تحقیق مقاله سیستم کنترل

مقدمه:

هر سیستم کنترلی را به سه بخش اصلی می‌توان تقسیم کرد: ورودی بخش پردازشگر و خروجی سیگنالهای ورودی توسط مبدل‌ها که کمیت‌های فیزیکی را به سیگنال‌های الکترونیکی تبدیل می‌کنند فراهم می‌شوند. یک سیستم کنترل باید بتواند بر طریقه عملکردی یک فرآیند دخالت و تسلط داشته باشد. این کار با استفاده المان‌های خروجی، از قبیل پمپ‌ها، موتورها، پیستون‌ها، رله‌ها و … انجام می‌شود.

یک طرح کنترلی به دو روش قابل اجرا است:

با استفاده از سیستم‌ های کنترل غیرقابل تغییر توسط اپراتور و نیز با استفاده از کنترل کننده‌های قابل برنامه‌ریزی.

رله‌ یکی از قطعات مهم در بیشتر سیستم‌ های کنترل مدرن است. این قطعه‌ یک سوئیچ الکتریکی با ظرفیت جریانی بالاست. یک سیستم رله‌ای ممکن است شامل چند صدیا حتی چند هزار کنتاکت باشد.

کنترل‌کننده‌ های قابل برنامه‌ ریزی (PLC)ها:

PLCها به عنوان جانشینی برای سیستم‌های منطقی رله‌ای و تایمری غیرقابل تغییر توسط اپراتور طراحی شدند تا به جای تابلو های کنترل متداول قدیمی استفاده شوند. این کار به وسیله برنامه‌رزی آن‌ها و اجرای دستورالعمل‌های منطقی ساده که اغلب به شکل دیاگرام نردبانی است، صورت می‌گیرد. PLCها دارای یک سری توابع درونی از قبیل: تایمرها و شمارنده‌ها و شیفت رجیسترها می‌باشند که امکان کنترل مناسب را‏، حتی با استفاده از کوچک‌ترین PLC نیز، فراهم می‌آورند.

یک PLC با خواندن سیگنال‌های ورودی، کار خود را شروع کرده و سپس دستورالعمل‌های منطقی (که قبلاَ برنامه‌ریزی شده و در حافظه جای گرفته است) را بر روی این سیگنال‌های ورودی اعمال می‌کند و در پایان، سیگنال‌های خروجی مطلوب را برای راه‌اندازی تجهیزات و ماشین‌آلات تولید می‌نماید. تجهیزات استانداردی درون PLCها تعبیه شده‌اند که به آن‌ها اجازه می‌دهد مستقیماَ و بدون نیاز به واسطه‌های مداری یا رله‌ها، به المان خروجی یا محرک (actuator) و مبدل‌های ورودی (مانند پمپ‌ها و سوپاپ‌ها) متصل شوند.

با استفاده از PLCها، اصلاح و تغییر یک سیستم کنترل بدون نیاز به تغییر محل اتصالات سیم‌ها ممکن شده است.

برخی ویژگی‌های خاص، آن‌ها را ابزاری مناسب جهت انجام عملیات کنترل صنعتی نموده است. برخی از این ویژگی‌ها عبارتند از:

تجهیزات حفاظت کننده‌ها PLCها از نویز و شرایط نامساعد محیطی

ساختار PLCها، که به سادگی امکان تعویض یا افزودن واحد یا واحدهایی را به PLC می‌دهد. (مثلاَ واحد ورودی/ خروجی)

اتصالات استاندارد ورودی/ خروجی و نیز سطوح سیگنال استاندارد

زبان برنامه‌نویسی قابل درک و آسان (مانند دیاگرام نردبانی یا نمودار وظایف)

محدوده PLCهای در دسترس، از PLCهای جامع و کامل کوچک با 20 ورودی/ خروجی و 500 مرحله یا گام برنامه‌نویسی تا سیستم‌های مدولار با مدول‌های قابل افزایش را دربرگرفته است مدول‌ها برای انجام وظایفی نظیر:

ورودی/ خروجی آنالوگ

کنترل PID (تناسبی، انتگرال‌گیر و مشتق‌گیر)

ارتباطات

نمایش گرافیکی

ورودی/ خروجی اضافی

حافظه‌های اضافی و … استفاده می‌شوند.

PLCها، کامپیوترهایی ساخته شده به منظور خاص هستند که شامل سه قسمت اجرایی اصلی می‌باشند: پردازش، ورودی/ خروجی و حافظه. سیگنال‌ها از طریق ورودی به PLC فرستاده شده و آن‌گاه در حافظه، ذخیره می‌شوند. سپس سیگنال‌های خروجی به منظور راه‌اندازی تجهیزات مورد نظر، تولید می‌شوند.

