کنترل‌گرهای منطقی برنامه‌پذیر یا پی‌ال‌سی (PLC) برای نظارت کردن و تنظیم ماشین‌آلات و فرآیندهای تولیدی در محیط‌های صنعتی با فناوری اتوماسیون طراحی شده‌اند. PLCها می‌توانند به عنوان سیستم‌های خودمختار عمل کنند و فرآیندها را به صورت هوشمند و مستقل بهینه‌سازی کنند.
اما یک PLC اصلا چه چیزی است؟ اساسا PLC یک سیستم الکترونیکی است که به شکل دیجیتالی کار می‌کند و مجهز به حافظه‌ی برنامه‌پذیر است. از این حافظه‌ی غیر فرار (پایدار) برای ذخیره‌ی دستورالعمل‌های کنترلی استفاده می‌شود که دستگاه را قادر می‌سازد تا کارکردها و عملیات خاصی را انجام دهد. به این شکل، انواع مختلف ماشین‌آلات و فرآیندها از طریق ماژول‌های ورودی و خروجی دیجیتال و آنالوگ کنترل می‌شوند.
کاربردهای PLC
به لطف انعطاف‌پذیری بالا، پی‌ال‌سی ها هر روز بیش از پیش در حوزه‌های مختلف صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرند. این راه حل‌ها یا محصولات محاسباتیِ صنعتی، در ابتدا به عنوان جایگزینی برای سیستم‌های رله الکترومکانیکی در نظر گرفته شده بودند، و این کاربرد هنوز هم وجود دارد.
موارد استفاده از PLCها می‌تواند در کاربردها و محیط‌های حرفه‌ای در مقایسه با محیط‌های خانگی متفاوت باشد. این تجهیزات به طور گسترده در صنایع تولید، غذا و نوشیدنی و کنترل ساختمان مورد استفاده قرار می‌گیرد.
PLC چه کارهایی انجام می‌دهد؟ نمونه‌های معمول استفاده از PLCها عبارتند از:
- کارخانه‌های تولیدی
- کنترل چراغ راهنمایی رانندگی
- ماشین‌آلات بسته بندی
- آسانسور، بالابر و پله برقی
- کاربردهای پزشکی
- سیستم‌های درب یا گیت اتوماتیک
- سیستم‌های کنترل گرمایش
نحوه کارکرد PLCها به چه شکل است؟
یک کنترلر PLC در درجه اول، دارای ورودی و خروجی است. اساسا PLCها دستگاه‌هایی با قابلیت شبکه شدن هستند که برای واکنش به ورودی‌ها و ارائه خروجی‌های خاصی برنامه‌ریزی شده‌اند. کنترل‌گرهای منطقی برنامه‌پذیر می‌توانند دارای رابط کاربری انسان-ماشین هم باشند.
این قطعات الکترونیکی، به صورت دیجیتالی قابل برنامه‌ریزی هستند و می‌توانند وظایف کنترلی پیچیده‌ای را در فرآیندهای شبکه‌ای تولید در انقلاب صنعتی چهارم (Industry 4.0 یا صنعت ۰/۴) انجام دهند.
رابطه بین سخت‌افزار، نرم‌افزار و برنامه‌نویسی با جزئیات بیشتر و به شکل مفصل، در بخش‌های بعدی این مطلب شرح داده شده است.
برنامه‌ریزی یا برنامه‌نویسی PLC
مدل‌های مختلف برای استفاده با زبان‌های برنامه‌نویسی مختلف مناسب هستند. موارد رایج عبارتند از:
- ST: متن ساختاریافته (مبتنی بر متن)
- FBD: نمودار بلوک دیاگرام (مبتنی بر گرافیک)
- LAD: منطق نردبانی (مبتنی بر گرافیک)
- STL: فهرست بیانیه (مبتنی بر متن)
- SCL: زبان کنترل ساختاریافته (مبتنی بر گرافیک)
اگر در دنیای منطق و زبان‌های برنامه‌نویسی تازه وارد هستید، دوره‌های آموزشی برنامه‌نویسی PLC به طور گسترده در دسترس است. FBD یک انتخاب محبوب برای مبتدیان است، زیرا از قابلیت کشیدن و رها کردن (درگ اند دراپ یا drag-and-drop) استفاده می‌کند. علاوه بر این، به درک آسان رفتار I/O (ورودی/خروجی) کمک می‌کند. زبان‌های تصویری و مبتنی بر تصویر مانند منطق نردبانی نیز می‌توانند در درک و بهبود فرآیندها کمک کنند. به عنوان مثال، یک نمودار ساده و کاربرپسند نردبانی، می‌تواند بسیار مفید و سودمند باشد. از طرف دیگر، SCL عموما برای نیازهای پیچیده‌تر و سخت‌ترِ برنامه‌نویسی استفاده می‌شود.
