امروز دوشنبه ۲۷ خرداد ۱۳۹۸ ۲۱:۳۵

مقالات

کنترل کنندهای واحدهای صنعتی و پتروشیمی PLC

پروژه  ۱۳۹۷/۱۰/۱۹
امروزه در بین کشورهای صنعتی ، رقابت فشرده و شدیدی در ارائه راهکارهایی برای کنترل بهتر فرآیندهای تولید ، وجود دارد که مدیران و مسئولان صنایع در این کشورها را بر آن داشته است تا تجهیزاتی مورد استفاده قرار دهند که سرعت و دقت عمل بالایی داشته باشند. بیشتر این تجهیزات شامل سیستم‌های استوار بر کنترلرهای قابل برنامه‌ریزی (Programmable Logic Controller) هستند. در بعضی موارد که لازم باشد می‌توان PLCها را با هم شبکه کرده و با یک کامپیوتر مرکزی مدیریت نمود تا بتوان کار کنترل سیستم‌های بسیار پیچیده را نیز با سرعت و دقت بسیار بالا و بدون نقص انجام داد. قابلیت‌هایی از قبیل توانایی خواندن انواع ورودی‌ها (دیجیتال ، آنالوگ ، فرکانس بالا...) ، توانایی انتقال فرمان به سیستم‌ها و قطعات خروجی ( نظیر مانیتورهای صنعتی ، موتور، شیر‌برقی ، ... ) و همچنین امکانات اتصال به شبکه ، ابعاد بسیار کوچک ، سرعت پاسخگویی بسیار بالا، ایمنی ، دقت و انعطاف پذیری زیاد این سیستم‌ها باعث شده که بتوان کنترل سیستم‌ها را در محدوده وسیعی انجام داد. شاید تا به حال نام اتوماسیون صنعتی،فرآیند و آشناتر از همه PLC را شنیده باشید.اما آیا تا به حال به مفهوم این لغات فکر کرده اید؟
تعاریف:
فرآیند: منظور از فرآیند مجموعه کارهایی است که بوسیله مجموعه عناصری روی مواد اولیه صورت می گیرد و ماده یا مواد دیگری را با تغییرات فیزیکی یا شیمیای تولید کند.
بطور مثال:
- فرآیند تولید کاغذ
- فرآیند تولید رنگ از ترکیب کردن مواد مختلف شیمیایی
برای کنترل قطعاتی که در فرآیند به کار گرفته می شود در دهه های گذشته اذ مدارات الکترومکانیکی یا سیتمهای پنوماتیکی استفاده می شده است.که می توان از آن میان به مدارات فرمان رله ای اشاره کرد.با پیشرفت علم الکترونیک و انقلاب نیمه هادی ها و میکروپروسس ها  در آن  کم کم انسان برای بالا بردن کیفیت و افزایش و بهینه سازی محصولات در کارخانه جات صنعتی انسان به فکر به کار گیری کامپیوتر ها در صنعت افتاد.
اتوماسیون صنعتی: به بهره گیری از کامپیوتر و وسایل الکترونیکی قابل برنامه ریزی(مانند PLC ) به منظور کنترل ماشین آلات صنعتی در اجرا یک فرآیند در صنعت که قبلا توسط انسان انجام می پذیرفت اتوماسیون صنعتی گفته می شود.
  :PLC(Programmable Logic Controller) یا کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی دستگاهی است که به عنوان مغز متفکر اتوماسیون صنعتی در حال کار می باشد.که جایگزین مدارات فرمان رله ای و جانشین انسان در کنترل یک فرآیند در صنایع مختلف گردید.
تارخچه سیستم های کنترل از گذشته تا به امروز:
رله ها:
تا اواسط دهة 1970 بسیاری از سیستمها توسط رله هایی که در تابلوهای کنترل بزرگ قرار داشتند، کنترل می شدند. این رله ها معمولا میزان قابل توجه ای گرما تولید می کردند، همچنین مصرف انرژی زیادی داشته و با ولتاژهای سطح بالا کار می کردند.
سیستمهای کنترل رله ای برای مهندسین و کارشناسان فنی مشکلات زیادی ایجاد می کردند. اتصالات سیم بندی شده معمولا خیلی زیاد و به هزاران اتصال می رسید، این موضوع منجر به وجود آمدن مشکلات زیادی به هنگام از دست دادن یکی از اتصالات می شد. تایمرها به صورت پنوماتیکی بوده و به همین دلیل نیاز به تنظیمات دستی دوره ای داشتند که این امر باعث ایجاد مشکلاتی برای مهندسین می شد.
به دلیل اینکه رله ها یک عنصر مکانیکی هستند، روشن و خاموش شدن کویل رله ها به آهستگی صورت می گرفت و همچنین زمان لازم برای عملکرد رله بسته به نوع آن متفاوت بود. این مشکل دیگری بود که در سیستمهای رله ای وجود داشت. از لحاظ مکانیکی نیز رله ها نیاز به نگهداری دوره ای برای تمیز کردن کنتاکتها و یا تعویض کامل رله ها داشته اند. همچنین با توجه به محدودیت تعداد کنتاکتهای موجود در رله ها باید برای دستیابی به کنتاکتهای بیشتر از رله ها به صورت موازی استفاده می شده است.
