كاربرد منطق فازي در اتوماسيون صنعتي
برنـامه‌هاي موفـق منطق فـازي در اتومـاسيون صنعتي: اين مقاله در پنجمين كنفرانس بين‌الملي مجمع بين الملي مهندسي صنايع دربارة منطق فازي (Fuzzy logic)نيواورلئان 1996، ارائه شده.
در اين مقاله ما 8 برنامه اخير منطق فازي در اتوماسيون صنعتي را بررسي مي‌كنيم. تمام برنامه‌ها به نام Fuzzy PLC كه يك بستر سخت‌افزاري براي برقراري منطق فازي و تكنيك‌هاي صنعتي منطق فازي است ناميده مي‌شود. با يك بررسي سريع بر روي دستگاه‌هاي Fuzzy ، دربارة 8 برنامه (Application) كاربردي بحث مي‌كنيم و مي‌بينيم چگونه منطق فازي راه حل بهتري را نسبت به راه‌حلهاي معمولي پياده سازي مي‌كند و در حد ممكن به بررسي صرفه‌جويي در هزينه (Cost Saving ) و بهبود كيفيت مي‌پردازيم. براي بررسي بيشتر، شما مي‌توانيد به مطالب منابع ذكر شده مراجعه كنيد.
در سالهاي اخير، منطق فازي پتاسيل كاربرد خود را در اتوماسيون صنعتي به خوبي به اثبات رسانده است. در اين بحث كاربردي مهندسان اغلب از مفاهيم به اثبات رسيده استفاده مي‌كنند. براي كنترل رخداد‌هاي پراكنده، آنها اغلب از منطق نردباني (Ladder logic) استفاده مي‌كنند.براي كنترل پيوسته اغلب يا نوع bang-bang استفاده مي‌شود و يا نوع PID .
اگر چه كنترل PID در هنگامي كه پروسه مورد مطالعه در حالت ثابت و ايستايي باشد خوب كار مي‌كند ولي در حالتهاي ديگر زياد موفق نيست:
• در حالت پراكندگي زياد ( غير خطي)
• پروسه‌هاي وابسته به زمان ( غير خطي)
• حالتهاي زمانهاي مرده و از دست رفته.
به اين دليل است كه كنترل PID پروسه را كاملاً در حالت بررسي مي‌كند. اگر چه اين ساده‌سازي ممكن است در حالت عادي به خوبي عمل كند ولي در پراكندگي بسيار مي‌تواند نقطة عملياتي پروسه را بسيار دورتر از نقطة set شده قرار دهد. در اين حالت فرضية خطي (linear)اغلب كنار گذاشته مي‌شود.
همين حالت وقتي اتفاق مي‌افتد كه پارامتر‌هاي پروسه نسبت به زمان تغيير كند. در اين حالات به كارگيري كنترل Fuzzy به جاي كنترل PLD نشان مي‌دهد كه بسيار بهتر از روشهاي معمول اما پيشرفته فعلي عمل مي‌كند اگر چه اين تنها موردي نيست كه حل آن بر مبناي منطق فازي است .
كنترل چند متغيره:
قدرت واقعي منطق فازي در اتوماسيون اداري بر مبناي راهي است كه منطق فازي در طراحي كنترل‌هاي چند متغيره نمايان مي‌كند. در بسياري از برنامه‌هاي كاربردي كنترل يك پروسه تك متغيره ثابت به راحتي با كنترل PID يا bang-bang امكان پذير است. اگر چه تنظيم مقادير براي نماي حلقه‌هاي كنترل اغلب به صورت دستي توسط اپراتور انجام مي‌شود. اپراتور با آناليز موقعيت پروسه و تنظيم مقادير متغيرهاي PID به بهينه سازي پروسه كمك مي‌كند. به اين روش كنترل (supervisory control ) مي‌گويند و اغلب متغيرهاي چند كار درگيرند.
PID و bang –bang هر دو انديس فقط يك متغير بر مي‌آيند و اين اغلب باعث به وجود آمدن تعداد بسياري حلقة كنترل مستقل از هم مي‌شود. اين حلقه‌ها توانايي صحبت با يكديگر را ندارند (talk to each othor) در جاهاي كه مورد دلخواه و يا ضروري است كه رابطه‌اي بين اين استقلالهاي متغيرهاي فيزيكي صورت گيرد، يكي از آنها مجبور به برپايي يك مدل رياضي از پروسه مي‌شود و از معادله ديفرانسيال يك مشتق مي‌گيرد كه براي برپايي راه حل مورد نياز است. در اتوماسيون صنعتي كمتر پيش مي‌آيدزيرا:
• بوجود آوردن يك مدل رياضي از دنياي واقعي ممكن است سالها وقت بگيرد.
• اغلب مدلهاي رياضي به ساده سازي‌هاي گسترده و خطي سازي‌ها نياز دارند كه براي بهينه سازي نتايج كنترلر در آينده نياز به فاكتورهايي دارد.
