کشف دنیای داخلی PLC: اجزا و ساختارهای سخت‌افزاری

PLC مخفف عبارت Programmable Logic Controller است و به معنای کنترل‌کننده منطقی قابل برنامه‌ریزی می‌باشد. به عبارتی دیگر، PLC مجموعه‌ای از سخت‌افزار و نرم‌افزار است که عملیات کنترل را ساده می‌کند. به دلیل ویژگی‌های خاص خود، این دستگاه بیشتر برای کنترل فرایندهای صنعتی و مکانیکی مانند خطوط تولید کارخانه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

قسمت های تشکیل دهنده پی ال سی

کنترل‌کننده‌های منطقی برنامه‌پذیر در برخی تابلوهای برق مانند کنترل موتورخانه‌های ساختمان‌ها، دستگاه‌های دارای چند موتور الکتریکی و کارگاه‌های کوچک صنعتی نیز مشاهده می‌شوند. حتی می‌توان با استفاده از رله‌های قابل برنامه‌ریزی، عوامل فیزیکی مانند دما، فشار و موارد مشابه را کنترل کرد. این نوع کنترل اتوماتیک در تأسیسات الکتریکی کاربرد فراوانی دارد.

معرفی اجزای سخت‌افزاری PLC

• پردازشگر مرکزی (CPU): مغز PLC که داده‌ها را پردازش و دستورات کنترلی را اجرا می‌کند.

• سیستم نصب (Rack/Chassis): محل قرارگیری ماژول‌ها و اجزای سخت‌افزاری PLC.

• منبع تغذیه (Power Supply): تأمین برق مورد نیاز برای عملکرد دستگاه.

• رابط ورودی و خروجی (I/O Interface): برقراری ارتباط با سنسورها و عملگرها.

• رابط ارتباطی (Communication Module): امکان ارتباط PLC با سایر دستگاه‌ها و شبکه‌ها.

• دستگاه برنامه‌نویسی (Programming Device): برای نوشتن، بارگذاری و ویرایش برنامه‌ها استفاده می‌شود.

پردازشگر (CPU) در کنترلگرهای منطقی (PLC)

در قلب هر سیستم اتوماسیون صنعتی، یک پردازنده (CPU) قرار دارد که مهم‌ترین جزء سخت افزار PLC محسوب می‌شود. گاهی اوقات این پردازنده را واحد پردازش مرکزی نیز می‌نامند. هر انتخابی که برای سخت افزار کنترلگر منطقی انجام دهید، CPU اصلی سیستم است که مسئول محاسبات عددی و منطقی و اجرای برنامه‌های کنترل صنعتی می‌باشد.

نمونه‌های معروف PLC با پردازنده داخلی

برخی از کنترلگرهای PLC با CPU تعبیه شده عبارتند از:

• Siemens Simatic S7-200 CPU 224

• S7-200 CPU 226

• Siemens Simatic S7-1200 CPU 1214C (6ES7 214)

این مدل‌ها PLC سبک و ثابت با پردازنده داخلی هستند و قابلیت گسترش با ماژول‌های ورودی و خروجی (I/O Modules) را دارند.

اجزای اصلی پردازنده PLC

یک CPU کنترلگر منطقی شامل سه جزء اساسی است:

1. واحد پردازش مرکزی (CPU Unit)

این سی پی یو مانند CPU کامپیوترهای شخصی طراحی نشده است، بلکه برای اجرای وظایف اختصاصی PLC مانند اسکن برنامه و اجرای دستورات منطقی تنظیم شده است.

مسئول کنترل کلیه فعالیت‌ها شامل مدیریت داده‌ها، اجرای برنامه، هدایت جریان داده و ارتباط بین ماژول‌ها است.

ریزپردازنده‌ها معمولاً در PLC به کار می‌روند. برخی PLCهای پیشرفته دارای چند ریزپردازنده هستند که وظایف را تقسیم می‌کنند تا سرعت و کارایی CPU افزایش یابد.

در PLCهای دو پردازنده‌ای، یک CPU برای محاسبات و پردازش داده‌ها و یک CPU دوم برای اجرای منطق و شمارش استفاده می‌شود.

2. حافظه PLC

حافظه PLC شامل حافظه داده و سیستم عامل است و برای ذخیره برنامه‌ها، داده‌ها و اطلاعات ورودی/خروجی به کار می‌رود.

