کنترل کننده منطقی برنامه پذیر :
پیشرفت های چشمگیر فن آوری نیمه هادی در زمینه ساخت ریزپردازنده و حافظه های با حجم بالا امکان ساخت کنترل کننده های منطقی الکترونیکی برنامه پذیر را فراهم آورد . در این کنترل کننده ها بر خلاف کنترل کننده های مبتنی بر قسمت های الکترومکانیکی ، برای تغییر منطق کنترل کافی است بدون تغییری در سیم کشی یا قطعات ، فقط برنامه کنترل را تغییر دهیم ، در این صورت می توانیم از یک کنترل کننده منطقی برنامه پذیر هر جا که خواسته باشیم استفاده نماییم . شکل 1-1 یک کنترل کننده منطقی برنامه پذیر را بگونه نمایشی تعریف می نماید .
مزایای استفاده از کنترل کننده های منطقی :
1- استفاده از PLC حجم تابلوهای فرمان را کاهش می دهد .
2- استفاده از PLC مخصوصاً در فرآیندهای پیچیده موجب صرفه جویی فراوان در هزینه می گردد .
3- PLC استهلاک مکانیکی ندارد ، بنابراین علاوه بر طول عمر بیشتر نیازی به سرویس و تعمیرات دوره ای ندارد .
4- مصرف انرژی PLC بسیار کمتر از مدارهای رله ای است .
5- PLC نویزهای صوتی و الکتریکی ایجاد نمی کند .
6- طراحی و اجرای مدارهای کنترل منطقی با PLC آسان و سریع است .
7- ایجاد تغییرات ( Modifications ) و تنظیمات در PLC آسان و سریع است .
8- عیب یابی مدارات کنترل و فرمان با PLC سریع و آسان است و معمولاً PLC خود دارای برنامه عیب یابی می باشد .
2- ساختمان داخلی PLC
ساختمان داخلی یک PLC کم و بیش مانند ساختمان داخلی هر سیستم ریزپردازنده دیگر است . شکل 1-2 حالت کلی مربوط به ساختمان داخلی یک PLC را بیان می نماید .
برای دریافت اطلاعات بیشتر و دانلود به ادامه مطلب مراجعه نمایید.
3- روش و زبان برنامه نویسی PLC
هر PLC دارای زبان برنامه نویسی خاص خود بوده که رابط مابین کاربر و سخت افزار PLC می باشد . بوسیله برنامه کنترل است که یک PLC پروسه مورد نظر را کنترل می نماید . از آنجا که مهمترین گروه علمی _ شغلی مرتبط با PLC گروههای مرتبط با مهندسی برق می باشند لذا سازندگان PLC اقدام به طراحی زبانهای برنامه نویسی خاصی نمودند که به دانسته های قبلی این گروه کاری نزدیکتر باشد . مهمترین روشهای برنامه نویسی عبارتند از :
برنامه نویسی به روش فلوچارتی CSF ( Control System Flowchart )
یا نمایش جعبه ای تابع FBD ( Function Block Diagram )
در این روش برنامه بصورت بلوکی نوشته شده که در آن هر بلوک بیانگر یک عملگر ( Operation ) می باشد .بدین ترتیب برنامه های نوشته شده به روش FBD عبارتند از یک سری جعبه که به یکدیگر متصل گردیده اند .
روشهای فوق الذکر معمولاً بطور مستقل کاربرد چندانی ندارد و اغلب برای عیب یابی و یا شناخت منطق کنترل سیستم ناشناخته بسیار مفید است . شکل پایین یک نمونه برنامه نوشته شده به روش CSF را نمایش می دهد .
Siemens
برنامه نویسی به روش لیست جملات STL ( Statement List )
در این روش هر عمل منطقی توسط یک جمله یا عبارت مناسب نوشته می شود . مثال ارائه شده در شکل پایین نمونه ای از برنامه نوشته شده به روش STL را نمایش می دهد . در این مثال حرف A بیانگر دستور AND می باشد . نکته قابل توجه در این روش برنامه نویسی آن است که هر PLC دارای کد دستورات منحصر بفردی می باشد که این دستورات به نوع CPU بکار رفته بستگی دارد .روش STL نیازهای گرافیکی بسیار کمتری نسبت به دو روش قبل دارد ، لذا نوع و تعداد دستورات قابل درک واجرا در این روش بسیار از روش های LAD و FBD می باشد . به همین دلیل برنامه هایی که به روش LAD یا FBD نوشته می شود معمولاً قابل تبدیل به STL می باشد در حالیکه عکس این قضیه همواره امکان پذیر نیست .
