همه چیز در مورد ورودی خروجی های PLC
۰۷ بهمن ۱۴۰۳ _ ۱۰:۱۵

همانگونه که مغز در بدن انسان، وظیفه کنترل شرایط حیاتی را به عهده دارد، در یک سیستم اتوماسیون صنعتی هم به ابزاری مشابه نیاز داریم که با دریافت ورودی ها از محیط، آنها را پردازش کرده و دستورات مناسب را به دستگاه های دیگر ارسال نماید.
این نقش کلیدی را در یک سیستم اتوماسیون صنعتی، PLC ها بر عهده دارند. PLC یا Programmable Logic Controller وظیفه دریافت اطلاعات از محیط (ورودی ها)، پردازش آنها و ارسال دستورات مناسب به تجهیزات و دستگاهها (خروجی ها) را بر عهده دارند.
ورودی ها و خروجی های PLC در واقع پلی ارتباطی میان این کنترلکننده و محیط فیزیکی اطراف آن هستند. در این مقاله با انواع ورودی ها و خروجی های PLC آشنا میشویم. جهت استعلام قیمت روز هر یک از ماژول های PLC میتوانید به قسمت اتوماسیون صنعتی و کنترلر در سایت آمازون ابزار مراجعه فرمایید.
ورودی و خروجی دیجیتال در PLC
آشنایی با انواع ورودی ها (Input) و خروجی های (Output) دیجیتال PLC نقش مهمی در بکارگیری درست این ابزار دقیق دارد.
به عنوان مثال از کاربردهای PLC، میتوان به استفاده در دستگاه نشت یاب آب اشاره کرد. در انواع نشت یاب آب، حسگرها وجود رطوبت یا تغییر فشار را شناسایی میکنند و سیگنال خروجی را به PLC انتقال میدهند.
اگر خروجی حسگر به صورت دیجیتال باشد (مانند سیگنال 0 یا 1)، به عنوان یک ورودی دیجیتال (Digital Input) به PLC تحویل داده میشود. در صورتی که سیگنال تولید شده به وسیله حسگر آنالوگ باشد (مانند 4-20 میلیآمپر یا 0-10 ولت)، PLC باید از ماژول آنالوگ برای پردازش سیگنال کمک بگیرد.
تعریف سیگنال دیجیتال
سیگنال دیجیتال، نوعی سیگنال است که تنها دو حالت مشخص دارد: روشن (1) یا خاموش (0)، که معادل وضعیتهایی مانند "وجود" یا "عدم وجود" جریان یا ولتاژ در سیستم است.
این در حالی است که سیگنالهای آنالوگ دارای مقادیر پیوستهای هستند که میتوانند در محدودهای مشخص تغییر کنند. به دلیل سادگی و دقت بالا، سیگنالهای دیجیتال در بسیاری از کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار میگیرند.
انواع ورودی های دیجیتال (Digital Input) در PLC
ورودی های دیجیتال PLC امکان دریافت سیگنالهای دو حالته (روشن/خاموش یا 0/1) را میدهند. این ورودیها نقش حیاتی در نظارت و کنترل فرآیندهای صنعتی دارند.
در ادامه، انواع مختلف ورودیهای دیجیتال با جزئیات بیشتر توضیح داده شده است:
1. کلیدها و دکمهها
این ورودی ها رایجترین و سادهترین نوع ورودی های دیجیتال PLC هستند و معمولاً برای کنترل دستی فرآیندها استفاده میشوند:
-
کلیدهای فشاری (Push Buttons): برای انجام وظایف لحظهای مانند استارت یا استاپ ماشینآلات
-
کلیدهای چرخشی (Rotary Switches): برای انتخاب حالتهای مختلف عملیات در تجهیزات
-
کلیدهای محدود کننده (Limit Switches): برای شناسایی موقعیت فیزیکی اجزای متحرک مانند دربها یا بازوهای مکانیکی.
نحوه عملکرد کلید بدین صورت است؛ هنگامی که یک کلید فشرده یا فعال شود؛ یک سیگنال الکتریکی از طریق کابل ابزار دقیق، به PLC ارسال میشود و وضعیت روشن (یا 1 ) در حافظه داخلی PLC ثبت میشود.
