کنترل‌گرهای منطقی برنامه‌پذیر (PLC) یکی از ابزارهای حیاتی در اتوماسیون صنعتی به شمار می‌روند. این دستگاه‌ها به دلیل قابلیت برنامه‌ریزی و کنترل دقیق فرآیندها، تاثیر بسزایی در افزایش بهره‌وری و کاهش هزینه‌های تولید داشته‌اند. PLCها با داشتن یک ساختار قابل انعطاف و متشکل از اجزای مختلفی همچون واحد پردازش مرکزی (CPU)، ماژول‌های ورودی و خروجی، واحد حافظه، و منبع تغذیه، قادرند تا برنامه‌های پیچیده کنترلی را اجرا کنند. در این مقاله، به بررسی ساختار و اجزا مختلف PLC پرداخته و نقش هر یک در فرآیندهای کنترلی مورد کاوش قرار خواهد گرفت.
PLC چیست؟
PLC (programmable logic controller یا کنترل‌گر منطقی برنامه‌پذیر) عملیات تولیدی را برای خطوط تولید یکپارچه و تجهیزات مدیریت می‌کند. با توسعه PLC، نیاز به تعداد زیادی رله یا تایمر در تأسیساتی که ورودی و خروجی‌های متعددی دارند از بین رفت. به دلیل دوام و توانایی PLCها در اتوماسیون عملیات مختلف، آن‌ها به یک عنصر اصلی در تولید مدرن تبدیل شده‌اند.
در این مطلب به بررسی ساختار پایه کنترل‌کننده‌های منطقی برنامه‌پذیر (PLC) می‌پردازیم.
ساختار PLC
ساختار PLC مشابه ساختار کامپیوتر است. ساختار PLC شامل:
- CPU
- بخش‌های حافظه
- مدارات دریافت و ارسال داده‌ها
یک PLC را می‌توان به‌عنوان جعبه‌ای متشکل از صدها هزار رله، شمارنده، تایمر و مکان‌های ذخیره‌سازی داده‌ها تصور کرد. این شمارنده‌ها و تایمرها به‌صورت فیزیکی وجود ندارند، بلکه شبیه‌سازی شده و به‌عنوان شمارنده‌ها و تایمرهای نرم‌افزاری شناخته می‌شوند. رله‌های داخلی از طریق موقعیت‌های بیتی در رجیسترها شبیه‌سازی می‌شوند.
اجزای سخت افزاری PLC
اجزای اصلی یک PLC عبارتند از:
- CPU
- ماژول‌های ورودی/خروجی (I/O)
- منبع تغذیه
- مناطق حافظه
- رله‌های ورودی
- رله‌های داخلی کمکی
- شمارنده‌ها
- تایمرها
- رله‌های خروجی
- ذخیره‌سازی داده
CPU
CPU مغز PLC است و مسئول انجام عملیات خاص است. این عملیات یا خروجی‌ها بر اساس سیگنال‌ها و داده‌های دریافتی از ورودی‌های مرتبط انجام می‌شود. CPU برنامه‌های کنترلی را اجرا می‌کند، سیگنال‌های ورودی را پردازش می‌کند و سیگنال‌های خروجی را بر اساس منطق برنامه تولید می‌کند.
ماژول‌های ورودی/خروجی (I/O)
ماژول‌های ورودی PLC دستگاه‌های خارجی مانند سنسور دیجیتال، سنسور آنالوگ، سوئیچ‌ها و دکمه‌ها را به PLC متصل می‌کنند و اجازه می‌دهند که PLC داده‌های دیجیتال و آنالوگ مانند دما، فشار، جریان و سرعت را بخواند. ماژول‌های خروجی سیگنال‌های CPU را به مقادیر دیجیتال یا آنالوگ تبدیل می‌کنند که برای راه‌اندازی دستگاه‌های خروجی استفاده می‌شوند.
منبع تغذیه
منبع تغذیه، PLC را با تبدیل برق AC ورودی به برق DC مورد نیاز برای عملکرد CPU و ماژول‌های I/O تغذیه می‌کند.
