تعریف کلی سیستم های PLC
سیستم plc برای نخستین بار توسط دیک مورلی در سال 1964 اختراع شد و آلمانی ها در سال 1973 آن را وارد بازار کردند. این سیستم در واقع به معنای کنترل کننده منطقی است که قابل برنامه ریزی بوده و به همین دلیل به آن کنترل گر منطقی برنامه پذیر (Programmable Logic Controller یا به اختصار PLC) گفته می شود. این کنترل کننده اهمیت بالایی در مدیریت و برنامه ریزی در بخش های صنعتی دارد و باعث مدیریت بهتر فرآیندها می شود. سیستم های plc مبتنی بر میکروپروسسورها هستند و به دلیل مجهز بودن به اجزایی مانند زمان سنج، شمارنده و ثبات انتقالی باعث مدیریت بهتر و کنترل راحت فرآیندهای پیچیده می شوند.
اجزایی که در ساخت این کنترل گرها استفاده می شود متفاوت بوده و مهم ترین آنها بخش های ورودی، حافظه، پردازشگر و بخش های خروجی هستند. اطلاعاتی که سنسورها دریافت می کنند درون حافظه ذخیره شده و با توجه به فرامینی که در حافظه سیستم پردازش شده اند، خروجی ساخته می شود. هر سیستم plc دارای زبان برنامه نویسی مختص خود بوده که رابط بین کاربر و سخت افزار است. از مهم ترین روش های برنامه نویسی PLC می توان به روش نردبانی، فلوچارتی و روش لیست جملات اشاره کرد. این سیستم ها از لحاظ اندازه و فاکتور متفاوت بوده و در اندازه های بسیار کوچک تا بزرگ ساخته می شوند. می توان گفت plc سیستم کامپیوتری است که برای استفاده در محیط های صنعتی طراحی شده و از آن به منظور کنترل خطوط مونتاژ تجهیزات رباتیک استفاده می کنند.
بخش های تشکیل دهنده سیستم های پی ال سی
واحد منبع تغذیه PS
این واحد، ولتاژ لازم برای سیستم plc را تامین می کند. این منبع تغذیه ولتاژهای 24 ولت DC و 110 یا 220 ولت AC را برای ایجاد ولتاژ 5 ولت DC استفاده می کند. این امر باعث می شود مدار منطقی پردازنده و واحدهای ورودی و خروجی به خوبی عمل کنند. نکته بسیار مهم و قابل ذکر این است که ولتاژ منبع تغذیه باید بصورت دقیق تنظیم شده باشد. در اکثر سیستم های plc ولتاژی که استفاده می شود 5 یا 5/2 ولت DC است.
واحد پردازش مرکزی CPU
این واحد از مهم ترین اجزایی است که در سیستم plc وجود دارد. CPU که به آن واحد پردازش مرکزی نیز گفته می شود؛ در واقع قلب این سیستم ها به شمار می رود. واحد پردازش مرکزی وظیفه دریافت اطلاعات ورودی و پردازش آنها براساس دستورات برنامه و صدور فرمان هایی که در فعال و یا غیرفعال بودن خروجی ها ظاهر می گردد را بر عهده دارد. هر چقدر که سرعت پردازش CPU بالاتر باشد، زمانی که برای اجرای یک برنامه نیاز است، کمتر می شود.
حافظه
از دیگر اجزای سیستم plc، حافظه آن است که اطلاعات و برنامه های کنترل در آن ذخیره می شود. تفاوتی که سیستم های plc با یکدیگر دارند بدلیل برنامه سیستم عامل و طراحی خاص CPU آنها است. این سیستم ها دارای دو حافظه موقت و دائم هستند. حافظه موقت (RAM)، این حافظه محل نگهداری از فلگ ها، تایمرها، شمارنده ها و برنامه های کاربر می باشد. حافظه دائم( EPROM)، محلی برای ذخیره همیشگی برنامه های کاربر است.
ترمینال های ورودی
محل دریافت اطلاعات از فرآیند و یا پروسه تحت کنترل، ترمینال های ورودی هستند. تعداد ورودی ها در این سیستم ها متفاوت بوده و تعداد آنها در حالت کلی دو عدد با نام های ورودی های دیجیتال و ورودی های آنالوگ هستند.
