آشنايي با PLC

۲-۱- ساختمان داخلي PLC
از آنجائي كه يك PLC مجري برنامه اي است كه به آن داده مي شود، طبعتاً ساختمان داخلي آن تا حدودي شبيه ساختمان داخلي يك كامپيوتر خواهد بود.
شكل (۲-۱) بلاك دياگرام ساختمان داخلي، يك PLC نمونه ساخت زيمنس را نشان مي دهد.

قسمت اصلي در يك PLC ريزپردازنده (CPU) مي باشد، خواننده ممكن است با ريزپردازنده ها آشنايي قبلي داشته باشد، و براي خوانندگاني كه با ريزپردازنده ها آشنايي ندارند نيز جاي نگراني نيست، چرا كه تعريف ساده زير را در اين مورد بخصوص ارائه مي دهيم:
«ريزپردازنده يك آي سي است كه به كمك يك سري مدارات جانبي ديگر قادر است توابع منطقي را با توجه به برنامه داده شده به آن اجرا نموده و نتايج خوبي را به خروجي ها ارسال نمايد.»

قسمت مهم ديگر در يك PLC قسمت حافظه است، برنامه كنترل را كه PLC اجرا مي كند مي بايستي از پيش در حافظه PLC نوشته و ضبط كنيم، به طوري كه CPU به آن دسترسي داشته و همواره آن را اجرا نمايد.

حافظه PLC معمولاً از دو قسمت تشكيل شده است:
يك قسمت در دسترس استفاده كننده بوده و مخصوص نوشتن برنامه كنترل مي باشد، اين قسمت قابل پلك كردن و تغيير است، و معمولاً از نوع (RAM) مي باشد.
قسمت ديگر، حافظه سيستم است كه مربوط به نحوه عملكرد مدارات داخلي PLC مي باشد و معمولاً استفاده كننده از PLC سر و كاري با آن نداشته و توسط كمپاني سازنده پر مي شود. اين قسمت به راحتي قابل پاك كردن و تغيير نيست و معمولاً از نوع EPROM يا EEPROM مي باشد.
بلوك بعدي در يك PLC مربوط به قسمت ورودي ها و خروجي هاي كنترل كننده منطقي است. اين PLC داراي ۲۰ ورودي است كه بر حسب نياز همه يا تعدادي از آنها مي توانند مورد استفاده واقع شوند، وجود ولتاژ ۲۴ ولت DC، در يك ورودي به منزله وجود فرمان منطقي (۱=I) در آن ورودي است، هر يك از ورودي ها از نظر CPU آدرس مخصوص به خود دارند و CPU هنگام اجراي برنامه بر حسب نياز به آنها مراجعه مي كند.

جهت حفاظت مدارات داخلي PLC و جلوگيري از نويزهائي كه معمولاً در محيط هاي صنعتي وجود دارند، ارتباط ورودي ها با مدارات داخلي PLC توسط كوپل كننده هاي نوري (OPTO COUPLER) انجام مي گردد، كه در اين مورد در بخش هاي بعدي توضيحات بيشتري خواهيم داد.

اين PLC داراي ۱۲ خروجي است، خروجي ها نيز از نظر CPU داراي آدرس معيني مي باشند، خروجي ها مطابق شكل (۲-۲) به صورت كنتاكت هايي ايزوله از مدارات داخلي هستند و همگي داراي سر مشترك مي باشند و استفاده كننده مي تواند فرمان خروجي را بين ۲۴ ولت DC تا AC220 انتخاب نمايد.
امروزه PLC ها را به لحاظ حجم حافظه اختصاص داده شده به برنامه استفاده كننده و همچنين تعداد بيت هاي ورودي و خروجي به چهار دسته تقسيم بندي مي كنند، (البته اين تقسيم بندي غير رسمي بوده و مورد قبول پاره اي از سازندگان نمي باشد). اين چهار دسته عبارتند از:
۱- ميكرو

۲- كوچك (MINI)
3- متوسط
۴- بزرگ
)بيت) I/O حافظه (بايت)
۶۴ تا ۵۱۲ MICRO
128 تا K 4-512 كوچك
۵۱۲ تا K 24-4 متوسط
۵۱۲ > K 24 > بزرگ

