PLC چیست و چه کاربردی دارد ؟

اگر تا به حال وارد یک کارخانه یا خط تولید صنعتی شده باشید، احتمالاً بدون آنکه متوجه شوید، از کنار مغز متفکر آن خط عبور کرده‌اید، دستگاهی به نام. PLC
PLC چیست و چرا امروز تقریباً هیچ صنعت مدرنی بدون آن نمی‌تواند کار کند؟ در این مقاله قصد داریم به‌صورت کامل و ساده به این سؤال پاسخ دهیم و شما را با تاریخچه، اجزا، انواع، کاربرد و مزایای پی‌ال‌سی آشنا کنیم.

PLC و تاریخچه آن چیست ؟ 

پی‌ال‌ سی مخفف عبارت Programmable Logic Controller به معنای کنترل‌کننده منطقی قابل برنامه‌ریزی است. پیش از پیدایش این دستگاه، صنایع برای کنترل خطوط تولید خود از هزاران رله الکترومکانیکی استفاده می‌کردند، سیستمی حجیم، پرهزینه و بسیار دشوار برای تعمیر و تغییر.

داستان تولد PLC به اواخر دهه ۱۹۶۰ میلادی برمی‌گردد. شرکت جنرال موتورز در آمریکا به دنبال جایگزینی برای این تابلوهای رله‌ای پیچیده بود، سیستمی که بتوان آن را فقط با تغییر برنامه، برای خط تولید جدید بازآرایی کرد، نه با سیم‌کشی مجدد کل تابلو. در نتیجه این نیاز، نخستین پی‌ال‌سی در سال ۱۹۶۹ توسط مهندسی به نام دیک مورلی طراحی شد.

در دهه ۱۹۷۰ میلادی، تولیدکنندگان آلمانی نیز وارد این عرصه شدند و نسخه‌های پیشرفته‌تری از این کنترلرها را روانه بازار کردند. از آن زمان تاکنون، PLCمسیر تکاملی طولانی را طی کرده و از دستگاه‌های حجیم و گران‌قیمت اولیه، به کنترلرهای کوچک، سریع و مقرون‌به‌صرفه امروزی تبدیل شده است.

به گفته سایت inductiveautomation.com درباره PLC:

Programmable Logic Controllers (PLCs) are industrial computers, with various inputs and outputs, used to control and monitor industrial equipment based on custom programming.

ترجمه:

PLC یا همان کنترلرهای منطقی قابل برنامه‌ریزی نوعی کامپیوتر صنعتی هستند که با داشتن ورودی‌ها و خروجی‌های مختلف، برای کنترل و نظارت بر تجهیزات صنعتی بر اساس برنامه‌ریزی و نیازهای مشخص مورد استفاده قرار می‌گیرند.

PLC در چه صنایعی کاربرد دارد؟

PLC در بسیاری از سیستم‌های صنعتی و روزمره برای کنترل خودکار تجهیزات استفاده می‌شود. مهم‌ترین کاربردهای آن عبارت‌اند از:

PLC در صنعت و خطوط تولید

• کنترل خطوط تولید و نوار نقاله‌ها

• مدیریت بازوهای رباتیک و سیستم‌های بسته‌بندی

• کنترل دما، فشار و تجهیزات در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی

• مدیریت فرایندهای تولید و بسته‌بندی در صنایع غذایی

PLC در ساختمان و زندگی روزمره

• کنترل آسانسور و پله‌برقی

• مدیریت روشنایی هوشمند ساختمان

• کنترل درب‌های اتوماتیک

• استفاده در برخی سیستم‌های کنترل ترافیک و چراغ‌های راهنمایی

PLC در تصفیه آب و انرژی

• کنترل پمپ‌ها و شیرهای صنعتی

• مدیریت سطح مخازن

• کنترل تجهیزات تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب

• استفاده در نیروگاه‌ها و سیستم‌های انرژی خورشیدی و بادی

PLC در کشاورزی و گلخانه‌ها

• کنترل دما و رطوبت گلخانه

• مدیریت سیستم‌های تهویه

• کنترل خودکار آبیاری

• مدیریت تجهیزات بر اساس اطلاعات سنسورها

به‌طور کلی، هر جا نیاز به دریافت اطلاعات از سنسورها، تصمیم‌گیری خودکار و کنترل تجهیزات باشد، PLC می‌تواند به‌عنوان مرکز کنترل سیستم استفاده شود.

