کنترل کننده برنامه پذیر یا PLC چیست ؟

PLC  چیست؟
PLC  یا  Programmable Logic Controller ، یک کنترلر قابل برنامه‌ریزی است که برای کنترل و اتوماسیون فرآیندها و ماشین‌آلات صنعتی طراحی شده است.
در یک سیستم صنعتی، PLC  اطلاعات را از سنسورها و تجهیزات ورودی دریافت می‌کند، آن‌ها را طبق برنامه‌ای که توسط مهندس کنترل نوشته شده پردازش می‌کند و سپس فرمان لازم را به تجهیزات خروجی مانند کنتاکتورها، شیرهای برقی، موتورها، درایوها، سرووها و سایر تجهیزات ارسال می‌کند.
به زبان ساده، PLC  را می‌توان مرکز تصمیم‌گیری یک سیستم اتوماسیون صنعتی دانست.

PLC ها امروزه در بسیاری از ماشین‌آلات و خطوط تولید، سیستم‌های انتقال مواد، پمپ‌ها، کوره‌ها، سیستم‌های توزین، تجهیزات بسته‌بندی، صنایع غذایی، گلخانه‌ها و بسیاری از فرآیندهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

PLC  چگونه کار می‌کند؟
عملکرد PLC را می‌توان به صورت یک چرخه تکرارشونده در نظر گرفت.
PLC  در هر سیکل، ابتدا وضعیت ورودی‌ها را بررسی می‌کند، سپس برنامه کنترلی را اجرا کرده و در نهایت وضعیت خروجی‌ها را به‌روزرسانی می‌کند. این فرآیند با سرعت بالا و به صورت مداوم تکرار می‌شود.

به عنوان مثال، فرض کنید یک موتور توسط یک شستی Start و یک شستی Stop کنترل می‌شود.
در این حالت:
PLC  وضعیت شستی Start را بررسی می‌کند.
در صورت دریافت فرمان Start، شرایط لازم را بررسی می‌کند.
خروجی مربوط به کنتاکتور موتور را فعال می‌کند.
موتور روشن می‌شود.
در صورت فشردن Stop یا فعال شدن شرایط حفاظتی، PLC فرمان قطع موتور را صادر می‌کند.

البته در پروژه‌های واقعی، منطق کنترلی می‌تواند بسیار پیچیده‌تر باشد و شامل تایمرها، شمارنده‌ها، کنترل آنالوگ، ارتباط با درایو، سروو، HMI، سنسورها و شبکه‌های صنعتی باشد.

اجزای اصلی یک سیستم PLC :
یک سیستم PLC بسته به نوع پروژه می‌تواند از بخش‌های مختلفی تشکیل شود. مهم‌ترین اجزای آن عبارت‌اند از:
۱. CPU

CPU یا واحد پردازنده، بخش اصلی PLC است و برنامه کنترلی در آن اجرا می‌شود.
پردازنده اطلاعات ورودی‌ها را دریافت کرده و بر اساس برنامه نوشته‌شده، وضعیت خروجی‌ها و سایر عملیات کنترلی را تعیین می‌کند.

۲. ورودی‌های دیجیتال

ورودی‌های دیجیتال برای دریافت سیگنال‌های دوحالته استفاده می‌شوند.
برای مثال:
شستی Start و Stop
سنسورهای القایی
لیمیت‌سوئیچ
میکروسوئیچ
کنتاکت حفاظتی
سنسور تشخیص وجود قطعه
این ورودی‌ها معمولاً وضعیت‌هایی مانند روشن/خاموش یا فعال/غیرفعال را به PLC اعلام می‌کنند.

۳. خروجی‌های دیجیتال
PLC  از طریق خروجی‌های دیجیتال می‌تواند تجهیزات مختلف را کنترل کند؛ مانند:
کنتاکتور
رله
شیر برقی
چراغ سیگنال
بیزر
فرمان Start/Stop تجهیزات
نوع خروجی می‌تواند رله‌ای یا ترانزیستوری باشد و انتخاب آن باید متناسب با کاربرد انجام شود.

۴. ورودی و خروجی آنالوگ
در بسیاری از فرآیندهای صنعتی، اطلاعات فقط به صورت صفر و یک نیستند.
برای مثال ممکن است PLC لازم باشد مقدار:
دما
فشار
سطح
دبی
وزن
سرعت
جریان یا ولتاژ
را دریافت کند.
در این شرایط از ورودی‌های آنالوگ و تجهیزات اندازه‌گیری مناسب استفاده می‌شود.
همچنین PLC می‌تواند از طریق خروجی آنالوگ، سیگنال کنترلی مانند 0-10V یا 4-20mA را برای تجهیزات مختلف ارسال کند.

PLC  چه تفاوتی با سیستم کنترل رله‌ای دارد؟
قبل از استفاده گسترده از PLC، بسیاری از سیستم‌های صنعتی با استفاده از رله، کنتاکتور، تایمر و تجهیزات الکتریکی مشابه کنترل می‌شدند.
در یک سیستم ساده، این روش همچنان می‌تواند کاربرد داشته باشد؛ اما با افزایش پیچیدگی فرآیند، تعداد تجهیزات و منطق کنترلی، تعداد زیادی سیم‌کشی و تجهیزات مورد نیاز خواهد بود.
در سیستم PLC، بخش قابل توجهی از منطق کنترلی در نرم‌افزار پیاده‌سازی می‌شود.
به همین دلیل تغییر منطق عملکرد دستگاه، توسعه سیستم، عیب‌یابی و مشاهده وضعیت تجهیزات معمولاً ساده‌تر خواهد بود.
مهم‌ترین مزایای PLC نسبت به کنترل سنتی عبارت‌اند از:
کاهش حجم سیم‌کشی کنترلی
امکان تغییر برنامه بدون تغییر اساسی در سیم‌کشی
قابلیت توسعه سیستم
امکان ارتباط با HMI و تجهیزات دیگر
امکان ثبت و پردازش اطلاعات
قابلیت ارتباط با درایو، سروو و تجهیزات اندازه‌گیری
عیب‌یابی ساده‌تر
امکان اجرای منطق‌های کنترلی پیچیده

PLC  در چه صنایعی استفاده می‌شود؟
PLC  تقریباً در هر جایی که نیاز به کنترل خودکار یک فرآیند وجود داشته باشد می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد.

برخی از کاربردهای رایج عبارت‌اند از:
ماشین‌آلات صنعتی
در ماشین‌هایی مانند دستگاه‌های بسته‌بندی، برش، پانچ، مونتاژ، پولیش، نوار نقاله و ماشین‌آلات تولیدی می‌توان از PLC برای اجرای توالی عملیات استفاده کرد.

سیستم‌های پمپاژ
کنترل پمپ‌ها، سطح مخازن، فشار، شیرهای برقی و شرایط حفاظتی از کاربردهای متداول PLC است.

کوره‌های صنعتی
PLC  می‌تواند وظایفی مانند اجرای سیکل کاری، کنترل تجهیزات جانبی، مدیریت زمان‌بندی مراحل و ارتباط با کنترلر دما را انجام دهد.

سیستم‌های توزین
در سیستم‌های توزین و باسکول، PLC می‌تواند برای کنترل تجهیزات مکانیکی، نوار نقاله، گیت‌ها، موتورها، سیلوها و فرآیند بارگیری استفاده شود.

گلخانه و مرغداری
کنترل فن‌ها، پمپ‌ها، شیرها، تهویه، روشنایی و سایر تجهیزات قابل کنترل از طریق PLC امکان‌پذیر است.

خطوط انتقال مواد

PLC  می‌تواند ترتیب روشن شدن موتورها، کنترل نوار نقاله‌ها، سنسورها، تجهیزات حفاظتی و شرایط توقف اضطراری را مدیریت کند.

PLC  چگونه با HMI، درایو و سروو ارتباط برقرار می‌کند؟
PLC  معمولاً به تنهایی در یک پروژه اتوماسیون کار نمی‌کند.
در یک سیستم کامل، PLC  می‌تواند با تجهیزات مختلف در ارتباط باشد.
برای مثال:
PLC ←→ HMI
HMI  برای نمایش اطلاعات و دریافت فرمان اپراتور استفاده می‌شود.
اپراتور می‌تواند از طریق HMI پارامترهایی مانند سرعت، زمان، دما، تعداد تولید یا حالت کاری دستگاه را تنظیم کند و وضعیت فرآیند را مشاهده نماید.

PLC ←→ Drive
PLC  می‌تواند فرمان‌های لازم را به درایو ارسال کند و وضعیت موتور را دریافت نماید.

برای مثال:
فرمان Start/Stop
تعیین سرعت
تغییر جهت
دریافت خطا
خواندن فرکانس یا جریان
PLC ←→ Servo
در ماشین‌آلاتی که نیاز به کنترل دقیق موقعیت و حرکت دارند، PLC می‌تواند با سروو درایو و سرووموتور ارتباط داشته باشد.

PLC ←→ Instrumentation
PLC  همچنین می‌تواند اطلاعات سنسورها و تجهیزات ابزار دقیق را دریافت کرده و بر اساس آن‌ها تصمیم کنترلی بگیرد.

ارتباط PLC با شبکه‌های صنعتی :
در پروژه‌های جدید، PLC  فقط وظیفه روشن و خاموش کردن تجهیزات را ندارد و ارتباطات صنعتی نیز بخش مهمی از سیستم کنترل محسوب می‌شود.
بسته به مدل PLC و تجهیزات مورد استفاده، امکان استفاده از پروتکل‌ها و شبکه‌های صنعتی مختلف وجود دارد.
برای مثال، PLC های Delta در مدل‌های مختلف از قابلیت‌های ارتباطی و پروتکل‌هایی مانند Modbus پشتیبانی می‌کنند و می‌توانند با تجهیزاتی مانند HMI، درایو، نمایشگرها و سایر تجهیزات صنعتی ارتباط برقرار کنند.
در پروژه‌های بزرگ‌تر نیز می‌توان از شبکه‌های صنعتی متناسب با نیاز سیستم استفاده کرد.

برنامه‌نویسی PLC چگونه انجام می‌شود؟
برای اجرای یک پروژه PLC، ابتدا باید فرآیند صنعتی به صورت دقیق بررسی شود.
برنامه‌نویسی PLC فقط نوشتن چند خط برنامه نیست؛ بلکه قبل از برنامه‌نویسی باید منطق عملکرد دستگاه مشخص شود.

مراحل معمول یک پروژه می‌تواند شامل موارد زیر باشد:
بررسی فرآیند و نیازهای پروژه
تعیین ورودی‌ها و خروجی‌ها
انتخاب PLC مناسب
طراحی منطق کنترلی
طراحی نقشه‌های برق و تابلو
برنامه‌نویسی PLC
طراحی و برنامه‌نویسی HMI در صورت نیاز
راه‌اندازی و تست
رفع خطاهای احتمالی
تحویل و مستندسازی سیستم

یکی از زبان‌های بسیار رایج برای برنامه‌نویسی  PLC، Ladder Diagram  یا LD است که ساختار آن تا حد زیادی به مدارهای فرمان رله‌ای شباهت دارد.
در برخی PLCها، بسته به مدل و نرم‌افزار، زبان‌هایی مانند FBD، SFC و Structured Text نیز قابل استفاده هستند. برای نمونه، نرم‌افزار ISPSoft شرکت   Delta  از چندین زبان برنامه‌نویسی PLC پشتیبانی می‌کند.

انتخاب PLC مناسب چگونه انجام می‌شود؟
انتخاب PLC مناسب یکی از مراحل مهم طراحی یک سیستم اتوماسیون است.
نمی‌توان صرفاً بر اساس تعداد ورودی و خروجی یک PLC را انتخاب کرد.

