PLC چیست ؟ (پی ال سی)

PLC چیست ؟ از صفر تا صد

سالهای زیادی است که فناوری PLC باعث خودکار شدن فرآیندهای متعددی در زندگی عادی انسانها و البته در دنیای صنعتی شده است. فناوری PLC که در ابتدا برای کاربردهای صنعتی اختراع شد اما بعداً به خاطر قدرت و انعطاف پذیری زیاد، کاربردهایش به شکل روزافزون گسترش پیدا کرد.

PLC چیست ؟ در این مطلب در مورد PLC بیشتر توضیح خواهیم داد.

پی ال سی چیست؟

PLC در لاتین ( Programmable Logic Controller ) که به معنی کنترل کننده منطقی قابل برنامه‌ریزی است. اما در اصل PLC چیست و چه کاربردی دارد؟

PLC پی ال سی یک نوع کامپیوتر خاص است که برای کارکردی قابل اطمینان در شرایط صنعتی خاص طراحی شده است. شرایطی مثل دماهای بسیار بالا، رطوبت، خشکی و گرد و خاک. پی ال سی‌ها طراحی شده‌اند تا بتوانند فرآیندهای صنعتی را اتوماتیک کنند. کارهایی مثل خط مونتاژ در یک کارخانه تولیدی، فرآیندهای موجود در کارخانه‌های سنگ معدن یا تسویه‌خانه‌های فاضلاب و … ( نمونه کارهای شرکت الکترو افلاک EAG )

پی ال سی چیست؟ ( تاریخچه PLC )

PLC در اصل حاصل ایده‌های فردی به نام ریچارد دیک مورلی است. او فردی معمولی در دانشگاه MIT بود که تصمیم گرفت تحصیل خود را نیمه‌کاره رها کرده و به طرف مسیری ناشناخته ولی هدفی مصمم قدم بگذارد.

دیک مورلی شرکت خود را تاسیس کرد و در طی سالیان مختلف تلاش کرد تا چالش بزرگ صنعت را به خوبی شناسایی کرده و در جهت رفع آن تفکر و ایده‌پردازی کند.

سیستم کنترلی قبل از PLC

عمده سیستم‌های کنترلی که در صنعت استفاده می‌شد، به صورت رله و بانک‌هایی از رله بود. جایی که مجموعه‌ای از رله‌ها، وظیفه کنترل و خاموش/روشن کردن دستگاه‌های خروجی را به عهده داشتند. در برخی از این سیستم‌ها تعداد رله‌ها اینقدر زیاد می‌شد که یک محفظه شامل رله و بانک رله تشکیل می‌داد.

برخی از مشکلات بزرگ این نوع سیستم ها ذاتاً به مکانیکی بودن رله‌ها برمی‌گشت. استهلاک در طول زمان بر اثر کلیدزنی‌های فراوان باعث خرابی رله‌ها می‌شد.

یک عیب بزرگ دیگر این سیستم‌ها این بود که اگر نقصی در سیستم پیش بیاید، تشخیص محل دقیق آن زمانبر و مشکل است. به عبارت دیگر در زمان نقص، دستگاهها در مدت زمان قابل توجهی باید کارکرد خود را متوقف کنند تا مکان عیب تشخیص داده شده و رفع گردد.

به همین علت افراد و شرکت‌های مختلفی، مدتها روی سیستمی کار کردند که این مشکلات را برطرف کند؛ و در نهایتPLC پی ال سی به عنوان جایگزین این سیستم ارائه شد.

مشکلات سیستم سنتی کنترلی (بانک رله)

یک کارخانه مدرن را در نظر بگیرید. به این موضوع بنگرید که چطور تعداد زیادی رله و بانک رله برای کنترل یک ماشین نیاز خواهد بود! تمامی این رله ها باید به ترتیب کاملاً مشخصی سیم کشی شوند تا فرآیند کنترل به درستی صورت پذیرد.