انجام عمليات منطقي در بسياري از موارد ممكن است توام با شمارش يا زمان سنجي باشد، مثلاً براي خاموش كردن يك موتور ممكن است بگوئيم:
«اگر فرمان خاموش شدن توسط اپراتور صادر شد، آنگاه ده ثانيه بعد موترو را خاموش كن.» به همين منظور در يك PLC تعدادي شمارنده (CONTERS) و تايمر (TIMERS) پيش بيني شده است كه هر يك از نظر CPU شمارة مخصوص به خود را دارند، مثلاً T2 يعني تايمر شماره ۲ و C4 يعني شمارنده شماره ۴ در اين PLC هشت شمارنده (C0-C7) و هشت تايمر (T0-T7) موجود است.

پرچم ها (FLAGS)
فلگها، حافظه هاي موقتي هستند كه CPU هنگام اجراي برنامه از آنها براي يادداشت نتايج منطقي و يا حالت سيگنالها استفاده مي نمايد. درست مانند وقتي كه شما دو عدد چند رقمي را با هم جمع مي كنيد، و ده بر يك به وجود مي آيد، ده بر يك را گوشه اي مي نويسيد تا در جمع دو رقم بعدي آن را وارد نمائيد. اين PLC داراي ۱۲۸ فلگ مي باشد.
تغذيه:

براي كاركرد مدارات داخلي PLC ولتاژ ۵ ولت تثبيت شده DC، از تغذيه ورودي (۲۲۰-۲۴۰V AC) توليد مي شود. همچنين ولتاژ V24DC جهت تأمين تغذيه ورودي ها تهيه مي گردد.

قسمت هايي كه از آنها نام برديم با به كارگيري تكنولوژي مدارهاي مجتمع به گونه اي كم حجم و قابل اطمينان مونتاژ مي شوند به طوري كه حجم PLC حاصل از حدود cm10×۱۷×۲۶ تجاوز نمي كند بعلاوه جعبه PLC نسبت به نفوذ رطوبت و انواع گرد و غبار كه در محيط هاي صنعتي موجود است مقاوم مي باشد. در عين حال تهويه طبيعي نيز به خوبي انجام مي گردد.

اين PLC در دماهاي به خوبي كار مي كند و در كشتي ها و ماشين هاي متحرك نيز از آن استفاده شده است.
۲-۲) PLC چگونه كار مي كند؟

در بخش پيش با PLC و قسمتهاي تشكيل دهنده آن بطور كلي آشنا شديم. در اين بخش ديدگاه خود را وسعت داده، و جزئيات بيشتري را ارائه مي نمائيم.
عملكرد كلي يك PLC را مي توان مطابق شكل (۲-۳) نمايش داد. با روشن شدن PLC ابتدا حالت كليه ورودي ها (۱ يا ۰ = I) توسط ريزپردازنده خوانده مي شود، آنگاه برنامه كنترل كه قبلاً در حافظه نوشته شده است، توسط ريزپردازنده سطر به سطر خوانده مي شود و توابع منطقي برنامه كنترل محاسبه مي گردند، سپس نتايج حاصل بطور يك جا به خروجي ها اعمال شده و دوباره سيكل ديگري شروع مي شود و اين كار مداوم تكرار مي گردد.
برنامه كنترل چگونه نوشته مي شود؟

مي دانيم در كنترل منطقي با يك سري اطلاعات يا فرمانهاي ورودي سر و كار داريم و با توجه به آنها مي بايست در صورت برآورده شدن شرايط منطقي مورد نظر، فرمانهاي مشخصي صادر گردد.

ورودي ها از سوي سيستم تحت كنترل به PLC ارسال مي گردند و خروجي ها (يعني فرمانهاي لازم) نيز توسط PLC به سيستم تحت كنترل اعمال مي شوند، آنچه كه مي ماند بيان شرايط منطقي يا منطق كنترل است كه بايستي توسط استفاده كننده به PLC داده شود.
برنامه كنترل ابتدا در دستگاهي به نام برنامه ريز (PROGRAMMER) كه به اختصار (PG) ناميده مي شود، نوشته شده و آنگاه در PLC بار (LOAD) مي گردد، در فصل پنجم در مورد برنامه ريزها و نحوه بار كردن برنامه صحبت خواهيم كرد. شكل (۲-۴) نحوه اتصال يك برنامه ريز دستي به يك PLC ساخت كمپاني omron را نشان مي دهد.

