هنگام طراحی یک سیستم کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی (PLC)، اولین گام، تعریف استراتژی کنترل است. مرحله بعدی شامل انتخاب مهندسی سخت افزار PLC خاص است. ویژگیهای جریان فرآیند و الزامات کاربردی خاص به عنوان مبنای اولیه برای این فرآیند انتخاب عمل میکنند. PLC و تجهیزات مرتبط با آن باید یکپارچه و استاندارد شده باشند و بر اساس اصول ادغام یکپارچه در سیستم کنترل صنعتی کلی و سهولت گسترش عملکرد انتخاب شوند. سیستم PLC انتخاب شده باید یک راه حل بالغ و قابل اعتماد با سابقه کار موفقیت آمیز در بخش صنعتی مربوطه باشد. علاوه بر این، پیکربندی سختافزاری، قابلیتهای نرمافزار و ویژگیهای عملکردی سیستم باید به طور مناسب با مقیاس تسهیلات و الزامات کنترلی خاص مطابقت داشته باشد. آشنایی با PLC ها، نمودارهای تابع و زبان های برنامه نویسی مربوطه به کاهش چشمگیر زمان برنامه نویسی کمک می کند. بنابراین، در طول مراحل انتخاب مهندسی و برآورد، انجام یک تجزیه و تحلیل دقیق از ویژگی های فرآیند و الزامات کنترل ضروری است. این شامل تعریف واضح وظایف و محدوده کنترل و شناسایی عملیات و اقدامات لازم است. متعاقباً-بر اساس این الزامات کنترلی{8}}میتوان تعداد مورد نیاز نقاط ورودی/خروجی (I/O) و ظرفیت حافظه را تخمین زد و عملکردهای PLC لازم و مشخصات دستگاه خارجی را تعیین کرد. در نهایت، هدف انتخاب یک PLC است که نسبت عملکرد{10}به قیمت بالاتری ارائه میکند و سیستم کنترل مربوطه را طراحی میکند.
تخمین نقطه ورودی/خروجی
هنگام تخمین تعداد نقاط ورودی/خروجی، ترکیب یک حاشیه مناسب بسیار مهم است. به طور معمول، تعداد تخمینی I/O با در نظر گرفتن تعداد امتیازات مورد نیاز محاسبه شده به صورت آماری و اضافه کردن حاشیه توسعه 10% تا 20% به دست می آید. هنگام ثبت سفارش واقعی، ممکن است لازم باشد تعداد تخمینی ورودی/خروجی را گرد کنید تا با مشخصات محصول خاص و پیکربندیهای ماژول ارائه شده توسط سازنده PLC هماهنگ شود.
ظرفیت حافظه
"ظرفیت حافظه" به اندازه کل واحدهای ذخیره سازی سخت افزار ارائه شده توسط خود PLC اشاره دارد، در حالی که "ظرفیت برنامه" به بخش خاصی از آن حافظه اشاره دارد که توسط برنامه کاربردی کاربر استفاده می شود. در نتیجه، ظرفیت برنامه همیشه کمتر یا برابر با ظرفیت کل حافظه است. در مرحله طراحی، از آنجایی که برنامه کاربردی کاربر هنوز نوشته نشده است، ظرفیت دقیق برنامه ناشناخته باقی مانده است و تنها پس از رفع اشکال کامل برنامه قابل تعیین است. برای تسهیل فرآیند انتخاب با ارائه یک تخمین معقول از فضای ذخیره سازی مورد نیاز، ظرفیت کل حافظه معمولاً به عنوان پروکسی برای ظرفیت برنامه در مرحله طراحی استفاده می شود. هیچ فرمول ثابتی برای تخمین ظرفیت حافظه مورد نیاز وجود ندارد. در حالی که فرمول های مختلفی در ادبیات ظاهر می شوند، آنها به طور کلی از یک رویکرد مشترک پیروی می کنند: 10 تا 15 برابر تعداد نقاط ورودی/خروجی دیجیتال را محاسبه کنید، 100 برابر تعداد نقاط ورودی/خروجی آنالوگ را اضافه کنید و از این مجموع به عنوان تعداد کل کلمات (که در آن یک کلمه برابر با 16 بیت است) برای حافظه استفاده کنید. علاوه بر این، یک حاشیه ایمنی معادل 25٪ از این مقدار محاسبه شده باید در نظر گرفته شود.
