دانلود مقاله Plc

بخشی از مقاله

ساختار PLC

1-1- PLC
PLC از عبارتProgrammable Logic Controller به معناي كنترل كنندة منطقي قابل برنامه ريزي گرفته شده است. PLC كنترل كننده اي نرم افزاري است كه در قسمت ورودي اطلاعاتي را به صورت باينري دريافت، و آنها را طبق برنامه اي كه در حافظه اش ذخيره شده پردازش مي نمايد و نتيجة عمليات را نيز از قسمت خروجي به صورت فرمانهايي به گيرنده ها و اجرا كننده هاي فرمان (Actuator) ارسال مي كند.

به عبارت ديگر PLC عبارت از يك كنترل كنندة منطقي است كه مي توان منطق كنترل را توسط برنامه براي آن تعريف نمود و در صورت نياز، به راحتي آن را تغيير داد.
وظيفة PLC قبلاً بر عهدة مدارهاي فرمان رله اي بود كه استفاده از آنها در محيط هاي صنعتي جديد منسوخ گرديده است. اولين اشكالي كه در اين مدارها ظاهر مي شود آن است كه با افزايش تعداد رله ها حجم و وزن مدار فرمان، بسيار بزرگ شده، همچنين موجب افزايش قيمت آن مي گردد. براي رفع اين اشكال، مدارهاي فرمان الكترونيكي ساخته شدند ولي با وجود اين، هنگامي كه تغييري بر روند يا عملكرد ماشين صورت مي گيرد مثلاً در يك دستگاه پرس، ابعاد، وزن، سختي و زمان قرار گرفتن قطعه زير بازوي پرس تغيير مي كند، لازم است تغييرات بسياري در سخت افزار سيستم كنترل داده شود. به عبارت ديگر اتصالات و عناصر مدار فرمان بايد تغيير كند.

با استفاده ازPLC تغيير در روند توليد يا عملكرد ماشين به آساني صورت مي پذيرد، زيرا ديگر لازم نيست سيم كشي ها (Wiring) و سخت افزار سيستم كنترل تغيير كند و تنها كافي است چند سطر برنامه نوشت و به PLC ارسال كرد تا كنترل مورد نظر تحقق يابد.

از طرف ديگر قدرت PLC در انجام عمليات منطقي، محاسباتي، مقايسه اي و نگهداري اطلاعات به مراتب بيشتر از تابلو هاي فرمان معمولي است. PLC به طراحان سيستم كنترل اين امكان را مي دهد كه آنچه را در ذهن دارند در اسرع وقت بيازمايند و به ارتقاي محصول خود بينديشند، كاري كه در سيستم هاي قديمي مستلزم صرف هزينه و به خصوص زمان است و نياز به زمان، گاهي باعث مي شود كه ايدة مورد نظر هيچ گاه به مرحله عمل در نيايد.

هر كس با مدارهاي فرمان الكتريكي رله اي كار كرده باشد به خوبي مي داند كه پس از طراحي يك تابلوي فرمان، چنانچه نكته اي از قلم افتاده باشد، مشكلات مختلفي ظهور نموده، هزينه ها و اتلاف وقت بسياري را به دنبال خواهد داشت.

بعلاوه گاهي افزايش و كاهش چند قطعه در تابلوي فرمان به دلايل مختلف مانند محدوديت فضا، عملاً غير ممكن و يا مستلزم انجام سيم كشي هاي مجدد و پرهزينه مي باشد.
اكنون براي توجه بيشتر به تفاوت ها و مزاياي PLC نسبت به مدارات فرمان رله اي مزاياي مهم PLCرا نسبت به مدارات ياد شده بر مي شماريم.
1- استفاده ازPLC موجب كاهش حجم تابلوي فرمان مي گردد.

2- استفاده از PLC مخصوصاً در فرآيندهاي عظيم موجب صرفه جويي قابل توجه اي در هزينه، لوازم و قطعات مي گردد.
3- PLC ها استهلاك مكانيكي ندارند، بنابراين علاوه بر عمر بيشتر، نيازي به تعميرات و سرويس هاي دوره اي نخواهند داشت.
4- PLC ها انرژي كمتري مصرف مي كنند.

5- PLC ها برخلاف مدارات رله كنتاكتوري، نويزهاي الكتريكي و صوتي ايجاد نمي كنند.
6- استفاده از يك PLC منحصر به پروسه و فرآيند خاصي نيست و با تغيير برنامه مي توان به آساني از آن براي كنترل پروسه هاي ديگر استفاده نمود.
7- طراحي و اجراي مدارهاي كنترل و فرمان با استفاده از PLC ها بسيار سريع و آسان است .

8- براي عيب يابي مدارات فرمان الكترومكانيكي، الگوريتم و منطق خاصي را نمي توان پيشنهاد نمود. اين امر بيشتر تجربي بوده، بستگي به سابقة آشنايي فرد تعميركار با سيستم دارد. در صورتي كه عيب يابي در مدارات فرمان كنترل شده توسط PLC به آساني و با سرعت بيشتري انجام مي گيرد.
9- PLC ها مي توانند با استفاده از برنامه هاي مخصوص، وجود نقص و اشكال در پروسة تحت كنترل را به سرعت تعيين و اعلام نمايند.
در جدول 1-1 مزاياي PLC نسبت به مدارات فرمان رله اي و همچنين مدارهاي منطقي الكترونيكي و كامپيوتر برشمرده شده است .

جدول 1-1 : مزاياي PLC نسبت به كنترل كننده هاي ديگر
كامپيوتر مدارهاي منطقي الكترونيكي مدارهاي رله اي PLC
قيمت با توجه به عملكرد گران قيمت ارزان نسبتاً ارزان ارزان
حجم و ابعاد نسبتاً كوچك خيلي كوچك بزرگ و حجيم خيلي كوچك

سرعت كنترل خيلي سريع نسبتاً سريع كند خيلي سريع
نويز الكتريكي كاملاً خوب خوب عالي خوب
نصب و بهره برداري برنامه نويسي مشكل است طراحي مشكل است طراحي و نصب مشكل است نصب و برنامه نويسي ساده است
توانايي محاسبات پيچيده را دارد؟ آري خير خير آري
تغيير نحوة كنترل و ايجاد تغييرات آسان مشكل خيلي مشكل بسيار آسان

1-2- تفاوت PLC با كامپيوتر
استفاده از كامپيوتر معمولي مستلزم آموزش هاي نسبتاً طولاني، صرف وقت و هزينه هاي بسيار است. چنانچه كنترل فرآيندي مورد نظر باشد استفاده از كامپيوترهاي معمولي به مراتب پيچيده تر و در اغلب موارد عملاً ناممكن مي شود. علاوه بر آن براي انطباق كامپيوتر با فرآيند مورد نظر، طراحي، ساخت و يا لااقل بررسي و خريد تجهيزات خاص براي انطباق، كاري طاقت فرسا است.

بسياري از صنعتگران نياز به يادگيري سيستم هاي اتومكانيك را عملاً احساس نموده و دريافته اند كه توليد بدون به كارگيري اتوماسيون، اقتصادي نمي باشد. از طرف ديگر، صنعتگران آموزش هاي مبسوط به اين شاخه از صنعت را در محدودة وظايف خود نمي دانند.
PLC وسيله اي است كه درست به همين دلايل ساخته شده و اتوماسيون را با كمترين هزينه و به بهترين شكل ممكن در اختيار قرار مي دهد. استفاده از PLC بسيار ساده بوده، نياز به آموزش هاي مفصل، طولاني و پرهزينه ندارد.

از آنجايي كه اين وسيله به منظور پاسخگويي به كاربردهاي صنعتي طراحي شده است، تمامي مسائل مربوط به آن حل شده، هيچ مشكلي در راه استفاده از آن وجود ندارد. طراحان خطوط توليد با بهره گيري از اين وسيلة قابل انعطاف به سرعت مي توانند نيازمنديهاي مصرف كنندگان خود را تأمين و در اسرع وقت توانايي هاي خود را با نيازمنديهاي بازار هماهنگ نمايند.

