تکامل کنترل کننده های PLC
منشاء کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی را می‌توان در دهه 1960 جستجو کرد، زمانی که نیاز به روش کارآمدتر و انعطاف‌پذیرتر برای کنترل فرآیندهای صنعتی ایجاد شد. قبل از ظهور PLC ها، سیستم های کنترل در کارخانه ها و کارخانجات تولیدی به رله های الکترومکانیکی، تایمرها و سوئیچ ها متکی بودند که طراحی، سیم کشی و نگهداری آنها دشوار بود. معرفی اولین PLC توسط Bedford Associates در سال 1969 نقطه عطف قابل توجهی در اتوماسیون صنعتی بود و راه حلی فشرده، قابل اعتماد و قابل برنامه ریزی برای کنترل عملیات منطقی متوالی ارائه کرد.
طرح‌های اولیه PLC: پی ال سی های اولیه عمدتاً به‌عنوان جایگزینی برای سیستم‌های کنترل مبتنی بر رله طراحی شده‌اند که مزایایی مانند کاهش پیچیدگی سیم‌کشی، افزایش قابلیت اطمینان و برنامه‌ریزی مجدد آسان‌تر را ارائه می‌دهند. این PLC های اولیه بر اساس عناصر منطقی گسسته، مانند رله ها، گیت ها و فلیپ فلاپ ها بودند و با استفاده از نمودارهای منطقی نردبانی، یک زبان برنامه نویسی گرافیکی که از نمودارهای سیم کشی مدارهای منطقی رله تقلید می کرد، برنامه ریزی شدند.
پیشرفت‌ها در فناوری: طی سال‌ها، فناوری PLC با پیشرفت‌هایی در فناوری نیمه‌رسانا، طراحی ریزپردازنده و توسعه نرم‌افزار، پیشرفت‌های چشمگیری را تجربه کرد. معرفی PLC های مبتنی بر ریزپردازنده در دهه 1980 یک جهش بزرگ به جلو را نشان داد که سرعت پردازش سریع تر، ظرفیت حافظه بیشتر و عملکرد بهبود یافته را ممکن کرد. این پیشرفت‌ها راه را برای ادغام الگوریتم‌های کنترل پیچیده‌تر، پروتکل‌های ارتباطی و قابلیت‌های شبکه در PLCها هموار کرد و دامنه و کاربرد آنها را در اتوماسیون صنعتی گسترش داد.
ادغام با شبکه های صنعتی: با گسترش فناوری های شبکه های صنعتی مانند اترنت، پروفیباس و مدباس، PLC ها به اجزای جدایی ناپذیر سیستم های اتوماسیون به هم پیوسته تبدیل شدند. PLC های مدرن مجهز به پورت ها و پروتکل های ارتباطی داخلی هستند که امکان ادغام یکپارچه با سایر PLC ها، کنترل کننده ها، حسگرها، محرک ها و سیستم های کنترل نظارتی را فراهم می کنند. این ادغام نظارت، تبادل داده ها و هماهنگی در زمان واقعی سیستم های کنترل توزیع شده را در محیط های صنعتی در مقیاس بزرگ امکان پذیر می کند.
معماری کنترلرهای منطقی قابل برنامه ریزی
معماری یک کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی شامل چندین مؤلفه به هم پیوسته است که هر کدام عملکرد خاصی را در کنترل و عملیات فرآیندهای صنعتی انجام می دهند. در حالی که معماری دقیق ممکن است بسته به سازنده و مدل PLC متفاوت باشد، اجزای معمولی یک سیستم پی ال سی عبارتند از:
واحد پردازش مرکزی (CPU): CPU واحد پردازش اصلی PLC است که مسئول اجرای برنامه های کنترلی، پردازش داده های ورودی و خروجی و هماهنگی عملیات سیستم است. CPUهای مدرن PLC مجهز به ریزپردازنده‌های پرسرعت، ماژول‌های حافظه و رابط‌های جانبی هستند که اجرای سریع و کارآمد منطق و الگوریتم‌های کنترل را ممکن می‌سازد.