انتخاب توابع کنترل
این فرآیند انتخاب شامل انتخاب ویژگیهای خاص مانند توابع حسابی، توابع کنترل، قابلیتهای ارتباطی، ویژگیهای برنامهنویسی، ابزارهای تشخیصی و سرعت پردازش است.
1. توابع حسابی
توابع حسابی کنترلکنندههای منطقی قابل برنامهریزی ساده (PLC) معمولاً شامل عملیات منطقی پایه، زمانبندی و توابع شمارش میشوند. PLC های استاندارد این را گسترش می دهند تا شامل عملیات هایی مانند جابجایی و مقایسه داده ها شود. قابلیت های پیچیده تر حسابی شامل عملیات جبری و توابع انتقال داده می شود. PLCهای مقیاس بزرگ، الگوریتمهای کنترل آنالوگ PID و دیگر توابع ریاضی پیشرفته را در خود جای میدهند. با ظهور سیستم های باز، PLC های مدرن به طور جهانی به قابلیت های ارتباطی مجهز شده اند. محصولات خاص ممکن است ارتباط با-دستگاههای سطح پایینتر، ارتباط همتا به همتا با سایر PLCها، ارتباط با-سطح بالاتر سیستمهای میزبان، یا قابلیتهای تبادل داده با شبکه-گسترده یا سازمانی را ارائه دهند. هنگام انتخاب یک مدل در مرحله طراحی، باید انتخاب را بر اساس نیازهای خاص برنامه واقعی قرار داد و تنها آن دسته از توابع حسابی را انتخاب کرد که واقعاً ضروری هستند. در اکثر سناریوهای کاربردی، عملیات منطقی پایه، زمان بندی و توابع شمارش کافی است. برخی از برنامه ها ممکن است به قابلیت های انتقال داده و مقایسه نیاز داشته باشند. در حالی که عملیات جبری، تبدیلهای عددی و الگوریتمهای کنترل PID معمولاً برای برنامههایی که شامل تشخیص و کنترل سیگنال آنالوگ هستند، رزرو میشوند. هنگامی که به قابلیت های نمایش داده ها نیاز است، عملیات هایی مانند رمزگشایی و رمزگذاری مورد نیاز است.
2. توابع کنترل
توابع کنترل شامل الگوریتمهایی مانند کنترل PID، فید{0}}جلوگیری به جلو، و کنترل نسبت میشوند. عملکردهای خاص انتخاب شده باید بر اساس الزامات کنترل دقیق برنامه تعیین شوند. از آنجایی که PLCها اصولاً برای کنترل منطقی متوالی طراحی شدهاند، وظایف کنترل آنالوگ در اکثر سناریوها معمولاً با استفاده از کنترلکنندههای اختصاصی یک-حلقه یا چند{3}}حلقه انجام میشود. از طرف دیگر، ماژولهای I/O هوشمند تخصصی گاهی اوقات برای اجرای عملکردهای کنترلی خاص استفاده میشوند{5}}یک استراتژی که در خدمت افزایش سرعت پردازش کلی PLC و حفظ ظرفیت حافظه داخلی است. نمونههایی از این ماژولهای تخصصی عبارتند از واحدهای کنترل PID، شمارندههای سرعت بالا، ماژولهای ورودی آنالوگ با جبران سرعت، و واحدهای تبدیل ASCII.
