كنترلرهاي منطقي قابل برنامه ريزي (PLC)
فصل 6 - منطق نردبان

قبل از ظهور مدارهاي منطقي حالت جامد، سيستم هاي كنترل منطقي منحصراً پيرامون رله هاي الكترومكانيكي طراحي و ساخته مي شدند. رله‌ها در طراحي مدرن بسيار منسوخ نيستند، اما در بسياري از نقش‌هاي قبلي خود به عنوان دستگاه‌هاي كنترل سطح منطقي جايگزين شده‌اند، كه اغلب به آن دسته از برنامه‌هايي واگذار مي‌شوند كه نياز به جريان بالا و/يا كليد ولتاژ بالا دارند.

سيستم‌ها و فرآيندهايي كه نياز به كنترل «روشن/خاموش» دارند در تجارت و صنعت مدرن فراوانند، اما چنين سيستم‌هاي كنترلي به ندرت از رله‌هاي الكترومكانيكي يا گيت‌هاي منطقي گسسته ساخته مي‌شوند. در عوض، رايانه‌هاي ديجيتالي نياز را برطرف مي‌كنند، كه ممكن است براي انجام انواع عملكردهاي منطقي برنامه‌ريزي شوند.

تاريخچه كنترل كننده هاي منطقي قابل برنامه ريزي
در اواخر دهه 1960 يك شركت آمريكايي به نام Bedford Associates يك دستگاه محاسباتي به نام MODICON منتشر كرد. به عنوان مخفف، اين به معناي كنترلر ديجيتال مدولار بود و بعداً به نام يك بخش شركتي تبديل شد كه به طراحي، ساخت و فروش اين كامپيوترهاي كنترلي با هدف خاص اختصاص داشت.

شركت‌هاي مهندسي ديگر نسخه‌هاي خود را از اين دستگاه توسعه دادند و در نهايت به‌عنوان يك PLC يا كنترل‌كننده منطق قابل برنامه‌ريزي شناخته شد. هدف از PLC جايگزيني مستقيم رله هاي الكترومكانيكي به عنوان عناصر منطقي بود و در عوض يك كامپيوتر ديجيتال حالت جامد را با يك برنامه ذخيره شده جايگزين كرد، كه قادر به تقليد از اتصال بسياري از رله ها براي انجام وظايف منطقي خاص بود.

PLC هاي نردباني منطق و برنامه نويسي
يك PLC داراي پايانه هاي "ورودي" زيادي است كه از طريق آنها حالت هاي منطقي "بالا" و "پايين" را از حسگرها و سوئيچ ها تفسير مي كند. همچنين داراي پايانه‌هاي خروجي زيادي است كه از طريق آنها سيگنال‌هاي «بالا» و «كم» را به چراغ‌هاي برق، شير برقي، كنتاكتورها، موتورهاي كوچك و ساير دستگاه‌هايي كه به كنترل روشن/خاموش كمك مي‌كنند، ارسال مي‌كند.

در تلاش براي آسان كردن PLCها براي برنامه نويسي، زبان برنامه نويسي آنها به گونه اي طراحي شد كه شبيه نمودارهاي منطقي نردباني باشد. بنابراين، يك برق‌كار صنعتي يا مهندس برق كه به خواندن شماتيك‌هاي منطقي نردبان عادت دارد، از برنامه‌نويسي يك PLC براي انجام همان عملكردهاي كنترلي احساس راحتي مي‌كند.

PLC ها كامپيوترهاي صنعتي هستند و به اين ترتيب سيگنال هاي ورودي و خروجي آنها معمولاً 120 ولت متناوب هستند، درست مانند رله هاي كنترل الكترومكانيكي كه براي جايگزيني طراحي شده اند. اگرچه برخي از PLC ها توانايي ورودي و خروجي سيگنال هاي ولتاژ DC سطح پايين را با قدر مورد استفاده در مدارهاي گيت منطقي دارند، اين يك استثناست و نه يك قاعده. استانداردهاي اتصال سيگنال و برنامه نويسي بين مدل هاي مختلف PLC تا حدودي متفاوت است، اما آنها به اندازه كافي مشابه هستند كه امكان معرفي كلي برنامه نويسي PLC را در اينجا فراهم مي كند.