مناطق حافظه
PLCها دارای انواع مختلفی از مکان‌های حافظه برای ذخیره دستورات برنامه، داده‌ها و اطلاعات دیگر هستند. این مناطق حافظه شامل:
- حافظه برنامه: جایی که برنامه کنترل نوشته شده توسط کاربر ذخیره می‌شود.
- حافظه داده: جایی که مقادیر داده‌های مورد استفاده برنامه کنترلی، مانند متغیرها، ثوابت و وضعیت I/O ذخیره می‌شوند.
رله‌های ورودی
این‌ها به محیط خارجی متصل می‌شوند. آن‌ها به‌صورت فیزیکی وجود دارند و به سیگنال‌های دریافتی از سوئیچ‌ها، سنسورها و غیره پاسخ می‌دهند. معمولاً به‌جای رله‌ها از ترانزیستورها استفاده می‌شود.
رله‌های داخلی کمکی
این رله‌ها سیگنال‌های خارجی دریافت نمی‌کنند و به‌صورت فیزیکی وجود ندارند. آن‌ها رله‌های شبیه‌سازی شده هستند و به PLC اجازه می‌دهند که از رله‌های خارجی صرف‌نظر کند. همچنین برخی از این رله‌ها برای انجام یک وظیفه خاص طراحی شده‌اند. برخی همیشه روشن و برخی همیشه خاموش هستند. برخی تنها یک‌بار در هنگام روشن شدن سیستم فعال می‌شوند و اغلب برای مقداردهی اولیه داده‌های ذخیره‌شده قبلی استفاده می‌شوند.
شمارنده‌ها
شمارنده‌ها نیز به‌صورت فیزیکی وجود ندارند. آن‌ها شمارنده‌های مجازی هستند که می‌توانند برای شمارش پالس‌ها تنظیم شوند. این شمارنده‌ها معمولاً به‌صورت افزایشی، کاهشی یا هر دو عمل می‌کنند. به دلیل شبیه‌سازی بودن، سرعت شمارش آن‌ها محدود است. برخی سازندگان شمارنده‌های پرسرعت مبتنی بر سخت‌افزار نیز ارائه می‌دهند.
تایمرها
تایمرها به‌صورت فیزیکی وجود ندارند. آن‌ها در انواع مختلف و با بازه‌های زمانی گوناگون در دسترس هستند. رایج‌ترین آن‌ها تایمرهای تأخیر در روشن شدن (ON-delay) است. انواع دیگر شامل تأخیر در خاموش شدن (OFF-delay) ، تایمرهای با حافظه و بدون حافظه است. بازه‌های زمانی از 1 میلی‌ثانیه تا 1 ثانیه متغیر هستند.
رله‌های خروجی
این رله‌ها به محیط خارجی متصل می‌شوند. آن‌ها به‌صورت فیزیکی وجود دارند و سیگنال‌های روشن/خاموش را به سولونوئیدها، لامپ‌ها و سایر قطعات ارسال می‌کنند. بسته به نوع انتخاب شده، ممکن است شامل ترانزیستورها، رله‌ها یا تریاک‌ها باشند.
ذخیره‌سازی داده
رجیسترها اغلب برای ذخیره داده‌ها ایجاد می‌شوند. آن‌ها معمولاً به‌عنوان ذخیره‌سازی موقت برای محاسبات یا داده‌ها استفاده می‌شوند. همچنین برای پشتیبان‌گیری از داده‌ها در صورت قطع برق مفید هستند. این رجیسترها اطمینان می‌دهند که محتویات به‌دلیل قطعی برق از دست نمی‌روند.
نرم‌افزار PLC
سازنده PLC معمولاً نرم‌افزار توسعه PLC را انتخاب می‌کند. شرکت‌های مانند Allen Bradley، Siemens و GE هرکدام از پلتفرم‌های توسعه نرم‌افزاری خاص خود برای برنامه‌نویسی مدل‌های PLC استفاده می‌کنند. هنگامی که پلتفرم انتخاب شد، منطق PLC را می‌توان با استفاده از روش‌های مختلف برنامه‌ریزی کرد.
