تعریف وتاریخچه PLC :
در آغاز PLC باحروف اختصاری PC شناخته می شد. به علت تشابه این نام با حروف اختصاری رایانه شخصی ،استفاده از این اختصار، سبب ایجاد اشتباه می شد. بنابراین امروزه پذیرفته شده است PLC به معنی کنترل کننده برنامه پذیر باشد.
PLC یک رایانه تخصصی کار برپسند بر مبنای ریز پردازنده است و توانایی انجام انواع توابع کنترلی در سطوح مختلف پیچیدگی را دارد. PLC می تواند برنامه ریزی و کنترل شود و توسط کاربری که مهارت کار کردن با رایانه ها را ندارد، استفاده شود. کاربر PLC در واقع با کشیدن خطوط ورسم اجزاء ، یک نمودار نردبانی را می سازد . نتیجه این ترسیم در رایانه، جایگزین تعداد زیادی از سیم کشیهای خارجی مورد نیاز برای برای کنترل یک فرایند می شود. PLC توانایی به کار انداختن هر سیستمی که خروجی آن به صورت روشن و خاموش عمل کنند ، را دارد. همچنین توانایی به کار انداختن هر سیستمی با خروجیهای متغیر، را دارد. PLC در جهت ورودی می تواند توسط اجزای قطع و وصلی یا اجزای با ورودی متغیر، راه اندازی شود.
اولین سیستمهای PLC با استفاده از رایانه های معمولی در اواخر دهه ۱۹۶۰ و اوایل دهه ۱۹۷۰ پدید آمدند. PLC های اولیه، اغلب در کارخانه های خودروسازی مورد استفاده قرار می گرفتند. به طور معمول ، کارخانه های خودروسازی می بایست در هنگام تغییر مدل بیش از یک ماه متوقف می شدند. برای کاهش زمان تغییر مدل، از PLC های اولیه در کنارتکنیکهای اتوماسیون جدید استفاده می شد. یکی ازمراحل زمان بر در این تغییر مدل، سیم کشی رله های جدید یا اصلاح شده و تابلوهای کنترل بود. برنامه ریزی مجدد PLC به وسیله صفحه کلید، جایگزین سیم کشی مجدد تابلو پر از سیم، رله، زمان سنج و سایر اجزاء شد. PLC های جدید کمک نمودند تا زمان برنامه ریزی مجدد تا حد چند روز کاهش یابد.
مراحل تغییر برنامه ریزی با رایانه ها و PLC ها، در اوایل دهه ۱۹۷۰ یک مشکل مهم داشت. برنامه ها پیچیده بودند و اعمال تغییرات نیاز به برنامه نویس آموزش دیده داشت. در اواخر دهه ۱۹۷۰ اصلاحات زیادی در برنامه نویسی PLC ها بوجود آمد و به گونه ای تغییر یافت که کاربر به صورت آسانتری برنامه نویسی نماید. معرفی و ورود ریزپردازنده ها در سال ۱۹۷۸،موجب افزایش قدرت رایانه وتمام سیستمهای کنترل و اتوماسیون گردید و هزینه محاسبات را نیز کاهش داد. در نتیجه، استفاده از روباتها، تجهیزات اتوماسیون، انواع رایانه و همین
طور PLC توسعه چشمگیری یافت. برنامه های PLC برای عده بیشتری از مردم، قابل فهم شدند و دسترسی به آن از نظر قیمت نیز مناسبتر گردید.
در دهه ۱۹۸۰ با افزایش قدرت پردازش رایانه در ازاء هر دلار، کاربرد PLC ها به طور نمایی افزایش یافت. برخی از کارخانجات بزرگ الکترونیک و رایانه و تعدادی از واحدهای الکترونیکی کوچکتر دریافتند که تولید PLC ، باید قسمت عمده تولید آنها باشد. بازار PLC از حجم ۸۰ میلیون دلار در سال ۱۹۷۸ به سقف ۱ میلیارد دلار در سال ۱۹۹۰ افزایش یافت و هنوز این د حال رشد است. حتی صنایع ساخت ماشین ابزار که قبلاً از کنترل عددی – رایانه ای (CNC ) استفاده می کردند، امروزه از PLC استفاده می کنند. PLC ها به طور وسیع در ساخت سیستمهای کنترل انرژی و ایمنی نیز به کار می روند. سایر مصارف غیر متعارف PLC ها نظیر استفاده در وسایل خانگی و تجهیزات پزشکی، در دهه ۱۹۹۰ و بعد از آن رشد قابل ملاحظه ای داشته است. فردی که دانش کافی در زمینه منطق رله یا دیجیتال داشته باشد، طی چند ساعت با توابع اصلی PLC آشنا میشود. این توابع ممکن است شامل پیچکها،کنتاکتها، زمان سنجها و شمارنده ها باشند. اما افرادی که با نمودارهای نردبانی یا منطق دیجیتال آشنا نباشند، برای یادگیری به زمان بیشتری نیاز دارند. شخصی که از منطق رله اطلاع کافی دارد، ظرف چند روز، با آموزش مناسب، با توابع پیشرفته PLC آشنا می شود. کلاسهای آموزشی شرکت تولید کننده و کتب راهنمای PLC در یادگیری این توابع پیشرفته، بسیار مفید هستند. توابع پیشرفته PLC به ترتیب یادگیری، ممکن است شامل توابع کنترل غلتکی∕ دنبالگر، دسترسی به بیتهای ثبات و توابع انتقال باشند.
۱–۲) مزایا و معایب PLC
بعضی از مزایای اساسی استفاده از کنترل کننده های برنامه پذیر عبارتند از:
انعطاف پذیری: در گذشته، هر دستگاه تولیدی مجهز به کنترل الکترونیکی، نیاز به کنترل کننده مخصوص به خود داشت، مثلاً ۱۵ دستگاه تولیدی مجزا، نیاز به ۱۵ کنترل کننده مجزا داشت. امروزه میتوان با استفاده از یک نمونه PLC هر یک از آن ۱۵ دستگاه را کنترل کرد. علاوه بر آن ممکن است به کمتر از ۱۵ کنترل کننده PLC نیاز داشته باشید، زیرا هر PLC به آسانی می تواند چندین دستگاه را کنترل کند.هر یک از این دستگاههای کنترل شده با PLC، برنامه مخصوص به خود را دارند.
