پروژه کنترل کننده های منطقی برنامه پذیر

پروژه دوره کارشناسی

رشته برق- الکترونیک

فصل اول:

مقدمه ای بر علم کنترل و مفاهیم منطق

کنترل چیست؟

در زندگی روزمره، واژه کنترل بسیار بکار برده می‌شود و اصطلاحاتی نظیر کنترل رشد جمعیت، ترافیک و غیره در گفتگو‌های روزمره بسیار شنیده می‌شود. معمولاً کلمه کنترل وقتی به کار برده می‌شود که نوعی مهارکردن و تسلط بر یک پدیده مورد نظر باشد. علاقه انسان به تحت اختیار درآوردن و تسلط بر پدیده‌ها باعث پیدایش شاخه جدیدی از دانش‌ها به نام عمل کنترل گردیده است.

علم کنترل، علمی است که در مورد چگونگی تحت اختیار در آوردن و هدایت رفتار‌های پروسه ها (فرآیند یا پدیده‌ای که مایل به تحت اختیار در آوردن آن هستیم) صحبت می‌کند.

1-1- خودکار سازی (اتوماسیون)

یک سیستم کنترل که بدون دخالت عامل انسانی و خود به خود قادر به تنظیم خروجی باشد را سیستم کنترل خودکار یا اتوماتیک می‌گوییم. خط سیر و هدف همه صنایع به سمت افزایش تولید بیشتر می‌باشد و این خط سیر از میان خودکارسازی یا اتوماسیون فرآیند‌ها و ماشین آلات می گذرد. خودکار‌سازی ممکن است به دلیل افزایش کمیت محصول و یا بهبودی در کیفیت و دقت آن صورت بگیرد. اما به هر شکل، این روند همواره با جایگزینی برخی یا همه اعمال و ورودی‌های انسانی مورد نیاز جهت انجام و کنترل عملکرد‌های ویژه، همراه می‌باشد. بسیاری از کارخانه‌ها و کارگا‌ه‌ها به جای اینکه کارگران را عملاً و به طور فیزیکی با انجام وظایف درگیر کنند. از آنها جهت کنترل ماشین‌ها و تجهیزات استفاده می نمایند. این نوع از کنترل نیازمند کارگری است که نحوه عمل یک فرآیند بخصوص را می داند.

و نیز می داند که چه ورودی‌هایی نیاز است تا خروجی در سطح دلخواه باقی بماند.

اما به منظور تحقق خودکارسازی یک فرآیند، اپراتور‌ها و کارگران باید توسط شکلی از سیستم‌های خودکار جایگزین گردند. سیستم‌های خودکار قادرند فرآیند را بدون مداخله انسان یا با دخالت اندک کنترل کنند. این امر نیازمند سیستمی است که قادر باشد یک فرآیند را راه ‌اندازی کرده و آن را متوقف کند.

هر سیستم کنترل را به سه بخش اصلی می توان تقسیم کرد: ورودی، بخش پردازشگر و خروجی.

وظیفه بلوک پردازشگر یا کنترل‌گر، تهیه خروجی به شکل و اندازه دلخواه‌ از سیگنال‌ های متفاوت ورودی می‌باشد.

روش‌های مختلفی برای اجرای توابع کنترلی جهت به دست آوردن خروجی‌های مشابه از ورودی های یکسان موجود می‌باشد که می توان از آن به عنوان بلوک کنترل استفاده کرد. همچنین در کنترل یک سیستم توسط یک اپراتور از نوع انسانی، اپراتور، هم‌ارز بلوک کنترل‌گر یا بخش پردازشگر است. زیرا این اپراتور است که می داند چه خروجی دلخواهی مورد نیاز است، بنابراین بطور بصری یا بوسیله وسایل اندازه‌گیری در حال اندازه‌گیری و قرائت مداوم متغیر‌های مربوطه، یعنی ورودی‌ها می‌باشد و بسته به اطلاعات بدست آمده، عکس العمل لازمه را نشان خواهد داد و مقادیر پیش داده بلوک کنترل را تغییر خواهد داد تا خروجی دلخواه حاصل شود.

ورودی‌ها

سیگنال‌های ورودی معمولاً توسط مبدل‌های (Transducer) مختلفی که کیفیت‌های فیزیکی را به سیگنال‌های الکترونیکی تبدیل می‌کنند فراهم می‌شوند. این مبدل‌ها می‌توانند یک کلید فشاری ساده، ترموستات یا کشش سنج و غیره باشند همگی آنها اطلاعات مربوط به کمیت اندازه‌گیری شده را به بخش پردازشگر انتقال می دهند. بسته به نوع مبدل استفاده شده این اطلاعات می توانند به صورت دودویی (دیجیتال) یا پیوسته (آنالوگ) باشند که به عنوان کمیت ورودی ارائه می‌شوند.

