اتوماسیون صنعتی

با توجه به پیشرفت بسیار سریع تكنولوژی و وجود رقابت‌های شدید در بین صنعتگران دو مقولة دقت و زمان در انجام كارهای تولیدی و خدماتی بسیار مهم و سرنوشت ساز شده است. دیگر سیستم‌های قدیمی جوابگوی نیازهای صنعت توسعه یافتة امروز نبوده و بكار بردن سیستمهایی كه با دخالت مستقیم نیروی انسانی عمل می كنند، امری نامعقول می‌نمود. چرا كه در این موارد دقت و سرعت عمل سیستم بسیار پایین و وابسته به نیروی كاربر است. بنابراین ماشین‌های هوشمند و نیمه‌هوشمند وارد بازار صنعت شدند. و بعد از مدتی آنچنان جای خود را پیدا كردند كه علاوه بر زمینه‌های صنعتی در كارهای خدماتی نیز جایگاه ویژه‌ای یافتند. كنترل سیستم‌های بسیار

پیچیده‌ای كه قبلاً غیرممكن بود براحتی انجام می‌گرفت . مكانیزه كردن سیستم‌ها و ماشین آلات (اتوماسیون صنعتی ) مقوله بسیار مهم و پرطرفداری شده و نیاز به آن هر روز بیشتر و بیشتر مشهود می‌شود . اتوماسیون صنعتی در زمینه‌های بسیار گسترده‌ای كاربرد دارد از مكانیزه كردن یك ماشین بسیار سادة كنترل سطح گرفته تا مكانیزه نمودن چندین خط تولید و شبكه كردن آنها با هم . با نگاهی به محیط اطراف‌مان می‌توانیم نمونه‌های بسیار زیادی از كاربرد اتوماسیون ا را در اغلب زمینه‌ها پیدا كنیم.. در اتوماسیون واحدهای مسكونی جدید ، در شبكه‌های مخابراتی ، در سیستم‌های دفع فاضلاب ، سیستم توزیع برق ، كارخانجات مختلف و …

در یك سیستم اتوماسیون شده كنترل پروسه توسط ماشین انجام می‌شود و در این سیستمها دخالت انسان به حداقل و در برخی موارد به صفر رسیده است. سیستم با گرفتن سیگنالهای ورودی از قطعاتی نظیر سنسورهای تشخیص فشار ، رنگ ، سطح مایعات ، قطعات فلزی ، سنسورهای دما ، ميكرو سوييچ‌ها ، كلیدها و شستی‌ها ، واسط ‌های كاربر با ماشین و… وضعیت موجود را حس كرده و بررسی می‌كند و سپس در مورد عكس‌العمل ماشین تصمیم‌گیری كرده و فرمانهای لازمه را به قطعات خروجی كه تحت كنترل ماشین هستند اعمال می‌كند. با توجه به مواردی كه ذكر شد می‌توان ساختار یك سیستم اتوماسیون را بدین صورت لیست نمود:
• قطعات ورودی شامل سنسورها ، سوییچ‌ها ، …
• قطعات خروجی مثل موتور ، پمپ ، شیربرقی ، نشانگرها …
• یك كنترلر داخلی با CPU برای پردازش داده‌ها و اجرای برنامة كنترلی سیستم و حافظه برای ذخیره نمودن برنامة كنترلی و اطلاعات دریافتی از قطعات ورودی
• یك واسط بین كاربر و ماشین Human Machine Interface ( در مواردی كه نیاز به انجام

تنظیمات توسط كاربر داریم و یا می‌خواهیم یكسری اطلاعات و آلارم‌ها را به‌ اطلاع كاربر برسانیم .)
توجه داشته باشید با بالا بردن سرعت و دقت كنترلر مورد استفاده در سیستم اتوماسیون شده و انتخاب درست ٱن بر طبق كاربردی كه از آن انتظار داریم می‌توانیم امكانات و قابلیت‌های سیستم را بالاتر ببریم . بعنوان مثال در یك سیستم سادة كنترل سطح مخزن سرعت پاسخ‌گویی سی

