PLC (پی ال سی) چیست ؟

پی ال سی (PLC) مخفف "Programmable Logic Controller" به معنای "کنترل گر منطقی قابل برنامه ریزی" است. PLC  کامپیوتری است که مخصوصاً برای کارکرد قابل اطمینان در محیط‌های سخت صنعتی، مانند دماهای شدید، مرطوب، خشک یا شرایط گرد و غباری تولید می‌شود.

پی ال سی ها برای اتوماسیون فرآیندهای صنعتی مانند خط مونتاژ کارخانه تولید، کارخانه فرآوری سنگ معدن یا تصفیه خانه فاضلاب استفاده می‌شوند. PLC ها بسیاری از ویژگی های رایانه شخصی را که در خانه دارید به اشتراک می‌گذارند.

هر دو دارای منبع تغذیه، CPU (واحد پردازش مرکزی)، ورودی ها و خروجی ها (I/O)، حافظه و نرم افزار عامل هستند (اگرچه این یک نرم افزار عامل متفاوت است).

بزرگترین تفاوت ها این است که یک پی ال سی می‌تواند عملکردهای گسسته و پیوسته ای را انجام دهد که یک رایانه شخصی نمی‌تواند انجام دهد.

همینطور یک PLC برای محیط های صنعتی بسیار مناسب تر است.  یک پی ال سی  را می‌توان به عنوان یک کامپیوتر دیجیتال "مقاوم" در نظر گرفت که فرآیندهای الکترومکانیکی یک محیط صنعتی را مدیریت می‌کند.

PLC ها با استفاده از تشکیل بخشی از یک سیستم بزرگتر SCADA، نقش مهمی در زمینه اتوماسیون دارند. 

یک PLC را می‌توان با توجه به نیاز عملیاتی فرآیند برنامه‌ریزی کرد.  در صنعت تولید به دلیل تغییر ماهیت تولید، نیاز به برنامه‌ریزی مجدد وجود خواهد داشت. برای غلبه بر این مشکل، سیستم های کنترلی 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. اگر می‌خواهید نحوه برنامه‌نویسی PLCها را یاد بگیرید. باید برخی از دوره‌های مختلف آموزش آنلاین PLC را بررسی کنید.

این دوره ها می‌توانند به شروع کار شما در مهندسی کنترل کمک کنند.

اصول پی ال سی (PLC)

PLC ها توسط دیک مورلی در سال 1964 اختراع شدند. از آن زمان انقلابی در بخش های صنعتی و تولیدی ایجاد شد. طیف وسیعی 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 "هارد سیمی" این است که شما می‌توانید 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 سیمی سخت، شما اساسا باید سیم‌ها را جدا کنید و از ابتدا شروع کنید (که گران‌تر است و بیشتر طول می‌کشد). 

برای درک بهتر این مزیت، به مثالی نگاه می‌کنیم. 

تصور کنید یک چراغ به یک سوئیچ وصل می‌شود. به طور کلی، نور در دو حالت روشن و خاموش کار می‌کند. اکنون شما وظیفه دارید که وقتی سوئیچ را روشن می‌کنید، نور فقط پس از 30 ثانیه بدرخشد.

با این راه‌اندازی با سیم سخت، ما به چالش می‌خوریم. 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 کنترل‌ گر 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 می‌توان چندین ورودی و خروجی را ترکیب کرد.

این فقط یک مثال ساده است. یک PLC توانایی کنترل فرآیندهای با پیچیدگی و بسیار بزرگتر را دارد. یک PLC را می‌توان بسته به کاربرد و نیازهای کاربر سفارشی کرد.

پی ال سی (PLC) چگونه کار می‌کند؟

کار یک کنترل گر منطقی قابل برنامه ریزی را می‌توان به راحتی به عنوان یک روش اسکن چرخه ای که به عنوان چرخه اسکن معرفی و درک کرد.