در PLCهای کوچک‌تر، این عملیات توسط کارت‌های ویژه‌ای انجام می‌گیرند که به صورت واحدهای بسیار فشرده‌ای ساخته شده‌اند، در حالی که ساختار PLCهای بزرگتر به صورت مدولار با مدول‌هایی که بر روی شیارهای تعبیه شده بر روی دستنده نصب می‌شود، بنا گردیده است. این امر امکان توسعه سیستم را- در صورت ضرورت- به سادگی فراهم می‌آورد. در هر دوی این موارد بوردهای مداری ویژه‌ای، به سادگی تعویض یا برداشته می‌شود و امکانات تعمیر سیستم نیز به سادگی فراهم می‌آید.

CPU بر تمام عملیاتی که در PLC رخ می‌دهد‏، کنترل و نظارت دارد و دستورالعمل‌های برنامه‌ریزی شده و ذخیره شده را اجرا می‌کند.

تمام PLCهای مدرن برای ذخیره برنامه از حافظه‌های نیمه هادی مانند EPROM, RAM یا EEPROM استفاده می‌کنند.

عملاَ از RAM برای تکمیل برنامه مقدماتی و تست آن استفاده می‌شود، زیرا که امکان تغییر و اصلاح راحت برنامه را فراهم می‌آورد.

پس از این که یک برنامه تکمیل شد و مورد آزمایش قرار گرفت می‌توان آن را در PROM یا EPROM، که اغلب ارزانتر از قطعات RAM می‌باشند، بار (Load) کرد. برنامه‌ریزی PROM معمولاَ توسط یک برنامه‌ریز مخصوص صورت می‌گیرد.

PLC‌های کوچک معمولاَ تا حدی به دلیل ابعاد فیزیکی دستگاه دارای حجم حافظه محدود و ثابتی می‌باشند. حجم این حافظه‌ها بسته به تولیدکننده آن‌ها بین 300 تا 1000 دستورالعمل متفاوت است. این حجم حافظه ممکن است کمتر از آنی به نظر آید که مناسب جهت امور کنترلی باشد‏، اما تقریباَ حدود 90 درصد عملیات مورد نیاز کنترل‌های دودویی با کمتر از 1000 دستورالعمل قابل اجرا می‌باشند. بنابراین فضای حافظه لازم برای بیشتر کاربردها فراهم خواهد آمد.

PLCهای بزرگتر از مدول‌های حافظه‌ای استفاده می‌کنند که بین K1 تا K64 فضای حافظه را فراهم می‌آورند. این مدول‌ها امکان گسترش سیستم را با افزودن کارت‌های حافظه RAM یا PROM به PLC فرام می‌آورند.

معیار اولیه مشخص کننده اندازه PLCها، در قالب حجم حافظه برنامه و حداکثر تعداد ورودی و خروجی‌هایی که سیستم قادر به پشتیبانی از آن‌هاست. اما به منظور ارزیابی و محک مناب هر PLC، باید خصوصیات دیگری از آن، از قبیل نوع پردازشگر، زمان اجرای یک سیکل برنامه، تسهیلات زبان برنامه‌نویسی، توابع (از قبیل شمارنده، تایمر و …) قابلیت توسعه و … را نیز در نظر بگیریم.

معمولاَ، PLCهای کوچک و «مینی PLCها» به صورت واحدهای قدرتمند، کارآ و فشرده‌ای طراحی می‌شوند که قابل جاسازی بر روی، یا کنار تجهیزات تحت کنترل باشند. آن‌ها عمدتاَ به عنوان جایگزین سیستم‌های رله‌ای غیرقابل تغییر توسط اپراتور، تایمر، شمارنده و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرند تا بخش‌های مجزا و منفرد کارخانجات یا ماشین‌آلات را کنترل کنند، اما می‌توان آن‌ها برای هماهنگ کردن عملکرد چند ماشین در تلفیق با یکدیگر سود جست.

PLCهای کوچک قادر به توسعه تعداد کانال‌های ورودی و خروجی با استفاده از یک یا دو مدول ورودی/ خروجی می‌باشند.

PLCهای بزرگ برای استفاده در کارخانجات عظیم یا ماشین‌های بزرگی که به کنترل پیوسته نیازمندند، طراحی شده‌اند.

همچنین آن‌ها به عنوان کنترل کننده‌ ناظر آن نظارت (monitor) و کنترل کردن چندین PLC دیگر یا سایر ماشین‌های هوشمند به کار می‌روند.

در PLC‌های بزرگ از:

پردازشگر 16 بیتی به عنوان پردازشگر اصلی جهت محاسبات دیجیتالی و همچنین به کارگیری متن.