2. سنسورهای دیجیتال
سنسورهای دیجیتال برای تشخیص شرایط خاص یا تغییرات محیطی استفاده میشوند و دادههایی با مقادیر 0 یا 1 تولید میکنند.
الف) سنسورهای مجاورتی (Proximity Sensors)
این سنسورها وجود یا عدم وجود اجسام نزدیک را تشخیص میدهند. متداولترین سنسورهای مجاورتی عبارت است از:
-
القایی (Inductive): برای تشخیص فلزات.
-
خازنی (Capacitive): برای تشخیص اجسام غیر فلزی مانند پلاستیک و مایعات.
-
مادون قرمز (Infrared): برای تشخیص اشیا از فاصله مشخص.
ب) سنسورهای نوری (Photoelectric Sensors)
این سنسورها با استفاده از نور (معمولاً مادون قرمز) حضور یا عدم حضور یک جسم را تشخیص میدهند.
-
سنسور بازتابی: نور منعکسشده از یک جسم را شناسایی میکند.
-
سنسور پرده نوری: برای تشخیص عبور اجسام از یک مسیر مشخص استفاده میشود.
ج) سوئیچهای شناور (Float Switches)
برای اندازهگیری سطح مایعات در مخازن به کار میروند و هنگامی که سطح به حد معینی برسد؛ یک سیگنال دیجیتال به PLC ارسال میکنند.
3. ورودی های دیجیتال حفاظتی
این ورودیها برای ایمنی و محافظت از سیستمها استفاده میشوند:
-
سنسورهای ایمنی (Safety Sensors): مانند اسکنرهای نوری که حضور انسان در محدوده خطر را تشخیص میدهند.
-
سوئیچهای اضطراری (Emergency Stop): برای خاموش کردن سریع تجهیزات در مواقع خطر استفاده میشوند.
این دستگاهها معمولاً در مدارهای حیاتی ایمنی قرار دارند و سیگنالهای دیجیتال ارسالشده از آنها مستقیماً عملکرد سیستم را متوقف یا محدود میکند.
4. شمارندههای دیجیتال (Encoders)
این دستگاهها برای اندازهگیری موقعیت، سرعت، یا جهت حرکت استفاده میشوند.
-
انکودرهای دوار (Rotary Encoders): تغییرات موقعیت زاویهای یک شفت را به سیگنالهای دیجیتال تبدیل میکنند.
-
انکودرهای خطی: برای اندازهگیری حرکت خطی تجهیز بکار گرفته میشود.
خروجی انکودرها به PLC ارسال میشود تا حرکت یا موقعیت دستگاهها بهطور دقیق کنترل شود.
انواع خروجی های دیجیتال PLC چگونه کار میکنند؟
خروجی های دیجیتال PLC وظیفه انتقال دستورات پردازششده به دستگاههای اجرایی را بر عهده دارند. این خروجیها سیگنالهای دو حالته (روشن/خاموش یا 1/0) تولید میکنند که برای کنترل تجهیزات مختلف صنعتی استفاده میشود.
انواع خروجی های دیجیتال PLC و نحوه عملکرد آنها به شرح زیر است:
1. خروجیهای رلهای (Relay Outputs)
خروجی رلهای از یک رله الکترومکانیکی برای کنترل جریان الکتریکی استفاده میکند.
خروجی های رله ای، قابلیت کنترل ولتاژ و جریان بالا را دارند. این خروجی ها هم برای تجهیزات AC و هم برای تجهیزات DC مناسب هستند. معمولاً سرعت عملکرد آنها نسبت به سایر انواع خروجیها کمتر است.
از کاربردهای خروجی های رله ای می توان به موارد زیر اشاره کرد:
-
کنترل موتورهای کوچک
-
فعالسازی لامپها یا چراغهای هشدار
-
کنترل شیرهای برقی (Solenoid Valves)
نحوه عملکرد خروجی های رله ای بدین صورت است؛ هنگامی که PLC فرمان روشن (1) صادر میکند؛ سیمپیچ رله فعال شده و یک کنتاکت بسته میشود. این کنتاکت مدار دستگاه خارجی را تکمیل میکند و جریان به آن منتقل میشود. در وضعیت خاموش (0)، کنتاکت باز میشود و جریان قطع میگردد.
