برای طراحی سیستم کنترل باید به چند تقسیم بندی توجه نمود :

• پیکربندی سیستم
• پیکربندی سخت افزار
• تنظیمات استراتژی

پیکربندی سیستم :

کنترلر بخشی از یک سیستم کنترل بزرگتر میباشد لذا برقراری ارتباط با ناظر ، کنترل کننده ها و دستگاه های دیگری و امکان دریافت و یا ارسال اطلاعات و تغییر پارامترها از نیازمندی های سیستم است که از طریق زیر قابل دستیابی است .

• پنل نمایشگر محلی
• پنل نمایش از راه دور
• ناظر محلی و یا مرکزی
• دیگر کنترل کننده ها

در ضمن کنترل کننده توانایی ارسال اطلاعات را برای دستگااه های دیگر دارد.

• آلارم ها که امکان دریافت توسط ناظر و پرینت آنها وجود دارد
• ارتباط با دیگر کنترل کننده ها

ورودی و خروجی :

 از مهمترین قسمت های یک کنترلر و یکی از دلایل تعدد کنترلر یک کمپانی و معیاری برای انتخاب آن میباشد . طبق تعریف لایه های سیستمBAS، ارتباط پایین ترین سطح که شامل سنسورها ، شیرها ، اکچویتورها و .. با لایه دوم کنترلر ، توسط ورودی و خروجی ها میباشند .  به همین دلیل انتخاب نوع کنترلر ابتدا با معماری و چیدن تجهیزات لایه Field و سپس محاسبه تعداد و نوع ورودی و خروجی هر یک از تجهیزات به دست می آید .

دیجیتال،دودویی،گسسته :

این سه اصطلاح برای توصیف مقدار داده ها که این مقدار شامل روشن و خاموش(On, Off) ، کارکرد عادی و اضطراری (alarm or normal) ، صفر و یک(0 or 1) ، مقدار بالا یا پایین (high or low) ، یک رنج خاص و  ... میباشد.

ورودی :

تجهیزاتی که وظیفه نمونه برداری از محیط و پروسس را دارند(سنسورها ، ترموکوپل و .. ) ،  اطلاعات دریافتی همچون دما ، فشار ، رطوبت ، ولتاژ ، جریان را جهت تجزیه و تحلیل به ورودی کنترلر ارائه میدهند. یک کنترلر توانایی دریافت ورودی های گسترده ایی از آنالوگ و دیجیتال را دارد. هر کانال ورودی میبایست به وروی همتای خود متصل و پروگرام شود . و با توجه به نوع و مدل کنترلر این فرایند ممکن است از طریق تغییر فیزیکی ماژول ورودی کنترلر،تغییر لینک ها یا قطعات صورت گیرد. یک کانال ورودی عمومی(universal input) برتری بر سایر ورودی ها دارد اما هنوز هم نیاز به تغییرات پیکربندی و لینک های داخلی است .

ورودی دیجیتال :

ولتاژهای  24VDCو  120-230 VACبرای ورودی های دیجیتال استفاده میگردد. برای حفاظت اضافه ولتاژ بر روی کنترلر، معمولا ورودی ها را با کوپل کننده نوری مجزا نموده وبرای حذف نویز لرزشی سوئیچ ها از لرزش گیر استفاده میشود . در کاتالوگ و محاسبات میبایست سطوح ولتاژ برای تعریف صفر و یک بررسی و در برنامه ریزی ورودی اعمال گردد. معمولا ورودی دیجیتال به صورت کنتاکت بسته، ولتاژ آزاد عمل نموده و در مانیتور وضعیت وسایل کاربرد دارد. برای محیا نمودن توان ورودی ،معمولا کنترلر 24 VDC را برای این منظور محیا مینماید. یک ورودی دیجیتال به طور معمول از یک منبع تغذیه (منبع ولتاژ)،سوئیچ و دستگاه های سنجش ولتاژ(مبدل آنالوگ به دیجیتال ) تشکیل شده است . دستگاه سنجش تشخیص ولتاژ و یا سوئیچ با توجه به وضعیت باز و بسته بودن ولتاژ تولید صفر و یک منطقی ، روشن ویا خاموش، حالت اظطراری و یا نرمال میکند . نمودار ترسیمی در شکل زیر نمونه های معمول استفاده از پیکربندی ورودی دیجیتال است.

