طراحی گام به گام سیستم PLC

طراحی گام به گام سیستم PLC چگونه خواهد بود؟

با طراحی گام به گام سیستم PLC به شکل درست، می‌توان در طولانی مدت خدمات صحیح ارائه داد و همچنین بازده عملیاتی نیز افزایش می‌یابد. PLCها یا کنترلرهای منطقی برنامه‌پذیر، امروزه در تمامی صنایع یافت شده و طراحی صحیح آن‌ها می‌تواند ارائه خدمات برای یک ماشین را تا سالیان متمادی تضمین کند به طوری که سودآوری و بازدهی بسیار خوبی را برای مالک به ارمغان می‌آورد. اما چرا باید از یک PLC استفاده کرد؟ PLCها در واقع جایگزین رله‌ها بوده و عملیات منطقی را ممکن می‌سازند. این سیستم، توانایی انجام عملیات ریاضی را داشته و می‌تواند محاسبات لازم را بر اساس ورودی سیگنال‌های خارجی و یا HMI انجام دهد.

یک مثال عالی برای کاربرد PLCها، می‌توان به استفاده از آن‌ها در درایوهای فرکانس متغیر یا VFD اشاره کرد. در حال حاضر، تعداد زیادی از این سیستم در VFDها از طریق اترنت یا IP و یا دیگر پروتکل‌های ارتباطی فیلدباس شبکه، در حال کار هستند. از طریق این پروتکل‌های ارتباطی، تعداد زیادی از سیم‌کشی‌ها حذف خواهند شد. قبل از اعمال یک PLC به یک ماشین یا فرآیند، بهتر است به انواع طراحی‌ها و تعمیرات آن نگاهی انداخته شود. این موارد برای پیاده‌سازی موفقیت‌آمیز این سیستم ضروری هستند.

شکل ۱. PLCها قابلیت انجام عملیات منطقی، زمان‌بندی و شمارش را دارند. انجام این موارد با استفاده از عناصر گسسته، بسیار سخت خواهد بود.

ایمنی در طراحی گام به گام سیستم PLC

قبل از اجرای طراحی گام به گام سیستم PLC برای فرآیندها یا ماشین، باید موارد ایمنی مورد بررسی قرار گیرند. در اولین مرحله، تجزیه و تحلیل ریسک و عملکرد (HAZOP) ماشین یا فرآیند، بررسی می‌شود. بعد از انجام HAZOP، می‌توان از مسائل ایمنی برای کاهش یا حذف خطرات استفاده نمود. از جمله این موارد مربوط به ایمنی می‌توان به نگهبانی، پرده‌های نور، محافظت از خطر سقوط، شوک الکتریکی یا مسائل حرارتی مانند سوختگی و شرایط ایمنی اپراتور اشاره کرد. برخی از تولیدکنندگان PLC، مبحث ایمنی را نیز به همراه برنامه ارائه می‌دهند که این امر شامل عملکردهای ویژه مرتبط با اصولی ایمنی شده و به طور جدایی‌ناپذیر در دستگاه تعبیه خواهد شد. توصیه می‌شود از رله‌های ایمنی، برای مدارهای توقف اضطراری، تشک‌های ایمنی، دستگاه‌های محافظ، پرده‌های نور و سوئیچ‌های قفل‌کننده استفاده گردد. این رله‌ها، از رویکرد دو کاناله استفاده کرده و قابلیت ارائه سطوح بالای ایمنی را دارند. به طور کلی، باید توجه داشت که عملکردهای ایمنی، کاملاً در عملکرد سیستم تأثیرگذار هستند و در بسیاری از شرکت‌ها، مسائل ایمنی، حتماً بر روی سیستم‌ها پیاده‌سازی می‌شوند.

اتصال به زمین (ارت یا گراندینگ)

یکی از موضوعات مهم در PLCها، اتصال به زمین یا گراندینگ بوده و باید به اصول مربوط به آن، توجه ویژه داشت. در صورت اتصال ضعیف به زمین، مشکلات زیادی در سیستم‌های کنترل صنعتی به وجود می‌آید. برای طراحی مناسب یک پنل، باید یک نقطه واحد برای اتصال سیستم به زمین در نظر گرفته شود. به همین علت، استفاده از ارت لاگ یا ارت بار، یک امر بسیار معمول خواهد بود. باید توجه داشت که رنگ‌ها باید از روی پنل فرعی که ارت لاگ یا ارت بار به آن وصل می‌شود، پاک شوند و همچنین از اتصال همه دستگاه‌ها به زمین بر اساس توصیه‌های سازنده، اطمنینان حاصل کرد.