2. خروجی های ترانزیستوری (Transistor Outputs)
خروجی ترانزیستوری از ترانزیستورهای الکترونیکی برای سوئیچینگ سریع استفاده میکند. خروجی ترانزیستوری سرعت سوئیچینگ بسیار بالایی دارد؛ برای بارهای DC و کم مصرف مناسب است.
از آنجایی که خروجی های ترانزیستوری قطعات متحرک ندارد؛ عمر مفید آن طولانی است.
از کاربردهای خروجی ترانزیستوری می توان به موارد زیر اشاره کرد:
-
کنترل LEDها یا نمایشگرها.
-
فعالسازی سیگنالهای دیجیتال در مدارهای الکترونیکی.
-
درایو کردن تجهیزات کممصرف مانند انکودرها.
هنگامی که PLC سیگنال روشن (1) را ارسال میکند؛ ترانزیستور به حالت هدایت رفته و مدار بسته میشود؛ جریان به بار منتقل میشود. در وضعیت خاموش (0)، ترانزیستور غیرفعال شده و جریان قطع میگردد.
3. خروجیهای تریاکی (Triac Outputs)
تریاکها برای کنترل بارهای AC استفاده میشوند و عملکردی شبیه به ترانزیستور دارند اما برای ولتاژ متناوب طراحی شدهاند. هنگامی که PLC سیگنال روشن (1) ارسال میکند؛ تریاک هدایت را آغاز میکند و جریان AC از دستگاه عبور میکند. در وضعیت خاموش (0)، تریاک قطع شده و جریان متوقف میشود.
خروجی تریاکی برای بارهای AC با جریان متوسط مناسب است. سرعت سوئیچینگ خروجی تریاکی خوب، اما از ترانزیستور کمتر است. این خروجی برای تجهیزاتی مناسب است که توان کمتری دارند.
از کاربردهای خروجی تریاکی می توان به این موارد اشاره کرد:
-
کنترل لامپهای AC
-
فعالسازی بارهای گرمایشی (Heaters)
-
کنترل فنها و پمپهای کوچک
4. ماژول های خروجی دیجیتال خاص
برخی از سیستمهای پیشرفته از ماژولهای خروجی دیجیتال خاص برای نیازهای پیچیده استفاده میکنند که به چند مورد از آنها اشاره می کنیم:
الف) خروجی های PWM یا Pulse Width Modulation که برای تولید پالسهای دیجیتال با فرکانس و عرض مشخص به کار میرود و برای کنترل سرعت موتورهای DC یا شدت روشنایی LEDها به کار میرود.
ب) خروجیهای ایزوله که برای جداسازی الکتریکی بین PLC و تجهیزات خارجی و محافظت از مدارهای حساس در برابر نویز یا اضافه ولتاژ کاربرد دارند.
5. خروجی های سوئیچینگ حالت جامد (Solid-State Switching)
این خروجیها از تجهیزات الکترونیکی حالت جامد (مانند SCRها یا MOSFETها) برای سوئیچینگ استفاده میکنند. این خروجی، سرعت سوئیچینگ بالایی دارد؛ برای بارهایی با جریان متوسط مناسب است و از آنجایی که قطعات متحرک ندارد؛ دوام و طول عمر بالای دارد.
از کاربردهای سوئیچینگ حالت جامد می توان به موارد زیر اشاره کرد:
-
کنترل سیستمهای نوری و صوتی.
-
فعالسازی ماژولهای جانبی دیجیتال.
تعریف سیگنال آنالوگ (analog signal)
سیگنال آنالوگ نوعی سیگنال پیوسته است که میتواند مقادیر مختلفی را در یک بازه مشخص (مانند 0 تا 10 ولت یا 4 تا 20 میلیآمپر) داشته باشد.