از شركت هاي سازندة PLC مي توانSIEMENS ،AEG ،OMRON ، ALLEN BRADLEY، MITSUBISHI و ... را نام برد. گرچه از عرضة PLC توسط سازندگان مختلف چند ده سالي مي گذرد و در ماشين آلات و خطوط توليد خريداري شده از خارج كشور نيز به وفور مشاهده مي شود، استفاده از اين وسيلة بسيار قابل انعطاف توسط طراحان و ماشين سازان داخلي كمتر به چشم مي خورد. از جمله عواملي كه موجب تأخير در بهره برداري از PLC توسط طراحان داخلي گرديده است عبارتند از :

1. ارتباط مشكل با منابع تأمين كنندة خارجي.
2. عدم دسترسي به موقع به اطلاعات سيستم ها.
3. عدم پشتيباني مؤثر سازندگان از تجهيزات فروخته شدة خود.
4. هزينة بالاي تجهيزات خارجي.
5. هزينة بالاي آموزش در خارج از كشور.

شركت هاي داخلي نيز با توجه به مشكلات ياد شده و براي پر كردن خلاء موجود اقدام به طراحي و ساخت چند نوع PLCنموده اند. PLC هاي مذكور، كلية امكانات استاندارد PLC هاي متداول را داشته، از نمونه هاي خارجي با قابليت هاي مشابه ارزانتر اند. اين PLC ها به خوبي آزمايش گرديده، از پشتيباني كامل آموزش و خدمات پس از فروش برخوردار مي باشند.
از شركتهاي داخلي توليد كنندةPLC و سيستم هاي اتوماسيون مي توان شركت كنترونيك را نام برد. اين شركت با به كارگيري دانش متخصصين داخلي اقدام به توليد چندين سيستم PLC با قابليت هاي متفاوت جهت استفاده در صنايع مختلف و كاربردهاي متنوع نموده است.

اين شركت همچنين مبتكر زبان برنامه نويسي خاصي جهت سيستم هاي PLC توليد شده مي باشد كه بسيار شبيه به زبان برنامه نويسي ابداع شده توسط شركتSIEMENS يعنيSTEP 5 است. PLCياد شده با نمونه هاي خارجي مشابه خود به خوبي رقابت مي كند.
امروزه كاربرد PLC هاي ساخت شركت زيمنس در سراسر دنيا گسترش يافته، اين نوع PLC بيش از هر PLC ديگري در صنايع مختلف به چشم مي خورد. زبان برنامه نويسي اين شركت همانطور كه اشاره شد STEP 5 و STEP 7 مي باشد. همچنين اين زبانها بسيار شبيه به زبان ابداع شده توسط شركت كنترونيك يعني CSTL بوده، و تفاوت اين دو زبان برنامه نويسي تنها در چند مورد جزئي است.

لازم به ذكر است كه اصول كلي زبانهاي برنامه نويسي مختلف تقريباً يكسان بوده، و كاربر مي تواند با يادگيري يكي از زبانهاي مذكور، ساير زبانها را به آساني درك و از آنها استفاده نمايد.

سازندگان سيستم PLC براي برنامه نويسي سيستم هاي خود، هر يك از زبان منحصر به فردي استفاده مي نمايند كه از نظر اصولي همگي تابع يك سري قوانين منطقي و كلي بوده، تنها تفاوت آنها در ساختار برنامه نويسي و نمادهاي استفاده شده است.
از زبانهاي ابداع شده توسط سازندگان PLC ميتوان S5، S7، FST، OMRON، CSTL، ALLEN BRADLEY و ... را نام برد.

1-3- كاربرد PLC در صنايع مختلف
امروزه كاربرد PLC در صنايع و پروسه هاي مختلف صنعتي به وفور به چشم مي خورد. در زير تعدادي از اين كاربردها آورده شده است.
_ صنايع اتومبيل سازي_شامل : عمليات سوراخ كاري اتوماتيك، اتصال قطعات و همچنين تست قطعات و تجهيزات اتومبيل، سيستم هاي رنگ پاش، شكل دادن بدنه به وسيلة پرس هاي اتوماتيك و ...

_ صنايع پلاستيك سازي_شامل : ماشين هاي ذوب و قالب گيري تزريقي، دمش هوا و سيستم هاي توليد و آناليز پلاستيك و ...
_ صنايع سنگين_شامل : كوره هاي صنعتي، سيستم هاي كنترل دماي اتوماتيك، وسايل و تجهيزاتي كه در ذوب فلزات استفاده مي شوند و...
_ صنايع شيميايي_شامل : سيستم هاي مخلوط كننده، دستگاههاي تركيب كنندة مواد با نسبت هاي متفاوت و ...
_ صنايع غذايي_شامل : سيستم هاي سانتريفوژ، سيستم هاي عصاره گيري و بسته بندي و...
_ صنايع ماشيني_شامل : صنايع بسته بندي، صنايع چوب، صنايع كاغذ و مقوا، سيستم هاي سوراخ كاري، سيستم هاي اعلام خطر و هشدار دهنده، سيستم هاي استفاده شده در جوش فلزات و...

_ خدمات ساختماني_شامل : تكنولوژي بالابري (آسانسور)، كنترل هوا و تهويه مطبوع، سيستم هاي روشنايي خودكار و...
_ سيستم هاي حمل و نقل_شامل : جرثقيل ها، سيستم هاي نوار نقاله، تجهيزات حمل و نقل و...
_ صنايع تبديل انرژي (برق، گاز و آب)_شامل : ايستگاههاي تقويت فشار گاز، ايستگاههاي توليد نيرو، كنترل پمپ هاي آب، سيستم هاي تصفية آب و هواي صنعتي، سيستم هاي تصفيه و بازيافت گاز و ...

1-4- سخت افزار PLC
از لحاظ سخت افزاري مي توان قسمت هاي تشكيل دهندة يك سيستم PLC را به صورت زير تقسيم نمود :
1 - واحد منبع تغذيه (Power Supply) PS
2 - واحد پردازش مركزي (Central Processing Unit) CPU
3 - حافظه (Memory)

4 - ترمينال هاي ورودي (Input Module)
5 - ترمينال هاي خروجي (Output Module)
6 - مدول ارتباط پروسسوري (Communication Processor) CP
7 - مدول رابط (Interface Module) IM

1-4-1- مدول منبع تغذيه (PS)
منبع تغذيه ولتاژ هاي مورد نياز PLC را تأمين مي كند. اين منبع معمولاً از ولتاژهاي 24 ولت DC و 110 يا 220 ولت AC، ولتاژ 5 ولت DC را ايجاد مي كند. لازم به ذكر است كه ولتاژ منبع تغذيه بايد كاملاً تنظيم شده (رگوله) باشد. جهت دستيابي به راندمان بالا معمولاً از منابع تغذية سوئيچينگ استفاده مي شود. ولتاژي كه در اكثر PLC ها استفاده مي گردد ولتاژ 5 يا 2/5 ولتDC است. (در برخي موارد، منبع تغذيه و واحد كنترل شونده در فاصلة زيادي نسبت به يكديگر قرار دارند بنابراين ولتاژ منبع، 2/5 ولت انتخاب مي شود تا افت ولتاژ حاصل از بُعد مسافت بين دو واحد مذكور جبران گردد.)

براي تغذية رله ها و محرك ها(Actuator) معمولاً از ولتاژ 24 ولتDC به صورت مستقيم (بدون استفاده از هيچ كارت ارتباطي) استفاده مي شود. در برخي موارد نيز از ولتاژهاي 110 يا 220 ولت AC با استفاده از يك كارت رابط به نام Relay Board استفاده مي گردد. (در مورد تغذية رله ها احتياج به رگولاسيون دقيق نيست.)