یک فرآیند اسکن PLC شامل مراحل زیر است:

• سیستم عامل دوچرخه سواری و نظارت بر زمان را شروع می‌کند. 
• CPU شروع به خواندن داده ها از ماژول ورودی می‌کند و وضعیت همه ورودی ها را بررسی می‌کند.
• CPU شروع به اجرای کاربر یا برنامه کاربردی می‌کند که در منطق رله‌الدر یا هر زبان برنامه‌نویسی PLC دیگری نوشته می‌شود.
• در مرحله بعد، CPU تمام وظایف تشخیص داخلی و ارتباطات را انجام می‌دهد.
• با توجه به نتایج برنامه، داده ها را در ماژول خروجی می‌نویسد تا همه خروجی ها به روز شوند.
• این فرآیند تا زمانی که PLC در حالت اجرا باشد ادامه دارد.

ساختار فیزیکی پی ال سی (PLC)

ساختار یک PLC تقریباً شبیه به معماری یک کامپیوتر است. کنترل‌گرهای منطقی قابل برنامه‌ریزی به‌طور مداوم مقادیر ورودی دستگاه‌های حسگر ورودی مختلف (مانند شتاب‌سنج، مقیاس وزن، سیگنال‌های سیم‌کشی، و ...) را کنترل می‌کنند. همچنین خروجی مربوطه را بسته به ماهیت تولید و صنعت تولید می‌کنند. 

یک بلوک دیاگرام معمولی PLC از پنج بخش دارد:

1- قفسه یا شاسی (Rack or chassis)

2- ماژول منبع تغذیه (Power Supply Module)

3- واحد پردازش مرکزی (Central Processing Unit (CPU))

4- ماژول ورودی و خروجی (Input & Output Module)

5- ماژول رابط ارتباطی (Communication Interface Module)

قفسه یا شاسی (Rack or Chassis)

در تمام سیستم های PLC، قفسه یا شاسی PLC مهمترین ماژول را تشکیل می‌دهد و به عنوان ستون فقرات سیستم عمل می‌کند. 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، آن ها به سراغ rack PLC از نوع ماژولار که انواع مختلف ماژول‌های ورودی/خروجی را با کشویی و متناسب با مفهوم می‌پذیرد. همه ماژول های ورودی/خروجی در داخل این رک/شاسی قرار خواهند گرفت.

ماژول منبع تغذیه (Power Supply Module)

این ماژول برای تامین برق مورد نیاز کل سیستم PLC استفاده می‌شود. توان AC موجود را به برق DC تبدیل می‌کند که توسط ماژول CPU و I/O مورد نیاز است.

PLC معمولاً روی منبع تغذیه 24 ولت DC کار می‌کند. تعداد کمی از پی ال سی از منبع تغذیه ایزوله استفاده می‌کنند.

ماژول CPU و حافظه (CPU Module and Memory)

ماژول CPU دارای پردازنده مرکزی، حافظه ROM و RAM است. حافظه ROM شامل یک سیستم عامل، درایورها و برنامه های کاربردی است. حافظه رم برای ذخیره برنامه ها و داده ها استفاده می‌شود.

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 می‌شود.

دو نوع پردازنده به صورت تک بیتی یا پردازشگر کلمه را می‌توان با پی ال سی ترکیب کرد. پردازنده یک بیتی برای انجام توابع منطقی استفاده می‌شود. در حالی که از واژه پردازها برای پردازش متن، داده های عددی، کنترل و ضبط داده ها استفاده می‌شود.

CPU داده های ورودی را از حسگرها می‌خواند. آن ها را پردازش می‌کند و در نهایت فرمان را به دستگاه های کنترل گر می‌فرستد.

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 ( Input and Output Module)

آیا به این فکر می‌کنید که چگونه پارامترهای فیزیکی مانند دما، فشار، جریان و ... را حس کنید؟

PLC دارای یک ماژول انحصاری برای رابط ورودی و خروجی است که به آن ماژول ورودی و خروجی می‌گویند.