اگر تنها یک رله با نقص مواجه شود، عملکرد کل سیستم با مشکل مواجه خواهد شد. عیب یابی در چنین شرایطی شاید ساعتها طول بکشد! سیستم بانک رله در چنین شرایطی نیاز به فضای زیاد و همچنین زمانبندی نگهداری و تعمیرات مشخصی دارد.

همچنین ایجاد هر گونه تغییر در چنین سیستمی به سادگی امکان پذیر نخواهد بود. تمامی این مشکلات باعث شده بود تا تحول در چنین سیستمی به دغدغه بزرگ بسیاری از مهندسان و پرچمداران حوزه اتوماسیون صنعتی تبدیل شده بود. ( نمونه کارهای شرکت الکترو افلاک EAG )

مهمترین مزیت PLC چیست؟

می‌توان گفت مهمترین نقطه قوت PLC پی ال سی در مقابل سیستم‌های کنترل قدیمی در این است که شما می‌توانید پس از اینکه طرح مدنظر خود را برنامه‌ریزی کردید، برگردید و مجدداً برنامه و طرح خود را تغییر دهید. اینکار هزینه کمی نسبت به سیستم‌های قدیمی دارد و این هزینه فقط در زمانی است که برنامه‌نویس باید برای تغییر برنامه خود صرف کند.

مثال زیر تنها یک نمونه بسیار ساده از کارکرد پی ال سی می باشد. یک PLC توانایی کنترل و اجرای فرآیندهای بسیار پیچیده‌تری را دارد.

لامپی را در نظر بگیرید که به یک کلید متصل شده است. لامپ دو حالت بیشتر ندارد، یا روشن است و یا خاموش:

به شما گفته شده است که کاری کنید تا وقتی کلید در حال وصل (ON) قرار گرفت، پس از 30 ثانیه لامپ روشن شود. مسلماً در این ساختار سیمی، پیاده سازی چنین چیزی بسیار دشوار است.

تنها راهی که شاید بتوانید به این هدف دست پیدا کنید این است که سیم‌کشی مدار خود را تا جایی زیاد و پیچیده‌تر کنید که بتوانید به این تاخیر مد نظر دست پیدا کنید. البته باز هم در عمل این کار بسیار دشوار است! بله برای یک تغییر جزیی، به دردسرهای بزرگی می‌افتیم.

و اینجاست که نقش کنترل کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی (PLC) مشهود و پررنگ می‌شود. به طوریکه نیاز به هیچ سیم‌کشی اضافه‌ای در سیستم نداریم. تنها کافیست چند خط کد ساده به برنامه اضافه کنیم؛ با این کارکرد که کنترلر 30 ثانیه تاخیر در روشن کردن لامپ پس از فشردن کلید بیندازد.

گذشته از این با حضور پی ال سی، اکنون شما می‌توانید چندین ورودی مختلف را دریافت کرده و در سمت خروجی نیز چندین دستگاه خروجی متفاوت را کنترل نمایید.

نحوه عملکرد PLC

نحوه کارکرد پی ال سی را به سادگی می‌توان با مشاهده چرخه اسکن نرم‌‎افزاری آن درک نمود. این چرخه را در تصویر بالا مشاهده می‌کنید.

در ابتدا و قبل از هر کاری باید پیکره‌بندی اولیه PLC انجام شود. شناساندن نوع و شرکت سازنده پی ال سی به نرم‌افزار، تعیین پورت‌های ورودی-خروجی و … که همه این کارها معمولاً به صورت نرم‌افزاری انجام می‌شود.