سازندگان مختلف PLC ها براي برنامه ريزي، زبانهاي گوناگوني را ابداع نموده اند كه عملاً تفاوت چنداني با يكديگر ندارند. مثل FST، S5، Allen Brad ley، Omron
خواننده با يادگيري يكي از اين زبانها مي تواند زبانهاي ديگر را به راحتي درك و از آن استفاده كند. در اينجا ما براي بيان نحوه نوشتن برنامه، زبان STEP-5 را كه باختصار S5 ناميده مي شود، انتخاب نموده ايم و تاكيد مي نمائيم كه اين زبان از نظر اصول نفاوت چنداني با زبانهاي ديگر ندارد.
۲-۳) زبان STEP-7

اين زبان جهت برنامه ريزي PLC هاي ساخت زيمنس، و توسط همين شركت ابداع گرديده است. در اين زبان برنامه كنترل مي تواند به سه شكل نمايشي مختلف نوشته شود:
الف) به صورت ليست جملات يا (STATEMENT LIST) STL
در اين روش برنامه كنترل را به صورت جملات منطقي پشت سر هم مي نويسيم، مثلاً بخواهيم بگوئيم خروجي يك، تابع «و» (AND) ورودي هاي شماره يك و دو مي باشد، مي نويسيم:
A I1
A I2
=Q1
ب) به صورت نردباني يا )LADDER DIAGRAM) LAD
نمايش نردباني از قديم در سيستم هاي رله اي متداول و معمول بوده است و نقشه هاي فرمان اكثراً به اين روش كشيده مي شوند، و به همين دليل طرز نمايش تا حد زيادي مانوس و مورد پسند كساني است كه با سيستم هاي رله اي كار مي كنند، علاوه بر اين نمايش نردباني به سادگي قابل درك است و برنامه اي كه به روش نردباني نوشته مي شود، درست مثل نقشه الكتريكي مدار فرمان همان سيستم است، يعني شخصي كه هرگز يك PLC را نديده به راحتي برنامه اي كه به روش نردباني براي كنترل يك سيستم نوشته شده است را درك مي كند.
در واقع اين طرز نمايش تا حد زيادي براي جلب توجه و رضايت كساني كه عادت به كار كردن با سيستم هاي رله اي دارند، توسط سازندگان PLC به كار گرفته شده است.

برنامه اي كه در قسمت الف نوشته شد، اگر به صورت نردباني نوشته شود مطابق شكل زير خواهد بود.
در اين نمايش، I1 و I2 مبين دو كنتاكت در حالت عادي باز (NO) و Q1 مبين سيم پيچ رله فرمان مي باشد.
ج) به صورت فلوچارت كنترل يا CSF (CONTROL SYSTEM FLOWCHART)
در اين روش منطق كنترل به صورت فلوچارتي نمايش داده مي شود، كه در هر بلاك نوع عمل منطقي نشان داده شده است و بعلاوه ورودي ها و خروجي هاي هر بلوك نيز مشخص مي گردند.

مثلاً برنامه قسمت الف را به صورت زير نمايش مي دهيم:
آنچه كه هنگام نوشتن يك برنامه در درجه اول اهميت قرار دارد، درست بودن منطق كنترل و نتيجتاً عملكرد صحيح مدار فرمان مي باشد، و اينكه شكل نمايش برنامه چگونه باشد (CFS,LAD,STL) بيشتر به سليقه شخص استفاده كننده بستگي دارد، معمولاً اكثر برنامه ريزها (PG) قادرند برنامه نوشته شده را از يك شكل به شكل ديگر تبديل نموده و نمايش دهند، بدين ترتيب استفاده كننده مي تواند برنامه كنترل را به هر يك از صورتهاي ذكر شده بنويسد و در صورت تمايل با استفاده از PG آن را به صورتهاي ديگر تبديل نمايد.

