بخش های یک مدار فرمان:

در تمام سیستم ها سه بخش اصلی شامل ورودی، پردازشگر و خروجی وجود دارد. از آن جایی که مدارهای فرمان نیز نوعی سیستم محسوب می شوند، می توانیم این سه بخش را برای آنها هم در نظر بگیریم. لازم به ذکر است که این دسته بندی جهت بررسی مدارهای فرمان بوده و تاسیسات الکتریکی شامل قسمت های دیگری مانند تجهیزات حفاظتی، قدرت، جمع آوری و انتقال اطلاعات، کنترل از راه دور و … نیز می شوند. طبق تصویر، واحد پردازش در قسمت میانی قرار گرفته و بر اساس ورودی های مختلف، خروجی ها را تغییر می دهد. در ادامه با این سه بخش مدارهای فرمان  بیشتر آشنا می شویم.

ورودی:

ورودی یا Input به معنی این است که یک مدار یا پروسه بر اساس چه شرایطی شروع به کار کرده، تغییر کند و یا کاملا متوقف شود. ورودی های یک مدار فرمان ممکن است وابسته به انسان، زمان، ماشین آلات دیگر، شرایط محیطی، برنامه های از پیش تعیین شده و … بوده و در دو نوع دیجیتال یا آنالوگ باشد. در واقع با اعمال یک ورودی به مدار فرمان اعلام می کنیم که باید تصمیم خاصی گرفته شود. به عنوان مثال طبق تصویر زیر، فرمان استارت توسط یک شستی، مشخص می کند که یک الکتروموتور باید شروع به کار کند. فرمان های بعدی در این مدار ممکن است برای متوقف کردن پروسه و یا ایجاد تغییر در آن مانند کنترل سرعت، جهت و … باشد.
برای طراحی یک مدار مناسب، ابتدا باید تمام ورودی ها و انواع آن ها را مشخص کنیم. در مدارهای پیچیده بهتر است از حالت های گرافیکی یا فلوچارت استفاده کرده و تمام مراحل کاری را ترسیم کرد. این کار به انتخاب بهتر تجهیزات و طراحی بهتر مدار فرمان کمک می کند.

پردازش:

قسمت پردازش، بین دو بخش ورودی و خروجی قرار گرفته و با توجه به نوع مدار، ممکن است از قطعات بسیار متنوعی تشکیل شده باشد. به عنوان مثال تایمرها، کنتاکتورها، رله های الکترومکانیکی، رله های قابل برنامه ریزی، پی ال سی و …از جمله قطعاتی هستند که می توانند در مدارهای فرمان به عنوان پردازشگر در نظر گرفته شوند. در تصویر زیر یک رله ی ایمنی برند EATON را مشاهده می کنید.

خروجی:

خروجی یا Output آخرین بخش یک مدار فرمان بوده و حاصل ورودی های پردازش شده است. این قسمت مشخص می کند که ماشین آلات یا تجهیزات باید چگونه کار کنند.  در مدارهای فرمان پیچیده و پیشرفته امروزی، تنها از ورودی و خروجی های دیجیتال یا قطع و وصل ساده استفاده نمی شود. در این مدارها، مدل های دیگری از  ورودی و خروجی ها تحت عنوان سیستم آنالوگ نیز وجود دارد. سیستم های آنالوگ می توانند در قسمت ورودی و خروجی مدارهای فرمان به شکل های ولتاژی و جریانی استفاده شوند. به عنوان مثال با یک خروجی دیجیتال تنها می توان می توان یک الکتروموتور را روشن و خاموش کرده ولی با یک خروجی آنالوگ، علاوه بر روشن و خاموش کردن، جهت گردش و سرعت آن را هم کنترل کرد. قبل از بررسی تجهیزات الکتریکی باید با تعریف و تفاوت های ورودی و خروجی دیجیتال و آنالوگ آشنا شویم.

ورودی و خروجی دیجیتال:

عنوان ورودی و خروجی دیجیتال یا منطقی در تخصص های زیادی از جمله برق استفاده می شود. به صورت کلی سیستم دیجیتال را می توان دو مرحله ای یا صفر و یک تعریف کرد. در این روش یک ورودی یا خروجی، تنها می تواند یکی از دو حالت حداقل و حداکثر را داشته باشد. طبق تصویر زیر روشن و خاموش کردن یک لامپ توسط کلید را در نظر بگیرید.

با وصل کلید، تمام ولتاژ از مدار عبور کرده و باعث روشن شدن لامپ می شود. روشن شدن لامپ صرف نظر از میزان ولتاژ آن، از نظر مداری حالت یک در نظر گرفته می شود. برای خاموش کردن لامپ باید کلید را در حالت صفر قرار داد. این کار باعث قطع کامل جریان و خاموش شدن لامپ می شود. از نظر مداری این حالت صفر نام دارد.

