PLC چیست؟
PLC؛ قلب کنترل و اتوماسیون در کارخانه
PLC یا Programmable Logic Controller یکی از مهمترین تجهیزات در اتوماسیون صنعتی است. PLC که در فارسی به آن «کنترلکننده منطقی برنامهپذیر» گفته میشود، یک کنترلر صنعتی است که برای دریافت اطلاعات از سنسورها و تجهیزات، پردازش این اطلاعات طبق یک برنامه مشخص و ارسال فرمان به تجهیزات مختلف مورد استفاده قرار میگیرد.
به زبان ساده، PLC مغز بسیاری از ماشینآلات و خطوط تولید صنعتی است.
در یک کارخانه، سنسورها وضعیت فرآیند را اندازهگیری میکنند، PLC این اطلاعات را دریافت و تحلیل میکند و سپس بر اساس برنامهای که برای آن نوشته شده است، به موتورها، شیرها، جکها، کنتاکتورها، درایوها و سایر تجهیزات فرمان میدهد.
به همین دلیل PLC را میتوان یکی از پایههای اصلی اتوماسیون صنعتی و کنترل ماشینآلات دانست.
PLC مخفف چیست؟
PLC مخفف عبارت Programmable Logic Controller است.
Programmable یعنی قابل برنامهریزی.
Logic یعنی منطق.
Controller یعنی کنترلکننده.
بنابراین PLC یک کنترلکننده صنعتی قابل برنامهریزی است که میتوان منطق عملکرد یک ماشین یا فرآیند را در آن تعریف کرد.
برخلاف مدارهای کنترلی قدیمی که منطق عملکرد آنها عمدتاً با سیمکشی رلهها و کنتاکتورها ایجاد میشد، در PLC بخش زیادی از منطق کنترل در قالب یک برنامه نرمافزاری تعریف میشود.
PLC چگونه کار میکند؟
عملکرد PLC را میتوان به شکل بسیار ساده در چند مرحله توضیح داد:
دریافت اطلاعات از ورودیها
↓
پردازش برنامه کنترلی
↓
تصمیمگیری
↓
ارسال فرمان به خروجیها
↓
تکرار این چرخه
برای مثال فرض کنید یک سنسور وجود یک قطعه را روی یک نوار نقاله تشخیص میدهد.
سنسور سیگنال خود را به ورودی PLC ارسال میکند.
PLC وضعیت ورودی را بررسی میکند.
برنامه PLC تصمیم میگیرد که موتور نوار نقاله باید چه کاری انجام دهد.
سپس PLC خروجی مربوطه را فعال میکند و موتور یا تجهیز موردنظر فرمان میگیرد.
این چرخه در مدت بسیار کوتاهی و بهصورت مداوم تکرار میشود.
PLC از چه بخشهایی تشکیل شده است؟
یک PLC معمولاً از چند بخش اصلی تشکیل میشود.
واحد پردازنده یا CPU
CPU بخش اصلی PLC است و برنامه کنترلی در آن اجرا میشود.
CPU اطلاعات ورودیها را دریافت میکند، برنامه را اجرا میکند و وضعیت خروجیها را مشخص میکند.
در واقع CPU همان بخشی است که منطق کنترلی سیستم را اجرا میکند.
ورودیها یا Inputs
ورودیها اطلاعات را از تجهیزات مختلف دریافت میکنند.
این تجهیزات میتوانند شامل موارد زیر باشند:
سنسور نوری
سنسور مجاورتی
لیمیت سوئیچ
کلیدها
شستیها
سنسور فشار
سنسور دما
سنسور سطح
فلومتر
انکودر
و بسیاری از تجهیزات اندازهگیری دیگر.
ورودی دیجیتال یا DI
Digital Input یا DI برای دریافت سیگنالهای دیجیتال استفاده میشود.
سیگنال دیجیتال معمولاً دارای دو وضعیت اصلی است:
ON / OFF
یا
0 / 1
برای مثال یک سنسور مجاورتی ممکن است زمانی که قطعهای را تشخیص میدهد، سیگنال ON ایجاد کند و در حالت دیگر OFF باشد.
