تاریخچه و نحوه پیدایش پی ال سی و اهمیت آن در اتوماسیون صنعتی

با توجه به اهمیت به سزای PLC ها در صنعت برق و کنترل، در این مقاله آموزشی قصد داریم به بررسی تاریخچه و سیر تکامل پی ال سی از آغاز تا کنون بپردازیم. با توجه به اینکه نقش و کارکرد PLC و اتوماسیون صنعتی روز به روز در صنعت پر رنگ تر می شود، دانستن چگونگی پیدایش پی ال سی ها می تواند به ما کمک شایانی در درک اهمیت و جایگاه این قطعات صنعتی مهم داشته باشد.

PLC یا کنترلر منطقی قابل برنامه ریزی انقلابی در صنعت اتوماسیون ایجاد کرده است. امروزه PLC ها را می توان در همه چیز از تجهیزات کارخانه تا دستگاه های خودکار فروش پیدا کرد، اما تا قبل از روز سال نو ۱۹۶۸، کنترلر قابل برنامه ریزی ای وجود نداشت. در عوض چیزی که وجود داشت مجموعه ای منحصر به فرد از چالش ها بود که به یک راه حل نیاز داشت. برای درک تاریخچه PLC باید ابتدا زمانی را صرف کنیم تا مشکلاتی که پیش از کنترلر های قابل برنامه ریزی وجود داشتند را درک کنیم.

اتوماسیون صنعتی قبل از پیدایش PLC

پیش از دوره PLC، تنها راه کنترل ماشین آلات از طریق استفاده از رله ها بود. رله ها با استفاده از یک سیم پیچ عمل می کنند که وقتی انرژی می گیرد یک نیروی مغناطیسی ایجاد می کند تا به طور موثر سوییچی را روشن یا خاموش کند.

هنگامی که رله خالی از انرژی می شود ، سوئیچ آزاد می شود و دستگاه را به حالت استاندارد روشن یا خاموش خود باز می گرداند. بنابراین، برای مثال، اگر بخواهیم روشن یا خاموش بودن یک موتور را کنترل کنیم، می توانیم یک رله بین منبع قدرت و موتور قرار دهیم. سپس می توانیم قدرت گرفتن موتور را با انرژی دهی به رله و یا قطع انرژی از آن کنترل کنیم.

بدون قدرت موتور حرکت نمی کند، در نتیجه موتور را کنترل می کنیم. این نوع رله به عنوان رله توان شناخته می شود. ممکن است چندین موتور در یک کارخانه وجود داشته باشد که باید کنترل شوند، پس چه کار باید کرد؟ مجبورید تعداد زیادی رله توان اضافه کنید. بنابراین کارخانجات شروع به جمع آوری کابینت های الکتریکی پر از رله های توان کردند.

اما قبل از این که رله توان موتور را روشن کند چه چیزی سیم پیچ رله توان را روشن و خاموش می کند ، و برای کنترل آن به چه نیاز داریم؟ به رله های بیشتر. این رله ها به عنوان رله های کنترل شناخته می شوند زیرا آن ها رله هایی را کنترل می کنند که سوییچی را کنترل می کند که موتور را روشن و خاموش می کنند.

فکر می کنم تصویری از این که چطور ماشین ها پیش از پی ال سی کنترل می شدند را بدست آورده اید، و مهم تر از آن، فکر می کنم شروع به درک برخی از مشکلات این سیستم کنترل الکترومکانیکی از طریق رله ها کرده اید.

مشکل رله ها در اتوماسیون صنعتی

به کارخانه های مدرن فکر کنید، و اینکه چه تعداد موتور و سوییچ روشن و خاموش نیاز دارید تا فقط یک ماشین را کنترل کنید. سپس تمام رله های کنترلی که نیاز دارید را اضافه کنید و نتیجه آن یک کابوس لجستیکی است.

تمام این رله ها باید در یک ترتیب بسیار خاص سیم بندی می شدند تا ماشین بتواند به درستی کار کند، و اگر فقط یک رله دارای مشکل بود کل سیستم از کار می افتاد. عیب یابی ساعت ها طول می کشید، و چون سیم پیچ ها با خرابی مواجه می شدند و نقاط تماس فرسوده می شدند، نیاز به عیب یابی مکرر وجود داشت.