دستگاه های ورودی می‌توانند دکمه های شروع و توقف، سوئیچ ها و ... باشند. همچنین دستگاه های خروجی می‌توانند یک بخاری برقی، شیرها، رله ها و ... باشند. 

ماژول ورودی/خروجی به اتصال دستگاه های ورودی و خروجی با ریزپردازنده کمک می‌کند. ماژول ورودی PLC در شکل زیر نمایان است.

چهار عملکرد اصلی ماژول ورودی پی ال سی (PLC)

رابط ماژول ورودی سیگنال را از دستگاه های پردازش در 220 ولت AC دریافت می‌کند. سیگنال ورودی را به 5 ولت DC تبدیل می‌کند که می‌تواند توسط PLC استفاده شود.

بلوک ایزولاتور برای جداسازی/جلوگیری از نوسانات PLC کاربرد دارد.  پس از آن سیگنال به انتهای خروجی یعنی پی ال سی ارسال می‌شود. دو بخش اصلی در ماژول ورودی وجود دارد که بخش قدرت و بخش منطقی هستند.

هر دو بخش از نظر الکتریکی از یکدیگر جدا می‌شوند. در ابتدا دکمه فشار بسته است. بنابراین، منبع AC 220 ولت از طریق مقاومت های R1 و R2 به مدار پل تحویل می‌دهند.

یکسوساز پل (مانند یکسو کننده پل دیود) برای تبدیل سیگنال AC به DC و دیود زنر برای تامین ولتاژ پایین LED استفاده می‌شود.

هنگامی که نور LED روی ترانزیستور فوتو می‌افتد، در ناحیه رسانایی کار می‌کند.

در نهایت یک منبع تغذیه 5 ولت DC به پردازنده ارجاع می‌شود. ماژول خروجی PLC مشابه ماژول ورودی اما در فرآیند معکوس کار می‌کند. این بار خروجی و پردازنده را به هم متصل می‌کند.

بنابراین در اینجا اولین بخش جلسه منطقی است و بخش قدرت بعدی است. عملکرد ماژول خروجی در شکل مشخص است.

بنابراین، در اینجا زمانی که سیگنال بالای منطقی برنامه از پردازنده تولید می‌شود، LED روشن می‌شود و اجازه می‌دهد تا نور روی یک ترانزیستور فوتو بیفتد.

هنگامی که ترانزیستور به ناحیه هدایت می‌رود، یک پالس به دروازه تریاک تولید می‌کند. بلوک ایزوله برای جداسازی بخش منطق و بخش کنترل استفاده می‌شود.

ماژول رابط ارتباطی

برای انتقال اطلاعات بین CPU و شبکه های ارتباطی از ماژول های I/O هوشمند کاربرد دارد. این ماژول های ارتباطی به اتصال با سایر PLC ها و رایانه هایی که در یک مکان راه دور قرار می‌گیرند کمک می‌کند.

انواع پی ال سی (PLC)

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

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 می‌شود.

این نوع PLC اجازه گسترش چندگانه را از طریق “ماژول” می دهد. از این رو به عنوان PLC مدولار معرفی می‌شود. اجزای I/O را می توان افزایش داد.

استفاده از آن آسان تر است زیرا هر جزء مستقل از یکدیگر است.

پی ال سی (PLC) بر اساس خروجی به سه نوع خروجی رله، خروجی ترانزیستور و PLC خروجی Triac تقسیم می‌شود. 

نوع خروجی رله برای هر دو دستگاه خروجی AC و DC مناسب است. نوع خروجی ترانزیستور PLC از عملیات سوئیچینگ استفاده می‌کند و در داخل ریزپردازنده ها استفاده می‌شود.

با توجه به اندازه فیزیکی، یک PLC به Mini، Micro و Nano PLC تقسیم می‌شود.