در بعضی از کنترلرها ورودی دیجیتال میتواند بصورت مدار اتصال كوتاه تعریف شود كه در اين حالت ورودي به زمين اتصال مي يابد و سيستم آنرا بعنوان فرمان ديجيتال مي پذيرد.  در تعدادی از کنترلرهای دیگر نیز میتوان تغذیه کنترلر (24V AC-DC) و یا 230 ولت را به عنوان سطح ورودی دیجیتال تعریف نمود.

ورودی آنالوگ:

ورودی یک سیگنال الکتریکی قابل اندازه گیری با طیف تعریف شده ، توسط سنسورها تولید و با یک ورودی آنالوگ دریافت میشود . تغییرات ورودی آنالوگ به طور مداوم به شیوه ایی قابل تعریف در رابطه با مقدار اندازه گیری در کنترلر بیان میگردد.سیگنال های آنالوگ تولید شده توسط بعضی از انواع سنسورها باید تبدیل به یک سیگنال استاندارد سطح بالاتر شود که از طریق سیم به ورودی کنترلر متصل میشود.ورودی آنالوگ توسط مبدل آنالوگ به دیجیتال (که در کنترلر قرار دارد) به مقدار دیجیتال تبدیل تا برای پردازش مقادیر دریافتی و محاسبات آماده گردد. مبدلهای آنالوگ به دیجیتال به یک رنج کوچکی از ولتاژهای DC محدود میباشند.بنابراین مدارات ورودی و خروجی باید سیگنال های غیر سازگار را در محدوده دامنه DC در رنج مشخص شده تغییر دهند.اساسا سه نوع سیگنال ورودی آنالوگ شامل ولتاژ،جریان و مقاومت در کنترلر وجود دارد.

ولتاژ : سیگنال های ولتاژ متداول مورد استفاده در صنعت کنترل شامل 1-5 VDC ، 2-10 VDC ، 3-15 VDC ، 0-5 VDC ، 0-10 VDC ، 0-15 VDC و +-1 میباشد. معمولا ولتاژ 0-10 VDC برای مطابقت با خروجی استاندارد مبدل سنسورها استفاده میشود.

جریان : معمولا جریان 4-20 mA مطابق با استاندارد صنعتی در کنترلرهای دیجیتال و آنالوگ استفاده میشود.

غیرفعال یا مقاوتی (Passive): تعدادی از کنترلرها به طور مستقیم دارای ورودی هایی برای اندازه گیری تغییرات مقاومتی هستند و معمولا برای اندازه گیری دما کاربرد دارد  مانند ترموستات و RTD . مدار اندازه گیری آنها نیز در خود کنترلر تعبیه شده است . شکل زیر نمونه ایی از استفاده معمول از پیکربندی ورودی آنالوگ میباشد. در شکل زیر مدار ورودی ولتاژرا در زمانیکه ولتاژ خروجی سنسور با کنترلر مطابقت ندارد مشاهده میکنید.

در شکل زیر سیم بندی شماتیک مرتبط با یک تغذیه خارجی 4-20mA ورودی آنالوگ استفاده شده در ترانسمیتر دما را نشان میدهد.برای این نوع مدار ولتاژ منبع تغذیه معمولی 24VDC کاربرد دارد. مدار تنظیم کننده جریان در حلقه بین 4 الی 20 میلی آمپر نسبت به دمای حس شده توسط سنسور تغییر میکند. مقاومت موازی ثابت است و در بین پایه های کنترلر برای تکمیل مدار استفاده میکنند . در ضمن مقاومت R را در مدار بسیار بالاتر از مقاومت A/D طراحی میکنند. این مقاومت برای مطابقت با دامنه ولتاژ ورودی کنترل کننده انتخاب شده است.

در شکل زیر تبدیل یک مقاومت به ولتاژ مدار نمایش داده شده است.

برای اطلاعات آنالوگ کنترلر از مبدل آنالوگ به دیجیتال 8 تا 16 بیتی استفاده میشود از این ورودی ها معمولا ترانسدیدسرهای ولتاژی و جریانی ، ترموکوپل و سنسورها استفاده میکنند . در بعضی از کنترلر ها نوع خروجی و ورودی، اندازه گیری ولتاژ یا جریان  و تنظیمات آن نرم افزاری است . در شکل های زیر روش های متداول سیم بندی کنترلرها با سنسورها را مشاهده میکنید.