ستم در حد چند ثانیه هم برای این كار كافی خواهد بود. اما در سیستم‌های پیچیدة موقعیت‌یاب یا پردازش تصویر به سیستم‌های بسیار سریعتر و دقیقتر احتیاج داریم و سرعت پاسخگویی در حد میكرو ثانیه برای ما لازم است.
بعنوان مثال در مواردی كه نیاز به كنترل در یك محیط نامساعد داریم و استفاده از نیروی انسانی بسیار مشكل و یا غیرممكن است چه‌كار باید كرد. در محیط‌هایی با شرایط آب و هوایی بسیار بد و با مناطق جغرافیایی صعب‌العبور و یا در محیط‌هایی كه آلودگی صوتی و یا آلودگی‌های شدید تنفسی دارند …
در این موارد ایمن‌ترین و با صرفه‌ترین گزینه اتوماسیون كردن سیستم‌ها و استفاده از ماشین‌ بجای انسان است. اجرای كامل سیكل كنترلی ، گرفتن گزارشات لازم در حین انجام عملیات كنترلی ، قابلیت تغییر سیكل كاری و تعریف نمودن پارامترهای كنترلی ، امكان انجام كنترل دستی در موارد اضطراری و….
حال به مثال دیگری می‌پردازیم. حساب كنید در یك سیستم بسیار سادة بسته‌بندی محصولات غذایی برای بسته‌بندی هزار كیلو شكر در بسته‌های یك كیلویی به چند نفر و چقدر زمان احتیاج داریم. چند نفر برای وزن كردن محصول ، چند نفر برای آماده‌سازی پكت ها ، چند نفر برای پركردن پكت ها و بسته‌بندی آن ، زدن تاریخ مصرف و … در این گونه سیستم‌ها مشكلات زیادی وجود دارد كه به برخی از آنها در زیر اشاره شده است:
• زیاد بودن تعداد نفراتی كه در این قسمت كار می‌كنند
• نیاز به محیط كاری بزرگتر تا بتوان از شلوغی ناشی از تعدد نیروی انسانی كاست.
• خستگی و دقت پایین افراد
• صرف زمان زیاد
• هزینة بسیار بالا
• بازدهی بسیار اندك
• كیفیت بسیار پایین محصولات
• …
از این مثالها در صنعت بسیار زیاد بوده و شما هم میتوانید صدها نمونة دیگر را مثال بزنید. به‌هرحال نتیجه‌ای كه از آنها می‌گیریم اینست كه نیاز به اتوماسیون یك نیاز غیر قابل اجتناب بوده و استفاده از آن روز‌بروز بیشتر خواهد شد . با استفاده از این نوع سیستم‌ها لحظه‌ به لحظه بر كیفیت محصولات و خدمات افزوده می‌شود و در نتیجه صنایعی را كه از این سیستم‌ها استفاده می‌كنند بی‌رقیب و قدرتمند می‌سازد.
فصل دوم

نقش PLC در اتوماسيون صنعتي

مقدمه
امروزه در بین كشورهای صنعتی ، رقابت فشرده و شدیدی در ارائه راهكارهایی برای كنترل بهتر فرآیندهای تولید ، وجود دارد كه مدیران و مسئولان صنایع در این كشورها را بر آن داشته است تا تجهیزاتی مورد استفاده قرار دهند كه سرعت و دقت عمل بالایی داشته باشند. بیشتر این تجهیزات شامل سیستم‌های استوار بر كنترلرهای قابل برنامه‌ریزی (Programmable Logic Controller) هستند. در بعضی موارد كه لازم باشد می‌توان PLCها را با هم شبكه كرده و  و دقت بسیار بالا و بدون نقص انجام داد.
قابلیت‌هایی از قبیل توانایی خواندن انواع ورودی‌ها (دیجیتال ، آنالوگ ، فركانس بالا…) ، توانایی انتقال فرمان به سیستم‌ها و قطعات خروجی ( نظیر مانیتورهای صنعتی ، موتور، شیر‌برقی ، … ) و همچنین امكانات اتصال به شبكه ، ابعاد بسیار كوچك ، سرعت پاسخگویی بسیار بالا، ایمنی ، دقت و انعطاف پذیری زیاد این سیستم‌ها باعث شده كه بتوان كنترل سیستم‌ها را در محدوده وسیعی انجام داد.
مفهوم كنترلرهای قابل برنامه‌ریزی PLC
در سیستم‌های اتوماسیون وظیفه اصلی كنترل بر عهده PLC است كه با گرفتن اطلاعات از طریق ترمینالهای ورودی، وضعیت ماشین را حس كرده و نسبت به آن پاسخ مناسبی برای ماشین فراهم می‌كند. امكان تعریف مدهای مختلف برای ترمینالهای ورودی/خروجی یك PLC، این امكان را فراهم كرده تا بتوان PLC را مستقیما به المانهای دیگر وصل كرد. علاوه بر این PLC شامل یك واحد پردازشگر مركزی( CPU) نیز هست، كه برنامه كنترلی مورد نظر را اجرا می‌كند. این كنترلر آنقدر قدرتمند است كه می‌تواند هزارها I/O را در مدهای مختلف آنالوگ یا دیجیتال و همچنین هزارها تایمر/ كانتر را كنترل نماید. همین امر باعث شده بتوان هر سیستمی، از سیستم كنترل ماشین‌هایی با چند I/O كه كار ساده‌ای مثل تكرار یك سیكل كاری كوچك انجام می‌دهند گرفته تا سیستم‌های بسیار پیچیده تعیین موقعیت و مكان‌یابی را كنترل نمود. این سیستم می‌تواند بدون نیاز به سیم‌بندی و قطعات جانبی و فقط از طریق نوشتن چند خط برنامه تا صدها تایمر را در آن واحد كنترل و استفاده نماید.
زمان پاسخ‌گویی Scan Time
این زمان بستگی به سرعت پردازش CPU مدل انتخاب شده PLC و طول برنامه كاربر دارد. از یك میكرو‌ثانیه تا ده میلی ثانیه می‌باشد. مثلا در مواقعی كه I/O از سیستم اصلی دور باشد، چون مجبور به نقل و انتقال سیگنالها به سیستم دورتری هستیم در نتیجه زمان اسكن زیاد می‌شود. همچنین مانیتور كردن برنامه كنترلی اغلب به زمان اسكن می‌افزاید چرا كه CPU كنترلر مجبور است وضعیت كنتاكتها، رله‌ها ، تایمر‌ها و… را روی CRT یا هر وسیله نمایشگر دیگری بفرستد.
قطعات ورودی
هوشمند بودن سیستم اتوماسیون بیشتر مربوط به توانایی PLC در خواندن سیگنالهای ارسالی از انواع ورودی‌ها، دستی، اتوماتیك و حس‌گرهای خودكار می‌باشد. قطعات ورودي نظیر شستی‌های استارت/ استوپ ، سوییچ‌ها، میكرو‌سوییچ‌ها، سنسورهای فتوالكتریك، proximity ، level sensor ، ترموكوپل، PT100 و… PLC از این سنسورها برای انجام عملیاتی نظیر تشخیص قطعه ر

