مقاله کنترل کننده های برنامه PLC


مقاله:

کنترل کننده های برنامه پذیرPLC

فهرست:
PLC چیست؟
PLC های معمولی
کنترل کننده های برنامه پذیرProgrammable Logic Controller) PLC)
مقدمه
مقایسه سیستمهای کنترلی مختلف
برخی از معایب یا توجهات خاص در بکارگیری سیستمهای PLC
اجزای تشکیل دهنده plc
انواع محیطهای برنامه نویسی و امکانات نرم افزاری در PLC
ارتباط در PLC ها
کنترل گسترده
منبع

منابع:

www.plcir.com

www.electeronicirib.com

PLC چیست؟
PLC مجموعه ای از فرهنگ و تخصص و تجربه و ابزار و روش و مراحل مشخص در تولید یک محصول نرم افزاری است. PLCاز عبارت Programmable Logic Controller به معنای کنترل کننده قابل برنامه ریزی گرفته شده است.PLC کنترل کننده ای است نرم افزاری که در قسمت ورودی، اطلاعات را بصورت باینری دریافت و آنها را طبق برنامه ای که در حافظه اش ذخیره شده پردازش می نماید و نتیجه عملیات را نیز از قسمت خروجی به صورت فرمانهایی به گیرنده ها و اجرا کننده های فرمان ، ارسال می کند.
PLC های معمولی :
PLC ( کنترل کننده منطقی برنامه پذیر ) ؛ وسیله ای است که برای جانشینی مدارات رله ای جهت کنترل ماشینها، اختراع شده است . PLC ها با توجه به ورودی ها یشان کار می کنند . کاربرها معمولاً برنامه مورد نیاز خود را توسط نرم افزار وارد دستگاه می کنند تا به نتیجه مطلوب خود برسند .
PLC ها در خیلی از وسایل و لوازم دنیای اطراف ما استفاده می شوند . اگر میگوئیم اکنون دوره صنعت است ، بهتر است بگوئیم دوره PLC است . اگر شغل شما مرتبط به ماشین سازی ، بسته بندی ، مواد شناسی ، مونتاژ خودکار یا یکی دیگر از صنایع بیشمار است ، شما یکی از کاربران PLC هستید ، وگرنه وقت و پول خود را هدر می دهید .تقریباً تمامی لوازمی که نیاز به نوعی کنترل الکتریکی دارند ، نیازمند PLC هستند .
بعنوان مثال فرض کنید هنگامی که یک سوئیچ روشن می شود ، می خواهیم بدون توجه به زمان روشن بودن سوئیچ ، یک سیم پیچ به مدت 5 ( پنج ) ثانیه روشن و سپس خاموش شود گردد. می توانیم این کار را با یک تایمر خارجی ساده انجام دهیم . ولی اگر بخواهیم با 10 ( ده ) سوئیچ و سیم پیچ این کار را انجام بدهیم چه ؟؟؟ به 10 ( ده ) تایمر خارجی نیاز خواهیم داشت . حال تصور کنید بخواهیم تعداد روشن شدن سوئیچ را نیز شمارش کنیم ، در اینصورت به شمارنده های خارجی زیادی نیاز خواهیم داشت .
همان طور که ملاحظه فرمودید با بزرگتر شدن پروسه نیاز ما به PLC بیشتر می شود . ما به راحتی می توانیم PLC را طوری برنامه ریزی کنیم که ورودی هایش را بشمارد و سیم پیچ را برای مدت زمان مشخصی روشن نماید .
کنترل کننده های برنامه پذیرProgrammable Logic Controller) PLC)