اعمال تغییرات و تصحیح خطاها: در تابلو های سیم بندی شده از نوع رله ای، هر گونه تغییری در برنامه نیاز به زمان برای سیم بندی مجدد تابلو ها و دستگاهها دارد. در صورتی که وقتی مدار برنامه PLC یا ترتیب طراحی تغییر کند، تغییر در برنامه PLC، ظرف چند دقیقه و از طریق صفحه کلید انجام می شود. در سیستمهایی که با PLC کنترل می شوند، هیچگونه تغییری در سیم بندی مورد نیاز نخواهد بود. بعلاوه اگر نیاز به اصلاح اشتباه برنامه ریزی در نمودار کنترل PLC باشد، تغییرات سریعاً تایپ می شوند.
تعداد بسیار زیاد کنتاکتها: هر PLC در قبال یک پیچک، تعداد بسیار زیادی کنتاکت دارد، که در برنامه نویسی آن به کار گرفته می شود. فرض کنید یک رله به کار رفته در تابلو سیم بندی شده، چهار کنتاکت داشته باشد که همگی مورد استفاده قرار گرفته اند و اکنون به دلیل تغییر طرح، نیاز به ساختن سه کنتاکت جدید یا بیشتر باشد. در این حالت بدست آوردن و نصب رله جدید، به زمان بسیار زیادی نیاز دارد. اما در صورت استفاده از PLC، فقط با تایپ کردن می توان سه کنتاکت جدید ایجاد کرد. این سه کنتاکت به طور خودکار در PLC موجود خواهند بود. درواقع اگر حافظه رایانه اجازه دهد، صدها کنتاکت می توانند از طریق یک رله استفاده شوند.
هزینه کمتر: توسعه تکنولوژی باعث شده است توابع پیچیده تر در فضایی کوچکتر و با هزینه ای کمتر تحقق یابند. امروزه شما می توانید یک PLC را که شامل تعداد زیادی رله، زمان سنج و شمارنده و یک دنبالگر است، به بهای چند صد دلار بخرید.
اجرای آزمایشی: یک مدار برنامه ریزی شده با PLC را قبل از استفاده می توان در آزمایشگاه یا اداره آزمایش کرد. برنامه را می توان تایپ، آزمایش و مشاهده نمود و در صورت نیاز، اصلاح و در وقت باارزش کارخانه صرفه جویی کرد. در حالی که سیستمهای رله ای سنتی در بهترین حالت درمحل کار آزمایش می شوند که کار بسیار زمان بری است.
نظارت عینی : عملیات مدار PLC در طول فعالیت آن، مستقیماً روی صفحه CRT قابل مشاهده است. بنابراین درستی یا نادرستی عملکرد یک مدار در هر لحظه، قابل مشاهده است. مسیر های منطقی در زمان فعال شدن، روی صفحه مانیتور روشن می گردند و به همین دلیل، عیب یابی آنهانیز به سرعت انجام می شود. در سیستمهای PLC پیشرفته، در صورت وقوع هر عیب، می توان پیامی مناسب جهت کاربر در نظر گرفت و برنامه ریزی کرد. این پیام به محض آشکار شدن عیب مربوطه در PLC، روی صفحه نمایش ظاهرمیشود. در PLC های پیشرفته، ممکن است توضیحاتی در مورد وظیفه هر جزء مدار در نظر گرفته شود.
سرعت عمل : رله ها برای فعال شدن نیاز به زمان غیر قابل قبولی دارند. سرعت عمل برنامه PLC بسیار زیاد است. سرعت عملیات منطقی PLC توسط زمان پویش تعیین می شود، که این زمان در حدود چند میلی ثانیه است.
روش برنامه نویسی بولی یا نردبانی : برنامه نویسی یک PLC در حالت نردبانی توسط تکنسین یا مهندس برق می تواند انجام شود. همچنین یک برنامه نویس PLC که در سیستمهای کنترل دیجیتال یا بولی کار می کند، نیز می تواند به راحتی عمل برنامه نویسی PLC را انجام دهد.
قابلیت اطمینان و نگهداری : معمولاً قطعات نیمه هادی نسبت به سیستمهای معادل مکانیکی یا رله ها و زمان سنجها از قابلیت اطمینان بیشتری برخوردار هستند. PLC از اجزاء نیمه هادی ساخته می شود که دارای ضرایب اطمینان بسیار زیادی هستند. در نتیجه نگهداری سیستمهای PLC هزینه بسیار کمی در بر دارد و زمان از کار افتادن حداقل است.
سادگی قرار گرفتن اجزای سیستم کنترل : سیستم PLC و تمام اجزای جانبی آن یکجا تحویل داده می شود. یعنی همراه PLC، شمارنده ها، رله هاو سایر اجزاء نیز تحویل داده می شود. در حالی که در طرح یک تابلو کنترل رله ای، ممکن است بیش از ۲۰ رله و زمان سنج مختلف که محصول ۱۲ کارخانه متفاوت هستند، وجود
داشته باشد. دریافت همزمان همه این محصولات، نیاز به برنامه ریزی دقیقی دارد. در حالی PLC یک جا تحویل داده می شود. در سیستمهای رله ای فراموش کردن خرید یک قطعه، به معنی توقف کامل سیستم تا رسیدن آن قطعه است. در سیستم PLC، همیشه یک رله بیشتر در دسترس است و لذا این امکان را به شما می دهد که یک PLC با قدرت محاسباتی اضافی وکافی، داشته باشید.