این ماشین ها باید از یک برنامه تعمیر و نگهداری دقیق پیروی می کردند و فضای زیادی را اشغال می کردند. پس اگر می خواستید چیزی را تغییر دهید باید چکار می کردید؟ اساسا باید کل سیستم را از نو راه اندازی می کردید. به زودی مشخص شد که مشکلات زیادی در نصب و نگهداری این سیستم های کنترل رله بزرگ وجود دارد.

بگذارید حرف های یک طراح کنترل را در اوایل دهه ۷۰ میلادی را بشنویم:

” پس از فارغ التحصیلی از کالج فنی در سال ۱۹۷۰، به عنوان یک طراح اتوماسیون صنعتی شروع به کار کردم. کار من اتوماسیون ماشین آلات و تجهیزات فلزکاری با رله های صنعتی، تایمر های شیرجه رونده پنوماتیک و شمارنده های الکترو مکانیکی بود.

این کار همچنین شامل فیوزها، ترانسفورماتور های کنترلی، استارتر های موتور، رله های اضافه بار، سوئیچ های انتخاب، سوئیچ های محدود کننده، ترتیب سنج های استوانه ای گردان، شمعک ها، شیر های الکترومغناطیسی، و غیره بود.
سیستم های کنترل مبتنی بر رله که من ایجاد کردم شامل ۵۰ تا ۱۰۰ رله بودند. محوطه های الکتریکی برای نگهداری کنترل ها به طور معمول دارای شش فوت عرض و چهار فوت ارتفاع بودند که در نزدیکی دستگاه ها نصب می شدند.

سیم های زیادی را تصویر کنید که به هم متصل شده اند و رله ها، تایمر ها، شمارنده ها، پایانه ها و دیگر اجزا را مرتب به هم وصل می کنند. سپس بعد از چند ماه یا سال همان سیم کشی، بعد از تغییرات مهندسی و عیب یابی متعدد از لوله سیمی بیرون آمده و پراکنده می شدند؛

در بسیاری از موارد، سیم های جدید اضافه می شدند تا کوتاه ترین مسیر و زمان را برای انجام تغییرات انتخاب کنند. ما به شرایط این محوطه های کنترلی عنوان آشیانه موش داده بودیم؛ این سیستم قابل اعتماد نبود،‌ و عملیات عیب یابی یا ایجاد تغییرات مهندسی عملیاتی با مشکلات زیادی مواجه بود.”

تصویری از مجموعه آموزش plc مهندس یار

پیدایش PLC به عنوان یک راه حل

پس راه  حل چه بود؟ مطمئنم که این سوالی است که مهندسان بخش Hydra-Matic شرکت جنرال موتورز هر روز با آن تقلا می کردند. خوشبختانه، در آن زمان مفهوم کنترل کامپیوتری راه خود را در گفتگوها در شرکت های بزرگ مانند جنرال موتورز باز کرده بود. به گفته دیک مورلی، پدر مسلم PLC، “کنترل کننده قابل برنامه ریزی در روز سال نو ۱۹۶۸ معرفی شد.”

علاوه بر جایگزین کردن سیستم رله، الزامات ارایه شده توسط جنرال موتورز برای این کنترلر عبارت بود از:

۱. یک سیستم حالت جامد که مانند یک کامپیوتر انعطاف پذیر باشد اما نسبت به یک سیستم منطقی رله ای قیمتی رقابتی داشته باشد.

۲. به راحتی نگهداری شود و مشابه با روش منطق نردبانی رله ای مورد قبول برنامه ریزی شود.

۳. باید بتواند در یک محیط صنعتی با تمام کثیفی، رطوبت، الکترو مغناطیس و ارتعاش آن کار کند.

۴. باید به شکل ماژولی باشد تا امکان تبادل آسان اجزا و قابلیت ارتقا را فراهم آورد.

نمودار نردبانی یا Ladder

لازم بود که شیوه برنامه نویسی پی ال سی برای برق کاران و مهندسین کارخانه به راحتی قابل درک باشد. با تکامل و پیچیده تر شدن سیستم های کنترل مبتنی بر رله، استفاده از نمودارهای سیم کشی محل اجزای فیزیکی نیز به منطق رله نشان داده شده در روش نردبانی تکامل یافت.