مقدمه
PLCاز عبارت Programmable Logic Controller به معنای کنترل کننده قابل برنامه ریزی گرفته شده است.PLC کنترل کننده ای است نرم افزاری که در قسمت ورودی، اطلاعات را بصورت باینری دریافت و آنها را طبق برنامه ای که در حافظه اش ذخیره شده پردازش می نماید و نتیجه عملیات را نیز از قسمت خروجی به صورت فرمانهایی به گیرنده ها و اجرا کننده های فرمان ، ارسال می کند.
وظیفه PLCقبلا بر عهده مدارهای فرمان رله ای بود که استفاده ازآنها در محیط های صنعتی جدید منسوخ گردیده است.اولین اشکالی که در این مدارها ظاهر می شودآن است که با افزایش تعداد رله ها حجم و وزن مدار فرمان بسیار بزرگ شده، همچنین موجب افزایش قیمت آن می گردد . برای رفع این اشکال مدارهای فرمان الکترونیکی ساخته شد ، ولی با وجود این هنگامی که تغییری در روند یا عملکرد ماشین صورت می گیرد لازم است تغییرات بسیاری در سخت افزار سیستم کنترل داده شود .
با استفاده از PLC تغییر در روند یا عملکرد ماشین به آسانی صورت می پذیرد، زیرا دیگر لازم نیست سیم کشی ها و سخت افزار سیستم کنترل تغییر کند و تنها کافی است چند سطر برنامه نوشت و به PLCارسال کرد تا کنترل مورد نظر تحقق یابد.
PLC ها سخت افزاری شبیه کامپیوتر دارند، البته با ویژگیهای خاصی که مناسب کنترل صنعتی است:
• در مقابل نویز حفاظت شده اند
• ساختار مدولار دارند که تعویض بخشهای مختلف آنرا ساده می سازد
• اتصالات ورودی- خروجی وسطوح سیگنال استاندارد دارند
• زبان برنامه نویسی آنها ساده و سطح بالاست
• تغییر برنامه در هنگام کارآسان است.
مقایسه سیستمهای کنترلی مختلف
به طور کلی چهار سیستم کنترلی وجود دارد:
1.سیستمهای رله ای از قدیمی ترین سیستم کنترلی هستند. در این سیستمها کلیه عملیات کنترلی با استفاده از رله ها انجام می پذیرد.
2.سیستمهای کنترلی مبنی بر مدارهای منطقی. در این سیستم ها از دروازه های منطقی و تراشه های کوچک برای پیاده سازی عملیات منطقی استفاده می شود.
3.کنترل با کامپیو تر شخصی
4.کنترل مبنی بر PLC.
در جدول زیر انواع سیستمهای کنترل کننده از جنبه های مختلف مقایه شده اند

برخی از معایب یا توجهات خاص در بکارگیری سیستمهای PLC
1.کاربردهایی با برنامه ثابت: شاید استفاده از PLC که قابلیت های برنامه ریزی زیادی دارد،در صورت نیاز نداشتن به آنهامقرون بصرفه نباشد مانند کنترل کننده های غلتکی/دنبالگر.برخی از سازندگان تجهیزات برای کاهش هزینه ها، هنوز از سیستمهای غلتکی مکانیکی استفاده می کنند.تغییر کارها غلتک ها بندرت تغییر می کند بنابراین قابلیت تغییر برنامه ریزی PLCها در اینجا جندان اهمیت ندارد
2.ملاحظات محل کار: برخی پارامترهای محیط مانند: دمای بالا،ارتعاشات، تداخلات الکترو مغناطیسی ، عواملی هستند که کاربرد PLCها را محدود می کنند.
3.عملکرد ایمن در برابر اشتباه : در سیستمهای رله ای فشردن کلید توقف، برق مدار را قطع می کند و همینطور قطع منبع برق، باعث خاموش شدن سیستم می شود. بعلاوه سیستهای رله ای هنگام وصل مجدد برق بطور خودکار روشن نمی شوند. البته این موضوع از طریق برنامه نویسی در مورد PLC نیز قابل اعمال است. اما در بعضی از برنامه های PLCممکن است برای متوقف ساختن یک وسیله نیاز به اعمال ولتاژ ورودی باشد ، این گونه سیستمهادر مقابل اشتباه ایمن نیستندالبته این نقص با افزودن رله های حفاظتی به سیستم PLC رفع می شود.
4.عملکرد مدار ثابت: اگر سیستم مورد نظر هرگز نیاز به تغییر نداشته باشد ، یک سیستم کنترل ثابت (مانند غلتک مکانیکی) هزینه کمتری نسبت به PLCخواهد داشت. PLC ها در جاییکه بطور دوره ایی در عملیات تغییر ایجاد می شود، از کارایی بیشتری بر خوردارند.
برخی ازشرکت های سازنده PLC:
Siemens, AEG, Smar, ABB, Allen Bradly, Bosch, General Electric, Mitsubishi…
اجزای تشکیل دهنده plc
قسمتهای تشکیل دهنده یک سیستم PLCبه صورت زیر تقسیم می شود
• واحد منبع تغذیه PS(Power Supply)
• واحد پردازش مرکزی CPU
• حافظه
• ماژولهای ورودی
• ماژولهای خروجی
• ماژولهای تغییر شکل سیگنال
• ماژول ارتباط پروسسوری (Communication Processor(CP))
• ماژول رابط (Interface Module(IM))
• بدنه و قفسه ها (Racks and Chassis)