ایجاد تغییرات به منظور تغییر در منطق عملکرد سیستم کنترل نیاز به جا به جایی و یا برداشتن بعضی از سیمهای سیم بندی شده داشت که این امر نیز منجر به اشتباهات زیادی می شده است. 
تغییرات ایجاد شده در سیم بندی نیز معمولا جایی به ثبت نمی رسید که باعث افزایش مشکلات در هنگام رفع اشکال مدار می شده است. رفع اشکال نیز با مشکلات زیادی همراه بود که شامل اندازه گیری ولتاژها، خواندن اسناد مربوط به تابلو کنترل، بیرون کشیدن سیمها از تابلو کنترل و دنبال کردن سیمها برای پیدا کردن قطعی و یا مشکلات در مسیر سیم کشی می شد. منطق کنترل نیز به شکل " منطق نردبانی رله ای     (RLL)"ترسیم می شده است. که در این روش "ستون های" عمودی نشان دهندة مسیر قدرت مدار منطقی و "پله های" افقی نیز نشان دهندة منطق رله ای کنترل دستگاه بوده است.
PLCها:
وظیفه  PLCقبلا بر عهده مدارهای فرمان رله ای بود که استفاده ازآنها در محیط های صنعتی جدید منسوخ گردیده است.اولین اشکالی که در این مدارها ظاهر می شودآن است که با افزایش تعداد رله ها حجم و وزن مدار فرمان بسیار بزرگ شده، همچنین موجب افزایش قیمت آن می گردد . برای رفع این اشکال مدارهای فرمان الکترونیکی ساخته شد ، ولی با وجود این هنگامی که تغییری در روند یا عملکرد ماشین صورت می گیرد لازم است تغییرات بسیاری در سخت افزار سیستم کنترل داده شود .
با استفاده از PLC تغییر در روند یا عملکرد ماشین به آسانی صورت می پذیرد، زیرا دیگر لازم نیست سیم کشی ها و سخت افزار سیستم کنترل تغییر کند و تنها کافی است چند سطر برنامه نوشت و به PLCارسال کرد تا کنترل مورد نظر تحقق یابد. کنترل کننده های منطقی برنامه پذیر (PLC) برای رفع و یا کاهش استفاده از رله ها طراحی شده اند PLCها باعث کاهش سایز تابلوهای کنترل و همچنین انرژی مصرفی سیستمهای کنترل شده اند. در PLC های قدیمی برای جلوگیری از سیم بندی دوبارة سیستمهایی رله ای که با ولتاژ های سطح پایین کار می کردند از ولتاژ 120VAC استفاده شده است.
عناصر ورودی به یک نقطه اتصال در PLC متصل می شوند. از دست دادن اتصالات و قطعی آنها همچنان به عنوان مشکل باقی مانده است ولی با استفاده از PLC تعداد اتصالات به میزان قابل توجه ای کاهش پیدا کرده است. تایمرها موجود در PLC الکتریکی بوده و بسیار باثبات تر از تایمرهای پنوماتیکی قدیمی است. امروزه تایمرهای PLC به طرز باور نکردنی دقیق هستند به طوری که قابلیت محاسبة زمان با دقت بسیار بالا را دارا می باشند.
ماهیت حالت جامد PLC ها توانسته است بسیاری از محدودیت های مکانیکی که در سیستمهای رله ای وجود داشته است را برطرف سازد. برای اتصال بسیاری از خروجی های PLC به بارهای خارجی هنوز از رله ها استفاده می شود. این رله ها در ساختار داخلی PLC دارای تعداد نامحدودی کنتاکت برای استفاده در برنامه نویسی هستند. بنابراین یک PLC می تواند جایگزین هزاران هزار رله ولی در فضایی کوچک باشد.
برنامه نویسی مجدد به جای تغییر در سیم بندی سیستم، برای تغییر منطق عملکرد سیستم کنترل استفاده می شود. رفع اشکال با استفاده ازعناصر برنامه نویسی که در عملکرد منطقی برنامه دیده می شود انجام می گیرد. این روش بسیار ساده تر از دنبال کردن سیمها و یا تست کردن کنتاکت رله ها می باشد.
بسیاری از متخصصان برق برای خواندن منطق RLL برای نصب و رفع اشکال سیستمهای کنترل رله ای دوره دیده اند. این امر باعث شده تا در زبان برنامه نویسی PLC با الهام از منطق رله ای، از همان دید برنامه نویسی با منطق رله ای استفاده شود، که نمونة بارز آن زبان برنامه نویسی نردبانی می باشد.

