اتوماسیون صنعتی Programmable Logic Control

امروزه با پیشرفت تکنولوژی و روی کار آمدن ریز پردازنده ها سیستم های کنترل صنعتی نیز دستخوش تحولات چشمگیری گردیده اند . بطوری که به جرات می توان گفت قطعات و تجهیزاتی که اخیرا در مدارهای کنترل فرآیندهای صنعتی بکار برده می شوند ، با تجهیزات بکار برده شده در مدارهای حتی پانزده سال گذشته تفاوتهای فراوانی دارند و این تفاوتها عمدتا ناشی از به کارگیری تجهیزات الکترونیکی می باشد .

یکی از زمینه های تحول ، کنار گذاشتن مدارهای رله کنتاکتوری و استفاده از کنترل کننده های قابل برنامه ریزی منطقی  PLC  بجای آنها بوده است .

امروزه طراحان خطوط تولید و ماشین آلات و پروسه های صنعتی تمایل چندانی به استفاده از مدارهای رله کنتاکتوری ندارند و باید گفت ، استفاده از مدارهای رله کنتاکتوری ، در پروسه های صنعتی بزرگ و پیچیده ، تقریبا منسوخ گردیده است . به دنبال این تحولات در کشور ما نیز در بسیاری از کارخانه ها و مراکز صنعتی ، از سیستم های PLC استفاده شده است . همچنین در صنایع قدیمی تر نیز ماشین آلات جدید با کنترل PLC رفته رفته جانشین ماشین آلات قدیمی   می گردند .

ریز پردازنده ها و میکرو کنترلرها در طراحی سیستم های کنترل برای طیف وسیعی از وسایل و کاربردها استفاده می شوند . پیشرفتی که در این زمینه پدید آمده است ، نگرشی همه جانبه را از طرف متخصصین و علاقمندان به این شاخه می طلبد . در این زمینه PLC   یا کنترل گر منطقی برنامه پذیر از جایگاه خاصی برخوردار است . از ساده ترین فرایندهایی که می توان بصورت توابع منطقی پیاده سازی کرد تا پیچیده ترین فرآیندهای صنعتی ، قابل پیاده سازی با  PLC ها   می باشند .

این مجموعه تلاشی است برای آشنایی ما دانشجویان و علاقمندان با PLC ها ، مزایا ، توابع و کاربرد آنها .

در فصل 1 این مجموعه به توضیح ساختار PLC  و ساختار سخت افزاری آن و شرح مختصری در مورد هر واحد آن پرداخته شده است.

در فصل 2 به مقدمه ای به زبان STEP 5  ، شکل های مختلف برنامه ها ، انواع بلوک های برنامه نویسی و …  اشاره شده است .

در فصل 3 در مورد برنامه نویسی به زبان  STEP 5 ، روشهای برنامه نویسی ، بلوک ها و دستورات بر نامه نویسی اشاره شده است .

در فصل 4 مختصری در مورد ابزار های ورودی و خروجی (ابزار دقیق) اشاره شده است .

در فصل 5 یک نمونه از کاربرد عملی PLC در کارخانه فولاد آذربایجان اشاره شده است که ارتباط نرم افزاری ، سخت افزاری و مدار فرمان تجهیز مورد نظر را نشان می دهد

1.1-  PLC

PLC از عبارت Prorammable Lagic Control به معنای کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی گرفته شده است . PLC  ، کنترل کننده ای نرم افزاری است که در قسمت ورودی ، اطلاعاتی را بصورت باینری دریافت و آنها را طبق برنامه ای که در حافظه اش ذخیره شده پردازش می نماید و نتیجه عملیات را نیز از قسمت خروجی به صورت فرمان هایی به گیرنده ها و اجرا کننده های فرمان (Actuators) ارسال می کند .

به عبارت دیگر PLC   عبارت از یک کنترل کننده منطقی است که می توان منطق کنترل را توسط برنامه برای آن تعریف نمود و در صورت نیاز ، به راحتی آن را تغییر داد .

وظیفه PLC   قبلا بر عهده مدارهای فرمان رله ای بود که استفاده از آنها در محیط های صنعتی جدید منسوخ گردیده است . اولین اشکالی که در این مدار ها ظاهر می شود آن است که با افزایش تعداد رله ها حجم و وزن مدار فرمان ، بسیار بزرگ شده ، همچنین موجب افزایش قیمت آن می گردد . برای رفع این اشکال ، مدار های فرمان الکترونیکی ساخته شدند ولی با وجود این ، هنگامی که تغییر ی در روند یا عملکرد ماشین صورت می گیرد مثلا در یک دستگاه پرس ، ابعاد ، وزن سختی و زمان قرار گرفتن قطعه زیر بازوی پرس تغییر می کند ، لازم است تغییرات بسیاری در سخت افزار سیستم کنترل داده شود . به عبارت دیگر اتصالات و عناصر مدار فرمان باید تغییر کند .