شکل 1-3:قسمتهای یک PLC
ماژول منبع تغذیه(PS):منبع تغذیه ولتاژهای مورد نیاز PLC را تامین می کند. این منبع معمولا از ولتاژهای 24Vdc و 110Vacیا 220Vac،ولتاژ 5Vdc را ایجاد می کند. ماکزیمم جریان قابل دسترسی منطبق با تعداد ماژولها ی خروجی مصرفی است. جهت دستیابی به راندمان بالا معمولا از منابع تغذیه سوئیچینگ استفاده می شود. برای تغذیه رله ها و محرکها (Actuator) معمولا از ولتاژ 24Vdc بصورت مستقیم و بدون هیچ کارت ارتباطی استفاده می شود.
واحد پردازش مرکزی یا CPU:وظیفه این واحد، دریافت اطلاعات از ورودیها، پردازش این اطلاعات مطابق دستورات برنامه و صدور فرمانهایی است که به صورت فعال یا غیر فعال کردن خروجی ها ظاهر می شود.
حافظه:در حالت کلی در PLC ها دو نوع حافظه وجود دارد:
• حافظه موقت یا RAM: که محل نگهداری فلگ ها، تایمر ها، شمارنده ها و برنامه های کاربردی کاربر است.
• حافظه دائم (EEPROM , EPROM): که جهت نگهداری و ذخیره همیشگی برنامه کاربر استفاده می شود.
در مواردی از RAM های CMOSکه باتری پشتیبان دارند استفاده می شود،بدین ترتیب در صورت قطع برق اطلاعات انها حفظ می گردد.
ماژولهای ورودی:ورودی هایی که در سیستم های PLC مورد استفاده قرار می گیرند در حالت کلی به صورت زیر می باشند:
الف) ورودیهای دیجیتال(Digital Input)
ب) ورودی های آنالوگ(Analog Input)
الف) ورودیهای دیجیتال:این ورودیها معمولا بصورت سیگنالهای 0یا 24ولتdc می باشند . گاهی برای پردازش به تغییر سطح ولتاژ نیاز دارند. معمولا برای انجام این عمل ماژولهایی خاص در PLC در نظر گرفته می شود.
جهت حفاظت مدارهای داخلی PLC از خطرات ناشی از اشکالات بوجود آمده در مدار یا برای جلوگیری از ورود نویزهای موجود در محیط های صنعتی،ارتباط ورودیها با مدارت داخلی PLC توسط کوپل کننده های نوری انجام می گیرد. بدلیل ایزوله شدن ورودی ها از بقیه اجزای مدار داخلی PLC ، هرگونه اتصال کوتاه و یا اضافه ولتاژ نمی تواندآسیبی به واحدهای داخلی PLC وارد آ ورد.
ب)ورودی های آنالوگ:این گونه ورودیها در حالت استاندارد
4-20 mA و یا 0-20mA بوده ،مستقیما به ماژول آنا لوگ متصل می شوند. ماژولهای ورودی آنالوگ، سیگنالهای دریافتی پیوسته رابه مقادیر دیجیتال تبدیل نموده و سپس مقادیر دیجیتال حاصل توسطCPU پردازش می شود.
ماژولهای خروجی: خروجی های استفاده شده در PLCها به دو صورت زیرمی باشند:
الف)خروجیهای دیجیتال:این فرمانهای خروجی به صورت سیگنالهای 0 تا 24 ولت DCبوده که در خروجی ظاهر می شوند. بنابراین هر خروجی از لحاظ منطقی می تواند مقادیر "0" یا "1" را داشته باشد. این سیگنالها به تقویت کننده های قدرت یا مبدل های الکتریکی ارسال می شوند تا مثلا ماشین را به حرکت در آ ورند یا آنرا از حرکت باز دارند.
ب) خروجیهای آنالوگ: سطوح ولتاژ و جریان استاندارد خروجی می تواند یکی از مقادیر ،4-20mA ، 0- 20mA باشد. معمولا ماژولهای خروجی آنالوگ، مقادیر دیجیتال پردازش شده توسط CPU را به سیگنالهای آنالوگ مورد نیاز جهت پروسه تحت کنترل تبدیل می نمایند. این خروجی ها بوسیله واحدی به نام Isolator از سایر قسمتهای داخلی PLC ایزوله می شوند. بدین ترتیب مدارت حساس داخلی PLC از خطرات ناشی از امکان بروز اتصالات نا خواسته خارجی محافظت می گردند.
ماژول تغییرشکل سیگنال: در مواقعی که سیگنالهای موجود درمحدوده استانداردنباشند،لازم است از یک ماژول تغییر شکل دهنده استفاده شودتا محدوده سیگنالها را تغییر داده و به محدوده استاندارد تبدیل کند.