1

مفهوم کنترلرهای قابل برنامه‌ریزی PLC:
در سیستم‌های اتوماسیون وظیفه اصلی کنترل بر عهدهPLC  است که با گرفتن اطلاعات از طریق ترمینالهای ورودی، وضعیت ماشین را حس کرده و نسبت به آن پاسخ مناسبی برای ماشین فراهم می‌کند. امکان تعریف مدهای مختلف برای ترمینالهای ورودی/خروجی یک PLC، این امکان را فراهم کرده تا بتوان PLC را مستقیما به المانهای دیگر وصل کرد. علاوه بر این PLC شامل یک واحد پردازشگر مرکزی( CPU) نیز هست، که برنامه کنترلی مورد نظر را اجرا می‌کند. این کنترلر آنقدر قدرتمند است که می‌تواند هزارها I/O را در مدهای مختلف آنالوگ یا دیجیتال و همچنین هزارها تایمر/ کانتر را کنترل نماید. همین امر باعث شده بتوان هر سیستمی، از سیستم کنترل ماشین‌هایی با چند I/O که کار ساده‌ای مثل تکرار یک سیکل کاری کوچک انجام می‌دهند گرفته تا سیستم‌های بسیار پیچیده تعیین موقعیت و مکان‌یابی را کنترل نمود. این سیستم می‌تواند بدون نیاز به سیم‌بندی و قطعات جانبی و فقط از طریق نوشتن چند خط برنامه تا صدها تایمر را در آن واحد کنترل و استفاده نماید.  PLC ها سخت افزاری شبیه کامپیوتر دارند، البته با ویژگیهای خاصی که مناسب کنترل صنعتی است
زمان پاسخ‌گویی  Scan Time:
این زمان بستگی به سرعت پردازش CPU مدل انتخاب شده PLC و طول برنامه کاربر دارد. از یک میکرو‌ثانیه تا ده میلی ثانیه می‌باشد. مثلا در مواقعی که I/O از سیستم اصلی دور باشد، چون مجبور به نقل و انتقال سیگنالها به سیستم دورتری هستیم در نتیجه زمان اسکن زیاد می‌شود. همچنین مانیتور کردن برنامه کنترلی اغلب به زمان اسکن می‌افزاید چرا که CPU کنترلر مجبور است وضعیت کنتاکتها، رله‌ها ، تایمر‌ها و... را روی CRT یا هر وسیله نمایشگر دیگری بفرستد.
قطعات ورودی:
هوشمند بودن سیستم اتوماسیون بیشتر مربوط به توانایی PLC در خواندن سیگنالهای ارسالی از انواع ورودی‌ها، دستی، اتوماتیک و حس‌گرهای خودکار می‌باشد. قطعات ورودی نظیر شستی‌های استارت/ استوپ ، سوییچ‌ها، میکرو‌سوییچ‌ها، سنسورهای فتوالکتریک، proximity ،  level sensor ، ترموکوپل، PT100 و...  PLC از این سنسورها برای انجام عملیاتی نظیر تشخیص قطعه روی نوار نقاله حامل قطعات، تشخیص رنگ، تشخیص سطح مایعات داخل مخزن، آگاهی داشتن از مکانیزم حرکت و موقعیت جسم، تست کردن فشار مخازن و بسیاری موارد دیگر، استفاده می‌کند.
سیگنالهای ورودی یا دیجیتال هستند و یا آنالوگ، که در هر صورت ورودی‌های PLC را توان در مدهای مختلف تنظیم و مورد استفاده قرار داد.
قطعات خروجی:
همانطوری که می‌دانید یک سیستم اتوماسیون شده بدون داشتن قابلیت اتصال به قطعات خروجی از قبیل سیم‌پیچ، موتور، اینورتر، شیربرقی ، هیتر و ... کامل نخواهد بود. قطعت خروجی نحوه عملکرد سیستم را نشان می‌دهند و مستقیما تحت تاثیر اجرای برنامه کنترلی سیستم هستند در خروجی‌های PLC نیز مدهای مختلفی برای اعمال سیگنال به المانهای خروجی وجود دارد.
نقش کنترلرهای قابل برنامه‌ریزی (PLC) در اتوماسیون صنعتی:
در یک سیستم اتوماسیون، PLC بعنوان قلب سیستم کنترلی عمل می‌کند. هنگام اجرای یک برنامه کنترلی که در حافظه آن ذخیره شده است، PLC همواره وضعیت سیستم را بررسی می‌کند. این کار را با گرفتن فیدبک از قطعات ورودی و سنسورها انجام می‌دهد. سپس این اطلاعات را به برنامه کنترلی خود منتقل می‌کند و نسبت به آن در مورد نحوه عملکرد ماشین تصمیم‌گیری می‌کند و در نهایت فرمانهای لازم را به قطعات و دستگاههای مربوطه ارسال می‌کند.
مقایسه تابلوهای کنترل معمولی با تابلوهای  کنترلی مبتنی بر PLC:
امروزه تابلوهای کنترل معمولی ( رله‌ای ) خیلی کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. چرا که معایب زیادی دارند. از آنجا که این نوع تابلوها با رله‌های الکترو‌مکانیکی کنترل می‌شوند، وزن بیشتری پیدا می‌کنند، سیم‌کشی تابلو کار بسیار زیادی می‌طلبد و سیستم را بسیار پیچیده می‌کند. در نتیجه عیب‌یابی و رفع مشکل آن بسیار پرزحمت بوده و برای اعمال تغییرات لازم در هر سال و یا بروز کردن سیستم بایستی ماشین را بمدت طولانی متوقف نمود که این امر مقرون به صرفه نخواهد بود. ضمنا توان مصرفی این تابلوها بسیار زیاد است. 
با بوجود آمدن PLC، مفهوم کنترل و طراحی سیستم‌های کنترلی بطور بسیار چشمگیری پیشرفت کرده است و استفاده از این کنترلر‌ها مزایای بسیار زیادی دارد. که به برخی از این موارد در زیر اشاره کرده‌ایم. که با مطالعه آن می‌توان به وجه تمایز PLC  با سایر سیستم‌های کنترلی پی برد:

سیم بندی سیستم‌های جدید در مقایسه با سیستم‌های کنترل رله‌ای تا 80٪ کاهش می‌یابد.
از آنجاییکه PLC توان بسیار کمی مصرف می‌کند، توان مصرفی بشدت کاهش پیدا خواهد کرد.
توابع عیب یاب داخلی سیستم PLC ، تشخیص و عیب‌یابی سیستم را بسیار سریع و راحت می‌کند.
برعکس سیستم‌های قدیمی در سیستم‌های کنترلی جدید اگر نیاز به تغییر در نحوه کنترل یا ترتیب مراحل آن داشته باشیم، بدون نیاز به تغییر سیم‌بندی و تنها با نوشتن چند خط برنامه این کار را انجام می‌دهیم. در نتیجه وقت و هزینه بسیار بسیار اندکی صرف انجام اینکار خواهد شد.
در مقایسه با تابلو‌های قدیمی در سیستم‌های مبتنی بر PLC نیاز به قطعات کمکی از قبیل رله ، کانتر، تایمر، مبدل‌های A/D و D/A و... بسیار کمتر شده است. همین امر نیز باعث شده در سیستم‌های جدید از سیم‌بندی،  پیچیدگی و وزن تابلو‌ها به نحو چشمگیری کاسته شود.
از آنجاییکه سرعت عملکرد و پاسخ‌دهی  PLC در حدود میکرو‌ثانیه و نهایتا میلی ثانیه است،  لذا زمان لازم برای انجام هر سیکل کاری ماشین بطور قابل ملاحظه‌ای کاهش یافته و این امر باعث افزایش میزان تولید و بالا رفتن بازدهی دستگاه می‌شود.
ضریب اطمینان و درجه حفاظت این سیستم‌ها بسیار بالا تر از ماشین‌های رله‌ای است.
وقتی توابع کنترل پیچیده‌تر و تعداد I/O ها خیلی زیاد باشد، جایگزین کردن PLC بسیار کم ‌هزینه‌تر و راحت‌تر خواهد بود.
کنترل منطقی چیست؟

کنترل منطقی عبارت است از کنترلی که در آن صدور فرمانها ،مستلزم برآورده شدن یکسری توابع و خواست های منطقی باشد و دستگاه PLC می تواند این نیاز را برطرف کند.
میدانیم که قبل از آمدن سیستم های کنترل منطقی ، وظیفه کنترل صنعتی بر عهده مدار های فرمان الکتریکی بوده است ، مدارات الکتریکی مشکلات بسیاری داشتند که PLC ها آنها را رفع نمودند.

PLCها مزایای بسیاری نسبت به مدارات فرمان الکتریکی دارند که ازجمله می توان به موارد زیر اشاره 

1)استفاده از PLC موجب کاهش حجم تابلو های فرمان و کاهش در هزینه های لوازم وقطعات می گردد.
2) با استفاده از PLC استهلاک مکانیکی قطعات ازبین رفته ، عمر مفید سیستم به اندازه قابل توجهی 
زیاد می شود
3)دستگاه PLC با جریان و ولتاژهای پایین کار کرده در نتیجه انرژی کمتری مصرف می نماید.
4)سیستم هایPLC در مقابل نویز های الکتریکی و صوتی ایزوله هستند.
5)طراحی مدارها در سیستم های PLC بسیار راحت صورت می گیرد و در صورت نیاز به تغییرات ، به 
آسانی و مدت زمان کم می توان بدون انجام تغییرات در کل مدار، برنامه را عوض کرد.
6)عیب یابی وتهلیل مدارات خیلی راحت صورت می گیرد.
7)سرعت عمل ودقت در انجام مراحل مختلف از خصوصیات مهم سیستم های PLC می باشد.


در صنعت دو نوع کنترل موجود است:

الف) کنترل سخت افزاری   ب ) کنترل نرم افزاری


قسمت هی اصلی PLC:

همان طور که در قبل هم اشاره شد PLC شبیه کامپیوتر است، پس دستگاهPLC ساختمان داخلی شبیه به کامپیوتر معمولی دارد.

درشکل صفحه بعد واحد های PLC مشاهده می شوند:

 
2
 
در صنعت PLC بیش از یکصد کارخانه با تنوع بیش از هزار مدل از انواع مختلف PLC فعالیت می نمایند. این نمونه های مختلف دارای سطوح مختلفی از کارآِیی می باشند. PLC ها را می توان از نظر اندازه حافظه یا تعداد ورودی / خروجی دسته بندی نمود
PLC های متوسط: این PLC ها ساختار مدولار دارند. در نتیجه توسعه یا تغییر آنها ساده است و تنها با اضافه نمودن یا تغییر مدولها صورت می گیرد. مدولها به گونه ای محلم ساخته می شوند تا در محیط های صنعتی کارکرد مطمئن داشته باشند. از این PLC ها در مواردی استفاده می شود که تعداد خطوط I/O زیاد و توسعه سیستم در آینده محتمل باشد. امکانات ارتباطی این PLCها زیاد است و می توان از آنها در کنترل گسترده استفاده نمود. برنامه ریزی این PLC ها به صورت گرافیکی نیز میسر است.
PLCهای بزرگ: در مواردی که تعداد ورودی/ خروجی بسیار زیاد است و یا عملیات کنترلی پیچیده است از PLC های بزرگ استفاده می گردد. از این PLC ها برای هدایت تعدادی PLC کوچک نیز استفاده می گردد. 

از بارز ترین ویژگیهای این PLC های می توان به موارد زیر اشاره کرد: 
- پردازنده 16 بیتی برای انجام عملیات محاسباتی 

- پردازنده یک بیتی برای انجام عملیات موازی و تسریع در شمارش و ذخیره 

- حافظه زیاد 

- عیب یابی و نمایش وضعیت 

- ارتباط با اجزای کنترل گسترده 

- کنترل حلقه بسته 

و موارد دیگر… 


برنامه نویسی PLCهای بزرگ معمولا با استفاده از زبانهای سطح بالا صورت می گیرد 
البته برای ارزیابی یک PLC باید به ویژگی های دیگر نظیر پردازنده، زمان اجرای یک سیکل، سادگی زبان برنامه نویسی، قابلیت توسعه و غیره را در نظر گرفت. 
در یک تقسیم بندی PLC ها در دوغالب PLC های با کاربرد محلی و PLC های با کاربرد وسیع تقسیم می گردند.

PLC ها با کاربرد محلی: 
این نوع PLC ها برای کنترل سیستم های با حجم کوچک با تعداد ورودی و خروجی های محدود استفاده می گردند. به علت قابلیت محدودتر ، این نوع PLC ها برای کنترل همزمان تعداد کمتری از فرایند ها یا کنترل دستگاه های مجزای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند. اغلب شرکت های سازنده، این نوع PLC ها را به همراه سایر PLC به بازار ارائه نموده اند ولی برخی از شرکت های سازنده آن را با نام میکرو PLC به بازار ارائه می نمایند ، از جمله این نوع PLC می توان به نمونه زیر اشاره کرد: 

1- مینی PLC ساخت کارخانه زیمنس آلمان با نام LOGO 

2- مینی PLC ساخت کارخانه تله مکانیک فرانسه با نام Zelio 

3- PLC مولر آلمان 

4- PLC ، LG کره

PLC ها با کاربرد گسترده: 

این نوع PLC ها برای کنترل سایت کارخانجات بزرگ استفاده می شود. معمولا در این کارخانجات ؛ PLC ها در قسمت های مختلف سایت کارخانه وجود داشته و کنترل محلی بر قسمت های تحت پوشش خود انجام می دهند و اطلاعات مورد نیاز را با استفاده از روشهای گوناگون به اتاق کنترل مرکزی منتقل می کنند که در آن محل با استفاده از روش های مختلف مونیتورینگ صنعتی ، اطلاعات به شکل گرافیکی تبدیل کرده و بر روی صفحه مونیوتور نمایش می دهند. در این حال اپراتور تنها با دانستن روش کار با کامپیوتر و بودن نیاز به اطلاعات تخصصی می تواند سیستم را کنترل کند. 

از جمله این PLC ها می توان به نمونه های زیر اشاره کرد: 

1- خانواده PLC های S5 و S7 

2- خانواده PLC های OMRON ژاپن 

3-خانواده PLC های تله مکانیک فرانسه 

4-خانواده PLC میتسوبیشی ژاپن 

5-خانواده PLC های LG کره 

6-خانواده PLC آلن برادلی امریکا
مقدمه ای بر سیستمهای DCS & PLC و کنترلرهای واحدهای پتروشیمی:
هر سیستم کنترلی در یک حلقه بسته شامل :
1)   سنسور: که پارامتر کنترل شونده را اندازه گیری کرده که این مقدارمی تواند دما،فشار،لول،فلو ویا هر پارامتر دیگری باشد در بخشهای قبلی این سنسورها تا حدودی مورد بررسی قرار گرفت.
2)   DCS یا PLC: این قسمت وظیفه دارد مقدار قرائت شده سنسور را آنالیز کرده و مرتبط با سیستم بسته به نوع کنترل شوندگی بصورت دیجیتال یا آنالوگ دستور و فرمان لازم را به قسمت مربوطه صادر نماید.
3)  کنترلر: نوع کنترلربستگی به نوع فرمان میباشد میتواند TC :کنترلر دما  PC: کنترلر فشار    LC: کنترلر لول  FC: کنترلر فلو و یا هر پارامتر دیگری باشد.این کنترلر نیزمی تواند یا بصورت ON/OFF ویا بصورت درصدی کنترل نماید.در هر دو حالت سیگنالی جهت تعیین وضعیت کنترلر به قسمت DCS یا PLC ارسال می گردد.
4)محرک : یا قسمت فرمان گیرنده وظیفه دارد با توجه به دستور صادره از کنترلر را اجرا نموده و مثلا یک کنترل ولو را در نظر بگیرید که مسیر بخار یا CW1 را باز و بست می نماید.
در شکل زیر یک نمونه از حلقه کنترلی را مشاهده می نمایید که تجهیزات وسیگنالهالهای کنترلی را نشان میدهد و قرار است دمای یک مخزن کنترل شود این نوع کنترل شوندگی در صنعت مثلا پتروشیمی می تواند کنترل دمای مخزن ساخت کاتالیست باشد که کنترل پارامتر دما از حساسیت بالایی برخورداراست واین میزان در حد دهم یا صدم درجه است.


