آموزش PLC پی. ال. سی

 

 

بسمه تعالي                                        کنترل صنعتی از PLC تا DCS

مقدمه

ابتدای بحث PLC و ورود آن به عرصه کنترل صنعتی را بدین گونه می توان بیان نمود که از سالهای آغازین دهه 70 قرن بیست میلادی به بعد، بدلیل پیشرفت بسیار زیاد صنایع و کارخانجات مختلف صنعتی ، قابلیت اطمینان و کارآیی الگوریتم های کنترلی در پروسه های صنعتی که معمولا بوسیله تجهیزات الکترومکانیکی اجرا می گردید کاهش یافته و پیاده سازی مدار فرمان های رله و کنتاکتوری برای کنترل فرآیند های پیچیده صنعتی بسیار دشوار و پر هزینه گردید.

در راستای ارائه پاسخی فراگیر به روند روبه رشد فرآیندهای صنعتی و ایجاد سیستم های کنترلی پیشرفته و قابل گسترش، همچنین جهت ارضای پیچیدگی روزافزون پروژه های عظیم صنعتی و نیاز به وجود کنترلرهای قوی و قابل اطمینان در بین صاحبان صنایع، موجب شد تا نخستین نسخه های ابتدایی PLC روانه بازارهای کنترل صنعتی گردد. در واقع PLC  به معنای كنترل كننده منطقي قابل برنامه نويسي یا Programmable Logic Controller مي باشدکه جهت فرماندهی صنایع کنترل فرایند ، تبدیل سیستم های آنالوگ به دیجیتال و جایگزینی مدارفرمان های الکترومکانیکی با برنامه نویسی های نرم افزاری و مزایای بسیاری ازین قبیل تهیه و تدوین گردیده  است.

شرکت زیمنس از پیشگامان تولید کنترلرهای منطقی می باشدکه در اوایل دهه 70 میلادی نخستین PLC ساخت این شرکت با نام LOGO به بازارهای بین المللی ارائه شده است. این کنترلر در واقع رله ايست كه تعداد زيادي تايمر ، شمارنده ، ورودي / خروجي و عناصر منطقي ديگر را در خود جاي داده است و می توان با ایجاد برنامه نویسی های مداری و برقراری ارتباط نرم افزاری بین عناصر منطقی موجود در لوگو،  مدار فرمان مورد نیاز خود را طراحی نمود.

اگر خود را در شرایطی قرار دهیم که کنترلر لوگو ساخته شده، به درستی در می یابیم باتوجه به اينكه پردازشگر يا CPU و حجم حافظه در اين نوع PLC كوچك و تعداد عناصر موجود در آن نيزمحدود است، جهت راه اندازي و كنترل پروسه هاي بزرگ، بايد تعدادي از اين كنترل كننده ها در كنار هم به كار برده میشد تا بتوان كل پروژه را پوشش داد که در راستای مرتفع سازی این مشکل و با پيشرفته تر شدن بيشتراحتياجات كنترل صنعتي، به PLC هايي با حجم حافظه بيشتر ،CPU ي قويتر، نهايتا عناصر و I/O هاي  بيشتري احساس نياز مي شد. در راستای تحقق اين هدف بزرگان صنايع گام ها را فراتر نهاده و براي مثال شرکت زيمنس گام 5 ، PLC يا Step5 را ساخت كه  قابليت هاي یاد شده ي فوق در اين كنترل كننده منطقي به مراتب بالا تر از LOGO بوده و موجب كاهش چشم گيري از قطعات مورد نياز مدار فرمان هاي صنعتي شد. با توجه به اينكه كاربردهاي S5  با توليد PLC هاي پيشرفته تر كاهش يافت ، اكنون نقش كمتري را در صنايع ايفا مي نمايد. فلذا  s5 را در بحث اين كتاب جاي نداده ايم و تنها بصورت کلی شرح داده خواهد شد.

از آنجا كه گام 5، PLC نيز پاسخگوي فرآيند هاي صنعتي نبود، در راستاي تحقق اهداف گسترده ترمجددا زيمنس پاي پيشتر گذاشته و کنترل کننده های پیشرفته تری ازجملهStep 7 را ساخت كه این نوع كنترل كننده منطقی قابل  برنامه نويسي يك PLC مبتني  بر كامپيوتر است، یعنی بدون کامپیوتر برنامه نویسی آن میسر نمی باشد. نرم افزاري كه برنامه نويسي اين سيستم در آن انجام مي شود SIMATIC MANAGER   نام دارد و تحت نسخه های مختلف در قالب مجوز های صنعتی ، آزمایشگاهی و شبیه سازی  در بازار موجود است، در حال حاضر آخرین نسخه آن V5.5 Step7  می باشد که جهت برآوردن نیازمندی های ما موجود می باشد.

کنترلر S7 يا گام  7 ،این PLC  در سه سري زير ساخته شد.

SIMATIC S7_200

SIMATIC S7_300

SIMATIC S7_400

قابليت هاي گام 7 ، کنترلر سري هاي 300 ,  400 به طرز فوق العاده ايي نسبت به قدم هاي پيشين برتري دارد به گونه ايي كه هر تعداد I/O مي توان به آن الحاق نمود، ميزان حافظه اختصاصي براي هر بخش آن قابلیت تغيير و جابجايي را دارد. CPU ی آن ها نيز از پيشرفته ترين پردازشگرهاي حال حاضر دنيا به شمار مي رود .

 نظر به اينكه اكثر PLC ها و كنترل پروسه هاي موجود در كشور ما از نوع زيمنس مي باشند، فلذا همه آنچه گفته شد و هر آنچه خواهيم گفت برمبناي SIMATIC PLC مي باشد. سيماتيك خانوده اتوماسيون صنعتي زيمنس مي باشد.

در كل، PLC هاي SIMATIC دردو قالب کلی  ماژولار و ادغام شده ساخته می شوند، البته نوع دیگری نیز با نام PC Based یا برمبنای PC وجود دارند که نمونه اخیر آن ها محسوب می شوند.(منظور از ماژولار بودن اینست که ، قسمت های مختلف یک کنترل کننده از قبیل CPU ، PS ، CP  و... بصورت جداگانه ساخته می شوند و در زمان استفاده در پروژه ها بر اساس نیازمندی های ما از بین اجزای مختلف موجود، کنترلر مورد نظر تهیه و روي یک ريل در كنار هم پيكربندي مي شوند). در فصل ابتدايي يك مرور كلي بر انواع اين  دو بخش از كنترل كننده ها خواهيم داشت .

سه زبان برنامه نويسي بين المللي براي PLC وجود دارد كه تمام سازنده گان كنترل كننده هاي منطقي بر مبناي اين سه، PLC هاي خود را خواهند ساخت. اين زبان ها عبارتند از : LAD ( Ladder logic diagram) ، FBD ( Function block diagram) ، STL ( Statement list). البته باید دانست که زبان هاي پيشرفته ديگري نيز همچون SCL و GRAPH وجود دارند، همچنین بعضی از شرکت های سازنده PLC نیز زبان های برنامه نویسی مخصوص خود را دارند که علاوه بر این زبان ها می باشند.

در بحث پیشرفتگی و وسعت کنترل کنترلرها، بدین صورت می توان بیان نمود که پس از ساخت PLC  هاي S7 سري 300/400 ، توان كنترل بزرگترین فرآيند هاي پيشرفته و پيچيدي صنعتي در قالب یک واحد کنترل مرکزی  ميسر گردید همانطور که بیان شد اساسی ترین نكته قابل توجه ایی كه در اين باره بايد دانست اين است كه کنترلر نسخه ( S7) مبتني بر كامپيوتر است و بدون یک ابزار برنامه نویسی مانند كامپيوتر برنامه نويسي آن ممكن نمی باشد. در واقع برنامه نویسي اين PLC ها از طريق كامپيوتر انجام و سپس به PLC دانلود مي گردد . (انتقال اطلاعات از PC به PLC را دانلود و از PLC به PC را آپلود گويند ). البته ابزار هاي برنامه نويسي مانند PG نيز وجود دارند، PGيك كامپيوتر صنعتي ساخت زيمنس جهت برنامه نویسی فرآيند هاي صنعتي مي باشد. منظور از PC کامپیوترهایست که برای برنامه نویسی استفاده می شوند.( Personal Computer PC =  ). 

 در خصوص بحث شبکه و مخابره داده ها در سطوح مختلف PLC نیز می توان به این صورت ادامه داد که  در بعضي مواقع لازم است تجهيزات ابزار دقيقي مانند سنسور ها ، ترانسميتر ها ، ترانسديوسرها و...  در فاصله زيادي نسبت به PLC اصلي قرار گيرند ، بنابراين جهت ارسال سيگنال از اين ابزارالات به PLC  اگر بخواهيم از ولتاژ های منطقي  در يك فاصله مثلا 5km استفاده كنيم ، بدلیل افت ولتاژ و جریان ناشی از طول زیاد مسیر، مناسب و گاهي امكان پذير نمي باشد. لذا جهت بهينه سازي اين مشكل لازم مي شود تعداد I/O هاي مورد نياز در محل مورد نظر در كنار تجهيزات ابزار دقيقي قرار گيرندکه به هر دسته از این I/O ها یک Slave  از PLC مادرگفته می شود و سپس ارتباط اين I/O ها و PLC اصلی از طريق شبكه هاي صنعتي انجام گیرد. مي توان Slave هاي زيادي از I/O ها در فواصل مورد نياز نصب نمود و از طريق فيلد باس هاي صنعتي به كنترل كننده اصلی اتصال نمود تا ارتباط داده ها بين اين Slaveهای ورودي / خروجي با كنترل كننده  Master از طريق شبكه صنعتي واسط انجام شود. Field busهاي صنعتي معمولا به دو روش انتقال سيگنال مي نمايند .

ارسال سيگنال الكتريكي ( تلگرافي).

ارسال سيگنال نوري ( فيبر نوري).

براي Field bus های صنعتی نیز پروتکل هاي مختلفي وجود دارد، استانداردي كه SIMATIC براي شبكه هاي خود استفاده مي نمايد معمولا  پروفيباس مي باشد كه از طرف صاحبان صنايع در كشور آلمان ارائه شد و اينك بخش اعظمي از Communication  صنعتي دنيا را فراگرفته و بر دو بخش است :

PROFIBUS DP.

PROFIBUS PA.

در پیوند PLC با DCS و PCS7 نیز باید بیاوریم که: با در نظر گرفتن این موضوع که  جهت راه اندازي يك فرايند صنعتي نياز به گزینش تجهيزات نرم افزاری و سخت افزار هاي مختلف(اعم از PLC و ... ) و مراحل انجام كار گوناگوني وجود دارد، زيمنس بسته هايي را با نام PCS7 ارائه نموده است كه تمامي روند اجراي يك پروسه و كليه نرم افزارهاي مورد نياز در آن موجود مي باشد و پس از نصب آن مي توان يك پروسه صنعتي را بطور كامل اجرا نمود. که از این سیستم های کنترل فرایند می توان به عنوان یک DCS یکپارچه یاد نمود. DCS یا Distributed Control System ، سیستم های کنترل توزیع شده ایی هستند که برای کنترل فرایندهای بزرگ صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند.

در تباین DCS ، PLC  و PCS 7 باید بیان شود که :

سیستم کنترل گسسته DCS مدرن ترین خط و مشی کنترلی برای کنترل فرایندهای صنعتی به شمار می روند. DCS  یک زیر ساخت کلی جهت استراتیژی های پیشرفته کنترلی و الگوریتم های کنترل دیجیتال است که  برای سیستم های ساده کنترلی نیز میتواند مورد استفاده قرار بگیرد. این سیستم کنترل توزیع شده بر اساس سامانه های دیجیتال طراحی شده، از این رو اجرای استراتیژی های بسیار پیچیده و پیشرفته کنترلی در سریع ترن زمان ممکن، از مزایای این سیستم می باشد. شرکت های زیادی مانند Baily, Foxboro, Honeywell, Rosemont و ... در زمینه تهیه و تدوین DCS کارمی کنند. البته باید بگوییم که PLC ها نوع دیگری از تکنولوژی دیجیتال مورد استفاده در پروسه های کنترلی هستند. PLC  ویژه سیستم های ناپیوسته و دسته ایی نسبتا کوچک که نیاز به کنترل عناصر و تجهیزات پروسه بصورت غیر متوالی دارند، طراحی شده است. PLC ها می توانند هزاران I/O دیجیتال و صدها I/O آنالوگ را اداره نمایند. گذشته از قابلیت دیجیتال بودن ، PLC ها ویژگی های بسیار زیادی دارند. اما واسط های اپراتور در PLC ها محدود هستند. علاوه براین کنترل کننده های منطقی قابل برنامه نویسی در سطوح بالاتر برنامه نویسی و نسخه های پیشرفته تر نیز در اجرای برخی الگوریتم های پیچیده کنترلی محدودیت هایی دارند.  ازسازندگان PLC می توان به ABB ، GE ، SIEMENS و ... اشاره نمود.

اما در تناظر DCS و PCS 7 باید بدانیم که  SIMATIC PCS 7 را می توان یک سیستم کنترل توزیع شده DCS فراگیر و قدرتمند دانست ، که از طرف گروه SIMATIC برای راه کارهای اتوماسیون در تولید و فرایندها ارائه شده ، تا پوششی جامع و کامل بر اهداف DCS گذاشته باشد. در راستای پوشش سیستم های کنترل گسسته DCS در این کتاب دو بخش در مورد سیستم های کنترل فرایند PCS 7   آمده است و آخرين اطلاعات مورد نياز جهت كار با PCS7 كه از طرف SIMATIC ارائه شده را در بر دارد.

 در واقع PCS7 را می توان يك سيستم كنترل فرآيند جهت كنترل پيشرفته ترين پروسه هاي صنعتي اعم از کارخانه جات عظیم صنعتی و فرآیند هایی  همچون كارخانه هاي سيمان ، صنایع پتروشیمی ، گاز ،  نفت و ... دانست. در اين سيستم هاي كنترل پروسه ، نرم افزار SIMATIC Manager  به عنوان يك مركز داده ي قدرتمند عمل مي كند و كليه ابزارهای  مهندسي و مورد نياز پيكر بندي در آن مجتمع مي شود . برنامه نويسي ها نيز در قالب چارت هاي به نام CFC و SFC نوشته مي شوند. یک سری سيستم هاي اپراتوري نيز براي SIMATIC PCS7 در نظر مي گيرند كه اجراي قدرتمند و ايمن پردازش را براي كاربران فراهم مي سازند.

يك قابليت بسيار مهم كه در اين سيستم هاي كنترل فرآيند جاي داده شده ، افزونگي بخش هاي مختلف مي باشد.گاهي اوقات فالت هایي در سيستم بوجود مي آيد و باعث آسيب ديدن بخش هايي از شبكه صنعتي يا قطعات موجود در سيستم مي شود كه اين خرابي در صنايع پتروشيمي ، گازي و... مي تواند خيلي خطرناك و پرهزينه باشد لذا جهت چاره سازی اين منظور بخش هاي حساس و حیاتی سيستم را بصورت دوبل مي سازند يعني دو سيستم در كنار هم كه هر دو يك كار را انجام مي دهند و پس از بروز خرابي، سيستم معيوب از مدار خارج شده و سيستم سالم وارد مدار مي شود. اين موضوع را افزونه گويند و در بخش PCS7 شرح داده شده است.

ارتباطات ومخابره داده ها در SIMATIC PCS7 توسط فيلدباس هاي  PROFIBUS DP  و PROFIBUS PA ، اترنت، پروفینت و ديگر سيستم هاي ارتباطي صورت می بپذيرد . كه اين Communication مي تواند بصورت نوري يا الكتريكي و بر اساس توپولوژي هاي ستاره ، حلقه ، خطي و تركيبي اجرا شوند و در فصل PCS7 به آن ها اشاره شده است.