اجزای مختلف PLC چیست؟ معرفی کامل بخش‌های تشکیل‌دهنده PLC

اجزای PLC شامل منبع تغذیه، واحد پردازش مرکزی، حافظه، باس ایزولاسیون، کارت شبکه، کارت‌های ورودی و خروجی، و رابط‌های برنامه‌نویسی می‌شوند.

اجزای یک PLC

منبع تغذیه (Power Supply)

منبع تغذیه یکی از اصلی‌ترین اجزای PLC به شمار می‌رود. وظیفه آن تبدیل و تأمین انرژی موردنیاز برای واحد پردازش مرکزی (CPU)، حافظه و سایر بخش‌های سیستم است. این بخش معمولاً دارای فیوز داخلی است. ولتاژ ورودی بسته به کشور متفاوت است؛ برای مثال، در ایالات متحده معمولاً 120 ولت AC با فرکانس 60 هرتز استفاده می‌شود.

امروزه بسیاری از شرکت‌ها برای افزایش ایمنی، تغذیه PLC را بر پایه 24 ولت انتخاب می‌کنند. در این حالت، ولتاژ ورودی ممکن است 220 ولت AC با فرکانس 50 هرتز باشد و سپس به 24 ولت AC تبدیل شود.

بهترین رویکرد این است که پیش از اتصال، نیازمندی‌های منبع تغذیه شامل ولتاژ موردنیاز و حداکثر جریان قابل تأمین بررسی شود. این کار تضمین می‌کند که PLC به مداری مناسب با ظرفیت کافی برای تأمین جریان نامی کامل متصل شده است.

در این مقاله، تنها به معرفی اجزای PLC پرداخته می‌شود که با عنوان قطعات یا کامپوننت‌های PLC نیز شناخته می‌شوند. طراحی سخت‌افزار در درس جداگانه‌ای توضیح داده خواهد شد.

واحد پردازش مرکزی (Central Processing Unit – CPU)

یکی از مهم‌ترین اجزای PLC، واحد پردازش مرکزی یا CPU است که نقش کنترل‌کننده اصلی سیستم را ایفا می‌کند. CPU قادر است برنامه نوشته‌شده را دریافت کرده و آن را به زبان ماشین تبدیل کند.

یک رابط خارجی، مانند یک رایانه شخصی، برای برنامه‌نویسی و دانلود برنامه اجرایی به کنترلر در نظر گرفته می‌شود.

زبان ماشین شامل توالی‌هایی از صفر و یک (کد باینری) است که به PLC دستور می‌دهد چگونه ورودی‌ها را پردازش کرده و چه اقداماتی را برای خروجی‌ها انجام دهد.

برنامه پس از دانلود شدن در CPU، سیگنال‌هایی را بر اساس منطق تصمیم‌گیری به تجهیزات میدان (Field) ارسال می‌کند. وظیفه اصلی برنامه این است که ورودی‌ها را پایش کرده و مطابق نیازهای کاربردی که PLC برای آن استفاده می‌شود، تصمیم‌گیری کند.

حافظه (Memory)

حافظه ممکن است به‌صورت داخلی در واحد پردازش مرکزی (CPU) قرار داشته باشد یا بر روی یک کارت مجزا نصب شود. محل قرارگیری حافظه هرچه باشد، وظیفه اصلی آن ذخیره‌سازی داده‌ها است. برنامه‌کنترلی نیز به‌صورت یک فایل اجرایی زمان‌عمل (Run-time Executable) در حافظه ذخیره می‌شود.

هر ورودی و خروجی دارای یک رجیستر یا آدرس مشخص در حافظه است که CPU مقادیر مربوط به آن‌ها را در آن محل نگهداری می‌کند.

رجیسترهای خروجی برای تطبیق با خروجی‌های فیزیکی استفاده می‌شوند؛ یعنی زمانی که برنامه تصمیم می‌گیرد بر اساس ورودی‌ها چه اقدامی انجام دهد، سیگنال از رجیستر خروجی به ترمینال خروجی ارسال می‌شود.

به‌عنوان مثال، یک جدول که رجیسترها را به ورودی‌ها و خروجی‌ها مرتبط می‌کند می‌تواند برای تنظیم و پیکربندی برنامه مورد استفاده قرار گیرد. حتی برخی از نرم‌افزارهای برنامه‌نویسی PLC نیز چنین جدول تخصیص حافظه را در محیط برنامه‌نویسی ارائه می‌دهند تا مدیریت رجیسترها آسان‌تر شود.

چرا درک نحوه تخصیص حافظه در یک PLC اهمیت دارد؟

تخصیص حافظه بر زمان اسکن (Scan Time) تأثیر می‌گذارد.

درک نحوه پیکربندی حافظه PLC به شما کمک می‌کند تا برچسب‌ها (Tags) را به‌درستی اختصاص دهید و نحوه تخصیص رجیسترها برای ورودی‌ها و خروجی‌ها را بهتر درک کنید.

باس ایزولاسیون (Isolation Bus)

منبع تغذیه، توان موردنیاز برای راه‌اندازی CPU، کارت‌های ورودی و خروجی، و هر نوع منبع تغذیه در رک PLC را تأمین می‌کند.

