نقش PLC در اتوماسیون صنعتی
مقدمه
امروزه در بین کشورهای صنعتی ، رقابت فشرده و شدیدی در ارائه راهکارهایی برای کنترل بهتر فرآیندهای تولید ، وجود دارد که مدیران و مسئولان صنایع در این کشورها را بر آن داشته است تا تجهیزاتی مورد استفاده قرار دهند که سرعت و دقت عمل بالایی داشته باشند. بیشتر این تجهیزات شامل سیستمهای استوار بر کنترلرهای قابل برنامه‌ریزی (Programmable Logic Controller) هستند. در بعضی موارد که لازم باشد می‌توان PLCها را با هم شبکه کرده و با یک کامپیوتر مرکزی مدیریت نمود تا بتوان کار کنترل سیستمهای بسیار پیچیده را نیز با سرعت و دقت بسیار بالا و بدون نقص انجام داد.
قابلیت‌هایی از قبیل توانایی خواندن انواع ورودی‌ها (دیجیتال ، آنالوگ ، فرکانس بالا...) ، توانایی انتقال فرمان به سیستم‌ها و قطعات خروجی ( نظیر مانیتورهای صنعتی ، موتور، شیربرقی ، ... ) و همچنین امکانات اتصال به شبکه ، ابعاد بسیار کوچک ، سرعت پاسخگویی بسیار بالا، ایمنی ، دقت و انعطاف پذیری زیاد این سیستم‌ها باعث شده که بتوان کنترل سیستم‌ها را در محدوده وسیعی انجام داد.
مفهوم کنترلرهای قابل برنامه‌ریزی PLC
در سیستمهای اتوماسیون وظیفه اصلی کنترل بر عهده PLC است که با گرفتن اطلاعات از طریق ترمینالهای ورودی، وضعیت ماشین را حس کرده و نسبت به آن پاسخ مناسبی برای ماشین فراهم می‌کند. امکان تعریف مدهای مختلف برای ترمینالهای ورودی/خروجی یک PLC، این امکان را فراهم کرده تا بتوان PLC را مستقیما به المانهای دیگر وصل کرد. علاوه بر این PLC شامل یک واحد پردازشگر مرکزی( CPU) نیز هست، که برنامه کنترلی مورد نظر را اجرا می‌کند. این کنترلر آنقدر قدرتمند است که می‌تواند هزارها I/O را در مدهای مختلف آنالوگ یا دیجیتال و همچنین هزارها تایمر/ کانتر را کنترل نماید. همین امر باعث شده بتوان هر سیستمی، از سیستم کنترل ماشین‌هایی با چند I/O که کار ساده‌ای مثل تکرار یک سیکل کاری کوچک انجام می‌دهند گرفته تا سیستمهای بسیار پیچیده تعیین موقعیت و مکان‌یابی را کنترل نمود. این سیستم می‌تواند بدون نیاز به سیم‌بندی و قطعات جانبی و فقط از طریق نوشتن چند خط برنامه تا صدها تایمر را در آن واحد کنترل و استفاده نماید.
زمان پاسخگویی Scan Time
این زمان بستگی به سرعت پردازش CPU مدل انتخاب شده PLC و طول برنامه کاربر دارد. از یک میکرو‌ثانیه تا ده میلی ثانیه می‌باشد. مثلا در مواقعی که I/O از سیستم اصلی دور باشد، چون مجبور به نقل و انتقال سیگنالها به سیستم دورتری هستیم در نتیجه زمان اسکن زیاد میشود. همچنین مانیتور کردن برنامه کنترلی اغلب به زمان اسکن می‌افزاید چرا که CPU کنترلر مجبور است وضعیت کنتاکتها، رله‌ها ، تایمر‌ها و... را روی CRT یا هر وسیله نمایشگر دیگری بفرستد.