در برخي شرايطِ كنترلي لازم است تا در صورت قطع جريان منبع تغذيه، اطلاعات موجود در حافظه و همچنين محتويات شمارنده ها، تايمر ها و فلگ هاي پايدار بدون تغيير باقي بمانند. در اين موارد از يك باطري جنس"Lithium" جهت حفظ برنامه در حافظه استفاده مي گردد كه به آن"Battery Back Up" مي گويند. ولتاژ اين نوع باطري ها معمولاً 8/2 ولت تا 6/3 ولت مي باشد. از آنجايي كه اين باطري نقش مهمي در حفظ اطلاعات موجود در حافظه دارد در اكثر PLC ها يك چراغ نشان دهنده تعبيه شده و در صورتيكه ولتاژ باطري به سطحي پائين تر از مقدار مجاز 8/2 ولت برسد اين نشان دهنده روشن مي گردد. اين نشان دهنده به Battery Low LED معروف است. در صورت مشاهدة روشن شدن اين نشان دهنده لازم است كه باطري مذكور تعويض گردد. براي تعويض باطري ابتدا بايد به وسيلة يك منبع تغذيه، ولتاژ مدول مورد نظر را تأمين و سپس اقدام به تعويض باطري نمود.

1-4-2- واحد پردازش مركزي (CPU)
CPU يا واحد پردازش مركزي در حقيقت قلب PLC است. وظيفة اين واحد، دريافت اطلاعات از ورودي ها، پردازش اين اطلاعات مطابق دستورات برنامه و صدور فرمانهايي است كه به صورت فعال يا غير فعال نمودن خروجي ها ظاهر مي شود. واضح است كه هر چه سرعت پردازش CPU بالاتر باشد زمان اجراي يك برنامه كمتر خواهد بود.

1-4-3- حافظه (Memory)
حافظه محلي است كه اطلاعات و برنامة كنترل در آن ذخيره مي شوند. علاوه بر اين، سيستم عامل كه عهده دار مديريت كلي بر PLC است در حافظه قرار دارد. تمايز در عملكرد PLC ها، عمدتاً به دليل برنامة سيستم عامل و طراحي خاص CPU آنهاست. در حالت كلي در PLC ها دو نوع حافظه وجود دارد :
1- حافظة موقت (RAM) كه محل نگهداري فلگ ها، تايمر ها، شمارنده ها و برنامه هاي كاربر است.
2- حافظة دائم (EPROM،EEPROM ) كه جهت نگهداري و ذخيرة هميشگي برنامة كاربر استفاده مي گردد.

1-4-4- ترمينال ورودي (Input Module)
اين واحد، محل دريافت اطلاعات از فرايند يا پروسة تحت كنترل مي باشد. تعداد ورودي ها در PLC هاي مختلف، متفاوت است. ورودي هايي كه در سيستم هاي PLC مورد استفاده قرار مي گيرند در حالت كلي به صورت زير مي باشند :
الف) ورودي هاي ديجيتال (Digital Input)
ب) ورودي هاي آنالوگ (Analog Input)

الف) ورودي هاي ديجيتال يا گسسته
اين ورودي ها معمولاً به صورت سيگنال هاي صفر يا 24 ولت DC مي باشند، گاهي براي پردازش توسط CPU به تغيير سطح ولتاژ نياز دارند. معمولاً براي اين عمل مدول هايي خاص در PLC در نظر گرفته مي شود. جهت حفاظت مدارات داخلي PLC از خطرات ناشي از اشكالات بوجود آمده در مدار يا براي جلوگيري از ورود نويزهاي موجود در محيط هاي صنعتي ارتباط ورودي ها با مدارات داخلي PLC توسط كوپل كننده هاي نوري (Optical Coupler) انجام مي گيرد. به دليل ايزوله شدن ورودي ها از بقية اجزاي مدار داخلي PLC، هر گونه اتصال كوتاه و يا اضافه ولتاژ نمي تواند آسيبي به واحد داخلي PLC وارد آورد.

ب) ورودي هاي آنالوگ يا پيوسته
اين گونه ورودي ها در حالت استانداردVDC 10± - 0، mA 20 - 4 و يا mA 20 - 0 بوده، مستقيماً به مدول هاي آنالوگ متصل مي شوند. مدول هاي ورودي آنالوگ، سيگنال هاي دريافتي پيوسته (آنالوگ) را به مقادير ديجيتال تبديل نموده، سپس مقادير ديجيتال حاصل توسط CPU پردازش مي شوند.

1-4-5- ترمينال خروجي (Output Module)
اين واحد، محل صدور فرمانهاي PLC به پروسة تحت كنترل مي باشد. تعداد اين خروجي ها در PLC هاي مختلف متفاوت است. خروجي هاي استفاده شده در PLC ها به دو صورت زير وجود دارند :

الف) خروجي هاي ديجيتال ((Digital Output
ب) خروجي هاي آنالوگ ( Output Analog)

الف) خروجي هاي ديجيتال يا گسسته
اين فرمانهاي خروجي به صورت سيگنالهاي 0 يا 24 ولت DC بوده كه در خروجي ظاهر مي شوند، بنابراين هر خروجي از لحاظ منطقي مي تواند مقادير"0" (غير فعال) يا"1" (فعال) را داشته باشد. اين سيگنال ها به تقويت كننده هاي قدرت يا مبدل هاي الكتريكي ارسال مي شوند تا مثلاً ماشيني را به حركت درآورده (فعال نمايند) يا آن را از حركت باز دارند. (غير فعال نمايند) در برخي موارد استفاده از مدول خروجي ديجيتال جهت رسانيدن سطوح سيگنال هاي داخلي PLC به سطوح 0 يا 24 ولت DC الزامي است.

ب) خروجي هاي آنالوگ يا پيوسته
سطوح ولتاژ و جريان استاندارد خروجي مي تواند يكي از مقاديرVDC 10±-0، mA 20-4 و ياmA 20-0 باشد. معمولاً مدول هاي خروجي آنالوگ، مقادير ديجيتال پردازش شده توسط CPU را به سيگنال هاي پيوستة (آنالوگ) مورد نياز جهت پروسة تحت كنترل تبديل مي نمايند. اين خروجي ها به وسيلة واحدي به نام Isolator از ساير قسمتهاي داخلي PLC ايزوله مي شوند. بدين ترتيب مدارات حساس داخلي PLC از خطرات ناشي از امكان بروز اتصالات ناخواستة خارجي محافظت مي گردند.

1-4-6- مدول ارتباط پروسسوري (CP)
اين مدول، ارتباط بين CPU مركزي را با CPU هاي جانبي برقرار مي سازد.

1-4-7- مدول رابط (IM)
درصورت نياز به اضافه نمودن واحد هاي ديگر ورودي و خروجي به PLC يا جهت اتصال پانل اپراتوري و پروگرامر به PLC از اين مدول ارتباطي استفاده مي شود. درصورتيكه چندين PLC به صورت شبكه به يكديگر متصل شوند از واحد IM جهت ارتباط آنها استفاده مي گردد.
در شكل 1-1 شماي كلي يك PLC نشان داده شده است.

شكل 1-1. شماي كلي يك PLC و قسمت هاي مختلف آن

در شكل 1-2 نحوة ارتباط CPU با ساير قسمت هاي PLC نشان داده شده است.

شكل 1-2. نحوة ارتباط CPU با ساير قسمت هاي PLC

در ادامة بحث به توضيح در مورد برخي از مفاهيم موجود در شكل 1-2 خواهيم پرداخت.

1-5- تصوير ورودي ها (PII)
قبل از اجراي برنامه، CPU وضعيت تمام ورودي ها را بررسي و در قسمتي از حافظه به نام PII (Process Input Image) نگهداري مي نمايد. جز در موارد استثنايي و تنها در بعضي از انواع PLC، غالباً در حين اجراي برنامه،CPU به ورودي ها مراجعه نمي كند بلكه براي اطلاع از وضعيت هر ورودي به سلول مورد نظر در PII رجوع مي كند. در برخي موارد اين قسمت از حافظه، IIR (Input Image Register) نيز خوانده مي شود.

