پی ال سی(PLC) چیست؟

کنترل کننده های منطقی با گذشت زمان جایگزین روش رله تکنیک در مدارهای فرمان شده اند. این کنترلرها با عنوان های مختلفی مانند رله قابل برنامه ریزی، کنترلر قابل برنامه ریزی یا PLC شناخته شده و به یک ابزار اساسی در اتوماسیون فرایندهای مختلف تبدیل شده اند. PLC مخفف عبارت Programmable Logic Controller و به معنی کنترل‌کننده‌ی منطقی قابل‌برنامه‌ریزی است. در واقع این دستگاه یک کامپیوتر صنعتی بوده که می تواند توسط کاربر برنامه ریزی شود.
در این ویدئو که برگرفته از دوره لوگو زیمنس است، با پی ال سی یا رله ی قابل برنامه ریزی آشنا می شویم.

عملکرد PLC

پی ال سی ترکیبی از سخت افزار و نرم افزار بوده و به صورت زیر عمل می کند:

1. PLC اطلاعات الکتریکی را از طریق ورودی های خود دریافت می کند. این اطلاعات می توانند دیجیتال یا آنالوگ باشند.
2. اطلاعات طبق برنامه کنترلر پردازش می شود. این برنامه قبلا توسط کاربر طراحی و در پی ال سی قرار داده شده است. طبق تصویر زیر در خلال پردازش از بخش حافظه نیز استفاده می شود.
3. نتیجه اطلاعات پردارش شده به صورت الکتریکی در خروجی ها قرار داده می شود. خروجی ها می توانند به صورت سیگنال‌های آنالوگ و یا دیجیتال باشند.

در فرایندهای پیچیده بسیاری از ورودی ها و خروجی ها از طریق شبکه های صنعتی بین پی ال سی و دستگاه های دیگر تبادل می شود. این مسائل در بخش های بعدی بیشتر بررسی خواهد شد. به صورت کلی در نظر داشته باشید که کنترلرهای برنامه‌پذیر بر اساس مدار منطقی یعنی 0 و 1 طراحی‌شده‌اند.

تاریخچه‌ی PLC

اولین پی ال سی در سال 1968 توسط Richard Morley مؤسس شرکت Bedford Associates اختراع شد. او پس از تاسیس شرکت Modicon (برگرفته از Modular Digital Control) مدل PLC 084 را معرفی کرد تا راه‌حلی برای جایگزینی مدارهای رله تکنیک باشد. این کنترلر 84 امین پروژه شرکت Bedford Associate بوده و به همین علت نام تجاری 084 PLC است. در سال 1973 مدل 084 ارتقاء یافته و با نام تجاری 184 معرفی شد. با این پیشرفت نیروی کار شرکت از 80 به 170 نفر افزایش یافته و فروش آن نیز به 5 میلیون دلار رسید. به این ترتیب شرکت Modicon  اولین PLC تجاری را تولید کرده و باعث تحولی عظیم در صنعت شد. در 1975 شرکت Modicon اولین کنترل‌کننده دارای ریزپردازنده (Microprocessor) بانام تجاری 284 را روانه‌ی بازار کرد. از آن دوره تابه‌حال شرکت‌های بسیاری به ساخت انواع کنترلرها روی آورده‌اند.

مزایای استفاده از پی ال سی

یکی از روش های طراحی مدار فرمان شیوه رله تکنیک نام دارد. در این شیوه از دستگاه های جداگانه استفاده شده که با سیم به یکدیگر متصل شده اند. به عنوان مثال استفاده از تعدادی شستی، کنتاکتور و تایمر را در نظر بگیرید. در این گونه مدارها از انواع پلاتین به صورت نرمال باز و نرمال بسته جهت ساخت گیت های منطقی استفاده می شود. استفاده از پلاتین ها باعث می شود تا عملکرد مدارهای رله تکنیک محدود به منطق دیجیتال گردد. به عبارت ساده تر در مدارهای رله تکنیک نمی توان از ورودی یا خروجی های آنالوگ استفاده کرد. از طرفی پیچیده شده مدارها در این حالت به معنی افزایش تجهیزات جداگانه، حجم سیم بندی و زمان پیاده سازی است. در نظر داشته باشید که هرگونه تغییر یا تعمیر در این مدارها نیز بسیار زمان بر خواهد بود. برای رفع مشکلات فوق از کنترلرهای قابل برنامه ریزی در مدارهای فرمان استفاده می شود. در این روش بسیاری از تجهیزات الکتریکی مانند تایمرها، کانترها و گیت های منطقی حذف شده و پروسه به صورت نرم افزاری کنترل خواهد شد.

