آنچه درباره PLC باید بدانید!

PLC: کاربردهای صنعتی کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی

تاریخچه PLC ها

بسیاری از PLCهای اولیه قادر به نمایش گرافیکی منطق نبودند، بنابراین در عوض به عنوان یک سری عبارات منطقی در قالب بولی (مشابه جبر بولی) نشان داده شد. با تکامل ترمینال های برنامه نویسی، استفاده از منطق نردبانی رایج تر شد، زیرا قالبی آشنا بود که برای تابلوهای کنترل الکترومکانیکی استفاده می شد. فرمت های مدرن تری مانند منطق حالت و نمودارهای بلوک تابعی وجود دارند، اما هنوز به اندازه منطق نردبانی محبوب نیستند. دلیل احتمالی این امر این است که برنامه نویسان جذابیت بصری بیشتر منطق نردبانی را به برنامه نویسی متن ساخت یافته ترجیح می دهند. تقریباً تا اواسط دهه 1990، PLC ها با استفاده از پانل های برنامه نویسی اختصاصی یا پایانه های برنامه نویسی ویژه برنامه ریزی می شدند که اغلب دارای کلیدهای عملکرد اختصاصی بودند که عناصر منطقی مختلف برنامه های PLC را نشان می دادند. برخی از پایانه های برنامه نویسی اختصاصی عناصر برنامه های PLC را به عنوان نمادهای گرافیکی نمایش می دادند، اما نمایش کد ASCII ساده از کنتاکت ها، سیم پیچ ها و سیم ها رایج بود.

در ابتدایی ترین اصطلاح، یک کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی (PLC) یک کامپیوتر با ریزپردازنده است اما فاقد صفحه کلید، ماوس یا مانیتور است. اساساً برای مقاومت در برابر محیط های صنعتی بسیار سخت ساخته شده است. این یک شکل متمایز از دستگاه کامپیوتری است که برای استفاده در سیستم های کنترل صنعتی طراحی شده است. دارای ساختار قوی و ویژگی های کاربردی منحصر به فرد مانند کنترل متوالی، سهولت برنامه نویسی، تایمر و شمارنده، سخت افزار آسان برای استفاده و قابلیت های کنترل قابل اعتماد است.

این دستگاه بسیار مقاوم طراحی شده است، بنابراین می تواند در محیط های صنعتی سخت مانند دماهای شدید، ارتعاشات شدید، رطوبت و سر و صدای الکتریکی مقاومت کند. کنترل کننده های منطقی اغلب وظیفه کنترل و نظارت بر تعداد بسیار زیادی از سنسورها و محرک ها را دارند. بنابراین آنها از دیگر سیستم های کامپیوتری معمولی در ترتیبات گسترده I/O (ورودی/خروجی) متفاوت هستند.

PLC علاوه بر استفاده به عنوان یک کامپیوتر دیجیتال با هدف خاص، می تواند در سایر مناطق و صنایع سیستم کنترل نیز استفاده شود. این توضیح می دهد که چرا PLC ها اغلب به عنوان رایانه های شخصی صنعتی شناخته می شوند. PLC همچنین معمولاً در کاربردهای عمرانی مانند کنترل علائم ترافیکی و آسانسورها استفاده می شود. آنها در بسیاری از صنایع برای نظارت و کنترل فرآیندهای تولید و سیستم های ساختمانی استفاده می شوند. پس از برنامه ریزی، PLC دنباله ای از رویدادها را انجام می دهد که توسط محرک هایی که به آنها ورودی گفته می شود، ایجاد می شود. این محرک‌ها را از طریق اعمال تاخیری مانند رخدادهای شمارش شده یا تاخیرهای زمانی دریافت می‌کند.