1-6- تصوير خروجي ها (PIO)
هرگاه در حين اجراي برنامه يك مقدار خروجي بدست آيد، در اين قسمت از حافظه نگهداري مي شود. جز در موارد استثنايي و تنها در برخي از انواع PLC، غالباً در حين اجراي برنامه، CPU به خروجي ها مراجعه نمي كند بلكه براي ثبت آخرين وضعيت هر خروجي به سلول مورد نظر در PIO (Process Image Output) رجوع مي كند و در پايان اجراي برنامه، آخرين وضعيت خروجي ها از PIO به خروجي هاي فيزيكي منتقل مي گردند. در برخي موارد اين قسمت از حافظه را OIR (Output Image Register) نيز مي گويند.

1-7- فلگ ها، تايمر ها و شمارنده ها
هر CPUجهت اجراي برنامه هاي كنترلي از تعدادي تايمر، فلگ و شمارنده استفاده مي كند. فلگ ها محل هايي از حافظه اند كه جهت نگهداري وضعيت برخي نتايج و يا خروجي ها استفاده مي شوند. جهت شمارش از شمارنده و براي زمان سنجي از تايمر استفاده مي گردد. فلگ ها، تايمر ها و شمارنده ها را از لحاظ پايداري و حفظ اطلاعات ذخيره شده مي توان به دو دستة كلي تقسيم نمود.

1- پايدار (Retentive) به آن دسته از فلگ ها، تايمر ها و شمارنده هايي اطلاق مي گردد كه در صورت قطع جريان الكتريكي (منبع تغذيه) اطلاعات خود را از دست ندهند.
2- ناپايدار (Non-Retentive) اين دسته برخلاف عناصر پايدار، در صورت قطع جريان الكتريكي تغذيه، اطلاعات خود را از دست مي دهند.
تعداد فلگ ها، تايمر ها و شمارنده ها در PLC هاي مختلف متفاوت مي باشد اما تقريباً در تمامي موارد قاعده اي كلي جهت تشخيص عناصر پايدار و ناپايدار وجود دارد.
فرض كنيد كه در يك نوع PLC خاص تعداد فلگ ها، تايمر ها و شمارنده ها به ترتيب mو n و pباشد. تعداد عناصر پايدار و ناپايدار با يكديگر برابر است. بنابراين تعداد اين عناصر به ترتيب و و مي باشد. المان هاي كه شمارة آنها از مقادير نصف يعني و و كوچكتر باشد پايدار و بقيه، عناصر ناپايدار هستند. به طور كلي مي توان گفت كه نيمة اول اين عناصر، پايدار و نيمة دوم ناپايدار مي باشد.
فرض كنيد كه در يك نوع PLC، 16 شمارنده (C0-C15) تعريف شده باشد بنا بر قاعدة مذكور شمارنده هاي C0-C7 همگي پايدار و شمارنده هاي C8-C15 ناپايدار مي باشند.

1-8- انبارك يا اَكومولاتور (ACCUM)
انبارك يا اكومولاتور يك ثبات منطقي است كه جهت بارگذاري يا به عبارت ديگر بار نمودن اطلاعات استفاده مي گردد. از اين ثبات جهت بارگذاري اعداد ثابت در تايمر ها، شمارنده ها، مقايسه گرها و ... استفاده مي شود.

1-9- گذر گاه عمومي ورودي / خروجي (I/O bus)
همان گونه كه قبلاً ذكر شد وظيفة پردازش اطلاعات در PLC بر عهدة CPU است. بنابراين براي اجراي برنامه بايستي CPU با ورودي ها، خروجي ها و ساير قسمتهاي PLC در ارتباط بوده، با آنها تبادل اطلاعات داشته باشد. سيستمي كه مرتبط كننده CPU با قسمتهاي ديگر است bus ناميده مي شود. اين سيستم توسط CPU اداره مي شود و در حقيقت علت كاهش چشمگير اتصالات در PLC به دليل وجود همين سيستم مي باشد. سيستم bus از سه بخش زير تشكيل شده است.

1- باس داده (Data bus )
2- باس آدرس (Address bus )
3- باس كنترل (Control bus)

مشخصات سيستم باس بستگي به نوع CPU مورد استفاده و حجم كلي حافظه دارد. مثلاً براي پردازشZ80 باس داده داراي 8 خط ارتباطي است كه ارسال و دريافت هشت بيت يا يك بايت اطلاعات را امكان پذير مي سازد. بنابراين وروديها، خروجيها و حافظه ها بايستي در دسته هاي هشت بيتي يا يك بايتي سازماندهي شوند.
هر بايت اطلاعات بايستي آدرس منحصر به فردي داشته باشد، هر گاه CPU بخواهد اطلاعاتي را با بايت بخصوصي رد و بدل نمايد با استفاده از آدرس منحصر به فرد آن بايت اين تبادل اطلاعات امكان پذير مي گردد. وقتي تمام امكانات CPU با بايت مورد نظر از لحاظ آدرس و خط ارتباطي فراهم شد CPU توسط باس كنترل، جهت حركت و زمان رد و بدل اطلاعات را سازمان دهي مي كند.

1-10- روشهاي مختلف آدرس دهي
جهت آدرس دهي معمولاً از سه روش زير استفاده مي شود.
1- :Fixed Address در اين روش تمام ورودي ها و خروجي ها داراي آدرس ثابتي مي باشند.

2- :Slot Address در اين روش، آدرس دهي قابل تغيير مي باشد و اين تغيير آدرس توسط شيارهاي مورد نظر و فيش هاي زائده دار انجام مي گيرد.
3-:Flexible Address در اين روش آدرس دهي كه قابل تغيير نيز مي باشد سوئيچ هايي (ديپ سوئيچ) در نظر گرفته شده كه با استفاده از آنها مي توان آدرس دهي را تغيير داد.
حال كه با سخت افزار سيستم هاي PLC آشنا شديم به بررسي نرم افزار آن مي پردازيم.

1-11- نرم افزار PLC
در PLC ها سه نوع نرم افزار قابل تعريف است:
1- نرم افزاري كه كارخانة سازنده با توجه به توان سخت افزاري سيستم تعريف مي كند كه به آن Operating System يا به اختصار OS گويند. مثلاً در PLC زيمنس مدلU 100 تعداد 16 تايمر (T0-T15) تعريف شده است و اگر در برنامه نويسي از تايمر شماره 18 يعني T18 استفاده شود سيستم عامل دستور مذكور را به عنوان يك دستور اشتباه قلمداد كرده، برنامه اجرا نخواهد شد. لازم به ذكر است كه اين نرم افزار ثابت بوده، قابل تغيير نمي باشد بنابراين از نوع فقط خواندني است و معمولاً در EPROM يا EEPROM ذخيره مي شود.

2- نرم افزاري كه برنامة نوشته شده توسط استفاده كننده (user) را به زبان قابل فهم ماشين تبديل مي نمايد. اين برنامه منحصر به كارخانة سازنده بوده، نام خاصي نيز دارد. معروف ترين و پر كاربردترين اين نرم افزارها، نرم افزارS5 و S7 مي باشد كه توسط شركت زيمنس ابداع گرديده است. اين نرم افزار هم مانند OS قابل تغيير نيست و بايستي در ROM ذخيره و براي اجرا بهRAM پروگرامر ارسال گردد.

3- نرم افزار يا برنامه اي كه توسط استفاده كننده نوشته مي شود و به آن User Program گويند. اين نرم افزار در هر لحظه قابل تغيير بوده، خواندني/نوشتني است. اين نرم افزار در RAM و يا در EPROM و يا درEEPROM ذخيره و در صورت ايجاد هر گونه اشكال در RAM از مدول ذكر شده مجدداً در RAM كپي شده، اجرا مي گردد.
همان گونه كه ذكر شد هرPLC شامل سخت افزار و نرم افزار مي باشد. در صفحات گذشته به طور اجمال به توضيح در مورد سيستم هاي سخت افزاري و همچنين نرم افزار PLCپرداختيم. واضح است كه براي وارد كردن برنامة كنترلي يا نرم افزار كنترلي به سخت افزار، نياز به يك واحد برنامه نويسي يا پروگرامر مي باشد. در ادامة بحث به تشريح واحد برنامه نويسي (Programming Unit) مي پردازيم.