انتقال توان و ارتباطات می‌تواند از طریق «بک‌پلین» (Backplane) داخل رک PLC انجام شود. می‌توانید آن را به‌صورت مسیری در نظر بگیرید که کارت‌ها روی آن نصب شده‌اند.

کارت‌های موجود در رک PLC در واقع توان الکتریکی را به‌صورت مشترک از طریق همین باس دریافت می‌کنند.

هنگام انتخاب فیوز یا کلید حفاظتی برای رک PLC، باید میزان مصرف توان کل رک به‌طور کامل درک شود.

مهندسان سخت‌افزار از فیوز یا کلیدهای محافظ برای ایزوله‌کردن اجزا و محافظت از اتصالات بالادستی استفاده می‌کنند. همچنین در برخی موارد، به دلیل اینکه کارت‌های مختلف PLC مقدار جریان متفاوتی مصرف می‌کنند، ممکن است برای افزایش طول باس تغذیه، نیاز به نصب کارت تکرارکننده (Repeater Card) در رک وجود داشته باشد.

کارت شبکه / رابط ارتباطی (Network Card / Interface)

برای اینکه PLC قابل برنامه‌ریزی یا قابل اتصال به شبکه باشد، باید یک پورت فیزیکی برای ارتباط در نظر گرفته شود.

این پورت ارتباطی می‌تواند شامل یک پورت Ethernet/IP، یک پورت USB تعبیه‌شده در CPU، یا یک کارت ارتباطی مستقل باشد که به باس اصلی PLC متصل می‌شود.

انواع دیگر پروتکل‌ها نیز وجود دارند؛ از جمله Profibus، ارتباطات سریال (Serial Communications) و در برخی موارد، رابط‌های بی‌سیم رادیویی.

نوع دیگری از رابط، IO-Link است. این فناوری امکان ارتباط هوشمند با تجهیزات میدانی را فراهم می‌کند. مقاله تخصصی RealPars درباره IO-Link این فناوری را با جزئیات بیشتری توضیح می‌دهد.

رابط برنامه‌نویسی (Programming Interface)

PLCها دارای یک رابط برنامه‌نویسی هستند که از طریق پورت Ethernet یا پورت USB امکان اتصال را فراهم می‌کند. این پورت برای ارتباط محیط طراحی و برنامه‌نویسی با PLC استفاده می‌شود و برنامه‌نویس از طریق آن می‌تواند برنامه را توسعه، تست و به کنترلر دانلود کند.

ورودی‌ها و خروجی‌ها (Inputs and Outputs)

شاسی PLC دارای اسلات‌هایی است که در رک برای نصب کارت‌های ورودی و خروجی (I/O) اختصاص یافته‌اند. ترمینال بلوک‌های میدان (Field Terminal Blocks) به این کارت‌های I/O متصل می‌شوند.

وجود این کارت‌ها انعطاف‌پذیری زیادی فراهم می‌کند؛ زیرا ورودی‌ها و خروجی‌ها می‌توانند از نوع دیجیتال (Discrete)، آنالوگ، شمارنده پرفرکانس (High-Speed Counter) یا ترموکوپل باشند. انواع متعددی از کارت‌ها و پیکربندی‌های مختلف برای آن‌ها وجود دارد.

نوع کارت‌های موردنیاز در یک PLC به سه عامل اصلی بستگی دارد:
– توان مصرفی،
– فضای موجود در رک،
– و نیازهای کاربردی سیستم.
با توجه به این موارد تعیین می‌شود که چه کارت‌هایی برای اجرای صحیح فرآیند موردنیاز هستند.

توجه داشته باشید که مدل‌ها و ساختارهای مختلفی از PLCها وجود دارد. بنابراین نمونه‌هایی که در این‌جا معرفی می‌شود صرفاً برای نمایش شکل کلی یک PLC و اجزای آن است.

در معماری‌های امروزی، ممکن است از رک‌های ورودی/خروجی ریموت (Remote IO) استفاده شود؛ یعنی کارت‌ها همیشه در یک رک قرار ندارند. در این حالت، الزامات شبکه و توان تفاوت می‌کند. برای اطلاعات بیشتر می‌توانید به منبع RealPars درباره Remote IO مراجعه کنید.

جمع‌بندی (Conclusion)

در نتیجه، PLCها می‌توانند در قالب‌های مختلفی ارائه شوند:
– نوع یکپارچه یا Brick که در آن I/O ثابت است،
– نوع رک‌محور که کارت‌ها در اسلات‌های رک قرار می‌گیرند،
– یا Soft PLC که به‌صورت یک نرم‌افزار روی سیستم‌عامل یک کامپیوتر اجرا می‌شود.

با این‌حال، در هر نوع و هر ساختار، یک PLC همواره شامل اجزای اصلی زیر است:
– منبع تغذیه،
– پردازنده کنترلی (CPU)،
– حافظه،
– باس ارتباطی،
– و رابط ورودی/خروجی.

این‌ها اجزای اساسی PLC هستند؛ صرف‌نظر از اینکه دستگاه در چه شکلی ارائه شود.

در دنیای امروز، معماری اتوماسیون به سمت پردازش ابری نیز حرکت کرده است. بنابراین مفهوم PLC دیگر محدود به یک شکل واحد نیست. مزیت رایانه‌های قابل‌پیکربندی مانند PLC این است که امکان انعطاف‌پذیری و سازگاری گسترده را فراهم می‌کنند.