نحوه ی عملکرد PLC صنعتی چگونه است و از چه قطعاتی تشکیل شده؟

کنترل کننده های منطقی قابل برنامه ریزیPLC) ) رایانه‌های کوچک صنعتی هستند که حاوی سخت‌افزار و نرم افزار بوده و برای اتوماسیون فرایندهای کنترل سفارشی‌ شده طراحی شده‌اند. از PLC‌ها اغلب در کارخانه‌ها و مراکز صنعتی برای اتوماسیون فرآیندهای الکترومکانیکی صنعتی جهت کنترل موتور، پمپ‌ها، چراغ‌ها، فن‌ها‌، قطع کننده‌های مدار کنترل ماشین آلات در خطوط مونتاژ کارخانه، کارخانجات مواد غذایی و سایر ماشین آلات استفاده می‌شود. در این پست به نحوه عملکرد PLC و اجزا آن‌ها می‌پردازیم

ورود PLC به صنعت

اتوماسیون صنعتی مدت‌ها قبل از PLC آغاز شد. در اوایل تا اواسط 1900، اتوماسیون معمولاً با استفاده از مدارهای پیچیده رله الکترومکانیکی انجام می‌شد. با این حال، تعداد رلهها، سیم‌ها و فضای مورد نیاز برای ایجاد حتی اتوماسیون ساده مشکل ساز بود. هزاران رله برای اتوماسیون یک فرآیند ساده در کارخانه لازم بود! در سال 1968 اولین کنترل‌کننده منطقی قابل برنامه‌ریزی یا همان PLC برای جایگزینی مدارهای رله پیچیده در کارخانه‌های صنعتی به بازار آمد. PLC به گونه‌ای طراحی شده است که توسط مهندسان کارخانه و تکنسین‌هایی که قبلاً با رله و شماتیک کنترلی آشنا بودند، قابل برنامه‌ریزی است. از همان ابتدا PLC‌ها با استفاده از منطق نردبانی که برای شبیه‌سازی مدارهای مدار کنترل طراحی شده بودند، قابل برنامه‌ریزی بودند. نمودارهای نردبانی مانند مدارهای کنترل هستند که در آن جریان برق از طریق تماس‌های بسته از چپ به راست جریان می‌یابد تا یک سیم پیچ رله را تحریک کند.

PLCها چگونه کار می‌کنند؟

PLC‌ها را می توان به عنوان رایانه‌های كوچك صنعتی با اجزای مدولار كه برای اتوماسیون صنعتی طراحی شده‌اند، توصیف كرد. PLC کنترل کننده‌ تقریباً تمام اتوماسیون های صنعتی مدرن به شمار می‌آید. PLC برای چندین ورودی و خروجی دیجیتال و آنالوگ با دامنه دمایی گسترده، مقاومت در برابر نویزهای الکتریکی و همچنین مقاومت در برابر لرزش و ضربه طراحی شده‌ است. PLC از سه بخش اساسی تشکیل شده است:

1. پردازنده یا CPU
2. منبع تغذیه و رک
3. ورودی و خروجی‌ها

PLCها دارای اشکال و اندازه‌های مختلف هستند. این قطعات می‌توانند به قدری کوچک باشند که حتی در جیب لباس شما جای بگیرند در حالی که بیشتر سیستم‌های کنترل به رک‌های بزرگ PLC نیاز دارند. PLC‌های کوچکتر، معمولاً با ورودی و خروجی ثابت طراحی می‌شوند.  PLC کامپیوتری پیچیده و قدرتمندی است. اما عملکرد یک PLC به زبان ساده بدین صورت است که، PLC ورودی‌ها را می‌گیرد، روی ورودی‌های پردازنده عملیاتی را انجام می‌دهد و سپس بر اساس آن منطق، خروجی‌ها را روشن یا خاموش می‌کند.

منبع تغذیه و رک

برای شروع آشنایی با PLCها بیایید با حذف همه ماژول‌های خود که یک PLC تنها و فقط منبع تغذیه و رک شروع کنیم.

رک قسمتی از PLC است که همه چیز را در کنار هم نگه می‌دارد. بسته به نیاز سیستم کنترل می‌توان آن را در اندازه‌های مختلف سفارش داد تا ماژول های بیشتری را در خود جای دهد. مانند ستون فقرات انسان، رک  دارای یک پنل است که در پشت قرار دارد و باعث می‌شود کارت‌ها با پردازنده ارتباط برقرار کنند. منبع تغذیه PLC به رک متصل می‌شود. محبوب ترین منبع تغذیه با منابع 120 VAC یا 24 VDC هستند.