PLC شامل چه اجزایی می‌باشد؟

برای درک بهتر PLC چیست و چه کاربردی دارد، باید با اجزای سازنده آن آشنا شویم. هر پی ال سی معمولاً از بخش‌های زیر تشکیل شده است:

1.واحد پردازش مرکزی: (CPU)  این بخش را می‌توان مغز پی‌ال‌سی نامید که وظیفه اجرای برنامه، انجام محاسبات منطقی و تصمیم‌گیری بر اساس داده‌های دریافتی را بر عهده دارد.

2.منبع تغذیه :(Power Supply) انرژی مورد نیاز برای فعالیت سایر اجزای PLC را تأمین می‌کند و معمولاً ولتاژ برق ورودی را به ولتاژ مناسب برای مدارهای داخلی تبدیل می‌نماید.

3.واحد ورودی و خروجی: (I/O)  این بخش پل ارتباطی میان پی‌ال‌سی و دنیای بیرون است. سیگنال‌های دیجیتال یا آنالوگ از سنسورها را دریافت می‌کند (ورودی) و فرمان‌های کنترلی را به عملگرها مانند موتورها و شیرها ارسال می‌کند (خروجی).

4.حافظه : (Memory) برنامه کاربر، داده‌های موقت و اطلاعات سیستمی در این بخش ذخیره می‌شوند.

5.واحد برنامه‌نویسی: رابطی است که از طریق آن، مهندس برنامه کنترلی مورد نظر را روی PLC بارگذاری و نظارت می‌کند.

نحوه کارکرد PLC چرخه اسکن چیست؟ 

برخلاف کامپیوتر معمولی، برنامه خود را به‌صورت خطی و یک‌بار اجرا نمی‌کند، بلکه به‌طور مداوم و در قالب یک چرخه تکرارشونده کار می‌کند که از سه مرحله اصلی تشکیل شده است:

1.خواندن ورودی‌ها (Input Scan) در این مرحله، پی ال سی وضعیت تمام سنسورها و کلیدهای متصل به ورودی‌های خود را می‌خواند و در حافظه موقت ذخیره می‌کند.

2.اجرای برنامه (Program Execution) پردازنده مرکزی بر اساس داده‌های دریافتی، منطق برنامه‌نویسی‌شده توسط کاربر را خط‌به‌خط اجرا می‌کند و نتیجه هر تصمیم را محاسبه می‌نماید.

3.به‌روزرسانی خروجی‌ها (Output Scan) نتیجه نهایی پردازش به خروجی‌ها ارسال می‌شود و عملگرهایی مانند موتورها، شیرها یا چراغ‌ها بر اساس آن فعال یا غیرفعال می‌شوند.

این سه مرحله در کسری از ثانیه (معمولاً بین چند میلی‌ثانیه) به‌طور پیوسته تکرار می‌شود، به همین دلیل است که PLC می‌تواند تغییرات محیطی را تقریباً بی‌درنگ تشخیص داده و واکنش نشان دهد. سرعت این چرخه یکی از مهم‌ترین معیارها در انتخاب PLC برای فرایندهای حساس و پرسرعت صنعتی محسوب می‌شود.

انواع PLC چیست و چه کاربردی دارد؟ 

پی‌ال‌سی‌ها را می‌توان از جنبه‌های گوناگون دسته‌بندی کرد. رایج‌ترین تقسیم‌بندی بر اساس ساختار فیزیکی و اندازه آن‌هاست:

پی ال سی کامپکت :(Compact):

در این نوع، تمام اجزا شامل CPU، منبع تغذیه و ورودی/خروجی‌ها در یک بدنه واحد و یکپارچه قرار دارند. این نوع برای پروژه‌های کوچک با تعداد ورودی/خروجی محدود مناسب است. پی ال سی S7-1200 زیمنس هم یک نمونه از سری های کامپکت میباشد.

پی ال سی ماژولار :(Modular) 

در این طراحی، هر بخش به‌صورت یک ماژول جداگانه روی یک ریل قرار می‌گیرد. این ساختار انعطاف‌پذیری بسیار بالایی دارد زیرا می‌توان بر اساس نیاز پروژه، ماژول‌های ورودی/خروجی یا ارتباطی بیشتری اضافه کرد. به عنوان مثال پی ال سی S7-1500 زیمنس نمونه‌ای از کنترلرهای ماژولار هستند که برای پروژه‌های صنعتی و سیستم‌های کنترلی پیشرفته استفاده می‌شوند.

پی ال سی میکرو :(Micro)

نسخه کوچک‌شده و اقتصادی پی‌ال‌سی است که برای کاربردهای ساده با تعداد ورودی/خروجی بسیار محدود طراحی شده و در تجهیزات خانگی و نیمه‌صنعتی کاربرد دارد.کنترلرهای لوگو زیمنس نیز در این دسته قرار می‌گیرند.

پی ال سی رکمونت (Rack Mounted) 

این نوع برای پروژه‌های بزرگ صنعتی با نیاز به تعداد ورودی/خروجی بسیار زیاد طراحی شده و امکان گسترش گسترده دارد. پی ال سی S7 300 زیمنس هم در بسیاری از سیستم‌های اتوماسیون صنعتی مورد استفاده قرار میگیرد.

انتخاب میان این انواع، معمولاً به سه عامل بستگی دارد: تعداد ورودی و خروجی مورد نیاز پروژه، پیش‌بینی توسعه آینده خط تولید و بودجه در نظر گرفته‌شده. برای یک کارگاه کوچک با فرایند ثابت، مدل کامپکت انتخاب اقتصادی‌تری است، اما برای یک خط تولید بزرگ که قرار است در آینده گسترش یابد، ساختار ماژولار انتخاب منطقی‌تری خواهد بود.

برای پروژه‌های بزرگ صنعتی با نیاز به تعداد ورودی/خروجی بسیار زیاد طراحی شده و امکان گسترش گسترده دارد پی ال سی 400 زیمنس پیشنهاد میشود . این سری در پروژه ها و سیستم های صنعتی بزرگ و پیچیده مورد استفاده قرار میگیرد.

زبان‌های مورد نیاز PLC چیست؟ 

یکی از سؤالات رایج در کنار مفهوم PLC ، این است که این دستگاه با چه زبانی برنامه‌ریزی می‌شود. استاندارد بین‌المللی IEC 61131-3 پنج زبان اصلی برای برنامه‌نویسی پی‌ال‌سی معرفی کرده است:

لدر :(Ladder Diagram) 

محبوب‌ترین و رایج‌ترین زبان برنامه‌نویسی PLC که ظاهری شبیه به مدارهای رله‌ای سنتی دارد و برای فنی‌مهندسان برق بسیار آشناست.

فلوچارت عملکردی :(Function Block Diagram)

برنامه به‌صورت بلوک‌های تابعی به یکدیگر متصل می‌شوند و برای فرایندهای پیوسته کاربرد بیشتری دارد.

متن ساخت‌یافته :(Structured Text) 

شبیه به زبان‌های برنامه‌نویسی متنی مانند پاسکال است و برای الگوریتم‌های پیچیده ریاضی مناسب‌تر است.

لیست دستورات :(Instruction List) 

زبانی سطح پایین و شبیه به اسمبلی که امروزه کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

نمودار وضعیت متوالی :(Sequential Function Chart) 

برای فرایندهایی که شامل مراحل متوالی و شرطی هستند طراحی شده است.

تفاوت ورودی و خروجی سنسور آنالوگ و دیجیتال 

یکی از مفاهیم پایه‌ای که هر تازه‌کار باید پیش از کار با PLC بشناسد، تفاوت میان سیگنال‌های آنالوگ و دیجیتال است.

ورودی و خروجی دیجیتال (Digital I/O) این نوع سیگنال تنها دو حالت دارد، روشن (۱) یا خاموش (۰). کلیدهای فشاری، سنسورهای تشخیص حضور و شستی‌های استارت و استاپ نمونه‌هایی از تجهیزات دیجیتال هستند.