تصوير زير يك PLC ساده را نشان مي دهد، همانطور كه ممكن است از نماي جلو به نظر برسد. دو پايانه پيچي اتصال به 120 ولت AC را براي تغذيه مدار داخلي قيمت PLC با برچسب L1 و L2 فراهم مي كند. شش ترمينال پيچ در سمت چپ، اتصال به دستگاه‌هاي ورودي را فراهم مي‌كنند، كه هر پايانه نشان‌دهنده يك كانال ورودي متفاوت با برچسب «X» خود است.

ترمينال پيچ پايين سمت چپ يك اتصال "معمول" است كه به طور كلي به L2 (خنثي) منبع برق 120 VAC متصل است.

داخل محفظه PLC، كه بين هر ترمينال ورودي و ترمينال مشترك متصل است، يك دستگاه جداساز نوري (ديود ساطع نور) وجود دارد كه سيگنال منطقي "بالا" ايزوله الكتريكي را به مدار كامپيوتر ارائه مي دهد (يك ترانزيستور عكس نور LED را تفسير مي كند. ) هنگامي كه برق 120 VAC بين ترمينال ورودي مربوطه و ترمينال مشترك اعمال مي شود. يك LED نشانگر در پانل جلويي PLC نشانگر بصري ورودي "انرژي شده" است:

سيگنال‌هاي خروجي توسط مدار كامپيوتر PLC توليد مي‌شوند كه يك دستگاه سوئيچينگ (ترانزيستور، TRIAC يا حتي يك رله الكترومكانيكي) را فعال مي‌كند و ترمينال «Source» را به هر يك از پايانه‌هاي خروجي با برچسب «Y-» متصل مي‌كند. ترمينال "منبع" نيز معمولاً به سمت L1 منبع برق 120 VAC متصل مي شود. مانند هر ورودي، يك LED نشانگر روي پانل جلويي PLC نشانگر بصري يك خروجي "انرژي شده" را نشان مي دهد:

به اين ترتيب PLC قادر است با دستگاه هاي دنياي واقعي مانند سوئيچ ها و برقي ها ارتباط برقرار كند. منطق واقعي سيستم كنترل در داخل PLC با استفاده از يك برنامه كامپيوتري ايجاد مي شود. اين برنامه ديكته مي كند كه كدام خروجي تحت چه شرايط ورودي انرژي مي گيرد.

اگرچه خود برنامه يك نمودار منطقي نردباني به نظر مي رسد، با نمادهاي سوئيچ و رله، هيچ كنتاكت سوئيچ يا سيم پيچ رله واقعي در داخل PLC براي ايجاد روابط منطقي بين ورودي و خروجي وجود ندارد. اگر بخواهيد اين ها كنتاكت ها و سيم پيچ هاي خيالي هستند. اين برنامه از طريق يك كامپيوتر شخصي متصل به پورت برنامه نويسي PLC وارد و مشاهده مي شود. مدار و برنامه PLC زير را در نظر بگيريد:

هنگامي كه كليد فشاري فعال نشده است (فشرده نشده)، هيچ برقي به ورودي X1 PLC ارسال نمي شود. دنبال كردن برنامه، كه نشان مي دهد نه

كنتاكت X1 به صورت سري با سيم پيچ Y1 باز مي شود، هيچ "قدرت" به سيم پيچ Y1 ارسال نمي شود. بنابراين، خروجي Y1 PLC خاموش مي ماند و لامپ نشانگر متصل به آن تاريك باقي مي ماند.

با اين حال، اگر كليد فشاري فشار داده شود، برق به ورودي X1 PLC ارسال مي شود. تمام كنتاكت‌هاي X1 كه در برنامه ظاهر مي‌شوند حالت فعال شده (غير عادي) را به خود مي‌گيرند، گويي كه آنها كنتاكت‌هاي رله‌اي هستند كه توسط يك سيم پيچ رله به نام "X1" فعال مي‌شوند.