مستند سازی : در صورت نیاز، چاپ مدار کامل PLC ظرف چند دقیقه امکان پذیر است و به طور کلی احتیاجی به جستجوی مدار PLC در بایگانی پرونده ها نیست. PLC در هر لحظه می تواند مدار واقعی را چاپ کند. در حالی که به روز نگاه داشتن پرونده های چاپ شده برای تابلو های رله ای کار دشواری است. پرونده چاپ شده توسط PLC، وضعیت مدار در همان لحظه است و برای تایید نیازی به بازبینی و کنترل سیمها ندارد.
امنیت : تا زمانی که قفل سیستم PLC به درستی باز نشود، امکان تغییر در برنامه آن وجود ندارد. در حالی که در سیستمهای رله ای، امکان تغییرات غیر مستند در تابلو کنترل وجود دارد. معمولاً افرادی که در شیفتهای پایانی روز کار می کنند، این تغییرات را با دقت در پرونده ها ثبت نمیکنند.
سهولت تغییرات با برنامه نویسی مجدد : از آنجایی که PLC ها را به سهولت می توان مجدداً برنامه ریزی کرد، پردازش پیچیده تولید را می توان انجام داد. مثلاً در صورتی که قطعه B وارد خط مونتاژ شود، در حالی که هنوز قطعه A در حال پردازش است، می توان برنامه خط تولید قطعه B را در ظرف چند ثانیه مجدداً برنامه ریزی نمود.
این چند عنوان تعدادی از مزایای عمده استفاده از کنترل کننده های منطقی برنامه پذیر است. البته با توجه به کاربرد های خاصی که در حال حاضر در برخی صنایع وجود دارد، می توان مزایای دیگری را نیز برشمرد. اکنون برخی از معایب یا توجهات خاص در به کارگیری سیستمهای PLC را برمی شماریم:
تکنولوژی جدیدتر: تغییر تفکر پرسنل از سیستمهای نردبانی و رله ای به مفاهیم رایانه ای PLC مشکل است.
کاربردهایی با برنامه ثابت : برخی کاربرد ها، کاربردهای تک منظوره هستند. شاید استفاده از PLC که قابلیت های برنامه ریزی زیادی دارد، در صورت نیاز نداشتن به آنها، مقرون به صرفه نباشد. نمونه ای از این کاربردها، کنترل کننده های غلتکی∕ دنبالگر است. برخی از سازندگان تجهیزات، برای کاهش هزینه، هنوز از سیستمهای غلتکی مکانیکی استفاده می کنند. ترتیب کار غلتکها بندرت تغییر می کند بنابراین قابلیت تغییر برنامه ریزی PLCها در اینجا چندان اهمیت ندارد.
ملاحظات محل کار: برخی پارامترهای محیط کار مانند دمای بالا، ارتعاشات و تداخلات الکترومغناطیسی عواملی هستند که کاربرد PLCها را محدود می کنند.
عملکرد ایمن در مقابل اشتباه : در سیستمهای رله ای فشردن کلید توقف، برق مدار راقطع می کند و همین طور قطع منبع برق، باعث خاموش شدن سیستم می شود. به علاوه سیستمهای رله ای هنگام وصل مجدد برق، به طور خودکار روشن نمی شوند. البته این موضوع از طریق برنامه نویسی در مورد PLC نیز قابل اعمال است. اما در بعضی از برنامه های PLC ممکن است برای متوقف ساختن یک وسیله، نیاز به اعمال ولتاژ ورودی باشد. این گونه سیستمها، در مقابل اشتباه ایمن نیستند. البته این نقص با افزودن رله های حفاظتی به سیستم PLC رفع می شود.
عملکرد مدار ثابت : اگر مدار مورد نظر هرگز نیاز به تغییر نداشته باشد، یک سیستم کنترل ثابت هزینه کمتری نسبت به PLC خواهد داشت. PLCها در جایی که به طور دوره ای در عملیت تغییر ایجاد می شود، از کارایی بیشتری برخوردارند.
سیستم های کنترل
در سال های اخیر سیستم های کنترل اهمیت فزاینده ای در توسعه و پیشرفت تکنولوژی جدید یافته اند. هر یک از جنبه های فعالیت روز مره ما عملا تحت تأثیر نوعی سیستم کنترل قرار دارد. مثلأ در محدوده زندگی فردی، کنترل کننده های خودکار در سیستم های تهویه متبوع، دما و رطوبت هوای خانه ها و ساختمان ها را در حد مطلوب نگاه می دارند.
سیستم های کنترل در تمام بخش های صنعت نظیر کنترل کیفیت محصولات، خط مونتاژخودکار، کنترل ماشین ابزار، تکنولوژی فضایی و سیستم های نظامی، کنترل کامپیوتری، سیستم های حمل و نقل، سیستم های قدرت، آدم های ماشینی و موارد بسیار دیگری، به فراوانی یافت می شوند. صرف نظر از اینکه چه نوع سیستم کنترلی در اختیار داریم، سه بخش اساسی را می توان در آن مشخص کرد:
۱- خواسته های ما از سیستم کنترل
۲- اجزای سیستم کنترل
۳- نتایج
به طور کلی، هدف سیستم های کنترل این است که خروجی های C را به شیوه از پیش تعیین شده ای به وسیله ورودی های U از طریق اجزای سیستم، کنترل کند. ورودی های سیستم کنترل، سیگنال های تحریک و خروجی های آن، متغییر های تحت کنترل نیز نامیده می شوند.
ساختار سیستم های کنترل
سیتم های کنترل لز تحاظ ساختار به دو بخش زیر تقسیم می شوند:
۱- سیستم های کنترل حلقه باز ( Open Loop )
۲- سیتم های کنترل حلقه بسته ( Closed Loop )
الف ) سیستم های کنترل حلقه باز
در این گونه سیستم ها خواسته های ما از عملکرد آن به خوبی برآورده نمی شود و تنها به دلیل سادگی و اقتصادی بودن سیستم های کنترل مدار باز، در بسیاری موارد می توان آنها را در حال کار یافت. ماشین لباسشویی مثال بارزی از یک سیستم کنترل مدار باز است. زیرا عموما مدت زمان شستشو از طریق قضاوت و تخمین فرد استفاده کننده تعیین می شود. یک ماشین لباسشویی خودکار باید بتواند دائما میزان تمیزی لباس های در حال شستشو را بررسی کند تا هر زمان که به اندازه کافی تمیز شدند، به طور خودکار خاموش شود.