ورودی و خروجی آنالوگ (Analog I/O) برخلاف دیجیتال، سیگنال آنالوگ می‌تواند در یک بازه پیوسته (مثلاً بین ۰ تا ۱۰ ولت یا ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر) تغییر کند. سنسورهای دما، فشار و سطح معمولاً خروجی آنالوگ تولید می‌کنند تا مقدار دقیق پارامتر اندازه‌گیری‌شده به PLC منتقل شود.

انتخاب نوع و تعداد کانال‌های آنالوگ و دیجیتال مورد نیاز، یکی از مهم‌ترین مراحل طراحی یک سیستم کنترلی مبتنی بر PLC است، زیرا مستقیماً بر دقت و کارایی فرایند کنترلی تأثیر می‌گذارد.

مزایا و معایب PLC چیست؟ 

مانند هر تجهیز صنعتی دیگر، PLC نیز دارای نقاط قوت و محدودیت‌های خاص خود است.

مزایا پی ال سی 

+ قابلیت اطمینان بالا و مقاومت در برابر شرایط سخت محیطی مانند گرد و غبار، رطوبت و لرزش

+ امکان تغییر سریع فرایند کنترلی تنها با ویرایش برنامه، بدون نیاز به سیم‌کشی مجدد

+ عمر مفید طولانی و نیاز به تعمیر و نگهداری کمتر نسبت به سیستم‌های رله‌ای

+ سرعت پردازش بالا و توانایی کنترل هم‌زمان چندین فرایند

+ قابلیت اتصال به شبکه‌های صنعتی و سیستم‌های نظارتی از راه دور

معایب پی ال سی 

– هزینه اولیه خرید که به‌ویژه در مدل‌های پیشرفته و برندهای معتبر می‌تواند بالا باشد

– نیاز به تخصص فنی برای برنامه‌نویسی و عیب‌یابی

– حساسیت نسبی به نوسانات شدید ولتاژ برق در صورت نبود محافظت مناسب

– وابستگی برخی قطعات جانبی و ماژول‌ها به برند سازنده خاص

تفاوت پی‌ال‌سی با سیستم‌های کنترلی صنعتی در چیست؟ 

در کنار PLC، سیستم‌های کنترلی دیگری مانند DCS (سیستم کنترل توزیع‌شده) و RTU (واحد ترمینال از راه دور) نیز در صنعت استفاده می‌شوند. تفاوت اصلی این سیستم‌ها در مقیاس و نوع کاربرد آن‌هاست.

کاربرد پی‌ال‌سی معمولاً برای کنترل یک فرایند یا ماشین مشخص و مجزا طراحی شده و سرعت پاسخ‌دهی بسیار بالایی دارد. در مقابل، سیستم DCS برای کنترل و هماهنگی هم‌زمان چندین فرایند پیچیده و گسترده در یک واحد صنعتی بزرگ مانند پالایشگاه به‌کار می‌رود و ساختاری توزیع‌شده و متمرکز بر پایش کلی دارد. به بیان ساده، PLC برای کنترل موضعی و سریع طراحی شده، در حالی که DCS بر مدیریت کلان و یکپارچه فرایندهای گسترده تمرکز دارد.

 تفاوت پی‌ال‌سی با کامپیوتر در چیست؟ 

اگرچه در ظاهر و از نظر داشتن پردازنده و حافظه، PLC شباهت زیادی به یک کامپیوتر دارد، اما این دو از نظر کاربردی تفاوت‌های اساسی دارند.

کامپیوتر معمولی برای اجرای همزمان برنامه‌های متنوع و کاربردهای عمومی طراحی شده و سیستم‌عامل آن اجازه اجرای نرم‌افزارهای گوناگون را می‌دهد. اما پی‌ال‌سی برای انجام یک وظیفه مشخص و مشابه، به‌صورت مداوم و بدون وقفه طراحی شده است. PLC در برابر گرد و غبار، رطوبت، دما و لرزش مقاوم است، در حالی که کامپیوترهای معمولی برای چنین شرایط سختی مناسب نیستند. همچنین PLC معمولاً فاقد صفحه‌نمایش، صفحه‌کلید و ماوس است و از طریق ورودی و خروجی‌های صنعتی خاص خود با دنیای بیرون ارتباط برقرار می‌کند.

