PLC چیست

با ما همراه باشید تا درک کنیم PLC چیست ؟

کنترلرهای منطقی قابل برنامه‌ریزی (PLCs): مبنا، انواع و کاربرد

در این مقاله سعی شده‌است که شما را با ساختار plc وماژول‌ها و سخت‌افزار‌های آن به همراه چند مثال کاربردی برنامه نویسی آشنا کنیم.

فهرست

• 1- PLC چیست؟
• 2- مبنای PLC
• 3- PLC چگونه کار‌می‌کند؟
• 4- ساختار فیزیکی PLC
• 5- رک یا شاسی
• 6- ماژول منبع تغذیه
• 7- ماژول CPU و حافظه
• 8- ماژول ورودی و خروجی
• 9- ماژول واسط ارتباطی
• 10- انواع PLC
• 11- PLC کامپکت
• 12- PLC ماژولار
• 13- کاربردهای PLC
• 14- برنامه‌ریزی PLC
• 15- منطق نردبانی
• 16- بلوک دیاگرام عملکردی
• 17- برنامه‌ریزی ساختاریافته متنی
• 18- مثال‌های برنامه‌نویسی PLC

PLC چیست؟

کلمه PLC مخفف «کنترلر منطقی قابل برنامه‌نویسی(Programmable Logic Controller)»‌است. PLC کامپیوتری است‌که بطور خاص برای عملکرد ایمن در محیط‌های صنعتی سخت – مانند دمای شدید، مرطوب، خشک و / یا با گرد و غبار طراحی شده‌است و از آن برای اتوماسیون فرایندهای صنعتی مانند خط مونتاژ تولید، کارخانه فرآوری سنگ معدن یا تصفیه خانه فاضلاب استفاده می‌شود.

مقاله مرتبط:

سیستم اسکادا (SCADA System) چیست و چه کاربرد هایی دارد

PLC‌ها بسیاری از ویژگی‌های رایانه شخصی را دارند. هردو دارای منبع تغذیه، واحد پردازش مرکزی( CPU)، ورودی ها و خروجی ها (I / O)، حافظه و نرم‌افزار عملیاتی هستند (اگرچه  این نرم‌افزار یک نرم‌افزار متفاوت‌است). بزرگترین تفاوت‌ها این‌است که PLC  می‌تواند عملکردهای گسسته و پیوسته‌ای را انجام دهد که یک کامپیوتر نمی‌تواند انجام دهد، و همچنین برای محیط های صنعتی خشن بسیار مناسب تر است. PLC  را می‌توان به عنوان یک کامپیوتر دیجیتالی پرقدرت تصور کرد که فرآیندهای الکترومکانیکی یک محیط صنعتی را مدیریت می‌کند.

PLC‌ها با استفاده از تشکیل بخشی از سیستم SCADA بزرگتر،. در زمینه اتوماسیون نقش اساسی دارند که با توجه به نیاز عملیاتی فرایند می‌تواند برنامه‌ریزی شود. در صنعت تولید به دلیل تغییر ماهیت تولید نیاز به برنامه‌ریزی مجدد خواهد بود. برای غلبه بر این مشکل، سیستم های کنترل مبتنی بر PLC معرفی شدند. در اینجا قبل از اینکه به برنامه‌های مختلف PLC بپردازیم، در مورد اصول اولیه PLC بحث خواهد شد.

ویدئو مرتبط : قطعات و مشخصات یک تابلو کنترلی PLC

مبنای PLC

PLC توسط دیک مورلی در سال 1964 اختراع شد. از آن زمان PLC منجر به ایجاد انقلاب در بخش‌های صنعتی و تولیدی گردید. طیف گسترده‌ای از عملکرد PLC مانند زمان بندی، شمارش، محاسبه، مقایسه و پردازش سیگنال های مختلف آنالوگ وجود دارد. مهم‌ترین مزیت PLC نسبت به سیستم کنترل سخت سیم‌بندی شده‌این‌است که می‌توان پس از برنامه‌ریزی، با کمترین هزینه (فقط هزینه زمان برنامه نویسی وجود دارد)، دوباره به PLC برگشت وآن را تغییر داد. در یک سیستم کنترل دارای سیم‌بندی سخت(سیستم متداول با رله و تایمر و کنتاتور)، نیاز‌است که سیم‌ها برش داده‌شود و از ابتدا شروع نمود (که گران‌تر‌است و مدت زمان خیلی بیشتری طول می‌کشد). برای درک بهتر این مزیت به این مثال توجه کنید.