این دستگاه‌های رایانه‌ای خاص با رایانه‌های معمولی مانند رایانه‌های شخصی یا تلفن‌های هوشمند از این نظر متفاوت هستند:

1. یک PLC تنها یک مجموعه یا دنباله ای از وظایف را با قابلیت اطمینان و کارایی بیشتر انجام می دهد، به جز زمانی که تحت محدودیت های زمان واقعی باشد. این برخلاف رایانه‌های شخصی و تلفن‌های هوشمند معمولی است که برای اجرای هر تعداد نقش به طور همزمان در چارچوب ویندوز طراحی شده‌اند.
2. PLC دارای تعدادی ویژگی است که در رایانه های معمولی نمی بینید، مانند محافظت در برابر شرایط فضای باز مانند گرما، گرد و غبار و سرما.
3. در مقایسه با سایر سیستم های میکروکنترلر کم هزینه است. هنگامی که از PLC در برنامه های مختلف استفاده می کنید، فقط باید جزء نرم افزار را برای هر برنامه تغییر دهید. با این حال، با سایر سیستم های میکروکنترلر، شما باید اجزای سخت افزاری را نیز با برنامه های مختلف تغییر دهید.

این کنترل کننده مبتنی بر ریزپردازنده شامل یک حافظه قابل برنامه ریزی است که دستورالعمل ها را ذخیره می کند و توابعی را اجرا می کند که شامل ترتیب، زمان بندی، منطق، حساب و شمارش می شود.

بزرگترین تفاوت ها این است که یک PLC می تواند عملکردهای گسسته و پیوسته ای را انجام دهد که رایانه شخصی نمی تواند انجام دهد، و PLC برای محیط های صنعتی بسیار مناسب تر است. یک PLC را می توان به عنوان یک کامپیوتر دیجیتالی “مقاوم” در نظر گرفت که فرآیندهای الکترومکانیکی یک محیط صنعتی را مدیریت می کند.

PLC ها با استفاده از تشکیل بخشی از یک سیستم بزرگتر SCADA، نقش مهمی در زمینه اتوماسیون دارند. یک PLC را می توان با توجه به نیاز عملیاتی فرآیند برنامه ریزی کرد. در صنعت تولید به دلیل تغییر ماهیت تولید، نیاز به برنامه ریزی مجدد وجود خواهد داشت. برای غلبه بر این مشکل، سیستم های کنترل مبتنی بر PLC معرفی شدند. قبل از اینکه به کاربردهای مختلف PLC ها نگاه کنیم، ابتدا اصول اولیه PLC را مورد بحث قرار خواهیم داد.

اصول PLC

PLC ها توسط دیک مورلی در سال 1964 اختراع شدند. از آن زمان PLC انقلابی در بخش های صنعتی و تولیدی ایجاد کرده است. طیف گسترده ای از عملکردهای PLC مانند زمان بندی، شمارش، محاسبه، مقایسه و پردازش سیگنال های آنالوگ مختلف وجود دارد.

مزیت اصلی PLC نسبت به یک سیستم کنترل سیمی سخت این است که شما می توانید به عقب برگردید و پس از برنامه ریزی PLC آن را با هزینه کم (فقط هزینه زمان برنامه نویس) تغییر دهید. در یک سیستم کنترل با سیم سخت، شما اساساً باید سیم‌ها را پاره کنید و از ابتدا شروع کنید (که گران‌تر است و بیشتر طول می‌کشد). برای درک بهتر این مزیت، به مثالی نگاه می کنیم.

تصور کنید با یک چراغ به یک سوئیچ وصل شده اید. به طور کلی، نور در دو حالت روشن و خاموش کار می کند. اکنون به شما وظیفه داده می شود که وقتی سوئیچ را روشن می کنید، نور فقط پس از 30 ثانیه بدرخشد. با این راه‌اندازی با سیم سخت – ما گیر کرده‌ایم. تنها راه رسیدن به این هدف این است که مدار خود را به طور کامل دوباره سیم کشی کنیم تا یک رله زمان بندی اضافه کنیم. این برای یک تغییر جزئی دردسر زیادی دارد. اینجاست که یک کنترل‌کننده منطقی قابل برنامه‌ریزی وارد تصویر می‌شود، که برای اطمینان از تغییر نیازی به سیم‌کشی و سخت‌افزار اضافی ندارد. بلکه نیاز به یک تغییر ساده در کد دارد، برنامه ریزی PLC تا فقط 30 ثانیه پس از روشن شدن سوئیچ، چراغ را روشن کند. بنابراین، با استفاده از یک PLC، به راحتی می توان چندین ورودی و خروجی را ترکیب کرد. این فقط یک مثال ساده است – یک PLC توانایی کنترل فرآیندهای بسیار بزرگتر و پیچیده تر را دارد. یک PLC را می توان بسته به کاربرد و نیازهای کاربر سفارشی کرد.