1-12- واحد برنامه ريزي (PG)
در استفاده و به كارگيري PLC علاوه بر آشنايي با نحوة كار، آشنايي با واحد برنامه نويسي آن نيز ضروري است زيرا توسط اين واحد قادر خواهيم بود با PLC ارتباط برقرار نمائيم. به اين ترتيب كه برنامة كنترل دستگاه را نوشته، آن را در حافظة PLCقرار داده، اجراي آن را از PLC مي خواهيم. اين واحد بسيار شبيه به كامپيوتر هاي معمولي است، يعني داراي يك صفحة نشان دهنده (مانيتور) و صفحه كليد مي باشد. تفاوت اين واحد با كامپيوتر معمولي، تك منظوره بودن آن مي باشد بدين معني كه از PG تنها مي توان جهت ارتباط بر قرار نمودن با PLC مربوطه استفاده نمود.

با استفاده از PG مي توان از وضعيت و چگونگي اجراي برنامه مطلع شد. صفحة نمايش واحد برنامه نويسي به ما نشان مي دهد كه كدام ورودي روشن يا خاموش است، PLC توسط خروجي ها دستور فعال شدن يا توقف كار كدام ماشين ها را مي دهد و در حقيقت نحوة اجراي برنامه در صفحة نمايش ظاهر مي شود. بنابراين در صورتي كه اشكالي در برنامه وجود داشته باشد يا ايرادي در اجراي برنامه پيدا شود، از اين طريق مي توان به آن پي برد. پس مي توان گفت كه واحد برنامه نويسي در عيب يابي برنامة كنترل دستگاهها و سيستم هاي تحت كنترل و بررسي علت توقف آنها نقش به سزايي دارد. به وسيلة PG مي توان تغييرات عملوندها يعني ورودي ها، خروجي ها و همچنين تايمر ها و شمارنده هاي برنامة در حال اجرا را به صورت Real Time ملاحظه نمود. در اكثر PLC ها و به كمك PG مي توان با دستور خاصي نظير STATUS وضعيت عملوندها را در حين اجراي برنامه مشاهده نمود.

انواع سخت افزار

2-1- انواع PLC
كنترل كننده هاي منطقي برنامه پذير از لحاظ شكل ظاهري به دو گروه تقسيم بندي مي شوند:
1- يكپارچه 2- مدولار (Modular)
يك PLC كوچك عموماً بصورت يكپارچه ساخته مي شود و تا حدود 40 ورودي/خروجي ديجيتال را مي پذيرد. حافظة اين نوع PLC قادر به نگهداري كمتر از 1000 خط برنامه مي باشد. همانطور كه در شكل 2-1-الف مشاهده مي كنيد در روي اين PLCمكاني جهت اتصال به پروگرامر و همچنين افزايش تعداد وروديها و خروجيها وجود دارد.

در شكل 2-1-ب نوع مدولار يك PLC را مشاهده مي كنيد. اين نوع طراحي بيشتر در انواع متوسط و بزرگ PLC مورد استفاده قرار مي گيرد و شامل كارتهاي جداگانه، منبع تغذيه، واحد پردازندة مركزي (CPU) و ورودي/خروجي (I/O Module) ”به تعداد مورد نياز“ مي باشد كه اين كارتها به ترتيب روي RACK و در داخل شكافها (SLOTS) نصب مي شوند. ترمينال هاي مربوط به كارتهاي ورودي/خروجي در اين نوع PLC به دليل حجم زياد سيم كشي و سهولت در جداسازي به هنگام تعميرات، عموماً به صورت بلوكهاي جدا شوندة كشويي ساخته مي شوند. در اين نوع طراحي بسته به نياز و نوع سيستم كنترل مي توان از كارتهاي مختلف I/O استفاده نمود.

(الف) (ب)

شكل 2-1. شكل ظاهري PLC : الف) نوع يكپارچه، ب) نوع مدولار

بعضي از انواع اين كارتها عبارتند از :
1- كارتهاي I/O ديجيتال در دامنه هاي مختلف ولتاژ DC و AC
2- كارتهاي I/O آنالوگ ولتاژ و جريان (كه مي توانند بصورت mA20-4 يا V 10-0 يا... استفاده شوند)
3- كارتهاي با مقاصد خاص نظير شمارنده سريع، كارتهاي زمان سنج، كارتهاي PID، كارتهاي RTD و ...
4- كارتهاي ارتباطي جهت برقرار كردن ارتباط بين PLC با كامپيوتر شخصي و يا با چند PLC ديگر
نكته : توجه نماييد كه بعضي از انواع اين كارتها به دليل پيچيدگي هاي موجود داراي ريز پردازندة جداگانه مي باشند كه آنها را كارتهاي هوشمند (Inteligent Module) مي نامند.

2-2- انواع رابطهاي برنامه نويسي (Programmers)
رابطهاي برنامه نويسي از لحاظ شكل ظاهري در دو گروه جاي مي گيرند.
1- پروگرامر دستي (به طور مفصل در فصل قبل توضيح داده شد) كه شامل يك صفحه كليد كوچك به همراه يك صفحه نمايش كريستال مايع(LCD) مي باشد (شكل 2-2) و عمدتاً جهت اشكال يابي و يا تغييرات جزئي در برنامه مورد استفاده قرار مي گيرد.

شكل 2-2. رابط برنامه نويسي دستي

2- روش ديگر استفاده از كامپيوترهاي شخصي (PC) و يا روميزي Top) (Lap و نرم افزارهاي ويژه برنامه نويسي مي باشد. بنابراين كاربر از طريق اين كامپيوتر مي تواند مستقيماً برنامه موجود در حافظة PLC را مشاهده و تغيير دهد(online programming) و يا ابتدا برنامه را در داخل كامپيوتر شخسي بنويسد و سپس در موقع مناسب آنرا به PLC منتقل نمايد (offline programming). توجه نماييد كه پروگرامر هاي دستي فقط به صورت online قابل استفاده مي باشند.
بعلاوه در روي كارت CPU (نوع مدولار) و در روي PLC (نوع يكپارچه) كليدي جهت تعيين وضعيت PLC وجود دارد. هنگاميكه اين كليد در وضعيت RUN باشد برنامه اجرا مي گردد. در بعضي از انواع PLC براي تغيير برنامه بايد اين كليد حتماً از وضعيت RUN خارج شود. (توجه نمائيد كه تغيير برنامه در حال اجرا، حتي اگر در يك PLC امكان پذير باشد بايد با دقت كامل انجام پذيرد).

قابليتهاي نرم افزارهاي برنامه نويسي كه توسط سازندگان PLC ارائه مي شود، عموماً به شرح زير مي باشد.
1- امكان نوشتن برنامه به صورت Offline و ذخيرة آن به صورت يك فايل جهت دسترسي دوباره به برنامة فوق.
2- مشاهدة اجراي يك برنامه در حال كار(online Monitoring) روي PLC.
3- قابليت قطع و وصل هر ورودي يا فعال و غير فعال كردن هر خروجي در حين اجراي برنامه (forcing). بايستي دقت شود كه عمل forcing حفاظتهاي موجود در سيستم را در نظر نمي گيرد، بنابراين هنگام استفاده از آن بايد دقت نمود!

4- بعد از نوشتن برنامه تغيير و اشكال يابي آن بايد به سهولت انجام پذيرد. از اين رو نرم افزارهاي برنامه نويسي عموماً بايستي داراي قابليتهاي ذيل باشند.
الف) تهيه پرينت از برنامه و ليست وروديها و خروجيها.
ب) امكان پيدا كردن سريع هر ورودي يا خروجي دلخواه(search) در برنامه.
ج) امكان قرار دادن توضيحات اضافي در برنامه(comments).
د) امكان قرار دادن برچسبهاي نامگذاري (tags).