اجزای یک سیستم کنترل مدار باز را معمولا می توان به دو دسته تقسیم نمود. کنترل کننده و فرآیند تحت کنترل. یک فرمان یا سیگنال ورودی r به کنترل کننده اعمال می شود، خروجی کنترل کننده به عنوان سیگنال تحریک u ، فرآیند را کنترل می کند به نحوی که متغیر کنترل c بر اساس استاندارد های از پیش تعیین شده ای عمل می کند. در موارد ساده، کنترل کننده می تواند بر حسب طبیعت سیستم، یک تقویت کننده، اتصالات مکانیکی و یا وسایل کنترلی دیگر باشد.
در موارد پیچیده تر کنترل الکترونیکی، کنترل کننده ممکن است یک حسابگر الکترونیکی نظیر یک ریز پردازنده باشد.
گاهی ممکن است علاوه بر واحد کنترل قسمت های دیگری در سیستم کنترل مدار باز وجود داشته باشد. در ادامه به توضیح اجزای یک سیستم کنترل مدار باز می پردازیم :
واحد ورودی ( ورودی مرجع r ) : اطلاعات از طریق کلید ها و حس کننده ها به ورودی ها منتقل می گردد. این اطلاعات معمولا به شکل سیگنال های الکتریکی است که می تواند به صورت دیجیتال یا آنالوگ باشد.
۲- واحد متناسب کننده یا هم سطح کننده ( Conditioning Unit ) : این قسمت در صورتی مورد نیاز است که میزان ولتاژ یا جریان سیگنال ورودی، برای واحد کنترل کننده مناسب نباشد. بنابراین باید مقدار ولتاژ یا جریان به میزان معینی تنظیم گردد.
۳- واحد کنترل کننده ( واحد پردازش ) : این واحد، هسته سیستم کنترل را تشکیل داده، اعمال منطقی و محاسباتی در این قسمت صورت می گیرد.
۴- واحد تقویت: در این قسمت سیگنال های ضعیف دریافت شده از واحد پردازش، تقویت و ارسال شده تا وسایل کنترل کننده مانند شیر های کنترل شونده توسط جریان الکتریکی (Solenoid Values) یا کنتاکتور ها را کنترل، یا لامپ نشان دهنده را روشن نماید.
۵- واحد خروجی ( متغییر تحت کنترل c ) : از این قسمت فرمان های سیستم کنترل به اجرا کننده های فرمان یعنی محرک ها ( Actuators ) و… ارسال می شود.
ب ) سیستم های کنترل حلقه بسته:
آنچه برای کنترل دقیق تر و قابل انعطاف تر لازم بودهو در سیستم کنترل مدار باز وجود ندارد یک اتصال یا فیدبک از خروجی، به ورودی سیستم است. برای دستیابی به کنترل دقیق تر، سیگنال تحت کنترل C(t) باید فیدبک شده، با ورودی مرجع r مقایسه شود و سیگنال تحریکی متناسب با تفاضل ورودی و خروجی به سیستم اعمال و در نتیجه، خطا تصحیح شود. سیستمی با یک یا چند مسیر فیدبک، نظیر آنچه که هم اکنون تشریح شد یک سیستم مدار بسته نامیده می شود.
همان گونه که ذکر شد در این سیستم ها، مقدار خروجی توسط عنصری اندازه گیر ( سنسور ) اندازه گیری می شود و در مقایسه ای با مقدار مطلوب، اختلاف بین خروجی و مقدار مطلوب محاسبه شده، به عنوان سیگنال خطا معرفی می گردد.
این سیگنال خطا به واحد کنترل کننده ارسال و سپس کنترل کننده در حلقه کنترل، به عنوان تصمیم گیرنده عمل می نماید. به این ترتیب که با توجه به تنظیم های از پیش تعیین شده، فرمان لازم را برای تصحیح خطا صادر می نماید.
انواع سیستم های کنترل :
سیستم های کنترل را می توان بنا به روش کنترل آنها به دو دسته زیر تقسیم کرد:
۱- سیستم های کنترل سخت افزاری
۲- سیستم های کنترل نرم افزاری
سیستم های کنترل سخت افزاری
این سیستم ها شامل مداراتی هستند که با استفاده از رله ها و عناصر الکترونیکی مانند دیود ها و ترانزیستور ها ساخته می شوند. برنامه کنترل در این سیستم ها نتیجه روابط بین عناصر مدار الکتریکی است و به راحتی قابل تغییر نمی باشد. به عبارت دیگر تغییر در برنامه کنترل به معنای تغییر در سخت افزار سیستم است البته در
برخی از این کنترل کننده ها که با استفاده از کلید های انتخاب کننده ( Selectors ) ، یا شبکه دیودی ( Diode Matrix ) ساخته می شوند، برنامه کنترل را می توان تا اندازه ای تغییر داد. اگر چه اعمال این تغییرات، محدود و در برخی موارد بسیار مشکل است.
سیستم های کنترل نرم افزاری
این کنترل کننده ها دارای حافظه ای هستند که برنامه کنترل کننده در آن ذخیره می شود. مهمترین مزیت این سیتسم ها در ان است که نحوه کنترل را با تغییر برنامه و بدون نیاز به تغییر در سخت افزار سیستم می توان عوض کرد، زیرا نحوه کنترل سیستم توسط سخت افزار سیستم تعیین نمی شود بلکه برنامه ای که در حافظه ذخیره شده یعنی نرم افزار سیستم، نحوه کنترل را مشخص می کند لذا این سیستم ها بسیار قابل انعطاف بوده، کاربرد های فراوانی دارند. بسته به نوع حافظه این سیستم ها، شیوه تغییر در برنامه ها متفاوت است. اگر از حافظه RAM استفاده شود، بدون دخالت فیزیکی و تنها با اضافه یا کم نمودن چند سطر برنامه می توان برنامه جدید را به اجرا در آورد. در صورتی که از حافظه های ROM استفاده شود به اجرا درآوردن برنامه جدید تنها با تعویض حافظه ROM امکان پذیر است.