ورودی آنالوگ یا AI
Analog Input یا AI برای دریافت سیگنالهای پیوسته استفاده میشود.
برای مثال سنسور فشار ممکن است یک سیگنال 4 تا 20 میلیآمپر تولید کند.
یا یک سنسور دما ممکن است سیگنال ولتاژی یا جریانی متناسب با دما تولید کند.
PLC میتواند این سیگنال را دریافت و به یک مقدار قابل استفاده در برنامه تبدیل کند.
برای مثال:
Pressure = 6.5 bar
Temperature = 72 °C
Level = 65 %
Flow = 120 L/min
خروجیها یا Outputs
PLC پس از پردازش اطلاعات میتواند از طریق خروجیها به تجهیزات فرمان دهد.
خروجیها میتوانند برای کنترل تجهیزاتی مانند موارد زیر استفاده شوند:
موتور
کنتاکتور
شیر برقی
لامپ
آژیر
جک
درایو
رله
سیستمهای پنوماتیک
و سایر تجهیزات اجرایی.
خروجی دیجیتال یا DO
Digital Output یا DO برای فرمانهای دیجیتال استفاده میشود.
برای مثال:
Motor ON
Valve OPEN
Lamp ON
Buzzer ON
این خروجیها معمولاً دارای وضعیت روشن یا خاموش هستند.
خروجی آنالوگ یا AO
Analog Output یا AO برای ارسال فرمانهای پیوسته به تجهیزات استفاده میشود.
برای مثال PLC میتواند یک مقدار آنالوگ برای کنترل سرعت یک درایو یا تنظیم یک شیر کنترلی ارسال کند.
سیگنالهایی مانند 0 تا 10 ولت یا 4 تا 20 میلیآمپر در بسیاری از کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار میگیرند.
PLC چگونه با ماشین ارتباط برقرار میکند؟
PLC معمولاً در مرکز سیستم کنترل قرار دارد.
در یک معماری ساده میتوان ساختار را به شکل زیر دید:
Sensors
↓
PLC
↓
Actuators
در این ساختار:
Sensors اطلاعات فرآیند را دریافت میکنند.
PLC اطلاعات را پردازش میکند.
Actuators فرمان PLC را اجرا میکنند.
برای مثال در یک سیستم پمپاژ:
Pressure Sensor
↓
PLC
↓
Motor / Pump
PLC میتواند فشار را اندازهگیری کند و بر اساس برنامه کنترلی تصمیم بگیرد که پمپ روشن، خاموش یا با سرعت مشخصی کار کند.
PLC و Ladder Logic
یکی از معروفترین روشهای برنامهنویسی PLC، زبان Ladder Diagram یا Ladder Logic است.
Ladder به دلیل شباهت ظاهری به مدارهای رلهای قدیمی، برای مهندسان برق و اتوماسیون بسیار قابل فهم است.
یک برنامه Ladder از المانهایی مانند:
Contact
Coil
Timer
Counter
Compare
Set / Reset
و سایر دستورات کنترلی تشکیل میشود.
برای مثال میتوان منطق بسیار سادهای مانند زیر ایجاد کرد:
اگر Start فعال باشد و Stop فعال نباشد، موتور روشن شود.
این منطق در PLC بهصورت برنامه اجرا میشود و نیازی به ساختن تمام منطق کنترل با سیمکشی رلهها ندارد.
PLC Scan Cycle چیست؟
یکی از مفاهیم مهم در PLC، Scan Cycle یا چرخه اسکن است.
PLC برنامه کنترلی را بهصورت مداوم اجرا میکند.
بهصورت ساده میتوان چرخه PLC را اینگونه در نظر گرفت:
خواندن ورودیها
↓
اجرای برنامه
↓
بهروزرسانی خروجیها
↓
بررسی سیستم
↓
شروع چرخه بعدی
این چرخه با سرعت بسیار بالا تکرار میشود.
مدت زمانی که PLC برای انجام یک چرخه کامل نیاز دارد، معمولاً با مفهوم Scan Time یا زمان اسکن شناخته میشود.