شرکت‌های سازنده PLC کدامند؟ 

بازار جهانی پی‌ال‌سی توسط چند برند معتبر پوشش داده می‌شود که هرکدام در بخشی از صنعت جایگاه ویژه‌ای دارند:

زیمنس (Siemens) از قدیمی‌ترین و معتبرترین سازندگان آلمانی PLC که سری‌های Simatic S7 آن، به‌ویژه S7-1200 و S7-1500، در صنایع ایران و جهان بسیار پرکاربرد هستند.

دلتا (Delta) برند تایوانی که به دلیل قیمت مناسب‌تر نسبت به زیمنس، طرفداران زیادی در پروژه‌های کوچک و متوسط پیدا کرده است.

میتسوبیشی (Mitsubishi) تولیدکننده ژاپنی که پی‌ال‌سی‌هایش در تجهیزاتی مانند پله‌برقی و ماشین‌آلات صنعتی خاص کاربرد دارد.

آلن بردلی (Allen-Bradley) برند آمریکایی زیرمجموعه شرکت راکول اتومیشن که در صنایع آمریکای شمالی جایگاه بالایی دارد.

امرن (Omron) تولیدکننده ژاپنی که در کنار PLC، طیف گسترده‌ای از سنسورها و تجهیزات اتوماسیون را نیز عرضه می‌کند.

آ.ب.ب (ABB) شرکتی سوئیسی-سوئدی با محصولاتی مانند سری AC500 که انعطاف‌پذیری بالایی در پروژه‌های صنعتی گسترده دارد.

ارتباط PLC با HMI چگونه است؟ 

در اغلب سیستم‌های صنعتی، پی‌ال‌سی به‌تنهایی کار نمی‌کند و معمولاً به یک HMI یا رابط انسان و ماشین (Human Machine Interface) متصل می‌شود. HMI یک صفحه‌نمایش لمسی یا غیرلمسی است که اپراتور از طریق آن می‌تواند وضعیت فرایند را مشاهده کند، پارامترها را تغییر دهد و هشدارهای سیستم را دریافت نماید.

ارتباط میان PLC و HMI معمولاً از طریق پروتکل‌های صنعتی مانند Modbus، Profinet یا Ethernet/IP برقرار می‌شود. در این ساختار، پی‌ال‌سی وظیفه کنترل واقعی فرایند را بر عهده دارد و اطلاعات لازم را به‌صورت پیوسته به HMI ارسال می‌کند تا اپراتور بدون نیاز به دانش فنی عمیق، بتواند فرایند را زیر نظر داشته باشد و در صورت لزوم دستورات جدیدی صادر کند. این ترکیب باعث شده نظارت بر خطوط تولید بسیار ساده‌تر و ایمن‌تر از گذشته شود.

هر یک از این پروتکل‌ها ویژگی خاص خود را دارند:

پروتکل Modbus:

یکی از قدیمی‌ترین و ساده‌ترین پروتکل‌های صنعتی که به دلیل سادگی پیاده‌سازی، هنوز هم در بسیاری از پروژه‌ها استفاده می‌شود.

 پروتکلProfinet  :

پروتکلی مبتنی بر اترنت که توسط زیمنس توسعه یافته و سرعت انتقال داده بسیار بالایی دارد؛ مناسب برای پروژه‌های صنعتی پیشرفته.

پروتکلEthernet/IP  :

پروتکلی رایج در تجهیزات آمریکایی مانند آلن بردلی که امکان یکپارچه‌سازی آسان شبکه‌های صنعتی و اداری را فراهم می‌کند.

انتخاب پروتکل مناسب، به نوع تجهیزات، برند PLC و نیاز پروژه به سرعت انتقال داده بستگی دارد.