2-3- انواع حافظه
براي آشنايي با حافظه مي توان آنرا بصورت ماتريسي از عناصر الكترونيكي در نظر گرفت كه هر عنصر توانايي ذخيره كردن يك بيت(BIT) را در خود دارد (هر بيت مي تواند ارزش صفر يا يك داشته باشد).
هر سطر حافظه معمولاً حاوي 8 بيت مي باشد كه به آن بايت (BYTE) مي گويند. بعضي از انواع حافظه داراي يك سطر 16 بيتي (WORD) و يا 32 بيتي (Double WORD) مي باشند. هر ستون از اين ماتريس داراي آدرس منحصر به فردي مي باشد و CPU مي تواند از طريق خطوط آدرس (Address bus) به هر بايت دلخواه از حافظه دسترسي پيدا كند.
همچنين از طريق خطوط كنترل(Control bus) تعيين مي كند كه قصد نوشتن در حافظه را دارد يا هدف خواندن آن مي باشد و بايت مورد نظر نيز از طريق خطوط اطلاعات(Data bus) بين CPU و حافظه جابجا مي شود. (شكل2-3)

ظرفيت حافظه عموماً برحسب كليوبايت (KB) بيان مي شود. بعنوان مثال هنگاميكه گفته مي شود يك PLCداراي 6KB حافظه مي باشد (برخلاف سيستم ده دهي كه هر كيلو معادل 1000 مي باشد در سيستم باينري هر كيلو معادل 1024 مي باشد) منظور اين است كه ظرفيت اين حافظه معادل (49152 = 8*1024*6) 49152 بيت مي باشد.
قبل از اينكه در ادامة اين بخش به معرفي انواع حافظه هاي موجود در PLC بپردازيم، كمي دقيق تر به نحوة انجام عمليات در داخل يك PLC نگاه مي كنيم.

1- PLC تمامي وروديها را امتحان مي نمايد (Scan Inputs)، وروديهايي كه وصل هستند از نظر PLC معادل يك و وروديهايي كه قطع مي باشند معادل صفر در نظر گرفته مي شوند.
2- PLC ارزش وروديها را در داخل قسمتي از حافظة اطلاعات (Data RAM) شكل 2-3 ذخيره ميكند كه به اين قسمت از حافظهInput Image Register گفته مي شود. (رجيستر به يك گروه از بيتهاي حافظه اطلاق مي شود و Input Image نشان دهندة اين واقعيت است كه اين رجيستر حاوي تصويري از ارزش وروديهاست نه خود آنها)
3- CPU برنامة موجود در حافظه User Program RAM (شكل 2-3) را خط به خط خوانده و اجرا مي كند و در طي اجراي برنامه چنانچه تعدادي از وروديها تغيير وضعيت بدهند PLC متوجه آن نمي شود زيرا PLC وضعيت وروديها را در زمان اجراي برنامه از IIR مي خواند.

شكل 2-3. معماري داخلي PLC

4- PLC وضعيت خروجي ها را در طي اجراي برنامه در قسمتي از حافظه اطلاعات به نام (OIR) Output Image Registerذخيره مي كند.
5- PLC پس از پايان اجراي برنامه وضعيت خروجيها را از OIR به واحد خروجي مي فرستد.
6- اين سيكل مجدداً از شماره يك آغاز مي شود.
7- كل انجام مراحل 1 تا 5 برابر است با :

Scan Inputs+ Scan program + Scan Outputs
و آنرا Scan Time مي نامند.
چنانچه اين زمان بيشتر از مقدار معيني (مثلاً ms 200( گردد، نشان دهندة اين مطلب مي باشد، كه يكي از قسمتهاي PLC دچار اشكال شده بنابراين تايمر سگ نگهبان (Watch Dog Timer) عمل مي نمايد و تمامي خروجيها را غير فعال مي كند تا عملكرد اشتباه PLC منجر به حادثه نگردد.
انواع حافظة موجود در PLC عبارتست از :

1- حافظة سيستم عامل (System ROM) PLC : حافظة فقط خواندني يا(Read Only Memory) ، جهت ذخيره سازي الگوريتم عملكرد PLC استفاده مي گردد.
2- حافظة اطلاعات (Data RAM) : حافظة خواندني/نوشتني جهت ذخيرة اطلاعات لازم در طول اجراي برنامه مانند IIR،OIR و همچنين اطلاعات مربوط به ابزارهاي برنامه نويسي مانند تايمر، شمارنده ها و رله هاي داخلي مي باشد.

3- حافظه جهت ذخيره سازي برنامه (User Program Memory) : اين حافظه جهت نگهداري برنامه در داخل PLC استفاده مي گردد و مي تواند به يكي از صورتهاي زير باشد .
الف)CMOS RAM : حافظة خواندني/نوشتني كه در صورت قطع برق محتويات آن توسط باطري پشتيبان (back up battery) حفظ خواهد شد. (CMOS RAM نوعي حافظةRAM كم مصرف مي باشد.)

باطري پشتيبان نيز عموماً مي تواند از نوع آلكالين (حداكثر طول عمر يك سال) ليتيوم (حداكثر ده سال) و باطريهاي قابل شارژ نيكل كادميم (حداكثر طول عمر پنج سال) باشد.
ب)(Erasable Programmable ROM) EPROM : در اين نوع حافظه با قطع برق برنامة موجود در آن از بين نمي رود، ولي در صورتيكه بخواهيم تغييري در برنامه ايجاد كنيم، ابتدا بايد اين حافظه به مدت چند دقيقه در مجاورت نور شديد ماوراي بنفش (UV) قرار گيرد تا محتويات آن پاك شود و سپس برنامة جديد را با استفاده از پروگرامر روي آن ذخيره كنيم.
ج)(Electrical Erasable Programmable ROM) EEPROM: با قطع برق برنامة موجود در اين نوع حافظه از بين نمي رود همچنين در هر لحظه مي توان توسط پروگرامر برنامة موجود در EEPROM را تغيير داد يا برنامة جديدي در آن نوشت. (نياز به پاك كردن بوسيله اشعة ماوراي بنفش ندارد.)

2-4- پاسخ زماني PLC
فرض نمائيد كه در يك برنامه با وصل يك ورودي، يك خروجي بايد فعال گردد. حال اگر تصادفاً ورودي در لحظه اي وصل شود كه PLC، مرحلة خواندن وروديها را به انجام رسانده باشد، در اين صورت بايد به اندازة يك Scan (مجموع زمان اسكنِ وروديها، اسكنِ برنامه و اسكنِ خروجيها) صبر كند تا PLC متوجه وصل شدن اين ورودي گردد و سپس به اندازة يك اسكنِ ديگر صبر نمايد تا خروجي فعال گردد. بنابراين حداكثر تأخير در اجراي اين برنامه، دو برابر زمان اسكن است كه اين تأخير را تأخير نرم افزاري مي نامند.
از طرف ديگر به دليل نويز هاي موجود در محيط هاي صنعتي كارتهاي ورودي عموماً داراي فيلتري مي باشند كه اين نيز به نوبة خود تأخيري را در دريافت ورودي ايجاد مي نمايد (حدود 10 ms)، همچنين اگر كارت خروجي از نوع رله اي باشد مدت زماني حدود ms 10 نيز براي وصل رلة خروجي خواهيم داشت، مجموع اين دو زمان را تأخير سخت افزاري PLC مي نامند.
بنابراين پاسخ زماني PLC حاصل جمع تأخير نرم افزاري و سخت افزاري موجود در آن مي باشد.

وسايل ورودي و خروجي

كليد شستي و كنتاكتور از جمله وسايل ورودي و خروجي discrete يا digital مي باشند، زيرا در هر لحظه مي توانند تنها وصل يا قطع باشند. بنابراين مستقيماً به كارتهاي ورودي و خروجي I/O متصل مي شوند.

ترموكوپل يك وسيلة ورودي آنالوگ مي باشد، زيرا متناسب با دماي محيطي كه در آن قرار گرفته، در دو سر آن ولتاژ ايجاد مي شود. اين ولتاژ سپس توسط مدارات الكترونيكي به ولتاژ و جريان مناسبي تبديل شده و به كارت ورودي آنالوگ PLC وصل مي گردد.
در اين فصل سعي شده است بعضي از انواع وسايل ورودي و خروجي، ديجيتال و آنالوگ كه در صنعت، به PLC متصل مي گردند، معرفي شوند.

3-1- انواع وسايل ورودي
سنسور ها وسايلي هستند كه كميتهاي فيزيكي نظير دما، فشار، جريان سيال، سطح مايع در مخزن، حركت مكانيكي، سرعت، شتاب، رطوبت، ميدان مغناطيسي و ... را حس مي نمايند و نسبت به آن عكس العمل نشان مي دهند. كه اين عكس العمل مي تواند بصورت ديجيتال (باز و بسته شدن يك كنتاكت) و يا آنالوگ (ولتاژ پيوسته) آشكار گردد.
وسايل ورودي ديجيتال (سوئيچها) عموماً داراي يك سنسور و يك كنتاكت مي باشند. به عنوان مثال يك سوئيچ فشار (Pressure Switch) داراي يك قسمت حس كنندة فشار (سنسور فشار) مي باشد، هنگاميكه فشار به حد معيني برسد عكس العمل سنسور سبب وصل شدن يك كنتاكت در داخل سوئيچ مي گردد. بنابراين يك سوئيچ فشار مي تواند بصورت مستقيم به كارت ورودي ديجيتال PLC متصل شود.

سوئيچها مي توانند در حالت عادي باز يا بسته باشند. بعنوان مثال سوئيچ فشار ذكر شده، در حالت عادي كنتاكت آن باز مي باشد و با رسيدن فشار به نقطة معيني كنتاكت آن بسته مي گردد. از اين رو سوئيچ فوق را NO (Normally Open) مي نامند. اما اگر در حالت عادي كنتاكت اين سوئيچ بسته باشد و بعد از اعمال فشار اين كنتاكت باز گردد آنرا (Normally Close) NC مي گويند. علاوه بر اين بايد توجه داشت كه بعضي از انواع سوئيچها، بجاي استفاده از كنتاكتهاي مكانيكي از كليدهاي الكترونيكي نظير ترانزيستور و يا ترياك استفاده مي كنند.

در طبيعت كميتهاي فيزيكي همگي پيوسته مي باشند. بنابراين براي اندازه گيري آنها از سنسور ها به همراه مدارات الكترونيكي مورد نياز استفاده مي گردد. (كل اين مجموعه را ترنسميتر مي نامند).
متناسب با كميت فيزيكي اندازه گيري شده، جريان و يا ولتاژي در خروجي ترنسميتر ايجاد مي شود و در داخل كارت آنالوگ PLC به توسط يك A/D اين ولتاژ به يك عدد ديجيتال قابل فهم براي CPU تبديل مي گردد.

3-1-1- سنسور هاي تشخيص اشياﺀ (Object Detector Sensors)
در خطوط توليد جهت تشخيص عبور يك شي، وجود يك قطعه، ورود انساني به محدودة كار يك روبات، محدود كردن كورس يك پيستون و ... با هدف كنترل سيستم و همچنين جلوگيري از بروز صدمات به تجهيزات، كاربر و مواد اوليه از اينگونه سنسور ها استفاده مي گردد و انواع آن به شرح ذيل مي باشد.
الف) ليميت سوئيچ (Limit Switch) : در اثر تماس مستقيم و مكانيكي شيء با ليميت سوئيچ كنتاكتهاي آن تغيير وضعيت مي دهند. مثلاً در يك دستگاه متة برقي، جهت اطمينان از قرار گرفتن قطعة كار در مكان مناسب، رسيدن مته به سطح قطعه و سوراخ كردن قطعه تا عمق لازم، معمولاً از سه ليميت سوئيچ مجزا استفاده مي شود. شكل 3-1 سه نوع مختلف ليميت سوئيچ را نشان مي دهد.

شكل 3-1. تحريك ليميت سوئيچ (Limit Switch) بوسيلة : الف) اهرم،ب) غلطك،ج) بادامك
ب) پروكسيميتي سوئيچ Proximity Switch)) : در اين نوع سوئيچ بدون برقرار شدن تماس مكانيكي، عبور يا وجود شي تشخيص داده مي شود. بنابراين به دليل نداشتن تماس مستقيم داراي استهلاك كمي بوده و در انواع ذيل مي باشد.

1. پروكسيميتي سوئيچ القايي : اين سوئيچ از يك اُسيلاتور RF (Radio Frequency) و يك مدار LC تشكيل شده است طبيعتاً بدليل نوسانات ناشي از اُسيلاتور ميدان مغناطيسي اطراف مدار LCالقا مي گردد كه با نزديك شدن يك قطعة فلزي به اين ميدان جرياني در آن قطعه القا شده و ميدان ناشي از اين جريان (نيروي ضد محركه) عملاً باعث بر هم خوردن تعادل اُسيلاتور شده و آنرا متوقف مي نمايد كه ماحصل آن وصل شدن يك كليد الكترونيكي مانند ترانزيستور مي باشد. به همين دليل به اين نوع سوئيچ ECKO (Eddy Current Killed Oscillator) نيز مي گويند.

دامنة كاربرد اين سنسور بين 0/2 mm تا 20 mm مي باشد و حساسيت آن به فلزات مغناطيسي نظير آهن بيشتر از فلزات ديگر است.
2. سوئيچ پروكسيميتي خازني : اين سوئيچ قادر به تشخيص اشياﺀ فلزي و غير فلزي مي باشد. همانطور كه مي دانيد ظرفيت يك خازن با تغيير عايق بين صفحات آن تغيير مي نمايد.
در نوع فلزي سنسور نقش يكي از صفحات خازن را ايفا نموده و قطعة فلزي به عنوان صفحه ديگر خازن بكار مي رود. با نزديك شدن قطعة فلزي به سنسور فاصلة هوايي كم شده و ظرفيت خازن تغيير مي كند. (شكل 3-2)

شكل 3-2. پروكسيميتي (سنسور مجاورتي) خازني

در نوع غير فلزي صفحة ديگر خازن، زمين مي باشد و شيﺀ غير فلز نيز نقش عايق موجود بين صفحات را به عهده دارد. دامنة كار اين سنسور بين mm 4 تا mm 60 مي باشد.

شكل 3-3. اثر هال
ج) سنسور اثر هال(Hall Effect) : هنگاميكه جريان ثابتي از دو سر يك صفحة فلزي عبور داده شود، در صورتيكه اين صفحه در معرض ميدان مغناطيسي عمود برآن قرار بگيرد، در دو سر ديگر صفحه ولتاژي القا مي گردد كه متناسب با شدت ميدان مغناطيسي مي باشد. بنابراين با استفاده از سنسور هال مي توان متوجه حركت يك شيﺀ مغناطيسي (نظير آهنربا يا يك كويل حاوي جريان) گرديد. (شكل 3-3)

د) ريد سوئيچ (Reed Switch) : اين سوئيچ از دو كنتاكت قابل انعطاف كه در داخل يك محفظة شيشه اي قرار مي گيرند تشكيل شده و همانطور كه در شكل 3-4 مشاهده مي نمائيد با نزديك شدن شيﺀ مغناطيسي اين دو كنتاكت جذب يكديگر مي شوند.