ماژول‌های ورودی: ماژول‌های ورودی با حسگرها، سوئیچ‌ها و سایر دستگاه‌های میدانی ارتباط برقرار می‌کنند تا سیگنال‌های فیزیکی مانند ولتاژ، جریان و دما را به داده‌های دیجیتالی تبدیل کنند که می‌تواند توسط PLC پردازش شود. ماژول‌های ورودی ممکن است شامل کانال‌های ورودی آنالوگ برای اندازه‌گیری سیگنال‌های پیوسته و کانال‌های ورودی دیجیتال برای تشخیص رویدادها و حالت‌های گسسته باشند.
ماژول‌های خروجی: ماژول‌های خروجی با محرک‌ها، رله‌ها و سایر دستگاه‌های خروجی برای تبدیل سیگنال‌های دیجیتال از PLC به اعمال فیزیکی مانند حرکت، گرمایش و سیگنال‌دهی ارتباط دارند. ماژول‌های خروجی ممکن است شامل کانال‌های خروجی آنالوگ برای کنترل درایوهای با سرعت متغیر و کانال‌های خروجی دیجیتال برای سوئیچینگ رله‌ها، سوپاپ‌ها و موتورها باشند.
ماژول های حافظه: ماژول های حافظه برنامه های کنترل، جداول داده، تنظیمات پیکربندی و اطلاعات تشخیصی مورد نیاز برای عملکرد PLC را ذخیره می کنند. PLC ها معمولاً شامل حافظه (RAM) برای ذخیره سازی موقت داده ها و حافظه (ROM یا Flash) برای ذخیره سازی دائمی برنامه هستند.
رابط های ارتباطی: رابط های ارتباطی PLC را قادر می سازد تا داده ها را با دستگاه های خارجی، کنترل کننده ها و سیستم های نظارتی بر روی شبکه ها و پروتکل های صنعتی مبادله کند. رابط های ارتباطی رایج که توسط PLC ها پشتیبانی می شوند عبارتند از اترنت، پورت های سریال (RS-232/485) و پروتکل های فیلدباس (Profibus، Modbus، CANopen).
محیط برنامه نویسی: محیط برنامه نویسی یک PLC ابزارها و ابزارهایی را برای توسعه، آزمایش و رفع اشکال برنامه های کنترلی فراهم می کند. زبان های برنامه نویسی پی ال سی مانند منطق نردبانی، متن ساختاریافته، نمودار بلوک تابع (FBD) و نمودار تابع ترتیبی (SFC) برای تعریف منطق و رفتار PLC استفاده می شوند.
روش های برنامه نویسی برای کنترل کننده های منطقی قابل برنامه ریزی
پی ال سی ها را می توان با استفاده از روش ها و زبان های برنامه نویسی مختلف برنامه ریزی کرد که هر کدام سطوح مختلف انتزاع، انعطاف پذیری و پیچیدگی را ارائه می دهند. برخی از روش های برنامه نویسی رایج برای PLC ها عبارتند از:
منطق نردبان: منطق نردبانی یک زبان برنامه نویسی گرافیکی است که از نمودارهای سیم کشی مدارهای منطقی رله تقلید می کند و آن را برای مهندسان کنترل و تکنسین ها بصری و آسان می کند. برنامه‌های منطقی نردبانی از پله‌هایی تشکیل شده‌اند که بیانگر شرایط و اقدامات منطقی هستند که توسط کنتاکت‌ها و سیم‌پیچ‌های سری و موازی به هم متصل می‌شوند.
متن ساختاریافته: متن ساختاریافته یک زبان برنامه نویسی سطح بالا است که بر اساس سازه های برنامه نویسی معمولی مانند حلقه ها، دستورات شرطی و توابع است. برنامه‌های متنی ساختاریافته در قالبی مبتنی بر متن شبیه به زبان‌های برنامه‌نویسی سنتی مانند C یا پاسکال نوشته می‌شوند و انعطاف‌پذیری و بیان بیشتری را برای الگوریتم‌های کنترل پیچیده ارائه می‌دهند.