وی نوار نقاله حامل قطعات، تشخیص رنگ، تشخیص سطح مایعات داخل مخزن، آگاهی داشتن از مكانیزم حركت و موقعیت جسم، تست كردن فشار مخازن و بسیاری موارد دیگر، استفاده می‌كند.
سیگنالهای ورودی یا دیجیتال هستند و یا آنالوگ، كه در هر صورت ورودی‌های PLC را توان در مدهای مختلف تنظیم و مورد استفاده قرار داد.
قطعات خروجی

همانطوری كه می‌دانید یك سیستم اتوماسیون شده بدون داشتن قابلیت اتصال به قطعات خروجی از قبیل سیم‌پیچ، موتور، اینورتر، شیربرقی ، هیتر و … كامل نخواهد بود. قطعت خروجی نحوه عملكرد سیستم را نشان می‌دهند و مستقیما تحت تاثیر اجرای برنامه كنترلی سیستم هستند در خروجی‌های PLC نیز مدهای مختلفی برای اعمال سیگنال به المانهای خروجی وجود دارد.
نقش كنترلرهای قابل برنامه‌ریزی (PLC) در اتوماسیون صنعتی
در یك سیستم اتوماسیون، PLC بعنوان قلب سیستم كنترلی عمل می‌كند. هنگام اجرای یك برنامه كنترلی كه در حافظه آن ذخیره شده است، PLC همواره وضعیت سیستم را بررسی می‌كند. این كار را با گرفتن فیدبك از قطعات ورودی و سنسورها انجام می‌دهد. سپس این اطلاعات را به برنامه كنترلی خود منتقل می‌كند و نسبت به آن در مورد نحوه عملكرد ماشین تصمیم‌گیری می‌كند و در نهایت فرمانهای لازم را به قطعات و دستگاههای مربوطه ارسال می‌كند.
مقایسه تابلوهای كنترل معمولی با تابلوهای كنترلی مبتنی بر PLC
امروزه تابلوهای كنترل معمولی ( رله‌ای ) خیلی كمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. چرا كه معایب زیادی دارند. از آنجا كه این نوع تابلوها با رله‌های الكترو‌مكانیكی كنترل می‌شوند، وزن بیشتری پیدا می‌كنند، سیم‌كشی تابلو كار بسیار زیادی می‌طلبد و سیستم را بسیار پیچیده می‌كند. در نتیجه عیب‌یابی و رفع مشكل آن بسیار پرزحمت بوده و برای اعمال تغییرات لازم در هر سال و یا بروز كردن سیستم بایستی ماشین را بمدت طولانی متوقف نمود كه این امر مقرون به صرفه نخواهد بود. ضمنا توان مصرفی این تابلوها بسیار زیاد است.
با بوجود آمدن PLC، مفهوم كنترل و طراحی سیستم‌های كنترلی بطور بسیار چشمگیری پیشرفت كرده است و استفاده از این كنترلر‌ها مزایای بسیار زیادی دارد. كه به برخی از این موارد در زیر اشاره كرده‌ایم. كه با مطالعه آن می‌توان به وجه تمایز PLC با سایر سیستم‌های كنترلی پی برد:
• سیم بندی سیستم‌های جدید در مقایسه با سیستم‌های كنترل رله‌ای تا ۸۰٪ كاهش می‌یابد.
• از آنجاییكه PLC توان بسیار كمی مصرف می‌كند، توان مصرفی بشدت كاهش پیدا خواهد كرد.
• توابع عیب یاب داخلی سیستم PLC ، تشخیص و عیب‌یابی سیستم را بسیار سریع و راحت می‌كند.
• برعكس سیستم‌های قدیمی در سیستم‌های كنترلی جدید اگر نیاز به تغییر در نحوه كنترل یا ترتیب مراحل آن داشته باشیم، بدون نیاز به تغییر سیم‌بندی و تنها با نوشتن چند خط برنامه این كار را انجام می‌دهیم. در نتیجه وقت و هزینه بسیار بسیار اندكی صرف انجام اینكار خواهد شد.
• در مقایسه با تابلو‌های قدیمی در سیستم‌های مبتنی بر PLC نیاز به قطعات كمكی از قبیل رله ، كانتر، تایمر، مبدل‌های A/D و D/A و… بسیار كمتر شده است. همین امر نیز باعث شده