امروزه مهندسين طراح بيشتر از شكل STL، براي نوشتن برنامه هاي كنترل استفاده مي كنند و بعد از آزمايش برنامه و رفع نواقص احتمالي آن، برنامة نهايي را با استفاده از PG به صورتهاي LAD و CSF نيز چاپ مي نمايد و در مواقع لزوم، مخصوصاً هنگام عيب يابي از اين طرزهاي نمايش استفاده مي كنند.
PLC اطلاعات مربوط به پروسه تحت كنترل را از سنسورهايي كه به مدارات ورودي آن متصلند به دست مي آورد. و بر اساس اين اطلاعات برنامه كنترل را اجراء مي نمايد، بنابراين انتخاب سنسور مناسب و نحوه اتصال آن به PLC از اهميت ويژه اي برخوردار است.

در مدار كنترل يك پروسه، PLC به تعبيري نقش فرمانده را بر عهده دارد و بايستي در برابر آسيبهاي احتمالي محافظت گردد، يكي مسيرهايي كه از طريق آن ممكن است به PLC آسيب وارد آيد، مدار ورودي است.

در محيطي كه PLC در آن كار مي كند، ممكن است نويزهاي ايجاد گردند و اطلاعات ورودي به PLC را خدشه دار نمايند، مثلاً در محيط هاي صنعتي، قطع و وصل كردن كنتاكتورها، استارت موتورهاي الكتريكي، چراغهاي نئون و فلورسنت و كابلهاي نيرو، توليد نويز مي نمايند.
اينك با توجه به مطالب فوق اهم نكاني را كه در رابطه با وروديهاي PLC بايستي درنظر داشت خلاصه يم كنيم:
۱) حفاظت PLC، در برابر آسيب هاي احتمالي
۲) انتخاب و اتصال صحيح سنسورهاي ورودي
۳) جلوگيري از اثر نويز
سيگنال خارجي ناشي از سنسور از طريق پين ورودي به مدار ورودي PLC متصل مي گردد .و در مدار ورودي به سطح منطقي مناسب تبديل شده، به قسمتهاي داخلي PLC منتقل مي گردد.
در PLCهاي كوچك مدارهاي ورودي جزئي از PLC هستند، و در PLC هاي بزرگتر مدارهاي ورودي را به صورت كارتهاي الكترونيكي مجزا (MODULE) تهيه و با رعايت ظرفيت بر روي PLC نصب مي كنند.
۵-۴) سنسوذها و وروديهاي آنالوگ:

در بخش پيش با ميكروسوئيچ ها آشنا شديم، ميكروسوئيچ ها ازجمله سنسورهايي هستند كه به PLC ها متصل مي گردند.
يك سوئيچ اساساً سنسوري ديجيتالي است، يعني فقط مي تواند دو حالت باز يا بسته داشته باشد و بر حسب حالتش، سيگنال «۰» يا «۱» را به ورودي PLC ارسال دارد.

در بسياري از كاربردها با سيگنال ها و سنسورهاي آنالوگ سر و كار داريم، بعنوان مثال دما يك كميت آنالوگ است كه معمولاً با ترموكوپل اندازه گيري مي شود. ترموكوپل، دما را به ولتاژ، كه آن هم كميتهاي آنالوگ و پيوسته مي باشد، تبديل مي شود.
فرض كنيد، در يك برنامه كنترل لازم باشد مقدار دماي اندازه گيري شده، توسط ترموكوپل با مقدار معيني مقايسه گردد، حال سوال اين است كه چگونه مي توان يك كميت آنالوگ را به صورتي قابل فهم و قابل استفاده براي PLC تبديل نمود.
راه حل اين است كه ابتدا كميت آنالوگ را در يك مدار «آنالوگ به ديجيتال» (A/D) به اطلاعات ديجيتالي معادل با آن تبديل نموده، و سپس اطلاعات ديجيتالي را به داخل PLC ارسال داريم.

در بعضي از PLCها (مثلاً S5-95U زيمنس) سازنده، چند ورودي را مخصوص اطلاعات آنالوگ در نظرمي گيرد و در داخل PLC مدارات را براي تبديل و انتقال كميت آنالوگ پيش بيني مي نمايد. در PLCهاي بزرگتر (مثل S5-115U) مي توان با نصب مدول هايي برروي PLC قسمتي از ظرفيت ورودي هاي سيستم را به ورودي هاي آنالوگ اختصاص داد.

در اين بخش به تشريح پاره اي از نكات مربوط به اتصال مدول ها و سنسورهاي آنالوگ به PLC خواهيم پرداخت.
مدول هاي آنالوگ به دو دسته تقسيم مي شوند:
۱- مدول هاي ورودي ولتاژ

۲- مدول هاي ورودي جريان
سنسورهايي كه كميت مورد اندازه گيري را به ولتاژ تبديل مي كنند، (مانند ترموكوپل) مي بايستي از طريق مدول هاي نوع اول به PLC متصل گردند.
سنسورهايي كه كميت مورد اندازه گيري را به جريان تبديل مي كنند، (مثل بعضي از اندازه گيري هاي ضخامت) مي بايستي از طريق مدول هاي نوع دوم به PLC متصل گردند.
مدول هايي با ورودي ولتاژ يا جريان، خود به دو دسته تقسيم بندي مي شود:
۱- مدول هاي ورودي يك قطبي (Unipolar)
2- مدول هاي ورودي دو قطبي (Bopolar)
هرگاه سيگنال ورودي در محدوده تغييرات خود بدون علامت تغيير كند، (مثلاً ۰ تا ۱۰ ولت) براي تبديل آن به داده هاي ديجيتالي بهتر است از مدول هاي يك قطبي استفاده كنيم.
هرگاه سيگنال ورودي در محدوده تغييرات، داراي علامت باشد (مثلاً ۱۰- تا ۱۰+ ولت) براي تبديل آن به داده هاي ديجيتالي بهتر است از مدول هاي يك قطبي استفاده كنيم.

هرگاه سيگنال ورودي در محدوده تغييرات، داراي علامت باشد (مثلاً ۱۰- تا ۱۰+ ولت) در يان صورت مي بايستي از مدول هاي دو قطبي استفاده نمائيم.
امروزه مدول هاي آنالوگ غالباً به صورت دو قطبي ساخته مي شوند، همچنين در pLC هاي جديد، مدول هاي ساخته دشه به گونه اي هستند كه با يك تنظيم مي توان آنها را به دلخواه به صورت مدول ولتاژ، يا مدول جريان درآورد.

هنگام استفاده از مدول هاي ورودي آنالوگ مي بايستي به مشخصات آنها توجه نمود.
ويژگي هاي مهم مدول آنالوگ عبارتند از:
۱- تعداد ورودي ها
مدول هاي متداول معمولاً داراي يك الي شانزده كانال ورودي مي باشند، بنابراين با توجه به نياز پروسه تحت كنترل، مي بايستي از تعداد مناسب مدول استفاده نمود.
۲- نوع و دامنه تغييرات كميت ورودي

همانطور كه اشاره كرديم، كميت ورودي به PLC ممكن است جريان يا ولتاژ باشد كه در هر حالت مي بايستي از مدول مربوطه استفاده نمود، همچنين حداكثر دامنه تغييرات ورودي به مدول مي بايستي مورد توجه قرار گيرد، دامنه تغييرات ورودي براي مدول هاي متداول و معمول، با ورودي ولتاژ ولت و براي مدول هايي با ورودي جريان ميلي آمپر مي باشد.

۳- براي حفاظت در برابر آسيب هايي كه ممكن است از مسير سنسورها بر مدول وارد آيد، معمولاً تدابير و مدارهايي (مثل جداكننده هاي نوري و …) به كار گرفته مي شوند،‌ استفاده كننده مي بايستي به اين تدابير توجه كافي نمايد.
۵-۵) مدارهاي خروجي:
PLC بعد از اجراي دستورات برنامه، نتايج حاصل رات به خروجي ها ارسال مي دارد. فرض كنيد برنامه زير توسط PLC اجراء گرديده باشد:
A I1.0
A I1.1

= Q0.0
Q0.0 مي تواند فرمان روشن شدن يك موتور و يا فرمان باز شدن يك شير باشد. بديهي است كه وظيفه PLC تنها صدور فرمان است و انرژي لازم براي اجراي فرمان مي بايستي از منابع ديگر تأمين گردد. نكته قابل توجه در مدارهاي خروجي PLC ها نيز همين است. يعني: «صدور فرم ان از PLC، تأمين انرژي از منابع خارجي»