کنترل کننده های برنامه پذیر

 

PLC کنترل کننده ای است نرم افزاری، که در قسمت ورودی، اطلاعات را بصورت باینری دریافت و آنها را طبق برنامه ای که در حافظه اش ذخیره شده پردازش می نماید و نتیجه عملیات را نیز از قسمت خروجی به صورت فرمان هایی به گیرنده ها و اجرا کننده های فرمان، ارسال می کند. PLC از عبارت Programmable Logic Controller به معنای کنترل کننده قابل برنامه ریزی گرفته شده است.

وظیفه PLC قبلا بر عهده مدارهای فرمان رله ای بود که استفاده از آنها در محیطهای صنعتی جدید منسوخ گردیده است. اولین اشکالی که در این مدارها ظاهر می شود، آن است که با افزایش تعداد رله ها حجم و وزن مدار فرمان بسیار بزرگ شده، همچنین موجب افزایش قیمت آن می گردد.

برای رفع این اشکال مدارهای فرمان الکترونیکی ساخته شد، ولی با وجود این هنگامیکه تغییری در روند یا عملکرد ماشین صورت می گیرد، لازم است تغییرات بسیاری در سخت افزار سیستم کنترل داده شود. با استفاده از PLC تغییر در روند یا عملکرد ماشین به آسانی صورت می پذیرد، زیرا دیگر لازم نیست سیم کشیها و سخت افزار سیستم کنترل تغییر کند و تنها کافی است چند سطر برنامه نوشت و به PLC ارسال کرد تا کنترل مورد نظر تحقق یابد.

PLC ها سخت افزاری شبیه کامپیوتر دارند، البته با ویژگیهای خاصی که مناسب کنترل صنعتی است.

  • در مقابل نویز حفاظت شده اند.
  • ساختار مدولار دارند که تعویض بخشهای مختلف آن را ساده می سازد.
  • اتصالات ورودی خروجی و سطوح سیگنال استاندارد دارند.
  • زبان برنامه نویسی آنها ساده و سطح بالاست.
  • تغییر برنامه در هنگام کار آسان است.

 

کنترل گسترده: ارتباط بین کنترل کننده ها باعث میشود که یک PLC خاص، نه تنها کنترل یک دستگاه بخصوص را به عهده داشته باشد، بلکه چندین ایستگاه در یک کارخانه بزرگ را کنترل نماید. بدین ترتیب یک PLC می تواند بخشی از ساختار کنترلی باشد که در چنین سیستمی یک کنترل کننده هدایتگر و چندین PLC وظیفه کنترل سیستم را بر عهده دارند. در حال حاضر برای اتوماسیون کامل کارخانه ها از کنترل ترتیبی استفاده می شود. برای ایجاد یک کارخانه تمام اتوماتیک، سیستم ارتباطی و کنترلی وسیعی لازم است. کل داده های کارخانه در یک پایگاه داده، جمع آوری و مدیریت می گردد تا در اسرع وقت در اختیار مدیران و برنامه ریزان قرار گیرد، بنابراین ایجاد استانداردهای مناسب جهت ارتباط امری ضروری است.

 

 

  • اجزاء سیستم های کنترل کننده برنامه پذیر

 هر سیستم کنترل سه بخش اصلی دارد: ورودی ها، پردازشگرها و خروجی ها.

بخش ورودی وضعیت فرآیند و ورودی های کنترلی اپراتور را تعیین کرده و می خواند.

 بخش پردازشگر با توجه به ورودی ها و برنامه ها، پاسخها و خروجی های لازم را می سازد.

بخش خروجی، فرمان های تولید شده را به فرآیند اعمال می کند.

 در سیستم های غیر اتوماتیک، بخش پردازش را اپراتورها انجام میدهند. اپراتور با مشاهده وضعیت فرآیند، بطور دستی فرامین لازم را به فرآیند اعمال می کند.

 

  • ورودی ها

بخشی که وضعیت فرآیند و فرمان های لازم را با استفاده از مبدل ها به سیگنال های الکتریکی تبدیل می نماید. متغییرهایی نظیر دما، فشار، مکان، سرعت، شتاب و…بیانگر وضعیت فرآیند می باشند. خروجی مبدل های ورودی می تواند گسسته (دیجیتال) یا پیوسته (آنالوگ) باشد.

 

  • خروجی ها

عملگرهایی که فرامین کنترل کننده اصلی را به فرآیند اعمال می کنند. پمپها، موتورها و رله ها از جمله این عملگرها هستند. عملگرها کمیتهای الکتریکی را که به صورت فرمان از بخش پردازش آمده به کمیتهای فیزیکی نظیر حرکت، جابجایی و دوران تبدیل می کنند. خروجیها نظیر ورودی ها می توانند از نوع گسسته(دیجیتال) یا پیوسته (آنالوگ) باشند.

 

  • پردازشگرها

در یک فرآیند سنتی غیراتوماتیک، اپراتورها با استفاده از دانش و تجربه خود و با توجه به سیگنال های ورودی، فرامین لازم را به فرآیند اعمال می کنند. اما در یک سیستم اتوماتیک، بخش کنترل کننده، فرامین کنترل را مطابق برنامه نوشته شده صادر می کند.

کنترل کننده ها به دو صورت تک منظوره و چند منظوره قابل برنامه نویسی می باشند. در نوع تک منظوره بعد از نصب سیستم، طرح کنترل ثابت و غیر قابل تغییر است. اما در نوع برنامه پذیر قابلیت تغییر برنامه برای فرآیندهای متفاوت بدون تغییر سخت افزار وجود دارد.

 

 

 

  • برخی از معایب یا توجیهات خاص در به کارگیری سیستم های PLC

۱- کاربردهایی با برنامه ثابت

در فرآیندهایی که یک برنامه ثابت دارند استفاده از PLC از نظر هزینه ممکن است مقرون به صرفه نباشد. در این فرآیندها قابلیت تغییر برنامه از اهمیت برخوردار نیست.

 

۲- ملاحظات محل کار

برخی پارامترهای محیط مانند دمای بالا، ارتعاشات، تداخلات الكترومغناطیسی، عواملی هستند که کاربرد PLCها را محدود می کنند.

 

 ۳- عملکرد ایمن در برابر اشتباه

در سیستمهای رلهای فشردن کلید توقف، برق مدار را قطع می کند و و همین طور قطع منبع برق، باعث خاموش شدن سیستم می شود، به علاوه سیستمهای رله ای هنگام وصل مجدد برق، به طور خودکار روشن نمی شوند.

البته این موضوع از طریق برنامه نویسی در موردPLC نیز قابل اعمال است. اما در بعضی از برنامه های PLC ممکن است برای متوقف ساختن یک وسیله نیاز به اعمال ولتاژ ورودی به PLC باشد. این گونه سیستمها در مقابل اشتباه ایمن نیستند، البته این نقص با افزودن رله های حفاظتی به سیستم PLC رفع می شود.

 

  • انواع فرآیندهای کنترلی

 در صنایع امروز طیف متنوعی از فرآیندهای تولید وجود دارند. از نظر نوع عملیاتی که در فرآیند انجام میشود، فرآیندها را می توان به سه گروه تولید پیوسته، تولید انبوه و تولید اقلام مجزا تقسیم کرد. سیستم کنترلی که برای یک فرآیند بکار گرفته می شود باید با توجه به نوع آن باشد.

 

  • فرآیند تولید پیوسته

در یک تولید پیوسته، مواد در یک ردیف و بطور پیوسته وارد فرآیند شده و در سمت دیگر، محصول تولیدی خارج می گردد. فرآیند تولید، ممکن است در یک مدت طولانی بطور پیوسته در حال انجام باشد.

تولید ورق فولاد نمونه ای از این نوع فرآیند است. در خط تولید ورق فولاد، بلوکهای گداخته فولاد از بین چندین غلتک عبور می کنند و تحت فشار قرار می گیرند. در اثر فشار، ضخامت قطعه فولاد به تدریج کم شده و در انتهای خط تولید، ورق فولاد تولید می گردد.