با استفاده از PLC  تغییر در روند تولید یا عملکرد ماشین به آسانی صورت می پذیرد،  زیرا دیگر لازم نیست سیم کشی ها (Wiring) و سخت افزار سیستم کنترل تغییر کند و تنها کافی است چند سطر برنامه نوشت  و به  PLC  ارسال کرد تا کنترل مورد نظر تحقق یابد .

از طرف دیگر قدرت PLC  در انجام عملیات منطقی ، محا سباتی، مقایسه ای و نگهداری اطلاعات به مراتب بیشتر از تابلوهای فرمان معمولی است . PLC  به طراحان سیستم های کنترل این امکان را می دهد که آنچه را در ذهن دارند در اسرع وقت بیازمایند و به ارتقای محصول خود بیندیشند کاری که درسیستم های قدیم مستلزم صرف هزینه و به خصوص زمان است و نیاز به زمان ، گاهی باعث می شود که ایده مورد نظر هیچ گاه به مرحله عمل در نیاید .

هر کس که با مدارهای فرمان الکتریکی رله ای کار کرده باشد به خوبی می داند که پس از طراحی یک تابلوی فرمان ، چنانچه نکته ای از قلم افتاده باشد ، مشکلات مختلفی ظهور نموده ، هزینه ها و اتلاف وقت بسیاری را به دنبال خواهد داشت . بعلاوه گاهی افزایش وکاهش چند قطعه در تابلوی فرمان به دلایل مختلف مانند محدودیت فضا ، عملا غیر ممکن و یا مستلزم انجام سیم کشی های مجدد و پر هزینه می باشد .

اکنون برای توجه بیشتر به تفاوت ها و مزایایPLC  نسبت به مدارات فرمان رله ای ، مزایای مهم PLC   را نسبت به مدارت یاد شده بر می شماریم .

1. استفاده از PLC  موجب کاهش حجم تابلوی فرمان می گردد .
2. استفاده از PLC مخصوصا در فرآیندهای عظیم موجب صرفه جویی قابل توجهی در هزینه ، لوازم و قطعات می گردد .
3. PLC ها هستهلاک مکانیکی ندارند ، بنابراین علاوه برعمر بیشتر ، نیازی به تعمیرات و سرویسهای دوره ای نخواهد داشت .
4. PLC ها انرژی کمتری مصرف می کنند .
5. PLC ها بر خلاف مدارات رله کنتاکتوری ، نویزهای الکتریکی و صوتی ایجاد می کنند .
6. استفاده از یک PLC  منحصر به پروسه و فرآیند خاصی نیست وبا تغییر برنامه می توان به آسانی از آن برای کنترل پروسه های دیگر استفاده نمود .
7. طراحی و اجرای مدارهای کنترل فرمان با استفاده از PLC ها بسیار سریع و آسان است .
8. برای عیب یابی مدارات فرمان الکترومکانیکی ، الگوریتم و منطق خاصی را نمی توان پیشنهاد نمود . این امر بیشتر تجربی بوده ، بستگی به سابقه آشنایی فرد تعمیرکار با سیستم دارد . در صورتی که عیب یابی در مدارات فرمان کنترل شده توسط PLC به آسانی و با سرعت بیشتری انجام می گیرد .
9. PLC ها می توانند با استفاده از برنامه های مخصوص ، وجود نقض و اشکال در پروسه تحت کنترل را به سرعت تعیین و اعلام نمایند .

در جدول زیر مزایای  PLC  نسبت به مدارات فرمان رله ای و همچنین مدارهای منطقی الکترونیکی و کامپیوتر بر شمرده شده است .

2.1- تفاوت PLC با کامپیوتر

استفاده از کامپیوتر معمولی مستلزم آموزش های نسبتا طولانی ، صرف وقت و هزینه های بسیار است .  چنانچه کنترل فرآیندی مورد نظر باشد استفاده از کامپیوتر معمولی به مراتب پیچیده تر و در اغلب موارد عملا نا ممکن می شود . علاوه بر آن برای انطباق کامپیوتر با فرآیند مورد نظر  طراحی ، ساخت و یا لااقل بررسی و خرید تجهیزات خاص برای انطباق ، کاری طاقت فرساست

بسیاری از صنعتگران نیاز به بکارگیری سیستمهای اتوماتیک را عملا احساس نموده و دریافته اند که تولید بدون بکارگیری اتوماسیون امکان پذیر نمی باشد . از طرف دیگر صنعتگران گرفتن آموزشهای مربوط به این شاخه از صنعت را بحق در محدوده وظایف خود نمی دانند  .