ویدئوی زیر برگرفته از دوره ی جامع مینی PLC لوگو ی زیمنس است. در این ویدئو به بررسی تجهیزات کنترلی از جمله تایمر، کانتر و برخی از کنترلرها از جمله مینی پی ال سی لوگو پرداخته ایم.

برخی از مزایای استفاده از کنترلرهای قابل برنامه ریزی عبارتند از:

• کاهش حجم سیم‌ کشی
• قابلیت اطمینان بالا به دلیل حذف برخی از قطعات مکانیکی
• طراحی و کنترل سریع‌تر و آسان‌تر مدارات فرمان
• سادگی در عیب‌یابی و تشخیص خطا
• کنترل سیگنال آنالوگ و برنامه ‌نویسی به‌صورت کنترل حلقه بسته
• مقاومت در برابر گردوخاک و رطوبت و سازگار با محیط‌ های صنعتی و نیمه‌ صنعتی
• حذف کنتاکتور و درنتیجه حذف نویز و سر‌و‌صدا
• قابلیت شبیه ‌سازی برنامه در نرم ‌افزار پیش از پیاده‌ سازی آن روی سخت‌افزار
• افزایش سرعت پاسخ و درنتیجه افزایش میزان بازدهی
• توانایی تغیر روند‌کلی فرآیند و پروسه‌ ی کنترل تنها با تغییر برنامه‌ی نوشته‌شده در نرم‌افزار
• عمر بالا

سخت‌افزار PLC

به صورت کلی بهتر است از انواع کنترلرهای برنامه پذیر یا PLC در مدارهای فرمان پیچیده با تعداد ورودی و خروجی زیاد استفاده کنیم. قابل ذکر است که با استفاده از این دستگاه می توان پروسه های آنالوگ را به خوبی کنترل کرده و از محاسبات ریاضی نیز استفاده کرد. پس از آشنایی کلی با ماهیت پی ال سی بهتر است بخش های تشکیل دهنده آن را بیشتر بشناسیم. به‌طور‌کلی یک کنترلر منطقی برنامه‌پذیر از این اجزا ساخته شده است: 

• پردازشگر مرکزی یا CPU) Central Processing Unit)
• حافظه یا Memory
• ورودی یا Input
• خروجی یا Output
• منبع تغذیه یا Power Supply

در این ویدئو با بخش های پی ال سی آشنا می شویم. ویدئوی زیر برگرفته از دوره لوگو زیمنس مثلث زرد است.

پردازشگر مرکزی یا Central Processing Unit) CPU)

CPU یا پردازنده PLC مغز کنترلر به حساب می‌آید و وظایف زیر را بر عهده دارد:

• به روز رسانی یا آپدیت مقادیر ورودی یا input و خروجی یا output
• انجام عملیات منطقی و محاسبات ریاضی
• برقراری ارتباط با حافظه یا memory
• برقراری ارتباط با پورت برنامه‌نویسی و انتقال داده بین کنترلر و کامپیوتر یا PC

مرکز پردازنده یا CPU بر اساس توانایی آن دسته بندی می شود. در واقع یکی از وظایف ما انتخاب درست کنترلر با توجه به میزان پیچیدگی های مدار است. شرکت های سازنده پی ال سی ها مختلفی را بر اساس توانایی مرکز پردازش و دیگر بخش ها تولید می کنند.

حافظه یا Memory در PLC

برنامه ها و اطلاعات در بخشی از کنترلر با عنوان حافظه ذخیره می شوند. پروسه قرار دادن اطلاعات در حافظه نوشتن یا Writing و بازیابی اطلاعات از حافظه خواندن یا Reading نام دارد. به مجموعه‌ی CPU و Memory یک پردازنده گفته می شود. در واقع تصمیمات پردازنده بر اساس اطلاعات و نرم افزار ذخیره شده در حافظه گرفته می شود.

