کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی: راهنمای کامل نحوه کار، انواع، برنامه نویسی و انتخاب PLC ها

یک کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی چیست و چرا صنعت به آن متکی است

یک کنترل‌کننده منطقی قابل برنامه‌ریزی (PLC) یک کامپیوتر صنعتی مقاوم است که به طور خاص برای نظارت بر ورودی‌های حسگرها و دستگاه‌های میدانی، اجرای یک برنامه کنترل ذخیره‌شده، و کنترل خروجی‌ها - مانند موتورها، سوپاپ‌ها، محرک‌ها و نشانگرها - در زمان واقعی طراحی شده است. برخلاف یک کامپیوتر همه منظوره، یک PLC طوری مهندسی شده است که در محیط‌های صنعتی خشن که با نویز الکتریکی، لرزش، دماهای شدید و گرد و غبار مشخص می‌شود، به طور قابل اعتماد کار کند، در حالی که برنامه‌های کنترلی را با زمان‌بندی قطعی اجرا می‌کند - به این معنی که کنترل‌کننده چرخه اسکن خود را در یک زمان قابل پیش‌بینی و قابل تکرار بدون توجه به شرایط فرآیند تکمیل می‌کند. این ترکیب سخت‌کاری صنعتی و جبر در زمان واقعی چیزی است که PLC‌ها را به کنترل‌کننده اتوماسیون استاندارد در سراسر تولید، صنایع فرآیندی، تاسیسات، اتوماسیون ساختمان و زیرساخت‌ها در سراسر جهان تبدیل می‌کند.

PLC در اواخر دهه 1960 به طور خاص برای جایگزینی بانک های بزرگ رله های الکترومکانیکی که خطوط مونتاژ خودرو را کنترل می کردند - سیستم هایی که نصب آنها گران بود، نیاز به سیم کشی مجدد قابل توجهی برای تغییر داشتند و نیاز به تعمیر و نگهداری دائمی داشتند، به دلیل فرسودگی و خرابی کنتاکت های رله توسعه یافت. با جایگزینی منطق رله فیزیکی با یک معادل مبتنی بر نرم‌افزار قابل برنامه‌ریزی، PLC به مهندسان تولید اجازه داد تا با تغییر یک برنامه به جای سیم‌کشی مجدد یک پانل، رفتار ماشین را اصلاح کنند و زمان و هزینه تغییر تولید را به‌طور چشمگیری کاهش دهند. شصت سال بعد، مفهوم اصلی بدون تغییر، اما مدرن باقی مانده است کنترل کننده های منطقی قابل برنامه ریزی از جایگزین‌های رله ساده به پلت‌فرم‌های اتوماسیون پیشرفته که از کنترل حرکت با سرعت بالا، کنترل فرآیند، عملکردهای ایمنی، یکپارچه‌سازی بینایی ماشین و ارتباطات شبکه‌های صنعتی در معماری‌های چند سیستمی پیچیده پشتیبانی می‌کنند، گسترش یافته‌اند.

چگونه یک PLC کار می کند: چرخه اسکن توضیح داده شده است

اصل عملیاتی یک کنترل‌کننده منطقی قابل برنامه‌ریزی، چرخه اسکن است - یک دنباله تکراری از عملیات که PLC تا زمانی که در حالت اجرا است، به طور مداوم اجرا می‌کند. درک چرخه اسکن برای درک نحوه رفتار یک PLC ضروری است، به ویژه در برنامه های کاربردی حساس زمانی که زمان پاسخ به یک تغییر ورودی تعیین می کند که آیا سیستم کنترل به درستی عمل می کند یا خیر.

یک چرخه اسکن استاندارد PLC از چهار مرحله متوالی تشکیل شده است. ابتدا، اسکن ورودی وضعیت فعلی همه ورودی‌های دیجیتال و آنالوگ متصل - حسگرها، سوئیچ‌ها، رمزگذارها، فرستنده‌ها - را می‌خواند و این مقادیر را در یک ثبت تصویر ورودی در حافظه کپی می‌کند. دوم، اسکن برنامه، برنامه کنترل ذخیره شده در حافظه را با استفاده از مقادیر تصویر ورودی (نه خوانش های ورودی زنده) برای ارزیابی شرایط منطقی و تعیین وضعیت مورد نیاز خروجی ها اجرا می کند. سوم، اسکن خروجی مقادیر تصویر خروجی تعیین شده توسط برنامه را روی سخت افزار خروجی فیزیکی می نویسد و دستگاه های متصل را فعال یا غیرفعال می کند. چهارم، مرحله خانه داری ارتباطات، خود تشخیصی و به روز رسانی تایمرها و شمارنده های داخلی را قبل از تکرار چرخه انجام می دهد.