قطعات ورودی
هوشمند بودن سیستم اتوماسیون بیشتر مربوط به توانایی PLC در خواندن سیگنالهای ارسالی از انواع ورودی‌ها، دستی، اتوماتیک و حس‌گرهای خودکار می‌باشد. قطعات ورودی نظیر شستی‌های استارت/ استوپ ، سوییچ‌ها، میکرو‌سوییچ‌ها، سنسورهای فتوالکتریک، proximity ، level sensor ، ترموکوپل، PT100 و... PLC از این سنسورها برای انجام عملیاتی نظیر تشخیص قطعه روی نوار نقاله حامل قطعات، تشخیص رنگ، تشخیص سطح مایعات داخل مخزن، آگاهی داشتن از مکانیزم حرکت و موقعیت جسم، تست کردن فشار مخازن و بسیاری موارد دیگر، استفاده می‌کند.
سیگنالهای ورودی یا دیجیتال هستند و یا آنالوگ، که در هر صورت ورودی‌های PLC را توان در مدهای مختلف تنظیم و مورد استفاده قرار داد.
قطعات خروجی
همانطوری که می‌دانید یک سیستم اتوماسیون شده بدون داشتن قابلیت اتصال به قطعات خروجی از قبیل سیم‌پیچ، موتور، اینورتر، شیربرقی ، هیتر و ... کامل نخواهد بود. قطعت خروجی نحوه عملکرد سیستم را نشان می‌دهند و مستقیما تحت تاثیر اجرای برنامه کنترلی سیستم هستند در خروجی‌های PLC نیز مدهای مختلفی برای اعمال سیگنال به المانهای خروجی وجود دارد.
نقش کنترلرهای قابل برنامه‌ریزی (PLC) در اتوماسیون صنعتی
در یک سیستم اتوماسیون، PLC بعنوان قلب سیستم کنترلی عمل می‌کند. هنگام اجرای یک برنامه کنترلی که در حافظه آن ذخیره شده است، PLC همواره وضعیت سیستم را بررسی می‌کند. این کار را با گرفتن فیدبک از قطعات ورودی و سنسورها انجام می‌دهد. سپس این اطلاعات را به برنامه کنترلی خود منتقل می‌کند و نسبت به آن در مورد نحوه عملکرد ماشین تصمیم‌گیری می‌کند و در نهایت فرمانهای لازم را به قطعات و دستگاههای مربوطه ارسال می‌کند.
مقایسه c با تابلوهای کنترلی مبتنی بر PLC
امروزه تابلوهای کنترل معمولی ( رله‌ای ) خیلی کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. چرا که معایب زیادی دارند. از آنجا که این نوع تابلوها با رله‌های الکترو‌مکانیکی کنترل می‌شوند، وزن بیشتری پیدا می‌کنند، سیم‌کشی تابلو کار بسیار زیادی می‌طلبد و سیستم را بسیار پیچیده می‌کند. در نتیجه عیب‌یابی و رفع مشکل آن بسیار پرزحمت بوده و برای اعمال تغییرات لازم در هر سال و یا بروز کردن سیستم بایستی ماشین را بمدت طولانی متوقف نمود که این امر مقرون به صرفه نخواهد بود. ضمنا توان مصرفی این تابلوها بسیار زیاد است.
با بوجود آمدن PLC، مفهوم کنترل و طراحی سیستمهای کنترلی بطور بسیار چشمگیری پیشرفت کرده است و استفاده از این کنترلر‌ها مزایای بسیار زیادی دارد. که به برخی از این موارد در زیر اشاره کرده‌ایم. که با مطالعه آن می‌توان به وجه تمایز PLC با سایر سیستمهای کنترلی پی برد:
سیم بندی سیستمهای جدید در مقایسه با سیستمهای کنترل رله‌ای تا 80٪ کاهش می‌یابد.
از آنجاییکه PLC توان بسیار کمی مصرف می‌کند، توان مصرفی بشدت کاهش پیدا خواهد کرد.
توابع عیب یاب داخلی سیستم PLC ، تشخیص و عیب‌یابی سیستم را بسیار سریع و راحت می‌کند.