پردازنده یا CPU

مغز کل PLC ماژول CPU است. این ماژول معمولاً در کنار منبع تغذیه قرار دارد. تولیدکنندگان، انواع مختلف CPU را براساس پیچیدگی مورد نیاز سیستم ارائه می‌دهند. پردازنده مرکزی از یک ریز پردازنده، تراشه حافظه و سایر مدارهای مجتمع برای کنترل لجیک، مانیتورینگ و ارتباطات تشکیل شده است. CPU حالت‌های مختلف عملیاتی دارد. در حالت برنامه نویسی منطق دریافت شده را از طریق رایانه را می‌پذیرد. سپس CPU در حالت ران قرار می گیرد تا بتواند برنامه را اجرا کرده و روند عملیات را پیش ببرد(مثلاً خاموش کردن موتور، باز کردن شیر و غیره).

از آنجا که PLC یک کنترل کننده اختصاصی است، فقط یک برنامه را بارها و بارها پردازش می‌کند. یک چرخه از طریق برنامه زمان اسکن را فراخوانی می‌کند و شامل خواندن ورودی‌های ماژول‌های دیگر، اجرای منطق بر اساس این ورودی‌ها و سپس به روز رسانی خروجی‌ها است. زمان اسکن خیلی سریع اتفاق می‌افتد (در محدوده 1000/1 ثانیه). حافظه در CPU ضمن حفظ وضعیت I / O و فراهم کردن ابزاری برای ذخیره مقادیر، برنامه را ذخیره می‌کند.

ورودی‌ها و خروجی‌ها

ورودی‌ها و خروجی‌های PLC  اغلب با صورت I / O  نمایش داده می‌شوند. در مثالی مانند ماشین لباسشویی هر ورودی و خروجی می‌تواند به عنوان یک سیگنال گسسته یا دیجیتال باشد. سیگنال‌های گسسته سیگنال‌هایی هستند که فقط می‌توانند روشن یا خاموش باشند. اینها ساده‌ترین و رایج‌ترین نوع I / O هستند. با استفاده از سیگنال‌های آنالوگ، به جای فقط قابلیت روشن / خاموش یا باز / بسته، ممکن است 0 – 100٪ ، 4 – 20mA ، 0 تا  100درجه سانتیگراد یا هر آیتمی که اندازه گیری می‌کنید را به عنوان ورودی یا خروجی داشته باشید.

سیستم ورودی/ خروجی چگونه کار می‌کنند

سیستم I / O یا سیستم ورودی خروجی ارتباط فیزیکی بین تجهیزات ارائه دهنده‌ اطلاعات (ورودی‌ها) و دستگاه‌های قابل کنترل (خروجی) و PLC را برقرار می‌کند. انواع مختلفی از کارت‌های ورودی / خروجی وجود دارد که نوع ورودی یا خروجی را شرطی تنظیم می‌کند تا پردازنده بتواند از آن برای منطق استفاده کند. این مسئله صرفاً تعیین کننده مقدار ورودی و خروجی مورد نیاز، پر کردن رک با کارت‌های مناسب و سپس آدرس‌دهی صحیح آنها در برنامه CPU است. در عملکرد همه PLC چهار مرحله اساسی وجود دارد، اسکن ورودی، اسکن برنامه، اسکن خروجی و مدیریت. این مراحل بطور مداوم در یک حلقه تکرار می‌شوند.

اسکن ورودی : وضعیت تمام دستگاه‌های ورودی که به PLC متصل هستند را تشخیص می‌دهد

اسکن برنامه: منطق برنامه ایجاد شده توسط کاربر را اجرا می‌کند

اسکن خروجی: تمام دستگاه‌های خروجی متصل به PLC را فعال یا غیر فعال می‌کند

مدیریت: شامل برقراری ارتباط با دستگاه‌های برنامه نویسی و عیب‌یابی داخلی است.

ورودی‌ها

دستگاه‌های ورودی می‌توانند از دستگاه‌های دیجیتال یا آنالوگ تشکیل شده باشند. کارت ورودی دیجیتال دستگاه‌های گسسته‌ را کنترل می‌کند که سیگنالی را روشن یا خاموش می‌کند مانند دکمه، سوئیچ محدود کننده، سنسورها یا سوئیچ‌های انتخابی. کارت ورودی آنالوگ ولتاژ یا جریان را (به عنوان مثال سیگنالی که می‌تواند از 0 تا 20 میلی آمپر باشد) به یک عدد معادل دیجیتال قابل فهم برای پردازنده تبدیل می‌کند. به عنوان نمونه مبدل‌های فشار، جریان سنج‌ها و ترموکوپل‌ها برای اندازه گیری دما را می‌توان به عنوان دستگاه‌های آنالوگ نام برد.