زمان لازم برای تکمیل یک چرخه اسکن - زمان اسکن - معمولاً برای اکثر برنامه های استاندارد 1 تا 10 میلی ثانیه است، اگرچه با پیچیدگی برنامه و تعداد نقاط ورودی/خروجی افزایش می یابد. معماری چرخه اسکن به این معنی است که تغییرات در وضعیت ورودی تا چرخه اسکن بعدی اعمال نمی شود، که حداکثر تأخیر یک چرخه اسکن را در پاسخ کنترل وارد می کند. برای اکثر برنامه های اتوماسیون صنعتی این تاخیر کاملا قابل قبول است. برای برنامه‌های پرسرعت - کنترل حرکت سروو، شمارش فرکانس بالا، یا عملکردهای ایمنی که نیاز به پاسخ زیر میلی‌ثانیه دارند - روال‌های وقفه تخصصی، پردازنده‌های حرکتی اختصاصی یا PLC‌های ایمنی جداگانه برای دور زدن تأخیر چرخه اسکن استاندارد استفاده می‌شوند.

قطعات سخت افزاری PLC و عملکرد آنها

یک سیستم PLC از چندین جزء سخت افزاری متمایز تشکیل شده است که با هم یک کنترل کننده اتوماسیون کامل را تشکیل می دهند. درک عملکرد هر جزء روشن می کند که چگونه یک سیستم PLC مشخص، مونتاژ و نگهداری می شود.

واحد پردازش مرکزی (CPU)

ماژول CPU مغز PLC است - شامل پردازنده ای است که برنامه کنترل را اجرا می کند، حافظه ای که برنامه و داده ها را ذخیره می کند و رابط های ارتباطی که به ابزارهای برنامه نویسی و سایر سیستم های اتوماسیون متصل می شوند. قابلیت CPU با سرعت پردازش (زمان اسکن به ازای هر 1000 دستورالعمل منطق نردبان)، ظرفیت حافظه برنامه (معمولا کیلوبایت تا مگابایت بسته به کلاس PLC)، حافظه داده برای ذخیره مقادیر متغیر و داده های پردازش، و محدوده پروتکل های ارتباطی پشتیبانی شده مشخص می شود. ماژول‌های CPU پیشرفته همچنین دارای ساعت‌های بی‌درنگ، قابلیت ثبت داده‌ها و سرورهای داخلی OPC UA یا MQTT برای اتصال مستقیم به اینترنت اشیا صنعتی و سیستم‌های ابری بدون سخت‌افزار اضافی هستند.

ماژول های ورودی/خروجی (I/O).

ماژول‌های I/O رابط فیزیکی بین PLC و دستگاه‌های میدانی - حسگرها، سوئیچ‌ها، سوپاپ‌ها، موتورها و ابزارها - هستند که سیستم کنترل نظارت و فرمان می‌دهد. ماژول‌های ورودی دیجیتال سیگنال‌های روشن/خاموش را از دستگاه‌هایی مانند حسگرهای مجاورت، دکمه‌های فشاری و سوئیچ‌های محدود دریافت می‌کنند و ولتاژ سطح میدان (معمولاً 24VDC یا 120/240VAC) را به سیگنال سطح منطقی تبدیل می‌کنند که CPU می‌تواند بخواند. ماژول های خروجی دیجیتال برق را به دستگاه های میدانی مانند شیر برقی، استارت موتور و لامپ های نشانگر تغییر می دهند. ماژول های ورودی آنالوگ سیگنال های متغیر پیوسته - حلقه های جریان 4-20 میلی آمپر، سیگنال های ولتاژ 0-10 ولت، ولتاژ ترموکوپل، مقادیر مقاومت RTD - را به مقادیر دیجیتال تبدیل می کنند که CPU می تواند پردازش کند. ماژول های خروجی آنالوگ مقادیر دیجیتال را از CPU به سیگنال های آنالوگ متناسب برای کنترل درایوهای با سرعت متغیر، شیرهای متناسب و سایر دستگاه های متغیر پیوسته تبدیل می کنند. ماژول های I/O تخصصی شامل ورودی های شمارنده با سرعت بالا برای بازخورد رمزگذار، ماژول های ارتباط سریال و I/O دارای رتبه ایمنی برای کاربردهای ایمنی عملکردی می باشند.

منبع تغذیه

ماژول منبع تغذیه PLC برق ورودی (معمولاً 120 VAC یا 240VAC) یا برق باس DC را به ولتاژهای DC تنظیم شده مورد نیاز ماژول های CPU و I/O تبدیل می کند. انتخاب منبع تغذیه شامل تطبیق ظرفیت جریان خروجی با کل جریان مصرفی همه ماژول‌ها در رک یا سیستم است، با حاشیه حداقل 20 تا 30 درصد برای قابلیت اطمینان و برای توسعه آینده. پیکربندی‌های اضافی منبع تغذیه - که در آن دو ماژول منبع تغذیه به‌طور موازی با خرابی خودکار کار می‌کنند - در سیستم‌های در دسترس بالا استاندارد هستند که در آن خاموش شدن برنامه‌ریزی نشده به دلیل قطع منبع تغذیه به طور غیرقابل قبولی پرهزینه خواهد بود.

هواپیمای پشتی و قفسه

در سیستم‌های PLC مدولار رک، بک‌پلین، برد مداری است که به‌طور مکانیکی از CPU، منبع تغذیه، و ماژول‌های ورودی/خروجی پشتیبانی می‌کند و به‌صورت الکتریکی متصل می‌شود. صفحه پشتی گذرگاه داده داخلی، توزیع نیرو و در برخی از سیستم ها سیگنال های همگام سازی بلادرنگ مورد نیاز برای عملیات هماهنگ چند ماژول را حمل می کند. اندازه رک - که با تعداد اسلات های ماژول مشخص می شود - تعیین می کند که چند ماژول ورودی/خروجی را می توان در یک رک نصب کرد، و برای سیستم هایی که به ورودی/خروجی بیشتری نسبت به یک رک نیاز دارند، چندین رک از طریق کابل های توسعه یا ورودی/خروجی از راه دور از طریق یک شبکه صنعتی متصل می شوند.

انواع PLC ها: سیستم های فشرده، ماژولار و مبتنی بر رک

PLC ها به شکل فاکتورهای مختلفی تولید می شوند که برای مقیاس و پیچیدگی های مختلف مورد نیاز است. انتخاب فاکتور فرم PLC مناسب برای یک برنامه کاربردی شامل تطبیق ظرفیت ورودی/خروجی، قابلیت گسترش و قابلیت پردازش کنترلر با نیازهای فعلی و آینده پیش بینی شده ماشین یا فرآیند تحت کنترل است.

دسته PLC جمع و جور به مهم ترین حوزه رشد در بازار PLC تبدیل شده است که توسط کلاس محصولات زیمنس S7-1200 و آلن-بردلی Micro820 هدایت می شود که قابلیت هایی را ارائه می دهند که قبلاً فقط با سیستم های مدولار سایز کامل مرتبط بودند - از جمله کنترل حرکت، کنترل فرآیند PID و ارتباطات صنعتی مبتنی بر اترنت - در شکل کوچک و بدون ضریب نصب اختصاصی مناسب برای پنل. برای پروژه‌های جدید اتوماسیون ماشین‌ها با تعداد ورودی/خروجی زیر 200 امتیاز، یک PLC ماژولار فشرده اکنون نقطه شروع پیش‌فرض برای اکثر مهندسان اتوماسیون است نه سیستم‌های بزرگ‌تر مبتنی بر رک که یک دهه پیش ضروری بودند.

زبان های برنامه نویسی PLC تحت استاندارد IEC 61131-3

برنامه نویسی PLC تحت استاندارد IEC 61131-3 استاندارد شده است که پنج زبان برنامه نویسی را تعریف می کند که محیط های توسعه PLC سازگار باید از آنها پشتیبانی کنند. زبان‌های مختلف با انواع منطق کنترل و پس‌زمینه‌های مهندسی متفاوت مطابقت دارند، و اکثر ابزارهای برنامه‌نویسی مدرن PLC اجازه می‌دهند چندین زبان در یک پروژه واحد استفاده شوند - به مهندسان این امکان را می‌دهند که مناسب‌ترین زبان را برای هر بخش از برنامه انتخاب کنند.

