนะนำการควบคุมอัตโนมัติ

บทช่วยสอนนี้ให้ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับการควบคุมอัตโนมัติ รวมถึงองค์ประกอบพื้นฐานของระบบควบคุม ฟังก์ชันการควบคุมที่แตกต่างกัน และคำศัพท์ที่เกี่ยวข้อง โดยเน้นเรื่องความปลอดภัย ความเสถียร และความแม่นยำของการควบคุม

วิชาการควบคุมอัตโนมัติเป็นเรื่องกว้างขวาง ครอบคลุมการควบคุมตัวแปรต่างๆ เช่น อุณหภูมิ ความดัน อัตราการไหล ระดับ และความเร็ว

วัตถุประสงค์ของบล็อกนี้คือการให้ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับการควบคุมอัตโนมัติ ซึ่งสามารถแบ่งออกเป็นสองส่วน:

• การควบคุมระบบทำความร้อน ระบายอากาศ และปรับอากาศ (ที่รู้จักกันทั่วไปว่า HVAC); และ
• การควบคุมกระบวนการผลิต ทั้งสองเป็นวิชาที่กว้างขวาง โดยเฉพาะอย่างยิ่งการควบคุมกระบวนการผลิตซึ่งครอบคลุมตั้งแต่การควบคุมเตาหุงต้มในครัวเรือนไปจนถึงระบบการผลิตที่สมบูรณ์หรือกระบวนการผลิตที่พบในโรงงานปิโตรเคมีขนาดใหญ่ วิศวกรควบคุมจำเป็นต้องมีทักษะหลากหลาย - ความรู้ด้านวิศวกรรมเครื่องกล วิศวกรรมไฟฟ้า อิเล็กทรอนิกส์ และระบบนิวเมติก ความเข้าใจในการออกแบบ HVAC และการใช้งานกระบวนการผลิต และในปัจจุบันยังต้องเข้าใจคอมพิวเตอร์และการสื่อสารดิจิทัลอีกด้วย วัตถุประสงค์ของบล็อกนี้คือการให้ข้อมูลเชิงลึกเบื้องต้นเกี่ยวกับด้านทฤษฎีและการปฏิบัติของการควบคุมอัตโนมัติ เพื่อที่จะเพิ่มทักษะอื่นๆ ในอนาคต ไม่ใช่การเปลี่ยนบุคคลให้เป็นวิศวกรควบคุม บล็อกนี้จำกัดอยู่เฉพาะการควบคุมกระบวนการที่ใช้ของเหลวต่อไปนี้: ไอน้ำ น้ำ อากาศอัด และน้ำมันร้อน การควบคุมโดยทั่วไปทำได้โดยการเปลี่ยนอัตราการไหลของของเหลวโดยใช้วาล์วที่ขับเคลื่อนด้วยแอคทูเอเตอร์ สำหรับของเหลวที่กล่าวมาข้างต้น ความต้องการโดยทั่วไปคือการวัดและตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ความดัน ระดับ ความชื้น และอัตราการไหล เกือบตลอดเวลา การตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของคุณสมบัติทางกายภาพเหล่านี้จะต้องอยู่ภายในเวลาที่กำหนด การจัดการวาล์วและแอคทูเอเตอร์ร่วมกับเวลา และการควบคุมตัวแปรที่วัดได้อย่างใกล้ชิด จะอธิบายในภายหลังในบล็อกนี้ การควบคุมของเหลวไม่ได้จำกัดอยู่เฉพาะวาล์ว บางกระบวนการผลิตถูกจัดการโดยการกระทำของปั๊มหรือพัดลมที่มีความเร็วแปรผัน

ความจำเป็นของระบบควบคุมอัตโนมัติ มีเหตุผลหลักสามประการที่โรงงานกระบวนการผลิตหรืออาคารต้องการระบบควบคุมอัตโนมัติ:

• ความปลอดภัย - โรงงานหรือกระบวนการผลิตต้องปลอดภัยในการใช้งาน ยิ่งโรงงานหรือกระบวนการผลิตซับซ้อนหรืออันตรายมากเท่าใด ความจำเป็นของระบบควบคุมอัตโนมัติและโปรโตคอลความปลอดภัยก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น
• ความเสถียร - โรงงานหรือกระบวนการผลิตควรทำงานอย่างสม่ำเสมอ คาดการณ์ได้ และทำซ้ำได้ โดยไม่มีความผันผวนหรือการหยุดทำงานที่ไม่ได้วางแผนไว้
• ความแม่นยำ - นี่เป็นข้อกำหนดหลักในโรงงานและอาคารเพื่อป้องกันความเสียหาย เพิ่มคุณภาพและอัตราการผลิต และรักษาความสะดวกสบาย นี่คือพื้นฐานของประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจ ประโยชน์อื่นๆ ที่พึงประสงค์ เช่น ความประหยัด ความเร็ว และความน่าเชื่อถือ ก็มีความสำคัญเช่นกัน แต่การใช้งานระบบควบคุมแต่ละตัวจะถูกวัดจากพารามิเตอร์หลักสามประการ คือ ความปลอดภัย ความเสถียร และความแม่นยำ คำศัพท์การควบคุมอัตโนมัติ มีการใช้คำเฉพาะในอุตสาหกรรมการควบคุม โดยหลักเพื่อหลีกเลี่ยงความสับสน คำและวลีเดียวกันถูกใช้ร่วมกันในทุกด้านของการควบคุม และเมื่อใช้อย่างถูกต้อง ความหมายจะเป็นสากล ระบบแมนนวลแบบง่ายที่อธิบายในตัวอย่าง 5.1.1 และแสดงในรูปที่ 5.1.1 ถูกใช้เพื่อแนะนำคำศัพท์มาตรฐานบางคำที่ใช้ในวิศวกรรมควบคุม ตัวอย่าง 5.1.1 การเปรียบเทียบแบบง่ายของระบบควบคุม ในตัวอย่างกระบวนการผลิตที่แสดง (รูปที่ 5.1.1) ผู้ควบคุมจะเปลี่ยนอัตราการไหลของน้ำด้วยมือโดยการเปิดหรือปิดวาล์วน้ำเข้าเพื่อให้แน่ใจว่า:
• ระดับน้ำไม่สูงเกินไป; มิฉะนั้นน้ำจะไหลทิ้งผ่านทางล้น
• ระดับน้ำไม่ต่ำเกินไป; มิฉะนั้นน้ำจะไม่คลุมก้นถัง ผลลัพธ์คือน้ำไหลออกจากถังในอัตราที่อยู่ในช่วงที่ต้องการ หากน้ำไหลออกในอัตราที่สูงหรือต่ำเกินไป กระบวนการที่ป้อนจะไม่สามารถทำงานได้อย่างถูกต้อง ในขั้นเริ่มต้น วาล์วระบายในท่อระบายน้ำถูกตรึงไว้ในตำแหน่งที่กำหนด ผู้ควบคุมได้ขีดเส้นสามเส้นบนด้านข้างของถังเพื่อให้เขาสามารถจัดการน้ำจ่ายผ่านวาล์วน้ำเข้า ระดับ 3 ระดับแทน:

1. ระดับน้ำต่ำสุดที่อนุญาตเพื่อให้แน่ใจว่าก้นถังถูกคลุม
2. ระดับน้ำสูงสุดที่อนุญาตเพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีการระบายน้ำผ่านทางล้น
3. ระดับที่เหมาะสมระหว่างระดับ 1 และ 2

ตัวอย่าง (รูปที่ 5.1.1) แสดงให้เห็นว่า:

1. ผู้ควบคุมมุ่งหวังที่จะรักษาระดับน้ำในภาชนะระหว่างระดับ 1 และ 2 ระดับน้ำเรียกว่า สภาพที่ควบคุม
2. สภาพที่ควบคุมทำได้โดยการควบคุมอัตราการไหลของน้ำผ่านวาล์วในท่อน้ำเข้า อัตราการไหลนี้เรียกว่า ตัวแปรที่จัดการ และวาล์วเรียกว่า อุปกรณ์ที่ควบคุม
3. น้ำเองเรียกว่า ตัวกลางควบคุม
4. โดยการควบคุมอัตราการไหลของน้ำเข้าถัง ระดับน้ำในถังจะเปลี่ยนแปลง การเปลี่ยนแปลงของระดับน้ำเรียกว่า ตัวแปรที่ควบคุม
5. เมื่อน้ำอยู่ในถังแล้วเรียกว่า ตัวกลางที่ถูกควบคุม
6. ระดับน้ำที่พยายามรักษาไว้บนตัวบ่งชี้ทางสายตาเรียกว่า ค่าที่ตั้ง (หรือที่รู้จักกันว่า จุดตั้ง)
7. ระดับน้ำสามารถรักษาไว้ได้ที่จุดใดก็ได้ระหว่าง 1 และ 2 บนตัวบ่งชี้ทางสายตา และยังคงเป็นไปตามพารามิเตอร์การควบคุม เช่น ก้นถังถูกคลุมและไม่มีการล้น ค่าใดๆ ในช่วงนี้เรียกว่า ค่าที่ต้องการ
8. สมมติว่าระดับถูกรักษาไว้อย่างเคร่งครัดที่จุดใดก็ได้ระหว่าง 1 และ 2 นี่คือระดับน้ำในสภาวะคงตัว เรียกว่า ค่าควบคุม หรือ ค่าจริง หมายเหตุ: เมื่ออ้างอิงถึง (7) และ (8) ข้างต้น ระดับน้ำที่เหมาะสมที่ต้องรักษาไว้อยู่ที่จุด 3 แต่หากระดับจริงอยู่ที่จุดใดก็ได้ระหว่าง 1 และ 2 นั่นยังคงเป็นที่ยอมรับได้ ความแตกต่างระหว่างจุดตั้งและค่าจริงเรียกว่า การเบี่ยงเบน
9. หากวาล์วน้ำเข้าถูกปิดไปยังตำแหน่งใหม่ ระดับน้ำจะลดลงและการเบี่ยงเบนจะเปลี่ยนแปลง การเบี่ยงเบนที่คงอยู่เรียกว่า ออฟเซ็ต องค์ประกอบของการควบคุมอัตโนมัติ