برخلاف سیگنال دیجیتال که فقط دو حالت روشن (1) یا خاموش (0) دارد، سیگنال آنالوگ قادر به نشان دادن تغییرات تدریجی است. این ویژگی باعث میشود سیگنال آنالوگ برای اندازهگیری کمیتهای فیزیکی پیوسته مانند دما، فشار، یا سطح مایعات مناسب باشد.
ورودی های آنالوگ (Analog Input) در PLC
ورودیهای آنالوگ PLC این امکان را ایجاد میکنند که PLC سیگنالهای پیوسته را از حسگرها و دستگاههای اندازهگیری دریافت کرده و آنها را پردازش کند.
3 مورد از ورودیهای آنالوگ به شرح زیر هستند:
-
ورودی ولتاژی
سیگنالهای ولتاژی معمولاً در بازههای مشخص مانند 0 تا 10 ولت، -10 تا +10 ولت یا 0 تا 5 ولت ارسال میشوند. حسگر دمایی که ولتاژی متناسب با دما تولید میکند؛ مثالی از این گونه ورودی انالوگ است. -
ورودی جریانی
سیگنالهای جریانی معمولاً در بازه استاندارد 4 تا 20 میلیآمپر ارسال میشوند. این نوع سیگنال به دلیل مقاومت بالا در برابر نویز الکتریکی بیشتر در صنایع استفاده میشود.
به عنوان مثال، ترانسمیتر فشار که جریان 4 تا 20 میلیآمپر را بر اساس فشار محیط تولید میکند؛ یک ورودی جریانی است.
-
ورودی مقاومتی
برخی PLCها میتوانند تغییرات مقاومت را از حسگرهای مقاومتی (مانند RTD) مستقیماً اندازهگیری کنند. مثلا حسگرهای مقاومتی برای اندازهگیری دما (PT100).
ورودی های آنالوگ PLC چگونه عمل میکند؟
سیگنال آنالوگ از حسگر یا دستگاه به ترمینال ورودی آنالوگ PLC وارد میشود.
PLC سیگنال آنالوگ را از طریق یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) به سیگنال دیجیتال تبدیل میکند. این سیگنال دیجیتال در قالب اعداد گسسته (مانند 0 تا 4095 برای یک مبدل 12 بیتی) قابل پردازش است.
پس از تبدیل، دادههای دیجیتال در برنامه PLC پردازش میشوند و اقدامات مناسب انجام میگیرد.
خروجی های آنالوگ (analog output)
خروجی های آنالوگ PLC این امکان را ایجاد می کند که PLC سیگنالهای پیوسته تولید کرده و دستگاههای خارجی را کنترل کنند. مکانیزم برخی خروجیها به شرح زیر است:
1. خروجی ولتاژی
سیگنال خروجی در محدوده ولتاژی مشخصی تولید میشود (مانند 0 تا 10 ولت) که به عنوان مثال میتوان به کنترل سرعت موتورهای DC از طریق تغییر ولتاژ اشاره کرد.
2. خروجی جریانی
سیگنال خروجی در محدوده جریانی مشخص (مانند 4 تا 20 میلیآمپر) ارسال میشود. کنترل شیرهای برقی متناسب با جریان ارسالشده از PLC، یک مثال از تولید خروجی آنالوگ است.
نحوه عملکرد خروجی های آنالوگ در PLC
-
PLC پس از پردازش دادهها در برنامه داخلی، سیگنال دیجیتال تولید میکند.
-
سیگنال دیجیتال از طریق یک مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC) به سیگنال آنالوگ تبدیل میشود.
-
سیگنال آنالوگ تولیدشده به دستگاه خارجی ارسال میشود تا رفتار یا حالت آن تنظیم شود (مانند تغییر سرعت موتور یا شدت نور).
کاربردهای ورودی و خروجی آنالوگ در سیستمهای کنترل
ورودی ها و خروجی های آنالوگ در کاربردهایی استفاده میشوند که نیاز به اندازهگیری یا کنترل متغیرهای پیوسته دارند.
ورودی های آنالوگ:
اندازهگیری دما: از حسگرهای RTD یا ترموکوپل برای اندازهگیری دمای مایعات، گازها یا تجهیزات، استفاده میشود.