تصور کنید که یک چراغ متصل به یک سوئیچ دارید. به طور کلی، نور تحت دو شرط کار می‌کند – روشن و خاموش. اکنون به شما وظیفه‌ای داده‌شده که وقتی سوئیچ را روشن می‌کنید، نور باید بعد از 30 ثانیه روشن شود. با این راه اندازی به صورت سیم‌بندی سخت دچار مشکل شده‌ایم. تنها راه برای دستیابی به این هدف، سیم‌بندی دوباره مدار برای اضافه کردن رله زمان‌بندی‌است که دردسر زیادی برای ایجاد یک تغییر جزئی به حساب می‌آید.

اینجاست که PLC به ذهن می‌آید که  نیازی به سیم‌کشی و سخت‌افزار اضافی جهت ایجاد تغییر لازم را ندارد. در عوض به تغییر ساده در کدها نیاز دارد، برنامه نویسی PLC می‌تواند تنها 30 ثانیه پس از روشن‌شدن سوئیچ، چراغ را روشن کند. بنابراین، با استفاده‌از PLC می‌توان چندین ورودی و خروجی را بهم مرتبط نمود. این فقط یک مثال ساده‌است و PLC توانایی کنترل فرآیندهای بسیار بزرگتر و پیچیده تر را دارد.PLC  بسته به برنامه و نیازهای کاربر قابل تنظیم‌است.

PLC چگونه کار می‌کند؟

کار با یک PLC را می‌توان به راحتی به عنوان یک روش اسکن چرخشی که به عنوان چرخه اسکن شناخته‌می‌شود، دریافت.

بلوک دیاگرام چگونگی کارکرد PLC

پردازش اسکن PLC شامل مراحل زیر‌است:

• سیستم عملیاتی سیکل(دوره یا چرخه) و نظارت بر زمان را آغاز‌می‌کند
• CPU خواندن داده‌ها از ماژول ورودی را شروع‌می‌کند و وضعیت ورودی‌ها را چک‌می‌کند.
• CPU اجرای برنامه کاربر یا کاربردی را که به زبان برنامه‌نویسی رله – نردبانی یا زبان دیگر نوشته شده را آغاز‌می‌کند.
• سپس، CPU تمامی وظایف ارتباطی و تشخیص داخلی را برنامه‌ریزی‌می‌کند
• بر اساس نتایج برنامه، داده‌ها را در ماژول خروجی می‌نویسد طوریکه کلیه خروجی‌ها بروزرسانی می‌شوند.
• این روند تا زمانیکه PLC در مد اجراست ادامه می‌یابد

ساختار فیزیکی PLC

ساختار فیزیکی PLC تقریبا مشابه معماری کامپیوتر‌است.

کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی به طور مداوم مقادیر ورودی را از دستگاه‌های مختلف سنجش ورودی (به عنوان مثال شتاب سنج، مقیاس وزن، سیگنال‌های سخت سیم‌بندی‌شده و …) کنترل می‌کند و بسته به ماهیت تولید و صنعت، خروجی مربوطه را تولید می‌کند. بلوک دیاگرام PLC شامل پنج بخش به صورت زیر‌است:

• رک یا شاسی
• ماژول منبع تغذیه
• واحد پردازنده مرکزی (CPU)
• ماژول ورودی و خروجی
• ماژول واسط ارتباطی

رک یا شاسی

در کلیه سیستم‌های PLC، رک یا شاسی PLC مهم‌ترین ماژول را تشکیل‌داده و به عنوان اسکلت سیستم عمل می‌کند.PLC ها در شکل‌ها و اندازه‌های مختلف در دسترس هستند. هنگامی که سیستم‌های کنترلی پیچیده‌تر هستند، PLC به رک‌های بزرگتری نیاز دارد PLC‌های کوچک مجهز به پیکربندی ثابت پین I / O‌است، بنابراین به سراغ رک نوع ماژولار رفته که انواع مختلفی از ماژول‌های I / O را متناسب با مفهوم می‌پذیرد. تمام ماژول های I / O در داخل این قفسه / شاسی قرار دارند.

ماژول منبع تغذیه

از این ماژول برای تأمین توان مورد نیاز کل سیستم PLC استفاده‌می‌شود که توان AC موجود را به توان DC که مورد نیاز CPU و ماژول I / O است تبدیل‌می‌کند. PLC به طور کلی با تغذیه 24 ولت DC کار می‌کند و تعداد کمی PLC از منبع تغذیه جداگانه استفاده‌می‌شود.