نگرانی های زیست محیطی (گرما / سرما / نوسانات)

در زمان طراحی گام به گام سیستم PLC، باید توجه داشت که این این سیستم از انواع نوسانات محیطی، گرما و سرمای شدید محافظت شود. در واقع این محافظت باید مطابق با دستورالعمل PLC و ماژول‌های مرتبط با آن انجام گیرد. برای خنک کردن و حفظ دمای مطلوب داخل محفظه، می‌توان از فن‌ها، سیستم تهویه مطبوع، کولرها و کولرهای پنوماتیکی استفاده کرد. در صورت سرد بودن محیط بیرونی، استفاده و نصب بخاری‌های پنلی توصیه می‌شود. همچنین برخی از دستگاه‌های سرمایشی یا گرمایشی، دارای ترموستات هستند و موجب صرفه‌جویی در انرژی خواهند شد. در نهایت، برای محافظت از PLCها در برابر نوسانات خارجی مانند رعد و برق و اختلالات کلید و همچنین نوسانات داخلی ناشی از تجیهزات الکتریکی نیروگاه، باید از دستگاه‌های سرج ساپرسر استفاده شود.

استراتژی طراحی الکتریکی

برای طراحی الکتریکی، در ابتدا باید از یک رله کنترل اصلی (MCR) استفاده نمود. این نوع مدار رله‌گیر زمانی که تمام استاپ پوش باتن‌های اضطراری و دیگر وسایل ایمنی به خوبی عمل کنند، فعال شده و در این حالت برای خاموش کردن MCR، کاربر باید یک پوش باتن استارت کنترل را فشار دهد. کنتاکت‌های اضافی موجود در MCR نیز وظیفه تغذیه کنترل ماژول‌های خروجی PLC را بر عهده دارند. بنابراین در زمان ایجاد وضعیت توقف اضطراری، MCR قطع شده و در نهایت توان خروجی به PLC نیز کاهش می‌یابد. باید توجه داشت که ایمنی در PLC امر بسیار مهمی بوده و باید مورد توجه قرار گیرد. اپراتور باید همیشه از خود بپرسد که آیا با قطع کردن هر خروجی در شرایط اضطراری، آیا وضعیت خطرناکی ایجاد می‌شود یا خیر؟

برخی از برنامه‌نویسان در طراحی گام به گام سیستم PLC، برای غیرفعال‌سازی مدارهای ورودی PLC از MCR استفاده می‌کنند. برخی دیگر اما این کار را انجام نمی‌دهند، زیرا استفاده از چنین سیستم ممکن است خطراتی را به همراه داشته باشد. همانطور که MCR برای استراتژی طراحی الکتریکی یک امر کلیدی به حساب می‌آید، برخی دیگر از ملاحظات نیز دارای اهمیت هستند که در ادامه معرفی می‌شوند.

ولتاژ کنترل در طراحی گام به گام سیستم PLC

Vdc 24 در حال تبدیل شدن به استانداردی معمول برای ولتاژهای کنترل است. این در حالی است که ۱۲۰ Vac هنوز رواج زیادی دارد.

چیدمان فیزیکی

سازندگان PLC دستورالعمل هایی برای نصب دستگاه دارند. این سیستم باید به گونه‌ای نصب گردد که فضای کافی در اطراف PLC برای عبور جریان هوا وجود داشته باشد. همچنین توصیه می‌شود که سه تا چهار اینچ زیر دستگاه یا شاسی PLC، فضای خالی برای سیم‌کشی‌ها در نظر گرفته شود. برخی از PLCها، شاسی ثابتی ندارند و در این حالت، فضای خالی در سمت راست آخرین ماژول ورودی/خروجی برای استفاده در آینده در نظر گرفته می‌شود. در طراحی گام به گام سیستم PLC، بهتر است از MTW و سیم‌ها با اندازه مناسب استفاده شود. به طور معمول، رسانای رشته‌ای MTW #18 AWG (American Wire Gauge) برای ورودی و خروجی‌های سیستم کاربرد دارد. همچنین طراحان می‌توانند برای تسریع روند سیم‌کشی میدانی، از ماژول‌های ترمینالی که از قبل سیم‌کشی شده‌اند، استفاده نمایند.

در زمان سیم‌کشی برای چیدمان زیباتر فضا ، بهتر است از کدهای رنگی مناسب استفاده شود. بدین صورت که آبی معمولاً برای DC، قرمز برای Vac120 داغ و سفید برای Vac120 خنثی کاربرد دارند. برخی از طراحان نیز از رنگ‌های دیگر برای نشان دادن ورودی و خروجی PLC استفاده می‌کنند (سیم خاکستری برای ورودی و سیم نارنجی برای خروجی). این امر تا زمانی که موجب گیج شدن فرد نشود، اشکالی ندارد. باید توجه داشت که از رنگ زرد به جز برای سیم‌هایی که از پنل دیگر ممکن است به پنل اصلی وارد شوند، استفاده دیگری نشود.

جداسازی سطوح مختلف ولتاژ

با طراحی خوب پنل PLC، می‌توان سیگنال‌های کنترل و سیگنال‌های آنالوگ را از دستگاه‌ها با ولتاژ بالاتر دور نگه داشت. به طور کلی، طراحی این سیستم، دستگاه‌های ۴۶۰ ولت یا ۲۳۰ ولت را در بالای پنل فرعی و در قسمت چپ قرار می‌دهند. اجزای کنترل معمولاً در پایین و سمت راست سیستم قرار می‌گیرند. برای طراحی گام به گام سیستم PLC و همچنین جداسازی رساناها و ایزالاسیون آن‌ها منابع اطلاعات خوبی وجود داشته که یکی از بهترین آن‌ها، استاندارد UL 508A است.

همچنین به علت اینکه سیم‌های برق و سیگنال بسیار نزدیک یکدیگر قرار می‌گیرند باید مطمئن شد که این سیم‌ها به اصطلاح Cross شده باشند. خروجی‌های دیجیتال در این سیستم معمولاً ۱ تا ۲ آمپر را تحمل کرده و برای راه‌اندازی سلونوئید ولوها و یا بارهای دیگر، بهتر است از رله داخلی استفاده شود.

ورودی/خروجی آنالوگ

ورودی‌های و خروجی‌های آنالوگ در سیستم PLC، بسیار مستعد نویزپذیری هستند. از آن‌جایی که سیگنال جریان کمتر نیز تحت تأثیر نویز قرار می‌گیرد، به همین علت سیگنال‌های ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر معمولاً برای مدارهای آنالوگ کاربرد دارند. همچنین برای این سیستم‌ها باید از کابل شیلددار باکیفیت استفاده شده و کابل‌ها به درستی به زمین اتصال داشته باشند.

تعداد ورودی/خروجی و ورودی خروجی های اسپیر (یدکی)

برای مشخص کردن تعداد ورودی و خروجی یدکی می‌توان از این قانون استفاده کرد که ۲۰ درصد ورودی و خروجی‌های اصلی، باید ورودی و خروجی اضافی در سیستم وجود داشته باشد. تمامی ورودی و خروجی‌های سیستم، چه اصلی و چه یدکی، باید به یک بلوک ترمینال متصل شوند. این موضوع بسیار دارای اهمیت است زیرا این امکان را فراهم می‌کند تا در آینده، دستگاه‌های دیگری را نیز بتوان به PLC متصل کرد.

شبکه کردن یا نتورکینگ در طراحی گام به گام سیستم PLC

بسیاری سیستم‌های مدرن PLC، قابلیت برقراری ارتباط با فیلدباس یا اترنت را نیز دارند. در صورتی که در طراحی گام به گام سیستم PLC از اترنت استفاده می‌شود، به کارگیری یک سوئیچ اترنت صنعتی باکیفیت مانند Cat.6 گزینه مناسبی خواهد بود. در این حالت، برای تعمیرات و نگهداری سیستم، تنها کافی است که لپ تاپ را به PLC متصل نمود و دیگر نیازی به اتصال به پریز برق نخواهد بود.

مطالب مرتبط نرم افزارهای کاربردی مهندسی برق

مستندات شماتیک الکتریکی

طراحی PLC، در زمانی مناسب و خوب خواهد بود که مطابق با مستندات باشد. در واقع قبل از طراحی باید یک نقشه کلی از PLC ایجاد شود. هر شیت نقشه شامل شاسی کامل PLC با تمامی ماژول‌ها در قالب یک نمای کلی است. شماره قطعات ماژول، شماره اسلات‌ها و شماره سیم مربوط به هر ماژول نیز در نقشه قابل مشاهده خواهد بود. همچنین بعد از طراحی نقشه، باید یک مرجع برای هر شماره شیت که شامل شماتیک‌های ماژول‌ها است، طراحی گردد.

یکی دیگر از مستندات مورد نیاز برای طراحی PLC، یک شیت شبکه بوده تا تمامی دستگاه‌های موجود در شبکه به همراه شماره قطعه و آدرس IP را نشان دهد. ماسک زیرشبکه و آدرس گیت نیز در این شیت باید وارد شود. نقشه مورد نظر باید تنها یک آدرس IP برنامه‌نویسی پیشنهادی را از طریق لپ تاپ نشان دهد تا از هرگونه تضادی در این رابطه جلوگیری گردد.

شماتیک الکتریکی در طراحی گام به گام سیستم PLC برای هر ماژولی می‌تواند بر روی صفحه خود باشد، اگر چه در اغلب مواقع، طراحان تمایل دارند که دو ماژول از یک نوع را در یک صفحه مشترک قرار دهند. این امر به اندازه سیستم بستگی داشته و باید مطمئن شد که ماژول‌های PLC با استفاده از شماره قطعه و شماره اسلات، قابل شناسایی باشند. در نهایت باید تمامی سیم‌ها در مبدأ و مقصدشان در دیگر شیت‌ها ارجاع داده شوند. در شکل دو می‌توان تمامی قسمت‌های مستندسازی نقشه را به طور کامل و دقیق مشاهده کرد.