PLC وسیله ایست که درست به همین دلایل ساخته شده و اتوماسیون را به کمترین هزینه و به بهترین شکل ممکن در اختیار قرار می دهد . استفاده از PLC  بسیار ساده بوده ونیاز به آموزشهای مفصل ، طولانی وپر هزینه ندارد .

از آنجاییکه این وسیله به منظور پاسخگویی به کاربردهای صنعتی طراحی شده تمامی مسائل مرتبط با آن حل گردیده وهیچ مشکلی در راه استفاده از آن وجود ندارد .

3.1- کاربرد PLC در صنایع

امروزه کاربرد PLC  در صنایع و پروسه های مختلف صنعتی به وفور به چشم می خورد ، در زیر تعدادی از این کاربردها آورده شده است .

• صنایع اتومبیل سازی – شامل : عملیات سوراخکاری اتوماتیک ، اتصال فطعات و همچنین تست قطعات و تجهیزات اتومبیل ، سیستم های رنگ پاش ، شکل دادن بدنه بوسیله پرس های اتوماتیک ….
• صنایع پلاستیک سازی – شامل : ماشینهای ذوب و قالب گیری تزریقی ، دمش هوا و سیستم های تولید وآنالیز پلاستیک و ….
• صنایع سنگین – شامل : کوره های صنعتی ، سیستم های کنترل دمای اتوماتیک ، وسایل و تجهیزاتی که در ذوب فلزات استفاده می شوند و ….
• صنایع شیمیایی – شامل : سیستم های مخلوط کننده ، دستگاههای ترکیب کننده مواد با نسبتهای متفاوت و ….
• صنایع غذایی – شامل : سیستم های سانتریفوژ، سیستم های عصاره گیری و بسته بندی و..
• صنایع ماشینی – شامل : صنایع بسته بندی ، صنایع چوب ، سیستم های سوراخکاری ، سیستم های اعلام خطر و هشدار دهنده ، سیستم های استفاده شده در جوش فلزات و ….
• خدمات ساختمانی – شامل : تکنولوژی بالابری (آسانسور) ، کنترل هوا و تهویه مطبوع ، سیستم های روشنایی خودکار و…..
• سیستم های حمل ونقل – شامل : جرثقیل ها ، سیستم های نوار نقاله ، تجهیزات حمل ونقل و ….
• صنایع تبدیل انرژی (برق ، گاز و آب) شامل : ایستگاههای تقویت فشار گاز ، ایستگاههای تولید نیرو ، کنترل پمپ های آب ، سیستم های تصفیه آب و هوای صنعتی ، سیستم های تصفیه و بازیافت گاز و ….

4.1- سخت افزار PLC

از لحاظ سخت افزاری می توان قسمت های تشکیل دهنده یک سیستم PLC  را بصورت زیر تقسیم نمود :

• واحد منبع تغذیه UPS)  Unit Power Supply)
• واحد پردازش مرکزی CPU) Central Processing Unit)
• حافظه  (Memory)
• ترمینال های ورودی (Input Module)
• ترمینال های خروجی (Output Module)
• مدول ارتباط پروسسوریCP) Communication Processor)
• مدول رابطIM) Interface Module)

1.4.1- واحد منبع تغذیه (UPS)

منبع تغذیه ولتاژهای مورد نیاز PLC را تامین می کند . این منبع معمولا از ولتاژهای 24 Vdc و 110 Vac  تا 220 Vac  ، ولتاژ 5 Vdc  را ایجاد می کند . ماکزیمم جریان قابل دسترسی منطبق با تعداد واحدهای خروجی مصرفی است . لازم به ذکر است که ولتاژ منبع تغذیه باید کاملا تنظیم شده (Regulated Voltage ‌) باشد . جهت دستیابی به راندمان بالا معمولا از منابع تغذیه سوئیچینگ استفاده میشود . ولتاژی که در اکثر PLC ها استفاده می گردد ولتاژ 5.2 Vdc یا 5 Vdc است . (در برخی موارد ، منبع تغذیه و واحد کنترل شونده در فاصله زیادی نسبت به یکدیگر قرار دارند بنابراین ولتاژ منبع ، 5.2 Vdc انتخاب می شود تا افت ولتاژ حاصل از بعد مسافت بین دو واحد مذکور جبران گردد) .

