نقش PLC در اتوماسیون صنعتی
مقدمه :
امروزه در بین كشورهای صنعتی ، رقابت
فشرده و شدیدی در ارائه راهكارهایی برای كنترل بهتر فرآیندهای تولید ، وجود
دارد كه مدیران و مسئولان صنایع در این كشورها را بر آن داشته است تا
تجهیزاتی مورد استفاده قرار دهند كه سرعت و دقت عمل بالایی داشته باشند.
بیشتر این تجهیزات شامل سیستمهای استوار بر كنترلرهای قابل برنامه‌ریزی
(Programmable Logic Controller) هستند. در بعضی موارد كه لازم باشد
می‌توان PLCها را با هم شبكه كرده و با یك كامپیوتر مركزی مدیریت نمود تا
بتوان كار كنترل 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 ، فركانس بالا...) ،
توانایی انتقال فرمان به سیستم‌ها و قطعات خروجی ( نظیر مانیتورهای صنعتی ،
موتور، شیربرقی ، ... ) و همچنین امكانات اتصال به شبكه ، ابعاد بسیار
كوچك ، سرعت پاسخگویی بسیار بالا، ایمنی ، دقت و انعطاف پذیری زیاد این
سیستم‌ها باعث شده كه بتوان كنترل سیستم‌ها را در محدوده وسیعی انجام داد.
مفهوم كنترلرهای قابل برنامه‌ریزی PLC :
در
سیستمهای اتوماسیون وظیفه اصلی كنترل بر عهده PLC است كه با گرفتن
اطلاعات از طریق ترمینالهای ورودی، وضعیت ماشین را حس كرده و نسبت به آن
پاسخ مناسبی برای ماشین فراهم میكند. امكان تعریف مدهای مختلف برای
ترمینالهای ورودی/خروجی یك PLC، این امكان را فراهم كرده تا بتوان PLC را
مستقیما به المانهای دیگر وصل كرد. علاوه بر این PLC شامل یك واحد پردازشگر
مركزی( CPU) نیز هست، كه برنامه كنترلی مورد نظر را اجرا میكند. این
كنترلر آنقدر قدرتمند است كه می‌تواند هزارها I/O را در مدهای مختلف آنالوگ
یا دیجیتال و همچنین هزارها تایمر/ كانتر را كنترل نماید. همین امر باعث
شده بتوان هر سیستمی، از سیستم كنترل ماشین‌هایی با چند I/O كه كار ساده‌ای
مثل تكرار یك سیكل كاری كوچك انجام می‌دهند گرفته تا سیستمهای بسیار
پیچیده تعیین موقعیت و مكان‌یابی را كنترل 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 كنترل و استفاده نماید.
زمان پاسخگویی Scan Time :
این
زمان بستگی به سرعت پردازش CPU مدل انتخاب شده PLC و طول برنامه كاربر
دارد. از یك میكرو‌ثانیه تا ده میلی ثانیه می‌باشد. مثلا در مواقعی كه I/O
از سیستم اصلی دور باشد، چون مجبور به نقل و انتقال سیگنالها به سیستم
دورتری هستیم در نتیجه زمان اسكن زیاد می‌شود. همچنین مانیتور كردن برنامه
كنترلی اغلب به زمان اسكن می‌افزاید چرا كه CPU كنترلر مجبور است وضعیت
كنتاكتها، 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،
اتوماتیك و حس‌گرهای خودكار می‌باشد. قطعات ورودی نظیر شستی‌های استارت/
استوپ ، سوییچ‌ها، میكرو‌سوییچ‌ها، سنسورهای فتوالكتریك، proximity ، level
sensor ، ترموكوپل، 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 مكانیزم حركت و موقعیت جسم، تست كردن فشار مخازن
و بسیاری موارد دیگر، استفاده میكند.
سیگنالهای ورودی یا دیجیتال هستند و یا آنالوگ، كه در هر صورت ورودی‌های PLC را توان در مدهای مختلف تنظیم و مورد استفاده قرار داد.
قطعات خروجی :
همانطوری
كه می‌دانید یك سیستم اتوماسیون شده بدون داشتن قابلیت اتصال به قطعات
خروجی از قبیل سیم‌پیچ، موتور، اینورتر، شیربرقی ، هیتر و ... كامل نخواهد
بود. قطعت خروجی نحوه عملكرد سیستم را نشان می‌دهند و مستقیما تحت تاثیر
اجرای برنامه كنترلی سیستم هستند در خروجی‌های PLC نیز مدهای مختلفی برای
اعمال سیگنال به المانهای خروجی وجود دارد.