عملکرد PLC

هر سیستم PLC دارای سه ماژول است: ماژول CPU، ماژول منبع تغذیه و یک یا چند ماژول ورودی/خروجی (I/O).

    ماژول CPU

• این ماژول از یک پردازنده مرکزی و جزء حافظه آن تشکیل شده است. این پردازنده تمامی محاسبات و پردازش داده های مورد نیاز را با دریافت ورودی ها و تولید خروجی های مربوطه انجام می دهد.

    ماژول منبع تغذیه

• مدار کامپیوتر PLC با خروجی 5 ولت DC کار می کند و این توسط ماژول منبع تغذیه تامین می شود. این در اصل ماژول مسئول روشن کردن سیستم است.
• برق متناوب را دریافت می کند و آن را به برق DC تبدیل می کند که دو ماژول دیگر (سی پی یو و ماژول های ورودی/خروجی) استفاده می کنند.

    ماژول های I/O

• ماژول‌های ورودی/خروجی وظیفه اتصال سنسورها و محرک‌ها به سیستم PLC را دارند تا پارامترهای مختلف مانند فشار، دما و جریان را حس کنند.
• ماژول های ورودی/خروجی می توانند دیجیتال یا آنالوگ باشند.

در ادامه به صورت مفصل هر یک توضیح داده می شود.

ساختار فیزیکی PLC

ساختار یک PLC تقریبا شبیه به معماری یک کامپیوتر است. کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی به‌طور مداوم مقادیر ورودی دستگاه‌های حسگر ورودی مختلف (مانند شتاب‌سنج، مقیاس وزن، سیگنال‌های سیم‌کشی و غیره) را نظارت می‌کنند و خروجی مربوطه را بسته به ماهیت تولید و صنعت تولید می‌کنند. یک بلوک دیاگرام معمولی PLC از پنج بخش تشکیل شده است:

1. قفسه یا شاسی
2. ماژول منبع تغذیه
3. واحد پردازش مرکزی (CPU)
4. ماژول ورودی و خروجی
5. ماژول رابط ارتباطی

قفسه یا شاسی

در تمام سیستم های PLC، قفسه یا شاسی PLC مهمترین ماژول را تشکیل می دهد و به عنوان ستون فقرات سیستم عمل می کند. PLC ها در اشکال و اندازه های مختلف موجود هستند. هنگامی که سیستم های کنترل پیچیده تری درگیر هستند، به قفسه های PLC بزرگتر نیاز دارند. PLC سایز کوچک مجهز به پیکربندی پین I/O ثابت است. بنابراین، آنها به سراغ rack PLC از نوع ماژولار رفته‌اند که انواع مختلف ماژول‌های ورودی/خروجی را با کشویی و متناسب با مفهوم می‌پذیرد. تمام ماژول های ورودی/خروجی در داخل این رک/شاسی قرار خواهند گرفت.

ماژول منبع تغذیه

این ماژول برای تامین برق مورد نیاز کل سیستم PLC استفاده می شود. این برق AC موجود را به برق DC تبدیل می کند که توسط ماژول CPU و I/O مورد نیاز است. PLC معمولاً روی منبع تغذیه 24 ولت DC کار می کند. تعداد کمی از PLC از منبع تغذیه ایزوله استفاده می کنند.

ماژول CPU و حافظه

ماژول CPU دارای پردازنده مرکزی، ROM و حافظه RAM است. حافظه ROM شامل یک سیستم عامل، درایورها و برنامه های کاربردی است. حافظه رم برای ذخیره برنامه ها و داده ها استفاده می شود. CPU مغز PLC با ریزپردازنده هشت ضلعی یا شش ضلعی است. به عنوان یک CPU مبتنی بر ریزپردازنده، جایگزین تایمرها، رله ها و شمارنده ها می شود. دو نوع پردازنده به صورت تک بیتی یا پردازشگر کلمه را می توان با PLC ترکیب کرد. پردازنده یک بیتی برای انجام توابع منطقی استفاده می شود. در حالی که از واژه پردازها برای پردازش متن، داده های عددی، کنترل و ضبط داده ها استفاده می شود. CPU داده های ورودی را از حسگرها می خواند، آنها را پردازش می کند و در نهایت فرمان را به دستگاه های کنترل کننده می فرستد. منبع تغذیه DC همانطور که در بحث قبلی ذکر شد سیگنال های ولتاژ مورد نیاز است. CPU همچنین شامل قطعات الکتریکی دیگری برای اتصال کابل های مورد استفاده توسط واحدهای دیگر است.