تنظيم متغيرهاي اضافي يك كنترلر كه از مدل رياضي مشتق مي‌شود، مانند ماهيگري در تاريكي است (Fishing in the dark) به دليل آنكه بهينه‌سازي در يك نقطه با استفاده از متغيرهاي عمومي (Global) اغلب باعث كاهش كارآيي در نقطه ديگري از عمليات مي‌شود.
در ضمن بسياري از محققان داراي پس زمينه كافي در زمينه مدل سازي رياضي نيستند. همچنين در نگاه اول، در صنعت، فرآيندهاي تك متغيره با يك كنترل ساده مانند PID يا bang – bang به همراه يك supervisor كه توسط انسان هدايت مي شود كنترل مي‌شود.
در اينجاست كه منطق فازي يك راه حل عالي و پر بهره را براي مشكلات پياده سازي مي‌كند. منطق فازي به مهندسان اين امكان را مي‌دهد كه بدون نياز به مدل سازي رياضي و با استفاده از نتايج تجربي و تجربه اپراتور يك كنترلر چند متغيره طراحي مي‌كند.
هر متغير پردازنده به تنهايي توسط يك كنترلر PID ثابت نگه داشته شده است به طوري كه مقدارگيري آنها از منطق فازي سرچشمه مي‌گيرد و اين طرز قرار‌گيري در اغلب سيستمها مانند تعيين درجه حرارت كوره‌ها و يا ميزان درصد اكسيژن در حوضچه‌هاي فاضلاب يكسان است در سيستم‌هاي ديگر اين امكان وجود دارد كه يك راه حل گردشي كامل بر مبناي منطق فازي توسعه داد.
به همين دليل است كه ارتقا بر اساس سيستم‌هاي مرسوم مانند ladder logic يا instruction list و كنترل PID به همراه منطق فازي بسيار دلپذير است. 1- منطق فازي در اتوماسيون صنعتي
• همراه كردن منطق فازي و PLC
در سال 1990 وقتي هر چه بيشتر پتانسيل منطق فازي در رابطه با اتوماسيون صنعتي ثابت شد با همكاري شركت آلماني مولر و شركت آلماني / آمريكايي Inform يك كنترلر Fuzzy PLC بر اساس مشاهدات انجام شده در رابطه با تكنيك‌هاي قديمي اتوماسيون صنعتي ساخته شد.
* سخت افزار Fuzzy PLC
براي آنكه اين دستگاه از نظر اقتصادي مقرون به صرفه باشد از دو چيپ ارتقاء يافته استفاده شده، يك ASLC آنالوگ با استاندارد صنعتي 12 بيتي مسئوليت تبديل نتايج آنالوگ به ديجيتال و بلعكس را به عهده دارد. مدلهاي ويژه امكان گسترش الحاقات براي برنامه‌هاي بزرگتر تا 100 سيگنال را دارا مي‌باشد. يك اتصال ارتقاء يافته باس بر اساس RS485 قابليت توسعة بر مبناي شبكه را ممكن مي‌سازد. پردازش منطق فازي و روشهاي مرسوم قديمي توسط يك ميكرو كنترلر RISC 16/32 بيتي پياده سازي شده است سيستم عامل اين دستگاه كه توسط شركت مولر طراحي شده است يك سيستم عامل تجاري پا هسته به هنگام (real time ) و چند پردازشي (multi tasking) است مفسر فازي كه توسط inform نوشته شده است به شكل بسيار مناسبي در سيستم عامل جا سازي شده است بنابراين امكان پردازش هاي كمتر از 4 ميلي ثانيه را امكان پذير كرده است.
RAM داخلي 256 در صورت نياز قابل افزايش توسط تكنولوژيFLASH مي‌باشد. Fuzzy Plc رمز توانايي حل مسائل كاملاً پيچيده و سريع اتوماسيون صنعتي را در زمان و حجم كم و قيمت پايين فراهم مي‌كند.
* نرم افزار Fuzzy PLC
Fuzzy PLC توسط يك نسخه ارتقاء يافته از نرم افزار منطق فازي نوشته شده توسط InForm نوشته شده است و به صورت كاملاً گرافيكي ، به موقع (real time) و محيط بهينه شده است. براي داشتن بهترين كارايي در اين سيستم نرم افزاري امكان توسعه راه كارهاي منطق فازي و روشهاي ديگر صنعتي به امور يكجا و در يك برنامه فراهم است.
نرم‌افزار منطق فازي تمام برنامه‌ها و توابع، متغيرهاي زباني، جداول قيود و ساختار‌هاي سيستم را در بر دارد. اين نرم‌افزار بر روي PC سوار مي شود و توسط يك لينك سريال (RS232) يا يك باس (RS485) به دستگاه متصل مي‌شود. به دليل آنكه سيستم ايرادگيري روي خط (Online debuging) مجهز است در سيستم ايرادگيري روي خط تمام دستورات بدون آنكه باعث توقف دستگاه شود به طور همزمان ترجمه مي‌شود.
