در کارخانههای مدرن و خطوط تولید پیشرفته، جایی که دقت و سرعت حرف اول را میزند، دیگر خبری از انبوه سیمکشیهای پیچیده و رلههای الکترومکانیکی پرشمار نیست. ظهور مدارهای منطقی حالت جامد، انقلابی در سیستمهای کنترلی ایجاد کرد و PLC، یا کنترلگر منطقی برنامهپذیر، به عنوان جانشین شایسته رلههای سنتی قد علم کرد. این رایانههای صنعتیِ با هدفِ مشخص، با دریافت دستورات از طریق کارتهای ورودی (که اغلب توسط شستیهای دستی صادر میشوند) و اجرای برنامههای منطقی ذخیره شده در حافظهشان، ارتباطی هوشمندانه با اجزای مختلف تابلو برق برقرار میکنند. PLC، نه فقط یک کنترلکننده، بلکه هسته مرکزی اتوماسیون صنعتی است که قادر به انجام طیف وسیعی از وظایف کنترلی و عملگرایی میباشد.
PLC، مخفف عبارت Programmable Logic Controller، به معنای کنترلگر منطقی قابل برنامهریزی است. این دستگاه، به عنوان یک کامپیوتر دیجیتال صنعتی، به طور خاص برای کنترل فرآیندهای پیچیده صنعتی نظیر خطوط مونتاژ، تجهیزات رباتیک و هر فعالیتی که نیازمند کنترل با قابلیت اطمینان بالا در محیطهای سخت صنعتی (با دماهای شدید، رطوبت، گرد و غبار و لرزش) طراحی و ساخته شده است. PLCها، مشابه کامپیوترهای رومیزی، دارای تعداد زیادی ورودی و خروجی هستند که بر اساس نیازهای خاص هر کاربرد مورد استفاده قرار میگیرند. در واقع، PLC در فرآیندهای صنعتی نقش یک مغز متفکر را ایفا میکند؛ اطلاعات را از حسگرها دریافت کرده، آنها را بر اساس برنامه از پیش تعیین شده پردازش میکند و در نهایت، فرمانهای کنترلی را به عملگرها (Actuators) ارسال مینماید.
راحتی در برنامهنویسی و خطایابی آسان فرآیند، از ویژگیهای برجسته PLC به شمار میرود و همین امر، انعطافپذیری بالایی را برای استفاده از آن در صنایع مختلف فراهم کرده است. در هر صنعتی، متناسب با نیازهای خاص آن، برنامه کنترلی مورد نظر برای PLC نوشته و بر روی آن نصب میگردد. PLCها، با وجود کارایی بالا و وزن کم، در صنایع و ماشینآلات متنوعی از جمله بستهبندی، پرکنندهها و پلههای برقی کاربرد دارند. میتوان گفت که PLC یک کنترلکننده نرمافزاری است که در قسمت ورودی، اطلاعات را به صورت باینری دریافت کرده و پس از پردازش آنها طبق برنامه ذخیره شده در حافظهاش، نتایج عملیات را از طریق خروجی به صورت فرمانهایی به گیرندهها و عملگرها ارسال میکند.
کار با PLC معمولاً به صورت یک روش اسکن چرخشی درک میشود که به آن چرخه اسکن (Scan Cycle) گفته میشود. شرکتهای سازنده PLC، نرمافزارهایی را برای برنامهنویسی این دستگاهها ارائه کردهاند. پس از نصب این نرمافزار بر روی کامپیوتر، کاربر میتواند برنامه دلخواه خود را نوشته و سپس آن را از طریق یک کابل به PLC منتقل نماید. PLC برای انجام محاسبات و پردازش دادهها از مدارهای منطقی استفاده میکند و به همین دلیل، در مقایسه با مدارهای فرمان سنتی، خطای کمتری دارد. این اطمینان وجود دارد که PLCها هیچگاه دچار اشتباه نخواهند شد، مگر در صورت بروز نقص فنی که نیازمند سرویس و تعمیر باشد.
نخستین بار، PLC در صنعت خودروسازی به کار گرفته شد و به سرعت جایگزین رلهها و تایمرهای پرشمار گردید. در سیستمهای مبتنی بر PLC، نتایج خروجی باید در پاسخ به شرایط ورودی، در یک بازه زمانی بسیار کوتاه تولید شود. در صورتی که پاسخ مناسب در زمان تعریف شده دریافت نشود، عملکرد ناخواسته در سیستم رخ خواهد داد.