برای تغذیه رله ها و محرکها (Actuator) معمولا از ولتاژ 24V dc   بصورت مستقیم (بدون استفاده از هیچ کارت ارتباطی) استفاده می شود . در برخی موارد نیز از ولتاژهای 110 Vac  تا 220V ac با استفاده از یک کارت رابط بنام Relay Board   استفاده می گردد . (در مورد تغذیه رله ها احتیاج به رگولاسیون دقیق نیست).

در برخی شرایط کنترلی لازم است تا در صورت قطع جریان منبع تغذیه ، اطلاعات موجود در حافظه و همچنین محتویات شمارنده ها ، تایمرها و فلگ های پایدار بدون تغییر باقی بمانند . در این موارد از یک باطری جنس Lithium  جهت حفظ برنامه در حافظه استفاده می گردد . به این باطری Battery Backup   می گویند . ولتاژ این نوع باتری ها معمولا 2.8 V تا 3.6 V   میباشد  از آنجایی که این باطری نقش مهمی در حفظ اطلاعات موجود در حافظه دارد در اکثر PLC ها یک چراغ نشان دهنده تعبیه شده ودر صورتی که ولتاژ باطری به سطحی پائین تر از مقدار مجاز 2.8 V  برسد این نشان دهنده روشن می گردد . این نشان دهنده به  Battery Low LED  معروف است . در صورت مشاهده روشن شدن این نشان دهنده لازم است که باطری مذکور تعویض گردد . برای تعویض باطری ابتدا باید به وسیله یک منبع تغذیه ، ولتاژ واحد مورد نظر را تامین و سپس اقدام به تعویض باطری نمود .

2.4.1-  واحد پردازش مرکزیCPU

CPU یا واحد پردازش مرکزی در حقیقت قلب PLC است . وظیفه این واحد ، در دریافت اطلاعات از ورودی ها ، پردازش این اطلاعات مطابق دستورات برنامه و صدور فرمانهایی است که به صورت فعال یا غیرفعال نمودن خروجی ها ظاهر می شود . واضح است که هر چه سرعت پردازش CPU بالاتر باشد زمان اجرای یک برنامه کمتر خواهد بود .

3.4.1- حافظه (Memory)

حافظه یکی از قسمت های اساسی در سیستم های کامپیوتری می باشد . از حافظه جهت ذخیره نمودن دستورالعمل ها ، اطلاعات و نتایج بدست آمده استفاده می شود . اطلاعات ذخیره شده در حافظه بصورت باینری (0 ، 1) می باشد .

برای ساختن حافظه معمولا از نیمه هادی ها استفاده می شود .

انواع حافظه

1- حافظه های الترونیکی : که از عناصر نیمه هادی (دیود ، ترانزیستور و …..) ساخته می شود عمدتا بصورت یک تراشه Chip ساخته می شود .

2- حافظه های مغناطیسی : دارای انواع disk  ، core ،tape   می باشد .

• فصل اول  ساختار PLC
• فصل دوم مقدمه ای به زبان STEP 5
• فصل سوم برنامه نویسی به زبان STEP 5
• فصل چهارم ابزاترهای ورودی / خروجی
• فصل پنجم نمونه عملی از کاربرد PLC در کارخانه فولاد آذربایجان
• مراجع( References)

فصل اول ساختار PLC

• PLC
• تفاوت PLC  با کامپیوتر
• کاربرد PLC  در صنایع
• 4.1-  سخت افزار PLC
• 1.4.1- واحد منبع تغذیه ( UPS)
• 2.4.1- واحد پردازش مرکزی ( CPU)
• 3.4.1- حافظه ( Memory)
• 4.4.1- ترمینال ورودی ( Input Module)
• 5.4.1- ترمینال خروجی ( Output Module)
• 6.4.1- مدول ارتباط پروسسوری ( CP)
• 7.4.1- مدول رابط ( IM)
• 5.1- تصویر ورودی ها ( PII)
• 6.1- تصویر خروجی ( PIO)
• 7.2- فلگ ها ، تایمرها و شمارنده ها
• 8.2- انبارک یا آکومولاتور ( ACCUM)
• 9.2- گذرگاه عمومی ورودی / خروجی (I/O bus)
• 10.1- روشهای مختلف آدرس دهی
• 11.1- نرم افزار PLC