در پروژههای صنعتی، زمان اسکن میتواند روی سرعت پاسخ سیستم کنترل تأثیرگذار باشد.
PLC چه تفاوتی با کامپیوتر معمولی دارد؟
PLC و کامپیوتر هر دو دارای پردازنده، حافظه و نرمافزار هستند، اما برای اهداف متفاوتی طراحی شدهاند.
کامپیوترهای معمولی برای اجرای برنامههای عمومی، پردازش اطلاعات و استفادههای مختلف طراحی شدهاند.
PLC برای کنترل فرآیندهای صنعتی طراحی شده است.
PLC معمولاً برای شرایط سخت صنعتی مناسبتر است و میتواند با تجهیزات کنترلی مانند سنسورها، کنتاکتورها، موتورها، شیرها و درایوها ارتباط مستقیم یا صنعتی داشته باشد.
همچنین PLC برای اجرای مداوم برنامه کنترل طراحی شده است.
PLC چه تفاوتی با میکروکنترلر دارد؟
میکروکنترلرهایی مانند خانوادههای مختلف ARM، AVR و ESP32 نیز میتوانند برای کنترل تجهیزات استفاده شوند.
اما PLC و میکروکنترلر از نظر کاربرد و معماری تفاوتهایی دارند.
PLC معمولاً یک محصول صنعتی آماده است که امکاناتی مانند ورودی و خروجی صنعتی، محیط برنامهنویسی، تشخیص خطا، ارتباطات صنعتی و ساختار مقاوم برای کاربردهای صنعتی را در اختیار کاربر قرار میدهد.
میکروکنترلر معمولاً یک تراشه یا سیستم Embedded است که طراح باید سختافزار، نرمافزار، ورودیها، خروجیها و بسیاری از بخشهای سیستم را متناسب با کاربرد خود طراحی کند.
بنابراین انتخاب بین PLC و سیستم Embedded به نوع پروژه، هزینه، تیراژ، پیچیدگی، الزامات صنعتی و معماری سیستم بستگی دارد.
PLC چه نقشی در اتوماسیون صنعتی دارد؟
PLC یکی از اجزای اصلی لایه کنترل در اتوماسیون صنعتی است.
در یک سیستم اتوماسیون میتوان معماری کلی را به شکل زیر مشاهده کرد:
سنسورها
↓
PLC / Controller
↓
Drives / Actuators
↓
Machine
در لایههای بالاتر نیز میتوان سیستمهای HMI، SCADA، Dashboard، MES و ERP را قرار داد.
به این ترتیب PLC میتواند در مرکز ارتباط میان تجهیزات فیزیکی و نرمافزارهای مدیریتی قرار گیرد.
PLC و HMI
HMI یا Human Machine Interface رابطی است که به اپراتور اجازه میدهد وضعیت ماشین یا فرآیند را مشاهده و کنترل کند.
برای مثال اپراتور میتواند در HMI موارد زیر را مشاهده کند:
سرعت موتور
دمای فرآیند
فشار
وضعیت سنسورها
آلارمها
تعداد تولید
وضعیت ماشین
و اطلاعات دیگر.
همچنین اپراتور میتواند از طریق HMI فرمانهایی مانند:
Start
Stop
Reset
Setpoint
Manual / Auto
و سایر تنظیمات را به سیستم ارسال کند.
PLC منطق اصلی کنترل را اجرا میکند و HMI معمولاً رابط میان انسان و سیستم کنترل است.
PLC و SCADA
SCADA یا Supervisory Control and Data Acquisition یک سیستم نظارت و جمعآوری داده در سطح بالاتر است.
PLC معمولاً کنترل مستقیم ماشین یا فرآیند را انجام میدهد، در حالی که SCADA میتواند اطلاعات چندین PLC و تجهیز را جمعآوری کرده و در اختیار اپراتور یا مدیر سیستم قرار دهد.
یک معماری ساده میتواند به شکل زیر باشد:
Sensors
↓
PLC
↓
Industrial Network
↓
SCADA
↓
Operator
در سیستمهای بزرگتر، اطلاعات SCADA میتواند به سیستمهای دیگر مانند Historian، Database، Dashboard، MES یا ERP نیز منتقل شود.