برعکس سیستمهای قدیمی در سیستمهای کنترلی جدید اگر نیاز به تغییر در نحوه کنترل یا ترتیب مراحل آن داشته باشیم، بدون نیاز به تغییر سیم‌بندی و تنها با نوشتن چند خط برنامه این کار را انجام می‌دهیم. در نتیجه وقت و هزینه بسیار بسیار اندکی صرف انجام اینکار خواهد شد.
در مقایسه با تابلوهای قدیمی در سیستمهای مبتنی بر PLC نیاز به قطعات کمکی از قبیل رله ، کانتر، تایمر، مبدل‌های A/D و D/A و... بسیار کمتر شده است. همین امر نیز باعث شده در سیستمهای جدید از سیم‌بندی، پیچیدگی و وزن تابلوها به نحو چشمگیری کاسته شود.
از آنجاییکه سرعت عملکرد و پاسخ‌دهی PLC در حدود میکرو‌ثانیه و نهایتا میلی ثانیه است، لذا زمان لازم برای انجام هر سیکل کاری ماشین بطور قابل ملاحظه‌ای کاهش یافته و این امر باعث افزایش میزان تولید و بالا رفتن بازدهی دستگاه میشود.
ضریب اطمینان و درجه حفاظت این سیستم‌ها بسیار بالا تر از ماشین‌های رله‌ای است.
وقتی توابع کنترل پیچیده‌تر و تعداد I/O ها خیلی زیاد باشد، جایگزین کردن PLC بسیار کم هزینه‌تر و راحت‌تر خواهد بود.
اصول و نحوه طراحی یک سیستم کنترلی با استفاده از یک PLC
مفهوم کنترل کردن یک پروسه، کاری بسیار ساده و آسان است و انجام اصولی موارد زیر را می‌طلبد:
مشخص کردن ترتیب کار ماشین
عملیات سیستم کنترلی توسط المانهای ورودی تعیین میشود، بسته به شرایط موجود یک سیگنال به PLC فرستاده میشود. در پاسخ، کنترلر بر طبق برنامه کنترلی که در حافظه خود دارد سیگنالی به ترمینالهای خروجی، که کار دستگاه را کنترل می‌کنند، می‌فرستد و به این ترتیب عمل کنترلی خواسته شده، انجام میشود. قبل از نوشتن برنامه باید فلوچارت ترتیب و توالی عملیات را رسم کنید.
انتخاب مدل PLC
با بررسی سیکل کاری پروسه‌ای که می‌خواهیم کنترل کنیم، مشخص کردن تعداد و نوع Input/Output های سیستم و با توجه به دقت مورد نیاز، PLC مناسب را انتخاب می‌کنیم. در مورد انتخاب یک PLC بایستی مشخصه‌های زیر را تعیین کنیم:
تعداد ورودی‌ها
تعداد خروجی‌ها
نوع ورودی و خروجی‌های دستگاه
تعداد رجیستر‌ها و بیت‌های کمکی
تعداد تایمر‌ها و شمارنده‌های مورد نیاز
اندازه حافظه
سرعت اجرای برنامه و پاسخ‌دهی دستگاه Scan Time
برخی از شرکتهای مشهور سازنده PLC عبارتند از : LG ، MITSUBISHI، TELEMECANIQUE، OMRON ، ALAM BRADLEY ، SIEMENS و...
اختصاص دادن آدرسهایی از حافظه PLC به ترمینالهای ورودی و خروجی:
سومین قدم این است که تمامی قطعات کمکی که به PLC وصل می‌شوند باید مشخص شوند. بعد از گرفتن لیست از این قطعات، به هر کدام از آنها آدرسی از حافظه PLC I/O اختصاص داده میشود. در حین سیم‌بندی مدار هم باید دقت کرد که این قطعات به ترمینالهای مشخص شده وصل شوند. مشخص کردن آدرس‌های ورودی خروجی باید قبل نوشتن برنامه انجام شود. چرا که این آدرس‌ها به کنتاکتهایی که در برنامه نردبانی استفاده خواهد شد، معنی می‌دهد.