خروجی‌ها

دستگاه‌های خروجی نیز می‌توانند از انواع دیجیتال یا آنالوگ تشکیل شده باشند. کارت خروجی دیجیتال وسایلی  مانند چراغ‌ها، LEDها، موتورهای کوچک و رله‌ها را روشن یا خاموش می‌کند. کارت خروجی آنالوگ یک عدد دیجیتالی ارسال شده توسط CPU را به ولتاژ یا جریان تبدیل می‌کند. سیگنال‌‌های خروجی معمول می‌توانند از 0-10 VDC یا 4-20mA باشند و برای هدایت کنترل کننده‌های جریان جرم ، تنظیم کننده‌های فشار و کنترل کننده‌های موقعیت استفاده می‌شوند.

PLCهای معمولی دارای طیف گسترده‌ای از ماژول‌های ورودی / خروجی هستند تا انواع سنسورها و دستگاه‌های خروجی را در خود جای دهند. به عنوان مثال، از ماژول های ورودی گسسته می‌توان برای تشخیص وجود شی یا کارهایی که دستگاه‌هایی مانند حسگرهای فوتوالکتریک، کلیدهای محدودیت و دکمه‌ها انجام می‌دهند، استفاده کرد. ماژول‌های خروجی گسسته می‌توانند عملیات روشن / خاموش کردن موتورها، چراغ ها و شیرهای برقی را کنترل کنند. همچنین ماژول‌های ورودی آنالوگ می‌توانند سیگنال‌های حاصل از ابزارهای دقیق فرآیندهایی مانند فرستنده‌های جریان، فشار، دما و سطح را دریافت کنند. این ماژول‌ها می‌توانند سیگنال را تفسیر کرده و مقداری را در محدوده تعیین شده توسط مشخصات الکتریکی دستگاه ارائه دهند.

خروجی‌های آنالوگ به قسمت‌هایی که به سیگنال کنترل متفاوتی نیاز دارند، مانند پنل متر، درایوهای فرکانس متغیر یا دریچه‌های جریان آنالوگ، فرمان می‌دهند. بسیاری از PLC ها ماژول های تخصصی مانند ورودی و خروجی پرسرعت یا کنترل حرکتی و ارتباطات سریال یا اترنت را نیز ارائه می‌دهند.

یک چرخه اسکن PLC معمول شامل مراحل زیر است:

سیستم عامل چرخه را شروع کرده و بر زمان نظارت می‌کند.

CPU شروع به خواندن داده ها از ماژول ورودی کرده و وضعیت همه ورودی ها را بررسی می کند.

پردازنده شروع به اجرای برنامه کاربردی می‌کند که با زبان منطق نردبان رله یا هر زبان برنامه نویسی دیگر PLC نوشته شده است.

در مرحله بعدی، پردازنده مرکزی تشخیص داخلی و ارتباطی را انجام می‌دهد.

با توجه به نتایج برنامه، داده ها را در ماژول خروجی می نویسد تا تمام خروجی‌ها به روز رسانی شوند.

این روند تا زمانی که PLC در حالت اجرا باشد ادامه دارد.

تمام وضعیت ورودی و خروجی باید در بخش حافظه PLC ذخیره شود. بخش حافظه همچنین اطلاعات پیچیده مانند پاسخ محاسبه ریاضی، مقیاس‌گذاری ورودی‌های آنالوگ و سایر اطلاعات پیچیده را نیز ذخیره می‌کند.

مهم نیست که چند ورودی و خروجی اضافه کنید ، هر PLC همه مراحل  را انجام می‌دهد.

چرخه اسکن و زمان اسکن چیست؟

هر PLC دارای زمان اسکن و چرخه اسکن است. این کار سرعت PLC را در نظر می‌گیرد. چرخه اسکن چرخه‌ای است که PLC در آن ورودی‌ها را حس دریافت می‌کند، برنامه‌های PLC را اجرا می‌کند و سپس خروجی ها را به روز رسانی می‌کند. این مقدار مدتی معمولاً در حدود میلی ثانیه طول می‌کشد. به مدت زمانی که PLC برای تکمیل یک چرخه کامل نیاز دارد، زمان اسکن PLC گفته می شود.