ماژول CPU و حافظه

ماژول CPU دارای یک پردازنده مرکزی، حافظه ROM و RAM‌است. حافظه ROM شامل سیستم عامل، درایور و برنامه کاربردی‌است. از حافظه RAM برای ذخیره برنامه‌ها و داده‌ها استفاده‌می‌شود. CPU مغز PLC با ریزپردازنده هشت هشتی یا شانزده شانزدهی‌است. CPU مبتنی بر ریز پردازنده، جایگزین تایمر، رله و شمارنده‌می‌شود. دو نوع پردازنده به صورت تک بیتی یا کلمه‌ای می‌توانند با یک PLC ترکیب شوند.

از پردازنده یک بیتی برای انجام توابع منطقی استفاده می‌شود، در حالی که پردازنده‌های کلمه‌ای برای پردازش متن، داده های عددی، کنترل و ثبت داده‌ها استفاده‌می‌شوند. CPU  داده های ورودی را از حسگرها می خواند، آن را پردازش می‌کند و سرانجام دستور را برای دستگاههای کنترلی ارسال می‌کند. همانطور که در بحث قبلی ذکر شد، منبع تغذیه DC، تامین‌کننده سیگنال ولتاژ مورد نیاز‌است. CPU همچنین شامل قطعات الکتریکی دیگری برای اتصال کابلهای مورد‌استفاده توسط واحدهای دیگر‌است.

ماژول‌های ورودی و خروجی

آیا تاکنون به این فکر کرده اید که چگونه پارامترهای فیزیکی مانند دما، فشار، جریان و غیره را حس کنید؟ با استفاده‌از PLC؟ البته PLC یک ماژول اختصاصی برای ارتباط ورودی و خروجی دارد که به آن ماژول ورودی و خروجی گفته‌می‌شود. دستگاه‌های ورودی می‌توانند دکمه‌های فشاری استارت و استپ، سوئیچ ها و … باشند، و دستگاه‌های خروجی می‌توانند هیتر برقی، دریچه، رله و غیره باشند. ماژول I / O به ارتباط دستگاههای ورودی و خروجی با ریزپردازنده کمک می‌کند. در شکل زیر ماژول ورودی PLC توضیح داده شده‌است.

 

ماژول ورودی PLC چهار وظیفه اصلی دارد:

1. رابط ماژول ورودی سیگنال را از تجهیزات پردازشگر در 220 ولت AC دریافت‌می‌کند.
2. سیگنال ورودی به 5 ولت DC تبدیل می‌شود تا توسط PLC قابل استفاده‌باشد
3. بلوک جداکننده برای جداسازی یا جلوگیری از وقوع اختلال در PLC مورد‌استفاده قرار‌می‌گیرد.
4. پس از آن سیگنال به انتهای خروجی PLC ارسال می‌گردد.

دو بخش اصلی در ماژول ورودی یعنی بخش تغذیه و بخش منطقی وجود دارد. هر دو بخش به صورت الکتریکی از یکدیگر جدا شده‌اند. در ابتدا دکمه فشاری بسته‌است. بنابراین، از طریق مقاومتهای R1 و R2، جریان برق 220 ولت به مدار پل داده‌می‌شود. یکسو‌کننده پل برای تبدیل سیگنال AC به DC استفاده‌می‌شود و دیود زنر برای تأمین ولتاژ فشار ضعیف به LED استفاده‌می‌شود. هنگامی که نور ناشی از چراغ LED بر روی ترانزیستور نوری می‌افتد، در ناحیه هدایت کار می‌کند. سرانجام، منبع تغذیه 5 ولت DC به پردازنده داده‌می‌شود. ماژول خروجی PLC مشابه ماژول ورودی اما بطور معکوس کار می‌کند طوریکه رابط بین بار خروجی و پردازنده‌است. بنابراین در اینجا بخش اول شامل واحد منطقی خواهد‌بود و بعد از آن به بخش تغذیه پرداخته‌خواهد‌شد. کارکرد ماژول خروجی در شکل زیر نشان داده‌شده‌است.

ماژول خروجی PLC

بنابراین، در اینجا هنگامی که سیگنال منطقی بالایی از پردازنده حاصل می‌شود،LED  روشن می‌شود و اجازه می‌دهد تا نور روی یک ترانزیستور نوری بیفتد.  هنگامی که ترانزیستور به ناحیه رسانا می رود، یک پالس به سمت گیت ترایاک تولید‌می‌کند. بلوک جداکننده برای جداسازی بخش منطقی و بخش کنترل استفاده‌می‌شود.