نمودار نردبانی (LD)

Ladder Diagram پرکاربردترین زبان برنامه نویسی PLC است، به ویژه در آمریکای شمالی و در محیط های تولید مجزا. نمایش گرافیکی نمودارهای منطقی رله ای را تقلید می کند که PLC ها در ابتدا برای جایگزینی طراحی شده بودند - پله های افقی منطقی ریل های برق چپ و راست را به هم متصل می کنند، با نمادهای تماس معمولی باز و بسته که شرایط ورودی را نشان می دهند و نمادهای سیم پیچی دستورات خروجی را نشان می دهند. منطق نردبان برای مهندسان برق آشنا با نمودارهای مدار رله بصری است و به راحتی قابل خواندن و عیب یابی آنلاین است (با PLC در حالت اجرا، عناصر فعال در نرم افزار برنامه نویسی برجسته می شوند و امکان ردیابی بصری شرایط خطا را فراهم می کنند). محدودیت نمودار نردبانی این است که برای عملیات پیچیده ریاضی، دستکاری داده ها و برنامه نویسی متوالی که به طور طبیعی در زبان های مبتنی بر متن بیان می شوند، غیرقابل تحمل می شود.

نمودار بلوک تابع (FBD)

نمودار بلوک تابع منطق کنترل را به عنوان بلوک های گرافیکی به هم پیوسته نشان می دهد - هر بلوک یک تابع خاص (دروازه AND، کنترل کننده PID، شمارنده، تایمر، بلوک عملکرد موتور) را با اتصالات ورودی و خروجی به صورت سیم بین بلوک ها در بر می گیرد. FBD زبان غالب در برنامه‌های کنترل فرآیند است - به طور طبیعی به نمودار لوله‌کشی و ابزار دقیق (P&ID) که برای مهندسان فرآیند آشنا است نگاشت می‌شود، و کپسوله‌سازی توابع پیچیده (حلقه‌های PID، کنترل سوپاپ، حفاظت موتور) در بلوک‌های تابع قابل استفاده مجدد استاندارد شده، تلاش برنامه‌نویسی را به طور قابل‌توجهی در برنامه‌های کارخانه فرآیند کاهش می‌دهد. اکثر پلتفرم‌های PLC مبتنی بر فرآیند و ایمنی، کتابخانه‌های گسترده‌ای از بلوک‌های عملکردی منطبق با IEC 61511 را برای عملکردهای رایج کنترل فرآیند و ایمنی ارائه می‌کنند.

متن ساختاریافته (ST)

متن ساختاریافته یک زبان مبتنی بر متن سطح بالا است که از لحاظ نحوی شبیه پاسکال یا C است که از عبارات شرطی، حلقه‌ها، عبارات ریاضی، مدیریت رشته‌ها و ساختارهای داده پیچیده که در زبان‌های گرافیکی دست و پا گیر یا غیرممکن هستند، پشتیبانی می‌کند. ST به طور فزاینده ای توسط مهندسین اتوماسیون با پیشینه توسعه نرم افزار استفاده می شود و زبان ترجیحی برای پردازش داده های پیچیده، مدیریت دستور العمل، مدیریت ارتباطات و هر برنامه کاربردی است که به منطق الگوریتمی پیچیده ای نیاز دارد که زبان های گرافیکی نمی توانند به طور کارآمد بیان کنند. تعریف استاندارد IEC 61131-3 از متن ساختاریافته، آن را واقعاً قابل حمل بین پلتفرم‌های PLC مختلف کرده است - کد نوشته شده در ST برای PLC یک برند می‌تواند با تغییرات نسبتاً جزئی با پلتفرم برند دیگر سازگار شود، برخلاف کد نمودار نردبانی که تمایل به استفاده از دستورالعمل‌ها و قراردادهای خاص سازنده دارد.

نمودار توابع متوالی (SFC)

نمودار توابع متوالی برنامه های کنترلی را به صورت فلوچارت مراحل و انتقال نشان می دهد - هر مرحله شامل اقداماتی است (برنامه ریزی شده در LD، FBD یا ST)، و هر انتقال شرایطی را تعریف می کند که برای پیشرفت برنامه به مرحله بعدی باید برآورده شود. SFC زبان طبیعی برای توالی‌یابی کاربردها است - چرخه‌های ماشین لباسشویی، توالی فرآیند دسته‌ای، عملیات مونتاژ چند مرحله‌ای، و هر برنامه‌ای که در آن ماشین باید یک سری عملیات تعریف‌شده را به ترتیب انجام دهد. برنامه نویسی یک فرآیند پیچیده پی در پی در نمودار نردبانی، برنامه های بزرگ و دشواری را تولید می کند. همان توالی بیان شده در SFC بلافاصله به عنوان یک جریان فرآیند قابل خواندن است و اشکال زدایی و اصلاح آن به طور قابل توجهی آسان تر است.