نکات ضروری در تعمیر و نگهداری از PLC

• برای افزایش طول عمر و کارکرد پایدار سنسور پی‌ال‌سی، رعایت چند نکته اساسی در نگهداری آن ضروری است:
• محیط نصب PLC باید عاری از رطوبت بیش‌ازحد، گرد و غبار سنگین و دمای نامناسب باشد، استفاده از تابلوهای استاندارد با درجه حفاظت مناسب توصیه می‌شود.
• ولتاژ ورودی باید به‌طور منظم کنترل شود و از تجهیزات محافظ نوسان برق مانند رگولاتور یا UPS استفاده گردد.
• اتصالات و ترمینال‌های ورودی و خروجی باید به‌صورت دوره‌ای از نظر شل‌شدگی و خوردگی بازرسی شوند.
• تهیه نسخه پشتیبان (Backup) از برنامه PLC به‌صورت منظم، در صورت بروز خرابی سخت‌افزاری یا نیاز به تعویض دستگاه، از بازگشت اطلاعات اطمینان حاصل می‌کند.
• فن‌ها و سیستم خنک‌کننده تابلو باید تمیز و سالم نگه داشته شوند تا از گرمای بیش‌ازحد قطعات داخلی جلوگیری شود.
• در صورت مشاهده رفتار غیرعادی در سیستم، بررسی چراغ‌های نشانگر خطا (LED) روی بدنه PLC اولین قدم برای عیب‌یابی سریع است.

سؤالات متداول PLC چیست و چه کاربردی دارد؟ 

آیا PLC نیاز به اتصال اینترنت دارد؟ 

خیر، PLC برای عملکرد پایه‌ای خود نیازی به اینترنت ندارد و می‌تواند به‌صورت آفلاین کار کند. اتصال اینترنت تنها برای قابلیت‌های نظارت از راه دور IoT صنعتی مورد نیاز است.

طول عمر یک پی ال سی معمولاً چقدر است؟ 

با نگهداری مناسب و در شرایط محیطی استاندارد، عمر مفید اغلب پی‌ال‌سی‌های صنعتی معتبر بین ۱۰ تا ۲۰ سال تخمین زده می‌شود.

آیا می‌توان PLC را بدون دانش برنامه‌نویسی تنظیم کرد؟

تنظیمات ابتدایی و ساده گاهی امکان‌پذیر است، اما برنامه‌ریزی واقعی و تعریف منطق کنترلی نیازمند آشنایی با یکی از زبان‌های استاندارد PLC مانند لدر است.

تفاوت PLC با میکروکنترلر (مانند آردوینو) در چیست؟ 

میکروکنترلرهایی مانند آردوینو برای پروژه‌های آموزشی و نمونه‌سازی کوچک مناسب‌اند و مقاومت صنعتی ندارند، در حالی که PLC برای محیط‌های صنعتی سخت، با قابلیت اطمینان و استاندارهای ایمنی بالاتر طراحی شده است.

چگونه بفهمیم پی ال سی دچار خرابی شده است؟ 

معمولاً اولین نشانه، چراغ‌های خطای روی بدنه دستگاه یا عدم پاسخ‌دهی خروجی‌ها به فرمان‌هاست. بررسی LED‌های وضعیت و اتصال نرم‌افزار برنامه‌نویسی برای مشاهده پیام خطا، اولین قدم عیب‌یابی است.

اگر به دنبال خرید PLC اصل با گارانتی معتبر و مشاوره فنی رایگان هستید، می‌توانید محصولات پی‌ال‌سی موجود در فروشگاه ما را مشاهده کنید یا برای راهنمایی در انتخاب مدل مناسب پروژه خود، با کارشناسان ما در تماس باشید.

جمع‌بندی

PLC چیست و چه کاربردی دارد؟ همان‌طور که در این مقاله بررسی کردیم، PLC یک کنترلر صنعتی قدرتمند است که از دهه ۱۹۶۰ تاکنون، نقش بی‌بدیلی در خودکارسازی صنایع مختلف ایفا کرده است. از خطوط تولید کارخانه‌ها گرفته تا آسانسورهای روزمره، پی‌ال‌سی به دلیل قابلیت اطمینان، انعطاف‌پذیری و سهولت برنامه‌نویسی، به یکی از ارکان جدایی‌ناپذیر اتوماسیون صنعتی تبدیل شده است. انتخاب برند و نوع مناسب PLC، بسته به نیاز پروژه شما متفاوت خواهد بود و آشنایی با اجزا، انواع و نحوه نگهداری آن، اولین قدم برای بهره‌برداری صحیح از این فناوری است.