ورودی دیجیتال: این ورودی که به آن گسسته نیز گفته می شود معمولا بصورت سیگنال های صفر یا 24 ولت DC بوده و گاها به منظور پردازش توسط CPU به ولتاژهای متغیر نیاز دارد. برای عمل تغییر ولتاژ معمولا مدول های خاصی در سیستم plc در نظر گرفته شده است. به منظور جلوگیری از وارد شدن نویزهایی که در محیط های صنعتی ایجاد می گردد، ارتباط ورودی ها با مدارهای داخلی پی ال سی، با استفاده از کوپل کننده های نوری انجام می گیرد. لازم به ذکر است که ورودی ها در این سیستم ها ایزوله هستند و این عامل از آسیب وارد شدن به آنها بدلیل اضافه ولتاژ و یا اتصالات کوتاه جلوگیری می کند.
ورودی آنالوگ یا پیوسته: ورودی مذکور بصورت مستقیم به مدول های آنالوگ متصل می باشد و سیگنال های دریافتی پیوسته را تبدیل به مقادیر دیجیتال کرده و بعد از آن این مقادیر توسط CPU پردازش می گردد.
ترمینال های خروجی
ترمینال خروجی محلی برای صدور فرمان های سیستم plc به پروسه تحت کنترل است. خروجی های مورد استفاده در این سیستم ها همانند ورودی ها شامل خروجی های دیجیتال و آنالوگ هستند.
خروجی دیجیتال: فرمان های خروجی معمولا بصورت سیگنال های 0 تا 24 ولت DC هستند که در بخش خروجی ظاهر می شوند. از نظر منطقی هر خروجی دارای مقادیر 0 (غیرفعال) و 1 (فعال) است. توجه داشته باشید که این سیگنال ها به تقویت کننده های قدرت و یا مبدل های الکتریکی ارسال می شوند تا ماشینی را به حرکت درآورند و یا آن را متوقف کنند.
خروجی آنالوگ: مدول های خروجی آنالوگ، باعث تبدیل مقادیر دیجیتال پردازش شده بوسیله CPU به سیگنال های پیوسته ای که برای پروسه تحت کنترل نیاز است، می شوند. خروجی مذکور با استفاده از واحدی به نام Isolator از دیگر قسمت های سیستم plc ایزوله شده است. این امر باعث می شود مدارات حساس داخل این سیستم ها در برابر اتصالات ناخواسته محافظت شوند.
مدول ارتباط پروسسوری CP
این مدول ارتباطی باعث می شود تا ارتباط بین CPU مرکزی با CPU های دیگر برقرار شود.
مدول رابط IM
مدول ارتباطی IM زمانی کاربرد دارد که به اضافه کردن واحدهای دیگر ورودی و خروجی به سیستم نیاز باشد و یا اینکه اتصال پانل اپراتوری و پروگرامر به سیستم plc انجام گیرد. برای اتصال چند سیستم پی ال سی به یکدیگر نیز از این مدول ارتباطی استفاده می کنند.
انواع سیستم های PLC
مینی پی ال سی (Mini PLC)
این سیستم های plc در گروه پی ال سی های کوچک قرار دارند و از ویژگی های آنها خروجی کمتر و محدودیت ورودی است. به دلیل کم بودن ورودی و خروجی در این سیستم ها (تا 40 ورودی و خروجی)، از آنها در پروژه های کوچک استفاده می کنند.
پی ال سی Compact
نوع دیگری از سیستم plc است که در آن تمامی بخش ها مانند خروجی ها، ورودی ها و قسمت های پردازنده و تغذیه درون یک باکس قرار دارند. به دلیل وجود خروجی ها و ورودی های بیشتر (300 ورودی و خروجی) استفاده از این سیستم در پروژه های متوسط و عمدتا در پروژه های هوشمند سازی و اتوماسیون کارخانه ها صورت می گیرد.
پی ال سی ماژولار (Modular plc)
در این نوع سیستم قسمت های اصلی مانند ورودی ها، خروجی ها، پردازنده ها و ماژول های تغذیه از هم جدا هستند. برای تشکیل یک سیستم plc می توان این بخش ها را در کنار هم قرار داد. این نوع سیستم باعث می گردد تا بتوان تعداد زیادی خروجی و ورودی را با توجه به قدرت CPU، به آن اضافه کرد (2000 ورودی و خروجی را می توان افزود).
پی ال سی رک (Rack plc)
این سیستم دارای شباهت زیادی با PLC ماژولار است. کلیه ورودی ها و خروجی ها در این سیستم به یک ماژول مرکزی وصل می شوند که این ماژول مرکزی در پشت دستگاه قرار دارد. نصب این سیستم plc بصورت عمودی انجام می گیرد و از قابلیت خروجی و ورودی بالایی برخوردار است (5000 ورودی و خروجی). این ویژگی منحصر به فرد باعث شده تا از آن در پروژه های بزرگ مانند پالایشگاه ها و پتروشیمی ها استفاده شود.
