سخت افزار PLC

 سخت افزار PLC

قسمتهای تشکیل دهنده سخت افزار PLC به صورت زیر تقسیم می شود

• واحد منبع تغذیه PS(Power Supply)
منبع تغذیه ولتاژهای مورد نیاز PLC را تامین میکند.این منبع معمولاً از ولتاژهای ۲۴Vdc و ۱۱۰Vac یا ۲۲۰Vac، ولتاژ ۵ Vdc را ایجاد می کند. ماکزیمم جریان قابل دسترسی منطبق با تعداد ماژولها ی خروجی مصرفی است. جهت دستیابی به راندمان بالا معمولاً از منابع تغذیه سوئیچینگ استفاده می شود. برای تغذیه رله ها و محرکها (Actuator) معمولاً از ولتاژ۲۴ Vdc بصورت مستقیم و بدون هیچ کارت ارتباطی استفاده می شود .
در برخی از PLC ها برای نگهداری اطلاعات حافظه موقت ( ثبات ها و پرچم ها و … ) در هنگام قطع تغذیه از یک باتری پشتیبان ( Backup Battery ) از جنس Lithium استفاده می شود . ولتاژ این باتری معمولاً ۸٫۲تا ۲٫۳ ولت میباشد . معمولا بر روی PLC یک LED که نشانگر این است که باتری در حال تمام شدن است ، تعبیه شده تا قبل از تخلیه کامل ، باتری عوض شود .
• واحد پردازش مرکزی CPU
وظیفه 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 یا Memory
این بخش وظیفه نگهداری اطلاعات و برنامه را بر عهده دارد و بر سه نوع است :

الف ) حافظه دائم (EEPROM , EPROM) : که جهت نگهداری و ذخیره همیشگی برنامه کاربر استفاده می شود.

ب ) حافظه موقت (RAM ) : این حافظه برای نگهداری اطلاعات به صورت موقت (داده ها و فلگ ها و تایمر ها و شمارنده ها و برنامه های کاربردی کاربراست ) استفاده می شود . اطلاعات این بخش با قطع تغذیه از بین میرود . این حافظه از نوع RAM ساخته می شود .

ج ) کارت حافظه : این کارتها برای استفاده در حافظه اصلی CPU و همچنین در مدولهای CP طراحی میشوند و به صورت RAM یا FALASH EPROM CARD و با ظرفیتهای مختلف در دسترس میباشند.
• 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) : این ورودیها معمولاً بصورت سیگنالهای ۰ یا ۲۴ VDC می باشند . گاهی برای پردازش به تغییر سطح ولتاژ نیاز دارند. معمولاً 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 آورد.

ب) ورودی های آنالوگ(Analog Input) : این گونه ورودیها در حالت استاندارد۴-۲۰ mA و یا ۰-۲۰mA بوده ،مستقیما به ماژول آنالوگ متصل می شوند . ماژولهای ورودی آنالوگ، سیگنالهای دریافتی پیوسته رابه مقادیر دیجیتال تبدیل نموده و سپس مقادیر دیجیتال حاصل توسط CPU 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 ۰-۲۴ VDC بوده که در خروجی ظاهر می شوند. بنابراین هر خروجی از لحاظ منطقی می تواند مقادیر “۰” یا “۱” را داشته باشد. این سیگنالها به تقویت کننده های قدرت یا مبدل های الکتریکی ارسال می شوند تا مثلا ماشین را به حرکت در آورند یا آنرا از حرکت باز دارند.
ب) خروجیهای آنالوگ: سطوح ولتاژ و جریان استاندارد خروجی می تواند یکی از مقادیر ،۴-۲۰ mA ، ۰- ۲۰mA باشد . معمولاً 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.
نکته : برای حفاظت از مدارات داخلی PLC نسبت به تغییر ورودی یا خروجی ها و یا عواملی نظیر اتصال کوتاه و غیره از مدارات ایزوله کننده ( جدا کننده ) و یا کوپل کننده های نوری ( Optical Coupler ) استفاده می کنند تا محیط داخلی از محیط خارجی جدا شود . این کار را هم برای ورودی و هم برای خروجی انجام می دهند .