3. توابع ارتباطی
سیستمهای PLC{0}}در مقیاس متوسط تا-بزرگ- باید از انواع فیلدباس و پروتکلهای ارتباطی استاندارد (مانند TCP/IP) پشتیبانی کنند. علاوه بر این، در صورت نیاز برنامه، این سیستم ها باید قادر به برقراری ارتباط با شبکه مدیریت نیروگاه (از طریق TCP/IP) باشند. پروتکل های ارتباطی باید با استانداردهای ارتباطی ISO/IEEE مطابقت داشته باشند و یک شبکه ارتباطی باز را تشکیل دهند.
رابط های ارتباطی سیستم کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی (PLC) باید شامل رابط های ارتباطی سریال و موازی، پورت های ارتباطی RIO، رابط های مشترک DCS و موارد مشابه باشد. برای سیستمهای PLC{1}}در مقیاس متوسط تا-بزرگ-، گذرگاههای ارتباطی (شامل دستگاههای رابط و کابلها) باید با افزونگی 1:1 پیکربندی شوند. این اتوبوس های ارتباطی باید با استانداردهای بین المللی مطابقت داشته باشند و محدوده ارتباطی آنها باید الزامات واقعی تسهیلات خاص را برآورده کند.
در شبکه ارتباطی سیستم PLC، نرخ ارتباط شبکه{0}سطح بالا باید از 1 مگابیت در ثانیه تجاوز کند و بار ارتباطی نباید از 60% تجاوز کند. اشکال اولیه شبکه های ارتباطی برای سیستم های PLC به شرح زیر است:
1) یک رایانه شخصی به عنوان ایستگاه اصلی عمل می کند، در حالی که چندین PLC از همان مدل به عنوان ایستگاه های برده عمل می کنند و یک شبکه PLC ساده را تشکیل می دهند.
2) یک PLC منفرد به عنوان ایستگاه اصلی عمل می کند، در حالی که سایر PLC های همان مدل به عنوان ایستگاه های برده عمل می کنند و یک شبکه اصلی- PLC را تشکیل می دهند.
3) شبکه PLC از طریق یک رابط شبکه خاص به یک DCS در مقیاس بزرگ متصل می شود که به عنوان زیرشبکه DCS عمل می کند.
4) یک شبکه PLC اختصاصی (یک شبکه ارتباطی خاص برای محصولات PLC یک سازنده خاص).
برای کاهش بار کاری ارتباطی روی CPU-و بر اساس نیازهای واقعی پیکربندی شبکه-پردازندههای ارتباطی مجهز به قابلیتهای ارتباطی مختلف (به عنوان مثال، نقطه-به-نقطه، فیلدباس) باید انتخاب شوند.
4. توابع برنامه نویسی
حالت برنامه نویسی آفلاین: در این حالت، PLC و دستگاه برنامه نویسی از یک CPU استفاده می کنند. هنگامی که دستگاه برنامه نویسی در "حالت برنامه نویسی" است، CPU خدمات خود را صرفاً به دستگاه برنامه نویسی اختصاص می دهد و دستگاه های میدانی را کنترل نمی کند. هنگامی که برنامه نویسی کامل شد، دستگاه برنامه نویسی به "حالت اجرا" تغییر می کند، در این مرحله CPU کنترل دستگاه های فیلد را از سر می گیرد و عملیات برنامه نویسی نمی تواند انجام شود. حالت برنامه نویسی آفلاین می تواند هزینه های سیستم را کاهش دهد، اگرچه ممکن است برای استفاده و اشکال زدایی راحت تر باشد. حالت برنامه نویسی آنلاین: در این حالت، CPU و دستگاه برنامه نویسی هر کدام CPU اختصاصی خود را دارند. CPU میزبان مسئول عملیات کنترل میدانی است و داده ها را با دستگاه برنامه نویسی در یک چرخه اسکن مبادله می کند. دستگاه برنامه نویسی داده های برنامه جدید ایجاد شده یا اصلاح شده را به CPU میزبان منتقل می کند و در چرخه اسکن بعدی، CPU میزبان منطق سیستم را بر اساس برنامه تازه دریافت شده اجرا می کند. در حالی که این حالت مستلزم هزینههای بالاتری است، اما راحتی بیشتری را برای اشکالزدایی و عملکرد سیستم ارائه میکند و اغلب در سیستمهای PLC-در مقیاس متوسط تا{7}}بزرگ-استفاده میشود. پنج زبان برنامه نویسی استاندارد وجود دارد: سه زبان گرافیکی{10}}نمودار توابع متوالی (SFC)، نمودارهای نردبانی (LD) و نمودارهای بلوکی تابع (FBD)-و دو زبان مبتنی بر متن{13}}فهرست دستورالعمل (IL) و Struc. زبان برنامه نویسی انتخاب شده باید مطابق با استاندارد مربوطه باشد (IEC 61131-3). علاوه بر این، باید از فرم های مختلف برنامه نویسی جایگزین مانند C، Basic و غیره پشتیبانی کند تا نیازهای کنترلی خاص برنامه های کاربردی تخصصی را برآورده کند.