اندازهگیری فشار: از ترانسمیترهای فشار برای نظارت بر فشار مخازن یا خطوط لوله استفاده میشود.
اندازهگیری سطح مایعات: ترانسمیترهای اولتراسونیک یا راداری برای اندازهگیری ارتفاع مایعات در مخازن به کار گرفته میشوند.
خروجی های آنالوگ:
کنترل سرعت موتور: از تغییر ولتاژ یا جریان برای تنظیم سرعت موتورهای AC و DC استفاده میشود.
کنترل شدت نور: تنظیم میزان روشنایی چراغها در سیستمهای روشنایی هوشمند با تغییر جریان انجام میشود.
کنترل موقعیت: سیگنالهای جریانی به شیرهای برقی یا عملگرهای خطی برای تغییر موقعیت ارسال میشوند.
کارت PLC چیست؟
در جواب کارت plc چیست؛ به کارت PLC ماژول توسعه (Expansion Modules) گفته میشود و بخشی از سیستم کنترل PLC است که امکان ارتباط PLC با دستگاههای خارجی را فراهم میکند. این کارتها به PLC کمک میکنند تا سیگنالهای ورودی را از تجهیزات دریافت کرده، پردازش کنند و سپس خروجیهای مورد نیاز را به دستگاههای اجرایی ارسال کنند.
ماژول های ورودی و خروجی PLC
ماژول های ورودی و خروجی PLC، اصلیترین بخش ارتباطی یک PLC با محیط بیرونی هستند.
-
ماژول ورودی: برای دریافت سیگنال از حسگرها، کلیدها و دستگاههای اندازهگیری استفاده میشود.
-
ماژول خروجی: برای ارسال سیگنال به دستگاههای اجرایی مانند موتورها، شیرهای برقی و چراغها استفاده میشود.
انواع ماژول های PLC
ماژول های PLC بسته به نوع سیگنال، به 3 دسته تقسیم میشوند:
1. ماژول های دیجیتال plc
ماژول دیجیتال، برای کنترل و مدیریت سیگنالهای دیجیتال به کار میروند. (روشن/خاموش یا 1/0).
-
ورودی دیجیتال: مانند کلیدها، سنسورها، سوئیچهای محدودکننده.
-
خروجی دیجیتال: مانند رلهها، چراغها، بوقهای هشدار.
-
کاربرد: فرآیندهایی که نیاز به تصمیمگیری دو حالته دارند.
2. ماژولهای آنالوگ plc
ماژول آنالوگ، سیگنالهای آنالوگ پیوسته (مانند ولتاژ یا جریان) را پردازش میکنند.
-
ورودی آنالوگ: ترانسمیترهای فشار، دما، یا سطح مایعات مثالهایی از ورودی انالوگ هستند.
-
خروجی آنالوگ: این نوع خروجی، برای کنترل سرعت موتور، تنظیم شدت نور یا تغییر موقعیت شیرهای برقی استفاده میشود.
-
کاربرد: فرآیندهایی که نیاز به اندازهگیری یا کنترل متغیرهای پیوسته دارند.
3. ماژول های ترکیبی یا Hybrid در PLC
ترکیبی از ورودی و خروجیهای دیجیتال و آنالوگ را که در یک ماژول تجمیع شده است؛ ماژول ترکیبی میگوییم.
-
کاربرد: سیستمهایی که به ورودی و خروجی متنوع در فضای محدود نیاز دارند.
4. ماژول های تخصصی plc
-
ماژول های دما: برای اندازهگیری و کنترل دقیق دما با حسگرهایی مانند RTD و ترموکوپل.
-
ماژول های ارتباطی: برای برقراری ارتباط بین PLC و سایر دستگاهها (مانند Ethernet، Modbus).
-
ماژول های شمارشگر (Counter): برای شمارش پالسهای سریع یا اندازهگیری موقعیت و سرعت.
انتخاب ماژول ورودی و خروجی PLC
برای انتخاب مناسب ماژول ورودی و خروجی PLC باید موارد زیر را در نظر بگیریم:
نوع سیگنال:
-
دیجیتال یا آنالوگ.