ماژول ورودی و خروجی

آیا تا به حال به این فکر کرده اید که چگونه پارامترهای فیزیکی مانند دما، فشار، جریان و غیره را حس کنید؟ با استفاده از PLC؟ البته PLC دارای یک ماژول انحصاری برای رابط ورودی و خروجی است که به آن ماژول ورودی و خروجی می گویند. دستگاه های ورودی می توانند دکمه های شروع و توقف، سوئیچ ها و غیره باشند و دستگاه های خروجی می توانند یک بخاری برقی، شیرها، رله ها و غیره باشند. ماژول ورودی/خروجی به اتصال دستگاه های ورودی و خروجی با ریزپردازنده کمک می کند. ماژول ورودی PLC در شکل زیر توضیح داده شده است. ماژول ورودی PLC چهار عملکرد اصلی را انجام می دهد.

1. رابط ماژول ورودی سیگنال را از دستگاه های پردازش در 220 ولت AC دریافت می کند
2. سیگنال ورودی را به 5 ولت DC تبدیل می کند که می تواند توسط PLC استفاده شود
3. بلوک ایزولاتور برای جداسازی/جلوگیری از نوسانات PLC استفاده می شود
4. پس از آن سیگنال به انتهای خروجی یعنی PLC ارسال می شود

دو بخش اصلی در ماژول ورودی وجود دارد که بخش قدرت و بخش منطقی هستند. هر دو بخش از نظر الکتریکی از یکدیگر جدا شده اند. در ابتدا دکمه فشار بسته است. بنابراین منبع AC 220 ولت از طریق مقاومت های R1 و R2 به مدار پل داده می شود.

کاربرد PLC

PLC ها در کاربردهای مختلفی در صنایعی مانند صنعت فولاد، صنعت خودروسازی، صنایع شیمیایی و بخش انرژی مورد استفاده قرار می گیرند. دامنه PLC ها به طور چشمگیری بر اساس توسعه همه فن آوری های مختلف که در آن استفاده می شود افزایش می یابد. از PLC برای نظارت بر سیستم کن

ترل ایمنی و راه اندازی آسانسورها و پله برقی ها استفاده شده است.

    صنعت شیشه

• کنترل کننده های PRC برای چندین دهه در صنعت شیشه استفاده می شوند. آنها عمدتا برای کنترل نسبت مواد و همچنین برای پردازش شیشه های تخت استفاده می شوند. این فناوری در طول سال ها پیشرفت کرده است و این باعث افزایش تقاضا برای حالت کنترل PLC برای استفاده در صنعت شیشه شده است.
• تولید شیشه یک فرآیند پیچیده  است، بنابراین شرکت‌های درگیر اغلب از PLC با فناوری اتوبوس در حالت کنترل آن استفاده می‌کنند.
• به طور کلی، PLC هم در ضبط داده های آنالوگ در تولید شیشه و هم در کیفیت دیجیتال و کنترل موقعیت استفاده می شود.

    صنعت کاغذ

• در صنعت کاغذ از PLC ها در فرآیندهای مختلفی استفاده می شود. اینها شامل کنترل ماشین هایی است که محصولات کاغذی را با سرعت بالا تولید می کنند.
• به عنوان مثال، یک PLC تولید صفحات کتاب یا روزنامه ها را در چاپ افست تحت وب کنترل و نظارت می کند.

    تولید سیمان

• تولید سیمان شامل مخلوط کردن مواد اولیه مختلف در یک کوره است. کیفیت این مواد اولیه و نسبت آنها به طور قابل توجهی بر کیفیت محصول نهایی تأثیر می گذارد. برای اطمینان از استفاده از کیفیت و کمیت مناسب مواد خام، صحت داده ها در رابطه با چنین متغیرهای فرآیندی از اهمیت اساسی برخوردار است.
• یک سیستم کنترل توزیع شده متشکل از PLC در حالت کاربر و یک نرم افزار پیکربندی در فرآیندهای تولید و مدیریت صنعت استفاده می شود. PLC به طور خاص، آسیاب توپ، کوره زغال سنگ و کوره شفت را کنترل می کند.

