آشنایی کامل با plc از اجزا تا نحوه عملکرد

قبل از انقلاب صنعتی، کارگران به انجام کارها مشغول بودند و در هر کارگاه یک یا چند سرکارگر نحوه انجام کار را کنترل می کردند. پس از انقلاب صنعتی، ماشین ها جایگزین انسان ها شدند و انسان ها، ماشین ها را کنترل می کردند. مفهوم کنترل از اجزای جدایی ناپذیر تولید است. در اتوماسیون صنعتی نیز کنترل فرایندهای صنعتی مهمترین جز است. 

در اوایل قرن بیستم، تنها ابزارهای کنترلی رله ها بودند که می‌توانستند دستگاه ها را روشن یا خاموش کنند. برای اعمال کنترل‌های پیچیده‌تر، نیاز به ترکیبی از رله ها بود که مشکلات متعددی را ایجاد می‌کرد. تلاش‌های مهندسان برای برطرف کردن این مشکلات، منجر به اختراع ابزار دقیقی به نام PLC شد.

تجهیزات PLC گستردگی بسیار زیادی دارد که شما می‌توانید در ادامه این مقاله، با عملکرد و اجزای پی ال سی به راحتی آشنا شوید.

PLC مخفف چیست؟

PLC مخفف عبارت Programmable Logic Controller است؛ که به معنای کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی می باشد.

در واقع PLC یک قطعه کنترل کننده است که می‌توان برنامه‌های مختلفی را نوشت و برای اجرا به PLC سپرد. برای خرید ابزار دقیق از جمله PLC، نیاز به دانستن مشخصات فنی آنهاست.

پی ال سی چیست؟

PLC نوع خاصی از کامپیوتر است که برای کار در محیط‌ های صنعتی و به منظور کنترل فرآیندهای صنعتی طراحی شده است. پایداری عملکرد در شرایط سختی نظیر دماهای بسیار بالا، رطوبت، خشکی و گرد و خاک از ویژگی های مهم PLC به شمار می‌رود.

قبل از اختراع PLC، سیستم‌های کنترلی صنعتی عمدتاً مبتنی بر رله و بانک‌های رله‌ای بودند. در این سیستم‌ها، مجموعه‌ای از رله‌ها مسئولیت کنترل، روشن و خاموش کردن دستگاه‌های خروجی را بر عهده داشتند. با افزایش تعداد رله‌ها، محفظه‌ های بزرگی برای نگهداری و سازمان‌ دهی آنها ایجاد می‌شد.

یکی از چالش‌های اساسی این سیستم‌ها، ماهیت مکانیکی رله‌ها بود که در اثر کلیدزنی‌ های مکرر، به مرور زمان دچار استهلاک و خرابی می‌شدند. علاوه بر این، عیب‌ یابی این سیستم‌ ها بسیار دشوار و زمان‌بر بود؛ به طوری که در صورت بروز نقص، تعیین محل دقیق مشکل نیازمند صرف زمان زیادی بود و در نتیجه، دستگاه‌ها برای مدت قابل توجهی از کار می‌افتادند.

به منظور رفع این مشکلات، شرکت‌ها و متخصصان صنعت به دنبال راهکاری کارآمدتر بودند. نتیجه این تلاش‌ها منجر به توسعه و معرفی PLC شد که به عنوان جایگزینی مدرن، معایب سیستم‌های رله‌ای را برطرف کرده و بهره‌ وری کنترل صنعتی را به میزان چشمگیری افزایش داد.

PLC توسط "دیک مورلی" (Dick Morley) در سال 1968 اختراع شد. او که یک مهندس آمریکایی بود که  در شرکت Bedford Associates به همراه تیم خود روی پروژه‌ای کار کرد که منجر به طراحی اولین کنترل‌کننده منطقی برنامه‌پذیر (PLC) شد.

اولین PLC ساخته‌شده با نام Modicon 084 شناخته می‌شود که بعدها توسط شرکت Modicon (که امروزه بخشی از Schneider Electric است) به بازار عرضه شد.

نحوه عملکرد پی ال سی (PLC) 

نحوه عملکرد PLC را می‌توان در پنج مرحله اساسی خلاصه کرد:

۱. دریافت اطلاعات از ورودی‌ها (Input Scanning)

PLC ابتدا داده‌ها را از ماژول‌ های ورودی دریافت می‌کند. این ورودی‌ها می‌توانند شامل ورودی‌های دیجیتال، ورودی‌های آنالوگ یا ورودی‌های ارتباطی باشند.