خروجی‌ها

چنانچه قرار باشد که یک سیستم کنترل بر طریقه عملکرد یک فرآیند، دخالت و تسلط داشته باشد، بایستی قادر به تغییر عناصر کلیدی یا کمیت های مهم فرآیند باشد. این‌ کار با استفاده از المان‌های خروجی از قبیل پمپ‌ها، موتور‌ها، پیستون‌ها، رله‌ها و غیره تحقق می پذیرد. این المان‌ها، سیگنال‌های سیستم کنترل را به دیگر کمیت‌های مورد نیاز، تبدیل می‌کنند. به عنوان مثال، یک موتور، سیگنال‌ های الکتریکی اخذ شده از سیستم کنترل را به حرکت دورانی تبدیل می‌کند. به بیان دیگر المان‌های خروجی نیز به گونه‌ای، نوعی از مبدل‌ها می باشند. همانند مبدل‌های ورودی، المان‌های خروجی نیز می توانند واحد‌های ساده دودویی و یا متغیر‌های پیوسته در حوزه تغییری بین حالت کاملاً خاموش تا کاملاً روشن (آنالوگ) باشند.

بخش پردازشگر یا بلوک کنترل

این بلوک مشابه با دانسته‌های اپراتور در مورد عملکرد سیستم است که به این دانسته‌ها، جهت تحت کنترل باقی‌ماندن یک فرآیند نیاز می‌باشد. اپراتور از این آگاهی و نیز مهارت خود استفاده می‌کند و با تلفیق کردن آن با اطلاعات بدست آمده از اندازه‌گیری ورودی، خروجی مطلوب را تولید می‌کند. در سیستم‌های کنترل اتوماتیک، طرح استفاده شده به عنوان بلوک کنترل این وظیفه را به عهده دارد و با توجه به اطلاعات اخذ شده از سیگنال ورودی، خروجی مطلوب را تهیه می‌کند. این طرح کنترلی به دو روش متفاوت قابل اجرا است: با استفاده از سیستم‌های کنترل غیر قابل تغییر توسط اپراتور و نیز با استفاده از کنترل کننده‌های قابل برنامه‌ریزی. در سیستم‌های غیر قابل تغییر توسط اپراتور وقتی که سیستم کنترل ساخته شد و عناصر آن به یکدیگر مرتبط شدند، دارای توابع و برنامه ثابتی خواهند شد که دیگر به وسیله اپراتور امکان تغییر در آن وجود ندارد. اما در یک سیستم قابل برنامه‌ریزی، توابع و وظایف کنترلی، برنامه‌ریزی شده و در یک واحد حافظه ذخیره می‌شوند و اگر ضرورتی پیش آمد، می‌توانند بوسیله برنامه‌ریزی مجدد تغییر داده شوند.

جدول زیر نمونه‌هایی از سیستم های کنترل ثابت و قابل برنامه‌ریزی را همراه با نوع کنترلی که توسط آن ها قابل اجرا است – دیجیتالی یا آنالوگ – به تصویر می کشد.

(جدول در فایل اصلی موجود است)

1-2- سیستم‌های دیجیتال و آنالوگ

تغییرات بیشتر کمیت‌های طبیعی مانند دما، سرعت، مکان و غیره پیوسته و تدریجی بوده و در حوزه‌ای محدود از مقادیر متفاوت مربوط به کمیت قرار دارد. این‌گونه کمیت ها را کمیت‌های آنالوگ یا پیوسته می نامند. بسیاری از سنسور‌ ها (سنسور یک نوعی آشکار ساز است که یک کمیت فیزیکی را به شکلی از سیگنال مثلاً صوتی، تصویری و … تبدیل میکند. بنابراین به نحوی می توان آن را یک مبدل هم خواند) سیگنال‌های آنالوگی را تولید می‌کنند که یا دامنه و یا فرکانس آن بسته به نوع سنسور و کمیت اندازه‌گیری شده، تغییر می‌کند. در سنسورها سیگنالها، دامنه تغییراتی در حدود V ۵-۰ دارند. برای سنسور‌های با فرکانس خروجی متغیر،محدوده فرکانس بستگی به شصتمین پریود (فرکانس برق شهر Hz ۶۰ فرض شده است) و بهسازی سیگنال دارد. از سوی دیگر وسایل زیادی نیز وجود دارند که سیگنال‌های دیجیتالی را تولید کرده و یا به این نوع سیگنال‌ها پاسخ می‌دهند. در این نوع سیگنال‌ها فقط دو حالت ممکن وجود دارد و این حالت بطرق مختلفی نامگذاری می‌شود:

(جدول در فایل اصلی موجود است)

سیگنال‌های دو حالته را می توان با استفاده از سیستم اعداد دودویی نمایش داده به این ترتیب که یک سطح به مقدار ۱ و سطح دیگر به مقدار  نسبت داد. بنابراین در سیستم‌های دیجیتالی، سطح واقعی سیگنال، بیشتر برای نمایش منطقی بصورت ۱ یا  اهمیت دارد تا برای اندازه‌ کمیت دقیق سیگنال.