PLC و شبکههای صنعتی
PLCهای مدرن فقط کنترلکنندههای مستقل نیستند.
آنها میتوانند از طریق شبکههای صنعتی با تجهیزات مختلف ارتباط برقرار کنند.
برخی از فناوریها و پروتکلهای رایج در اتوماسیون صنعتی عبارتاند از:
Modbus
Modbus TCP
PROFINET
PROFIBUS
EtherNet/IP
CAN و CANopen
EtherCAT
OPC UA
و سایر پروتکلهای صنعتی.
ارتباط PLC با درایو و موتور
یکی از کاربردهای بسیار مهم PLC، کنترل موتورهای صنعتی است.
PLC میتواند با کنتاکتور، درایو یا سروو درایو ارتباط برقرار کند.
در یک سیستم ساده:
PLC
↓
Drive
↓
Motor
در سیستمهای پیشرفتهتر، PLC میتواند سرعت، جهت، موقعیت و وضعیت موتور را کنترل یا مانیتور کند.
در کاربردهای Motion Control نیز PLC یا کنترلر Motion میتواند با سروو درایو و سرووموتور ارتباط داشته باشد.
PLC در یک خط تولید
فرض کنید یک خط تولید دارای نوار نقاله، سنسور، موتور، جک پنوماتیک و سیستم شمارش محصول باشد.
PLC میتواند تمام این اجزا را با یک منطق کنترلی هماهنگ کند.
برای مثال:
سنسور ورود محصول، حضور قطعه را تشخیص میدهد.
PLC اطلاعات سنسور را دریافت میکند.
نوار نقاله متوقف میشود.
جک پنوماتیک فعال میشود.
قطعه جابهجا میشود.
جک به موقعیت اولیه برمیگردد.
نوار نقاله دوباره حرکت میکند.
در همین فرآیند، PLC میتواند تعداد قطعات را نیز شمارش کند و وضعیت خط را به HMI یا SCADA ارسال کند.
PLC در کنترل فرآیند
PLC فقط برای ماشینهای گسسته استفاده نمیشود.
در بسیاری از فرآیندهای صنعتی نیز PLC برای کنترل و مانیتورینگ پارامترهایی مانند:
دما
فشار
سطح
دبی
سرعت
رطوبت
و سایر پارامترهای فرآیندی
مورد استفاده قرار میگیرد.
در این کاربردها معمولاً از ورودیها و خروجیهای آنالوگ و همچنین کنترلرهای PID استفاده میشود.
PLC و PID
PID یکی از روشهای مهم کنترل فرآیند است.
برای مثال فرض کنید دمای یک مخزن باید روی مقدار مشخصی نگه داشته شود.
سنسور دما مقدار واقعی را اندازهگیری میکند.
PLC مقدار واقعی را با Setpoint مقایسه میکند.
سپس الگوریتم PID میتواند مقدار فرمان مناسب را محاسبه کند.
این فرمان میتواند به یک شیر کنترلی، هیتر یا درایو ارسال شود.
به این ترتیب، PLC میتواند علاوه بر منطق دیجیتال، وظایف کنترلی پیچیدهتری را نیز انجام دهد.
مزایای استفاده از PLC
استفاده از PLC در اتوماسیون صنعتی مزایای زیادی دارد.
از جمله:
کاهش سیمکشی منطقی
قابلیت برنامهریزی
امکان تغییر منطق کنترل بدون تغییر اساسی در سختافزار
قابلیت توسعه سیستم
امکان اتصال به HMI و SCADA
امکان ارتباط با شبکههای صنعتی
تشخیص و نمایش خطا
قابلیت مانیتورینگ
قابلیت استفاده در ماشینها و خطوط تولید مختلف
و مناسب بودن برای کارکرد مداوم صنعتی.
انواع PLC
PLCها را میتوان از جنبههای مختلف دستهبندی کرد.
از نظر اندازه:
PLC کوچک
PLC متوسط
PLC بزرگ
و از نظر معماری:
Compact PLC
Modular PLC
Rack-based PLC
همچنین برخی PLCها برای کاربردهای خاص مانند Motion Control، Safety، Process Control و کاربردهای High-Speed طراحی شدهاند.