چگونه برای یک PLC برنامه بنویسم؟

امروزه برای برنامه‌ریزی PLC از یک کامپیوتر شخصی با نرم افزار اختصاصی PLC استفاده می‌شود. این برنامه در CPU ذخیره می‌شود. برنامه با استفاده از زبانی نوشته می‌شود که زبان برنامه نویسی نامیده می‌شود. این زبان‌های برنامه نویسی شامل موارد زیر می‌باشند:

نمودار نردبان یا Ladder Diagram  (LD)

زبان برنامه نویسی Instruction List

زبان برنامه نویسی Structured Text

زبان برنامه نویسی Function Block Diagram

زبان برنامه نویسی Sequential Function Charts

از بین همه این زبان‌ها پرکاربردتری شکل برنامه‌نویسی، نردبان منطقی یا نمودار نردبان است که به دلیل فهم آسان در صنعت اتوماسیون بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. منطق نردبان به جای کلمات، از نمادها برای شبیه سازی از کنترل منطق رله واقعی استفاده می کند. این نمادها توسط خطوط به هم متصل می شوند تا جریان را مانند تماس و سیم پیچ از طریق رله نشان دهند. با گذشت سال ها تعداد نمادها افزایش یافته است تا سطح بالایی از عملکرد را بتواند ارائه دهد.

برنامه تکمیل شده مانند یک نردبان به نظر می رسد اما در واقع نشان دهنده یک مدار الکتریکی است. ریل‌های چپ و راست نشانگر مثبت بودن و منبع تغذیه است. پله‌ها سیم‌کشی بین اجزای مختلف را نشان می دهند که در مورد PLC همه در CPU وجود دارند. بنابراین اگر بتوانید نحوه کار مدارهای الکتریکی اساسی را درک کنید، می‌توانید منطق نردبان را نیز درک کنید.

دستگاه‌های برنامه نویسی PLC

انواع مختلفی از دستگاه‌های برنامه نویسی برای ورود، اصلاح و عیب‌یابی یک برنامه PLC استفاده می‌شود. این دستگاه‌های ترمینال برنامه نویسی شامل دستگاه‌های دستی و رایانه‌ای هستند. در روش دستگاه برنامه نویسی دستی، یک دستگاه اختصاصی از طریق کابل اتصال به PLC متصل می‌شود. این دستگاه از مجموعه‌ای از کلیدها تشکیل شده است که امکان وارد کردن، ویرایش و ریختن کد را در PLC فراهم می‌کند. این دستگاه‌های دستی برنامه‌ نویسی از صفحه نمایش کوچکی تشکیل شده‌اند تا دستورالعمل‌های برنامه‌ریزی شده را نمایش دهند. این دستگاه ها جمع و جور هستند و استفاده از آنها آسان است، اما این دستگاه‌هادارای قابلیت‌های محدودی هستند.

در بیشتر موارد از رایانه شخصی برای برنامه نویسی PLC همراه با نرم‌افزار ارائه شده توسط سازنده استفاده می‌شود. با استفاده از این رایانه می‌توانیم برنامه را به صورت آنلاین یا آفلاین اجرا کنیم و همچنین می‌توانیم برنامه PLC را ویرایش، نظارت، تشخیص و عیب یابی کنیم. نحوه انتقال برنامه به PLC بدین صورت است که رایانه شامل کد برنامه مربوط به برنامه کنترل است که از طریق cab برنامه نویسی به پردازنده PLC منتقل می‌شود

انواع PLC

از نظر سخت افزار فیزیکی عمدتا دو نوع PLC وجود دارد:

PLC کامپکت یا جمع و جور یا PLC ثابت

PLC مدولار

PLC کامپکت چیست؟

این نوع PLC دارای تعداد ثابت ماژول‌های ورودی / خروجی است. منبع تغذیه، پردازنده و کارت ارتباطات در یک واحد قرار دارند.

PLC مدولار چیست؟

خود این نام نشان می‌دهد که این نوع PLC از ماژول‌های مختلفی تشکیل شده است. ماژول های ورودی و خروجی با افزودن ماژول به راحتی قابل توسعه هستند. همه ماژول ها در رک نصب شده‌اند، به همین دلیل به آن PLC سوار بر رک نیز گفته می‌شود.

بطور کلی،  PLC در واقع چه کارهایی می‌تواند انجام دهند؟

PLC می‌تواند وظایف سوئیچینگ رله را انجام دهد.