نمودار بلوک تابع (FBD): نمودار بلوک تابع یک زبان برنامه نویسی گرافیکی است که منطق کنترل را به صورت بلوک های به هم پیوسته نشان می دهد که هر یک عملکرد یا عملیات خاصی را انجام می دهند. برنامه‌های FBD شامل بلوک‌هایی هستند که متغیرهای ورودی/خروجی، عملیات ریاضی، توابع منطقی و اقدامات کنترلی را نشان می‌دهند که توسط فلش‌های جریان داده به هم متصل می‌شوند.
نمودار توابع متوالی (SFC): نمودار تابع متوالی یک زبان برنامه نویسی گرافیکی است که منطق کنترل را به صورت مجموعه ای از حالت ها و انتقال های به هم پیوسته مدل می کند. برنامه‌های SFC شامل مراحلی هستند که حالت‌ها را نشان می‌دهند، انتقال‌هایی که شرایط را برای تغییرات حالت نشان می‌دهند و اقدامات مرتبط با هر مرحله، که مدل‌سازی توالی‌های کنترل متوالی پیچیده را ممکن می‌سازد.
کاربردهای عملی کنترلرهای منطقی قابل برنامه ریزی
کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی کاربردهای متنوعی را در صنایع و بخش‌های مختلف پیدا می‌کنند و نقش مهمی در خودکارسازی و بهینه‌سازی فرآیندهای صنعتی، ماشین‌آلات و سیستم‌ها دارند. برخی از کاربردهای رایج PLC ها عبارتند از:
اتوماسیون خط ساخت: PLC ها به طور گسترده در برنامه های اتوماسیون تولید مانند خطوط مونتاژ، سیستم های بسته بندی و تجهیزات جابجایی مواد استفاده می شوند. PLC ها با کنترل توالی عملیات، حرکت و هماهنگی ماشین ها و فرآیندها، تولید کارآمد، کاهش زمان خرابی و بهبود کیفیت در عملیات تولید را امکان پذیر می کنند.
کنترل فرآیند: PLC ها نقش کلیدی در کاربردهای کنترل فرآیند مانند پردازش شیمیایی، تصفیه آب و سیستم های HVAC دارند. PLCها با نظارت بر حسگرها، شیرها و محرک‌ها، متغیرهای فرآیندی مانند دما، فشار، سرعت جریان و سطح pH را تنظیم می‌کنند و عملکرد، ایمنی و کارایی مطلوب را در فرآیندهای صنعتی تضمین می‌کنند.
اتوماسیون ساختمان: PLC ها در سیستم های اتوماسیون ساختمان برای کنترل روشنایی، گرمایش، تهویه، تهویه مطبوع (HVAC) و سیستم های امنیتی در ساختمان های تجاری و مسکونی استفاده می شوند. با ادغام سنسورها، محرک‌ها و کنترل‌کننده‌ها، PLCها عملکرد کم‌مصرف انرژی، راحتی ساکنین و نظارت از راه دور سیستم‌های ساختمان را امکان‌پذیر می‌کنند و پایداری و تجربه کاربر را افزایش می‌دهند.
توزیع و کنترل برق: PLC ها در سیستم های توزیع و کنترل برق برای نظارت، حفاظت و کنترل شبکه های برق، پست ها و تابلو برق مورد استفاده قرار می گیرند. با هماهنگ کردن کلیدهای مدار، رله ها و ترانسفورماتورها، PLC ها از تحویل توان قابل اعتماد، تشخیص عیب و مدیریت بار در سیستم های برق شهری و صنعتی اطمینان حاصل می کنند.