چرخه عملکرد PLC چیست؟

در زیر به شرح مراحل مختلف این چرخه خواهیم پرداخت:

سیستم‌عامل در ابتدا رصد زمانی خود را شروع می‌کند و وارد این چرخه می‌شود.
CPU شروع به خواندن داده‌ها از ماژول ورودی می‌کند و وضعیت تمام ورودی‌ها را بررسی می‌کند.
CPU در گام بعدی شروع به اجرای برنامه نوشته شده کاربر می‌کند. این برنامه می‌تواند در منطق لدر (ladder) باشد و یا با هر زبان برنامه‌نویسی دیگر که مبتنی بر PLC است، باشد.
سپس CPU به سازوکارهای داخلی و وظایف ارتباطی خود می‌پردازد.
بر اساس نتیجه برنامه اجرا شده، پردازنده آن داده را در ماژول خروجی می‌نویسد تا وضعیت تمام خروجی‌ها به روز شود.
مراحل این فرآیند ادامه پیدا می‌کند تا زمانی که PLC در حالت اجرایی و عملکردی خودش قرار دارد.

ساختار PLC چیست ؟

مهمترین بخش‌های درونی پی ال سی به شرح زیر است:

واحد پردازشگر مرکزی (CPU)
ماژول منبع تغذیه
ماژول ورودی
ماژول خروجی

ماژول CPU و حافظه

ماژول CPU را می‌توان به نوعی مغز PLC دانست که وظیفه اجرای برنامه‌ها، و مدیریت وظایف محول شده به PLC را بر عهده دارد.

ماژول سی پی یو یا همان پردازشگر مرکزی، شامل یک پردازنده اصلی و حافظه‌های ROM و RAM است. حافظه فقط خواندنی (ROM) شامل سیستم عامل، درایورهای مورد نیاز و برنامه‌های کاربردی است. از طرف دیگر حافظه دسترسی تصادفی (RAM) به منظور ذخیره برنامه‌ها و داده‌ها بر روی خود استفاده می‌شود.

اگر بخواهیم این ماژول را با واحدهای سخت‌افزاری جایگزین کنیم، می‌توانیم آن را معادل مجموعه‌ای از رله‌ها، تایمرها و شمارنده‌های متصل به همدیگر در نظر بگیریم.

اما دو نوع پردازنده معمولاً در PLC ها استفاده می‌شود:

پردازنده یک بیتی
پردازنده کلمه‌ای

پردازنده یک بیتی، برای کاربردهای ساده‌تر و منطقی (لاجیک) استفاده می‌شود. جایی که یک بیت برای داده به عنوان پردازش کافی باشد. ولی پردازنده کلمه‌ای، برای کاربردهای پیچیده‌تر مثل پردازش متن، داده‌های محاسباتی، کنترلی و… به کار گرفته می‌شود.

CPU به طور پیوسته، وضعیت مقادیر ورودی از دستگاه‌های متعدد ورودی را مانیتور می‌کند (دستگاه‌هایی مثل شتاب‌سنج، دماسنج، سنسورها و…)؛ داده ورودی تطبیق یافته را از ماژول ورودی می‌خواند و سپس بر اساس منطق نوشته شده در خود، خروجی مورد نظر را ایجاد کرده و به ماژول خروجی ارسال می‌کنند. این خروجی می‌تواند سیگنالی جهت روشن شدن موتور یا موارد مشابه باشد.

ماژول منبع تغذیه

ماژول منبع تغذیه وظیفه تامین برق و تغذیه مورد نیاز تمام بخشهای سیستم را به عهده دارد. این ماژول برق ورودی متناوب (AC) را به برق جریان مستقیم (DC) تبدیل می‌کند که مورد نیاز بخش‌هایی مثل CPU و ماژولهای ورودی و خروجی است.

تغذیه اصلی اکثر پی ال سی ها، 24 ولت دی سی است. PLC های کمی هستند که نیاز به ولتاژی جز این مقدار داشته باشند.

ماژول ورودی PLC چیست ؟

اِعمال سیگنالهای فیزیکی نظیر دما، فشار، ارتعاش و… به پردازنده به دلیل ماهیتِ غیردیجیتال این سیگنالها، امکان‌پذیر نیست. ماژول CPU فقط منطق دیجیتال می‌فهمد و هر چیزی غیر از آن را نمی‌‎تواند درک کند! به همین دلیل ماژول‌های ورودی و خروجی طراحی شده‌‎اند تا بتوانند منطق دنیای بیرونِ PLC را به پردازشگر آن بفمانند.