-
محدوده ولتاژ (مثلاً 24 ولت DC یا 230 ولت AC).
-
محدوده جریان (مثلاً 4 تا 20 میلیآمپر).
تعداد کانالها:
-
تعداد ورودیها و خروجیهای موردنیاز برای فرآیند.
-
فضای موردنیاز برای نصب ماژولها.
سرعت پاسخگویی:
-
در فرآیندهای سریع مانند کنترل موتورها، ماژولهای با زمان پاسخ کوتاه ضروری هستند.
سازگاری:
-
سازگاری با مدل و برند PLC مورد استفاده
-
تطابق با نیازهای نرمافزاری و سختافزاری سیستم
شرایط محیطی:
-
مقاومت در برابر نویز، دما، رطوبت و گردوغبار
ماژولها چگونه به plc متصل میشوند؟
ماژول ها به چندین روش می توانند به PLC متصل شوند که در ادامه این روش ها را توضیح میدهیم.
1. ماژولهای داخلی (Built-in)
ماژول های داخلی به صورت مستقیم در داخل PLC تعبیه شدهاند و نیاز به اتصال اضافی ندارند.
-
مزایا: سادهتر و ارزانتر
-
معایب: محدودیت در تعداد کانالها
2. ماژولهای خارجی (External Modules)
ماژول های خارجی، به صورت جداگانه از طریق کابل به PLC متصل میشوند.
-
مزایا: انعطافپذیری بالا، افزایش تعداد کانالها و انواع ورودی/خروجی
-
معایب: نیاز به فضای بیشتر و هزینه بالاتر
3. اتصالات شبکهای ethernet connection
برخی ماژولها از طریق پروتکلهای ارتباطی مانند Profibus، Modbus یا Ethernet به PLC متصل میشوند. که از مزایای این نوع ماژولها میتوان به کاهش سیمکشی و مدیریت آسان در پروژههای بزرگ اشاره نمود.
نتیجهگیری
ورودیها و خروجیهای PLC بهعنوان پل ارتباطی بین سیستم کنترل و دنیای واقعی، نقشی کلیدی در عملکرد صحیح فرآیندهای صنعتی ایفا میکنند.
درک انواع ورودی و خروجیهای دیجیتال و آنالوگ، و نحوه عملکرد آنها، نهتنها برای برنامهنویسی بهینه و طراحی سیستم ضروری است، بلکه در فرآیند عیبیابی و نگهداری سیستم نیز اهمیت فراوانی دارد.
انتخاب صحیح ماژولهای ورودی و خروجی متناسب با نیازهای کاربردی و شناخت محدودیتها و ویژگیهای هر نوع سیگنال، میتواند بهرهوری سیستم را بهطور قابلتوجهی افزایش دهد.
اگر به دنبال توسعه و بروزرسانی تجهیزات PLC هستید؛ آمازون ابزار انتخابی مناسب برای تهیه تجهیزات این دسته از اتوماسیون صنعتی است. کافی است برای خرید تجهیزات plc، پارت نامبر یا محصول مورد نظر خود را در سایت استعلام بگیرید.
سوالات پر تکرار
1. مفهوم ورودی آنالوگ در PLC چیست؟
ورودی آنالوگ، یک سیگنال پیوسته است که وارد PLC میشود. برخلاف سیگنالهای دیجیتال، ورودی آنالوگ یک سیگنال با ولتاژ ثابت نیست.
بسته به شرایط کاری، مقدار آن میتواند متفاوت باشد. سیگنالهای آنالوگ متداول سیگنال ۴ تا ۲۰ میلیآمپر و سیگنال ۰ تا ۱۰ ولت دیسی هستند.
2. PLC یک دستگاه آنالوگ است یا دیجیتال؟
PLC یک دستگاه دیجیتال است گرچه می تواند با استفاده از انواع ماژول های ورودی و خروجی PLC ، ورودی های آنالوگ دریافت کند یا خروجی های آنالوگ ارسال نماید.
۰۷ بهمن ۱۴۰۳ _ ۱۰:۱۵
برچسب ها: