سيستم كنترل
مقدمه:
هر سيستم كنترلي را به سه بخش اصلي مي‌توان تقسيم كرد: ورودي بخش پردازشگر و خروجي سيگنالهاي ورودي توسط مبدل‌ها كه كميت‌هاي فيزيكي را به سيگنال‌هاي الكترونيكي تبديل مي‌كنند فراهم مي‌شوند. يك سيستم كنترل بايد بتواند بر طريقه عملكردي يك فرآيند دخالت و تسلط داشته باشد. اين كار با استفاده المان‌هاي خروجي، از قبيل پمپ‌ها، موتورها، پيستون‌ها، رله‌ها و … انجام مي‌شود.

يك طرح كنترلي به دو روش قابل اجرا است:
با استفاده از سيستم‌هاي كنترل غيرقابل تغيير توسط اپراتور و نيز با استفاده از كنترل كننده‌هاي قابل برنامه‌ريزي.
رله‌ يكي از قطعات مهم در بيشتر سيستم‌هاي كنترل مدرن است. اين قطعه‌ يك سوئيچ الكتريكي با ظرفيت جرياني بالاست. يك سيستم رله‌اي ممكن است شامل چند صديا حتي چند هزار كنتاكت باشد.

كنترل‌كننده‌هاي قابل برنامه‌ريزي (PLC)ها:
PLCها به عنوان جانشيني براي سيستم‌هاي منطقي رله‌اي و تايمري غيرقابل تغيير توسط اپراتور طراحي شدند تا به جاي تابلوهاي كنترل متداول قديمي استفاده شوند. اين كار به وسيله برنامه‌رزي آن‌ها و اجراي دستورالعمل‌هاي منطقي ساده كه اغلب به شكل دياگرام نردباني است، صورت مي‌گيرد. PLCها داراي يك سري توابع دروني از قبيل: تايمرها و شمارنده‌ها و شيفت رجيسترها مي‌باشند كه امكان كنترل مناسب را‏، حتي با استفاده از كوچك‌ترين PLC نيز، فراهم مي‌آورند.

يك PLC با خواندن سيگنال‌هاي ورودي، كار خود را شروع كرده و سپس دستورالعمل‌هاي منطقي (كه قبلاَ برنامه‌ريزي شده و در حافظه جاي گرفته است) را بر روي اين سيگنال‌هاي ورودي اعمال مي‌كند و در پايان، سيگنال‌هاي خروجي مطلوب را براي راه‌اندازي تجهيزات و ماشين‌آلات توليد مي‌نمايد. تجهيزات استانداردي درون PLCها تعبيه شده‌اند كه به آن‌ها اجازه مي‌دهد مستقيماَ و بدون نياز به واسطه‌هاي مداري يا رله‌ها، به المان خروجي يا محرك (actuator) و مبدل‌هاي ورودي (مانند پمپ‌ها و سوپاپ‌ها) متصل شوند.

با استفاده از PLCها، اصلاح و تغيير يك سيستم كنترل بدون نياز به تغيير محل اتصالات سيم‌ها ممكن شده است.
برخي ويژگي‌هاي خاص، آن‌ها را ابزاري مناسب جهت انجام عمليات كنترل صنعتي نموده است. برخي از اين ويژگي‌ها عبارتند از:
 تجهيزات حفاظت كننده‌ها PLCها از نويز و شرايط نامساعد محيطي
 ساختار PLCها، كه به سادگي امكان تعويض يا افزودن واحد يا واحدهايي را به PLC مي‌دهد. (مثلاَ واحد ورودي/ خروجي)
 اتصالات استاندارد ورودي/ خروجي و نيز سطوح سيگنال استاندارد
 زبان برنامه‌نويسي قابل درك و آسان (مانند دياگرام نردباني يا نمودار وظايف)
محدوده PLCهاي در دسترس، از PLCهاي جامع و كامل كوچك با ۲۰ ورودي/ خروجي و ۵۰۰ مرحله يا گام برنامه‌نويسي تا سيستم‌هاي مدولار با مدول‌هاي قابل افزايش را دربرگرفته است مدول‌ها براي انجام وظايفي نظير:

 ورودي/ خروجي آنالوگ
 كنترل PID (تناسبي، انتگرال‌گير و مشتق‌گير)
 ارتباطات
 نمايش گرافيكي
 ورودي/ خروجي اضافي
 حافظه‌هاي اضافي و … استفاده مي‌شوند.

PLCها، كامپيوترهايي ساخته شده به منظور خاص هستند كه شامل سه قسمت اجرايي اصلي مي‌باشند: پردازش، ورودي/ خروجي و حافظه. سيگنال‌ها از طريق ورودي به PLC فرستاده شده و آن‌گاه در حافظه، ذخيره مي‌شوند. سپس سيگنال‌هاي خروجي به منظور راه‌اندازي تجهيزات مورد نظر، توليد مي‌شوند.

در PLCهاي كوچك‌تر، اين عمليات توسط كارت‌هاي ويژه‌اي انجام مي‌گيرند كه به صورت واحدهاي بسيار فشرده‌اي ساخته شده‌اند، در حالي كه ساختار PLCهاي بزرگتر به صورت مدولار با مدول‌هايي كه بر روي شيارهاي تعبيه شده بر روي دستنده نصب مي‌شود، بنا گرديده است. اين امر امكان توسعه سيستم را- در صورت ضرورت- به سادگي فراهم مي‌آورد. در هر دوي اين موارد بوردهاي مداري ويژه‌اي، به سادگي تعويض يا برداشته مي‌شود و امكانات تعمير سيستم نيز به سادگي فراهم مي‌آيد.

CPU بر تمام عملياتي كه در PLC رخ مي‌دهد‏، كنترل و نظارت دارد و دستورالعمل‌هاي برنامه‌ريزي شده و ذخيره شده را اجرا مي‌كند.
تمام PLCهاي مدرن براي ذخيره برنامه از حافظه‌هاي نيمه هادي مانند EPROM, RAM يا EEPROM استفاده مي‌كنند.
عملاَ از RAM براي تكميل برنامه مقدماتي و تست آن استفاده مي‌شود، زيرا كه امكان تغيير و اصلاح راحت برنامه را فراهم مي‌آورد.

پس از اين كه يك برنامه تكميل شد و مورد آزمايش قرار گرفت مي‌توان آن را در PROM يا EPROM، كه اغلب ارزانتر از قطعات RAM مي‌باشند، بار (Load) كرد. برنامه‌ريزي PROM معمولاَ توسط يك برنامه‌ريز مخصوص صورت مي‌گيرد.
PLC‌هاي كوچك معمولاَ تا حدي به دليل ابعاد فيزيكي دستگاه داراي حجم حافظه محدود و ثابتي مي‌باشند. حجم اين حافظه‌ها بسته به توليدكننده آن‌ها بين ۳۰۰ تا ۱۰۰۰ دستورالعمل متفاوت است. اين حجم حافظه ممكن است كمتر از آني به نظر آيد كه مناسب جهت امور كنترلي باشد‏،

اما تقريباَ حدود ۹۰ درصد عمليات مورد نياز كنترل‌هاي دودويي با كمتر از ۱۰۰۰ دستورالعمل قابل اجرا مي‌باشند. بنابراين فضاي حافظه لازم براي بيشتر كاربردها فراهم خواهد آمد.
PLCهاي بزرگتر از مدول‌هاي حافظه‌اي استفاده مي‌كنند كه بين K1 تا K64 فضاي حافظه را فراهم مي‌آورند. اين مدول‌ها امكان گسترش سيستم را با افزودن كارت‌هاي حافظه RAM يا PROM به PLC فرام مي‌آورند.
معيار اوليه مشخص كننده اندازه PLCها، در قالب حجم حافظه برنامه و حداكثر تعداد ورودي و خروجي‌هايي كه سيستم قادر به پشتيباني از آن‌هاست. اما به منظور ارزيابي و محك مناب هر PLC، بايد خصوصيات ديگري از آن، از قبيل نوع پردازشگر، زمان اجراي يك سيكل برنامه، تسهيلات زبان برنامه‌نويسي، توابع (از قبيل شمارنده، تايمر و …) قابليت توسعه و … را نيز در نظر بگيريم.
معمولاَ، PLCهاي كوچك و «ميني PLCها» به صورت واحدهاي قدرتمند، كارآ و فشرده‌اي طراحي مي‌شوند كه قابل جاسازي بر روي، يا كنار تجهيزات تحت كنترل باشند. آن‌ها عمدتاَ به عنوان

جايگزين سيستم‌هاي رله‌اي غيرقابل تغيير توسط اپراتور، تايمر، شمارنده و غيره مورد استفاده قرار مي‌گيرند تا بخش‌هاي مجزا و منفرد كارخانجات يا ماشين‌آلات را كنترل كنند، اما مي‌توان آن‌ها براي هماهنگ كردن عملكرد چند ماشين در تلفيق با يكديگر سود جست.
PLCهاي كوچك قادر به توسعه تعداد كانال‌هاي ورودي و خروجي با استفاده از يك يا دو مدول ورودي/ خروجي مي‌باشند.

PLCهاي بزرگ براي استفاده در كارخانجات عظيم يا ماشين‌هاي بزرگي كه به كنترل پيوسته نيازمندند، طراحي شده‌اند.
همچنين آن‌ها به عنوان كنترل كننده‌ ناظر آن نظارت (monitor) و كنترل كردن چندين PLC ديگر يا ساير ماشين‌هاي هوشمند به كار مي‌روند.
در PLC‌هاي بزرگ از:

 پردازشگر ۱۶ بيتي به عنوان پردازشگر اصلي جهت محاسبات ديجيتالي و همچنين به كارگيري متن.
 پردازشگرهاي تك‌بيتي به عنوان پردازشگر همكار براي محاسبه سريع‏، ذخيره‌سازي و …
 پردازشگرهاي جانبي، براي انجام وظايف اضافي كه تابع زمان مي‌باشند مانند:
كنترل حلقه بسته PID
كنترل موقعيت

محاسبات عددي با مميز شناور
تشخيص عيب و رصد
ارتباطات بين ماشين‌هاي هوشمند براي ورودي/ خروجي توزيع شده
دياگرام‌هاي تقليدي از وضعيت فرآيند يا دياگرام‌هاي فرآيندنما
نصبگاه‌هاي ورودي/ خروجي با فاصله دور استفاده مي‌شود.
PLCهاي زيمنس:
شركت زيمنس تمام PLCهاي خود را زير مجموعه Simatic مي‌داند‏، يعني:
 Simatic S5
 Simatic S7
 Simatic C7

 ۵۰۵
 LOGO
S5 خود، به مدلهاي زير تقسيم مي‌گردد:
 ۹۰u
 ۹۵u
 ۱۰۰u
 ۱۱۵u
 ۱۳۵u
 ۱۵۵u
مدلهاي ۹۰u و ۹۵u به صورت يكپارچه يا Compact هستند، يعني كارتهاي I/O (ورودي و خروجي)، CPU و بعضاَ منبع تغذيه كنار هم مي‌باشند.
مدلهاي ۱۰۰u و ۱۱۵u به صورت Modular هستند، يعني CPU و كارتهاي ورودي و خروجي را جداگانه داريم و آنها را بر روي قطعه‌اي به نام Rack قرار مي‌دهيم. مدلهاي ۱

۵u و ۱۵۵u نيز Modular هستند ولي از نظر كاربردي، كاربرد وسيعتري دارند.
در مجموع برنامه‌ريزي اين نوع پي‌ال‌سي‌هاي S5 توسط نرم‌افزار Step5 صورت مي‌گرفت.
S7:
 S7 200
 S7 300
 S7 400
 S7 300F
 S7 300C
 S7 400H
پي‌ال‌سي S7 200 توسط نرم‌افزار Step 7 Micro Win برنامه‌ريزي مي‌شود.
مهمترين موردي كه باعث تفاوت بين S7 300, S7 200 و S7 400 مي‌گردد، حجم I/O مي‌باشد.
C7 مشابه S7 300 است با اين تفاوت كه داراي Operator Panel نيز مي‌باشد.
جهت برنامه‌ريزي C7، از نرم‌افزار Step 7 به اضافه نرم‌افزار Protools استفاده مي‌شود.
S7 300F در سيستم‌هايي كه نياز به ايمني زياد دارند به كار مي‌روند.

S7 400H داراي دو CPU است كه يكي رزرو ديگري است و در زماني در حد ms (ميلي‌ثانيه) اين CPU خارج و CPU دوم جايگزين مي‌گردد.
S7 300 خود، داراي انواع مختلفي نظير ۳۱۹, ۳۱۵, ۳۱۴, ۳۱۲ و … مي‌باشد.
توانايي پيكربندي سخت‌افزار و شبكه توسط نرم‌افزار تطابق با استاندارد IEC 1131.
استاندارد IEC 1131:

اين استاندارد خاص PLCها است. آخرين ورژن اين استاندارد ۸ بخش دارد كه سه بخش عمده آن عبارتند از: سخت‌افزار، شبكه و نرم‌افزار.
يكي از نسخه‌هاي رايج اين برنامه Step7 ورژن ۲،۵ مي‌باشد كه تنها سه زبان LAD, STL و FBD را پشتيباني مي‌كند.