PLC کامپکت چیست؟
در PLCهای Compact، CPU و بخشی از ورودیها و خروجیها معمولاً در یک مجموعه یکپارچه قرار دارند.
این PLCها برای ماشینها و سیستمهایی که تعداد I/O نسبتاً محدود دارند، بسیار مناسب هستند.
PLCهای کامپکت معمولاً نصب سادهتر و ابعاد کوچکتری دارند.
PLC ماژولار چیست؟
در PLCهای Modular، اجزای مختلف سیستم میتوانند بهصورت ماژولهای جداگانه انتخاب و اضافه شوند.
برای مثال:
CPU
Digital Input
Digital Output
Analog Input
Analog Output
Communication Module
و سایر ماژولها.
این معماری برای سیستمهای بزرگتر و پروژههایی که نیاز به توسعه دارند، بسیار مناسب است.
PLC Safety چیست؟
در برخی ماشینآلات و خطوط تولید، کنترل معمولی کافی نیست و سیستم باید الزامات ایمنی خاصی را رعایت کند.
Safety PLC برای کاربردهای ایمنی طراحی شده است و میتواند در سیستمهایی مانند:
Emergency Stop
Safety Door
Light Curtain
Safety Sensor
و سایر تجهیزات ایمنی مورد استفاده قرار گیرد.
در طراحی سیستمهای ایمنی صنعتی، انتخاب تجهیزات و معماری باید بر اساس استانداردها و الزامات مربوط به همان ماشین یا فرآیند انجام شود.
PLC در کارخانه هوشمند
با ورود Industry 4.0، نقش PLC نیز در حال توسعه است.
PLC دیگر فقط یک کنترلر محلی نیست.
PLCهای مدرن میتوانند بخشی از معماری دیجیتال کارخانه باشند.
برای مثال:
Machine
↓
PLC
↓
Industrial Network
↓
SCADA / HMI
↓
Industrial IoT
↓
Dashboard / Data Platform
↓
Analytics / AI
در این معماری، PLC همچنان وظیفه کنترل بلادرنگ ماشین را انجام میدهد، اما اطلاعات تولید و وضعیت تجهیزات میتواند در سطوح بالاتر برای مانیتورینگ، تحلیل و تصمیمگیری استفاده شود.
PLC و IIoT
IIoT یا Industrial Internet of Things باعث شده ارتباط میان PLC و سامانههای نرمافزاری اهمیت بیشتری پیدا کند.
اطلاعاتی که PLC از ماشین دریافت میکند میتواند برای اهداف مختلف مورد استفاده قرار گیرد.
برای مثال:
تعداد تولید
زمان کارکرد
توقفات
خطاها
مصرف انرژی
وضعیت موتور
سرعت تولید
و پارامترهای فرآیند
میتوانند از سیستم کنترل استخراج و در سامانههای بالاتر مورد استفاده قرار گیرند.
PLC و ERP
PLC مستقیماً جایگزین ERP نیست.
PLC در لایه کنترل ماشین و فرآیند قرار دارد، در حالی که ERP در سطح مدیریت سازمان و کسبوکار فعالیت میکند.
بین این دو میتوان لایههای دیگری مانند:
SCADA
Historian
MES
Data Platform
و Middleware
قرار داد.
در معماریهای مدرن، اطلاعات تولید میتواند از PLC به سیستمهای بالاتر منتقل شود تا دادههای واقعی کارخانه در برنامهریزی و مدیریت تولید نیز مورد استفاده قرار گیرد.
PLC و Edge Computing
در معماریهای جدید، میتوان یک سیستم Edge را در کنار PLC قرار داد.
PLC وظیفه کنترل بلادرنگ و مطمئن ماشین را انجام میدهد.
Edge Computer میتواند وظایفی مانند:
جمعآوری داده
پردازش اطلاعات
تحلیل
ارتباط با Cloud
اجرای برخی مدلهای AI
و اتصال به سامانههای نرمافزاری
را انجام دهد.