اصول عملکرد PLC
PLC شامل چندین ماجول ورودی، CPU برای پردازش اطلاعات و تعدادی ماجول خروجی است.
ماجول ورودی، سیگنال آنالوگ یا دیجیتال را از سنسورها (Sensor ) دریافت می کند و آنها را به سیگنال های لاجیک قابل استفاده بوسیله CPU تبدیل می کند. وظیفه CPU تصمیم گیری و اجرای دستورات کنترلی برنامه موجود در حافظه می باشد. ماجول خروجی، دستورات کنترلی ارسال شده از CPU را به سیگنال های آنالوگ یا دیجیتالی تبدیل می کند که بوسیله محرک ( Actuators ) قابل استفاده باشد. در این بین نیاز به یک ابزار برنامه نویسی برای وارد کردن دستورالعمل ها به PLC وجود دارد. این دستورات تعیین می کنند که PLC به هر ورودی خاص چه پاسخی دهد. در مثال شکل زیر، پوش باتن ( Sensor ) به PLC ارتباط دارد و
برای استارت زدن یا متوقف کردن موتوری که باز هم از طریق یک راه انداز ( Actuator ) به PLC وصل است، به کار می رود.
Hard-Wired Control
قبل از ظهور PLC ها، بسیاری از کارهای فوق توسط کنتاکتور ها و مدارات کنتــــرل رله ای صورت می پذیرفت که علاوه بر هزینه بالا، حجم زیادی را اشغال می کرد. این شیوه کنتــــرل صنعتی را (Hard-Wired Control ) می نامند. در این روش دیاگرام مدارها باید طراحی می شد، نوع اجزای الکتریکی مورد استفاده باید تعیین و سپس نصب می گشت و سیم کشی بین قسمت های مختلف انجام می شد. اگر در مرحله سیم کشی اشتباهی صورت می گرفت، کاربر مجبور به انجام دوباره سیم کشی و تصحیح آن می شد. هر گونه تغییر در عملکرد یا توسعه سیستم مستلزم تغییرات زیاد در اجزای سخت افزاری و سیم کشی دوباره بود.
مزایای PLC
اما پیچیده ترین فرآیندهای صنعتی، به کمک PLC قابل انجام است. ارتباط بین ابزارآلات و کنتاکت های رله ای به صورت نرم افزاری و در برنامه PLC منظور گشته است. سیم کشی بین اجزای مختلف سیستم کنترل،
بسیار کم و راحت و تغییر برنامه و یا اصلاح اشتباهات آن آسان شده است، زیرا ایجاد و یا تغییر یک برنامه بسیار ساده تر از سیم کشی یک مدار الکتریکی است. در زیر برخی مزایای PLC نسبت به سایر روش های کنترلی آورده شده است :
۱- استفاده از PLC موجب کاهش حجم تابلوی فرمان می گردد.
۲- استفاده از PLC مخصوصا در فرآیند های عظیم موجب صرفه جویی قابل توجه در هزینه، لوازم و قطعات می گردد.
۳- PLC ها استهلاک مکانیکی ندارند،بنابراین علاوه بر عمر بیشتر، نیازی به تعمیرات و سرویس های دوره ای نخواهند داشت.
۴- PLC ها انرژی کمتری مصرف می کنند.
۵- PLC ها بر خلاف مدارات رله کنتاکتوری، نویزهای الکتریکی و صوتی ایجاد نمی کنند.
۶- استفاده از یک PLC منحصر به پروسه و فرآیند خاصی نیست و با تغییر برنامه می توان به آسانی ازآن برای کنترل پروسه های دیگر استفاده نمود.
۷- طراحی و اجرای مدارهای کنترل و فرمان با استفاده از PLC ها بسیار سریع و آسان است.
۸- برای عیب یابی مدارات فرمان الکترومکانیکی، الگوریتم و منطق خاصی را نمی توان پیشنهاد نمود. این امر بیشتر تجربی بوده، بستگی به سابقه آشنایی فرد تعمیرکار با سیستم دارد. در صورتی که عیب یابی در مدارات فرمان کنترل شده توسط PLC به آسانی و با سرعت بیشتری انجام می گیرد.
۹- PLC ها می توانند با استفاده از برنامه ای مخصوص، وجود نقص و اشکال در پروسه تحت کنترل را به سرعت تعیین و اعلام نمایند.
سخت افزار PLC
از لحاظ سخت افزاری می توان قسمت های تشکیل دهنده یک سیستم
PLC را به صورت زیر تقسیم نمود :
- واحد منبع تغذیه PS ( Power Supply ).
۲- واحد پردازش مرکزی CPU ( Central Processing Unit ).
۳- حافظه ( Memory ).
۴- ترمینال های ورودی ( Input Module ).
۵- ترمینال های خروجی ( Output Module ).
۶- مدول ارتباط پروسسوری CP ( Communication Processor ).
۷- مدول رابط IM ( Interface Module ).