تاریخچه مختصر PLC:
کنترلکننده منطقی برنامهپذیر (PLC) در سال 1964 توسط دیک مورلی اختراع شد. آلمانیها در سال 1972 این فناوری را وارد بازار کردند و امروزه، شرکتهای متعددی در سراسر جهان در زمینه ساخت و استفاده از PLC فعالیت میکنند. PLCها طیف گستردهای از عملکردهای کنترلی از جمله زمانبندی، شمارش، محاسبه، مقایسه و پردازش سیگنالهای مختلف آنالوگ را ارائه میدهند. در ساختار PLC از حافظههای نیمههادی، به طور عمده RAM و EEPROM، استفاده میشود. برای جلوگیری از پاک شدن اطلاعات حافظه RAM در هنگام قطع برق، از یک باتری پشتیبان (Back-up) استفاده میگردد. همچنین، یک خازن به صورت موازی با باتری قرار داده شده است که در زمان تعویض باتری میتواند برق سیستم را برای مدت کوتاهی (حدود 30 ثانیه) تأمین کند. یکی از مزایای مهم PLC نسبت به سیستمهای کنترل سختسیمبندی شده، قابلیت برنامهریزی مجدد و تغییر عملکرد آن با کمترین هزینه است.
انواع سیستم PLC بر اساس ظرفیت:
PLCها از نظر اندازه حافظه و تعداد ورودی/خروجی به سه نوع اصلی کوچک، متوسط و بزرگ تقسیم میشوند:
PLCهای کوچک: این نوع PLCها جایگزین کنترلکنندههای سنتی شده و دارای تعداد ورودی/خروجی محدود (حداکثر چند ده عدد) هستند. برنامهنویسی آنها معمولاً به زبان نردبانی (Ladder Diagram) یا با دستورات نمادی انجام میشود.
PLCهای متوسط: این PLCها ساختار مدولار دارند که توسعه و تغییر آنها را از طریق افزودن یا تغییر ماژولها ساده میسازد. آنها از امکانات ارتباطی متعددی برخوردار بوده و میتوان از آنها در کنترل سیستمهای گسترده استفاده کرد. برنامهنویسی آنها میتواند به زبان نردبانی، نمادی یا دستورات گرافیکی باشد.
PLCهای بزرگ: از این نوع PLCها در کاربردهایی با تعداد ورودی/خروجی زیاد یا عملیات کنترلی پیچیده استفاده میشود. آنها حتی میتوانند برای هدایت تعدادی PLC کوچکتر نیز به کار روند و برنامهنویسی آنها معمولاً با استفاده از زبانهای برنامهنویسی سطح بالا انجام میگیرد.
مشخصههای اصلی PLC شامل تعداد ورودی و خروجی دیجیتال و آنالوگ، تعداد تایمرها و شمارندهها، تعداد رلههای کمکی، حجم حافظه قابل برنامهریزی و سرعت اجرای دستورات (Scan Time) است. معمولاً PLCها دارای پورتهای ارتباطی صنعتی هستند که امکان برقراری ارتباط با سایر دستگاهها و تبادل اطلاعات سریعتر و در نتیجه، کنترل دقیقتر را فراهم میکنند. امروزه، استفاده از PLC در صنایع و کارخانهها رو به افزایش است و آشنایی با نحوه استفاده از آن برای برقکاران صنعتی یک ضرورت محسوب میشود. انتخاب PLC مناسب برای یک پروژه، نیازمند در نظر گرفتن عواملی همچون تعداد و نوع ورودی/خروجیها، تعداد تایمرها و شمارندهها، اندازه حافظه، سرعت اجرای برنامه و نوع برنامه کاری دستگاه است.
اجزای اصلی تشکیلدهنده PLC:
هر PLC از پنج قسمت اصلی تشکیل شده است:
منبع تغذیه (Power Supply): وظیفه تأمین ولتاژ و جریان مورد نیاز برای عملکرد سایر اجزای PLC را بر عهده دارد.
واحد پردازنده مرکزی (CPU): مغز PLC است که وظیفه اجرای برنامه کنترلی و پردازش دادههای ورودی و خروجی را بر عهده دارد.
حافظه (Memory): برای ذخیرهسازی برنامه کنترلی، دادههای ورودی و خروجی و سایر اطلاعات مورد نیاز PLC استفاده میشود.
رابط برنامهنویسی (Programmer): ابزاری (سختافزاری یا نرمافزاری) است که برای نوشتن، ویرایش و انتقال برنامه کنترلی به حافظه PLC به کار میرود.