چگونگی عملکرد این سیستم ها
برای درک بهتر عملکرد سیستم plc در ابتدا چرخه آن را بصورت خلاصه بیان می کنیم.
- شروع چرخه مانیتورینگ زمانی
- خواندن اطلاعات ماژول ورودی
- اجرای برنامه نوشته شده کاربر
- نوشتن داده بر روی ماژول خروجی
- در پایان انجام سایر وظایف
در ابتدا سیستم عامل، رصد زمانی خود را آغاز و وارد چرخه می گردد. CPU شروع به خواندن اطلاعات از ماژول ورودی می کند و با این کار ورودی های دیگر را بررسی می نماید. در مرحله بعدی، CPU، برنامه نوشته شده را اجرا می کند. بعد از این مرحله سی پی یو به ساز و کارهای داخلی و دیگر وظایف خود می پردازد. با توجه به نتیجه ای که برنامه اجرا شده دارد، پردازنده، داده بدست آمده را در ماژول خروجی می نویسد و این کار باعث به روز شدن تمامی وضعیت ها می گردد. انجام این مراحل تا زمانی ادامه پیدا می کند که سیستم plc در حالت اجرایی خود باشد.
مزیت های استفاده از سیستم PLC
- باعث کم شدن حجم تابلوهای فرمان می گردد.
- صرفه جویی در هزینه ها
- plc دارای استهلاک مکانیکی نیست و نیازی به سرویس و تعمیرات دوره ای ندارد.
- مصرف انرژی در آن بسیار کمتر از مدارهای رله می باشد.
- باعث ایجاد نویزهای صوتی و الکتریکی نمی شود.
- عیب یابی این سیستم ها بسیار راحت است و خود مجهز به سیستم عیب یاب هستند.
- زمان اسکن در آنها بسیار سریع است.
- قابلیت ارتباط با تمامی کامپیوترها در محیط را دارد.
- برنامه نویسی آن به راحتی انجام می گیرد.
- کاربردهای کنترلی گسترده ای را شامل می شود.
- مشکل بوجود آمده در آن را به راحتی می توان، کنترل کرد.
- زمان اجرای پروژه را کوتاهتر می کند.
معایب سیستم های PLC
- در صورتی که مشکلی در این سیستم ها بوجود بیاید، زمان بازیابی آن مشخص نیست.
- در دماهای بالا محدودیت کاری دارند.
- در صورتی که برق قطع و وصل شود، سیستم از آنجایی به کار خود ادامه می دهد که متوقف شده بود. این امر اصلا خوب نیست؛ چرا که ممکن است خطراتی را به همراه داشته باشد.
- در سیستم plc ثابت، تنها می توان یک برنامه را اجرا کرد.
- از نرم افزار و یا قطعات یک سیستم plc نمی توان در سیستم دیگر استفاده کرد.
سیستم کنترلر با قابلیت برنامه ریزی چه کاربردهایی دارد؟
این سیستم ها در صنایع مختلفی مانند صنعت نفت و گاز، نیروگاه های برق، صنعت فولاد، صنعت خودروسازی، صنایع شیمیایی، بخش انرژی و بهینه سازی مصرف، صنعت شیشه سازی، صنعت تولید کاغذ، صنعت تولید سیمان، صنعت ساخت پلاستیک، صنایع غذایی، صنعت حمل و نقل، صنایع ساختمانی و حتی در صنایع هوایی و مسافرتی از این سیستم استفاده می شود. در ادامه توضیح کوتاهی در مورد چگونگی کاربرد آن در برخی از این صنایع اشاره شده است:
PLC در صنعت شیشه
استفاده از کنترلرهای PLC در صنعت شیشه به سال های بسیار دور بر می گردد. از آنجا که تولید شیشه فرآیندی بسیار پیچیده است، از این سیستم ها به منظور اتوماسیون سازی آن استفاده می شود؛ برای مثال در ساخت شیشه، سیستم plc، نسبت مواد را کنترل و شیشه های تخت را مورد بررسی قرار می دهد.
در صنعت تولید کاغذ
در این صنعت، از سیستم plc به منظور کنترل ماشین آلاتی استفاده می شود که با سرعت بالایی محصولات کاغذی را تولید می کنند؛ برای نمونه این سیستم تولید صفحات روزنامه و یا کتاب را در چاپ آفست کنترل می کند.
صنعت تولید سیمان
در صنعت تولید سیمان، از پی ال سی برای مخلوط کردن مواد اولیه در کوره استفاده می شود. توجه داشته باشید که نسبت ترکیبی مواد اولیه در تولید سیمان بسیار مهم و در کیفیت محصول نهایی تاثیر گذار است.
صنعت خودروسازی
plc در این صنعت در سیستم های رنگ پاش، سیستم های سوراخ کاری، اتصال قطعات، سیستم هایی که قطعات و تجهیزات مختلف را تست می کنند، پرس های اتوماتیک و دیگر سیستم ها کاربرد دارد.
تفاوت بین سیستم PLC و مدار فرمان
سیستم plc نسبت به مدارات فرمان دارای مزیت هایی است که سبب جایگزینی بجای آنها شده است. از جمله تفاوت های قابل ذکر این است که باعث کاهش حجم مدار فرمان شده و انرژی مصرفی را بدلیل کم بودن استفاده از رله ها و کنتاکتورها، کاهش می دهد. استفاده از پی ال سی باعث کم شدن خرابی های مکانیکی می شود و بدلیل وجود عیب یاب، زمان عیب یابی را بصورت قابل توجهی کاهش داده است. با گذشت زمان، تابلوهای قدیمی که متشکل از کنتاکتور، تایمر و کانتر بودند جای خود را به این سیستم داده اند. یکی از اصلی ترین مزیت های سیستم plc برنامه پذیر بودنش است که انعطاف آن را افزایش داده و باعث شده در هر صنعتی متناسب با آن قابل برنامه ریزی باشد. عملیات پنل های کنترل قدیمی وابسته به رله های منطقی الکترومغناطیسی بوده و براساس تایمرهای سیستم های کنترل صنعتی ساخته شده بودند.
تجهیزاتی که از سیستم PLC استفاده می کنند.
امروزه با پیشرفت بخش صنعتی، تجهیزات و دستگاه هایی ساخته شده اند که دارای ساختار و بخش های نوینی بوده و در فضاهای صنعتی و نیمه صنعتی کاربرد دارند. گروه ماشین سازی هیمورا از سازندگان تجهیزات صنعتی و نیمه صنعتی بوده و در طراحی و ساخت آنها سعی در استفاده از سیستم هایی نموده که باعث پیشبرد هر چه بهتر و سریع تر کارها شده است؛ از جمله تجهیزاتی که مجهز به سیستم plc هستند می توان به دستگاه های بسته بندی و پرکن ها اشاره کرد. با تنظیماتی که در سیستم PLC دستگاه های بسته بندی انجام می گیرد، عمل بسته بندی بصورت خودکار و بدون دخالت نیروی انسانی صورت می پذیرد. در پرکن ها نیز با تنطیماتی که بر روی سیستم کنترل گر PLC آنها انجام می گیرد، هر مایعی را با برنامه خاص آن در ظروف مخصوص پر می کنند.
نکات کلیدی در مورد سیستم PLC
PLC سیستمی است که در دستگاه های صنعتی از آن استفاده می شود. تابلو برق محفظه ای است که بر روی آن از اجزای برچسب گذاری شده استفاده کرده اند. این اجزا شامل کلیدها، تجهیزات کنترلی و حفاظتی، رله ها و غیره است. در صورتیکه به این تابلو، سیستم plc اضافه شود، تابلو برق به تابلو برق PLC و یا پنل کنترل PLC تبدیل می گردد. از مزیت های این مدل تابلو برق، سرعت بالای کنترل دستگاه ها، انعطاف پذیری در تغییر برنامه ها، مصرف پایین انرژی الکتریکی، قابلیت مدیریت عملیات منطقی پیچیده، افزودن شمارنده تایمر، مقایسه کننده به آن و … می باشد. توجه داشته باشید که برند و سازنده PLC نیز مهم و حائز اهمیت است. در نهایت استفاده از سیستم plc باعث اتوماسیون سازی ماشین آلات صنعتی می شود و نیاز به نیروی کارگر را کاهش می دهد.
نتیجه پایانی
استفاده از سیستم plc با پیشرفت تکنولوژی و ساخته شدن تجهیزات پیشرفته صنعتی و نیمه صنعتی، افزایش قابل توجهی پیدا کرده و موجب اتوماسیون سازی و کاهش نیاز به نیروی انسانی شده است. این سیستم کنترل گر در صنایع مختلفی بکار می رود که از جمله آنها می توان به صنایع خودروسازی، حمل و نقل، شیشه سازی، تولید کاغذ و صنایع دیگر اشاره کرد. مجهز بودن ماشین آلات صنعتی به این سیستم باعث راحتی کنترل، کاهش زمان انجام کارها و عیب یابی راحت مشکلات شده و مهم ترین ویژگی آن قابل اطمینان بودن این نوع سیستم هاست. البته ذکر این نکته نیز خالی از لطف نیست، این سیستم دارای عیب هایی نیز هست که مزیت های بی شمار آن باعث نادیده گرفته شدن آنها شده است.