مدول منبع تغذیه
منبع تغذیه ولتاژ های مورد نیاز PLC را تأمین می کند. این منبع معمولا از ولتاژهای ۲۴ ولت DC و ۱۱۰ یا ۲۲۰ ولت AC، ولتاژ۵ ولت DC را ایجاد می کند. ماکزیمم جریان قابل دسترسی منطبق با تعداد مدول های خروجی مصرفی است. لازم به ذکر است که ولتاژ منبع تغذیه باید کاملا تنظیـم شده ( رگوله ) باشد. جهت دستیابی به راندمان بالا معمولا از منابع تغذیه سوئیچینگ استفاده می شود. ولتاژ یکه در اکثر PLC ها استفاده می گردد ولتاژبین ۵ تا ۵٫۲ ولت DC است. ( در برخی موارد، منبع تغذیه و واحد کنترل شونده در فاصله زیادی نسبت به یکدیگر قرار دارند بنابراین ولتاژ منبع، ۵٫۲ ولت انتخاب می شود تا افت ولتاژ حاصل از بعد مسافت بین دو واحد جبران گردد. )
برای تغذیه رله ها و محرک ها ( Actuator ) معمولا از ولتاژ ۲۴ ولت DC به صورت مستقیم ( بدون استفاده از هیچ کارت ارتباطی ) استفاده می شود. در برخی موارد نیز از ولتاژ های ۱۱۰ یا ۲۲۰ ولت AC با استفاده از یک کارت رابط به نام Relay Board استفاده می گردد. ( در مورد تغذیه رله ها احتیاج به رگولاسیون دقیق نیست.) در برخی شرایط کنترلی لازم است تا در صورت قطع جریان منبع نغذیه، اطلاعات موجود در حافظه و همچنین محتویات شمارنده ها، تایمرها و فلگ های پایدار، بدون تغییر باقی بمانند. دراین موارد از یک باتری جنس Lithium جهت حفظ برنامه در حافظه استفاده می گردد. به این باتری Battery Back Up می گویند. ولتاژ این نوع باتری ها معمولا ۲٫۸ ولت تا ۳٫۶ ولت می باشد. از آنجایی که این باتری نقش مهمی در حفظ اطلاعات موجود در حلفظه دارد در اکثر PLC ها یک چراغ نشان دهنده تعبیه شده و در صورتی که ولتاژ باتری به سطحی پایین تراز مقدار مجاز ۲٫۸ ولت برسد این نشان دهنده روشن می گردد. این نشان دهنده به Battery Low LED معروف است. در صورت مشاهده روشن شدن این نشان دهنده لازم است که باتری مذکور تعویض گردد. برای تعویض باتری ابتدا به وسیله یک منبع تغذیه، ولتاژ مورد نظر را تأمین و سپس اقدام به تعویض باتری نمود.
واحد پردازش مرکزی ( CPU )
CPU یا واحد پردازش مرکزی در حقیقت قلب PLC است. وظیفه این واحد، دریافات اطلاعات از ورودی ها، پردازش این اطلاعات مطابق دستورات برنامه و صدور فرمان هایی است که به صورت فعال یا غیر فعال نمودن
خروجی ها ظاهر می شود. واضح است که هر چه سرعت پردازش CPU بالاتر باشد زمان اجرای برنامه کمتر خواهد بود.
حافظه ( Memory )
حافظه محلی است که اطلاعات و برنامه کنترل در ان ذخیره می شود. علاوه بر این، سیستم عامل که عهده دار مدیریت کلی PLC است در حافظه قرار دارد. تمایز عملکرد در PLC ها، عمدتا به دلیل برنامه سیستم عامل و طراحی خاص CPU آنهاست. در حالت کلی در PLC ها دو نوع حافظه وجود دارد:
۱- حافظه موقت ( RAM ) که محل نگهداری فلگ ها، تایمرها، شمارنده ها و برنامه های کاربر است.
۲- حافظه دائم ( EPROM , EEPROM ) که جهت نگهداری و ذخیره همیشگی برنامه کاربر استفاده می گردد.
ترمینال ورودی ( Input Module )
این واحد، محل دریافت اطلاعات از فرآیند یا پروسه تحت کنترل می باشد. تعداد ورودی ها در PLC های مختلف، متفاوت است. ورودی هایی که در سیستم های PLC مورد استفاده قرار می گیرند در حالت کلی به صورت زیر می باشند:
الف) ورودی های دیجیتال یا گسسته ( Digital Input ) :
این ورودی ها که معمولأ به صورت سیگنال های صفر یا ۲۴ ولت DC می باشند، گاهی برای پردازش توسط CPU به تغییر سطح ولتاژ نیاز دارند. معمولأ برای انجام این عمل مدول هایی خاص در PLC در نظر گرفته می شود. جهت حفاظت مدارات داخلی PLC از خطرات ناشی از اشکالات بوجود آمده در مدار یا برای جلوگیری از ورود نویز های موجود در محیط های صنعتی ارتباط ورودی ها با مدارات داخلی PLC توسط کوپــل کننده های نوری ( Optical Coupler ) انجام می گیرد. به دلیل ایزوله شدن ورودی ها از بقیه اجزای مدار داخلی PLC، هر گونه اتصال و یا اضافه ولتاژ نمی تواند آسیبی به واحد های داخلی PLC وارد آورد.
ب) ورودی های آنالوگ یا پیوسته ( Analog Input ) :
این گونه ورودی ها در حالت استاندارد ۰ تا۱۰± ولت DC، ۴ تا ۲۰ میلی آمپر و یا ۰ تا ۲۰ میلی آمپر بوده، مستقیمأ به مدول های آنالوگ متصل می شوند. مدول های ورودی آنالوگ، سیگنال های دریافتی پیوسته ( آنالوگ ) را به مقادیر دیجیتال تبدیل نموده، سپس مقادیر دیجیتال حاصل توسط CPU پردازش می شوند.
ترمینال خروجی ( Output Module )
این واحد، محل صدور فرمان های PLC به پروسه تحت کنترل می باشد. تعداد این خروجی ها در PLC های مختلف متفاوت است. خروجی های استفاده شده در PLC ها به دو صورت زیر وجود دارند:
الف) خروجی های دیجیتال یا گسسته ( Digital Output ) :
این فرمان های خروجی به صورت سیگنال های ۰ تا ۲۴ ولت DC بوده که در خروجی ظاهر می شوند، بنابراین هر خروجی از لحاظ منطقی می تواند مقادیر ” ۰ ” ( غیرفعال ) یا ” ۱ ” ( فعال ) را داشته باشد. این سیگنال ها به تقویت کننده های قدرت یا مبدل های الکتریکی ارسال می شوند تا مثلأ ماشینی را به حرکت در آورده یا آن را از حرکت بازدارند. در برخی موارد استفاده از مدول های خروجی دیجیتال جهت رسانیدن سطوح سیگنال های داخلی PLC به سطح ۰ یا ۲۴ ولت DC الزامی است.