5. توابع تشخیصی
قابلیت های تشخیصی یک کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی (PLC) هم شامل تشخیص سخت افزاری و هم نرم افزاری می شود. عیبیابی سختافزار از منطق مبتنی بر سختافزار برای تعیین دقیق محل خطاهای سختافزاری استفاده میکند، در حالی که تشخیصهای نرمافزاری به تشخیصهای داخلی و خارجی دستهبندی میشوند. تشخیص داخلی شامل استفاده از نرم افزار برای ارزیابی عملکرد و عملکرد داخلی PLC است. تشخیص خارجی شامل استفاده از نرم افزار برای ارزیابی قابلیت های تبادل داده بین CPU PLC و اجزای خارجی مانند ماژول های ورودی/خروجی (I/O) است.
استحکام عملکردهای تشخیصی PLC مستقیماً بر مهارت فنی مورد نیاز پرسنل عملیات و تعمیر و نگهداری و همچنین میانگین زمان تعمیر (MTTR) تأثیر می گذارد.
6. سرعت پردازش
کنترلکنندههای منطقی قابل برنامهریزی با استفاده از مکانیزم مبتنی بر اسکن- کار میکنند. از منظر الزامات عملکرد زمان واقعی، سرعت پردازش باید تا حد امکان سریع باشد. اگر مدت زمان یک سیگنال ورودی کوتاهتر از زمان اسکن PLC باشد، ممکن است کنترل کننده سیگنال را تشخیص ندهد و در نتیجه داده ها از بین برود.
سرعت پردازش تحت تأثیر عواملی مانند طول برنامه کاربر، قدرت پردازش CPU و کیفیت نرم افزار است. PLC ها دارای زمان پاسخ تماس سریع و سرعت عملیاتی بالا هستند، با زمان اجرای هر دستورالعمل باینری معمولاً از 0.2 تا 0.4 میکروثانیه (µs) متغیر است. در نتیجه، برای برنامههایی که نیازمند کنترل دقیق و قابلیتهای واکنش سریع هستند، مناسب هستند. چرخه اسکن (زمان اسکن پردازنده) باید معیارهای زیر را برآورده کند: برای PLCهای مقیاس کوچک، زمان اسکن نباید از 0.5 میلی ثانیه در هر 1000 دستورالعمل (0.5 ms/K) تجاوز کند. برای PLCهای{10}}در مقیاس متوسط تا{11}}در مقیاس بزرگ، زمان اسکن نباید از 0.2 میلیثانیه در هر 1000 دستورالعمل (0.2 میلیثانیه/کیلو) تجاوز کند.
انواع کنترلر
بر اساس ساختار فیزیکی، PLC ها به طور کلی به دو دسته تقسیم می شوند: انواع انتگرال (مونوبلاک) و انواع مدولار. بر اساس محیط عملیاتی آنها، آنها به دو دسته طبقه بندی می شوند: واحدهای نصب شده در میدان و واحدهای نصب شده در اتاق کنترل-واحدهای نصب شده-. علاوه بر این، بر اساس طول کلمه CPU، آنها به سیستمهای 1{12}}بیتی، 4{14}}بیتی، 8{15}}بیتی، 16{17}}بیتی، 32{18}}بیتی و 64 بیتی طبقهبندی میشوند. از دیدگاه برنامه گرا، PLC ها معمولاً بر اساس عملکردهای کنترلی خاص یا تعداد مورد نیاز نقاط ورودی/خروجی انتخاب می شوند. کنترلکنندههای منطقی قابل برنامهریزی یکپارچه-نوع (PLC) دارای تعداد ثابتی از نقاط ورودی/خروجی هستند. در نتیجه، کاربران انعطاف پذیری محدودی در انتخاب خود دارند و آنها را برای سیستم های کنترل در مقیاس کوچک مناسب می کند. برعکس، PLCهای مدولار، طیف گستردهای از کارتهای ورودی/خروجی یا ماژولهای پلاگین را ارائه میدهند و به کاربران اجازه میدهند تا تعداد مشخصی از نقاط ورودی/خروجی مورد نیاز برای سیستمهای کنترل خود را به طور منطقی انتخاب و پیکربندی کنند. این ماژولار بودن توسعه عملکردی راحت و انعطاف پذیر را تسهیل می کند و آنها را به طور کلی برای سیستم های کنترلی در مقیاس متوسط تا بزرگ مناسب می کند.
انواع ورودی/خروجی
سیگنالهای گسسته (مقدارهای سوئیچینگ): این سیگنالها عمدتاً به ورودیهای مجزا و خروجیهای مجزا{0}}بهویژه، مخاطبین کمکی مرتبط با دستگاههای مختلف اشاره دارند. مثالها شامل کنتاکتهای کمکی یک رله در کنترلکننده دمای ترانسفورماتور (که با گرم شدن بیش از حد ترانسفورماتور تغییر حالت میدهند)، کنتاکتهای کمکی سوئیچ بادامک یک شیر (که با باز یا بسته شدن شیر تغییر حالت میدهند)، کنتاکتهای کمکی یک کنتاکتور (که در صورت تغییر حالت کنتاکتور و بارگذاری مجدد کنتاکتور، تغییر حالت میدهند) (که با خاموش شدن رله حالت تغییر می کند). این سیگنال ها معمولاً به یک PLC یا یک دستگاه حفاظت جامع منتقل می شوند. منبع تغذیه این کنتاکت ها عموماً توسط PLC یا خود دستگاه حفاظتی تامین می شود. از آنجایی که کنتاکت ها منبع انرژی داخلی خود را ندارند، به آنها "کنتاکت های غیرفعال" (یا "کنتاکت های خشک") گفته می شود و به عنوان ورودی های گسسته در زمینه PLC یا دستگاه حفاظتی طبقه بندی می شوند.
1. مقادیر دیجیتال
کمیتهای فیزیکی که-هم از نظر زمان و هم از نظر بزرگی مجزا هستند-به عنوان کمیتهای دیجیتال گفته میشوند. سیگنال هایی که این کمیت های دیجیتال را نشان می دهند، سیگنال های دیجیتال نامیده می شوند. مدارهای الکترونیکی طراحی شده برای کار با سیگنال های دیجیتال به عنوان مدارهای دیجیتال شناخته می شوند.
به عنوان مثال: هنگامی که یک مدار الکترونیکی برای شمارش تعداد قطعات خروجی از یک خط تولید خودکار استفاده میشود، برای هر قطعه تحویل شده سیگنالی به مدار ارسال میشود که باعث میشود شمارش «1» ثبت شود. برعکس، هنگامی که هیچ قطعه ای تحویل داده نمی شود، سیگنال اعمال شده به مدار "0" است. بنابراین، سیگنالی که تعداد قطعات را نشان میدهد، ناپیوسته است-هم از نظر زمانی و هم از نظر کمی- و آن را به یک سیگنال دیجیتال تبدیل میکند. کوچکترین واحد کمیت در این زمینه یک واحد واحد است (1).
2. مقادیر آنالوگ
به کمیتهای فیزیکی که پیوسته هستند-چه از نظر زمان و چه از نظر بزرگی- به عنوان کمیتهای آنالوگ گفته میشود. سیگنال هایی که این کمیت های آنالوگ را نشان می دهند، سیگنال های آنالوگ نامیده می شوند. مدارهای الکترونیکی طراحی شده برای کار با سیگنال های آنالوگ به عنوان مدارهای آنالوگ شناخته می شوند.
به عنوان مثال: سیگنال ولتاژ خروجی توسط ترموکوپل در حین کار یک سیگنال آنالوگ است. از آنجایی که دمای اندازه گیری شده تحت هیچ شرایطی نمی تواند دچار جهش های آنی و ناگهانی شود، سیگنال ولتاژ حاصله هم از لحاظ زمانی و هم از نظر کمی پیوسته است. علاوه بر این، هر مقدار مشخصی که توسط این سیگنال ولتاژ در طول فرآیند تغییر پیوسته آن گرفته میشود، دارای اهمیت فیزیکی مشخصی است-بهعنوان مثال، مربوط به یک دمای خاص است. اصول تبدیل
1. مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC) سیستمی است که سیگنال های دیجیتال را به سیگنال های آنالوگ تبدیل می کند. این معمولاً از طریق فیلتر{3}}کم گذر به دست می آید. سیگنال دیجیتال ابتدا تحت رمزگشایی قرار میگیرد-یعنی کدهای دیجیتال به سطوح ولتاژ مربوطه تبدیل میشوند تا یک پلکان-شبیه سیگنال-تبدیل شوند که پس از آن تحت فیلتر کردن-کم گذر قرار میگیرد.
با توجه به تئوری سیگنال و سیستم، پلکان دیجیتالی{0}}شبیه سیگنال را میتوان بهعنوان پیچیدگی یک سیگنال نمونهبرداری ضربهای ایدهآل- و یک سیگنال پالس مستطیلی شکل مشاهده کرد. در نتیجه، با قضیه کانولوشن، طیف سیگنال دیجیتال حاصلضرب طیف سیگنال ضربه-نمونهبرداری شده و طیف پالس مستطیلی (معروف به تابع Sa) است. بنابراین، با استفاده از متقابل تابع Sa برای جبران طیفی، سیگنال نمونه برداری اولیه را می توان از سیگنال دیجیتال بازیابی کرد. علاوه بر این، طبق قضیه نمونهگیری، اعمال فیلتر پایین{6} ایدهآل در طیف سیگنال نمونهبرداری شده، طیف سیگنال آنالوگ اصلی را به دست میدهد.
در پیاده سازی های عملی، این اصول نظری به طور مستقیم اعمال نمی شوند، زیرا تولید سیگنال های نمونه برداری تیز و ایده آل از نظر فنی چالش برانگیز است. بنابراین، این دو مرحله فیلتر کردن ( جبران عملکرد Sa و فیلتر پایین گذر ایدهآل ) معمولاً با هم ترکیب میشوند (آبشاری). علاوه بر این، از آنجایی که ویژگیهای ایدهآل فیلتر مورد نیاز این سیستم از نظر فیزیکی غیرقابل تحقق هستند، سیستمهای واقعی فقط میتوانند تقریبی از این فرآیند را ارائه دهند.
2. مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) سیستمی است که سیگنال های آنالوگ را به سیگنال های دیجیتال تبدیل می کند. این فرآیند شامل فیلتر کردن، نمونه برداری و نگهداری و رمزگذاری است.
سیگنال آنالوگ ابتدا تحت فیلتر باندی-محدود کننده قرار میگیرد و از مدار نمونه-و-میگذرد و در نتیجه به سیگنالی مانند راه پله- تبدیل میشود. متعاقباً، این سیگنال از یک رمزگذار عبور می کند که هر سطح ولتاژ مشخص در سیگنال راه پله را به یک کد باینری مربوطه تبدیل می کند.