شمارش، محاسبه و مقایسه مقادیر فرآیند آنالوگ را انجام می‌دهد.

PLCها نرم افزار انعطاف‌پذیری را برای اصلاح منطق کنترل در کوتاهترین زمان را ارائه می‌دهند.

PLC در کسری از ثانیه به تغییرات پارامترهای یک فرآیند پاسخ می‌دهد.

PLC قابلیت اطمینان سیستم کنترل کلی را بهبود می بخشد.

برای کنترل سیستم‌های پیچیده مقرون به صرفه است.

مشکلات بوجود آمده را ساده‌تر و با سرعت بیشتری مدیریت می‌کند.

می‌تواند با کمک  HMI(رابط انسان و ماشین) کار کند

موارد بسیار دیگری وجود دارد که یک PLC کوچک می‌تواند انجام دهد، اما یک چیز مطمئن هستم این است که PLCها در بسیاری از برنامه‌های کاربردی صنعت و پروژه‌های کنترل غیر قابل جایگزینی هستند.

مزایا و معایب PLC

قبل از معرفی PLC، از یک رله برای کنترل فرایندها استفاده می‌شد. این پانل کنترل رله به تعمیر و نگهداری منظم نیاز داشت، انرژی بسیار بیشتری مصرف می‌کرد و حتی در زمان عیب‌یابی برای یافتن مشکل به تلاش زیادی نیاز داشت زیرا حاوی سیم‌های زیادی بود بنابریان کشف عیوب آن زمان زیادی لازم داشت.

برخی از مزایای PLC نسبت به سیستم کنترل رله به شرح زیر است:

نصب و نگهداری سیستم PLC راحت‌تر است (در مقایسه با سیستم کنترل رله سیم کمتری در این سیستم وجود دارد).

برنامه‌ریزی و اصلاح منطق بصورت آفلاین و همچنین بصورت آنلاین آسان است (خوشبختانه در هنگام اصلاح یک فرآیند نیازی به تغییر سیم‌کشی سیستم PLC نیست).

سیستم PLC به تعمیر و نگهداری ناچیز نیاز دارد (فقط رایانه ای برای بارگذاری / دانلود برنامه وجود دارد )

عیب‌یابی آسان، در زمان عیب‌یابی زمان زیادی را صرفه جویی می‌کند (عیب‌یابی در این سیستم با نظارت بر وضعیت برنامه از طریق نرم افزار برنامه نویسی بسیار آسان است).

PLC زمان عملیاتی معمولاً بر حسب میلی ثانیه دارد.

از جمله معایب PLC‌ می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

محدودیت‌های کار با PLC در دمای بالا، شرایط لرزش وجود دارد.

هزینه اولیه بالا (هنگام استفاده در سیستم‌های صنعتی که نیازی به تغییر سیم کشی ندارند، PLC ضروری نیست.)

کاربرد PLC

PLC به دلیل ماهیت منعطف و قابل اطمینان، تقریباً در همه انواع صنایع کاربرد گسترده‌ای دارد. در اینجا چند نمونه ذکر شده است که در آن‌ها می توانید PLC را به راحتی پیدا کنید

کنترل سطح آب در یک مخزن

سیستم شستشوی اتوماتیک اتومبیل

سیستم کنترل ترافیک

سیستم ساختمان

سیستم آسانسور

دربهای اتوماتیک

ترن هوایی قطار هوایی

کاربردهای صنعتی

کنترل خودکار سیستم کمپرسور هوا

پر کردن بطری و مایعات

کنترل خودکار دما

سیستم نوار نقاله تسمه‌ای و کاربردهای بسیار زیاد دیگر.

بزرگترین مزیت اتوماسیون با کنترل‌کننده منطقی قابل برنامه‌ریزی، توانایی تکرار یا تغییر عملیات یا فرآیند، هنگام جمع‌آوری و انتقال اطلاعات حیاتی است. کسانی که تصمیم به خرید PLC دارند، اغلب  نیازها و انتظارات  بسیار متفاوتی دارند. هزینه، قدرت، سرعت و ارتباطات مواردی هستند که باید با توجه به نیاز کارخانجات و ماشین‌آلات مورد نیاز فرد هنگام انتخاب PLC مناسب برای شروع عملیات اتوماسیون انتخاب شوند.

مجتمع فن و کار برگزار کننده دوره های آموزشی از جمله آموزش plc می باشد. برای اطلاع از نحوه برگزاری دوره ها با کارشناسان ما تماس بگیرید.