ตัวอย่าง 5.1.2 องค์ประกอบของการควบคุมอัตโนมัติ

• ดวงตาของผู้ควบคุมตรวจจับการเคลื่อนไหวของระดับน้ำเมื่อเทียบกับเครื่องบ่งชี้สเกลที่ทำเครื่องหมายไว้ ดวงตาของเขาอาจถูกคิดว่าเป็น เซ็นเซอร์
• ดวงตา (เซ็นเซอร์) ส่งสัญญาณข้อมูลนี้กลับไปยังสมอง ซึ่งสังเกตเห็นการเบี่ยงเบน สมองอาจถูกคิดว่าเป็น ตัวควบคุม
• สมอง (ตัวควบคุม) กระทำเพื่อส่งสัญญาณไปยังกล้ามเนื้อแขนและมือ ซึ่งอาจถูกคิดว่าเป็น แอคทูเอเตอร์
• กล้ามเนื้อแขนและมือ (แอคทูเอเตอร์) หมุนวาล์ว ซึ่งอาจถูกคิดว่าเป็น อุปกรณ์ที่ควบคุม ควรย้ำจุดเหล่านี้ในลักษณะที่แตกต่างเล็กน้อยเพื่อเสริมตัวอย่าง 5.1.2: โดยสรุป วัตถุประสงค์ของผู้ควบคุมในตัวอย่าง 5.1.1 คือการรักษาน้ำไว้ในถังที่ระดับที่กำหนดไว้ล่วงหน้า ระดับ 3 อาจถือว่าเป็นเป้าหมายหรือจุดตั้งของเขา ผู้ควบคุมจัดการระดับทางกายภาพโดยปรับวาล์วน้ำเข้า (อุปกรณ์ควบคุม) ในการดำเนินงานนี้ จำเป็นต้องคำนึงถึงความสามารถและสมาธิของผู้ควบคุมด้วย เนื่องจากเหตุนี้ ระดับน้ำจะไม่อยู่ที่ระดับ 3 อย่างแน่นอนตลอดเวลา โดยทั่วไป จะอยู่ที่จุดเหนือหรือต่ำกว่าระดับ 3 ตำแหน่งหรือระดับในขณะใดขณะหนึ่งเรียกว่า ค่าควบคุม หรือ ค่าจริง ปริมาณข้อผิดพลาดหรือความแตกต่างระหว่างจุดตั้งและค่าจริงเรียกว่า การเบี่ยงเบน เมื่อการเบี่ยงเบนคงที่หรืออยู่ในสภาวะคงตัว จะเรียกว่า การเบี่ยงเบนที่คงอยู่ หรือ ออฟเซ็ต แม้ว่าผู้ควบคุมจะจัดการระดับน้ำ แต่เป้าหมายสุดท้ายคือการสร้างผลลัพธ์ที่เหมาะสม ในกรณีนี้คืออัตราการไหลของน้ำจากถังที่ต้องการ ****การประเมินความปลอดภัย ความเสถียร และความแม่นยำ อาจสันนิษฐานว่ากระบวนการที่เป็นตัวอย่างในตัวอย่าง 5.1.1 ไม่มีส่วนผสมที่มีค่าหรือเป็นอันตราย ดังนั้น การล้นหรือการขาดแคลนน้ำจะปลอดภัย แต่ไม่ประหยัดหรือมีประสิทธิผล ในแง่ของความเสถียร ผู้ควบคุมจะสามารถจัดการกระบวนการนี้ได้หากเขาให้ความสนใจอย่างเต็มที่และสม่ำเสมอ ความแม่นยำไม่ใช่คุณลักษณะของกระบวนการนี้เพราะผู้ควบคุมสามารถตอบสนองต่อข้อผิดพลาดที่มองเห็นและจดจำได้เท่านั้น สรุปคำศัพท์