برخی از تولید کنندگان پی ال سی (PLC) عبارتند از:

1- Allen Bradley

2- ABB

3- Siemens

4- Mitsubishi PLC

5- Hitachi 

6- Delta PLC

General Electric (GE) -7

8- Honeywell PLC

PLC ها کاربردهای وسیعی دارند، از جمله:

1- کارخانه های اتوماسیون پروسه (مانند معدن، نفت و گاز)

2- صنعت شیشه

3- کاغذ صنعتی

4- تولید سیمان

5- در بویلر - نیروگاه های حرارتی

برنامه نویسی پی ال سی (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 پی ال سی (PLC) بیشتر بدانیم.

یک برنامه PLC از مجموعه ای از دستورالعمل ها به صورت متنی یا گرافیکی تشکیل می‌شود که بیانگر منطق حاکم بر فرآیندی است که PLC کنترل می‌کند.

طبقه بندی اصلی از زبان های برنامه نویسی PLC وجود دارد که بیشتر به انواع زیر طبقه بندی و تقسیم می‌شوند.

1- زبان متنی
2- لیست دستورالعمل
3- متن ساختار یافته
4- فرم گرافیکی
5- نمودارهای نردبانی (LD) (یعنی منطق نردبان)
6- نمودار بلوک تابع (FBD)
7- 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 داد.

منطق نردبان

منطق نردبانی ساده ترین شکل برنامه نویسی پی ال سی (PLC) است.  همچنین به عنوان "منطق رله" معرفی می‌شود. کنتاکت های رله مورد استفاده در سیستم های کنترل رله با استفاده از منطق نردبانی نمایش می‌دهند.

شکل روبرو یک مثال ساده از نمودار نردبانی را نشان می‌دهد.در مثال فوق، از دو دکمه فشاری برای کنترل بار لامپ یکسان استفاده می‌شود. هنگامی که هر یک از کلیدها بسته شود، لامپ می‌درخشد.

دو خط افقی را پله و دو خط عمودی را ریل می‌نامند. هر پله اتصال الکتریکی بین ریل مثبت (P) و ریل منفی (N) را تشکیل می‌دهد. این اجازه می‌دهد تا جریان بین دستگاه های ورودی و خروجی جریان یابد.

نمودارهای بلوک عملکردی ( Functional Block Diagrams)

نمودار بلوک تابعی (FBD) یک روش ساده و گرافیکی برای برنامه ریزی چندین تابع در PLC است. PLC Open استفاده از FBD را در استاندارد IEC 61131-3 توضیح می‌دهند.

بلوک تابع یک واحد دستورالعمل برنامه است که هنگام اجرا، یک یا چند مقدار خروجی به دست می‌دهد. مطابق شکل زیر با یک بلوک نمایان است.

این به صورت یک بلوک مستطیل شکل با ورودی هایی که در سمت چپ وارد می‌شوند و خطوط خروجی از سمت راست خارج می‌شوند.

این یک رابطه بین وضعیت ورودی و خروجی می‌دهد. مزیت استفاده از FBD این است که می‌توان از هر تعداد ورودی و خروجی در بلوک عملکردی استفاده کرد.

هنگام استفاده از ورودی و خروجی چندگانه، می‌توانید خروجی یک بلوک تابع را به ورودی دیگری متصل کنید. به موجب آن یک نمودار بلوک تابعی ایجاد می‌شود.

شکل زیر بلوک های تابع مختلف مورد استفاده در برنامه نویسی FBD را نشان می‌دهد.

شکل زیر یک نمودار نردبانی و معادل بلوک تابع آن را در نماد زیمنس نشان می‌دهد

برنامه‌نویسی متن ساختار یافته

متن ساختاریافته یک زبان برنامه نویسی متنی است که از عبارات برای تعیین اینکه چه چیزی باید اجرا شود استفاده می‌کند.

