دانلود مقاله کنترلگرها

مقدمه:

ریز پردازنده ها و میکروکنترلرها در طراحی سیستمهای کنترل برای طیف وسیعی از وسایل و کاربرد ها استفاده می شود.

پیشرفتی که در این زمینه پدید آمده است.

نگرشی همه جانبه را از طرف متخصصین و علاقمندان  به این شاخه می طلبد.

در این زمینه PLC یا کنترل گر منطقی برنامه پذیر از جایگاه خاصی برخوردار است.

از ساده ترین فرآیندهایی که می توان بصورت توابع منطقی پیاده سازی کرد تا پیچیده ترین فرایندهای صنعتی، قابل پیاده سازی با PLC ها می باشند.

تاریخچه:

نخستین OLC در سال 1969 پدید آمد.

اکنون این وسایل کاربرد وسعی دارند و از واحدهای کوچک برای استفاده با 20ورودی/ خروجی دیجیتال تا سیستمهای کاملی که می توانند برای تعداد زیادی از ورودی/خروجیها، دیجیتال یا آنالوگ، بکار روند؛ توسعه یافته اند و همچنین می توانند حالات کنترلی نسبت -انتگرال- مشتق را برآورده سازند.

کنترل گرها:

یک سیستم کنترل ممکن است چه وظیفه ای داشته باشد؟

ممکن است به کنترل مجموعه ای از وقایع یا نگهداری برخی مقادیر ثابت یا پیگیری برخی تغییرات از پیش تعیین شده نیازمند باشد.

برای مثال، سیستم کنترل برای ماشین مته کاری خودکار(شکل 1-1 الف) ممکن است به موارد زیر نیازمند باشد:

شروع به چرخش مته هنگامی که قطعه کار در محل خود میباشد ، اغاز مته کاری هنگامی که مته به سطح قطعه کار می رسد توقف مته کاری هنگامی که مته به عمق مورد نظر برسد، عقب کشیدن مته و خاموش کردن آن و انتظار برای قرار گرفتن قطعه کار بعدی پیش از تکرار اعمال فوق.

یک سیستم کنترل دیگر(1-1ب) می تواند برای کنترل تعداد مواردی که روی یک نوار نقاله  در حرکتند و راهنمایی آنها به بخش بسته بندی استفاده شود.

ورودیهای چنین سیستم کنترلی می تواند از کلیدهای بسته یا باز باشد.

مثل حضور قطعه کار که می تواند با حرکت دادن آن در مقابل یک کلید و بستن آن  نمایش داده شود یا حس گرهایی مانند آنچه که برای دما و میزان عبور بکار می روند.

کنترل گر می تواند برای فعال سازی یکموتور برای حرکت جسمی به محلی دیگر، یا برای  چرخاندن شیر و یا شاید  روشن و خاموش کردن گرمکن بکار رود.

شکل1-1و مثالی از اعمال کنترلی و برخی حسگرهای ورودی(الف) در ماشین مته کاری خودکار (ب) در یک سیستم بسته بندی

کنترل گر ممکن است چه قالبی داشته باشد؟

برای یک ماشین مته کاری خودکار، می توانیم مدارهای الکترونیکی را که رد انها باز یا بسته شدن کلید ها سبب روشن شدن موتورها یا فعال شدن شیرها می گردد، برقرار کنیم.

بنابراین بسته شدن یک کلید رله ای رافعال می کند که در اثر ان جریان الکتریکی به موتور برقرار شده و باعث گردش مته می شود(شکل 2-1) .

کلیدی دیگر می تواند رله ای را فعال سازد و جریان را در اختیار شیر هیدرولیکی قرار دهد تا در نتیجه آن قطعه کار به واسطه اعمال فشار به پیستون داخل سیلندر هیدرولیکی به محل مورد نظر حرکت داده شود.

چنین مدارهای الکتریکی می بایست خاص ماشین مته کاری خودکار باشد.

برای کنترل تعداد موراد قرار گرفته در یک بسته به طریق مشابه می بایست مدارهای الکتریکی شامل حس گر وموتور برقرار ساخت.

بهر حال، مدارهای کنترل گری که برای این دو وضعیت بکار می روند متفاوت خواهند بود.