این معماری باعث میشود کنترل صنعتی و پردازش داده در کنار یکدیگر قرار بگیرند، بدون اینکه وظیفه اصلی PLC در کنترل ماشین مختل شود.
PLC؛ قلب کنترل کارخانه
PLC را میتوان یکی از مهمترین اجزای قلب کنترلی یک کارخانه دانست.
اما در یک کارخانه مدرن، PLC بهتنهایی تمام سیستم اتوماسیون نیست.
PLC بخشی از یک معماری بزرگتر است که میتواند شامل موارد زیر باشد:
Sensors
PLC
HMI
SCADA
Drives
Robots
Industrial Networks
IIoT
Dashboards
MES
ERP
AI
و سایر سیستمهای مدیریتی و هوشمند.
به همین دلیل، شناخت PLC اولین قدم برای شناخت معماری اتوماسیون صنعتی است.
کسی که میخواهد یک ماشین یا خط تولید هوشمند طراحی کند، باید بتواند ارتباط میان سنسورها، PLC، درایوها، موتورها، HMI، SCADA و سیستمهای نرمافزاری بالاتر را درک کند.
مانا افزار سپهر و سیستمهای کنترل و اتوماسیون
مانا افزار سپهر در حوزه اتوماسیون صنعتی، تجهیزات هوشمند، کنترلرها، ارتباطات صنعتی، IoT و توسعه سامانههای هوشمند فعالیت میکند.
رویکرد مانا افزار سپهر محدود به کنترل یک ماشین نیست؛ بلکه هدف، ایجاد ارتباط میان لایه کنترل، تجهیزات فیزیکی، شبکه، داده و نرمافزار است.
در یک معماری مدرن، PLC میتواند در کنار تجهیزات هوشمند، کنترلرهای Embedded، HMI، داشبورد، سیستمهای IoT و سامانههای مدیریتی قرار گیرد.
این معماری میتواند مسیر حرکت از اتوماسیون صنعتی سنتی به سمت کارخانه هوشمند و سیستمهای سایبر-فیزیکی را فراهم کند.
جمعبندی
PLC یا Programmable Logic Controller یکی از مهمترین تجهیزات اتوماسیون صنعتی و کنترل ماشینآلات است.
PLC اطلاعات را از سنسورها و تجهیزات دریافت میکند، برنامه کنترلی را اجرا میکند و بر اساس منطق تعریفشده به تجهیزات مختلف فرمان میدهد.
ورودیها، خروجیها، CPU، حافظه، شبکههای صنعتی و نرمافزار برنامهنویسی، اجزای اصلی یک سیستم PLC را تشکیل میدهند.
PLC میتواند با تجهیزاتی مانند سنسورها، موتورها، درایوها، سرووها، شیرهای صنعتی، HMI و SCADA ارتباط داشته باشد.
در کارخانههای مدرن نیز PLC یکی از پایههای اصلی معماری Industry 4.0 است و میتواند اطلاعات ماشین را در اختیار سامانههای IIoT، داشبورد، تحلیل داده، هوش مصنوعی و سیستمهای مدیریت تولید قرار دهد.
به زبان ساده:
PLC
داده را از ماشین دریافت میکند،
منطق کنترل را اجرا میکند،
و فرمان را به ماشین بازمیگرداند.
به همین دلیل PLC را میتوان یکی از مهمترین اجزای قلب کنترل یک ماشین و یکی از پایههای اصلی اتوماسیون صنعتی دانست.
مطالب مرتبط
اتوماسیون صنعتی چیست؟
کارخانه هوشمند چیست؟
سرووموتور چیست؟
درایو صنعتی چیست؟
HMI چیست؟
SCADA چیست؟
اینترنت اشیاء صنعتی یا IIoT چیست؟
کنترلر منطقی برنامهپذیر یا PLC چیست؟
مانا افزار سپهر
برای آشنایی با راهکارهای اتوماسیون صنعتی، کنترل، تجهیزات هوشمند، IoT و سامانههای هوشمند مانا افزار سپهر میتوانید به وبسایت مانا افزار سپهر مراجعه کنید.
manaafzar.com