จุดตั้ง	ค่าที่ตั้งบนสเกลของระบบควบคุมเพื่อให้ได้สภาพที่ต้องการ หากตัวควบคุมถูกตั้งไว้ที่ 60°C สำหรับการใช้งานเฉพาะ: 60°C จะถูกเรียกว่า ‘จุดตั้ง’
ค่าที่ต้องการ	ค่าที่ต้องการซึ่งควรรักษาไว้ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม
ค่าควบคุม	ค่าของสภาพที่ควบคุมซึ่งรักษาไว้จริงภายใต้สภาวะคงตัว
การเบี่ยงเบน	ความแตกต่างระหว่างจุดตั้งและค่าควบคุม
ออฟเซ็ต	การเบี่ยงเบนที่คงอยู่
เซ็นเซอร์	องค์ประกอบที่ตอบสนองโดยตรงต่อขนาดของสภาพที่ควบคุม
ตัวกลางที่ถูกควบคุม	ตัวกลางที่ถูกควบคุมโดยระบบ ตัวกลางที่ถูกควบคุมในรูปที่ 5.1.1 คือน้ำในถัง
สภาพที่ควบคุม	สภาพทางกายภาพของตัวกลางที่ถูกควบคุม สภาพที่ควบคุมในรูปที่ 5.1.1 คือระดับน้ำ
ตัวควบคุม	อุปกรณ์ที่รับสัญญาณจากเซ็นเซอร์และส่งสัญญาณแก้ไข (หรือควบคุม) ไปยังแอคทูเอเตอร์
แอคทูเอเตอร์	องค์ประกอบที่ปรับอุปกรณ์ที่ควบคุมเพื่อตอบสนองต่อสัญญาณจากตัวควบคุม
อุปกรณ์ที่ควบคุม	องค์ประกอบควบคุมสุดท้ายในระบบควบคุม เช่น วาล์วควบคุมหรือปั๊มที่มีความเร็วแปรผัน

มีคำศัพท์อื่นๆ อีกมากมายที่ใช้ในการควบคุมอัตโนมัติ คำเหล่านี้จะอธิบายในภายหลังในบล็อกนี้

องค์ประกอบของระบบควบคุมอุณหภูมิ ****ตัวอย่าง 5.1.1 แสดงระบบควบคุมระดับแบบแมนนวลอย่างง่าย สามารถเปรียบเทียบกับตัวอย่างการควบคุมอุณหภูมิอย่างง่ายที่แสดงในตัวอย่าง 5.1.3 (ควบคุมด้วยมือ) และรูปที่ 5.1.3 ปัจจัยและคำจำกัดความทั้งหมดที่กล่าวมาก่อนหน้านี้ใช้ได้ ตัวอย่าง 5.1.3 การแสดงระบบควบคุมอุณหภูมิแบบแมนนวลอย่างง่าย งานคือการปล่อยไอน้ำเพียงพอ (ตัวกลางให้ความร้อน) เพื่อให้ความร้อนแก่น้ำที่เข้ามาจากอุณหภูมิ T1 โดยให้แน่ใจว่าน้ำร้อนออกจากถังที่อุณหภูมิที่ต้องการ T2

การประเมินความปลอดภัย ความเสถียร และความแม่นยำ แม้ว่าการทำงานด้วยมืออาจควบคุมระดับน้ำในตัวอย่าง 5.1.1 ได้ แต่การควบคุมอุณหภูมิด้วยมือเป็นเรื่องที่ยากกว่าโดยธรรมชาติในตัวอย่าง 5.1.3 ด้วยเหตุผลหลายประการ

หากอัตราการไหลของน้ำเปลี่ยนแปลง สภาพจะเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วเนื่องจากปริมาณความร้อนที่มากในไอน้ำ การตอบสนองของผู้ควบคุมในการเปลี่ยนตำแหน่งของวาล์วไอน้ำอาจไม่เร็วเพียงพอ แม้หลังจากวาล์วถูกปิด ขดลวดจะยังคงมีไอน้ำเหลืออยู่จำนวนหนึ่ง ซึ่งจะยังคงให้ความร้อนต่อไปโดยการควบแน่น การคาดการณ์การเปลี่ยนแปลง ประสบการณ์จะช่วยได้ แต่โดยทั่วไปผู้ควบคุมจะไม่สามารถคาดการณ์การเปลี่ยนแปลงได้ เขาต้องสังเกตการเปลี่ยนแปลงก่อนที่จะตัดสินใจและดำเนินการ