نقش كنترلرهای قابل برنامه‌ریزی (PLC) در اتوماسیون صنعتی :
در
یك سیستم اتوماسیون، PLC بعنوان قلب سیستم كنترلی عمل میكند. هنگام اجرای
یك برنامه كنترلی كه در حافظه آن ذخیره شده است، PLC همواره وضعیت سیستم
را بررسی میكند. این كار را با گرفتن فیدبك از قطعات ورودی و سنسورها
انجام میدهد. سپس این اطلاعات را به برنامه كنترلی خود منتقل میكند و
نسبت به آن در مورد نحوه عملكرد ماشین تصمیم‌گیری میكند و در نهایت
فرمانهای لازم را به قطعات و دستگاههای مربوطه ارسال میكند.
مقایسه تابلوهای كنترل معمولی با تابلوهای كنترلی مبتنی بر PLC :
امروزه
تابلوهای كنترل معمولی ( رله‌ای ) خیلی كمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند.
چرا كه معایب زیادی دارند. از آنجا كه این نوع تابلوها با رله‌های
الكترو‌مكانیكی كنترل می‌شوند، وزن بیشتری پیدا می‌كنند، سیم‌كشی تابلو كار
بسیار زیادی می‌طلبد و سیستم را بسیار پیچیده میكند. در نتیجه عیب‌یابی و
رفع مشكل آن بسیار پرزحمت بوده و برای اعمال تغییرات لازم در هر سال و یا
بروز كردن سیستم بایستی ماشین را بمدت طولانی متوقف نمود كه این امر مقرون
به صرفه نخواهد بود. ضمنا توان مصرفی این تابلوها بسیار زیاد است.
با
بوجود آمدن PLC، مفهوم كنترل و طراحی سیستمهای كنترلی بطور بسیار چشمگیری
پیشرفت كرده است و استفاده از این كنترلر‌ها مزایای بسیار زیادی دارد. كه
به برخی از این موارد در زیر اشاره كرده‌ایم. كه با مطالعه آن می‌توان به
وجه تمایز PLC با سایر سیستمهای كنترلی پی برد:
سیم بندی سیستمهای جدید در مقایسه با سیستمهای كنترل رله‌ای تا 80٪ كاهش می‌یابد.
از آنجاییكه PLC توان بسیار كمی مصرف میكند، توان مصرفی بشدت كاهش پیدا خواهد كرد.
توابع عیب یاب داخلی سیستم PLC ، تشخیص و عیب‌یابی سیستم را بسیار سریع و راحت میكند.
برعكس
سیستمهای قدیمی در سیستمهای كنترلی جدید اگر نیاز به تغییر در نحوه
كنترل یا ترتیب مراحل آن داشته باشیم، بدون نیاز به تغییر سیم‌بندی و تنها
با نوشتن چند خط برنامه این كار را انجام می‌دهیم. در نتیجه وقت و هزینه
بسیار بسیار اندكی صرف انجام اینكار خواهد شد.
در مقایسه با تابلوهای
قدیمی در سیستمهای مبتنی بر PLC نیاز به قطعات كمكی از قبیل رله ، كانتر،
تایمر، مبدل‌های A/D و D/A و... بسیار كمتر شده است. همین امر نیز باعث شده
در سیستمهای جدید از سیم‌بندی، پیچیدگی و وزن تابلوها به نحو چشمگیری
كاسته شود.
از آنجاییكه سرعت عملكرد و پاسخ‌دهی PLC در حدود میكرو‌ثانیه
و نهایتا میلی ثانیه است، لذا زمان لازم برای انجام هر سیكل كاری ماشین
بطور قابل ملاحظه‌ای كاهش 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 كنترل پیچیده‌تر و تعداد I/O ها خیلی زیاد باشد، جایگزین كردن PLC بسیار كم هزینه‌تر و راحت‌تر خواهد بود.
نرم افزار protool یك نرم افزار مخصوص مانیتورینگ صنعتی و راه اندازی پنلهای صنعتی است.