 

در سیستم‌های جدید از سیم‌بندی، پیچیدگی و وزن تابلو‌ها به نحو چشمگیری كاسته شود.
• از آنجاییكه سرعت عملكرد و پاسخ‌دهی PLC در حدود میكرو‌ثانیه و نهایتا میلی ثانیه است، لذا زمان لازم برای انجام هر سیكل كاری ماشین بطور قابل ملاحظه‌ای كاهش یافته و این امر باعث افزایش میزان تولید و بالا رفتن بازدهی دستگاه می‌شود.
• ضریب اطمینان و درجه حفاظت این سیستم‌ها بسیار بالا تر از ماشین‌های رله‌ای است.
• وقتی توابع كنترل پیچیده‌تر و تعداد I/O ها خیلی زیاد باشد، جایگزین كردن PLC بسیار كم ‌هزینه‌تر و راحت‌تر خواهد بود.

فصل سوم
اصول و نحوه طراحی یك سیستم كنترلی با استفاده از یك PLC
مفهوم كنترل كردن یك پروسه، كاری بسیار ساده و آسان است و انجام اصولی موارد زیر را می‌طلبد:
• مشخص كردن ترتیب كار ماشین
عملیات سیستم كنترلی توسط المانهای ورودی تعیین می‌شود، بسته به شرایط موجود یك سیگنال به PLC فرستاده می‌شود. در پاسخ، كنترلر بر طبق برنامه كنترلی كه در حافظه خود دارد سیگنالی به ترمینالهای خروجی، كه كار دستگاه را كنترل می‌كنند، می‌فرستد و به این ترتیب عمل كنترلی خواسته شده، انجام می‌شود. قبل از نوشتن برنامه باید فلوچارت ترتیب و توالی عملیات را رسم كنید.
• انتخاب مدل PLC
با بررسی سیكل كاری پروسه‌ای كه می‌خواهیم كنترل كنیم، مشخص كردن تعداد و نوع Input/Output های سیستم و با توجه به دقت مورد نیاز، PLC مناسب را انتخاب می‌كنیم. در مورد انتخاب یك PLC بایستی مشخصه‌های زیر را تعیین كنیم:

 تعداد ورودی‌ها
 تعداد خروجی‌ها
 نوع ورودی و خروجی‌های دستگاه
 تعداد رجیستر‌ها و بیت‌های كمكی
 تعداد تایمر‌ها و شمارنده‌های مورد نیاز
 اندازه حافظه
 سرعت اجرای برنامه و پاسخ‌دهی دستگاه Scan Time
برخی از شركت‌های مشهور سازنده PLC عبارتند از : LG ، MITSUBISHI، TELEMECANIQUE، OMRON ، ALAM BRADLEY ، SIEMENS و…