۲. پردازش برنامه کاربر (Program Execution)

پس از خواندن ورودی‌ها، CPU PLC برنامه‌ای را  که به وسیله کاربر در آن نوشته شده است (معمولاً به زبان‌های برنامه‌نویسی  زیر اجرا می‌کند:

• Ladder Logic

• Structured Text 

• Function Block Diagram

در این مرحله ابتدا داده‌های ورودی پردازش می‌شوند؛ سپس شرایط منطقی برنامه بررسی می‌شود و در نهایت دستورات مربوط به تایمرها، شمارنده‌ها، مقایسه‌ها و محاسبات انجام می‌شود.

مثال:

 اگر یک سنسور تشخیص وجود قطعه (ورودی X1) فعال شود، PLC بررسی می‌کند که آیا تایمر ۲ ثانیه‌ای فعال شده است یا نه. اگر تایمر مقدار تنظیم‌شده را طی کرده باشد، خروجی Y1 را فعال می‌کند (مثلاً یک موتور را روشن می‌کند).

۳. بروزرسانی خروجی‌ها (Output Updating)

پس از اجرای برنامه، PLC وضعیت خروجی‌ها را بر اساس نتایج پردازش برنامه تنظیم می‌کند. خروجی‌ها می‌توانند شامل خروجی‌های دیجیتال، خروجی‌های آنالوگ یا ارسال خروجی به سایر دستگاه‌ها نظیر HMI باشد.

مثال:

 اگر مقدار دما از حد مجاز بیشتر باشد؛ PLC فرمان روشن شدن فن را به خروجی ارسال می‌کند.

۴. چرخه پردازش (Scan Cycle)

عملکرد PLC به‌صورت یک چرخه تکرار می‌شود که شامل سه مرحله اصلی است:

• خواندن ورودی‌ها

• اجرای برنامه

• به‌روزرسانی خروجی‌ها

این چرخه با سرعت بسیار بالا اجرا می‌شود (در حد میلی‌ثانیه) و به‌طور پیوسته ادامه دارد؛ به همین دلیل PLC می‌تواند کنترل فرآیندهای صنعتی را در لحظه انجام دهد.

۵. ارتباط با سیستم‌های دیگر (Communication & Networking)

PLC می‌تواند از طریق پروتکل‌های زیر ارتباط برقرار کند. 

• Modbus، Profibus

• Ethernet/IP

• CANopen

  از این ارتباطات برای مانیتورینگ فرایندها، ذخیره داده‌ها، کنترل از راه دور، ارتباط با روبات‌ها و سیستم‌های SCADA استفاده می‌شود.

پی ال سی (PLC) به‌طور مداوم اطلاعات را از محیط دریافت کرده و با استفاده از برنامه‌های ذخیره‌شده، تصمیم‌گیری و اقدامات لازم را برای کنترل سیستم‌های مختلف انجام می‌دهد. 

آشنایی با اجزای PLC

پی ال سی‌ انواع مختلفی دارد که هر کدام دارای اجزای تخصصی خود با توجه به عملکرد می‌باشند؛ اما به طور کلی می‌توان اجزای زیر را در انواع plc مشاهده کرد:

1. واحد پردازش مرکزی (CPU)

CPU مغز متفکر PLC است و مسئول اجرای برنامه‌های کنترلی می‌باشد. این واحد دستورات برنامه کاربر را پردازش کرده و پاسخ مناسب را به خروجی‌ها ارسال می‌کند.

 CPU خود شامل پردازنده (Processor)، حافظه (Memory) و واحد ارتباطی به منظور برقراری ارتباط با دستگاه‌های دیگر از طریق پروتکل‌های صنعتی زیر است:

•  Modbus

•  Profibus

•  Ethernet 

2. ماژول‌های ورودی/خروجی (I/O Modules)

ماژول‌ های I/O (ورودی/خروجی) نقش واسطه بین PLC و دستگاه‌های فیزیکی در محیط‌های صنعتی را ایفا می‌کنند. این ماژول‌ها به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: ماژول‌ های ورودی و ماژول‌ های خروجی

ماژول‌ های ورودی وظیفه دارند داده‌ها را از سنسورها، کلیدها، سوئیچ‌ها و سایر تجهیزات دریافت کرده و آن‌ها را به واحد پردازش مرکزی (CPU) ارسال کنند. 

در مقابل، ماژول‌ های خروجی دستورات صادر شده از سوی CPU را به عملگرهایی مانند موتورها، شیرهای برقی، رله‌ها و نمایشگرها ارسال می‌کنند تا عملیات فیزیکی انجام گیرد. 