نمونه برنامه نوشته شده به روش STL و برنامه معادل آن به روش CSF
3- کنترل کننده های منطقی برنامه پذیر امروزی
از اولین سالهای تولد PLC تاکنون بیش از سه دهه می گذرد . در این مدت شاهد تغییرات بسیار در ساختار PLC ها بوده ایم . از جمله این تغییرات می توان به افزایش سرعت عملکرد ، توانایی کار با سیگنالهای آنالوگ و دیجیتال و همچنین برخوردار شدن از امکانات ارتباطی ( Communication ) سریع و … اشاره نمود .
برای برنامه نویسی PLC های قدیمی نیاز به یک Programmer مخصوص بود که این امر قیمت تمام شده یک سیستم کنترل منطقی با PLC را افزایش می داد . در حال حاضر امکان برنامه ریزی PLC ها با استفاده از کامپیوترهای شخصی فراهم گردیده است و این امر سهولت و صرفه جویی قابل ملاحظه ای را ایجاد نموده است .
4- نحوه کار PLC
در ابتدای راه اندازی ، مانند هر سیستم مبتنی بر پردازنده ، در PLC نیز برنامه سیستمی اجرا می گردد . پس از اجرای برنامه سیستمی و چک شدن سخت افزار، در صورتی که شرایط لازم برای ورود به حالت اجرا ( RUN ) فراهم باشد ، برنامه کاربر فرا خوانده می شود .برای اجرای برنامه کاربر ابتدا تمام ورودی های PLC بطور یکجا فرا خوانده می شود و وضعیت آنها ( صفر یا یک ) در مکانی بنام تصویر ورودی ( Input – Image – Area ) نوشته می شود . PLC در خلال اولین Scan برنامه ، از داده های تصویر ورودی استفاده می نماید . توجه نمایید در صورتی که در طول اولین Scan ، تغییراتی در ورودی ها حاصل شود ، این تغییرات تا Scan بعدی به مکان تصویر ورودی ها منتقل نمی گردد .PLC ضمن Scan برنامه کاربر نتایج حاصل را درمکانی بنام تصویر خروجی ( Output – Image – Area ) می نویسد و بعد از اجرای کامل برنامه و در پایان ، نتایج را بطور یکجا به خروجی ها ارسال می دارد .خواندن یکجای ورودی ها و ارسال یکجای خروجی ها ، صرفه جویی قابل توجه ای در زمان بدنبال دارد ، زیرا خواندن یا نوشتن با آدرس دهی یک به یک زمان زیادی را به خود اختصاص می دهد .از جمله مزایای دسترسی به مکانهای تصویر خروجی یا ورودی آن است که امکان Set یا Reset نمودن هر یک از بیت های ورودی یا خروجی را مستقل از وضعیت فیزیکی آنها فراهم می نماید و این کار مزیت بزرگی به هنگام عیب یابی یا آزمایش یک برنامه نوشته شده محسوب می شود . روش فوق در عین مزایایی که ذکر گردید ، مسئله ای بنام زمان پاسخ دهی برنامه ( Program Response Time) را بوجود می آورد . زمان پاسخ دهی مدت زمانی است که طول می کشد تا PLC تمام برنامه کاربر را Scan نماید و در این مدت تغییرات بوجود آمده در ورودی ها وارد مکان تصویر ورودی نمی گردد و خروجی ها نیز به حالتی که در Scan قبلی بودند باقی می ماند این امر در فرآیندهایی با سرعت تغییرات زیاد ، مشکل ساز است مخصوصاً زمانی که برنامه کاربر طولانی بوده و مدت زمان زیادی صرف Scan برنامه می گردد .همچنین گاهی ملاحظات ایمنی لازم می دارد که تغییرات آنی بعضی از ورودی ها همواره مورد توجه قرار گیرد که در این صورت زمان پاسخ دهی ممکن است مانع از ثبت به موقع این تغییرات شود .برای حل این مشکل در زبانهای برنامه نویسی دستورات خاصی گنجانده شده است .
با توجه به سرعت بالای PLC های امروزی و کندی فرآیندهایی که توسط آن کنترل می گردند
( سیستم های الکترو مکانیکی ) زمان پاسخ دهی در شرایط عادی ، معمولاً مشکلی ایجاد نمی نماید . شکل پایین طرز کار PLC را بیان می دارد .
نگاهی به داخل PLC
یکPLC درواقع کامپیوتری است که با آنچه احتمالاً درباره آن شنیده اید یا با آن کار کرده اید فرق دارد .بیشتر مردم با کامپیوترهای خانگی آشنایی دارند . نوع دیگری رایانه نیز وجود دارد که به عنوان رایانه کنترل فرآیند شناخته می شود . هر چند که این رایانه نیز داده ها را پردازش می کند ولی وظیفه اصلی آن کنترل فرآیندهای صنعتی و تولیدی است ( ماشین آلات تولید ، روباتها ،خطوط تولید و… ).
هر چند که این رایانه ها ممکن است صفحه کلید نیز داشته باشند ، ورودی های کنترل آنها سوئیچها وحسگرها هستند و خروجی های آنها علاوه بر نمایشگرها و چاپگر ، سیگنالهای کنترلی برای انواع موتورها ، سولنوئیدها و ...می باشند.
5- واحدهای تشکیل دهنده PLC
در PLC های کوچک ، پردازنده ، حافظه نیمه هادی ، ماژول های I/O و منبع تغذیه در یک واحد جای داده شده اند . در PLC های بزرگتر ، پردازنده و حافظه در یک واحد ، منبع تغذیه در واحد دوم و واسطه های I/O در واحدهای بعدی قراردارند .
ابزار برنامه نویسی ، که معمولاً یک واحد پردازنده با صفحه نمایش و صفحه کلید می باشد ( بعنوان مثال یک کامپیوتر شخصی ، یک PG در خانواده زیمنس و یا کنسول در خانواده Omron ) به عنوان یک واحد مجزا از طریق یک سیم به واحد اصلی متصل می گردد .
شکل پایین قسمتهای اصلی یک سیستم پردازش در PLC را نمایش می دهد .
حافظه ثابت سیستم ، حاوی برنامه ای است که توسط کارخانه سازنده تعبیه شده است . این برنامه وظیفه ای مشابه سیستم عامل Dos دردستگاههای PC دارد که بر روی تراشه های خاصی بنام حافظه فقط خواندنی ( ROM ) قرار گرفته است . برنامه های ثابت در ROM ، درحین عملیات CPU نمی توانند تغییر یابند یا پاک شوند . برنامه موجود در این حافظه غیر فرار به هنگام قطع تغذیه CPU نیز حفظ می شود .
اطلاعات حافظه تغییر پذیر بر روی تراشه های نیمه هادی ذخیره می شود که امکان برنامه ریزی ، تغییر و پاک کردن آنها توسط برنامه ریز میسر است . این حافظه عمدتاً از نوع حافظه های با قابلیت دسترسی تصادفی ( RAM ) انتخاب می گردند .اطلاعات موجود درحافظه های RAM با قطع تغذیه ، پاک می گردند .
اغلب CPU ها مجهز به یک باتری پشتیبان هستند . بنابراین اگر تغذیه ورودی قطع شود و متعاقباً منبع تغذیه نتواند ولتاژ سیستم را تامین کند ، باتری پشتیبان برنامه ذخیره شده در RAM را حفظ می کند . همانگونه که در شکل پایین ملاحظه می گردد ، قسمت پردازنده دارای ارتباطاتی با قسمت های مختلف داخل و خارج خود می باشد .