امروزه در عصــر ســــرعت و ارتباطــات و با وجود شبكه
های جهانی خارجی و داخلی(Internet , Intranet )، پایه و اساس ایجاد موضوعات
مختلف بر مبنای سرعت انتقال داده ها از جائی به جای دیگر و امكان دسترسی
سریع و آسان به داده ها پایه ریزی می شود . لذا خود موضوع ارتباطات نیز از
این موضوع استثناء نبوده و امروزه از اهمیت ویژه ای برخوردار است و چون بخش
مهمی از ارتباطات هر سازمانی را ، مكاتبات آن سازمان تشكیل می دهد ، لذا
اهمیت این موضوع در مكاتبات هر سازمان نیز خود را نشان می دهد .
در روشهای سنتی و البته معمول فعلی ، مكاتبات سازمانی (
چه داخلی و چه خارجی ) با استفاده از نامه نگاری های معمول و بواسطه كاغذ
انجام می پذیرد ، البته ممكن است در این راستا ، برای ارسال مكاتبات فوری
تر از دستگاههائی مانند نمابر نیز استفاده شود ، ولی آنچه مهم است اینكه
همواره از این روشها استفاده نمی شود .
نرم افزار protool یك نرم افزار مخصوص مانیتورینگ صنعتی و راه اندازی پنلهای صنعتی است این نرم افزار از نظر ساختار داخلی به دو قسمت اصلی تقسیم می شود
بخش اول مربوط به protool cs است كه پیكربندی پروژه را در این نرم افزار به عهده دارد و
بخش دوم protool/pro RT است كه جهت تست و شبیه سازی برنامه مورد استفاده قرار می گیرد
در بخش protool cs شما می توانید یك پروژه را ایجاد،
مدیریت و پیكربندی كنید و این امر بر روی كامپیوتر انجام می گیرد در بخش
protool/pro RT شما می توانید برنامه را بر روی operating unit ها تست كنید
و یا اینكه بر روی كامپیوتر شبیه سازی كنید.
اما شركت زیمنس یك سری پنلهای مخصوص طراحی كرده كه بر
حسب امكانات در مدلهای مختلف طراحی شده اند. امكانات این پنلها عبارتند از
امكان نصب ویندوز و اتصال به PLC و همچنین دارایا پورتهای USB و اتصال به
صورت شبكه های Ethernet صنعتی و profibus DP می باشد.
آشنایی با استاندارد IEC1131 درصنعت PLCزبان برنامه نویسی PLCهای
مختلف دارای شباهت ها و تفاوت های گوناگونی است،واین موضوع برای استفاده
كنندگان مشكلاتی را بهمراه داشته است.كمسیون جهانی فناوری برق(The
International Electrotecnical Commission)كه سازمان بین المللی برای ارائه
استاندارد های جهانی در صنعت برق است.اخیراً برای ارائه استاندارد های
جهانی در زمینه زبانهای برنامه نویسی PLC اقداماتی نموده است،كه ازجمله می
توان به زبان واحدی برای برنامه نویسی اشاره نمود.سازمان،سازندگان مختلف را
تشویق به اسنفاده از این زبان برای محصولات خود میكند.بااین همه
هنوزتفاوتهای زیادی بین این زبان(IEC)با زبانهای ارائه شده از طرف سازندگان
PLCوجود دارد.
اولین PLCها در سال 1968 ساخته شده اند. در دهه 70 قابلیت برقراری
ارتباط به آنها اضافه شد و در دهه 80 پروتکل های ارتباطی استاندارد شد.
بالاخره در دهه 90 استاندارد زبان های برنامه نویسی PLC یعنی استاندارد
IEC1131 ارائه گردید .
در سال 1979 یک گروه متخصص در IEC کار بررسی جامع PLC
ها را شامل سخت افزار، برنامه نویسی و ارتباطات به عهده گرفت. هدف این گروه
تدوین روش های استانداردی بود که موارد فوق را پوشش دهد و توسط سازندگان
PLC بکار گرفته شود. این کار حدود 12 سال به طول انجامید و نهایتاً پس از
بحث های موافق و مخالفی که انجام شد استاندارد IEC1131 شکل گرفت و جنبه های
مختلف این وسیله از طراحی سخت افزار گرفته تا نصب ، تست، برناه ریزی و
ارتباطات آن را زیر پوشش قرار داد. این استاندارد که با همکاری برخی از
سازندگان بزرگ PLC از جمله شرکت زیمنس شکل گرفته بود از آن به بعد توسط
ایشان به کارگرفته شد و سعی نمودند محصولات خود را با آن منطق سازند.