اندازه حافظه بسته به قدرت پردازنده CPU متفاوت است؛ مدل‌های قدرتمندتر دارای CPU سریعتر و حافظه داخلی بیشتر هستند.

حافظه قابل ارتقا برخی PLCها امکان گسترش فضای ذخیره‌سازی برنامه و داده‌ها را فراهم می‌کند، که برای برنامه‌های بزرگ و پیچیده بسیار مفید است.

3. پورت برنامه‌نویسی

پورت برنامه‌نویسی روی CPU PLC برای اتصال به رایانه شخصی (PC) یا لپ‌تاپ استفاده می‌شود.

پروتکل‌های ارتباطی PLC بسته به سازنده متفاوت هستند و شامل:

• RS232

• RS485

• Ethernet

این پورت امکان انتقال برنامه و داده‌ها به کنترلگر منطقی را فراهم می‌کند و نقش مهمی در راه‌اندازی و عیب‌یابی سیستم‌های اتوماسیون صنعتی دارد.

✅ با توجه به موارد بالا، انتخاب یک CPU قدرتمند با حافظه مناسب و پورت‌های استاندارد برای هر سیستم اتوماسیون صنعتی و PLC بسیار حیاتی است تا بتوان برنامه‌های بزرگ و پیچیده را به راحتی اجرا کرد.

سیستم نصب PLC و سخت‌افزار کنترلگر

سیستم نصب سخت‌افزار کنترلگر منطقی (PLC Hardware Installation) از یک تولیدکننده به تولیدکننده دیگر متفاوت است و همچنین بسته به نوع PLC مورد استفاده می‌تواند متفاوت و اختصاصی باشد.

• هر کنترلگر منطقی ممکن است نیازمند روش نصب و راه‌اندازی ویژه خود باشد.

• سازندگان مختلف PLC دستورالعمل‌های نصب، سیم‌کشی و پیکربندی سخت‌افزار را متفاوت ارائه می‌دهند.

• توجه به راهنمای نصب تولیدکننده و انطباق با استانداردهای ایمنی و صنعتی برای عملکرد بهینه سیستم حیاتی است.

✅ بنابراین، قبل از نصب هر سیستم اتوماسیون صنعتی، باید نوع PLC و سخت‌افزار مرتبط بررسی شود تا عملکرد درست و پایدار سیستم تضمین شود.

منبع تغذیه کنترلگر صنعتی (PLC Power Supply)

هدف اصلی منبع تغذیه PLC، تبدیل ولتاژ منبع تغذیه موجود به ولتاژ قابل استفاده برای پردازنده (CPU) و سایر ماژول‌های کنترلگر منطقی است.

ولتاژهای ورودی و خروجی متداول

• ولتاژ ورودی: 120VAC، 240VAC، محدوده AC 85-265VAC و 24VDC

• ولتاژ خروجی: 24VDC و 5VDC

انواع منبع تغذیه PLC

سه نوع اصلی منبع تغذیه برای کنترلگرهای منطقی وجود دارد:

1. منبع تغذیه یکپارچه (Integrated Power Supply)

• این منبع تغذیه PLC در پردازنده کنترلگر منطقی (CPU) تعبیه شده است.

• PLCهای ثابت و برخی مدولار دارای منبع تغذیه داخلی هستند.

• ماژول منبع تغذیه جداگانه می‌تواند روی رک PLC نصب شود و برق لازم را به CPU و سایر ماژول‌ها منتقل کند.

2. ماژول منبع تغذیه (Power Supply Module)

اکثر تولیدکنندگان PLC، ماژول‌های منبع تغذیه را در سمت چپ (LHS) رک نصب می‌کنند، اما برخی در سمت راست (RHS) یا وسط رک نیز قابل نصب هستند.

نمونه‌های نصب منبع تغذیه PLC:

• Allen Bradley ControlLogix: نصب در سمت چپ قفسه PLC

• Koyo DirectLOGIC 305: نصب در سمت راست رک PLC

• Siemens Simatic S7-1200: منبع تغذیه یکپارچه در ماژول CPU

3. منبع تغذیه از راه دور (Remote Power Supply)

خروجی منبع تغذیه از طریق گذرگاه پشت صفحه PLC مستقیماً به پردازنده و سایر ماژول‌ها متصل می‌شود.

مثال: Mitsubishi Melsec با منبع تغذیه Q61P دارای ولتاژ ورودی 100-240VAC و خروجی 5VDC است.

اندازه منبع تغذیه بسته به تعداد ماژول‌های نصب شده روی رک انتخاب می‌شود. هرچه تعداد ماژول‌های ورودی و خروجی بیشتر باشد، منبع تغذیه بزرگتری نیاز است.

نکات مهم در انتخاب منبع تغذیه PLC

• رتبه‌بندی منبع تغذیه معمولاً بر اساس ولتاژ (V) و جریان (A) مشخص می‌شود.

• خروجی منبع تغذیه باید بیشتر از مجموع جریان مصرفی ماژول‌ها باشد تا سیستم PLC پایدار و ایمن کار کند.

• انتخاب منبع تغذیه مناسب برای سیستم‌های اتوماسیون صنعتی بزرگ و پیچیده ضروری است تا از قطعی برق یا ناپایداری سیستم جلوگیری شود.

رابط سخت‌افزاری ورودی و خروجی کنترلگر منطقی برنامه‌پذیر PLC

در سیستم‌های اتوماسیون صنعتی، ماژول‌های I/O Hardware Interface ورودی و خروجی PLC نقش رابط بین دستگاه‌های میدانی و پردازنده (CPU) را ایفا می‌کنند. این رابط I/O امکان انتقال داده‌ها و سیگنال‌ها از سنسورها و عملگرها به CPU و بالعکس را فراهم می‌کند.

اتصال ماژول‌های ورودی و خروجی

• ورودی‌ها و خروجی‌های PLC معمولاً از طریق نوار ترمینال (Terminal Strip) به دستگاه‌های میدانی متصل می‌شوند.

• ماژول‌های ارتباطی با پروتکل‌های Fieldbus مانند:

  • Ethernet/IP

  • Profinet

  • سایر پروتکل‌های صنعتی
    نیز می‌توانند به عنوان رابط I/O کنترلگر منطقی استفاده شوند.

مقایسه با رایانه شخصی

• در کامپیوترهای شخصی (PC)، رابط ورودی و خروجی ارتباط بین دستگاه‌های جانبی و رایانه است.

  • مثال دستگاه‌های ورودی: صفحه‌کلید، ماوس

  • مثال رابط ورودی: پورت USB

  • مثال دستگاه‌های خروجی: مانیتور

  • مثال رابط خروجی: پورت مانیتور

دستگاه‌های ورودی در PLC

ورودی‌های PLC به انواع سنسورها و دستگاه‌های میدانی متصل می‌شوند، از جمله:

• دکمه‌های فشار و سوئیچ‌های محدود

• سنسورهای مجاورت

• فرستنده‌های دما، فشار و سطح

• رمزگذارها (Encoders) و سایر حسگرهای صنعتی

دستگاه‌های خروجی در PLC

خروجی‌های PLC به انواع عملگرها و تجهیزات کنترلی متصل می‌شوند، مانند:

• رله‌ها و کنتاکتورهای موتور

• VFD یا درایوهای فرکانس متغیر

• شیرهای برقی و دریچه‌های متناسب

• چراغ‌های نشانگر و آژیرها

✅ بنابراین، ماژول‌های ورودی و خروجی PLC نقش حیاتی در ارتباط بین دنیای فیزیکی و پردازنده کنترلگر منطقی دارند و انتخاب صحیح نوع I/O و پروتکل ارتباطی برای عملکرد دقیق سیستم اتوماسیون صنعتی بسیار مهم است.

رابط سخت‌افزاری ارتباطی کنترلگر منطقی

کنترلگرهای منطقی برنامه‌پذیر (PLC) قادرند با استفاده از رابط‌های ارتباطی PLC Communication Interface با چندین دستگاه و سیستم اتوماسیون صنعتی ارتباط برقرار کنند.

عملکرد و کاربرد رابط ارتباطی PLC

• رابط ارتباطی PLC دارای درگاه‌های ارتباطی (Communication Ports) است که امکان اتصال کابل‌ها و دستگاه‌ها را فراهم می‌کند.