این ورودی ها و خروجی‌ ها می‌توانند به صورت دیجیتال یا آنالوگ باشند. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد انواع ورودی‌ ها و خروجی‌ های PLC، می‌توانید به وبلاگ آمازون ابزار مراجعه کنید.

3. منبع تغذیه (Power Supply)

این بخش ولتاژ مورد نیاز برای کارکرد PLC و ماژول‌های آن را تأمین می‌کند. معمولاً PLC‌ها با ولتاژ 24V DC یا 220V AC کار می‌کنند.

4. مناطق حافظه (Memory Areas)

پی ال سی (PLC) دارای چندین نوع حافظه است که برای اجرای برنامه‌ها، ذخیره داده‌ها و تنظیمات مختلف استفاده می‌شود.

 اولین نوع حافظه، حافظه برنامه است که محل ذخیره کد برنامه کاربر می‌باشد و به PLC این امکان را می‌دهد که دستورات و الگوریتم‌های مورد نیاز برای کنترل فرآیندها را اجرا کند. 

نوع دیگر، حافظه داده است که برای نگهداری متغیرهای مختلف فرآیند، شمارنده‌ها، تایمرها و سایر اطلاعات ضروری در نظر گرفته شده است. 

علاوه بر این، حافظه موقت (RAM) وجود دارد که اطلاعات متغیر در طول اجرای برنامه در آن ذخیره می‌شود و به PLC این امکان را می‌دهد که در حین عملکرد، تغییرات موقت را ثبت کند. 

در نهایت، حافظه دائمی (EEPROM/Flash) برای ذخیره برنامه‌ها و داده‌های مهم به کار می‌رود که پس از خاموش شدن PLC نیز حفظ می‌شوند و از بین نمی‌روند.

 این ساختار حافظه‌ها به PLC اجازه می‌دهد که عملیات خود را به صورت پایدار و کارآمد انجام دهد.

5. رله‌های ورودی (Input Relays)

این بخش شامل ورودی‌های PLC است که از سنسورها، کلیدها و سایر دستگاه‌های ورودی سیگنال دریافت می‌کنند و اطلاعات را به CPU منتقل می‌کنند.

6. رله‌های داخلی کمکی (Internal Relays)

این نوع رله‌ها به‌صورت نرم‌افزاری در داخل PLC تعریف شده و برای کنترل داخلی برنامه استفاده می‌شوند. بدون نیاز به سخت‌افزار فیزیکی، می‌توانند شرایط منطقی مختلفی را اجرا کنند.

7. شمارنده‌ها (Counters)

PLC دارای شمارنده‌های داخلی است که برای شمارش تعداد پالس‌ها یا رویدادهای خاص استفاده می‌شوند. این شمارنده‌ها در کاربردهایی مانند شمارش محصولات روی نوار نقاله یا کنترل سرعت موتور استفاده می‌شوند.

8.  تایمرها (Timers)

تایمرها در PLC برای ایجاد تاخیر زمانی یا اجرای عملیات در یک بازه مشخص استفاده می‌شوند. تایمرها می‌توانند از نوع ON Delay، OFF Delay، Pulse و غیره باشند.

9. رله‌های خروجی (Output Relays)

این ماژول‌ها دستورات CPU را به تجهیزات خارجی مانند موتورها، لامپ‌ها، بوق‌ها، شیرهای برقی و سایر دستگاه‌های اجرایی ارسال می‌کنند. خروجی‌ها نیز می‌توانند دیجیتال (0 و 1) یا آنالوگ (جریان و ولتاژ متغیر) باشند.

10. ذخیره‌سازی داده (Data Storage)

بخش ذخیره‌سازی داده برای نگهداری اطلاعات ضروری مانند مقدار متغیرهای فرآیند، مقادیر سنسورها و وضعیت تجهیزات استفاده می‌شود. این داده‌ها ممکن است برای مانیتورینگ، عیب یابی یا گزارش‌ گیری مورد استفاده قرار گیرند.

انواع PLC را بهتر بشناسیم

PLC ‌ها را می‌توان بر اساس ساختار، اندازه، کاربرد و قابلیت‌ هایشان به دسته‌های مختلفی تقسیم کرد.

 در ادامه، مهمترین انواع PLC را معرفی می‌کنیم:

 PLC کامپکت (Compact PLC)

 این نوع PLC به‌صورت یکپارچه طراحی شده و شامل CPU، ورودی/خروجی (I/O) و منبع تغذیه در یک واحد است. در این نوع PLC، قابلیت افزایش ورودی/خروجی‌ها معمولاً محدود است و برای فرآیندهای ساده و کوچک مانند کنترل موتورهای ساده، سیستم‌های هشدار، و ماشین‌های کوچک صنعتی مناسب هستند.

به عنوان نمونه هایی از برند PLC کامپکت می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

•  Siemens LOGO

•  Omron CP1E

 PLC ماژولار (Modular PLC)

 PLC ماژولار یا مدولار، از چندین ماژول جداگانه تشکیل شده است که شامل ماژول CPU، ماژول‌های ورودی/خروجی، ماژول‌های ارتباطی و منبع تغذیه هستند.

در پی ال سی ماژولار، تعداد ورودی‌ها و خروجی‌ها قابل افزایش و سفارشی‌سازی است و برای پروژه‌ های متوسط و بزرگ مانند کنترل فرآیندهای صنعتی، سیستم‌های رباتیک و تولیدات خودکار مناسب هستند.

به عنوان نمونه هایی از برند PLC ماژولار می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• Siemens S7-300 / S7-400

• Allen-Bradley ControlLogix

 PLC رک‌ بندی شده (Rack-Mounted PLC)

 این نوع PLC دارای یک رک مرکزی است که کارت‌های مختلف مانند CPU، ورودی/خروجی، ارتباطات و حافظه روی آن نصب می‌شوند.

 در بین انواع پی ال سی ها،  PLC رک‌ بندی شده بیشترین قابلیت توسعه را دارد و مناسب برای فرآیندهای پیچیده و بزرگ صنعتی است. در صنایعی مانند نیروگاه‌ها، پتروشیمی، خودروسازی و خطوط تولید پیچیده استفاده می‌شود.

به عنوان نمونه هایی از برند PLC رک بندی شده، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

•  Siemens S7-400

•  Allen-Bradley ControlLogix 5000

کاربرد پی ال سی چیست؟

پی ال سی (PLC) به عنوان یک سیستم کنترل صنعتی در بسیاری از صنایع مختلف کاربرد دارد.

یکی از  موارد کاربرد پی ال سی، در صنعت برق به عنوان تابلو برق پی ال سی است. همچنین، در تولید انبوه، PLC ها به بهبود کارایی فرآیند تولید کمک کرده‌اند. 

این سیستم‌ها قادرند داده‌های حسگرها و اطلاعات مختلف را جمع‌آوری و آن‌ها را با محاسبات ابری ترکیب کنند تا یک تصویر جامع از داده‌ها ایجاد کنند. 

مدیران کارخانه می‌توانند از این اطلاعات برای بهینه‌سازی منابع، زمان‌بندی مشاغل، تدارکات، و زمان‌بندی تامین‌کنندگان استفاده کنند و به این ترتیب فرآیندهای تولید را بهبود بخشند.

PLC ها به عنوان پردازنده مرکزی برای تصمیمات بلادرنگ عمل می‌کنند و حتی با پیشرفت‌های سریع فناوری، کاربرد پی ال سی در تولیدات انبوه انکار ناپذیر است.

 علاوه بر این، PLC ها به عنوان ماشین ابزار نظارتی برای کنترل ورودی‌ها و خروجی‌ها بر اساس برنامه‌ های ذخیره‌ شده در حافظه خود عملکرد خوبی دارند.  این موضوع در کاهش نیاز به تصمیم‌ گیری دستی، موثر است.

نقش PLC در اتوماسیون صنعتی

PLC در اتوماسیون صنعتی، نقش کلیدی را ایفا می‌کنند و می‌توانند فرآیندهای مختلف را با دقت و کارایی بالا کنترل کنند. 

با استفاده از این کنترل‌کننده‌ها، امکان نظارت و مدیریت سنسورها، محرک‌ها و حتی کل خط تولید فراهم می‌شود.

 بهره‌گیری از PLC در سیستم‌های صنعتی موجب افزایش دقت، پایداری و کاهش خطای انسانی شده و وابستگی به نیروی کار را به حداقل می‌رساند. این عوامل باعث بهبود عملکرد و بهینه‌ سازی فرآیندهای تولید می‌شوند.