پس در حقیقت یکی از کاربردهای مهم ماژول ورودی و خروجی، تطبیق نوع سیگنال‌های دستگاههای ورودی با پی ال سی است.

مثلاً اگر قرار باشد وضعیت دماسنج بررسی شده و دمای اعلامی آن به پی ال سی ارسال شود، نوع سیگنال آن باید از نوع آنالوگ به دیجیتال تبدیل شود. مبدل آنالوگ به دیجیتال در ماژول ورودی قرار دارد و سیگنال دماسنج را قابل فهم و پردازش برای CPU می‌کند.

اساساً یکی از مهمترین مزایای استفاده از ماژول‌های ورودی و خروجی ایجاد ایزولاسیون بین پی ال سی و دنیای بیرون است. قرار نیست مشکلات احتمالی (نویز، سیگنالهای ناخواسته و…) که در خارج از کنترلر وجود دارد، روی آن اثری بگذارد.

در تصویر زیر می‌توانید ساختار ساده‌ای از ماژول‌های ورودی را ملاحظه کنید:

ماژول ورودی PLC چیست ؟ — ماژول ورودی پی ال سی، وظیفه تبدیل سطح ولتاژ ورودی را برای پردازشگر به عهده دارد.

همچنین ساختار مداری این ماژول نیز به شکل زیر است:

ساختار مداری ماژول ورودی — ساختار مدار داخلی ماژول ورودی PLC

پس ماژول ورودی PLC، چهار وظیفه اصلی دارد:

دریافت سیگنالها از دستگاههای ورودی در سطح ولتاژ 220 ولت AC
تبدیل سیگنالهای ورودی به سطح 5 ولت DC که قابل استفاده برای ماژول CPU باشد.
ایزوله کردن PLC از نوسانات دستگاههای ورودی
ارسال سیگنال نهایی با سطح ولتاژ 5 ولت DC به خروجی (ماژول پردازشگر)

همانطور که در دو تصویر فوق نیز مشاهده می‌کنید، ماژول ورودی دو بخش اصلی دارد. یک بخش تبدیل ولتاژ و یک بخش مدارات منطقی؛ که این دو بخش از یکدیگر ایزوله شده‌اند.

یکبار دیگر، تصویر مداری ساختار را ببینید. هنگامی که پوش باتن، فشرده می‌شود، برق AC با ولتاژ 220ولت از طریق مقاومتهای R1 و R2 به یکسوکننده پل اعمال می‌شود.

یکسوکننده پل (یکسوکننده پل دیودی) به منظور تبدیل ولتاژ AC به DC استفاده می‌شود. دیود زنر هم به منظور اعمال یک ولتاژ پایین به LED به کار می‌رود. اما در ایزولاتور، هنگامی که نور LED به فتوترانزیستور (ترانزیستور نوری) می‌تابد، ترانزیستور در ناحیه هدایت خود عمل کرده و جریان را عبور می‌دهد؛ و در نهایت ولتاژ 5 ولت DC برای پردازنده مهیا می‌شود.

ماژول خروجی PLC چیست ؟

عملکرد ماژول خروجی پی ال سی نیز مشابه ماژول ورودی است که به صورت عکس آن عمل می‌کند. این ماژول با دو بخش پردازنده و بار خروجی در ارتباط است. در ابتدا بخش مدار منطقی را داریم و سپس بخش مربوط به تبدیل سطح ولتاژ به دنبال آن می‌آید.

در ادامه ساختار مداری این ماژول نیز برای یک خروجی به تصویر کشیده شده است:

مدارهای داخلی ماژول خروجی PLC به ازای هر دستگاه خروجی

در این ساختار، وقتی که سیگنال منطقی 1 یا High از سمت CPU به این ماژول ارسال می‌شود، LED روشن شده و نور آن به فتوترانزیستور موجود در ایزولاتور تابیده و باعث می‌‎شود تا این ترانزیستور در ناحیه هدایت خود قرار بگیرد.