محل سیم داغ قدرت کنترل در ریل چپ، و محل سیم خنثای قدرت کنترل در ریل راست است. اتصالات رله، دکمه های فشاری،‌ سوئیچ های انتخاب، سوئیچ های محدود کننده، سیم پیچ های رله، سیم پیچ های استارتر موتور، شیر های الکترومغناطیسی، و غیره که در ترتیب منطقی شان نشان داده شده اند، پله های نردبان را تشکیل می دهند. درخواست شده بود که PLC به این روش منطق نردبانی برنامه ریزی شود.

دیک مورلی

در نهایت دیک مورلی یک شرکت جدید به نام Modicon را راه اندازی کرد و شروع به فروش اولین PLC ها به نام Modicon 084 کرد. مدل Modicon 084 بود که به شرکت جنرال موتورز ارائه شد تا معیارهای آن را برای “کنترلر ماشین استاندارد” برآورده کند.
Modicon شروع به فروش مدل  084 کرد که با موفقیت بسیار محدود همراه بود. به گفته دیک مورلی «فروش ما در چهار سال اول بسیار بد بود». اما با این وجود، شرکت همچنان به یادگیری و توسعه ادامه داد. در نهایت، Modicon کنترلری را تولید کرد که صنعت را برای همیشه تغییر داد: Modicon 184.

PLC در سال های ابتدایی اش

اولین پی ال سی ها توانایی کار با سیگنال های ورودی و خروجی، منطق داخلی با سیم پیچ / تماس رله ای ، تایمر ها و شمارنده ها را داشتند. تایمر ها و شمارنده ها از ثبات های داخلی به اندازه لغت استفاده می کردند، بنابراین خیلی طول نکشید که ریاضی چهار تابعی ساده در دسترس قرار گرفت.

PLC ها با اضافه کردن عملیات تک ضربه ای، سیگنال های ورودی و خروجی آنالوگ، تایمر ها و شمارنده های پیشرفته، ریاضی ممیز شناور، ترتیب دهنده های استوانه ای و توابع ریاضی، به تکامل ادامه دادند. داشتن قابلیت PID (تناسبی مشتقی انتگرالی) یک مزیت بزرگ برای استفاده  PLC ها در اتوماسیون صنعتی بود.

مجموعه دستورالعمل های متداول به جعبه داده های خالی تکامل یافته اند که برنامه نویسی را کارآمدتر ساخته است. توانایی استفاده از تگ های معنی دار به جای برچسب های غیر توصیفی به کاربر نهایی اجازه می دهد تا به وضوح کاربرد خود را تعریف کند، و توانایی ورود / صدور خودکار تگ ها به وسایل دیگر از خطاهایی که در وارد کردن اطلاعات با دست حاصل می شوند جلوگیری می کند.

تکامل PLC ها تا به امروز

با تکامل قابلیت های پی ال سی، وسایل برنامه نویسی و ارتباطات نیز شاهد رشد سریع بودند. اولین دستگاه های برنامه نویسی اختصاصی بودند، اما متاسفانه سایز های چمدانی داشتند. بعدها، دستگاه های برنامه نویسی دستی وارد کار اتوماسیون صنعتی شدند، اما به سرعت با نرم افزار های برنامه نویسی اختصاصی که روی یک کامپیوتر شخصی اجرا می شدند جایگزین شدند.

AutomationDirect’s DirectSOFT که توسط شرکت Host Engineering توسعه یافت اولین بسته نرم افزاری برنامه نویسی PLC مبتنی بر ویندوز بود. داشتن یک کامپیوتر شخصی متصل به PLC نه تنها برنامه نویسی را ممکن کرد، بلکه امکان تست و عیب یابی آسان تر را فراهم آورد. ارتباطات با پروتکل MODBUS با استفاده از اتصالات سریال RS-232 آغاز شد.

پس از آن پروتکل های اتوماسیون صنعتی مختلف از RS-485 ، DeviceNet، Profibus و دیگر معماری های ارتباطات سریال برای ارتباط استفاده کرده اند. استفاده از ارتباطات سریال و پروتکل های PLC مختلف همچنین به PLC ها اجازه داد تا با PLC های دیگر، درایوهای موتور، و واسط های انسان و ماشین (HMI) دیگر به صورت شبکه ای ارتباط برقرار کنند. اخیرا اترنت و پروتکل هایی نظیر EtherNet/IP (برای پروتکل صنعتی) محبوبیت فوق العاده ای به دست آورده اند.