ب) خروجی های آنالوگ یا پیوسته ( Analog Output ) :
سطوح ولتاژ و جریان استاندارد خروجی می تواند یکی از مقادیر ۰ تا۱۰± ولت DC، ۴ تا ۲۰ میلی آمپر و یا ۰ تا ۲۰ میلی آمپر باشد. معمولأ مدول های خروجی آنالوگ، مقادیر دیجیتال پردازش شده توسط CPU را به سیگنال های پیوسته ( آنالوگ ) مورد نیاز جهت پروسه تحت کنترل تبدیل می نمایند. این خروجی ها به وسیله واحدی به نام Isolator از سایر قسمت ها ی داخلی PLC ایزوله می شوند. بدین ترتیب مدارات حساس داخلی PLC از خطرات ناشی از امکان بروز اتصالات نا خواسته خارجی محافظت می گردند.
مدول ارتباط پروسسوری ( CP )
ایمن مدول، ارتباط بین CPU مرکزی را با CPU های جانبی برقرار می سازد.
مدول رابط ( IM )
در صورت نیاز به اضافه نمودن واحد های دیگر ورودی و خروجی به PLC یا جهت اتصال پانل اپراتوری و پروگرامر به PLC از این مدول ارتباطی استفاده می شود. در صورتی که چندین PLC به صورت شبکه به یکدیگر متصل شوند از واحد IM جهت ارتباط آنها استفاده می شود. نحوه ارتباط CPU با سایر قسمت های PLC در شکل زیر نشان داده شده است.
تصویر ورودی ها ( PII )
قبــــل از اجـــرای برنامه، CPU وضعیت تمام ورودی ها را بـــررسی و در قسمتی از حــــافظه به نام PII ( Process Image Input ) نگهداری می نماید. جز در موارد استثنایی و تنها در بعضی از انواع PLC، غالبأ در حین اجـــرای برنامه، CPU به ورودی ها مراجعه نمی کند بلکه بــــرای اطلاع از وضعیت هر ورودی به سلـــــول مورد نظر در PII رجـــوع می کند. در برخـــی موارد این قسمت ازحــافظه IIT ( Input Image Table ) نیز خوانده می شود.
تصویر خروجی ها ( PIO )
هرگاه در حین اجرای برنامه یک مقدار خروجی بدست آید، در این قسمت از حافظه نگهداری می شود. جز در موارد استثنایی و تنها در برخی از انواع PLC، غالبأ در حین اجرای برنامه، CPU به خروجی ها مراجعه نمی کند بلکه بـــرای ثبت آخــــرین وضعیت هر خروجی به سلــول مورد نظر در PIO (Process Image Output ) رجوع می کند و در پایان اجرای برنامه، آخرین وضعیت خروجی ها از PIO به خروجـــی های
فیزیـــکی منتقل می گردند. در برخی موارد این قسمت از حـــــافظه را OIT ( Output Image Table ) نیز می گویند.
فلگ ها، تایمرها و شمارنده ها
هر CPU جهت اجرای برنامه های کنترلی از تعدادی تایمر، فلگ و شمارنده استفاده می کند. فلگ ها محل هایی از حافظه اند که جهت نگهداری وضعیت برخی نتایج و یا خروجی ها استفاده می شوند. جهت شمارش از شمارنده ها و برای زمان سنجی از تایمر استفاده می گردد. فلگ ها، تایمر ها و شمارنده ها را لحاظ پایداری و حفظ اطلاعات ذخیره شده می توان به دو دسته کلی تقسیم نمود:
۱- پایدار ( Retentive ) به آن دسته از فلگ ها، تایمرها و شمارنده هایی اطلاق می گردد که در صورت قطع جریان الکتریکی تغذیه، اطلاعات خود را از دست ندهند.
۲- ناپایدار ( Non – Retentive ) این دسته بر خلاف عناصر پایدار، در صورت قطع جریان الکتریکی تغذیه، اطلاعات خود را از دست می دهند.
تعداد فلگ ها، تایمر ها و شمارنده ها در PLC های مختلف متفاوت می باشد اما تقریبأ در تمامی موارد قاعده ای کلی جهت تشخیص عناصر پایدار و ناپایدار وجود دارد.
فرض کنید که در یک نوع PLC خاص تعداد فلگ ها، تایمر ها و شمارنده ها به ترتیب m، n، p باشد. تعداد عناصر پایدار و ناپایدار با یکدیگر برابر است.
بنابراین تعداد این عناصر به ترتیب و و می باشد. المان هایی که شماره آنها از مقادیر نصف یعنی و و کوچکتر باشد پایدار و بقیه، عناصر ناپایدار هستند. به طور کلی می توان گفت که نیمه اول این عنــاصر، پایدار و نیمه دوم نــاپایدار می باشد. فرض کنید که در یک نوع PLC، ۱۶ شمارنده ( C0 – C15 ) تعریف شده باشد بنا بر قاعده مذکور شمارنده های C0 – C7 همگی پایدار و شمارنده های C8 – C15 ناپایدار می باشند.
انبارک یا آکومولاتور ( ACCUM )
انبارک یا آکومولاتور ( Accumulator ) یک ثبات منطقی است که جهت بارگذاری یا به عبارت دیگر Load نمودن اطلاعات استفاده می گردد. از این ثبات جهت بارگذاری اعداد ثابت در تایمر ها، شمارنده ها، مقایسه گر هاو… استفاده می شود.