ماژول واسط ارتباطی

برای انتقال اطلاعات بین پردازنده و شبکه ارتباطی، از ماژول های I / O هوشمند استفاده می‌شود. این ماژول‌های ارتباطی به ارتباط با دیگر PLC ها و رایانه هایی که در یک مکان دور قرار دارند، کمک می‌کند.

انواع PLC

دو نوع اصلی PLC عبارتند از PLC ثابت یا کامپکت و PLC ماژولار.

PLC کامپکت

در یک حالت مجزا، ماژول‌های زیادی وجود خواهد‌داشت که دارای تعداد ثابت ماژولهای I / O و کارتهای I / O خارجی‌است. بنابراین، قابلیت گسترش ماژول ها وجود ندارد. هر ورودی و خروجی توسط سازنده انتخاب می‌شود.

PLC ماژولار

این نوع PLC را می‌توان از طریق ماژول‌ها گسترش داد، از اینرو به آن PLC ماژولار گفته می‌شود. همچنین اجزای I/O را می‌توان افزایش داد. استفاده‌از این نوع PLC راحت‌تر‌است زیرا هر جز مستقل از دیگری‌است.

PLC بر اساس خروجی به سه نوع PLC با خروجی رله، خروجی ترانزیستور و خروجی ترایاک(Triac)تقسیم‌بندی می‌شود. نوع خروجی رله مناسب‌ترین حالت برای تجهیزات با خروجی AC و DC است. PLC با نوع خروجی ترانزیستوری از عمکرد کلیدزنی استفاده می‌کند و در داخل ریزپردازنده‌ها مورد‌استفاده‌ها قرار می‌گیرد.

بر اساس اندازه نیز PLC ها به انواع مینی، میکرو و نانو تقسیم‌بندی می‌شوند.

برخی از سازندگان PLCها عبارتند از:

• آلن بردلی
• ABB
• زیمنس
• میتسوبیشی PLC
• هیتاچی PLC
• دلتا PLC
• جنرال الکتریک
• هانی ول PLC

کاربردهای PLC

PLCها دارای کاربردهای زیادی هستند که عبارتند از:

1. دستگاه‌های اتوماسیون فرآیند (معدن، نفت و گاز)
2. صنعت شیشه
3. صنعت کاغذ
4. تولید سیمان
5. در نیروگاه‌های بخار – حرارتی

برنامه‌ریزی PLC

بهنگام استفاده از PLC طراحی و اجرا بر اساس موارد‌استفاده انجام می‌گیرد. بدین منظور ابتدا لازم‌است اطلاعات بیشتری در مورد برنامه‌نویسی PLC داشته‌باشیم. یک برنامه PLC شامل مجموعه‌ای از دستورالعمل‌ها به شکل متنی یا گرافیکی‌است که نشان‌دهنده منطق حاکم بر فرآیند کنترل PLC‌است. به طور کلی دو دسته زبان برنامه‌نویسی برای PLC وجود دارد که هر کدام زیر بخش‌های دیگر تقسیم می‌شوند.

1. زبان متنی

• لیست دستورات
• متن ساختاریافته

2. شکل گرافیکی

• دیاگرام نردبانی Ladder Diagram (LD)
• دیاگرام بلوک عملکردی Function Block Diagram (FBD)
• جدول تابع متوالی Sequential Function Chart (SFC)

با توجه به ویژگی‌های ساده و راحت، نمایش گرافیکی بر زبان‌های متنی ارجحیت دارد.

منطق نردبانی

متطق نردبانی ساده‌ترین شکل برنامه‌نویسی PLC است که منطق رله‌ای نیز نامیده‌می‌شود. کنتاکت‌های رله مورد‌استفاده در سیستم‌های کنترل‌شونده با رله با استفاده‌از منطق نردبانی نشان داده‌می‌شود.

شکل زیر مثالی ساده از دیاگرام نردبانی را نشان می‌دهد.

در مثال ارائه‌شده در بالا، دو دکمه فشاری برای کنترل یک لامپ مورد‌استفاده قرار می‌گیرد. زمانیکه هر کدام از این کلیدها بسته‌شد، لامپ روشن خواهد‌شد. دو خط افقی پله نردبان و دو خط عمودی ریل نامیده‌می‌شوند. هر پله رسانایی الکتریکی بین ریل مثبت و ریل منفی را تشکیل می‌دهد و به جریان اجازه می‌دهد تا بین دستگاه‌های ورودی و خروجی جاری گردد.