همچنین توجه به این نکته مهم است که اگرچه معمولا از لپ‌تاپ و نرم‌افزار استفاده می‌کنید، برخی از مدل‌های قدیمی‌تر را می‌توان با برنامه‌ریزهای دستی استفاده کرد.
نرم‌افزار PLC
کار با پی ال سی از طریق برنامه روی رایانه یا از طریق یک کنترل‌پنل متصل، برنامه‌ریزی می‌شود. از طریق رابط روی کنترلر بارگذاری می‌شود و سوییچینگ دستگاه‌های خروجی و دستگاه‌های ورودی را تعریف می‌کند. سپس عملیات واقعی توسط PLC مستقل از رایانه شخصی، و به طور خودمختار انجام می‌شود، زیرا کنترلرها منبع تغذیه خود را دارند.
کارکردهای خاص PLC ها عبارتند از:
- کنترل جریان/دبی
- کنترل لینک
- کارکردهای مبتنی بر اعداد شامل زمان و شمارش
نرم افزارهای پی ال سی را می‌توان به شکل زیر هم دسته‌بندی کرد:
- PLCهای چرخه‌محور: این PLCها از اصل اساسیِ پردازش داده با ورودی، پردازش و خروجی پیروی می‌کنند. ورودی‌ها query می‌شوند و کنترل به برنامه کاربر منتقل می‌شود. پس از آنکه سیگنال‌های کنترلی به خروجی‌ها منتقل شدند، فرآیند دوباره از نو شروع می‌شود.
- PLCهای چرخه‌ای با وقفه: این PLCها برای اجرای یک حلقه برنامه مازاد برنامه‌ریزی شده‌اند که در صورت تغییر وضعیت سنسور متصل، با شرایطی متفاوت سازگار است. پس از انجام کامل شدن این حلقه اضافی، برنامه اصلی ادامه خواهد یافت.
- PLCهای کنترل‌شده با رویداد: این PLCها برای پردازش وظایف از پیش برنامه‌ریزی‌شده خاص، پس از تغییر وضعیت حسگر(های) متصل طراحی شده‌اند.
لازم به ذکر است که نرم افزار برنامه‌نویسی PLC استانداردسازی‌شده نیست و منحصر به یک سازنده و گاهی اوقات منحصر به یک مدل خاص خواهد بود. این همچنین ممکن است به این معنی باشد که ممکن است در هنگام تعیین نیازمندی‌های لوازم جانبی PLC از جایگزین‌های مختلفی برای کابل‌های سریال رایج استفاده شود.
سخت‌افزار PLC
یک دستگاه PLC اساسا از یک ایستگاه پایه با تعدادی ورودی و خروجی تشکیل شده است. نسخه اصلی/پایه‌ای، دارای یک پردازنده در اسمبل مرکزی، ورودی‌های و خروجی‌های سیگنال، رابط و یک سیستم عامل است.
بسته به پیچیدگی مدل، کنترلرها ممکن است تعداد ورودی و خروجی آنالوگ یا دیجیتال متفاوتی داشته باشند. این موارد از طریق سنسورها و عملگرها به سیستم یا ماشین، متصل می‌شوند. به عنوان مثال، در ورودی‌ها، حسگرهایی مانند سنسورهای دما، سطح یا فشار، کارکردهای دستگاه را کنترل می‌کنند. سپس سیستم‌عامل اطلاعات جمع‌آوری شده را ارزیابی کرده و قبل از ارسال سیگنال‌های کنترلی مربوطه به خروجی‌ها، آن را با پارامترهای برنامه‌ریزی شده تعریف‌شده توسط کاربر مقایسه می‌کند.
عملگرهایی که کارکردها را تنظیم می‌کنند نیز می‌توانند متفاوت باشند، از جمله:
- شیرهای الکتریکی: برای هیدرولیک و هوای فشرده استفاده می‌شود.
- کنتاکتور: برای سوییچینگ موتورهای الکتریکی استفاده می‌شود.
- ماژول‌های کنترل درایو
علاوه بر این، یکی از بزرگ‌ترین مزایای PLCها قابلیت شبکه شدنِ متقابل سیستمی (cross-system) با رایانه‌ها و دستگاه‌های دیگر است. حتی مدل‌های قدیمی‌تر را می‌توان با استفاده از کابل‌ها، دوشاخه‌ها و آداپتورهای مناسب به دستگاه‌های جدید متصل کرد.
اکثر کنترلرها را می‌توان با استفاده از کابل سریال به کامپیوتر متصل کرد. سرورهای دستگاه سریال برای این کار مناسب هستند و قطعات سریال معمولی نیز می‌توانند از طریق LAN متصل شوند. از کانورترهای مدیا اترنت نیز برای اطمینان از سازگاری و اتصال مدیاهای مختلف انتقال استفاده می‌شود. رابط‌های رایج RS-232 و RS-485 با کانکتورهای DB-9 و DB-25 هستند.