واحدهای اصلی تشکیل دهنده سیستم پردازش در PLC
6- پردازنده
تمام پردازنده های رایانه ای ، به گونه ای طراحی شده اند که بتوانند محاسبات منطقی و حسابی را انجام دهند . این عملیات بوسیله ریزپردازنده ( Microproccessor ) و از طریق بکارگیری دستورالعمل های متفاوت انجام می گیرد .ریزپردازنده ها بر حسب میزان قدرت طبقه بندی می گردند . دو عامل در تعیین میزان قدرت ریزپردازنده ها عبارتند از تعداد بیت ها و سرعت پالس ساعت (Clock ) .ریزپردازنده های فعلی امکان پردازش داده ها ، بصورت 4 ، 8،16 یا 32 بیتی را دارا می باشند .هرچه تعداد این بیتها بیشتر باشد ، قدرت پردازنده بیشتر است . میزان پالس ساعت ، سرعت اجرای هر دستورالعمل را نشان می دهد . محدوده سرعت پالس ساعت در حال حاضر از محدوده 1MHz تا 66MHz متغیر می باشد .جدول ارائه شده در شکل پایین تعدادی از میکروپروسسور های معروف را مقایسه نموده است .تعدادی از PLC ها از ریزپردازنده های عنوان شده در جدول فوق الذکر بهره می گیرند و تعدادی دیگر از آنها از CPU های انحصاری خود کارخانه سازنده استفاده می نمایند . با اختراع پردازنده های پنتیوم ، نسل جدید PLC ها نیز با بکارگیری این پردازنده های سرعت بالا پا به عرصه صنعت گذاشته اند . از جمله این PLC ها می توان به خانواده های C7 و M7 از شرکت زیمنس اشاره نمود .
8085 8-bit 1MHz
8086 16-bit 4.77MHz
80186 16-bit 8MHz
80286 16-bit 12.5MHz
80386 32-bit 33MHz
80486 32-bit 50MHz
مقایسه تعدادی از ریز پردازنده های معروف
7- (ماژول ها ی ورودی و خروجی Input / Output )
ماژول ورودی به صورت الکترونیکی چهار کار اصلی را انجام می دهد . اولاً این ماژول حضور یا عدم حضور سیگنال الکتریکی در تمام ورودیها را بررسی می کند . این سیگنالهای ورودی، وضعیت قطع یا وصل سوئیچها ، حسگرها و سایر عناصر در فرآیند تحت کنترل را نمایش می دهند . ثانیاً این ماژول سیگنال مربوط به وصل بودن را از نظر الکتریکی به سطحی DC که توسط مدارات الکترونیکی ماژول I/O قابل استفاده باشد ، تغییر می دهد . برای سیگنال ورودی قطع ، هیچ تبدیل سیگنالی صورت نمی گیرد و نشان دهنده حالت قطع است . ثالثاً این ماژول ، جداسازی الکترونیکی را با جداکردن خروجی ماژول ورودی از ورودی اش به صورت الکترونیکی انجام می دهد . در نهایت این ماژول سیگنالی را که توسط CPU سیستم PLC قابل تشخیص است ، ایجاد می کند .تمام این وظایف در طرح شکل پایین نشان داده شده است .
طرح ماژول ورودی PLC
شکل فوق فقط مدار یک ترمینال رانمایش می دهد . تمام ترمینالهای یک ماژول ، دارای مدار یکسان هستند . بلوک اولیه سیگنالهای ورودی را از سوئیچها ، سنسورها و غیره دریافت می نمایند .سیگنالهای AC ، در واحد مبدل DC که به یکسوسازها ، المانهای مربوط به کاهش ولتاژ و تنظیم کننده ها مجهز است ، به سیگنالهای DC تبدیل می شوند . برای سیگنالهای DC به نوعی از مدارات مبدل DC به DC نیاز است . خروجی این مبدل مستقیماً به ورودی CPU متصل نمی شود ، چون این امر در صورت یک جهش ولتاژ یا نقص فنی در مدار ممکن است ، سبب آسیب دیدن CPU شود. به عنوان مثال اگر واحد مبدل دچار اتصال کوتاه شود ، ولتاژ 120 ولت متناوب در ورودی مستقیماً به CPU می رسد و چون CPU با ولتاژ 5 ولت مستقیم کار می کند ، احتمال سوختن آن زیاد خواهد بود . بلوک جداسازی ( Isolator ) ، CPU را از چنین صدمه ای حفظ می نماید . این جداسازی معمولاً توسط جداسازهای نوری ، همانطور که در شکل نمایش داده شده است ، انجام می گردد . قطع و وصل سیگنال ، از طریق فعال شدن یک اشعه نورانی ( تولید شده توسط یک LED ) و نهایتا فعال سازی توسط یک ترانزیستور نوری به خروجی این طبقه منتقل می گردد .