در اينجا به چند برنامة بهينه سازي شده توسط منطق فازي استفاده مي‌كنيم:
1- كنترل ضد تاب خوردن جرثقيل.
2- كنترل آتش در مراكز سوزاندن زباله‌ها.
3- كنترل واحدهاي تصفيه آب آلوده
4- موقعيت يابي در پرسها
5- تنظيم دما در ماشنهاي ذوب پلاستيك
6- كنترل هوا و اتوماسيون ساختمان
7- كنترل دستگاه هاي مبدل باد به انرژي
• كنترل عدم لغزش در چرثقيل‌ها:
در جرثقيل‌ها هدف اصلي قرار دادن بار در بالاي نقطة هدف مي‌باشد. وقتي بار به وسيله كابلهاي قابل ارتجاع به جرثقيل متصل مي شود ممكن است در حين حركت اين بار يك سري لغزش در محدودة خاصي ايجاد شود كه بايد اين لغزش به نزديك صفر ميل كند تا بتواند با خيال راحت و اطمينان بار را پايين آورد. با توجه به آنچه گفته شد كنترلر احتياج به دو متغير دارد، يكي موقعيت (position) و يكي لغزش يا تاب خوردن (Sway). پس بنابراين از كنترلر PID نمي‌توان استفاده كرد زيرا محدود به يك متغير است. روشهاي كنترل مرسوم جواب ما را نمي‌دهد زيرا هر يك از آنها مانند model base و يا state variable نياز به مهندسي و احتياجات سخت افزاري زيادي هستند. اين روش‌ها هزينه پروژه را به سمتي هدايت مي‌كنند كه از نظر اقتصادي سيستم عدم تابيدگي را غير ممكن مي‌سازد.
عليرغم مشكلات موجود در كنترل اتوماتيك ، جرثقيل‌ها در اغلب موارد به خوبي توسط كاربران انساني هدايت مي‌شود، از آنجا كه Fuzzy Logic بر مبناي همين تجربه انساني پيادهسازي شده است براي اين منظور در حدود يك دهه است كه به كار مي رود. انواع اين جرثقيل‌ها شامل چرثقيل‌هاي بندر، حمل فلزات و محيط‌هاي كارخانه‌اي مي‌شود. اخيراً در كشور آلمان يك جرثقيل توسط يك Fuzzy PLC بهينه سازي شد. نتيجه‌اي كه حاصل شد حدود %20 انتقال سريع‌تر و بالا رفتن اعتماد و امنيت سيستم بوده .اشتباهاتي كه بوجود مي‌آمد ناشي از آن بود كه كاربران چرثقيل به صورت موازي آن در حين عمليات جابجايي راه مي‌رفتند ( به همراه كنترل از راه دور). قبلاً آنها براي اطمينان از زاويه بار از نگاه كردن بارها از روي زمين استفاده مي‌كردند. اين موضوع از آنجايي نشات مي‌گيرد كه براي يك اتوماسيون موفق علاوه بر عوامل تكنولوژيكي عوامل روان شناختي هم مهم است. اين بهينه سازي در بهار 1995 شروع شد و كنترلر ضد تابيدگي توسط اپراتور جرثقيل به طور متوالي فعال سازي مي‌شود كه نشان دهنده پذيرش اين موضوع از طريق اپراتور بود.
• كنترل احتراق محيط‌هاي سوازندن مواد زباله
تنظيم يك دماي احتراق ثابت در واحدهاي سوزاندن مواد زباله‌اي جهت حداقل سازي توليد گازهاي مضر مانند ديوكسن و فيوران و همچنين جلوگيري از سوختن و آسيب ديدن كوهره مهم است. دو مشكل عمدة اين تنظيم دما عبارتند از:
1- ميزان گرماي مواد مختلف به شدت متفاوتند.
2- جهت و شكل آتش به صورت مستقيم قابل اندازه‌گيري نمي‌باشد.
به دليل آنكه پروسه سوختن در ايجاد انرژي الكتريكي مصرف مي شود يك پروسه احتراق كامل و پايدار داراي بهره اقتصادي بالايي نيز هست.
برنامة اخير در كارخانجات سوزاندن مواد در شهر هامبورگ و مانهايم در كشور آلمان، منطق فازي به خوبي پيادهسازي شد. در مانهيم در كوره‌‌اي كه از دو Fazzy PLC براي كنترل پروسة سوختن استفاده شد ميزان فشار يك كوره 28 mg/h بود. با بكار بستن روشهاي صنعتي مرسوم و استاندارد اين فشار در عرض يكساعت به حدود 10mg/h تغيير كرد. ولي با استفاده از منطق فازي به كمتر از1mg/h رسيد. اين روش به طور كلي بهره‌وري را افزايش داده، ميزان توليد Nox و So2 مقداري و توليد Co را به نصف كاهش مي‌دهد.
منبع: سایت مهندسین فردا