ورودی

همانطور که شرح داده شد یک کنترلر از واحدهای ورودی، پردازشگر و خروجی تشکیل شده است. به عبارت ساده تر تصمیم گیری های PLC بر اساس ورودی های آن انجام شده و در نهایت به خروجی ها اعمال می شود. ورودی در پی ال سی به معنی مبدل ها یا Transducers هایی است که اطلاعات را از محیط پیرامون به داخل کنترلر منتقل می کنند. این اطلاعات اغلب به صورت سیگنال های دیجیتال یا آنالوگ بوده و توسط تجهیزات مختلفی مانند شستی‌ها، لیمیت سوئیچ، سنسور، سوئیچ‌های مجاورتی (Proximity Switches) و غیره تولید می شوند. ورودی های PLC با توجه به ساختار آن مشخص می شود. به عنوان مثال در نوع کامپکت تعداد این ورودی ها محدود است. به منظور دستیابی به ورودی های بیشتر می توان از مدل های ماژولار یا رک استفاده کرد. در تصویر زیر، یک ماژول‌ ورودی دیجیتال برند زیمنس را مشاهده‌ می‌کنید.

به صورت کلی ورودی های یک کنترل‌کننده‌ی منطقی قابل‌برنامه‌ریزی در دو گروه دیجیتال (Digital Input یا DI) و آنالوگ (Analog Input یا AI) قرار می گیرند. ورودی خروجی های مینی PLC لوگو زیمنس را در مقاله مشاهده I/Oهای آنالوگ و دیجیتال لوگو بررسی کردیم.  انتخاب تعداد و نوع ورودی ها بر اساس نیازمندی های مدار مشخص شده و یک آیتم مهم در انتخاب کنترلر است. ورودی های دیجیتال تنها دارای دو حالت صفر یا یک هستند. با این ورودی ها می توان اطلاعات دیجیتال مانند خاموش یا روش شدن دستگاهی را به پردازشگر منتقل کرد.

ورودی های آنالوگ به منظور سنجش یک کمیت استفاده می شوند. به عنوان مثال اندازه گیری یا کنترل دما، رطوبت، وزن و غیره را در نظر بگیرید. این اطلاعات توسط انواع سنسور یا ترانسدیوسرها تولید شده و توسط ورودی های آنالوگ به پردازشگر منتقل می شود. سیگنال های آنالوگ به صورت استاندارد بوده و می توانند جریانی یا ولتاژی باشند. جهت بررسی بیشتر مقالات ترموستات و کنترلر رطوبت را مطالعه نمایید.

خروجی

خروجی های PLC به منظور انتقال سیگنال های الکتریکی به محیط پیرامون استفاده می شوند. این بخش از پی ال سی با توجه به مدل آن می تواند رله یا الکترونیک باشد. خروجی رله فقط به صورت دیجیتال عمل کرده و می تواند به منظور خاموش و روشن کردن ادوات دیگر مانند کنتاکتورها استفاده شود. رله ها دارای محدوده ولتاژ و جریان مجاز بوده و به سادگی می توان از آن ها در مدارهای مختلف استفاده کرد. این خروجی ها نسبت به نمونه الکترونیک دارای جریان بیشتری هستند.

خروجی الکترونیک یا ترانزیستوری دارای سرعت بیشتری نسبت به نوع رله ای است. این خروجی ها فاقد قسمت های مکانیکی بوده و در مقایسه با نوع رله ای دارای طول عمر بیشتری هستند. علاوه بر این خروجی های PLC می تواند به صورت دیجیتال یا آنالوگ انتخاب شود. نسخه آنالوگ به منظور کنترل سیستم های دیگر به صورت پیوسته استفاده شده و مدل های جریانی یا ولتاژی دارد.

پورت برنامه‌نویسی در پی ال سی

همانگونه که شرح داده شد به منظور انتقال اطلاعات بین PLC و کامپیوتر به یک پورت نیاز است. این ارتباط ممکن است با کابل های استاندارد یا کابل مخصوص شرکت سازنده انجام شود. به عنوان مثال میتوانید مقاله نحوه اتصال لوگو 8 به کامپیوتر را مشاهده کنید.

تعداد ورودی و خروجی های PLC و قدرت پردازنده آن ها به ساختار فیزیکی و مدل آن ها بستگی دارد. به صورت کلی این دستگاه در گروه های مینی پی ال سی و پی‌ال‌سی های کامپکت، ماژولار و رک ساخته می شوند. هر یک از این مدل ها را در مقاله انواع PLC ها بررسی می کنیم. در تصویر زیر یکی از CPU های پی ال سی سری S7_300  شرکت Siemens را مشاهده می‌کنید.

در مقاله های بعدی به بررسی زبان های برنامه نویسی PLC و مینی پی‌ال‌سی ها به خصوص لوگو ی شرکت زیمنس خواهیم پرداخت.