فصل دوم مقدمه ای به زبان STEP

• 1.2- اشکال مختلف نمایش برنامه ها
• 1.1.2- روش نمایش نردبانی  ( LAD)
• 2.1.2- روش نمایش فلوچارتی ( CSF)
• 3.1.2- روش نمایش عبارتی ( STL)
• 2.2- سیکل زمانی اجرای برنامه (‍Cycle Time)
• 3.2- برنامه نویسی سازمان یافته ( Stractured Prodrammhng)
• 1.3.2- بلوک های برنامه ( PB)
• 2.3.2- بلوک های ترتیبی  (  SB)
• 3.3.2- بلوک های تابع ساز ( FB)
• 4.3.2- بلوک های اطلاعاتی ( DB)
• 5.3.2- بلوک های سازماندهی ( OB)
• 4.2- عملوند های مورد استفاده در زبان ( Operand Area) S5
• 5.2- دستور العمل های زبان S5
• 1.5.2- دستورالعمل های اصلی( Basic)
• 2.5.2-  دستور العمل های تکمیلی                ( Supplementary)
• 3.5.2-   دستور العمل های سیستم ( System)
• 6.2- خواندن صفر ( Scannhng For Zero)
• 7.2- کنتاکت در حالت عادی باز ( NO)
• 8.2- کنتاکت در حالت عادی بسته ( NC)
• 9.2- کاربرد پرانتز در برنامه نویسی به روش (STL)
• 10.2- فلگ ( Flag)
• 11.2- بیت RLO
• 12.2- ست و ریست در فلگ ها و خروجی ها
• 13.2- دستور NOP 0
• 14.2- کانکتور (Connector)
• 15.2- برنامه نویسی یک تشخیص دهنده لبه پالس (Edge Detector)
• 16.2- دستور پرش غیر شرطی ( JU)
• 17.2- دستور پرش شرطی  ( JC)
• 18.2- دستورهای بار گذاری و انتقال
• 1.18.2- دستور ( Load) L
• 2.18.2-  دستور ( Transfer) T
• 19.2- نکاتی در مورد انتقال و بار گذاری اطلاعات به صورت کلمه ای
• 20.2- موارد استفاده انبارک ها
• 1.20.2- دستور جمع دو عدد (+ F)
• 2.20.2- دستور تفریق دو عدد (- F)
• 21.2- مقایسه کننده ها (Comparators)
• 22.2- شمارنده ها ( Counters)
• 23.2- تایمرها ( Timers)
• 1.23.2- تایمر پله ای (SP)
• 2.23.2- تایمر پله ای گسترده  (SE ‌)
• 3.23.2- تایمر با تاخیر روشن (SD)
• 4.23.2- تایمر با تاخیر خاموش (SF ‌)
• 5.23.2- تایمر تاخیر ماندگاری ( SS)
• 24.2- دستورهای اعلام پایان برنامه

فصل سوم برنامه نویسی به زبان STEP

• 1.3- روش برنامه نویسی
• 2.3- بلوک های اطلاعاتی ( DB)
• 3.3- بلوک های تابع ساز (FB)
• 4.3- دستورات تکمیلی ( Supplementary)
• 1.4.3- دستور AW
• 2.4.3- کاربرد عملی دستور AW
• 3.4.3- دستور  OW
• 4.4.3- دستور  XOW
• 5.4.3-  دستور CFW
• 6.4.3- دستور CSW
• 7.4.3- دستور SLW
• 8.4.3- دستور SRW
• 9.4.3-  دستور I
• 10.4.3-  دستور D
• 11.4.3- دستور  ADD
• 12.4.3- دستور JZ
• 13.4.3- دستور JN
• 14.4.3-  دستور JP
• 15.4.3-  دستور JM

فصل چهارم ابزارهای ورودی / خروج

• 1.4 – ابزارهای ورودی
• 1.1.4- کلید های مکانیکی
• 2.1.4- کلیدهای مجاورتی
• 3.1.4-  کلیدها و حسگرهای فتوالکتریک
• 4.1.4- حسگرهای دما
• 5.1.4- حسگرهای جابجایی
• 6.1.4- حسگر فشار
• 7.1.4- آشکار ساز سطح مایع
• 8.1.4- محاسبه شار مایع
• 9.1.4- صفحه کلید
• 2.4- ابزارهای خروجی
• 1.2.4- کلید خودکار
• 2.2.4- شیرهای کنترل جهت دار
• 3.2.4- ساختمان و طرز کار کوپل کننده های نوری  (Optical Coupler)

فصل پنجم نمونه عملی از کاربرد PLC در کارخانه فولاد آذربایجان

مراجع( References)