پروتکل های ارتباط صنعتی که توسط PLC های مدرن پشتیبانی می شوند

کنترل کننده های منطقی قابل برنامه ریزی مدرن به همان اندازه که کنترل کننده های اتوماسیون هستند، دستگاه های شبکه نیز هستند. قابلیت‌های ارتباطی یک PLC تعیین می‌کند که چگونه با سایر تجهیزات اتوماسیون، سیستم‌های نظارتی، پایگاه‌های اطلاعاتی سازمانی و پلتفرم‌های ابری ادغام می‌شود - یک ملاحظات مهم در حال تکامل اتوماسیون صنعتی به سمت معماری‌های مرتبط صنعت 4.0.

• اترنت/IP: پروتکل غالب اترنت صنعتی در اکوسیستم اتوماسیون آلن برادلی/راکول، و به طور گسترده توسط I/O، درایوها و ابزارهای شخص ثالث پشتیبانی می‌شود. EtherNet/IP از زیرساخت استاندارد TCP/IP و UDP استفاده می‌کند و به PLCها اجازه می‌دهد تا شبکه اترنت فیزیکی مشابه سیستم‌های اداری را به اشتراک بگذارند و در عین حال عملکرد صنعتی قطعی را از طریق مدیریت ترافیک حفظ کنند. این پروتکل انتخابی برای سیستم های اتوماسیون تولید بزرگ آمریکای شمالی است.
• PROFINET: پروتکل اترنت صنعتی توسط زیمنس و سازمان PROFIBUS و PROFINET International (PI) توسعه و ترویج شده است. PROFINET ستون فقرات استاندارد برای سیستم های PLC زیمنس S7 است و به طور گسترده در سراسر اتوماسیون صنعتی اروپا پشتیبانی می شود. PROFINET IRT (زمان واقعی هم زمان) زمان‌های چرخه زیر میلی‌ثانیه‌ای را برای برنامه‌های کنترل حرکتی که نیاز به همگام‌سازی دقیق بین محورهای متعدد دارند، فراهم می‌کند.
• Modbus TCP/RTU: قدیمی ترین و جهانی ترین پروتکل ارتباطی صنعتی که تقریباً در هر PLC، ابزار و دستگاه صحرایی موجود در بازار موجود است. Modbus ساده، مستند، و بدون حق امتیاز است، که آن را به انتخاب پیش‌فرض برای ادغام ابزارهای شخص ثالث و تجهیزات قدیمی در سیستم‌های PLC مدرن تبدیل می‌کند. محدودیت‌های آن - عدم وجود ویژگی‌های امنیتی بومی، قابلیت تشخیصی محدود، و معماری master-slave که پیکربندی‌های multi-master را محدود می‌کند - منجر به جابجایی آن توسط EtherNet/IP و PROFINET در سیستم‌های اتوماسیون جدید شده است، اما در دسترس بودن جهانی آن تضمین می‌کند که برای دهه‌ها مورد استفاده باقی می‌ماند.
• OPC UA (معماری یکپارچه): استاندارد مدرن برای تبادل داده ایمن و مستقل از پلت فرم بین سیستم های اتوماسیون صنعتی و سیستم های سطح بالاتر از جمله SCADA، MES، ERP و پلتفرم های ابری. OPC UA یک مدل اطلاعات استاندارد شده، امنیت داخلی (احراز هویت، مجوز، و رمزگذاری) و توانایی نمایش ساختارها و روابط پیچیده داده به جای مقادیر ثبت خام را فراهم می کند. پذیرش OPC UA به عنوان رابط ارتباطی برای معماری‌های Industry 4.0 و IIoT، قابلیت سرور بومی OPC UA را در CPUهای PLC به یک ویژگی استاندارد پلت‌فرم‌های اتوماسیون پیشرفته تبدیل کرده است.
• IO-Link: یک استاندارد ارتباط سریال نقطه به نقطه برای اتصال سنسورها و محرک‌های هوشمند به سیستم ورودی/خروجی PLC، ارائه ارتباطات دیجیتالی دوطرفه که اجازه می‌دهد تا تنظیم پارامتر، تشخیص و داده‌های شناسایی بین دستگاه میدان و PLC علاوه بر مقدار فرآیند اولیه مبادله شود. IO-Link به سرعت در حال جابجایی اتصالات معمولی 4-20mA و ورودی/خروجی دیجیتال برای نصب حسگرها و محرک های جدید است، زیرا قابلیت تشخیصی و پارامتری اضافی که فراهم می کند زمان راه اندازی را کاهش می دهد و قابلیت تعمیر و نگهداری پیش بینی را به میزان قابل توجهی بهبود می بخشد.