3
انوع کنترلرها یا کامپیوترهای کنترلی:

a. Pneumatic controllers
b. Electronic analog controllers 
c. Supervisory control computers
d. Distributed Control Systems (DCS)
e. Field bus technology

1- کنترلرهای پنوماتیکی :
این نوع سیستمها از سال 1920 به بعد پیشنهاد شده ودر ابتدا در محل کنترل شوندگی بلافاصله بعد از محرک قرار داده می شد.شامل Bellows ،Baffles  ، Nozzles با ورودی هوای ابزاردقیق که عمل کنترل PID را بر عهده داشت.این عمل به صورت دستی انجام می شد که بعدها نوع کنترل اتوماتیک جایگرین این نوع سیستم گردید.ازسال 1930 ترانسمیترهای نوع پنوماتیکی شروع به جایگزینی با کنترلرهای محلی یا Local گردید. خروجی این ترانسمیترها به جای دیگری که اتاق کنترل یا Control Room اطلاق میگردد، انتقال و جهت پردازش روی سیگنال وارده یا بصورت کنترلی و یا توسط اپراتور انجام می شد.که متعاقب آن دستور لازم را یه محرک اعمال می گردید.این عمل به اپراتورها اجازه می داد آدرس محل کنترلر را بصورت کنترل تمرکزى centralized control انجام دهند.نحوه نصب این گونه سیستمها را در شکل زیر ملاحظه می فرمایید:


4

2) کنترلرهای الکترونیکی آنالوگ:
از سال 1950 به بعد بوجود آمدند.سیستم کابل یا Wires جایگزین سیستم پنوماتیک گردید در این سیستمها از المانهای الکترونیکی همچونترانزیستور،خازنها،مقاومتها،تقویت کننده ها جهت شبیه سازی کنترلرهای PID بوجود آمدند.از سال 1970 سیستمهای پنوماتیکی تقریبا کنار گذاشته شدند.ایننوع سیستم انقلابی در کنترل PID پیشرفته ایجاد نمود.که شامل نسبت کنترلی و Feedforward و غیره گردید.یک نمونه از این سیستم را در زیر ملاحظه می فرمایید.

5
3)سیستمهای کنترل کامپیوتری:
برپایه سیستمهای پردازش مرکزی توسط کامپیوترهای دیجیتال می باشد.قابلیت ذخیره و بازیابی اطلاعات توابع خطا و بهینه سازی سیستم را دارد.برای اولین بار در یک پالایشگاه در سال 1959 نصب گرید.این نوع سیستمها بدلیل انعطاف پذیری فاقد خطا خواهد بود.نوع کنترل نظارتی این سیستم به شکل زیر اس 
4) سیستمهای DCS:
از سال1970 به بعد معرفی شد.بر اساس سیستم  Redundant microprocessorsپایه ریزی شده است که نوعی از توابع کنترلی را برای قسمتی از واحد انجام می دهد.این بدین معناست که یک پردازشگر مافوق نیز وجود دارد.این خود نوعی از یک کنترل پیشرفته را نیز بوجود می آورد .مزیت این سیستم در ارزان  بودن هر حلقه کنترلی برای سیستمهای بزرگترمی باشد.وهمچنین  جهت توسعه این سیستمها نیزهزینه کمتری مورد نیاز می باشد.در شکل ملاحظه می کنید:

 
6

5) سیستمهای Field bus :

این سیستمها بر اساس کنترل ولوها ، سنسورها و کنترلرهای هوشمند نصب شده در واحد ویا Field پایه ریزی شده است.یک نوع شاهراه ویا بر اساس سیستمهای مخابراتی یک نوع کانال یا Carrier جایگزین کابلها شده بنابراین پیچیدگی و هزینه های بالای کابل کشی را از بین برده است.چون پیچیدگی خاص سیستمهای قبلی را ندارد بنابرین احتمال وجود خطا را کاهش داده است.توانایی میکس کردن منابع برای سنسورها ، ترانسمیترها و کنترل ولوها را بمنظور تغذیه نمودن آنها را دارد.در حال حاضرنیزاز لحاظ تجاری جایگزین مناسبی برای سیستمهای DCS می باشد. در زیر ساختار داخلی این سیستم را ملاحظه می فرمایید:


7
مقایسه سیستمهای کنترلی مختلف:
به طور کلی چهار سیستم کنترلی وجود دارد:
1. سیستمهای رله ای از قدیمی ترین سیستم کنترلی هستند. در این سیستمها کلیه عملیات کنترلی با استفاده از رله ها انجام می پذیرد.
2. سیستمهای کنترلی مبنی بر مدارهای منطقی. در این سیستم ها از دروازه های منطقی و تراشه های کوچک برای پیاده سازی عملیات منطقی استفاده می شود.
3. کنترل با کامپیو تر شخصی
4. کنترل مبنی بر PLC.
در جدول زیر انواع سیستمهای کنترل کننده از جنبه های مختلف مقایه شده اند:

 
8
برخی از معایب یا توجهات خاص در بکارگیری سیستمهای PLC:
1) کاربردهایی با برنامه ثابت: شاید استفاده از PLC که قابلیت های برنامه ریزی زیادی دارد،در صورت نیاز نداشتن به آنهامقرون بصرفه نباشد مانند کنترل کننده های غلتکی/دنبالگر.برخی از سازندگان تجهیزات برای کاهش هزینه ها، هنوز از سیستمهای غلتکی مکانیکی استفاده می کنند.تغییر کارها غلتک ها بندرت تغییر می کند بنابراین قابلیت تغییر برنامه ریزی PLCها در اینجا جندان اهمیت ندارد
2) ملاحظات محل کار: برخی پارامترهای محیط مانند: دمای بالا،ارتعاشات، تداخلات الکترو مغناطیسی ، عواملی هستند که کاربرد PLCها را محدود می کنند.
3) عملکرد ایمن در برابر اشتباه : در سیستمهای رله ای فشردن کلید توقف، برق مدار را قطع می کند و همینطور قطع منبع برق، باعث خاموش شدن سیستم می شود. بعلاوه سیستهای رله ای هنگام وصل مجدد برق بطور خودکار روشن نمی شوند. البته این موضوع از طریق برنامه نویسی در مورد PLC نیز قابل اعمال است. اما در بعضی از برنامه های PLCممکن است برای متوقف ساختن یک وسیله نیاز به اعمال ولتاژ ورودی باشد ، این گونه سیستمهادر مقابل اشتباه ایمن نیستندالبته این نقص با افزودن رله های حفاظتی به سیستم PLC رفع می شود.
4) عملکرد مدار ثابت: اگر سیستم مورد نظر هرگز نیاز به تغییر نداشته باشد ، یک سیستم کنترل ثابت (مانند غلتک مکانیکی) هزینه کمتری نسبت به PLCخواهد داشت PLC ها در جاییکه بطور دوره ایی در عملیات تغییر ایجاد می شود، از کارایی بیشتری بر خوردارند.
سخت افزار PLC:
قسمتهای تشکیل دهنده یک سیستم PLCبه صورت زیر تقسیم می شود:
• واحد منبع تغذیه  PS. (Power Supply)
• واحد پردازش مرکزی CPU
• حافظه 
• ماژولهای ورودی
• ماژولهای خروجی
• ماژولهای تغییر شکل سیگنال
• ماژول ارتباط پروسسوری (Communication Processor(CP))
ماژول رابط (Interface Module(IM))
• بدنه و قفسه ها (Racks and Chassis) 
 

9
قسمتهای یک PLC 
ماژول منبع تغذیه(PS)  :منبع تغذیه ولتاژهای مورد نیاز PLC را تامین می کند. این منبع معمولا از ولتاژهای 24Vdc و 110Vacیا 220Vac،ولتاژ 5Vdc را ایجاد می کند. ماکزیمم جریان قابل دسترسی منطبق با تعداد ماژولها ی خروجی مصرفی است. جهت دستیابی به راندمان بالا معمولا از منابع تغذیه سوئیچینگ استفاده می شود. برای تغذیه رله ها و محرکها (Actuator) معمولا از ولتاژ 24Vdc بصورت مستقیم و بدون هیچ کارت ارتباطی استفاده می شود.
واحد پردازش مرکزی یا: CPUوظیفه این واحد، دریافت اطلاعات از ورودیها، پردازش این اطلاعات مطابق دستورات برنامه و صدور فرمانهایی است که به صورت فعال یا غیر فعال کردن خروجی ها ظاهر می شود.
حافظه:در حالت کلی در PLC ها دو نوع حافظه وجود دارد:
• حافظه موقت یا: RAM که محل نگهداری فلگ ها، تایمر ها، شمارنده ها و برنامه های کاربردی کاربر است.
• حافظه دائم: (EEPROM , EPROM) که جهت نگهداری و ذخیره همیشگی برنامه کاربر استفاده می شود.
در مواردی از RAM های CMOSکه باتری پشتیبان دارند استفاده می شود،بدین ترتیب در صورت قطع برق اطلاعات انها حفظ می گردد.
ماژولهای ورودی:ورودی هایی که در سیستم های PLC مورد استفاده قرار می گیرند در حالت کلی به صورت زیر می باشند:
الف) ورودیهای دیجیتال(Digital Input)
ب) ورودی های آنالوگ(Analog Input)
الف( ورودیهای دیجیتال:این ورودیها معمولا بصورت سیگنالهای 0یا 24ولتdc می باشند . گاهی برای پردازش به تغییر سطح ولتاژ نیاز دارند. معمولا برای انجام این عمل ماژولهایی خاص در PLC در نظر گرفته می شود.
جهت حفاظت مدارهای داخلی PLC از خطرات ناشی از اشکالات بوجود آمده در مدار یا برای جلوگیری از ورود نویزهای موجود در محیط های صنعتی،ارتباط ورودیها با مدارت داخلی PLC توسط کوپل کننده های نوری انجام می گیرد. بدلیل ایزوله شدن ورودی ها از بقیه اجزای مدار داخلی PLC ، هرگونه اتصال کوتاه و یا اضافه ولتاژ نمی تواندآسیبی به واحدهای داخلی PLC وارد آ ورد.
ب(ورودی های آنالوگ:این گونه ورودیها در حالت استاندارد  4-20 mA و یا mA  0-20 بوده ،مستقیما به ماژول آنالوگ متصل می شوند. ماژولهای ورودی آنالوگ، سیگنالهای دریافتی پیوسته رابه مقادیر دیجیتال تبدیل نموده و سپس مقادیر دیجیتال حاصل توسطCPU پردازش می شود.

ماژولهای خروجی: خروجی های استفاده شده در PLCها به دو صورت زیرمی باشند:
الف(خروجیهای دیجیتال:این فرمانهای خروجی به صورت سیگنالهای 0 تا 24 ولت DCبوده که در خروجی ظاهر می شوند. بنابراین هر خروجی از لحاظ منطقی می تواند مقادیر “0” یا “1” را داشته باشد. این سیگنالها به تقویت کننده های قدرت یا مبدل های الکتریکی ارسال می شوند تا مثلا ماشین را به حرکت در آ ورند یا آنرا از حرکت باز دارند.
ب(خروجیهای آنالوگ: سطوح ولتاژ و جریان استاندارد خروجی می تواند یکی از مقادیر ،4-20mA ، 0- 20mA باشد. معمولا ماژولهای خروجی آنالوگ، مقادیر دیجیتال پردازش شده توسط CPU را به سیگنالهای آنالوگ مورد نیاز جهت پروسه تحت کنترل تبدیل می نمایند. این خروجی ها بوسیله واحدی به نام Isolator از سایر قسمتهای داخلی PLC ایزوله می شوند. بدین ترتیب مدارت حساس داخلی PLC از خطرات ناشی از امکان بروز اتصالات نا خواسته خارجی محافظت می گردند.

ماژول تغییرشکل سیگنال: در مواقعی که سیگنالهای موجود درمحدوده استانداردنباشند،لازم است از یک ماژول تغییر شکل دهنده استفاده شودتا محدوده سیگنالها را تغییر داده و به محدوده استاندارد تبدیل کند.
ماژول ارتباط پروسسوری: (CP) این ماژول ارتباط بین CPU مرکزی را با CPU های جانبی بر قرار می سازد.
ماژول رابط: (IM) در صورت نیاز به اضافه نمودن واحد های دیگرورودی و خروجی به PLC یا جهت اتصال پانل اپراتوری و پروگرامر،به PLCاز این ماژول ارتباطی استفاده می شود. در صورتی که چندین PLC بصورت شبکه به یکدیگر متصل شوند. از واحد IM جهت ارتباط آنها استفاده می شود.

ورودی/خروجی دور دست و ارتباط با آنها:
هنگامیکه تعداد زیادی ورودی /خروجی در فاصله ای دوروجود دارد،اتصال مستقیم آنها به PLC نیاز به اتصالات زیادی دارد که مقرون به صرفه نیست،دراین مواقع یک واحدI/O در مکان لازم نصب می شودوبایک زوج سیم به PLC متصل می گردد. واحد I/O اطلاعات مربوط به ورودی/خروجی ها را از طریق اتصال سریال به PLC ارسال و دریافت می کند. باتوجه به اینکه واحد I/O تا PLCممکن است به چند هزار متر برسد،صرفه جویی زیادی در هزینه ها می شود. در سیستمهای بزرگ ممکن است چندین PLC وجودداشته باشد که همگی تحت نظارت یک PLC اصلی عمل می کنند.معمولا برنامه کنترلی در PLC اصلی اجرا می شود و PLCهای دیگر فقط وظیفه ارتباط با واحد های I/Oرا به عهده دارند.

انواع محیطهای برنامه نویسی و امکانات نرم افزاری در PLC
امروزه استاندارد های خاص بیت المللی مثل IEC 1131 برای برنامه نویسی و کار با PLC ها وجود دارد که اغلب شرکت های سازنده و طراح PLC که معمولا نرم افزارهای مخصوص PLC های خودشان را تولید می کنند. از این روشهای استاندارد شده پیروی می کنند و فقط تفاوتهای جزیی در نرم افزارهای آنها به چشم می خورد که اکثر آنها هم در اثر تفاوتهای سخت افزاری سیستم های طراحی شده بوجود می آیند.اما در این بخش زبانها و محیطهای مختلف برنامه نویسی به طور مختصر و خلاصه به طور عمومی و کلی مورد بررسی قرار می گیرد تا در برخورد های احتمالی با این محیطها دچارسردرگمی نشوید.
بطور کلی می توان زبانها برنامه نویس PLCرا به پنج دسته تقسیم کرد:
• زبان SFC یا Sequential Function Chart Language 
• زبان FBD یا Function Block Diagram Language 
• زبان LD یا Ladder Diagram Language 
• زبان ST یا Structured Text Language 
• زبان IL یا Instruction List Language 
پنج زبان فوق زبان های استاندارد و شناخته شده PLC ها هستند و کمپانی های سازنده سخت افزار و نرم افزار PLCها با وجود اختلاف های جزیی که ممکن است در نام یا ظاهر نرم افزار هایشان با نمونه های اصلی و جود داشته باشد، همگی بر اساس همین روشهای استاندارد شده حرکت می کنند.


10
 
یک سیستم Redundant با خطوط دوبل اترنت و خطوط دوبل Remote I/O و منابع تغذیه دوبل روی هر Remote I/O


11

ارتباط PLC ها بایکدیگرو با ادوات فیلد بااستفاده از پروتکل فیلد باس(FF)
 
شبکه LAN ،با معماریی که چندین پروتکل شبکه را پشتیبانی می کند
 

شبکه گسترده که از پروتکل فیلد استفاده کرده است


برای نظر دادن ابتدا باید به سیستم وارد شوید. برای ورود به سیستم اینجا کلیک کنید.