دیدگاه های آینده در کنترل کننده های منطقی قابل برنامه ریزی
با ادامه پیشرفت فناوری، چندین روند و نوآوری در حال شکل دادن به آینده کنترل‌کننده‌های منطقی برنامه‌پذیر هستند:
محاسبات لبه (Edge Computing) و ادغام IIoT: پی ال سی ها برای ترکیب قابلیت های محاسبات لبه و ادغام با پلتفرم های صنعتی اینترنت اشیاء (IIoT) در حال تکامل هستند و پردازش داده ها، تجزیه و تحلیل و تصمیم گیری در لبه شبکه را در زمان واقعی ممکن می سازند. PLC های دارای لبه، تعمیر و نگهداری پیش بینی، نظارت بر وضعیت، و استراتژی های کنترل تطبیقی را تسهیل می کنند و قابلیت اطمینان، کارایی و مقیاس پذیری را در اتوماسیون صنعتی افزایش می دهند.
هوش مصنوعی و یادگیری ماشین: PLCها از تکنیک‌های هوش مصنوعی (AI) و یادگیری ماشین (ML) برای بهینه‌سازی استراتژی‌های کنترل، تشخیص خطاها و بهینه‌سازی عملکرد در فرآیندهای پیچیده صنعتی استفاده می‌کنند. PLC های مجهز به هوش مصنوعی می توانند از داده های تاریخی بیاموزند، الگوها را شناسایی کنند و پارامترهای کنترلی را به صورت پویا تطبیق دهند و امکان عملکرد مستقل و بهبود مستمر در سیستم های صنعتی را فراهم کنند.
امنیت سایبری و انعطاف پذیری: با اتصال رو به رشد سیستم های صنعتی، PLC ها بر افزایش اقدامات امنیت سایبری و انعطاف پذیری در برابر تهدیدات سایبری تمرکز می کنند. مکانیسم‌های راه‌اندازی امن، پروتکل‌های رمزگذاری و تکنیک‌های تقسیم‌بندی شبکه در PLCها ادغام می‌شوند تا از دسترسی غیرمجاز، نقض داده‌ها و حملات فیزیکی سایبری محافظت کنند و از یکپارچگی و قابلیت اطمینان سیستم‌های کنترل صنعتی اطمینان حاصل کنند.
دوقلوهای دیجیتال و راه اندازی مجازی: PLC ها از فناوری دوقلو دیجیتال و ابزارهای راه اندازی مجازی برای شبیه سازی و بهینه سازی منطق کنترل، عملکرد و رفتار سیستم های صنعتی در محیط های مجازی استفاده می کنند. دوقلوهای دیجیتال مهندسان را قادر می‌سازد تا برنامه‌های PLC و استراتژی‌های کنترل را قبل از استقرار طراحی، آزمایش و اعتبارسنجی کنند، زمان راه‌اندازی را کاهش دهند، خطرات را به حداقل برسانند و زمان رسیدن به بازار را برای پروژه‌های اتوماسیون صنعتی تسریع کنند.
نتیجه
کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی انقلابی در اتوماسیون صنعتی ایجاد کرده‌اند و کنترل کارآمد، قابل اعتماد و انعطاف‌پذیر فرآیندها و سیستم‌های صنعتی را ممکن می‌سازند. از تولید و کنترل فرآیند گرفته تا اتوماسیون ساختمان و توزیع برق، PLC ها نقشی حیاتی در افزایش بهره وری، ایمنی و پایداری در صنایع و بخش های مختلف دارند. با استقبال از پیشرفت‌ها در فناوری، روش‌های برنامه‌نویسی و برنامه‌های کاربردی، PLCها آماده هستند تا آینده اتوماسیون را شکل دهند و فرصت‌های جدیدی را برای نوآوری، کارایی و انعطاف‌پذیری در عصر دیجیتال باز کنند.
ترجمه و جمع آوری:
واحد تحقیق و توسعه بارق، Baregh
بارق، مرجع آگهی ها و نیازمندی های صنعت برق