نکته ی مهم این است که حالت دیجیتال فقط برای سیستم های کامپیوتری یا ۵ ولت نبوده و می تواند به کلیه ی سطوح ولتاژی تعمیم داده شود. به عبارت دیگر مدارهای فرمان رله تکنیک که از انواع شستی ها، تایمرها، کنتاکتور، رله های الکترومکانیکی و … در آن ها استفاده می شود هم نوعی مدار دیجیتال هستند.

در مقالات بعدی به بررسی انواع ورودی های دیجیتال در مدارهای فرمان مانند شستی ها، جوی استیک ها، پدال ها و … می پردازیم. می توانید این مقالات را در بخش طراحی مدارهای کنترل و فرمان مطالعه کنید.

ورودی و خروجی آنالوگ:

در سیستم دیجیتال تنها دو حالت قطع و وصل وجود داشته و هیچ کنترلی روی میزان کمیت ها به صورت پیوسته وجود ندارد. حالت های قطع و وصل به تنهایی نمی توانند تمام نیازهای یک مدار را پوشش دهند و در بسیاری موارد باید کمیت های مانند دما، سرعت، فشار و … به صورت پیوسته و دقیق کنترل شوند.
برای درک بهتر فرض کنید می خواهیم میزان روشنایی داخل ساختمان را بر اساس روشنایی بیرون از ساختمان کنترل کنیم به گونه ای که در طول روز، محیط داخل روشنایی کمتری داشته و با غروب آفتاب، روشنایی آن بیشتر شود. برای اینکار می توان از دو روش دیجیتال و آنالوگ استفاده کرد. این مثال فقط جهت درک بهتر تفاوت میان کنترل به روش دیجیتال و آنالوگ بوده و یک مدار صنعتی محسوب نمی شود.

روش دیجیتال:

طبق تصویر زیر  تعدادی لامپ مجزا در ساختمان نصب کرده و با کمتر شدن نور محیط آن ها را به ترتیب روشن کنیم. این کار تا دست یابی به حداکثر روشنایی ادامه پیدا می کند. در این روش علاوه بر استفاده از تجهیزات بیشتر و سیم بندی های پیچده تر، کنترل روی شدت روشنایی خیلی دقیق نبوده و تغییرات آن به صورت پله ای اعمال می شود. برای رفع این مشکل می توان از حالت آنالوگ استفاده کرد.

روش آنالوگ:

طبق تصویر زیر یک لامپ در داخل ساختمان نصب کرده ولی میزان شدت روشنایی آن را با تغییر ولتاژ، کنترل کنیم. در این حالت شدت روشنایی با دقت بهتری کنترل شده و تغییرات به نرمی و پیوستگی صورت می گیرد.

در مدارهای صنعتی مدل های مختلفی از ورودی و خروجی آنالوگ بر اساس نوع کمیت و دامنه ی تغییرات وجود دارد. برخی از این مدل ها را در جدول زیر و شکل موج آن ها را در تصویر مشاهده می کنید.

نوع کمیت بازه مثال
ولتاژی ۰ تا ۵ ولت کنترل سرعت الکتروموتور یا روشنایی و …
ولتاژی ۰ تا ۱۰ ولت کنترل سرعت الکتروموتور یا روشنایی و …
ولتاژی ۱ تا ۵ ولت کنترل سرعت و … به همراه تشخیص عیب در مدار (در صورتی که مدار دچار قطعی شود،حداقل ولتاژ از یک به صفر کاهش پیدا کرده و سیستم متوجه اشکال می شود.)
ولتاژی ۱ تا ۱۰ ولت کنترل سرعت و … به همراه تشخیص عیب در مدار
ولتاژی ۱۰- تا ۱۰+ ولت کنترل سرعت و جهت الکتروموتور به صورت همزمان
جریانی ۰ تا ۲۰ میلی آمپر کنترل سرعت الکتروموتور یا روشنایی و …
جریانی ۴ تا ۲۰ میلی آمپر کنترل سرعت و … به همراه تشخیص عیب در مدار (در صورتی که مدار دچار قطعی شود، حداقل جریان از ۴ میلی آمپر به صفر کاهش پیدا کرده و سیستم متوجه اشکال می شود.)

انواع شکل موج ورودی و خروجی های آنالوگ را در تصویر زیر مشاهده می کنید. تصویر شماره ۱ صفر تا پنج ولت، ۲ صفر تا ده ولت، ۳ یک تا پنج ولت، ۴ یک تا ده ولت، ۵ صفر تا بیست میلی آمپر، ۶ چهار تا بیست میلی آمپر و ۷ صفر تا مثبت و منفی ده ولت ۶ چهار تا بیست میلی آمپر و ۷ صفر تا مثبت و منفی ده ولت.

دوره ی تصویری تجهیزات کنترل و فرمان