تولید کنندگان عمده PLC و اکوسیستم های آنها

بازار PLC تحت سلطه تعداد کمی از شرکت‌های بزرگ اتوماسیون است که هر یک اکوسیستم کاملی از سخت‌افزار PLC، نرم‌افزار برنامه‌نویسی، ماژول‌های ورودی/خروجی، درایوها، پانل‌های HMI و زیرساخت‌های ارتباطی را ارائه می‌دهند که برای کار یکپارچه با یکدیگر طراحی شده‌اند. انتخاب یک PLC از یک سازنده خاص معمولاً به معنای تعهد به اکوسیستم آن سازنده برای سیستم اتوماسیون کامل است که پیامدهای مهمی برای یکپارچه‌سازی، قطعات یدکی، آموزش و پشتیبانی طولانی‌مدت دارد.

PLC در مقابل DCS در مقابل SCADA: درک تفاوت ها

PLC ها اغلب در کنار سیستم های کنترل توزیع شده (DCS) و سیستم های کنترل نظارتی و جمع آوری داده ها (SCADA) مورد بحث قرار می گیرند، و مرزهای بین این دسته ها به طور قابل توجهی با تکامل فناوری محو شده است. درک تمایزها - و محل همگرایی آنها - برای تعیین معماری اتوماسیون صحیح برای یک برنامه خاص مهم است.

یک سیستم کنترل توزیع شده یک معماری اتوماسیون است که در آن عملکردهای کنترلی بین چندین کنترل کننده مستقر در نزدیکی فرآیند کنترل شده توزیع می شوند و همه از طریق یک شبکه کارخانه با قابلیت اطمینان بالا به یک سیستم نظارتی متمرکز متصل می شوند. سیستم‌های DCS برای کاربردهای فرآیند پیوسته بزرگ - نفت و گاز، پتروشیمی، تولید برق، تولید دارو - که در آن هزاران حلقه کنترل آنالوگ، منطق اینترلاک پیچیده و مدیریت آلارم جامع در سراسر یک کارخانه فیزیکی بزرگ مورد نیاز است، توسعه یافته‌اند. سیستم‌های DCS دسترسی بالا (کنترل‌کننده‌های اضافی، ورودی/خروجی، برق، و شبکه‌ها به عنوان استاندارد)، قابلیت تاریخ‌نگار داده‌های فرآیند جامع و نمایشگرهای ایستگاه اپراتور یکپارچه را در اولویت قرار می‌دهند. تمایز بین یک سیستم PLC مدولار پیشرفته مدرن و یک DCS سطح ابتدایی اکنون از نظر عملکرد حاشیه‌ای است - تفاوت‌های اصلی در محیط نرم‌افزار، تمرکز برنامه فروشنده و مدل تجاری است.

اسکادا (Supervisory Control and Data Acquisition) به طور خاص به لایه نظارتی اشاره دارد - سیستم نرم افزاری که داده ها را از PLC ها و سایر کنترل کننده های میدانی جمع آوری می کند، اطلاعات فرآیند را از طریق نمایشگرهای گرافیکی HMI به اپراتورها ارائه می دهد، داده های تاریخی را ثبت می کند و ممکن است دستورات نقطه تنظیم را به کنترل کننده ها بازگرداند. SCADA جایگزینی برای PLC نیست - این لایه بالای PLC است که نظارت انسانی و مدیریت داده را فراهم می کند. یک معماری اتوماسیون صنعتی معمولی PLC ها را در سطح کنترل ماشین یا فرآیند، یک شبکه صنعتی که داده ها را بین PLC ها و سیستم های نظارتی حمل می کند و یک سیستم SCADA یا MES که رابط اپراتور، داده های تاریخی و ادغام با سیستم های تجاری را ارائه می دهد، ترکیب می کند.

عوامل کلیدی برای ارزیابی هنگام انتخاب PLC برای یک برنامه جدید

انتخاب کنترل‌کننده منطقی قابل برنامه‌ریزی مناسب برای یک ماشین جدید یا برنامه کنترل فرآیند شامل ارزیابی طیفی از عوامل فنی و تجاری است که با هم تعیین می‌کنند که آیا سیستم نیازهای عملکردی خود را برآورده می‌کند، طبق برنامه تحویل داده می‌شود و در طول عمر عملیاتی خود قابل پشتیبانی است یا خیر. چارچوب زیر مهمترین معیارهای ارزیابی را پوشش می دهد.