یک پی ال سی با تجهیزات اضافی مناسب، کارآمدتر می‌شود و می‌تواند از طریق رابط، با دستگاه‌ها توسعه یابد. همچنین در صورت نیاز می‌توان ماژول‌های اضافی را با I/O (ورودی/خروجی) اضافی اضافه کرد. سایر اجزای سخت افزاری PLC عبارتند از:
- HMIها (رابط انسان و ماشین)
- پنل‌های لمسی (برای تصویرسازی، کار کردن و عیب‌یابی و بررسی ماشین‌ها و سیستم‌ها)
- ماژول‌های ارتباطی (همچون MODBUS)
- ریل DIN (برای مونتاژ و نصب بهینه)
- نمایشگرها و مانیتورها (برای نمایش مستقیم داده‌های عملیاتی)
- گیت‌وی هوشمند (شبکه هوشمند IIoT)
مثال‌هایی از PLC
طیف گسترده‌ای از کنترلرهای PLC در بازار موجود است که هر یک برای اهداف و کاربردهای مختلفی مناسب هستند. اگر بخواهیم کلی بگوییم، انتخاب شما بین موارد زیر است:
| تصویر | مثال | شرح |
|---|---|---|
 | Siemens LOGO! | مدل‌های I/O کم، کوچک |
 | Siemens S7-1200 | سیستم‌های ماژولار، بزرگ |
انواع PLC
پی ال سی ها را می‌توان به روش‌های مختلف طبقه‌بندی کرد. انواع بسیار مختلفی وجود دارد که هر یک دارای کارکردها، ویژگی‌ها و قابلیت‌های منحصر به فردی هستند.
با توجه به ساختار و عملکرد، می‌توان تمایز واضحی بین PLCهای سخت و نرم قائل شد. کلاسیک – یا PLCهای سخت – مبتنی بر سخت‌افزار هستند. این‌ها همه‌منظوره هستند و معمولا فقط مهم‌ترین کارکردهای کنترلی را شامل می‌شوند، اگرچه برای مثال می‌توان افزودنی‌هایی را برای ریل‌های DIN و اتصالات plug-in اضافه کرد.
از طرف دیگر، کنترل‌گرهای منطقی برنامه‌پذیر نرم بر روی کنترل از طریق نرم‌افزار متمرکز هستند. آنها سیستم عامل خود را دارند و اغلب نرم‌افزارهای کاربری دیگری نیز دارند. با این حال، آنها واحد پردازش مرکزی (CPU) مخصوص به خود را ندارند، بنابراین به جای آن از پردازنده رایانه شخصی استفاده کنید. از آنجایی که این بدان معناست که باید پردازنده را با سیستم عامل رایانه شخصی (و احتمالا سایر برنامه‌ها) به اشتراک بگذارند، این می‌تواند در زمانی که حجم کار زیاد است، بر عملکرد تاثیر بگذارد.
چند نوع دیگر عبارتند از PLCهای کامپکت (جمع و جور) و slot. در یک PLC کامپکت، تمام اجزا بر روی یک برد مدار در یک محفظه قرار دارند. یک کنترلر slot مستقیما به عنوان یک کارت پلاگین PCI استفاده می‌شود که برای کارهای خاصی مانند ذخیره داده‌های تولید در نظر گرفته شده است. با این کنترل‌ها، کامپیوتر دیجیتال برای جایگزین شدن به جای سخت‌افزار PLC طراحی شده است. با این حال برخلاف یک PLC نرم، انواع slot دارای یک پردازنده مشترک و سیستم عامل مخصوص خود هستند. این آنها را قادر می‌سازد تا وظایف کنترلی را مستقل از پردازنده رایانه شخصی انجام دهند. اتصالات یکپارچه، دسترسی به سنسورها و عملگرهای غیرمتمرکز را فراهم می‌کند.
| نوع | PLC سخت | PLC نرم | PLC کامپکت | Slot PLC |
|---|---|---|---|---|
| قابلیت‌ها | محصول سخت‌افزاری PLC دارای مهم‌ترین کارکردها در صورت لزوم، کارکردها می‌توانند گسترش پیدا کنند زمان شروع سریع رفتار بلادرنگ (real-time) خوب | محصول نرم‌افزاری PLC استفاده ساده راه‌اندازی و استارتاپ آهسته می‌تواند با بارهای بالاتر، ناپایدارتر شود | طراحی مناسب برای صرفه‌جویی در فضا مقرون به صرفه ایده‌آل برای وظایف مقیاس کوچک | ابعاد کوچک دارای منبع تغذیه داخلی ارائه‌ی ارتباطات ساده‌سازی‌شده بین کنترلر و PC |
تولیدکنندگان PLC
تولیدکنندگان بزرگ کنترل‌پنل PLC عبارتند از:
