چگونه PLC صنعت شما را هوشمندتر می‌کند؟ کاربردها و مزایا

مجموعه: ابزار و ماشین آلات

PLC کنترل‌کننده منطقی قابل برنامه‌ریزی قلب اتوماسیون صنعتی است

همه چیز درباره PLC؛ از تاریخچه تا کاربردهای مدرن در صنعت

PLC یا Programmable Logic Controller (کنترل‌کننده منطقی قابل برنامه‌ریزی) یکی از فناوری‌های کلیدی در دنیای اتوماسیون صنعتی است که از دهه ۱۹۶۰ میلادی تاکنون، صنعت را متحول کرده است. این دستگاه، نوعی کامپیوتر صنعتی است که برای کارکرد قابل اطمینان در شرایط سخت مانند دماهای بالا، رطوبت، گردوغبار و محیط‌های خشک طراحی شده است.

PLCها برای خودکارسازی فرآیندهای صنعتی مانند خطوط تولید، کنترل ماشین‌آلات و نظارت بر سیستم‌ها به کار می‌روند. در این مقاله، به بررسی جامع چیستی PLC، تاریخچه، ساختار، نحوه کارکرد، برنامه‌نویسی، انواع، کاربردها، مزایا و معایب، برندها، ارتباطات مرتبط و نکات نگهداری و انتخاب می‌پردازیم.

PLC برای کار در شرایط سخت صنعتی طراحی شده است

تاریخچه PLC

ایده PLC اولین بار توسط ریچارد دیک مورلی، مهندس آمریکایی از دانشگاه MIT، مطرح شد. او در دهه ۱۹۶۰، تحصیلات خود را نیمه‌کاره رها کرد و با تأسیس شرکت خود، چالش‌های سیستم‌های کنترلی قدیمی را بررسی کرد. قبل از PLC، سیستم‌های کنترلی عمدتاً مبتنی بر رله‌های الکترومکانیکی بودند که شامل بانک‌های عظیم رله‌ها برای کنترل دستگاه‌ها می‌شدند. این سیستم‌ها مشکلات زیادی مانند استهلاک مکانیکی، سیم‌کشی پیچیده، عیب‌یابی دشوار و هزینه‌های بالای نگهداری داشتند.

اولین PLC در سال ۱۹۶۸ توسط شرکت Modicon (که بعداً بخشی از Schneider Electric شد) معرفی شد. این دستگاه برای جایگزینی رله‌ها در صنعت خودروسازی جنرال موتورز طراحی شد. با پیشرفت فناوری، PLCها از سیستم‌های ساده به دستگاه‌های پیشرفته با قابلیت‌های شبکه‌ای و ارتباطی تبدیل شدند. امروزه، PLCها بخشی جدایی‌ناپذیر از صنعت ۴.۰ و اینترنت اشیای صنعتی (IIoT) هستند.

ساختار PLC

PLC از اجزای سخت‌افزاری و نرم‌افزاری تشکیل شده است. ساختار کلی آن شامل بخش‌های زیر است:

اجزای سخت‌افزاری

• منبع تغذیه (Power Supply): برق AC را به DC تبدیل می‌کند (معمولاً ۲۴ ولت DC) و انرژی مورد نیاز CPU، ورودی/خروجی و سایر ماژول‌ها را تأمین می‌کند.

• واحد پردازش مرکزی (CPU): مغز PLC است که برنامه‌ها را اجرا می‌کند. شامل پردازنده، حافظه ROM (برای سیستم‌عامل و درایورها) و RAM (برای ذخیره برنامه‌ها و داده‌ها) است.

• ماژول‌های ورودی (Input Modules): سیگنال‌های خارجی مانند دما، فشار، سوئیچ‌ها و حسگرها را دریافت و به سیگنال‌های دیجیتال/آنالوگ تبدیل می‌کنند تا CPU بتواند آن‌ها را پردازش کند.

• ماژول‌های خروجی (Output Modules): دستورات CPU را به دستگاه‌های خارجی مانند موتورها، شیرها، رله‌ها و actuators منتقل می‌کنند.

• قفسه یا رک (Rack): شاسی اصلی که ماژول‌ها روی آن نصب می‌شوند.

• رابط‌های ارتباطی: پورت‌هایی مانند RS-232، RS-485، Ethernet برای اتصال به شبکه‌ها، HMI و SCADA.

اجزای نرم‌افزاری 

• سیستم‌عامل: مدیریت عملیات پایه مانند اسکن ورودی‌ها و اجرای برنامه.

• حافظه: برای ذخیره برنامه‌های کاربر و داده‌ها.

PLCها طراحی ماژولار دارند، بنابراین می‌توان ماژول‌ها را بر اساس نیاز پروژه اضافه یا تغییر داد.

دستگاه PLC فرآیندهای صنعتی را خودکار می‌کند

نحوه کارکرد PLC

PLC در یک چرخه مداوم (Scan Cycle) کار می‌کند که شامل مراحل زیر است:

• اسکن ورودی‌ها: CPU داده‌ها را از حسگرها و دستگاه‌های ورودی دریافت می‌کند.

• اجرای برنامه: برنامه کاربر (مانند منطق نردبانی) اجرا می‌شود و تصمیمات منطقی گرفته می‌شود.

• به‌روزرسانی خروجی‌ها: دستورات به دستگاه‌های خروجی ارسال می‌شود.

• تشخیص داخلی: PLC خود را برای خطاها بررسی می‌کند.

این چرخه در میلی‌ثانیه‌ها تکرار می‌شود. PLC داده‌ها را از ورودی‌ها حس می‌کند، پردازش می‌کند و خروجی‌های مناسبی تولید می‌کند، مانند روشن کردن موتور یا فعال کردن آلارم.

برنامه‌نویسی PLC

برنامه‌نویسی PLC بر اساس استاندارد IEC 61131-3 انجام می‌شود و زبان‌های رایجی شامل موارد زیر هستند:

• Ladder Logic (منطق نردبانی): محبوب‌ترین زبان، شبیه به مدارهای رله‌ای با رله‌ها و کنتاکت‌ها.

• Function Block Diagram (FBD): بلوک‌های گرافیکی برای توابع پیچیده.

• Structured Text (ST): زبان متنی شبیه به C یا Pascal برای الگوریتم‌های پیشرفته.

• Sequential Function Chart (SFC): برای فرآیندهای متوالی.

• Instruction List (IL): زبان متنی ساده شبیه به اسمبلی.

برنامه معمولاً روی کامپیوتر نوشته شده و از طریق نرم‌افزارهای اختصاصی (مانند TIA Portal زیمنس) به PLC دانلود می‌شود. برنامه‌نویسی PLC شغلی جذاب در مهندسی است، زیرا امکان طراحی سیستم‌های کنترلی در صنایع استراتژیک را فراهم می‌کند.

PLC جایگزین سیستم‌های رله‌ای قدیمی شد

انواع PLC

PLCها بر اساس اندازه، قابلیت و کاربرد دسته‌بندی می‌شوند:

• PLCهای کامپکت (Compact): همه اجزا در یک واحد یکپارچه؛ مناسب پروژه‌های کوچک.

• PLCهای ماژولار (Modular): امکان افزودن ماژول‌ها؛ برای پروژه‌های بزرگ.

• PLCهای رک (Rack): برای سیستم‌های پیچیده با تعداد بالای ورودی/خروجی.

• مینی PLC (مانند لوگو زیمنس): ساده و ارزان برای کاربردهای خانگی یا کوچک.

• از نظر ورودی/خروجی: دیجیتال (on/off)، آنالوگ (ولتاژ/جریان) و ویژه (مانند فرکانس بالا).

کاربردهای PLC

PLC در صنایع متنوعی استفاده می‌شود:

• خودروسازی: کنترل خطوط مونتاژ، رنگ‌پاشی و تست قطعات.

• شیمیایی و پلاستیک: ترکیب مواد و فرآیندهای تولید.

• غذایی: بسته‌بندی و عصاره‌گیری.

• فولاد و انرژی: کنترل ذوب و بازیافت گاز.

• حمل‌ونقل و ساختمانی: نوار نقاله، آسانسورها و کنترل روشنایی.

• سایر: نظارت بر امنیت، کنترل آسانسورها و فرآیندهای رباتیک.

حتی در لباسشویی‌های صنعتی یا سیستم‌های استخر، PLC برای کنترل بهینه استفاده می‌شود.

PLC در صنایع خودرو، غذا و نفت کاربرد دارد

مزایای PLC

• کاهش ۸۰ درصدی سیم‌کشی و وزن تابلوها.

• مصرف انرژی پایین و عیب‌یابی سریع.

• انعطاف‌پذیری در تغییر برنامه بدون تغییر سخت‌افزار.

• سرعت بالا (میکروثانیه) و دقت زیاد.

• عدم استهلاک مکانیکی و نویز.

• قابلیت شبکه‌سازی و اتصال به IIoT.

• کاهش هزینه پروژه‌ها و زمان اجرا.

• حفاظت بالا و مناسب برای محیط‌های سخت.

معایب PLC 

• زمان نامشخص برای بازیابی در صورت خرابی.

• محدودیت دمایی در برخی مدل‌ها.

• در قطعی برق، برنامه از نقطه توقف ادامه می‌یابد (که همیشه مطلوب نیست).

• اجرای تنها یک برنامه در مدل‌های ثابت.

• عدم سازگاری نرم‌افزار و قطعات بین برندها.

CPU مغز اصلی PLC برای اجرای برنامه‌هاست

سوالات متداول

1. تفاوت PLC با سیستم‌های رله‌ای قدیمی چیست؟

برخلاف سیستم‌های رله‌ای که مبتنی بر سیم‌کشی پیچیده و قطعات مکانیکی بودند، PLCها از برنامه‌نویسی دیجیتال استفاده می‌کنند، نیاز به سیم‌کشی را تا ۸۰ درصد کاهش می‌دهند، عیب‌یابی را آسان‌تر می‌کنند و انعطاف‌پذیری بالایی در تغییر برنامه دارند.

2. چگونه PLC را انتخاب کنیم؟

انتخاب PLC به عواملی مانند تعداد و نوع ورودی/خروجی، پروتکل‌های ارتباطی (مانند Modbus، Ethernet/IP)، ظرفیت حافظه، سرعت پردازش، و سازگاری با HMI و SCADA بستگی دارد. بررسی نیازهای پروژه و برند معتبر (مانند زیمنس یا دلتا) ضروری است.

3. آیا PLC نیاز به نگهداری دارد؟

PLCها به دلیل عدم وجود قطعات مکانیکی، نیاز به نگهداری کمی دارند. با این حال، بررسی منظم منبع تغذیه، اتصالات، و پشتیبان‌گیری از برنامه‌ها توصیه می‌شود.

4. آیا PLC می‌تواند در محیط‌های غیرصنعتی استفاده شود؟

بله، PLCها در کاربردهای غیرصنعتی مانند کنترل روشنایی هوشمند، سیستم‌های امنیتی خانگی، یا حتی در لباسشویی‌های صنعتی و سیستم‌های استخر استفاده می‌شوند.

5. آیا برنامه‌نویسی PLC دشوار است؟

برنامه‌نویسی PLC برای مبتدیان با زبان‌هایی مانند Ladder Logic که بصری و ساده هستند، آسان است. با این حال، برای پروژه‌های پیچیده‌تر (مانند برنامه‌نویسی با Structured Text)، نیاز به دانش عمیق‌تر است.

5. آیا PLC می‌تواند با اینترنت اشیا (IIoT) ادغام شود؟

بله، PLCهای مدرن از پروتکل‌هایی مانند MQTT و Ethernet پشتیبانی می‌کنند و می‌توانند داده‌ها را به سیستم‌های ابری برای تحلیل در IIoT ارسال کنند.

نتیجه‌گیری

PLC انقلابی در اتوماسیون صنعتی ایجاد کرده و با مزایای خود مانند انعطاف‌پذیری و قابلیت اطمینان ، جایگزین سیستم‌های قدیمی شده است. با پیشرفت فناوری، PLCها به سمت ادغام با AI و IIoT حرکت می‌کنند. اگر در صنایع کار می‌کنید، یادگیری PLC می‌تواند فرصت‌های شغلی جذابی ایجاد کند. 

گردآوری:بخش دانش کسب و کار بیتوته