نسخه Step 7 Professional قابليت پشتيباني هر پنج زبان را دارد.
در كنار Step 7 شركت زيمنس نرم‌افزارهاي جابني با نام SIMATIC ارائه نموده است.
۱- Teleservice: جهت ارتباط با PLC از طريق خط تلفن
۲- PLcSIM: سيمولاتور نرم‌افزاري جهت شبيه‌سازي ورودي و خروجي و خود PLC.
3- PDIAG: ابزاري جهت عيب‌يابي سريعتر.

۴- PID Control: در واقع Loop Controller است كه به صورت نرم‌افزاري استفاده مي‌شوند.
۵- WINCC: جهت مانيتورينگ صنعتي به كار گرفته مي‌شود.
۶- DOC PRO: جهت فرام كردن نقشه‌هاي Wiring و اسناد مربوط به پروژه ايجاد شده.
پي‌ال‌سي لوگو كوچكترين پي‌ال‌سي ساخت شركت زيمنس مي‌باشد كه با كارآيي بالا و وزن كم در صنايع و ماشين‌آلات بسته‌بندي پركنها پله برقي و غيره كاربرد دارد. نوعي از اين پي‌ال‌سي داراي صفحه نمايش بوده و توسط كليدهاي روي آن يا ac/Dc با كامپيوتر قابل برنامه‌ريزي مي‌باشد ارائه

مي‌گردد. بطور كلي در دو مدل بمنظور كاهش هزينه‌ها و بعنوان راه‌حلي بهينه پيشنهاد گرديد و به دليل مديريت ساده و كاربردي بودن پيشرفت چشمگيري در مهندسي برق و اتوماسيون صنعتي بوجود آورد سخت‌افزار لوگو شامل ماژول اصلي پايه كارت‌هاي افزايش ماژول تغذيه و قطعات جانبي آن مي‌باشد.
وظيفه پردازش مركزي سيگنالها براي قطعات و در صورت نياز براي كنترلهاي ديگر را دارد شامل تعدادي ورودي/ خروجي محلي و در بعضي از مدلها داراي صفحه نمايش محلي نيز مي‌باشد با ولتاژهاي مختلف كاري بشرح زير مورد استفاده مي‌گردد.

AC 240/115 AC V 24 DC VDC/ 24 V 12
در آخرين مدل لوگو وروديهاي و خروجيها مي‌توانند آنالوگ يا ديجيتال باشند كه واحد پايه حداكثر ۱۲ ورودي/ خروجي ديجيتال و دو مورد ورودي آنالوگ را پشتيباني مي‌كند وروديها شامل سنسورها مي‌باشند كه ممكن است فشاري يا سوئيج باشند سوئيچهاي كنترل نوري يا ولتاژ و جريان مشخص مي‌توانند به لوگو متصل شوند خروجيها داراي انواع رله و ترانستوري مي‌باشند و مي‌توانند موتورها شيرها لامپها و غيره باشند در لوگو با خروجي ترانزيستوري خروجيها از لحاظ اتصال كوتاه و بار اضافي حفاظت شده‌اند و ولتاژ تغذيه كمكي مورد نياز نيست و لوگو آنرا تأمين مي‌كند ماكزيمم جريان در كليدزني در خروجيها ۳،۰ آمپر مي‌باشد در لوگو خروجي با خروجي رله‌اي خروجيها ميبايست از منبع تغذيه و وروديها ايزوله باشند ماكزيمم جريان كليدزني بستگي به نوع بار و تعداد سيكل كليدزني دارد براي بارهاي مقاومتي ۲۰ آمپر و براي بارهاي سلفي ۳ آمپر در AC/DC 12/24 و ماكزيمم جريان كليدزني از طريق ۴ رله ۲۰ آمپر مي‌باشد.

در مدلهايي كه صفحه نمايش دارند دو امكان فراهم شده: ۱- قابليت نمايش وضعيت ورودي/ خروجي و تست برنامه. ۲- برنامه ايزي لوگو بصورت محلي با استفاده از كليدهاي محلي لوگو بدون صفحه نمايش نيز مزايايي دارد از جمله: ۱- صرفه اقتصادي. ۲- فضاي كابينت كليد زني كمتر. ۳- سادگي استفاده بعلاوه اين نوع لوگوها با مدلهاي بيسيك سازگاري دارد در ارتباط با اين لوگو اطلاعات بايد فقط از روي پي‌سي يا كارت حافظه خوانده شود (بعلت نداشتن صفحه كليد محلي) تا كنون چهار نسل از اين كنترلها وارد بازار جهاني شده است.