 

  • فرآیند تولید انبوه

در چنین فرآیندی میزان مشخصی از مواد اولیه وارد خط شده و پس از طی مراحل تولید مقدار مشخصی محصول به وجود می آید.

 

  • فرآیند تولید اقلام مجزا

در این نوع فرآیند، هر محصول در طول خط تولید از قسمتهای مختلفی می گذرد و در هر بخش، عملیات مختلفی روی آن انجام می گیرد. در هر قسمت ممکن است اجزایی به محصول اضافه شود تا در انتهای خط تولید، محصول کامل ساخته شود.

 

 

  • انواع کنترلرها

کنترلر، مغز متفکر یک پردازشگر صنعتی است و تمامی فرامینی را که شما در نظر دارید اعمال کنید تا پروسه، جریان معمول خود را در پیش گیرد و نهایتا پاسخ مطلوب حاصل شود از طریق کنترلر به سیستم فهمانده میشود.

در واقع هرگاه پروسه های صنعتی به تنهایی و بدون استفاده از کنترل کننده در حلقه کنترل قرار گیرند، معمولا پاسخ های مطلوبی را به لحاظ ویژگیهای گذرا یا ماندگار نخواهند داشت. بنابراین انتخاب و برنامه ریزی یک کنترلر مناسب، از مهم ترین مراحل یک پروسه صنعتی است. انتخاب کنترلر با توجه به درجه اهمیت پاسخ گذرا یا ماندگار و یا هر دو و همچنین ملاحظات اقتصادی ویژه صورت می پذیرد.

 

 

  • چگونگی عملکرد کنترلر

در ابتدا سیگنال خروجی از سنسور وارد کنترلر میشود و با مقدار مبنا مقایسه می گردد و نتیجه مقایسه که همان سیگنال خطا می باشد، معمولا در داخل کنترلر تقویت شده و بسته به نوع کنترلر و پارامترهای مورد نظر، عملیاتی خاص روی آن انجام می گیرد. سپس حاصل این عملیات به عنوان سیگنال خروجی کنترل کننده به بلوک بعدی وارد میشود.

مقایسه سیگنال ها و تقویت اولیه در همه کنترلرها صرفه نظر از نوع آنها انجام می گیرد، در واقع این عملیات روشی است که نوع کنترلر را مشخص می کند.

 

 

  • انواع کنترلر از نظر عملکرد

کنترلرها از نظر نوع عملکرد به دو نوع زیر تقسیم بندی می شوند:

۱-کنترلرهای ناپیوسته (گسسته)

۲- کنترلرهای پیوسته

 

  • کنترلرهای ناپیوسته (گسسته)

کنترلرهای دو وضعیتی: این نوع کنترلرها ساختمانی ساده و کم حجم دارند و به نسبت ارزانتر از دیگر کنترلرهای پیچیده هستند. به همین خاطر در صنعت و در مکانهایی که کنترل ترکیبی، پیوسته و پیچیده مورد نظر نیست کاربرد دارند.

 

  • کنترلرهای پیوسته

کنترلر تناسبی (Proportional):  در این نوع کنترلر، بین خروجی و ورودی یک نسبت مستقیم وجود دارد با یک ضریب مشخص، که آنرا بهره (Gain) کنترل کننده مینامند.

سیگنال خطا× Kp =خروجی

خروجی البته کنترلر تناسبی به تنهایی کافی نیست، زیرا وقتی خروجی سیستم به سمت مقدار مطلوب پیش می رود، خطا کاهش یافته و در نتیجه از مقدار سیگنال خروجی کنترلی نیز کم می گردد.

بنابراین همواره یک خطای ماندگار بین مقدار مطلوب و خروجی واقعی وجود دارد. این خطا را میتوان با افزایش بهره کنترل کننده کاهش داد، اما باعث ناپایداری سیستم و نوسان خروجی می گردد. برای حل این مشکلات معمولا کنترلر تناسبی را همراه کنترلرهای انتگرال گیر و مشتق گیر به کار می برند.