مزایای استفاده از PLC در اتوماسیون صنعتی:

• افزایش دقت، انعطاف‌پذیری و اطمینان سیستم‌های اتوماسیون

• مقرون‌به‌صرفه‌تر بودن نسبت به سایر فناوری‌های کنترلی

•  قابلیت برنامه‌ریزی و تغییر آسان در نرم‌افزار PLC

• پشتیبانی از زبان‌های برنامه‌نویسی متنوع، ساده و قابل فهم

•  امکان اتصال به کامپیوتر و سایر سیستم‌های صنعتی از طریق پروتکل‌های استاندارد  تولید در اندازه‌های مختلف متناسب با نیازهای متنوع صنعتی

•  سرعت پردازش بالا و عملکرد سریع بدون نیاز به زمان بوت شدن

•  عمر طولانی و حداقل نیاز به تعمیر و نگهداری

مفهوم Sinking در PLC چیست؟

در PLC، اصطلاح Sinking (سینکینگ) به روش اتصال ورودی‌ها و خروجی‌های دیجیتال به تغذیه DC اشاره دارد. این مفهوم در رابطه با نحوه جریان یافتن جریان الکتریکی در مدارهای ورودی و خروجی PLC مطرح می‌شود. در حالت Sinking، جریان الکتریکی از بار (مانند سنسور یا لامپ) به سمت خروجی PLC جریان می‌یابد. 

به عبارت دیگر، خروجی PLC به عنوان نقطه اتصال به زمین (Ground) عمل می‌کند و جریان را به سمت خود می‌کشد.

• مثال: اگر یک سنسور به ورودی PLC متصل باشد و سنسور در حالت Sinking باشد، جریان از سنسور به سمت ورودی PLC جریان می‌یابد.

تفاوت Sinking و Sourcing:

• Sourcing: در این حالت، جریان از خروجی PLC به سمت بار جریان می‌یابد. یعنی خروجی PLC جریان را به بار می‌فرستد.به این حالت، ماژول PNP هم گفته می‌شود.

• Sinking: در این حالت، جریان از بار به سمت خروجی PLC جریان می‌یابد. یعنی خروجی PLC جریان را از بار دریافت می‌کند.این حالت را در اصطلاح ماژول NPN می‌نامند.

نتیجه گیری

PLC یکی از مهم‌ترین اجزای اتوماسیون صنعتی محسوب می‌شود که با دقت و قابلیت اطمینان بالا، فرآیندهای کنترلی را مدیریت می‌کند. این کنترل‌کننده‌ ها شامل اجزای اصلی مانند واحد پردازش مرکزی (CPU)، ماژول‌های ورودی/خروجی (I/O)، منبع تغذیه، حافظه و رله‌های کنترلی هستند که به‌صورت هماهنگ برای پردازش داده‌ها و اجرای برنامه‌های کنترلی عمل می‌کنند.

نحوه عملکرد PLC بر اساس دریافت داده از ورودی‌ها (سنسورها و سوئیچ‌ها)، پردازش اطلاعات طبق برنامه نوشته‌شده و ارسال سیگنال‌های کنترلی به خروجی‌ها (موتورها، شیرهای برقی، نمایشگرها و غیره) است. این روند به کاهش خطای انسانی، افزایش بهره‌وری، انعطاف‌پذیری در تغییرات فرآیند و بهبود کنترل صنعتی کمک می‌کند.

در نهایت، شناخت ساختار و نحوه عملکرد PLC به مهندسان و متخصصان کمک می‌کند تا سیستم‌های صنعتی را بهینه‌تر طراحی و مدیریت کنند و از مزایای دقت، سرعت و قابلیت اطمینان بالای آن بهره‌مند شوند. شما می‌توانید جهت استعلام قیمت انواع PLC به قسمت اتوماسیون صنعتی و کنترلر در سایت آمازون ابزار، مراجعه فرمایید.

سوالات پر تکرار

1. تفاوت بین PLC و میکروکنترلر چیست؟

 PLC صنعتی، مقاوم‌تر و پایدارتر است، درحالی‌که میکروکنترلر معمولاً برای پروژه‌های الکترونیکی کوچک استفاده می‌شود و نیاز به طراحی برد و مدارهای اضافی دارد.

2.  چه زبان‌های برنامه‌نویسی برای PLC استفاده می‌شود؟

 Ladder Diagram (LD)، Structured Text (ST)، Function Block Diagram 

و Sequential Function Chart از جمله زبان‌های استاندارد برنامه‌نویسی PLC هستند.

3.  تفاوت بین PLC‌های Sinking و Sourcing چیست؟

در Sinking جریان از بار به داخل PLC و در Sourcing جریان از PLC به بار هدایت می‌شود. Sinking معمولاً با سنسورهای NPN و Sourcing با سنسورهای PNP کار می‌کند.