شکل ۲. با وجود مستندات مناسب، همانطور که در این نمونه شماتیک الکتریکی نشان داده می‌شود، زمان خرابی را کاهش داده و مبنای خوبی برای به روز رسانی آینده فراهم می‌کند. در اینجا، ورودی ‌های PLC در سمت چپ و خروجی ‌های PLC در سمت راست، با شماره سیم‌ ها و رنگ ‌ها و همچنین شماره ترمینال ها نشان داده شده‌اند.

ملاحظات برنامه نویسی در طراحی گام به گام سیستم PLC

طراحی گام به گام سیستم PLC و برنامه‌نویسی آن به طور کامل، بسیار فراتر از محدوده این مقاله است. با این حال مواردی وجود دارد که باید گفته شود. طراح و برنامه‌نویس PLC باید از مستندسازی برنامه مطمئن شود تا اگر سیستم به سرویس یا تغییرات خاص نیاز داشت، بتوان بر اساس مستندات، کارهای لازم را انجام داد. عملکرد دستگاه و فرآیند باید به گونه‌ای برنامه‌نویسی شود که برای پرسنل تعمیر و نگهداری به خوبی قابل درک باشد. همچنین می‌توان یک نسخه کاغذی از لاجیک PLC را پرینت گرفته و آن را برای مراجعات بعدی در اختیار داشت.

نسخه‌های الکترونیکی برنامه نیز باید در پوشه‌ای امن نگهداری و ذخیره شوند. در نهایت باید توجه داشت که هرگونه تغییر یا ارتقاء تجهیزات نیز باید در مستند برنامه PLC وارد شود. در صورتی که این مستندسازی دوباره به خوبی انجام نگیرد، پرسنل تعمیر و نگهداری نیز با مشکلات عمده‌ای رو به رو شده و نمی‌تواند به خوبی تغییرات به وجود آمده را درک کنند.

از HMI استفاده شود

یکی از لوازم کاربردی و ارزان برای ورود به عملیات PLC، HMIها هستند. بسیاری از شرکت‌ها به علت عدم توانایی برنامه‌نویسی PLC، با مشکل مواجه می‌شوند. در این حالت می‌توان با استفاده از HMI، تنظیمات تایمر و شمارنده را انجام داده و وضعیت بیت‌ها و مقادیر داخلی را نیز مشاهده نمود. همچنین امکان تنظیم مقادیر آنالوگ و دور نگه اشتن اپراتورها از مناطق حساس نیز با این سیستم وجود دارد.

تعمیر و نگهداری در طراحی گام به گام سیستم PLC

در طراحی گام به گام سیستم PLC باید به نکات مربوط به تعمیر و نگهداری از پنل نیز توجه ویژه داشت. این نکات به شرح زیر هستند:

تابلوهای برق و پنل‌های PLC همیشه باید کاملاً تمیز و عاری از هرگونه گرد و غبار و کثیفی باشند.
سیم‌کشی‌های پنل باید کاملاً مرتب و ارنج شده بوده و پوشش کانال سیم نیز در جای خود قرار گیرد.
تمامی ترمینال‌ها و پیچ‌ها باید به صورت دوره‌ای بازرسی شده و از محکم بودن آن‌ها اطمینان حاصل کرد. البته باید توجه داشت که ترمینال‌ها نباید بیش از اندازه سفت باشند. در صورتی که ترمینال کمی شل باشد، مشکلی به وجود نمی‌آید، اما با سفت کردن بیش از اندازه آن‌ها، اوضاع بدتر خواهد شد.
تمامی آدرس‌های IP شبکه، درجه‌بندی فیوزها، نام فایل برنامه PLC و تمامی مواردی که سرویس‌دهی به دستگاه را آسان می‌کنند، باید برچسب‌گذاری شوند.

سخن پایانی

در این مقاله یک شماتیک کلی از نحوه طراحی گام به گام سیستم PLC ارائه شد. با توجه به موارد گفته شده، نکاتی را نیز برای بهینه‌سازی این سیستم‌ها باید در نظر داشت که شامل موارد زیر می‌شود:

با در نظر داشتن تمامی این نکات، افراد به یک متخصص تبدیل شده و چه به صورت طراح سیستم و یا به صورت همکار در پروژه کار کند، می‌تواند به خوبی از پس کارها بربیاید. پیاده‌سازی صحیح PLC موجب استفاده طولانی مدت از سیستم شده و طول عمر دستگاه نیز تا حد زیادی افزایش می‌یابد.