สิ่งนี้และปัจจัยอื่นๆ เช่น ความไม่สะดวกและค่าใช้จ่ายของผู้ปฏิบัติงานที่ประจำอยู่ถาวร ความผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้นของผู้ปฏิบัติงาน ความต้องการของกระบวนการที่เปลี่ยนแปลง ความแม่นยำ การเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของสภาพ และการมีส่วนร่วมของหลายกระบวนการ ทั้งหมดนำไปสู่ความจำเป็นของระบบควบคุมอัตโนมัติ

เกี่ยวกับความปลอดภัย สัญญาณเตือนด้วยเสียงได้ถูกแนะนำในตัวอย่าง 5.1.3 เพื่อเตือนอุณหภูมิเกิน - อีกเหตุผลหนึ่งสำหรับระบบควบคุมอัตโนมัติ การควบคุมอัตโนมัติ สภาพที่ควบคุมอาจเป็นอุณหภูมิ ความดัน ความชื้น ระดับ หรืออัตราการไหล ซึ่งหมายความว่าองค์ประกอบวัดอาจเป็นเซ็นเซอร์อุณหภูมิ ทรานสดิวเซอร์หรือเครื่องส่งสัญญาณความดัน ตัวตรวจจับระดับ เซ็นเซอร์ความชื้น หรือเซ็นเซอร์อัตราการไหล

ตัวแปรที่จัดการอาจเป็นไอน้ำ น้ำ อากาศ ไฟฟ้า น้ำมัน หรือก๊าซ ในขณะที่อุปกรณ์ที่ควบคุมอาจเป็นวาล์ว แดมเปอร์ ปั๊ม หรือพัดลม

เพื่อวัตถุประสงค์ในการสาธิตหลักการพื้นฐาน โมดูลนี้จะเน้นที่วาล์วเป็นอุปกรณ์ที่ควบคุมและอุณหภูมิเป็นสภาพที่ควบคุม โดยมีเซ็นเซอร์อุณหภูมิเป็นองค์ประกอบวัด ส่วนประกอบของระบบควบคุมอัตโนมัติ รูปที่ 5.1.4 แสดงส่วนประกอบของระบบควบคุมพื้นฐาน เซ็นเซอร์ส่งสัญญาณไปยังตัวควบคุม ตัวควบคุม ซึ่งอาจรับสัญญาณจากเซ็นเซอร์มากกว่าหนึ่งตัว ตัดสินใจว่าจำเป็นต้องมีการเปลี่ยนแปลงตัวแปรที่จัดการหรือไม่ จากสัญญาณเหล่านี้ จากนั้นสั่งแอคทูเอเตอร์ให้เคลื่อนวาล์วไปยังตำแหน่งที่แตกต่างกัน เปิดมากขึ้นหรือปิดมากขึ้นขึ้นอยู่กับความต้องการ

ตัวควบคุมโดยทั่วไปถูกจำแนกตามแหล่งพลังงานที่ใช้ขับเคลื่อน ได้แก่ ไฟฟ้า นิวเมติก ไฮดรอลิก หรือกลไก

แอคทูเอเตอร์อาจถูกคิดว่าเป็นมอเตอร์ แอคทูเอเตอร์ยังถูกจำแนกตามแหล่งพลังงานที่ใช้ขับเคลื่อนในลักษณะเดียวกับตัวควบคุม วาล์วถูกจำแนกตามการกระทำที่ใช้เพื่อเปิดหรือปิดช่องทางไหล และตามรูปร่างตัววาล์ว ตัวอย่างเช่น whether they consist of a sliding spindle or have a rotary movement หากองค์ประกอบของระบบถูกรวมกับส่วน (หรืออุปกรณ์) ของระบบ ความสัมพันธ์ระหว่าง ‘สิ่งที่ต้องทำ’ กับ ‘มันทำอย่างไร’ จะมองเห็นได้ คำศัพท์บางคำที่ใช้อาจยังไม่คุ้นเคย อย่างไรก็ตาม ในส่วนต่อไปของบล็อก 5 ส่วนประกอบและรายการทั้งหมดที่แสดงในรูปวาดก่อนหน้าจะถูกกล่าวถึง