 

  • کنترلر انتگرالی (Integral)

همان طور که از نامش پیداست بین ورودی و خروجی یک رابطه انتگرالی برقرار است. این کنترلر برای جبران خطای ماندگار به کار می رود، زیرا تا وقتی که خطایی در خروجی وجود داشته باشد، زمان انتگرال گیر تغییر پیدا می کند و در نتیجه خطای خروجی به مرور کاهش می یابد.

 

 

  • کنترلر تناسبی-انتگرالی(PI)

کنترلر PI ترکیبی از کنترلر تناسبی و انتگرالی است که به صورت موازی به هم متصل شده اند. این کنترلر اگر به طور صحیح طراحی شود، مزایای هر دو نوع کنترلر انتگرالی و تناسبی را خواهد داشت. پایداری، سرعت و نداشتن خطای حالت ماندگار از ویژگیهای این کنترلر است.

 

 

  • کنترلر تناسبی مشتق گیر (PD)

کنترلر PD  از ترکیب موازی دو نوع کنترلر تناسبی و مشتق گیر ایجاد میشود. کنترلر مشتق گیر دارای این مشخصه است که خود را سریعا با تغییرات ورودی هماهنگ می کند. لذا در مواردی که پاسخ سریع خروجی مد نظر است می توانید از این نوع کنترلرها استفاده نمایید.

اما از آنجایی که عمل مشتق گیری باعث تقویت نویزهای موجود در محیط پروسه میشود و به علاوه مشتق گیرها تنها نسبت به تغییرات ورودی حساسیت نشان میدهند، بنابراین مشتق گیرها به تنهایی مورد استفاده قرار نمی گیرند بلکه هرگاه نیاز به خاصیت مشتق گیری در یک پروسه باشد، کنترلر آن را به صورت مشتق گیر تناسبی یا مشتق گیر انتگرالی یاPID  می سازد.

 

  • کنترلر PID

این نوع کنترلر از ترکیب موازی سه کنترلر تناسبی، انتگرالی و مشتق گیر ایجاد می شود و متداول ترین نوع کنترلر در صنایع می باشد.

 

 

  • کنترلرهای پنوماتیکی (Pneumatic)

این نوع کنترلر از باد و هوای فشرده به عنوان منبع تغذیه استفاده می کند. به دلیل ساختمان ساده، راحتی تعمیر و نگهداری، ایمنی در برابر انفجار و آتش سوزی و ارزانی، کاربردهای فراوانی در صنعت داشته اند و امروزه بدلیل جایگزین شدن سیستم های پیچیده الکترونیکی و نرم افزارهای کنترلی قابل تغییر و پیاده سازی بر روی سیستمهای الکترونیکی، کمتر از کنترلرهای نیوماتیکی استفاده میشود.

 

 

  • کنترلرهای هیدرولیکی (Hydraulic)

این نوع کنترل کننده ها از نیروی روغن هیدرولیک تحت فشار به عنوان منبع تغذیه استفاده می کنند. مزایای زیادی که اینگونه سیستمها دارند، باعث شده تا جای خوبی برای خودشان در صنعت باز کنند و در جاهایی که حركات تحت فشار و وزن بالا انجام می پذیرد، سیستمهای هیدرولیک بهترین و دقیق ترین عملکرد را از خود نشان میدهند. کنترلرهای هیدرولیکی علاوه بر قابلیت انجام حرکت سنگین بطور پیوسته، دارای دقت و سرعت عمل بسیار خوبی نیز می باشند. امروزه با وجود جایگزینی مدل های الکترونیکی پیچیده تر و کارآمدتر هنوز هم نمی توان کارایی های بالا و منحصر به فرد سیستمهای هیدرولیکی را نادیده گرفت.

 

 

  • کنترلرهای الکترونیکی (Electronic)

کنترلرهای الکترونیکی، کنترلرهایی هستند که از نیروی الکتریسیته جهت کنترل، هدایت و فرمان دادن استفاده می کنند.

 

 

 

 

مقالات مرتبط