گذرگاه عمومی ورودی/ خروجی ( I/O Bus )
همان گونه که قبلأ ذکر شد وظیفه پردازش اطلاعات در PLC بر عهده CPU است. بنابراین برای اجرای برنامه بایستی CPU با ورودی ها، خروجی ها، و سایر قسمت های PLC در ارتباط بوده، با آنها تبادل اطلاعات داشته باشد. سیستمی که مرتبط کننده CPU با قسمت های دیگر است BUS نامیده می شود.
این سیستم توسط CPU اداره می شود و در حقیقت علت کاهش چشمگیر اتصالات در PLC به دلیل وجود همین سیستم می باشد. سیستم BUS از سه بخش زیر تشکیل شده است:
۱– باس داده ( Data Bus )
۲– باس آدرس ( Address Bus)
۳– باس کنترل ( Control Bus )
مشخصات سیستم باس بستگی به نوع CPU مورد استفاده و حجم کلی حافظه دارد.
مثلأ برای پردازشگر Z80 باس داده دارای ۸ خط ارتباطی است که ارسال و دریافت هشت بیت یا یک بایت اطلاعات را امکان پذیر می سازد. بنابراین ورودی ها، خروجی ها و حافظه ها بایستی در دسته های هشت بیتی یا یک بایتی سازماندهی شوند.
هر بایت اطلاعات بایستی آدرس منحصر بفرد داشته باشد، هر گاه CPU بخواهد اطلاعاتی را با بایت مخصوصی رد و بدل نماید با استفاده از آدرس منحصر بفرد آن بایت این تبادل اطلاعات امکان پذیر می گردد.
وقتی تمام امکانات CPU با بایت مورد نظر از لحاظ آدرس و خط ارتباطی فراهم شد CPU توسط باس کنترل، جهت حرکت و زمان رد و بدل شدن اطلاعات را سازماندهی می کند.
روش های مختلف آدرس دهی
جهت آدرس دهی معمولأ از سه روش زیر استفاده می شود:
۱- Fixed Address : در این روش تمام ورودی ها و خروجی ها دارای آدرس ثابتی می باشند. نظیر این نوع آدرس دهی را در مینی PLC های کنترونیک می توان یافت.
۲- Slot Address : در این روش، آدرس دهی قابل تغییر می باشد و این تغییر آدرس توسط شیار های مورد نظر و فیش های زائده دار انجام می گیرد.
۳- Flexible Address : در این روش آدرس دهی که قابل تغییر نیز می باشد سوئیچ هایی ( دیپ سوئیچ ) در نظر گرفته شده که با استفاه از آنها می توان آدرس دهی را تغییر داد.
نرم افزار PLC
در PLC ها سه نوع نرم افزار قابل تعریف است:
۱- نرم افزاری که کارخانه سازنده با توجه به توان سخت افزاری سیستم تعریف می کند که به آن Operating System یا به اختصار OS گویند. مثلأ در PLC زیمنس مدل ۱۰۰ U تعداد ۱۶ تایمر ) T0 – T15 ) تعریف شده است و اگر در برنامه نویسی از تایمر شماره ۱۸ یعنی T18 استفاده شود سیستم عامل دستور مذکور را به عنوان دستور اشتباه قلمداد کرده، برنامه اجرا نخواهد شد. البته این نرم افزار ثابت بوده، قابل تغییر نمی باشد بنابراین از نوع فقط خواندنی است و معمولأ در EPROM یا EEPROM ذخیره می شود.
۲- نرم افزاری که برنامه نوشته شده توسط استفاده کننده ( User ) را به زبان قابل فهم ماشین تبدیل می نماید. این برنامه منحصر به کارخانه سازنده بوده، نام خاصی نیز دارد. معروف ترین و پر کاربرد ترین این نرم افزار S5 می باشد که می باشد که توسط شرکت زیمنس ابداع گردیده است. این نرم افزار هم مانند OS قابل تغییر نیست و بایستی در ROM ذخیره و برای اجرا به RAM پروگرامر ارسال گردد.
۳- نرم افزار یا برنامه ای که توسط استفاده کننده نوشته می شود و به آن User Program گویند. این نرم افزار در هر لحظه قابل تغییر بوده، خواندنی / نوشتنی است. این نرم افزار در RAM و یا در EPROM و یا در EEPROM ذخیره و در صورت ایجاد هر گونه اشکال در RAM از مدول ذکر شده مجددأ در RAM کپی شده، اجرا می گردد.
هر PLC شامل نرم افزار و سخت افزار می باشد. واضح است که برای وارد کردن برنامه کنترلی یا نرم افزار کنترلی به سخت افزار، نیاز به یک واحد برنامه نویسی یا پروگرامر می باشد.
واحد برنامه نویسی ( PG )
در استفاده و به کار گیری PLC علاوه بر آشنایی با نحوه کار، آشنایی با واحد برنامه نویسی آن نیز ضروری است زیرا توسط این واحد قادر خواهیم بود با PLC ارتباط برقرار نماییم. به این ترتیب که برنامه کنترل دستگاه را نوشته، آن را در حافظه PLC قرار داده، اجرای آن را از PLC می خواهیم. این واحد بسیار شبیه به کامپیوتر های معمولی است، یعنی دارای یک صفحه نشان دهنده ( مونیتور ) و صفحه کلید می باشد. تفاوت این واحد با کامپیوتر معمولی، تک منظوره بودن آن می باشد بدین معنی که از PG تنها می توان جهت ارتباط برقرار نمودن با PLC مربوطه استفاده نمود.
با استفاده از PG می توان از وضعیت و چگونگی اجرای برنامه مطلع شد. صفحه نمایش واحد برنامه نویسی به ما نشان می دهد که کدام ورودی روشن یا خاموش است، PLC توسط خروجی ها دستور فعال شدن یا توقف کار کدام ماشین ها را می دهد و در حقیقت نحوه اجرای برنامه در صفحه نمایش ظاهر می شود.