در اين حالت، انرژي دادن به ورودي X1 باعث مي‌شود كه كنتاكت X1 كه معمولاً باز است، «بسته» شود و «توان» را به سيم‌پيچ Y1 ارسال كند. هنگامي كه سيم پيچ Y1 برنامه "روشن مي شود"، خروجي واقعي Y1 روشن مي شود و لامپ متصل به آن را روشن مي كند:

بايد درك كرد كه كنتاكت X1، سيم پيچ Y1، سيم هاي اتصال، و "قدرت" ظاهر شده در نمايشگر رايانه شخصي همگي مجازي هستند. آنها به عنوان اجزاي الكتريكي واقعي وجود ندارند. آنها به عنوان دستورات در يك برنامه كامپيوتري وجود دارند - فقط يك نرم افزار - كه اتفاقاً شبيه يك نمودار شماتيك رله واقعي است.

درك آن به همان اندازه مهم است كه رايانه شخصي مورد استفاده براي نمايش و ويرايش برنامه PLC براي ادامه عملكرد PLC ضروري نيست. هنگامي كه يك برنامه از رايانه شخصي در PLC بارگذاري شد، رايانه شخصي ممكن است از PLC جدا شود و PLC به پيروي از دستورات برنامه ريزي شده ادامه مي دهد.

من صفحه نمايش رايانه شخصي را فقط به خاطر شما در اين تصاوير گنجانده ام تا به درك رابطه بين شرايط واقعي (بسته شدن سوئيچ و وضعيت لامپ) و وضعيت برنامه («قدرت» از طريق مخاطبين مجازي و سيم پيچ هاي مجازي) كمك كنم.

رفتار سيستم كنترل
قدرت واقعي و تطبيق پذيري يك PLC زماني آشكار مي شود كه بخواهيم رفتار يك سيستم كنترل را تغيير دهيم. از آنجايي كه PLC يك دستگاه قابل برنامه‌ريزي است، مي‌توانيم رفتار آن را با تغيير دستوراتي كه به آن مي‌دهيم تغيير دهيم، بدون نياز به پيكربندي مجدد اجزاي الكتريكي متصل به آن.

براي مثال، فرض كنيد مي‌خواهيم اين مدار كليد و لامپ را به صورت معكوس انجام دهيم: دكمه را فشار دهيد تا لامپ خاموش شود و آن را رها كنيد تا روشن شود. راه‌حل «سخت‌افزاري» مستلزم اين است كه يك كليد دكمه‌اي كه معمولاً بسته است جايگزين سوئيچ معمولي باز شود. راه‌حل «نرم‌افزار» بسيار ساده‌تر است: فقط برنامه را طوري تغيير دهيد كه مخاطب X1 به‌جاي باز كردن معمولي، به طور معمول بسته شود.

در تصوير زير، سيستم تغيير يافته را در حالتي كه دكمه فشاري فعال نشده است (فشرده نشده) نشان داده شده است:

در اين تصوير بعدي، سوئيچ فعال (فشرده شده) نشان داده شده است:

يكي از مزاياي اجراي كنترل منطقي در نرم افزار به جاي سخت افزار اين است كه سيگنال هاي ورودي را مي توان هر چند بار كه لازم است در برنامه دوباره استفاده كرد. براي مثال، مدار و برنامه زير را در نظر بگيريد كه براي روشن كردن لامپ طراحي شده است، اگر حداقل دو كليد از سه كليد فشاري به طور همزمان فعال شوند:

براي ساخت يك مدار معادل با استفاده از رله هاي الكترومكانيكي، بايد از سه رله با دو كنتاكت معمولي باز استفاده شود تا دو كنتاكت در هر كليد ورودي ارائه شود. با اين حال، با استفاده از يك PLC، مي‌توانيم هر تعداد مخاطب را كه بخواهيم براي هر ورودي X بدون افزودن سخت‌افزار اضافي برنامه‌ريزي كنيم، زيرا هر ورودي و هر خروجي چيزي بيش از يك بيت در حافظه ديجيتال PLC نيست (۰ يا ۱). ، و مي تواند هر چند بار كه لازم باشد فراخواني شود.