در فرم قراردادی یک سیستم کنترل،قوانینی سیستم کنترل را اداره می کنند و هنگامی که اعمال آماده سازی می شوند اتصالات این اعمال را مشخص می سازند.

اگر قوانینی که برای کنترل اعمال بکار می رود تغییر یابد، اتصالات نیز می بایست عوض شود.

شکل 2-1 یک مدار کنترل

سیستم کنترل شده توسط ریزپردازنده:

بجای سیستم بندی هر مدار کنترلبرای هر وضعیت خاص، اگر از سیستم بر پایه ریز پردازنده استفاده کنیم و برنامه ای بنویسیم تا به ریز پردازنده در رابطه با چگونگی عکس العمل در برابر هر سیگنال ورودی گرفته شده از کلیدها فرمان دهد و خروجیهای مورد نظر را در اختیار موتورها و شیرها بگذارد، می توانیم از یک سیستم پایه برای همه وضعیتها استفاده کنیم.

بنابراین باید برنامه ای به فرم زیر داشته باشیم.

اگر کلید A بسته است خروجی به مدار موتور منتقل شود.

اگر کلید B بسته است خروجی به مدار شیر منتقل شود.

با تغییر دستورات برنامه می توانیم از سیستم ریز پردازنده مشابه برای کنترل وضعیتهای متعددی استفاده کنیم.

برای مثال، ماشین های لباسشویی خانگی از سیستم ریز پردازنده استفاده می کنند.

ورودیهای این مدار از صفحه کلیدی که برای انتخاب برنامه شستشوی دلخواه تعبیه شده است، کلیدی که بسته بودن در ماشین را مشخص می کند، حس گری که دمای آب را تعیین می کند و کلیدی که سطح آب را آشکار می سازد، گرفته می شود.

بر پایه این ورودیها ریز پردازنده چنان برنامه ریزی می شود تا خروجیهایی را تولید کند که موتور را به حرکت در اورد و سرعت آنرا کنترل کند، شیرهای اب سرد و گرم را باز یا بسته کند، پمپ خشک کن را روشن کند، کنترل گرم کن آب و بسته بودن در را کنترل کند بصورتیکه در ماشین را تا هنگام کامل شدن برنامه شستشو نتوان باز کرد.

کنترل گر منطقی برنامه پرداز:

یک کنترل گر منطقی برنامه پذیر (PLC) شکل خاصی از کنترل گر بر پایه ریز پردازنده است که از حافظه برنامه پذیر برای ذخیره دستورات و پیاده سازی توابعی مانند توابع منطقی،ترتیبی، زمانبندی، شمارش و توابع محاسباتی برای کنترل ماشینها و فرآیندهای وابسته استفاده می کند.(شکل3-1) و  چنان طراحی شده است تا مهندسینی که با کاتمپیوتر  و زبانهای محاسباتی آشنایی دارند با آن کار کنند. 

این عناصر چنان طراحی شده اند که فقط برنامه نویسان کامپیوتر بتوانند آنها را تغییر دهند و یا تنظیم کنند.

بنابراین طراحان(PLC) آنرا پیش برنامه ریزی کرده اند، بصورتیکه رنامه کنترلی می تواند با استفاده از یک قالب ساده وارد شود.

عبارت منطقی به این علت بکار می رود که برنامه ریزی بر پایه پیاده سازی توابع منطقی و اعمال روی کلیدها می باشد، یعنی اگرA   یا B رخ دهد Cروشن شود  اگر A,B رخ دهد D روشن می شود.

ابزارهای ورودی مثلاً حس گرها مثل کلید و ابزارهای خروجی که در این سیستم کنترل می شوند، مثل موتور، شیر و ...

به PLC متصل می شوند.

کابر پس مجموعه ای پس از دستورات ، شبیه برنامه، را به حافظه PLC وارد می کند.

سپس کنترل گر هر یک از ورودیها و خروجی ها را بسته و به این برنامه ریزی بررسی می کند.

و فرمان کنترلی را که بر اساس آن برنامه ریزی شده است صادر می نماید.

تفاوت بین PLC و کامپیوترها:

PLC ها با کامپیوتر ها مشابهت دارند ولی از سوی دیگر کامپیوتر ها برای محاسبات  و نمایش مراحل بهینه سازی شده اند.

در حالیکه PLC برای مراحل کنترلی و محیطهای صنعتی آماده سازی می شوند.

بنابراین:

1.

با استقامت خاصی طراحی شده اند تا در برابر ارتعاشات، دما،رطوبت و اعوجاج ایستادگی کنند.

2.

دارای مدارهای واسطی برای ورودیها و خروجیها در داخل کنترل هستند.

3.

به سادگی برنامه ریزی شده و زبان نویسی قابل درکی دارند که بر مبنای اعمال منطقی و کلید زنی است.

سخت افزار:

معمولا سیستم PLC دارای پنج مولفه اصلی است مولفه ها عبارتنداز: واحد پردازش،حافظه، واحد منبع تغذیه، بخش واسطه ورودی /خروجی و ابزار برنامه ریزی.

(شکل4-1) آرایش پایه را نمایش می دهد.

شکل 4-1 سیستم PLC

1.

واحد پردرش یا واحد پردازش مرکزی(CPU) بخشی است که شامل ریز پردازنده می باشد و سیگنالهای ورودی را تفسیر کرده و اعمال کنترلی را صادر می نماید، و بسته به برنامه ذخیره شده در حافظه، وضعیت انتخاب شده را به صورت سیگنال فعالساز به خروجیها منتقل می سازد.

2.

واحد منبع تغذیه برای تبدیل ولتاژa.c پایین (5V) برای پردازنده و مدارهایی لازم است که در بخش واسطه ورودی/خروجی قرار دارند.

واحد منبع تغذیه برای تبدیل ولتاژa.c پایین (5V) برای پردازنده و مدارهایی لازم است که در بخش واسطه ورودی/خروجی قرار دارند.

3.

ابزار برنامه ریزی برای وارد کردن برنامه مورد نیاز به حافظه پردازنده بکار می رود.

برنامه در این ابزار بهبود یافته و سپس به حافظه PLC منتقل می شود.

4.

واحد حافظه که برنامه در آن ذخیره شده است می بایست برای اجرای اعمال کنترلی توسط ریز پردازنده بکار گرفته شود.

5.

بخشهای ورودی و خروجی محلهایی هستند که پردازنده اطلاعات را از ابزارهای جانبی دریافت کرده و فرامین را برای ابزارهای جانبی ارسال می نماید.

بنابراین ورودیها می تواند از کلیدها، هم چنانکه در شکل 1-1(الف) برای مته کاری خودکار بیان شد یا حس گرهای دیگر مثل سلولهای فتوالکتریک، همانطور در مکانیزم شمارنده شکل 1-1(ب) آمد، حس گرهای حرارت، یا حس گرهای جریان و غیره گرفته شود.

خروجیها نیز می توانند سیم پیچ محرکه موتور، سیم پیچ استوانه ای شیرها و غیره باشد.

ابزارهای ورودی و خروجی با توجه به سیگنالهای داده شده که به صورت گسسته، دیجیتال و آنالوگ می باشند.

دسته بندی می شوند.

ابزارهای گیرنده سیگنالهای گسسته یا دیجیتال، انهایی هستند که با سیگنالهای قطع یا وصل کار می کنند.

بنابراین کلیدی که به عنوان ایزار گیرنده سیگنال گسسته کار می کند یا فاقد ولتاژ است و یا ولتاژ دارد.

ابزارهای دیجیتال می توانند اساساً ابزارهای گسسته ای فرض شوند که مجموعه ای از سیگنالهای قطع- وصل را می سازند.

ابزارهای آنالوگ سیگنالی را فراهم می اورند که انداره آن متناسب با اندازه متغییر برزرسی شده می باشد، برای مثال حس گرهای حرارت ولتاژی متناسب با دما ارائه می دهند.

طراحی‌مکانیکی سیستمPLC دو نوع معمول از طراحی مکانیکی برای PLC وجود دارد، بصورت یک واحدی، و بصورت قطعه قطعه یا نوع قفسه ای.

نوع یک واحدی معمولاً برای کنترل گرهای برنامه چذیر و کوچک بکار می رود و بصورت یک بسته فشرده وکامل شامل منبع تغذیه، پردازنده، حافظه، و واحدهای ورودی/خروجی می باشد( شکل 5-1 الف).

معمولاً چنین PLC هایی دارای 80 نقطه ورودی/خروجی و حافظه ای با قابلیت ذخیره 300تا100 دستورالعمل هستند.

نوع قطعه قطعه شامل بخشهای مجزا برای منبع تغذیه، پردازنده و غیره می باشد که غالباً روی نوار داخل یک محفظه فلزی نصب شده اند.

نوع قفسه ای می تواند برای همه انواع کنترل گرهای برنامه پذیر بکار رود و شامل واحدهای عملیاتی مختلفی است که در یک بخش قرار گرفته اند تا به محلهای اتصال در قفسه اصلیب متصل شوند (شکل 5-1ب).

ب) الف) شکل 5-1 (الف) یک جعبه ای - (ب) نوع بخشی/ ریلی ترکیبی از بخشهای مورد نیاز برای هدفی خاص توسط استفاده کننده انتخاب می شود و سپس در محل محفظه اصلی نصب می گردد.

بنابراین به راحتی می توان با اضافه کردن بخشهای ورودی/ خروجی بیشتر تعداد اتصالات ورودی/ خروجی را افزایش داد یا با افزایش واحد حافظه، حافظه آنرا گسترش داد.

برنامه هاتوسط ابزار برنامه ریزی به حافظه PLC وارد می شوند و بطور مداوم به PLC متصل نمی باشد و می توان آنرا بدون بروز اشکال از یک کنترل گر به دیگری منتقل کرد.

از آنجا که ابزار برنامه ریزی، برنامه ها را به حافظه PLC منقل می کند برای کار نیازی به اتصال ان به PLC نمی باشد.

ابزارهای برنامه ریزی می تواند یک ابزار قابل حمل، یک صفحه فرمان رومیزی و یا یک کامپیوتر باشد.

سیستمهای قابل حمل شامل یک صفحه کلید کوچک و یک صفحه کرستال مایع (LCD) می باشد.

شکل 6-1 قالب معمول آنرا نمایش می دهد.

ابزارهای رومیزی می بایست یک صفحه نمایش همراه با یک صفحه کلید کامل و یک واحد نمایش تصویری داشته باشند.

کامپیوترهای شخصی به عنوان ایستگاه های کاری برنامه ریزی کاربرد وسیعی دارند.

برخی از PLC ها فقط نیازمند کامپیوتر با نرم افزار خاص هستند.

برخی نیازمند کارهای ارتباطی خاص با PLC هستند.

شکل6-1 برنامه نویس قابل حمل مزیت اصلی استفاده از کامپیوتر این است که برنامه می تواند روی دیسک سخت یا دیسکت ذخیره شده و به راحتی نسخه برداری شود.

عیب این حالت این است که برنامه ریزی احتمالاً آسان نخواهد بود.

صفحه فرمان قابل حمل و نقل حاوی حجم کافی از حافظه است تا اجازه نگهداری برنامه ها به هنگام حمل از یک محل به محل دیگر را بدهد.

فقط در صورتی که برنامه طراحی شده در ابزار برنامه ریزی آماده باشد، به واحد حافظه PLC منتقل می شود.

ساختار داخلی: شکل 7-1 ساختار پایه داخلی PLC رانمایش می دهد.

ساختار شامل یک واحد پردازش مرکزی (CPU) حاوی سیستم ریز پردازنده، حافظه، و مدار ورودی /خروجی است.

(CPU) همه اعمال داخلی PLC را کنترل و پردازش می کند و دارای پالس ساعتی با فرکانس بین 1تا 8MHZ میباشد.

این فرکانس سرعت کار PLC را تعیین کرده و امکان زمانبندی و همزمانی را برای سایر عناصر سیستم مهیا می سازد.

شکل7-1 ساختار PLC اطلاعات درون PLC را سیگنالهای دیجیتال حمل می کنند.

مسیرهای داخلی که از طریق آنها سیگنالهای دیجیتال منتقل می شوند، گذرگاه نامیده می