واحد ورودی/خروجی (I/O): این واحد، رابط بین PLC و دنیای خارج (سنسورها، عملگرها و سایر دستگاهها) است و وظیفه تبدیل سیگنالهای ورودی به فرمت قابل پردازش توسط CPU و تبدیل فرمانهای خروجی CPU به سیگنالهای قابل استفاده برای عملگرها را بر عهده دارد.
ساختار فیزیکی PLC تقریباً مشابه معماری کامپیوتر است و به طور کلی به دو نوع ثابت (کامپکت) و ماژولار تقسیم میشود.
جایگاه PLC در دنیای امروز:
PLCها امروزه در صنایع مختلف در سراسر جهان کاربرد گستردهای دارند؛ از صنایع نفت و گاز و پتروشیمی گرفته تا صنایع پلاستیک، لاستیک، مواد غذایی و غیره. بازار کار جهانی برای متخصصان این حوزه بسیار مطلوب است. PLCها قابلیت عملکرد در شرایط آب و هوایی مختلف را دارند و میتوان از آنها در محیطهای سخت صنعتی مانند کورهها یا مکانهایی با دسترسی دشوار که استفاده از کامپیوترهای معمولی امکانپذیر نیست، به راحتی استفاده کرد. این دستگاهها قادر به انجام پردازشهای خاص بر روی دادههای مختلف با کارایی بالا هستند.
نحوه عملکرد و کاربردهای PLC:
فناوری PLC به گونهای طراحی شده است که بتواند در محیطها و شرایط سخت صنعتی دوام بیاورد و در برابر گرما، سرما، گرد و غبار و رطوبت محافظت شود. PLC دارای یک میکروپروسسور است که با استفاده از زبانهای برنامهنویسی کامپیوتری برنامهریزی میشود. برنامه نوشته شده در کامپیوتر از طریق یک کابل به PLC منتقل میگردد. رنج PLCهای تولید شده از PLCهای کوچک با حدود ده ها ورودی/خروجی به صورت کامپکت با پردازنده شروع شده و تا PLCهای ماژولار قابل نصب بر روی رک با هزاران ورودی/خروجی گسترش مییابد که غالباً به شبکه، سایر PLCها و سیستمهای SCADA متصل میشوند. این فناوری در کنترل انواع ماشینآلات و وسایل برقی، کنترل سیستمهای خط تولید و کنترل فرمان مدارهای CNC دستگاههای اتوماسیون فرآیند (معدن، نفت و گاز)، صنعت شیشه، صنعت کاغذ، تولید سیمان و در نیروگاههای بخار-حرارتی کاربرد دارد.
راحتی کار برای اپراتور، سرعت و دقت عمل بالا، قدرت خواندن انواع ورودیهای دیجیتال، آنالوگ و فرکانس بالا و نمایش آنها، توانایی انتقال فرمان به سیستمها و قطعات خروجی (مانند مانیتورهای صنعتی، موتورها، شیرهای برقی)، امکان اتصال به شبکه با استانداردهای روز، ابعاد کوچک و سهولت سیمبندی، سرعت پاسخگویی بسیار بالا، ایمنی، دقت و انعطافپذیری زیاد، امکان شبکهسازی PLCها و مدیریت آنها با یک کامپیوتر مرکزی و ذخیرهسازی اطلاعات، از وظایف مهم PLC در بهبود فرآیند اتوماسیون صنعتی است.
کاربردهای PLC در صنایع مختلف:
PLCها در طیف وسیعی از وسایل و لوازم مورد استفاده قرار میگیرند، از جمله ماشینسازی، بستهبندی، صنایع مواد، مونتاژ خودکار و غیره. برخی از کاربردهای خاص آنها عبارتند از:
صنایع خودروسازی: سیستمهای رنگپاش و شکلدهی بدنه با پرسهای خودکار، تست قطعات و تجهیزات، سوراخکاری اتوماتیک، اتصال قطعات و آزمودن نهایی خودرو.
صنایع پلاستیکسازی: ماشینهای دمش هوا، ماشینهای ذوب و قالبگیری تزریقی، سیستمهای تولید و آنالیز پلاستیک.
صنایع سنگین: کورههای صنعتی، سیستمهای کنترل دمای خودکار، تجهیزات مورد استفاده در ذوب فلزات.
صنایع شیمیایی: سیستمهای مخلوطکننده، دستگاههای ترکیبکننده مواد با نسبتهای متفاوت.