نمونه‌های دیگر برنامه‌نویسی PLC که امروزه در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند شامل سیستم‌های خاموش کردن مخزن آب در بخش هوافضا، سیستم کنترل دستگاه پرکن در صنایع غذایی، کنترل ماشین لباسشویی دسته‌ای صنعتی و سیستم‌های جمع‌شدگی نساجی حلقه بسته است.

PLC همچنین در سیستم تعویض فن دیگ بخار زغال سنگ در بیمارستان ها، سیستم کنترل ماشین راه راه و تغذیه سیلو و همچنین سیستم های کنترل قالب گیری تزریقی در صنعت پلاستیک استفاده می شود.

کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی در Mobile Automation شامل طیف گسترده‌ای از تولیدکنندگان برتر صنعت مختلف مانند آلن برادلی و امرون است. همه اینها را می توان در برنامه های مختلف در بخش های کلیدی کسب و کار شما قرار داد تا فرآیند تولید را استاندارد کرده و بازگشت سرمایه شما را افزایش دهد.

انواع PLC

دو نوع اصلی PLC عبارتند از PLC ثابت / فشرده و PLC مدولار.

PLC فشرده

در یک مورد واحد، ماژول های زیادی وجود خواهد داشت. دارای تعداد ثابتی ماژول های ورودی/خروجی و کارت های ورودی/خروجی خارجی است. بنابراین قابلیت گسترش ماژول ها را ندارد. هر ورودی و خروجی توسط سازنده تصمیم گیری می شود.

PLC مدولار

این نوع PLC اجازه گسترش چندگانه را از طریق “ماژول ها” می دهد، از این رو به عنوان PLC مدولار شناخته می شود. اجزای I/O را می توان افزایش داد. استفاده از آن آسان تر است زیرا هر جزء مستقل از یکدیگر است.

PLC بر اساس خروجی به سه نوع خروجی رله، خروجی ترانزیستور و PLC خروجی Triac تقسیم می شود. نوع خروجی رله برای هر دو دستگاه خروجی AC و DC مناسب است. نوع خروجی ترانزیستور PLC از عملیات سوئیچینگ استفاده می کند و در داخل ریزپردازنده ها استفاده می شود.  با توجه به اندازه فیزیکی، یک PLC به Mini، Micro و Nano PLC تقسیم می شود. برخی از تولید کنندگان PLC عبارتند از:

• آلن بردلی
• ABB
• زیمنس
• میتسوبیشی پی ال ​​سی
• هیتاچی پی ال ​​سی
• دلتا PLC
• جنرال الکتریک (GE) PLC
• هانیول پی ال ​​سی

برنامه نویسی PLC

هنگام استفاده از PLC، طراحی و پیاده سازی مفاهیم بسته به مورد خاص شما بسیار مهم است. برای انجام این کار ابتدا باید در مورد ویژگی های برنامه نویسی PLC بیشتر بدانیم. یک برنامه PLC شامل مجموعه ای از دستورالعمل ها به صورت متنی یا گرافیکی است که بیانگر منطق حاکم بر فرآیندی است که PLC آن را کنترل می کند. دو طبقه بندی اصلی از زبان های برنامه نویسی PLC وجود دارد که بیشتر به انواع زیر طبقه بندی شده تقسیم می شوند.

• زبان متنی
• لیست دستورالعمل
• متن ساختار یافته
• فرم گرافیکی
• نمودارهای نردبانی (LD) (یعنی منطق نردبان)
• نمودار بلوک تابع (FBD)
• نمودار توابع متوالی (SFC)

اگرچه همه این زبان‌های برنامه‌نویسی PLC را می‌توان برای برنامه‌نویسی PLC استفاده کرد، زبان‌های گرافیکی (مانند منطق نردبانی) معمولاً به زبان‌های متنی (مانند برنامه‌نویسی متن ساخت‌یافته) ترجیح داده می‌شوند.