سپس یک پالس به گیت ترایاک (که در بخش سوویچ الکترونیکی) وجود دارد ارسال می‌شود. و در نهایت برق AC برای بار خروجی آماده می‌شود.

در برخی از ساختارها، رک یا قفسه‌ای که کل سیستم در آن قرار می‌گیرد را نیز بخشی از ساختار پی ال سی می‌دانند. البته رک در پی ال سی‌ های ماژولار کاربرد دارد.

در برخی دیگر از ساختارها، ماژولی را نیز به عنوان ماژول ارتباطات در نظر می‌گیرند که کلیه ارتباطات و اتصالات سایر ماژولها را مدیریت می‌کند که ما در اینجا به دلیل طولانی شدن بحث به آن نمی‌پردازیم.

PLC چیست ؟

معایب PLC چیست ؟

وقتی مشکلی برای پی ال سی پیش می‌آید، زمان بازیابی و اصلاح آن نامشخص است.
محدودیت‌های کاری PLC در دمای بالا وجود دارد.
در هنگام قطعی برق، برنامه مجدداً از جایی که متوقف شده بود، شروع به اجرا می‌کند و این اصلاً مناسب نیست! (ممکن است قبل از قطعی برق دستگاهی روشن شده باشد، و اکنون بلافاصله پس از وصل شدن برق روشن شدن آن دستگاه خطرآفرین باشد)
همزمان فقط یک برنامه در یک پی ال سی مدل ثابت قابل اجرا است.
نمی‌توان از نرم‌افزار و قطعات PLC یک برند خاص، در تولید و پیکره‌بندی پی ال سی برند دیگر استفاده کرد.

مزایای PLC چیست ؟

زمان اسکن کردن بسیار سریعی دارد.
قابلیت ارتباط با کامپیوتر در کل کارخانه را دارد.
توانایی محاسباتی بسیار خوبی دارد.
زمان آموزش کوتاهی دارد.
طیف گسترده‌ایی از کاربردهای کنترلی را شامل می‌شود.
به راحتی برنامه‌نویسی می‌شود و به راحتی زبان برنامه‌نویسی آن درک می‌شود.
هزینه پروژه‌های آن را می‌توان به طور دقیق محاسبه کرد.
از قابلیت کنترل نظارتی برخوردار است.
دارای ابعاد فیزیکی کوچکی است.
در برنامه‌نویسی مجدد انعطاف‌پذیری دارد.
برطرف کردن مشکل در آن نسبت به سیستم‌های سنتی (بانک رله) آسان‌تر و سریع‌تر است.
دارای شمارنده‌هایی با سرعت بالا است.
زمان اجرای پروژه کوتاه‌تر است.
از قابلیت اطمینان بالا برخوردار است.

PLC چیست ؟

کاربرد PLC چیست ؟

PLC در صنایع مختلف کاربردهای بی‌شماری دارد؛ بخش نفت و گاز، نیروگاههای برق، صنعت فولاد، صنعت خودرو، صنایع شیمیایی و بخش انرژی و بهینه‌سازی مصرف، صنعت شیشه، صنعت کاغذ و حتی صنعت تولید سیمان تنها بخشی از کاربردهای فراوان پی ال سی هاست.

حتی در صنایع هوایی و مسافرتی،PLC به کار گرفته می‌شود تا سیستم کنترل امنیتی را مانیتور کرده و به عملکرد بهینه‌تر آسانسورها و پله برقی‌ها کمک کند.

کاربردPLC در مواردی مثل نیروگاهها، بخش انرژی و نفت و گاز احتمالاً برای شما شناخته شده‌تر و قابل درک‌تر باشد. ( نمونه کارهای شرکت الکترو افلاک EAG )

یک نمونه ساده از کاربرد PLC : کنترل سطح مخزن آب به وسیله پی ال سی و سنسور تشخیص سطح