صنایع غذایی: سیستمهای عصارهگیری و بستهبندی، سیستمهای سانتریفیوژ.
صنایع ماشینسازی: صنایع بستهبندی، صنایع چوب، سیستمهای سوراخکاری، سیستمهای اعلام خطر و هشداردهنده، سیستمهای جوش فلزات.
صنایع حمل و نقل: جرثقیلها، سیستمهای نوار نقاله، تجهیزات حمل و نقل.
صنایع تبدیل انرژی: ایستگاههای تقویت فشار گاز، نیروگاههای تولید نیرو، کنترل پمپهای آب، سیستمهای تصفیه آب و هوای صنعتی، سیستمهای تصفیه و بازیافت گاز.
خدمات ساختمانی: آسانسورها، کنترل هوا و تهویه مطبوع، سیستمهای روشنایی خودکار.
مزایای استفاده از PLC:
استفاده از PLC منجر به کاهش چشمگیر سیمبندی سیستمهای جدید در مقایسه با سیستمهای کنترل رلهای شده است. مزایای کلیدی استفاده از PLC به جای سامانههای رلهای عبارتند از: نصب و برنامهنویسی آسان، زمان پاسخ کوتاه، سرعت بالای کنترل، قابلیت شبکهسازی، تست و عیبیابی ساده و قابلیت اطمینان بالا. این فناوری مصرف توان بسیار کمی دارد و نیاز به قطعات کمکی مانند رله، کانتر، تایمر و مبدلهای آنالوگ به دیجیتال و دیجیتال به آنالوگ را به حداقل میرساند. این امر منجر به کاهش پیچیدگی و وزن تابلوهای برق نیز میگردد. PLC در مقایسه با مدارهای رله کنتاکتوری، نویزهای الکترونیکی و صوتی تولید نمیکند. سرعت عملکرد و پاسخدهی بالای PLC (در حد میکروثانیه تا چند میلیثانیه) زمان لازم برای انجام هر سیکل کاری ماشین را به طور قابل توجهی کاهش داده و در نتیجه، میزان تولید و بازدهی دستگاه را افزایش میدهد. ضریب اطمینان و درجه حفاظت سیستمهای مبتنی بر PLC بسیار بالاتر از ماشینهای رلهای است و به دلیل عدم وجود استهلاک مکانیکی، عمر طولانیتری داشته و نیاز به تعمیرات و سرویسهای دورهای کمتری دارند.
معایب PLC:
اگرچه PLC مزایای بسیاری دارد، اما برخی معایب نیز برای آن ذکر شده است. سیمکشی اولیه این دستگاه ممکن است زمانبر باشد. تغییر برنامه و عملکرد PLC میتواند برای افراد غیرمتخصص دشوار باشد و یافتن خطاها در صورت بروز مشکل، نیازمند نیروی کار ماهر و زمانبر است.
زبانهای برنامهنویسی PLC:
امروزه، تحت استانداردهای IEC، سازندگان PLC ملزم به ارائه حداقل یک یا دو زبان برنامهنویسی استاندارد در محصولات خود هستند. یک برنامه PLC شامل مجموعهای از دستورالعملها به شکل متنی یا گرافیکی است که منطق حاکم بر فرآیند کنترل PLC را نشان میدهد. به طور کلی، دو دسته زبان برنامهنویسی برای PLC وجود دارد: زبانهای متنی (شامل لیست دستورات و متن ساختیافته) و زبانهای گرافیکی (شامل دیاگرام نردبانی، دیاگرام بلوک عملکردی و جدول تابع متوالی).
تفاوت بین PLC و کامپیوتر:
استفاده از PLC در مقایسه با کامپیوترهای معمولی، معمولاً سادهتر بوده و نیاز به دورههای آموزشی مفصل و پرهزینه ندارد. اگرچه تمامی اجزای اصلی یک کامپیوتر در PLC نیز وجود دارد، اما تفاوتهای اساسی در نوع ورودی و خروجیها و نحوه ترکیب آنها وجود دارد. خروجی PLC میتواند یک رله، تریاک، ترانزیستور یا تریستور باشد که باید با توجه به حداکثر جریان مجاز خروجی PLC انتخاب شود تا از آسیب دیدن سیستم جلوگیری گردد. در PLC، نتیجه عملکرد به صورت فیزیکی قابل مشاهده است، در حالی که در کامپیوتر، عمدتاً اطلاعات نمایش داده میشود.