پردازشگرهای تک‌بیتی به عنوان پردازشگر همکار برای محاسبه سریع‏، ذخیره‌سازی و …

پردازشگرهای جانبی، برای انجام وظایف اضافی که تابع زمان می‌باشند مانند:

کنترل حلقه بسته PID

کنترل موقعیت

محاسبات عددی با ممیز شناور

تشخیص عیب و رصد

ارتباطات بین ماشین‌های هوشمند برای ورودی/ خروجی توزیع شده

دیاگرام‌های تقلیدی از وضعیت فرآیند یا دیاگرام‌های فرآیندنما

نصبگاه‌های ورودی/ خروجی با فاصله دور استفاده می‌شود.

PLCهای زیمنس:

شرکت زیمنس تمام PLCهای خود را زیر مجموعه Simatic می‌داند‏، یعنی:

Simatic S5

Simatic S7

Simatic C7

505

LOGO

S5 خود، به مدلهای زیر تقسیم می‌گردد:

90u

95u

100u

115u

135u

155u

مدلهای 90u و 95u به صورت یکپارچه یا Compact هستند، یعنی کارتهای I/O (ورودی و خروجی)، CPU و بعضاَ منبع تغذیه کنار هم می‌باشند.

مدلهای 100u و 115u به صورت Modular هستند، یعنی CPU و کارتهای ورودی و خروجی را جداگانه داریم و آنها را بر روی قطعه‌ای به نام Rack قرار می‌دهیم. مدلهای 135u و 155u نیز Modular هستند ولی از نظر کاربردی، کاربرد وسیعتری دارند.

در مجموع برنامه‌ریزی این نوع پی‌ال‌سی‌های S5 توسط نرم‌افزار Step5 صورت می‌گرفت.

S7:

S7 200

S7 300

S7 400

S7 300F

S7 300C

S7 400H

پی‌ال‌سی S7 200 توسط نرم‌افزار Step 7 Micro Win برنامه‌ریزی می‌شود.

مهمترین موردی که باعث تفاوت بین S7 300, S7 200 و S7 400 می‌گردد، حجم I/O می‌باشد.

C7 مشابه S7 300 است با این تفاوت که دارای Operator Panel نیز می‌باشد.

جهت برنامه‌ریزی C7، از نرم‌افزار Step 7 به اضافه نرم‌افزار Protools استفاده می‌شود.

S7 300F در سیستم‌هایی که نیاز به ایمنی زیاد دارند به کار می‌روند.

400H دارای دو CPU است که یکی رزرو دیگری است و در زمانی در حد ms (میلی‌ثانیه) این CPU خارج و CPU دوم جایگزین می‌گردد.

S7 300 خود، دارای انواع مختلفی نظیر 319, 315, 314, 312 و … می‌باشد.

توانایی پیکربندی سخت‌افزار و شبکه توسط نرم‌افزار تطابق با استاندارد IEC 1131.

استاندارد IEC 1131:

این استاندارد خاص PLCها است. آخرین ورژن این استاندارد 8 بخش دارد که سه بخش عمده آن عبارتند از: سخت‌افزار، شبکه و نرم‌افزار.

یکی از نسخه‌های رایج این برنامه Step7 ورژن 2،5 می‌باشد که تنها سه زبان LAD, STL و FBD را پشتیبانی می‌کند.

نسخه Step 7 Professional قابلیت پشتیبانی هر پنج زبان را دارد.

در کنار Step 7 شرکت زیمنس نرم‌افزارهای جابنی با نام SIMATIC ارائه نموده است.

1- Teleservice: جهت ارتباط با PLC از طریق خط تلفن

2- PLcSIM: سیمولاتور نرم‌افزاری جهت شبیه‌سازی ورودی و خروجی و خود PLC.

3- PDIAG: ابزاری جهت عیب‌یابی سریعتر.

4- PID Control: در واقع Loop Controller است که به صورت نرم‌افزاری استفاده می‌شوند.

5- WINCC: جهت مانیتورینگ صنعتی به کار گرفته می‌شود.

6- DOC PRO: جهت فرام کردن نقشه‌های Wiring و اسناد مربوط به پروژه ایجاد شده.

پی‌ال‌سی لوگو کوچکترین پی‌ال‌سی ساخت شرکت زیمنس می‌باشد که با کارآیی بالا و وزن کم در صنایع و ماشین‌آلات بسته‌بندی پرکنها پله برقی و غیره کاربرد دارد. نوعی از این پی‌ال‌سی دارای صفحه نمایش بوده و توسط کلیدهای روی آن یا ac/Dc با کامپیوتر قابل برنامه‌ریزی می‌باشد ارائه می‌گردد. بطور کلی در دو مدل بمنظور کاهش هزینه‌ها و بعنوان راه‌حلی بهینه پیشنهاد گردید و به دلیل مدیریت ساده و کاربردی بودن پیشرفت چشمگیری در مهندسی برق و اتوماسیون صنعتی بوجود آورد سخت‌افزار لوگو شامل ماژول اصلی پایه کارت‌های افزایش ماژول تغذیه و قطعات جانبی آن می‌باشد.