مواردی مانند موارد زیر باید بررسی شوند:
تعداد ورودی‌های دیجیتال
تعداد خروجی‌های دیجیتال
نوع خروجی‌ها
تعداد و نوع ورودی‌های آنالوگ
تعداد خروجی‌های آنالوگ
نیاز به کنترل حرکت
تعداد محورهای مورد نیاز
سرعت پردازش
حجم برنامه
تعداد تجهیزات قابل اتصال
نوع شبکه و پروتکل ارتباطی
امکان توسعه در آینده
شرایط محیطی
هزینه نهایی سیستم
قابلیت تأمین و پشتیبانی تجهیزات

برای مثال، PLC های Delta در خانواده‌های مختلفی مانند DVP، AS  و AH  ارائه می‌شوند که هرکدام برای سطوح و کاربردهای متفاوتی از اتوماسیون طراحی شده‌اند.
بنابراین انتخاب PLC باید بر اساس نیاز واقعی پروژه انجام شود، نه صرفاً بر اساس برند یا تعداد I/O.

چرا طراحی و برنامه‌نویسی PLC اهمیت دارد؟
حتی اگر بهترین تجهیزات اتوماسیون در یک پروژه استفاده شوند، بدون طراحی صحیح و برنامه‌نویسی اصولی نمی‌توان انتظار عملکرد مناسب از سیستم داشت.
یک برنامه PLC باید علاوه بر اجرای عملکرد اصلی دستگاه، شرایط خطا و ایمنی فرآیند را نیز در نظر بگیرد.

برای مثال در یک ماشین صنعتی باید مشخص باشد:
در هنگام فعال شدن سنسور چه اتفاقی رخ دهد؟
اگر یکی از موتورها خطا کرد، چه تجهیزاتی متوقف شوند؟
پس از قطع و وصل برق دستگاه چه وضعیتی داشته باشد؟
در شرایط اضطراری چه خروجی‌هایی قطع شوند؟
اپراتور چه پارامترهایی را بتواند تغییر دهد؟
دستگاه چگونه از حالت دستی به اتوماتیک منتقل شود؟
در صورت بروز خطا، اپراتور چگونه علت آن را مشاهده کند؟
این موارد بخش مهمی از مهندسی یک سیستم اتوماسیون هستند.

یک مثال ساده از کاربرد PLC :
فرض کنید یک سیستم انتقال مواد دارای یک نوار نقاله، موتور، سنسور تشخیص مواد و چند تجهیز حفاظتی باشد.
در یک طراحی ساده، PLC می‌تواند منطق زیر را اجرا کند:
اپراتور فرمان Start را صادر می‌کند.
PLC  شرایط حفاظتی را بررسی می‌کند.
در صورت مناسب بودن شرایط، موتور نوار نقاله روشن می‌شود.
سنسور ورود مواد وضعیت فرآیند را به PLC اعلام می‌کند.
PLC  بر اساس برنامه، عملکرد تجهیزات بعدی را کنترل می‌کند.
در صورت بروز خطا، PLC  سیستم را متوقف کرده و وضعیت خطا را اعلام می‌کند.
اپراتور می‌تواند وضعیت سیستم را از طریق HMI مشاهده کند.

در یک پروژه واقعی، همین منطق می‌تواند با کنترل سرعت، شمارش قطعات، کنترل چند موتور، ثبت اطلاعات، ارتباط با تجهیزات دیگر و شرایط حفاظتی متعدد توسعه پیدا کند.

PLC  فقط یک کنترلر نیست
در نگاه اول ممکن است PLC فقط وسیله‌ای برای کنترل چند موتور و شیر برقی به نظر برسد؛ اما در یک پروژه اتوماسیون صنعتی، PLC می‌تواند هسته اصلی سیستم کنترل باشد.
PLC  می‌تواند اطلاعات را از تجهیزات مختلف دریافت کند، آن‌ها را پردازش کند، تصمیم کنترلی بگیرد، فرمان تجهیزات را صادر کند و با سیستم‌های دیگری مانند HMI، درایو، سروو، ابزار دقیق و نرم‌افزارهای مانیتورینگ ارتباط برقرار کند.