کنترل آنالوگ

سیستم کنترل آنالوگ به طور مستقیم از سیگنال‌های ورودی که از سنسور‌های اخذ می‌کند استفاده کرده و المان‌های خروجی یا محرک‌ها را از قبیل سوپاپ، پمپ‌ها، گرم کننده‌ها و غیره راه‌اندازی می‌نماید. این محرک‌ها خود می توانند المان‌های آنالوگ یا سوئیچی به صورت‌ دیجیتالی باشد.

(جدول در فایل اصلی موجود است)

نوع پردازشی که در سیستم کنترل بر روی سیگنال انجام می‌گیرد به خصوصیات و مقتضیات خود فرآیند بستگی دارد. بیشتر این پردازش‌ها به طور نمونه تقویت سیگنال‌ و بعضی از اعمال ریاضی، از قبیل مجموع‌گیری، انتگرالگیری و … می باشند که به منظور ایجاد تغییرات مورد نیاز جهت حصول خروجی مطلوب انجام می‌گیرد. کنترل کننده‌های آنالوگ شامل سیستم‌های الکترونیک آنالوگ، کامپیوترها و میکروکامپیوتر‌ها می باشند.

کنترل دیجیتال

از کنترل off/on به میزان زیادی در بیشتر کارخانجات استفاده می‌شود. بسیاری از ماشین‌ها و پروسه ها دارای واحد‌هایی هستند که خود بوسیله تعداد بیشتری از عملکردهای ساده با گام‌های ترتیبی کنترل می‌شوند این واحد‌ها فقط می توانند در یک حالت از دو حالت ممکن، عملی را انجام دهند. نمونه‌های متعددی وجود دارد که در آنها سیگنال‌های ورودی به شکل غیرپیوسته یا دو حالته می باشند مثلاً به صورت پالس‌های اخذ شده از یک سوئیچ یا بیت‌های اطلاعاتی اخذ شده از یک صفحه کلید و غیره. دراین گونه موارد از فناوری سیستم کنترل دودویی استفاده می‌کنند. کنترل کننده‌های ترتیبی دودویی شامل روش‌های مبتنی بر رله‌ها سیستم‌های منطقی الکترونیکی هیدرولیکی، کامپیوتر‌ها، میکروکامپیوترها و کنترل کننده‌های قابل برنامه‌ریزی می باشند.

(جدول در فایل اصلی موجود است)

1-3- انواع فرآیندهای صنعتی

انواع بسیار زیادی از فرآیندهای مختلف تولیدی وجود دارند که در صنعت روز بایستی انجام گیرند. همه این فرآیند‌ها را در ارتباط با نوع عملکردی که در فرآیند اتفاق می افتد، در سه گروه اصلی می توان طبقه بندی کرد:

۱- تولید پیوسته (Continuous  Production)

۲- تولید مرحله‌ای (Batch Production)

٣- تولید گام به گام (Discreate Item Production)

هر کدام از این فرآیندها خصوصیات منحصر به فرد دارند که در هنگام طراحی یک سیستم کنترل بایستی در نظر گرفته شوند.

فرآیند های پیوسته

یک فرآیند پیوسته، مواد خام را در ورودی خود می پذیرد و به طور پیوسته روی آن عمل می‌کند تا این که در خروجی، ماده نهایی یا محصول، تولید شود. این پروسه ممکن است مدت مدیدی، مثلاً دقیقه‌ها، ساعت‌ها یا حتی در بعضی شرایط ماه‌ها به طول انجامد. فرآیند تولید ورق فولادی مثالی از یک فرآیند پیوسته است.

ورودی مواد خام

فرایند پیوسته

خروجی تولید شده پیوسته

فرآیند مرحله‌ای

یک فرآیند مرحله‌ای از تعدادی مواد اولیه به عنوان ورودی استفاده کرده و روی آن ها عملیات لازمه را انجام می دهد تا مقدار معینی از محصول نهایی (خروجی) یا محصولی که در طبقات بعدی مورد پردازش قرار می‌گیرد را تولید نماید. نوع کنترل استفاده شده در هر مرحله بستگی به ذات خود فرآیند دارد. اما برای بیشتر این وظایف می توان از کنترل دیجیتالی استفاده نمود.