• تعداد ورودی/خروجی و نوع: همه ورودی‌ها و خروجی‌های مورد نیاز را شناسایی کنید - ورودی‌های دیجیتال، خروجی‌های دیجیتال، ورودی‌های آنالوگ، خروجی‌های آنالوگ، ورودی‌های شمارنده پرسرعت، خروجی‌های قطار پالس برای موتورهای پله‌ای - و ۲۰ تا ۲۵ درصد حاشیه ظرفیت اضافی برای اصلاحات و اضافات بعدی اضافه کنید. اطمینان حاصل کنید که محدوده ماژول I/O برای خانواده PLC انتخابی شامل انواع خاص و محدوده ولتاژ مورد نیاز برای دستگاه‌های میدانی شما می‌شود – هر پلتفرم PLC هر نوع ورودی/خروجی را ارائه نمی‌دهد و تطبیق دستگاه‌های میدان غیراستاندارد با محدوده I/O محدود هزینه و پیچیدگی را افزایش می‌دهد.
• الزامات عملکرد پردازش: تعیین کنید که آیا برنامه به منطق استاندارد جایگزینی رله (هر PLC مدرن کافی است)، کنترل فرآیند PID (اکثر PLC های فشرده و ماژولار این را به عنوان استاندارد پشتیبانی می کنند)، کنترل حرکت (نیاز به یک PLC با قابلیت کنترل حرکت یکپارچه یا یک کنترل کننده حرکت جداگانه دارد)، یا عملکردهای ایمنی (نیاز به یک PLC ایمنی با رتبه SIL یا ماژول ایمنی دارد). مشخصات زمان اسکن CPU را با سریعترین پاسخ کنترلی مورد نیاز در برنامه مطابقت دهید - برای برنامه های کنترل حرکت یا شمارش سریع، زمان اسکن استاندارد 5 تا 10 میلی ثانیه ممکن است ناکافی باشد.
• الزامات ارتباطی: پروتکل های مورد نیاز برای ارتباط با سایر تجهیزات موجود در سیستم - درایوها، پانل های HMI، ابزارها، سیستم های بینایی، ربات ها و سیستم های نظارتی را شناسایی کنید. تأیید کنید که PLC می‌تواند به‌عنوان Master، Slave یا Peer مورد نیاز در هر رابطه ارتباطی عمل کند. اگر اتصال OPC UA به یک سیستم SCADA یا MES مورد نیاز است، بررسی کنید که آیا این در CPU بومی است یا به یک ماژول ارتباطی اضافی نیاز دارد.
• الزامات محیطی و نصب: محدوده دمای عملیاتی، رتبه IP (محافظت از ورود) ماژول‌های CPU و I/O، درجه‌بندی لرزش و شوک، و هر گونه گواهی‌نامه خاص مورد نیاز برای محیط نصب - ATEX یا IECEx برای اتمسفرهای انفجاری، گواهی‌های دریایی برای تاسیسات دریایی یا کشتی‌ها، یا گواهی‌های صنعتی خاص برای برنامه‌های غذایی و آشامیدنی یا دارویی.
• در دسترس بودن نرم افزار برنامه نویسی و آموزش: سهولت استفاده از محیط برنامه نویسی، کیفیت مستندات، و در دسترس بودن آموزش برای تیم های برنامه نویسی و تعمیر و نگهداری که با سیستم کار خواهند کرد، ارزیابی کنید. یک پلتفرم قدرتمند PLC که تیم مهندسی نتواند به طور کارآمد برنامه‌ریزی کند، نتایج ضعیف‌تری نسبت به یک سیستم معتدل‌تر که تیم آن را به خوبی می‌شناسد، ارائه می‌دهد. اگر پروژه شامل یک پلتفرم ناآشنا است، آموزش واقع بینانه و زمان یادگیری را در برنامه پروژه لحاظ کنید.
• پشتیبانی بلند مدت و چرخه عمر محصول: چرخه عمر محصول اعلام شده سازنده را برای خانواده PLC خاص بررسی کنید - چند سال در دسترس بودن و پشتیبانی قطعات یدکی متعهد شده است. برخی از خانواده‌های PLC با مسیرهای انتقال محدود متوقف شده‌اند و سیستم‌های نصب‌شده را بر روی سخت‌افزار منسوخ بی‌کار می‌کنند. پلتفرم‌هایی را از تولیدکنندگان با تعهد ثابت به پشتیبانی طولانی‌مدت و پاک کردن مسیرهای مهاجرت در صورت نیاز به تغییرات محصول ترجیح دهید. بررسی کنید که آیا ماژول‌های CPU و I/O انتخاب‌شده، موارد تولید فعلی هستند یا محصولات قدیمی که به پایان عمر نزدیک می‌شوند.