خروجی :

دیجیتال :

یک خروجی دیجیتال به طور معمول از یک سوئیچ (این سوئیچ یا به شکل سیستم مکانیکی مانند رله و یا الکترونیکی توسط ترانزیستور و تریاک) تشکیل شده که هر کدام از حالات باز و بسته مدار بین دو ترمینال وابسته به حالت باینری خروجی میباشد. میزان جریان دهی خروجی دیجیتال  به کاتالوگ های کنترلر وابسته است . نمودار ترسیمی در شکل زیر نمونه های معمول استفاده از پیکربندی خروجی دیجیتال است. در دو شکل زیر نوع کلکتور باز یک ترانزیستور و نوع تریاک برای راه اندازی یک رله که موتور سیم پیچ استاتور یک فن را کنترل نموده نمایش داده شده است.

آنالوگ:

خروجی آنالوگ یک سیگنال الکتریکی قابل اندازه گیری با طیف وسیع تعریف شده که توسط یک کنترل کنننده تولید و به یک دستگاه کنترل شده ارسال میگردد ، مانند یک درایو با سرعت متغییر یا محرک شیرها و دمپر ها . خروجی کنترل کننده های دیجیتال به آنالوگ که به طور معمول محدود به یک محدوده از ولتاژ و جریان واحد بوده و این سیگنال سازگار با دستگاه های کنترل خواهد بود. چهار نوع خروجی آنالوگ شامل ولتاژ ، جریان ، مقاومت و پنوماتیک وجود دارد. این خروجی ها اطلاعات دیجیتال پردازش شده در کنترلر را به آنالوگ تبدیل میکنند، خروجی ها به جهت خطرات ناشی از سایر قسمت ها از مدارات داخلی مجزا میشوند.

ولتاژ: دامنه خروجی ولتاژ متداول عبارتست از 0-5 VDC ، 0-10VDC ، 0-15VDC ، 1-5VDC  ، 2-10VDC ، 3-15 VDC که به طور معمول 0-10 VDC است و این سیگنال برای کنترل اکثر اکچویتورها بدون وجود تقویت کننده در مراحل بعدی انجام میپذیرد. در بعضی از موارد نیاز به ماژول درایور برای تجهیزات میباشد.

جریان : به طور معمول جریان 4-20mA و 0-20mA برای این منظور استفاده میگردد.

مقاومت : محدوده مقاومت خروجی در رنج های 0-135Ω,0-270 Ω, 0-500 Ω,0-1000 Ω,0-1500 Ω, 0-2K Ω, 0-3K Ω, 0-4K Ω,0-5K Ω, 0-10K Ω, 0-20K Ω,0-30K Ω,0-40K Ω در کنترلرها تولید میگردد.

بادی : رنج خروجی برای کنترل اکچویتورهای بزرگ در رنج 0-20 psi و 0-15psi  میباشد.

خروجی رله :

عرض پالسی (PWM ): سیگنال های مدوله شده عرض پالس بر اساس مقدار زمانی که یک مدار خروجی دیجیتال را روی یک زمان ثابت محصور نموده تعریف میشوند. این مقدار زمان میتواند از محدوده صفر تا صد درصد زمان پایه تقسیم شود . ارائه مقدار آنالوگ برای هر دوره زمانی نشان دهنده پایه زمان سیگنال میباشد . زمان های متداول 2.85S,5.2S,12.85S و 25.6 ثانیه هستند. از روش های دیگر میتوان به Multiplexed PWM و Tri-State or Floating Point  اشاره نمود. پالس عملیاتی 24 VAC برای تعدادی از اکچویتورها طراحی میشود .

در شکل های زیر روشهای متداول نصب تجهیزات را در خروجی های کنترلر مشاهده میکنیم.

آدرس شبکه : آدرس شبکه کنترلر باید توسط یک شماره منحصر به فرد مشخص شود . و ممکن است این عمل از طریق تنظیم سوئیچ داخل کنترلرو یا بر روی نرم افزار پروگرام قرار داشته باشد.