• این دستگاه‌ها شامل:

  • سایر کنترلگرهای منطقی (PLC-to-PLC)

  • ماژول‌های ورودی/خروجی از راه دور (Remote I/O)

  • دستگاه‌های Fieldbus و شبکه صنعتی

  • HMI یا صفحه‌های لمسی (Human Machine Interface)

  • رایانه‌ها و سرورها برای برنامه‌نویسی و مانیتورینگ

استفاده از چند رابط ارتباطی

• رابط‌های ارتباطی متعدد ممکن است در برنامه‌های بزرگ و پیچیده مورد نیاز باشند تا همه دستگاه‌ها و ماژول‌ها به طور همزمان کنترل و مانیتور شوند.

نوع رابط‌های ارتباطی PLC

• رابط تعبیه شده روی پردازنده (Built-in Ports): برخی CPUهای PLC دارای پورت‌های ارتباطی داخلی هستند.

• ماژول‌های ارتباطی اضافی (Communication Modules): در صورت نیاز به چندین ارتباط همزمان، می‌توان از ماژول‌های ارتباطی نصب شده روی رک PLC استفاده کرد.

✅ بنابراین، انتخاب رابط ارتباطی مناسب و تعداد پورت‌ها برای سیستم‌های اتوماسیون صنعتی بزرگ، نقش حیاتی در پایداری، سرعت و قابلیت توسعه PLC دارد.

دستگاه برنامه‌نویسی کنترلگر منطقی

آخرین جز سیستم کنترلگر منطقی (PLC)، دستگاه برنامه‌نویسی PLC Programming Device است. تمامی کنترلگرهای منطقی برنامه‌پذیر باید با استفاده از دستگاه‌های برنامه‌نویسی مناسب برنامه‌ریزی شوند تا بتوانند وظایف کنترلی و اتوماسیون صنعتی را به درستی اجرا کنند.

نقش و اهمیت دستگاه برنامه‌نویسی PLC

• دستگاه برنامه‌نویسی امکان نوشتن، ویرایش و بارگذاری برنامه‌ها روی پردازنده (CPU) PLC را فراهم می‌کند.

• این دستگاه می‌تواند رایانه شخصی (PC)، لپ‌تاپ یا HMIهای پیشرفته با قابلیت برنامه‌ریزی باشد.

• پروتکل‌های ارتباطی مانند Ethernet، USB، RS232 یا RS485 برای اتصال دستگاه برنامه‌نویسی به PLC استفاده می‌شوند.

اهمیت در اتوماسیون صنعتی

• بدون دستگاه برنامه‌نویسی PLC، کنترلگرهای منطقی نمی‌توانند سیستم‌های صنعتی، خطوط تولید و فرآیندهای اتوماسیون را کنترل کنند.

• این دستگاه‌ها برای رفع خطا، به‌روزرسانی برنامه و مانیتورینگ سیستم نیز ضروری هستند.

✅ بنابراین، انتخاب دستگاه برنامه‌نویسی مناسب و ارتباط امن با PLC برای اجرای برنامه‌های کنترل صنعتی دقیق و پایدار حیاتی است.

نرم‌افزارهای برنامه‌نویسی PLC

رایج‌ترین زبان‌ها و نرم‌افزارهای برنامه‌نویسی PLC عبارت‌اند از:

1. منطق نردبانی (Ladder Logic)

• رایج‌ترین زبان گرافیکی PLC

• شبیه به منطق رله‌ای کلاسیک، اما با استفاده از حافظه PLC و ورودی/خروجی‌ها

• کاربرد: توالی‌بندی، شمارش، زمان‌سنجی و دستکاری داده‌ها

2. بلوک‌های تابعی (Function Block)

• برنامه‌نویسی گرافیکی مبتنی بر بلوک‌ها

• ورودی‌ها سیگنال می‌دهند و بلوک‌ها عملکرد از پیش تعریف شده را اجرا می‌کنند

• مناسب برای سیستم‌های پیچیده، مدولار و قابل استفاده مجدد

3. متن ساختاریافته (Structured Text)

• زبان متنی PLC مشابه C، پایتون و VB

• مناسب برای محاسبات پیچیده و برنامه‌نویسی متنی پیشرفته

✅ انتخاب زبان برنامه‌نویسی مناسب بسته به پیچیدگی سیستم، قابلیت توسعه و نوع برنامه کنترل صنعتی تعیین می‌شود.

انواع معماری PLC

سه نوع اصلی معماری PLC در اتوماسیون صنعتی وجود دارد:

1. معماری PLC ثابت (Fixed PLC)

• تمام اجزای سخت‌افزاری مانند CPU، ماژول‌های I/O و منبع تغذیه در یک واحد یکپارچه قرار دارند.