• ماژولهای تغییر شکل سیگنال
در مواقعی که سیگنالهای موجود در محدوده استانداردنباشند، لازم است از یک ماژول تغییر شکل دهنده استفاده شود تا محدوده سیگنالها را تغییر داده و به محدوده استاندارد تبدیل کند.

• ماژول ارتباط پروسسوری Communication Processor)CP)
این ماژول ارتباط بین CPU مرکزی را با CPU های جانبی بر قرار می سازد.

• ماژول رابط Interface Module)IM)
در صورت نیاز به اضافه نمودن واحد های دیگرورودی و خروجی به PLC یا جهت اتصال پانل اپراتوری و پروگرامر،به PLC از 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 .

• ماژول تابع ساز FM
این مدولها بسته به مدل آنها برای یک یا چند عمل خاص از قبیل شمارش ، کنترل ، کنترل حلقه بسته ، آشکارسازی موقعیت و .. به کار میرود . به عنوان مثال IP244 مدول کنترل درجه حرارت.
• بدنه و قفسه ها (Racks and Slot)
در یک سیسنم کامل PLC صفحه ای قرار دارد که تمام ماژولها و کارتها بر روی آن نصب می شوند این صفحه Rack نام دارد . و به محل قرار گرفتن کارتها و ماژولها Slot گفته می شود .

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 LD یا Ladder Diagram Language
این زبان بسیار شبیه به دیاگرام نردبانی قدیمی است و تغییرات آن نسبت به مدلهای قدیمی تر ، بسیار جزئی است و اگر به دیاگرام نردبانی علائمی مثل ورودی، کنتاکت و کویل آشنا باشید براحتی می توانید با این زبان کار کنید،شکل زیر خلاصه ایی از علایم مورد استفاده در LD است.

هر کنتاکت در این روش به یک ورودی و هر کویل به یک متغییر خروجی نسبت داده می شود . نحوه ارتباط بین ورودی ها و خروجی ها ، دقیقا شبیه به دیاگرام نردبانی رله ای است ، اما حالتهای استاندارتری هم برای این ارتباطات وجود دارد که در شکل زیرچند مورد از آنها را بررسی می کنیم:
• زبان STL یا Structured Text Language
این زبان شبیه زبانهای متداول برنامه نویسی مثل پاسکال است و از دستورات حلقه ، شرط و امکانات دیگرزبانهای سطح پایین کمک می گیرد.برای افرادی که بانوع محیط ها ی برنامه نویسی متداول کار کرده اند استفاده از این زبان راحت تر و مناسب تر است.بعضی از دستورالعمل های این محیط عبارتنداز:
IF, THEN, ELSE, FOR, WHILE, REPEAT, RETURN

• زبان FBD یا Function Block Diagram Language
ابزار های موجود در محیط برنامه سازی FBD، کمی با زبانهای دیگر متفاوت است و می بایست برخورد متفاوتی با آنها داشت .در این محیط بسیاری از ابزار های واقعی به صورت بلاک های مختلف در اختیار هستند و فقط کافی است آنها را به شکل مورد نظر کنار هم و در غالب یک پروژه ، قرار داد و از سمت مناسب ، ورودی و خروجیهایشان را بهم متصل کرده و آزمایش کنیم در اینجا به چند بلوک نرم افزاری مهم که کاربرد وسیع تری نسبت به بقیه دارند اشاره می شود. اما پیش از آن ذکر چند نکته در مورد کار با این بلک ها ضروری به نظر می رسد:
شکل بلاک ها: کلیه بلاکها در FBD معرف یک عملیات خاص بین ورودی و خروجی هایشان هستند به شکل زیر توجه شود.