برنامه‌نویسی و ذخیره آن در حافظه PLC:
بعد از تجزیه تحلیل مدار و انتخاب PLC حال نوبت به برنامه‌نویسی آن می‌رسد. برنامه با توجه به ترتیب عملیات که در قدم اول مشخص شده، نوشته میشود. زبان برنامه‌نویسی آن که بصورت اعداد و حروف است از یک استاندارد مشخصی تبعیت می‌کند. روشهای نمایش برنامه در تمام PLCها مشترک می‌باشد و به سه صورت زیر است:
دیاگرام نردبانی LADDER DIAGRAM
سیستم کنترل فلوچارت CONTROL SYSTEM FLOWCHART
لیست بیانی ( STATEMENT LIST ( MNEMONIC CODE
برای نوشتن برنامه در PLCمی‌توان از برنامه‌ریز دستی programmer console و یا PC استفاده کرد. هر کدام از سازنده‌های PLC نرم‌افزاری برای محصول خود ارائه کرده‌اند که اغلب هر سه روش برنامه‌نویسی، LADDER، CSF، STL را پشتیبانی می‌کند و می‌توان براحتی PLC را به کامپیوتر وصل کرد. از طریق پورت RS232-C، می‌توان برنامه نوشته شده را به حافظه PLC فرستاده و در آنجا ذخیره نمود. در نوشتن برنامه کنترلی می‌توان از دستورات منطقی، محاسباتی و انتقال داده استفاده نمود. دستورات منطقی مثل NOT، XOR، OR، AND و... دستورات محاسباتی مانند انواع جمع، تفریق، ضرب، تقسیم، دستورات مثلثاتی، توان، لگاریتم، تبدیل کدها، محاسبات مربوط به اعداد اعشاری، دستورات مقایسه و ....
معمولا در مواقعی که بخواهیم در کار ماشین وقفه‌ای ایجاد کنیم یا در بین فرآیندها فاصله قایل شویم و یا زمان لازم برای انجام یک یا چند فرآیند در نظر گرفته شود از تایمر‌های داخلی PLC در مدهای مختلف تاخیر در وصل، تاخیر در قطع، تایمر حافظه‌دار، مولد پالس و... استفاده می‌کنیم. برای شمارش پالس‌های ورودی، شمارش سیکل‌های کاری و یا کاربردهایی از قبیل شمارش تعداد قطعاتی که از جلوی سنسوری رد شده‌اند و... از کانترهای داخلی خود PLC استفاده می‌کنیم. این کانترها را در هر دو حالت بالا شمار و پایین شمار می‌توان بکار برد. تعداد تایمر/ کانتر از 256تا برای مدل‌های پایین PLC تا چند هزار عدد برای مدل‌های بالاتر می‌باشد که دسترسی به آنها تنها با نوشتن چند خط برنامه و بصورت نرم‌افزاری امکان‌پذیر بوده و هیچ نیازی به قطعات خارجی و سیم‌بندی اضافی و حجیم کردن تابلو کنترل ندارند.
تست نهایی و اجرای برنامه کنترلی:
قبل از آنکه شستی استارت زده شود، بی‌خطر بودن سیستم کاملا تست خواهد شد و از درست وصل شدن قطعات خروجی به ترمینالهای PLC بر طبق آدرس‌های اختصاص داده شده اطمینان حاصل میشود. بعد از تایید نهایی می‌توان عملیات کنترلی را آغاز نمود. برای اجرای برنامه بایستی PLC را به مد اجرا RUN برده و کلید استارت را فشار دهیم.
بعد از مشاهده عملکرد ممکن است سیستم نیاز به اشکال‌زدایی داشته باشد تا در صورت لزوم عملکرد سیستم بهتر شود. در این صورت هم فقط برنامه PLC است که تغییر خواهد کرد
کاربرد PLC در صنعت
نمونه‌های زیادی از سیستمهای کنترلی در صنایع مختلف وجود دارد که در آنها از PLC استفاده شده است. برخی از این کاربردها در زیر آمده است:
سیستمهای اتوماسیون