• مناسب برای سیستم‌های کوچک و ساده با تعداد محدودی از ورودی و خروجی.

2. معماری PLC مدولار (Modular PLC)

• هر جزء سخت‌افزاری در ماژول‌های جداگانه قرار دارد و به هم متصل می‌شوند.

• مثال: ماژول‌های ورودی و خروجی آنالوگ، ماژول‌های ارتباطی و پردازنده جداگانه

• مناسب برای سیستم‌های متوسط تا بزرگ که نیاز به گسترش و سفارشی‌سازی دارند.

3. معماری PLC توزیع شده (Distributed PLC)

• اجزای سخت‌افزاری می‌توانند در مکان‌های مختلف و از طریق خطوط ارتباطی پرسرعت به هم متصل شوند.

• مناسب برای کارخانجات و خطوط تولید بزرگ که نیاز به کنترل گسترده و توزیع شده دارند.

✅ انتخاب نوع معماری PLC بستگی به پیچیدگی سیستم، تعداد ورودی/خروجی و قابلیت توسعه آینده دارد.

برندهای فعال در بازار پی ال سی

در بازار جهانی PLC، بسیاری از شرکت‌های معتبر تولیدکننده کنترلگرهای منطقی فعالیت می‌کنند. برخی از محبوب‌ترین برندهای PLC عبارت‌اند از:

• Siemens: یکی از برندهای پیشرو در اروپا با فناوری پیشرفته و محصولات با کیفیت

• Allen-Bradley (Rockwell Automation): برند معتبر در ایالات متحده آمریکا با راهکارهای اتوماسیون صنعتی گسترده

• Mitsubishi Electric: برند قدرتمند در بازار آسیایی با PLCهای با قابلیت اطمینان بالا

• Omron: فعال در بازار آسیایی و جهانی با راهکارهای انعطاف‌پذیر و دقیق

• Schneider Electric: برند شناخته‌شده در اتوماسیون صنعتی و سیستم‌های PLC با محصولات پرطرفدار و با کیفیت

✅ این برندها با ارائه فناوری‌های پیشرفته، نرم‌افزارهای برنامه‌نویسی قدرتمند و سخت‌افزار با کیفیت بالا، جایگاه قوی و محبوبی در صنعت اتوماسیون و تولید PLC دارند.

معرفی CPU و اجزای زیمنس PLC

واحد پردازش مرکزی (CPU Siemens PLC)

CPU PLC زیمنس قلب سیستم اتوماسیون صنعتی است و وظایف اصلی آن شامل:

• دریافت اطلاعات وضعیت از دستگاه‌های ورودی

• اجرای برنامه‌ها و انجام توابع منطقی

• تولید سیگنال‌های خروجی برای کنترل تجهیزات مانند رله و کنترل‌کننده‌ها

• ارتباط با کامپیوتر و دیگر بخش‌های سیستم

حالت‌های عملکرد CPU

1. حالت اجرا (Run Mode): اجرای برنامه و اتصال به خروجی، امکان ویرایش آنلاین وجود ندارد.

2. حالت برنامه (Program Mode): اجرای برنامه متوقف شده و امکان ویرایش و ورود برنامه فراهم است.

3. حالت از راه دور (Remote Mode): امکان تغییر حالت CPU از طریق برنامه‌نویسی یا اپراتور فراهم است.

کارت حافظه زیمنس

• رم (RAM): حافظه موقت برای ذخیره برنامه‌ها، داده‌ها و متغیرها (حافظه تصادفی)

• رام (ROM): حافظه فقط خواندنی برای ذخیره داده‌ها به صورت دائمی

• کارت حافظه زیمنس: حافظه قابل جدا شدن یا فلش کارت با ظرفیت‌های مختلف برای استفاده در CPU

کارت‌های ورودی و خروجی زیمنس

• تسهیل ارتباط با CPU

• اتصال و کنترل دستگاه‌های میدانی

• تنظیم قدرت سیگنال ورودی/خروجی

• انتقال سیگنال‌های گسسته از ورودی به خروجی

✅ در مجموع، CPU، حافظه و کارت‌های I/O زیمنس نقش حیاتی در اجرای برنامه‌ها و کنترل فرایندهای صنعتی دارند و انتخاب صحیح آن‌ها برای سیستم‌های اتوماسیون پایدار و دقیق ضروری است.