تعمیر و نگهداری PLC، عیب یابی و مدیریت چرخه عمر

یک سیستم PLC در عملکرد مداوم به نگهداری فعال و مدیریت چرخه عمر برای حفظ قابلیت اطمینان و جلوگیری از خرابی برنامه ریزی نشده نیاز دارد. روش های زیر در عملیات مهندسی اتوماسیون به خوبی اجرا می شوند.

• پشتیبان گیری برنامه و کنترل نسخه: پشتیبان‌گیری فعلی و تأیید شده از همه برنامه‌های PLC و فایل‌های پیکربندی را در یک مخزن امن و تحت کنترل نسخه نگهداری کنید. PLC که برنامه خود را به دلیل خرابی باتری، خرابی CPU یا بازنویسی ناخواسته از دست می دهد، می تواند خط تولید را تا زمان بازیابی برنامه به طور کامل متوقف کند. حداقل سالیانه روش بازیابی را از پشتیبان‌گیری آزمایش کنید تا تأیید کنید که پشتیبان‌گیری کامل شده است و فرآیند بازیابی به درستی کار می‌کند.
• تعمیر و نگهداری باتری: اکثر CPUهای PLC از باتری لیتیومی برای حفظ حافظه برنامه و مقادیر ساعت بلادرنگ در هنگام قطع برق استفاده می کنند. عمر باتری معمولاً سه تا پنج سال است و اکثر CPU ها قبل از خرابی یک سیگنال هشدار باتری کم ارائه می دهند. باتری ها را به صورت برنامه ریزی شده تعویض کنید - سالانه در برنامه های حیاتی - به جای منتظر ماندن برای هشدار باتری کم، که حاشیه کافی برای قطعی های طولانی مدت ناخواسته باقی می گذارد.
• به روز رسانی سیستم عامل: سازندگان PLC مرتباً به‌روزرسانی‌های میان‌افزار را منتشر می‌کنند که آسیب‌پذیری‌های امنیتی را برطرف می‌کند، اشکالات را برطرف می‌کند و ویژگی‌هایی را اضافه می‌کند. فرآیندی را برای ارزیابی و اعمال به‌روزرسانی‌های سفت‌افزار ایجاد کنید - هر به‌روزرسانی نباید بلافاصله در سیستم‌های تولید اعمال شود، اما نادیده گرفتن همه به‌روزرسانی‌ها خطرات امنیتی ایجاد می‌کند و ممکن است باگ‌های شناخته شده را برطرف نکند. قبل از اعمال به PLC های تولیدی، به روز رسانی سیستم عامل را در یک سیستم غیر تولیدی آزمایش کنید.
• مدیریت قطعات یدکی: موجودی قطعات یدکی متناسب با اهمیت فرآیند کنترل شده را حفظ کنید. حداقل، یک یدک از هر ماژول CPU و متداول ترین انواع ماژول ورودی/خروجی را نگه دارید. برای کاربردهای حیاتی که هزینه خرابی بسیار بالاست، قفسه‌ها یا سیستم‌های یدکی کامل را در حالت آماده به کار نگه دارید. رویکرد صحیح به قطعات یدکی تعیین حداکثر زمان خرابی قابل قبول برای سیستم و کار به عقب برای تعیین موجودی یدکی مورد نیاز برای رسیدن به آن هدف است.
• تقویت امنیت سایبری: سیستم‌های PLC متصل به شبکه‌های نیروگاهی و فراتر از آن به طور فزاینده‌ای هدف حملات سایبری قرار می‌گیرند - حادثه استاکس‌نت نشان داد که حتی سیستم‌های کنترل صنعتی ایزوله نیز می‌توانند به خطر بیفتند. اصول اولیه بهداشت امنیت سایبری برای سیستم‌های PLC شامل تقسیم‌بندی شبکه (منزوی کردن شبکه کنترل از شبکه فناوری اطلاعات شرکت در پشت منطقه غیرنظامی)، غیرفعال کردن پورت‌های ارتباطی و خدمات استفاده‌نشده در CPU PLC، اجرای کنترل‌های دسترسی کاربر و سیاست‌های رمز عبور بر روی نرم‌افزار برنامه‌نویسی، و نظارت بر ترافیک شبکه برای ناهنجاری‌ها با استفاده از سیستم‌های تشخیص نفوذ صنعتی .