ماژول ارتباط پروسسوری (CP): این ماژول ارتباط بین CPU مرکزی را با CPU های جانبی بر قرار می سازد.
ماژول رابط (IM): در صورت نیاز به اضافه نمودن واحد های دیگرورودی و خروجی به PLC یا جهت اتصال پانل اپراتوری و پروگرامر،به PLCاز این ماژول ارتباطی استفاده می شود. در صورتی که چندین PLC بصورت شبکه به یکدیگر متصل شوند. از واحد IM جهت ارتباط آنها استفاده می شود.
ورودی/خروجی دور دست و ارتباط با آنها:
هنگامیکه تعداد زیادی ورودی /خروجی در فاصله ای دوروجود دارد،اتصال مستقیم آنها به PLC نیاز به اتصالات زیادی دارد که مقرون به صرفه نیست،دراین مواقع یک واحدI/O در مکان لازم نصب می شودوبایک زوج سیم به PLC متصل می گردد. واحد I/O اطلاعات مربوط به ورودی/خروجی ها را از طریق اتصال سریال به PLC ارسال و دریافت می کند. باتوجه به اینکه واحد I/O تا PLCممکن است به چند هزار متر برسد،صرفه جویی زیادی در هزینه ها می شود. در سیستمهای بزرگ ممکن است چندین PLC وجودداشته باشد که همگی تحت نظارت یک PLC اصلی عمل می کنند.معمولا برنامه کنترلی در PLC اصلی اجرا می شود و PLCهای دیگر فقط وظیفه ارتباط با واحد های I/Oرا به عهده دارند.
انواع محیطهای برنامه نویسی و امکانات نرم افزاری در PLC
امروزه استاندارد های خاص بیت المللی مثل IEC 1131 برای برنامه نویسی و کار با PLC ها وجود دارد که اغلب شرکت های سازنده و طراح PLC که معمولا نرم افزارهای مخصوص PLC های خودشان را تولید می کنند. از این روشهای استاندارد شده پیروی می کنند و فقط تفاوتهای جزیی در نرم افزارهای آنها به چشم می خورد که اکثر آنها هم در اثر تفاوتهای سخت افزاری سیستم های طراحی شده بوجود می آیند.اما در این بخش زبانها و محیطهای مختلف برنامه نویسی به طور مختصر و خلاصه به طور عمومی و کلی مورد بررسی قرار می گیرد تا در برخورد های احتمالی با این محیطها دچارسردرگمی نشوید.
بطور کلی می توان زبانها برنامه نویس PLCرا به پنج دسته تقسیم کرد:
• زبان SFC یا Sequential Function Chart Language
• زبان FBD یا Function Block Diagram Language
• زبان LD یا Ladder Diagram Language
• زبان ST یا Structured Text Language
• زبان IL یا Instruction List Language
پنج زبان فوق زبان های استاندارد و شناخته شده PLC ها هستند و کمپانی های سازنده سخت افزار و نرم افزار PLCها با وجود اختلاف های جزیی که ممکن است در نام یا ظاهر نرم افزار هایشان با نمونه های اصلی و جود داشته باشد، همگی بر اساس همین روشهای استاندارد شده حرکت می کنند.
ارتباط در PLC ها
نیاز مبادله اطلاعات بین PLC ها و سایر تجهیزات در یک کارخانه خودکار ، سبب شده است که امکانات ارتباطی روی همه کنترل کننده ها نصب شود در PLC های کوچک سخت افزار و نرم افزارلازم در خود بدنه PLC نصب گردد و در PLC های بزرگ ، ماژول های ویژه ای جهت ارتباط وجود دارد.
باسهای ارتباطی برای منظورهای مختلفی استفاده می شوند از جمله:
• نمایش داده ها و آلارم ها از طریق VDU یا چاپگر
• ذخیره داده ها در فایلهای بایگانی(در یک کامپیو تر) تا برای بررسی کارایی فرایند و مدیریت اطاعت استفاده شوند.
• ارسال پارامترهای لازم از طریق اپراتور یا کنترل کننده ناظر به PLC ها
• تغییر برنامه PLCها از طریق کنترل کننده ناظر
• تغییر وضعیت نقاط I/O از طریق یک ترمینال راه دور
• اتصال PLC در یک سلسله مراتب کنترلی که در آن PLC های متعددی وجو دارد.