نرم‌افزارهای برنامه‌نویسی PLC
رایج‌ترین نرم‌افزارهای برنامه‌نویسی PLC عبارت‌اند از:
- منطق نردبانی (Ladder Logic)
- بلوک‌های تابعی (Function Block)
- متن ساختاریافته (Structured Text)
منطق نردبانی (Ladder Logic)
رایج‌ترین شکل برنامه‌نویسی، منطق نردبانی است که یک زبان برنامه‌نویسی گرافیکی برای PLC است.
از منطق نردبانی می‌توان برای انجام عملیات‌هایی مانند توالی‌بندی، شمارش، زمان‌سنجی، دستکاری داده‌ها و موارد دیگر استفاده کرد.
منطق نردبانی به‌صورت مشابه با منطق رله‌ای کلاسیک ساخته شده است، به‌جز اینکه به‌جای کلیدها و سیم‌پیچ‌های فیزیکی، از مکان‌های حافظه PLC و ورودی/خروجی استفاده می‌شود.
بلوک‌های تابعی (Function Block)
برنامه‌های PLC مبتنی بر بلوک‌های تابعی به‌صورت بلوک‌های گرافیکی بیان می‌شوند. سیگنال‌ها یا داده‌ها از طریق ورودی‌ها به PLC وارد می‌شوند و زمانی که این ورودی‌ها عملکرد از پیش برنامه‌ریزی شده بلوک را فعال می‌کنند، PLC یک یا چند خروجی تولید می‌کند.
بلوک‌های تابعی معمولاً در سیستم‌های کنترلی پیچیده که مدولار بودن و قابلیت استفاده مجدد حیاتی است، استفاده می‌شوند.
متن ساختاریافته (Structured Text)
متن ساختاریافته یک زبان برنامه‌نویسی متنی برای PLCها است که شبیه به زبان‌های برنامه‌نویسی مانند پایتون، ویژوال بیسیک و C است.
انواع معماری PLC
سه نوع اصلی معماری PLC برای استفاده در اتوماسیون صنعتی وجود دارد:
- معماری PLC ثابت
- معماری PLC مدولار
- معماری PLC توزیع شده
معماری PLC ثابت
در معماری PLC ثابت، تمام اجزای سخت‌افزاری در یک واحد یکپارچه قرار دارند.
معماری PLC مدولار
در معماری PLC مدولار، هر یک از اجزای سخت‌افزاری در ماژول‌های جداگانه قرار دارند و به یکدیگر متصل می‌شوند.
معماری PLC توزیع شده
در معماری PLC توزیع شده، سیستم PLC می‌تواند اجزای سخت‌افزاری را از طریق خطوط ارتباطی پرسرعت در مکان‌های مختلف متصل کند.
نتیجه‌گیری ساختار PLC
ساختار PLC و اجزای آن نشان‌دهنده انعطاف‌پذیری و قابلیت اطمینان در سیستم‌های کنترلی هستند. توانایی ترکیب اجزای مختلف به منظور مدیریت فرآیندهای پیچیده، PLCها را به بخشی ضروری از اتوماسیون صنعتی بدل کرده است. با پیشرفت فناوری و افزایش تقاضا برای سیستم‌های هوشمندتر، PLCها به‌طور مداوم در حال بهبود و توسعه‌اند، تا نیازهای متغیر صنایع مختلف را برآورده سازند. شناخت دقیق ساختار و عملکرد این دستگاه‌ها به مهندسان و مدیران صنعتی کمک می‌کند تا بهره‌وری فرآیندهای خود را بهینه کرده و به اهداف تولیدی مورد نظر دست یابند.
با توجه به تجربه و تخصص شرکت نیکسا به عنوان پیمانکار برق صنعتی در زمینه ساخت تابلو PLC، مشتریان می‌توانند با اطمینان کامل از کیفیت و عملکرد از تابلوهای کنترلی خریداری شده از شرکت نیکسا، بهره ببرند. همچنین، شرکت نیکسا با خدمات پس از فروش قوی و تیم فنی مجرب، به مشتریان خود اطمینان می‌دهد که در صورت بروز هرگونه مشکل یا نیاز به راهنمایی، همواره در کنار آن‌ها خواهد بود.
منبع: forumelectrical