ماژول خروجی به گونه ای عکس ماژول ورودی عمل می نماید . یک سیگنال DC که از CPU ارسال می گردد ، در هر ماژول خروجی به سیگنال الکتریکی با سطح ولتاژ مناسب به صورت AC یا DC که توسط دستگاهها قابل استفاده باشد ، تبدیل می گردد . شکل پایین نمودار بلوکی یک ماژول خروجی را نمایش می دهد .
طرح ماژول خروجی PLC
8- انواع سیستم های PLC
در صنعت PLC بیش از یکصد کارخانه با تنوع بیش از هزار مدل از انواع مختلف PLC فعالیت می نمایند .این نمونه های مختلف دارای سطوح مختلفی از کارآیی می باشند .PLC ها را می توان از نظر اندازه حافظه یا تعداد ورودی / خروجی دسته بندی نمود . جدول ارائه شده در شکل پایین نمونه ای از این تقسیم بندی را نمایش می دهد .
اندازه PLC تعداد خطوط I/O اندازه حافظه
کوچک 40/40 1K
متوسط 128/128 4K
بزرگ بیشتر از 128 / بیشتر از 128 بیش از4K
دسته بندی PLC ها
البته برای ارزیابی قابلیت یک PLC باید ویژگی های دیگری نظیر پردازنده ، زمان اجرای یک سیکل ، سادگی زبان برنامه نویسی ، قابلیت توسعه و غیره را در نظر گرفت .در یک تقسیم بندی PLC ها در دو غالب PLC های با کاربرد محلی و PLC های با کاربرد وسیع تقسیم می گردند .
9- PLC ها با کاربرد محلی :
این نوع PLC ها برای کنترل سیستم هایی با حجم کوچک با تعداد ورودی و خروجی های محدود استفاده می گردند . به علت قابلیت محدود تر ، این نوع P LC ها برای کنترل همزمان تعداد کمتری از پروسه ها و یا کنترل دستگاههای مجزای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند . اغلب شرکت های سازنده ، این نوع PLC ها را به همراه سایر PLC ها به بازار ارائه نموده اند ولی برخی از شرکت های سازنده آنرا با نام میکرو PLC به بازار ارائه می نمایند . ازجمله این نوع PLC ها می توان به نمونه های زیر اشاره کرد :
1-مینی PLC ساخت کارخانه زیمنس آلمان با نام LOGO
2- مینی PLC ساخت کارخانه تله مکانیک فرانسه با نام Zelio
3- PLC مولر آلمان
4-PLC ، LG کره
10- PLC های بزرگ با کاربرد گسترده :
این نوع PLC ها برای کنترل سایت کارخانجات بزرگ ، از جمله کارخانجات سیمان ، پتروشیمی و… استفاده می گردند . معمولاَ در این نوع صنایع ، PLC ها یا پورت های ورودی ، خروجی درقسمت های مختلف سایت کارخانه وجود داشته و کنترلی محلی بر قسمت های تحت پوشش خود انجــام می دهند .
سپس اطلاعات مورد نیاز با استفاده از روشهای مختلف انتقال DATA به اتاق کنترل مرکزی منتقل شده که در آن محل با استفاده از روش های مختلف مونیتورینگ صنعتی ، اطلاعات را به شکل گرافیکی تبدیل کرده و بر روی صفحه مونیتور نمایش می دهند . در این حال اپراتور تنها با دانستن روش کار با کامپیوتر و بدون نیاز به اطلاعات تخصصی می تواند سیستم را کنترل نماید .
از جمله این PLC ها می توان به نمونه های زیر اشاره کرد :
1- خانواده PLC های S5 و S7 زیمنس آلمان
2- خانواده PLC های OMRON ژاپن
3- خانواده PLC تله مکانیک فرانسه
4- خانواده PLC میتسوبیشی ژاپن
5- خانواده PLC ، LG کره
6- خانواده PLC آلن برادلی آمریکا
7- ……
- کنترل کننده منطقی برنامه پذیر :
پیشرفت های چشمگیر فن آوری نیمه هادی در زمینه ساخت ریزپردازنده و حافظه های با حجم بالا امکان ساخت کنترل کننده های منطقی الکترونیکی برنامه پذیر را فراهم آورد . در این کنترل کنند ...