استاندارد IEC1131 از بخش های زیر تشکیل شده است.
بخش اول: اطلاعات کلی:
این بخش ضمن تعریف بخش های مختلف PLC و وسایل جانبی آن
عملکرد هر قسمت مانندCPU ، منبع تغذیه ، ورودی ها و خروجی ها و … را تشریح
کرده و یک ساختار کلی را به عنوان الگو ارایه کرده است
بخش دوم: ملزومات سخت افزاری و آزمایش ها
این بخش حداقل ملزومات برای ساخت ، سرویس ، انبار کردن،
حمل و نقل ، عملکرد و ایمنی PLCها و وسایل جنبی آنها را بیان کرده و
تستهای کاربردی مربوطه را توضیح می دهد. دراین بخش پیش فرض ان است که PLC و
متعلقات آن در محیط های صنعتی به کارگرفته می شوند.
بخش سوم: زبان های برنامه نویسی
در این بخش انواع دیتاهایی که می توانند در برنامه
نویسی استفاده شوند مانند. Bool ,Byte ,Time ,Data ,Word ,Rea ,Integer
تعریف شده اند. همچنین POU ها (Program organization unit ) مانند
فانکشن(FC) و فانکشن بلاک(FB)مشخص می گردیده اند. وجه تمایز FB از FC
اینگونه تعیین شده که FB علاوه بر الگوریتم برنامه ، دیتا ها را نیز شامل
می شود.
IEC در این بخش چهار زبان برنامه نویسی که قبلا نیز به
کار می رفت را انتخاب کرده و یک زبان جدید نیز بر آن افزوده و جمعاً 5 زبان
برنامه نویسی PLC را به عنوان استاندارد ارائه نموده است :
IL یا Instruction List یک زبان سطح پایین و از زبان
های قبلی PLC است که به صورت متنی می باشد . این زبان شبیه زبان اسمبلرهای
میکروپروسسور است.
FBD یا Function Block Diagram زبان گرافیکی است که
قبلا نیز مورد استفاده قرار می گرفته. در FBD برنامه نویسی توسط یک سری
بلوک های پایه که در کنار هم قرار می گیرند انجام می شود.
LD یا Ladder Diagram روش گرافیکی است که قبلاً نیز
استفاده می شود ولی بصورت پیشرفته تر عرضه شده است در روش جدید LD و FBD می
توانند به صورت توام در برنامه به کار روند.
ST یا Structured Text زبان جدیدی است که IEC به 4 زبان
قبلی اضافه کرده است. ST یک زبان سطح بالا شبیه C و پاسکال است و کاربردی
عالی بویژه در الگوریتم های پیچیده ریاضی را دارا است.
SFC یا Sequential Function Control نیز روش جدیدی است .
در این روش برنامه به مراحلی که ترتیب الگوریتم های کنترلی را نشان می دهد
تقسیم می ردد و شامل step های مختلف است هرگاه شرایطی که در بخش
Transition مشخص شده برآورد گردیدstep قبلی غیر فعال و step بعدی فعال می
گردد.
بخش چهارم: راهنمای کاربران
بخش چهارم راهنمای کاربر نهایی برای انتخاب و مشخص کردن
ملزومات سیستمی است که سخت افزار ، نرم افزار و ارتباطات در آن منطبق با
استاندارد IEC1131 باشد.
بخش پنجم: ارتباطات
دراین بخش جنبه های ارتباطی از دیدگاه کنترل کننده
تشریح شده است . در ذیل حوزه ای که این استاندارد برای بخش ارتباطات کنترلر
تعیین کرده است را نشان می دهد.
Any Device PC Any Device
بخش ششم: این بخش خالی است و برای استفاده در آینده پیش بینی شده است.
بخش هفتم: برنامه نویسی کنترل فازی
این بخش که در سال 2001 به استاندارد اضافه شده است
برنامه نویسی کنترل فازی را معرفی می نماید و برای کاربرانی که به خوبی با
بخش سوم استاندارد آشنا باشند قابل استفاده است.
بخش هشتم: راهنمای کاربرد زبانهای برنامه نویسی
در بخش چهارم مجموعه ای برای راهنمایی کاربران ارائه
شده بود که جنبه های مختلف PLC را پوشش می داد ولی بخش هشتم صرفاً راهنمای
کاربران برای استفاده از زبان های برنامه نویسی ا ست که در بخش سوم معرفی
شده اند.