شكل 3-4. ريد سوئيچ

ه) سنسور هاي نوري (Photoelectric Sensor) : در دو نوع مستقيم و انعكاسي ساخته مي شوند. نوع مستقيم مطابق شكل 3-5-الف از يك فرستنده (LED مادون قرمز) و يك گيرنده (فتو ترانزيستور) تشكيل شده و هر كدام داراي يك عدسي جهت جلوگيري از پراكندگي نور بوده و در محفظه اي جداگانه قرار گرفته اند.
به عنوان مثال مي توان در چهار گوشة محل كار يك روبات از اين سنسور استفاده نمود. بدين صورت كه هنگام وارد شدن انسان به محدودة كار اين روبات، مسير نور قطع شده و فتو ترانزيستور گيرنده غيرفعال مي گردد و فرمان توقف را به سيستم روبات صادر مي كند. در نوع انعكاسي گيرنده و فرستنده در داخل يك مجموعه قرار دارند و بنابراين تنها نياز به يك مسير سيم كشي مي باشد. انعكاس نور نيز از طريق جسم مورد نظر يا با استفاده از صفحة منعكس كنندة جداگانه اي تأمين مي گردد. (شكل 3-5-ب)

شكل 3-5. انواع سنسور هاي نوري : الف) مستقيم ب) انعكاسي

نكته : شكل 3-6 طبقة خروجي دو نوع سوئيچ پروكسيميتيDC را نمايش مي دهد. اگر طبقة آخر اين سوئيچ، ترانزيستور نوع NPN باشد كارت ورودي PLC بايد به صورت Source بسته شود. (يعني ترمينال مشترك ورودي به ولتاژ +v و ترمينال مربوط به ورودي مورد نظر به سر port در روي ترانزيستورNPN متصل مي گردد)

شكل 3-6. سوئيچ پروكسيميتي

اما اگر خروجي اين سوئيچ، ترانزيستور نوع PNP باشد، كارت ورودي PLC بايد به صورت Sink بسته شود. (يعني ترمينال مشترك ورودي به ولتاژ V 0 و ترمينال مربوط به ورودي مورد نظر به سر port در روي ترانزيستور PNP متصل گردد.) بنابراين چون يك كارت ورودي معمولاً به صورت Sink يا Source مي باشد، در استفادة همزمان از چند سنسور در روي يك كارت ورودي بايد دقت نمود كه همگي از يك نوع باشند.

3-1-2- سنسور هاي جابجايي (Position Displacement Sensor)
اينگونه سنسور ها جهت اندازه گيري جابجايي خطي يا دوراني يك جسم بكار مي روند. افزون بر اين در بسياري از سنسور هاي ديگر نظير سنسور فشار ابتدا كميت مورد اندازه گيري تبديل به حركت مكانيكي مي شود و سپس اين حركت اندازه گيري مي گردد.
پتانسيومتر (مقاومت متغيير) يكي از ساده ترين وسايل اندازه گيري حركت مي باشد كه در نوع خطي و دوراني ساخته مي شود. در ادامه سعي شده است تا با چند نوع ديگر از اين سنسور ها آشنايي حاصل شود.

الف) (Linear Variable Differential Transformer) LVDT : مطابق شكل 3-7 از يك سيم پيچ اوليه و دو سيم پيچ ثانويه كه در روي يك استوانة توخالي پيچيده مي شوند تشكيل شده است. در درون اين استوانه يك هستة آهني قرار دارد كه يك سر آن از بيرون به وسيله اي كه مي خواهيم جابجايي آن را اندازه گيري نماييم متصل است. سيم پيچ اوليه تحت ولتاژ متناوب با دامنة ثابت قرار مي گيرد و دو سيم پيچ ثانويه به نحوي با يكديگر سري مي شوند كه ولتاژ خروجي از تفاضل اين دو ولتاژ القايي حاصل گردد. زمانيكه هسته در وسط استوانه قرار دارد، روي دو سيم پيچ ثانويه ولتاژ AC يكساني القاﺀ شده و در اين حالت ولتاژ خروجي صفر مي باشد. هنگاميكه هسته به سمت بيرون مي آيد داراي مقدار منفي شده و هنگاميكه هسته به سمت داخل رود مقدار مثبت مي گردد. سپس اين ولتاژ متناوب خروجي را به ولتاژ مستقيم تبديل مي نمايد كه اندازة اين ولتاژ متناسب با موقعيت هسته در درون استوانه است.

شكل3-7. ساختمان داخلي LVDT

ب) اِنكودر (Encoder) : اِنكودر وسيله اي است كه حركت دوراني يا خطي را به سيگنالهاي ديجيتال تبديل مي نمايد، شكل 3-8 يك اِنكودر افزايشي (Incremental Encoder) دوراني را نشان مي دهد.
اِنكودر افزايشي از يك ديسك به همراه يك فرستنده و گيرندة نوري در دو طرف آن تشكيل شده است. هنگاميكه شَفت به گردش در مي آيد مسير عبور نور قطع و وصل مي گردد و باعث توليد تعداد پالسهايي متناسب با حركت زاويه اي شَفت و تعداد شكافهاي موجود در روي ديسك مي شود. بعنوان مثال اگر روي ديسك 60 شكاف وجود داشته باشد، هر پالس معادل مي باشد. (ديسك اِنكودر مي تواند يك صفحة حاوي تعدادي شكاف يا يك صفحة ترانسپورت با رنگ آميزي تيره و روشن باشد.)
اِِنكودر افزايشي حركت را نسبت به يك نقطة فرضي اندازه گيري مي نمايد. بنابراين در صورت قطع برق تعداد پالسهاي شمارش شده از بين رفته و با وصل مجدد برق موقعيت شَفت معين نمي باشد.

شكل 3-8. اجزاي تشكيل دهندة اِنكودر افزايشي

اِنكودر مطلق (absolute Encoder) به جاي استفاده از يك سنسور نوري، به طور هم زمان از چند سنسور نوري استفاده مي كند. بنابراين طراحي ديسك مربوطه نيز مطابق كدگذاري خاصي انجام مي گيرد. شكل 3-9 يك اِنكودر مطلق 3 بيتي را نشان مي دهد كه صفحة آن از سه دايرة متحد المركز با كدگذاري مشخص جهت تشخيص 8 حالت بوسيلة 3 سنسور نوري تشكيل شده است. بنابراين هر داراي يك كد باينري خاص مي باشد.

شكل 3-9. اجزاي تشكيل دهندة اِنكدر مطلق سه بيتي

3-1-3- كرنش سنج (Strain Guage)
يك قطعه سيم فلزي را در نظر بگيريد، با اعمال كشش به اين سيم (تنش) طول آن متناسب با نيروي اعمالي افزايش مي يابد (كرنش). سنسور هاي كرنش سنج بر همين اساس ساخته مي شوند.
نسبت تغييرات مقاومت به تغييرات طول را ضريب كرنش سنج مي نامند كه به صورت ذيل بيان مي شود : (Guage Factor)
GF=
ضريب كرنش سنج براي فلزات بين 2 تا 4 مي باشد، در عمل براي اينكه تغييرات مقاومت سيم قابل توجه باشد از سيم بلند يا صفحة فلزي نازك مطابق شكل 3-10 براي ساخت كرنش سنجها استفاده مي گردد. اين قطعه مانند يك تمبر با استفاده از چست اپوكسي به صورت يكنواخت روي يك سطح صاف پلاستيكي چسبانيده مي شود و مجموعة فوق نهايتاً روي جسمي كه مي خواهيم تنش موجود روي آن اندازه گيري شود، نصب مي گردد.

شكل 3-10. كرنش سنج

شكل 3-11 نحوة تبديل كردن تغييرات مقاومت به تغييرات ولتاژ را به وسيله پل وتستون نمايش مي دهد. هنگاميكه پل در حالت تعادل است يعني چهار مقاومت موجود در روي آن با هم برابرند، ولتاژ خروجي وجود ندارد. با اعمال تنش مقاومت كرنش سنج تغيير مي كند و ولتاژ خروجي با شرط برابر است با كه در اينجا E ولتاژ تغذية پل وتستون مي باشد.