شکل کلی بلاک ها در FBD
متغیر های ورودی در برنامه. به پایه های ورودی بلاک و متغیر های خروجی به پایه های خروجی بلاک متصل می شوند و بدین ترتیب می توان با استفاده از بلاکهای استاندارد منطقی و امکانات دیگری که FBD در اختیار می گذارد روتین کنترلی مورد نظر را پیاده سازی کرد.
بلاکهایی که FBD بعنوان ابزار در دسترس قرار می دهد، متنوع هستند و از آن جمله می توان به : فلیپ فلاپهایSR،RS،F-Trig،R-Trigشمارنده هایCTU،CTD،-CTUDتایمرهای TON،TOF،TPسیگنال ژنراتور یاSIG GENـ انواع عملگرهای منطقی مثل,OR,XOR,ADD،SUB و بسیاری عملگرها و توابع دیگر اشاره کرد. به شکل زیر توجه شود:
لازم بذکر است که در محیط برنامه نویسی می توان بسته به نیاز خود توابع جدیدی را تعریف و پیاده سازی کرد که در کتابخانه نرم افزاری نگهداری خواهد شد و می توان در جای مناسب از آن استفاده کرد.

• زبان SFC یا Sequential Function Chart Language
در این محیط نیز مانند دیگر محیط های برنامه نویسی،ابزار هایی وجود دارند که در ابتدا باید با آنها آشنا شد، مهمترین ابزارهای موجود Transition, Step است.
هر Step معرف مرحله ای از روتین کنترلی است که در آن اتفاقاتی ، براساس تعاریف نویسنده برنامه، به وقوع خواهد پیوست ،مورد بعدی که باید در مورد آن صحبت شود Transition است که بصورت یک خط افقی مسیر ارتباطی بین دو step را قطع می کند. Transition ها در هر مرحله از برنامه شروط موجود در قسمتهای قبلی خود را می بینند و بر آورده شدن و عدم برآورده شدن آن شروط بررسی را می کنند و بدیهی است که اگر شروط هر مرحله برآورده شده باشد .Transition ها مربوطه اجازه عبور از آن مرحله را صادر می کند و بالعکس.
• زبان IL یا Instruction List Language
این زبان نیز بی شباهت به زبان اسمبلی نبوده و آشنا بودن به اسمبلی در هنگام کار با این محیط ، تا حدودی کمک خواهدکرد.بعضی از دستورالعمل های این محیط عبارتند از:LD, ST, CAL, JMP, RET.ADD, SUB, MUL
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 .در قسمت های بعدی روش برنامه نویسی هر کدام توضیح داده خواهد شد و در حال حاظر تنها جهت معرفی بیان شده اند .

ارتباط در PLC ها
نیاز مبادله اطلاعات بین PLC ها و سایر تجهیزات در یک کارخانه خودکار ، سبب شده است که امکانات ارتباطی روی همه کنترل کننده ها نصب شود در PLC های کوچک سخت افزار و نرم افزارلازم در خود بدنه PLC نصب گردد و در PLC های بزرگ ، ماژول های ویژه ای جهت ارتباط وجود دارد.
باسهای ارتباطی برای منظورهای مختلفی استفاده می شوند از جمله:
• نمایش داده ها و آلارم ها از طریق VDU یا چاپگر
• ذخیره داده ها در فایلهای بایگانی(در یک کامپیو تر) تا برای بررسی کارایی فرایند و مدیریت اطاعت استفاده شوند.
• ارسال پارامترهای لازم از طریق اپراتور یا کنترل کننده ناظر به PLC ها
• تغییر برنامه PLCها از طریق کنترل کننده ناظر
• تغییر وضعیت نقاط I/O از طریق یک ترمینال راه دور
• اتصال PLC در یک سلسله مراتب کنترلی که در آن PLC های متعددی وجو دارد.
یک سیستم Redundant با خطوط دوبل اترنت و خطوط دوبل Remote I/O و منابع تغذیه دوبل روی هر Remote I/O

ارتباط سریال:
در PLC ها معمولا برای ارتباط با سایر قسمتها و ارسال و دریافت داده ها ، از خطوط سریال استفاده می شود، جهت ارتباط سریال استاندارهایی وجود دارد که مهمترین آن RS 232 ومشتق آن RS 422/423 است.
RS 232 استاندارد ارتباط سریال در فواصل کو تاه است که برای ارتباط کامپیوتر با تجهیزات جانبی آن نظیر چاپگر استفاده می گردد. این استاندارد، اتصالات الکتریکی و فیزیکی ،ارتباط بین سیگنالها و روند مبادله اطلاعات را تعریف می کند. اتصال نوع Dبا ۲۵پایه کاملا متداول است و روی همه کامپیوترها و PLCها نصب می شود.RS 232 و ۴۲۲ RS در ارسال یکسان هستند و تفاوت آنها در سطح ولتاژ و سرعت انتقال است.
در ارتباط سریال سه ویژگی وجود دارد که باید به آنها توجه کرد: اول سرعت انتقال،یعنی تعداد بیت ارسالی در ثانیه و عرض پالس هر بیت. دوم سطح ولتاژهای منطقی، یعنی بیت ۱و۰ با چه ولتاژی نشان داده می شود و سوم نحوه همزمانی داده ها تا گیرنده بتواند داده ها را به طور صحیح دریافت کند.

فاصله انتقال
استاندارد ۲۳۲ RS حداکثر طول ۳۰ متر را در سرعت ۹۶۰۰bps پیشنهاد می کند، بخاطر اثر خازنی سیمها طول بیشتر از این مقرون بصرفه نیست. البته در سرعت های کمتر با استفاده از کابلهای مناسب می توان فاصله را بیشتر کرد. در صورتی که فواصل ارتباطی زیاد باشد از استانداردهای دیگر نظیر RS 422 و حلقه جریان استفاده می شود.
حلقه جریانmA20
در این استاندارد برای ارسال داده از یک مدار جریان mA 20 استفاده می شود. این روش مناسب محیطهای نویزی و فواصل زیاد است. مثلا در سرعت ۹۶۰۰bps می توان تا فاصله ۳۰۰m از این استاندارد استفاده کرد. ارسال و دریافت اطلاعات از طریق یک زوج سیم صورت می گیرد و معمولا جهت ایزولاسیون الکتریکی از تزویج کننده های نوری استفاده می شود.لازم بذکر است که این استاندارد با استاندارد RS 232 انطباق ندارد و اتصال آنها به یکدیگر نیاز به مدار واسطه مناسب دارد. عیب حلقه جریان ۲۰mAاین است که برای آن استاندارد مشخصی وجود ارائه نشده است و مانند RS 232 خطوط کنترلی (Handshaking) ندارد.

RS422/423
این استاندارد بهبود یافته RS 232 است که بعضی ازمزایای حلقه جریان رانیز دارد.
RS 422 برای هرسیگنال دو سیم استفاده می کند که به صورت تفاضلی هستند و در نتیجه اطلاعات تا فواصل بیشتری قابل ارسال است.
معمولا هر PLC یک ارتباط RS 232 دارد که اتصالات مربوط به RS 422 از آن مشتق شده است. برای فواصل کم از RS 232 و برای فواصل زیاد ازRS422 استفاده می شود.

ارتباط PLC ها بایکدیگرو با ادوات فیلد بااستفاده از پروتکل فیلد باس(FF)

ارتباط PLC ها( ماژول ها و برنامه ریزی )
برای انجام هر ارتباط سریال لازم است پارامترهای ارتباط مشخص شود. این پارامترها عبارتنداز:
• قالب بندی داده ها ، شامل بیت شروع و خاتمه، توازن و تعداد بیت داده

ادامه مطلب