شکل1-6: یک سیستم Redundant با خطوط دوبل اترنت و خطوط دوبل Remote I/O و منابع تغذیه دوبل روی هر Remote I/O
کنترل گسترده:
ارتباط بین کنترل کننده ها باعث می شود که یک PLC خاص ، نه تنها کنترل یک دستگاه بخصوص را به عهده داشته باشد. بلکه چندین ایستگاه در یک کارخانه بزرگ را کنترل نماید. بدین ترتیب یک PLC می تواند بخشی از ساختار کنترلی سلسله مراتبی باشد:در چنین سیستمی یک کنترل کننده هدایتگر، چندین PLC ای دستگاه هوشمندCNC را سر پرستی می کند.
در حا ل حاضر برای اتوماسیون کامل کارخانه ها از کنترل سلسله مراتبی استفاده می شود. برای ایجاد یک کارخانه تمام اتو ماتیک، سیستم ارتباطی و کنترلی وسیعی لازم است . کل داده های کارخانه در یک پایگاه داده مدیریت جمع آوری می گردد تا در اسرع وقت در اختیار مدیران و برنامه ریزان قرار گیرد،بنابراین ایجاد استاندارد های مناسب جهت ارتباط امری ضروری است.

شکل4-6 : یک شبکه گسترده که از پروتکل فیلد استفاده کرده است

21