دیاگرام بلوک عملکردی

دیاگرام بلوک عملکردی (FBD) روشی ساده و گرافیکی برای برنامه ریزی عملکردهای متعدد در PLC است.   PLCOpen  با استفاده از FBD در استاندارد IEC 61131 3 توصیف شده‌است. بلوک عملکرد یک واحد دستورالعمل برنامه‌ای‌است که هنگام اجرا، یک یا چند مقدار خروجی را به دست می‌آورد که مطابق شکل زیر توسط یک بلوک نشان داده‌شده‌است طوریکه به صورت بلوک مستطیل شکل با ورودی هایی که در سمت چپ و خطوط خروجی در سمت راست قرار دارند، نمایش داده‌می‌شود و رابطه‌ی بین حالت ورودی و خروجی را برقرار‌می‌کند.

مزیت استفاده از FBD آن‌است که هر تعداد ورودی و خروجی را می‌توان در بلوک عملکردی مورد‌استفاده قرار داد. هنگام استفاده از ورودی و خروجی‌های متعدد، می‌توان خروجی یک بلوک عملکردی را به ورودی دیگری متصل نمود و یک نمودار بلوک عملکردی ایجاد کرد.

شکل زیر بلوک‌های عملکردی مختلف مورد‌استفاده در برنامه‌نویسی FBD را نشان می‌هد.

در شکل زیر دیاگرام نردبانی و بلوک عملکردی معادل آن در نمادگذاری زیمنس نشان داد‌ه‌شده‌است.

برنامه‌نویسی متنی ساختاریافته

متن ساختاریافته یک زبان برنامه نویسی متنی‌است که از عبارات استفاده‌می‌کند تا تعیین کند که چه چیزی باید اجرا گردد که از بیستر پروتکل‌های معمولی برنامه نویسی تبعیت‌می‌کند. یک رشته از عبارات (منطق) شامل بیان وظایف و روابط بین آنها با استفاده‌از چندین عملگر می‌باشد که در زیر آورده‌شده‌است.

مثال‌هایی از برنامه‌نویسی PLC

اگر پمپ در حال کار باشد و فشار رضایت بخش باشد، یا اگر کلید تست لامپ بسته باشد، لامپ سیگنال باید روشن شود. در این برنامه در صورت وجود خروجی لامپ، ورودی از پمپ و سنسور فشار لازم‌است. بنابراین، از منطق AND استفاده‌می‌شود. از منطق OR در شرایط تست ورودی استفاده‌می‌شود که باید صرف نظر از اینکه سیگنالی از سیستم AND وجود دارد یا خیر به خروجی لامپ داده‌شود. در دیاگرام نردبانی با استفاده‌از دستورالعمل END یا RET ، می‌توان گفت PLC به انتهای برنامه رسیده‌است. نمودار بلوک عملکرد و نمودار نردبانی در شکل‌زیر نشان داده‌شده‌است.

به عنوان مثالی دیگر، دریچه‌ای را در نظر بگیرید که باید برای بلند کردن یک بار عمل نماید هنگامی که پمپ کار‌می‌کند و کلید بالابر عمل‌می‌کند یا کلیدی عمل‌می‌کند که نشان می‌دهد بار از قبل برداشته نشده‌است و در انتهای کانال بالابر آن قرار دارد. در این حالت از منطق OR برای دو کلید و منطق AND با دو کلید و پمپ استفاده‌می‌شود. شیر تنها در صورت فعال بودن پمپ و دو سوئیچ کار‌می‌کند.

یک دستگاه نوشیدنی را در نظر بگیرید که امکان انتخاب چای یا قهوه، شیر یا بدون شیر، شکر یا بدون شکر را فراهم‌می‌کند و نوشیدنی گرم مورد نیاز را با قراردادن سکه تأمین‌می‌کند. از شکل‌زیر مشاهده‌می‌شود که چای یا قهوه با استفاده‌از اولین گیت منطقی OR انتخاب‌می‌شود. اولین گیت AND هنگام انتخاب چای یا قهوه و قرار‌دادن سکه در دستگاه وارد می‌شود. خروجی این گیت AND به گیت AND دوم داده می‌شود. گیت دوم AND فقط هنگامی استفاده‌می‌شود که آب گرم با چای ترکیب شود. شیر و شکر افزودنی‌های اختیاری هستند که می‌توانند پس از درج سکه ایجاد شوند.

 

لینک زبان اصلی مقاله:

Programmable Logic Controllers (PLCs): Basics, Types & Applications