از پروتکل های برنامه نویسی مرسوم تری پیروی می‌کند اما به حروف بزرگ و کوچک حساس نیست. مجموعه ای از عبارات (منطق) از بیان انتساب ها و روابط با استفاده از چندین عملگر تشکیل می‌شود. عملگرهای متن ساختارها در تصویر رو به رو نمایان است.

نمونه برنامه نویسی PLC

اگر پمپ در حال کار است و فشار رضایت بخش است، یا اگر سوئیچ تست لامپ بسته است، باید یک لامپ سیگنال روشن شود. در این کاربرد اگر خروجی از ورودی لامپ باشد از هر دو سنسور پمپ و فشار لازم است.

از این رو از گیت های منطقی AND استفاده می‌شود. منطق OR برای شرایط ورودی تست استفاده می‌شود، لازم است یک خروجی لامپ روشن شود.

بدون توجه به اینکه سیگنالی از سیستم AND وجود دارد یا خیر. با استفاده از دستورات END یا RET در نمودار نردبانی، می‌توان گفت که PLC به پایان برنامه می‌رسد. نمودار بلوک تابع و نمودار نردبانی در شکل زیر نمایان است.

مثال های دیگر:

شیری را در نظر بگیرید که قرار است برای بلند کردن بار در زمانی که پمپ کار می‌کند یا کلید بالابر کار می‌کند و سوئیچی کار می‌کند، که نشان می‌دهد بار قبلاً بلند نشده است. بطوری که در انتهای کانال بالابر قرار دارد، کار می‌کند.

منطق OR برای دو کلید و منطق AND برای دو کلید و پمپ استفاده می‌شود. سوپاپ فقط در صورتی کار می‌کند که پمپ روشن باشد و دو سوئیچ کار کند.

یک دستگاه نوشیدنی را در نظر بگیرید که امکان انتخاب چای یا قهوه، شیر یا بدون شیر، شکر یا بدون شکر را فراهم می‌کند و نوشیدنی گرم مورد نیاز را با درج یک سکه تامین می‌کند.

از شکل زیر نشان می‌دهد که چای یا قهوه با استفاده از اولین گیت منطقی OR انتخاب می‌شود. اولین گیت AND هنگامی که چای یا قهوه انتخاب می‌شود و یک سکه در دستگاه قرار می‌گیرد خروجی می‌دهد. خروجی این گیت AND به گیت AND دوم ارجاع می‌شود.

دروازه دوم AND فقط زمانی کار می‌کند که آب داغ با چای ترکیب شود. شیر و شکر افزودنی های اختیاری هستند که می‌توانند پس از درج سکه ایجاد شوند.

تاریخچه پی ال سی ها

بسیاری از PLC های اولیه قادر به نمایش گرافیکی منطق نبودند.  بنابراین در عوض به عنوان یک سری عبارات منطقی در قالب بولی (مشابه جبر بولی) نشان می‌دهند. با تکامل ترمینال های برنامه نویسی، استفاده از منطق نردبانی رایج تر شد. زیرا قالبی آشنا بود که برای تابلوهای کنترل الکترومکانیکی استفاده می‌شد.

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 می‌دهند.

تقریباً تا اواسط دهه 1990، PLC ها با استفاده از پانل های برنامه نویسی اختصاصی یا پایانه های برنامه نویسی ویژه برنامه ریزی می‌شدند که اغلب دارای کلیدهای عملکرد اختصاصی بودند. بطوری که عناصر منطقی مختلف برنامه های PLC را نشان می‌دادند.

برخی از پایانه‌های برنامه نویسی اختصاصی عناصر برنامه های PLC را به عنوان نمادهای گرافیکی نمایش می‌دادند. اما نمایش کد ASCII ساده از کنتاکت ها، سیم پیچ ها و سیم ها رایج بود.

منبع

برای دسترسی به منبع مقاله اینجا کلیک کنید.

امیدوارم از خواند مقاله "PLC (پی ال سی) چیست ؟" لذت برده باشید.