تولید گام به گام

در این فرآیند یک قطعه خاص قبل از تولید شدن به صورت نهایی، متحمل عملیات متفاوتی می‌شود. ممکن است در حین اجرای فرآیند به طور پی در پی، چندین جزء به آن اضافه یا مونتاژ شود تا به صورت یک قطعه یا واحد خاص ظاهر شود. بیشتر این فعالیت‌ها بر پایه سیستم کنترل off/on یا دیجیتال بنا شده‌اند که شامل ارتباط زنجیره‌ای بین ماشین‌ها برای انتقال اطلاعات نیز می‌باشد. این ارتباط زنجیره‌ای معین می‌کند که عمل قبلی ماشین چه موقع تمام شده است و عمل بعدی چه وقت شروع خواهد شد. معمولاً این عمل را interlocking[1] می نامند.

1-4- استراتژی کنترل

ساده ترین استراتژی کنترل به نام حلقه باز مشهور است. ایده اساسی در ساخت یک سیستم کنترل حلقه باز قرار دادن سیستم با تنظیم خروجی فعال سیستم در حداکثر وقت ممکنه به منظور تولید خروجی دلخواه است. هیچگونه اطلاعاتی به کنترل کننده جهت ادامه عمل مناسب خروجی، فیزیک نمی‌شود. به عبارت دیگر، برای مقایسه خروجی با ورودی هیچ امکانی وجود ندارد. بنابراین در این نوع سیستم ها می تواند خطاهای نسبتاً بزرگی رخ دهد.

کنترل کننده    

(جدول در فایل اصلی موجود است)

کنترل حلقه‌باز

در برخی موارد سیستم کنترل حلقه باز می تواند عملکرد قابل قبولی را از خود ارائه دهد. بویژه این نوع سیستم می تواند زمانی که از نظر اقتصادی یا حتی فیزیکی استفاده از سیستم‌های پیشرفته‌تر مقرون به صرفه نباشد کار‌گشا واقع گردد.به شرط آن که هیچ‌گونه اغتشاش غیر معمولی رخ ندهد، عمل دستگاه با کنترل حلقه باز رضایت بخش خواهد بود، هرچند مجبور خواهیم بود به طور مداوم ماشین را تحت مراقبت داشته باشیم. در صورتی که هر گونه اغتشاش غیر قابل پیش بینی یا اختلالی بر روی فرآیند تأثیر بگذارد، هیچ راهی برای جلوگیری از آن وجود نخواهد داشت و ممکن است سیستم از کنترل خارج شود. با این وصف چنانچه عوامل خارجی مؤثر بر عملکرد سیستم را بشناسیم، صحیح نیست که آنها را نادیده انگاریم. این کار با رصد (monitor) اغتشاش های شناخته شده در یک سیستم و استفاده از اطلاعات به دست آمده از این نظارت امکانپذیر است. یک چنین استراتژی را کنترل پیش خور یا feed forward control می نامند.

کنترل کننده   

(جدول در فایل اصلی موجود است)

کنترل پیش خور

استفاده از سیستم کنترل پیش خور، زمانی مناسب است که اغتشاش ها، کم تعداد و با دقت قابل اندازه‌گیری باشند، در صورتی که اغتشاش ها پر تعداد باشند این سیستم عملکرد انعطاف ناپذیر و نسبتاً ضعیفی خواهد داشت و به کاربردن آن نیز گران قیمت خواهد بود. در مواردی که به یک استراتژی کنترل که به اغتشاشات مختلفی سروکار دارد نیاز داشته باشیم. می توانیم از استراتژی فید بک استفاده کنیم. معمولاً از پیش خور‌ها در جایی استفاده می‌شود که امکان اندازه‌گیری خروجی به طور مستقیم وجود ندارد، اما اغتشاش ها قابل اندازه‌گیری است.

(جدول در فایل اصلی موجود است)

کنترل حلقه بسته

کنترل حلقه بسته یا پس خور، اختلال های ورودی به سیستم را با اندازه‌گیری میزان تأثیر آن‌ها بر روی خروجی سیستم و سپس محاسبه یک عامل تصحیح، اصلاح می‌کند. این عامل تصحیح با اختلالات ورودی به سیستم مقابله می‌کند و خروجی دلخواه را در سطح مورد نظر حفظ می نماید. در این استراتژی قسمت‌هایی از سیگنال‌ خروجی به ورودی برگشت داده می‌شود و مقایسه‌ای بین شرایط واقعی پروسه و شرایط مطلوب صورت می‌گیرد. اختلاف بین این دو سیگنال به کنترل کننده فرستاده می‌شود. جایی که از سیگنال خطا به منظور تغییر خروجی تا سطح مورد نظر استفاده می‌شود:

مقدار اندازه‌گیری شده – ورودی مرجع =     سیگنال خطا

به طور ایده آل، هر کنترل اعمال شده‌ای، باید دقیق و بدون خطا همراه با پاسخ آنی پروسه به تغییرات در مقدار ورودی مرجع باشد. اما در عمل، دقت مطلق غیر ممکن است و همه فرآیند ها دارای مقداری اختلاف بین خروجی واقعی و خروجی مطلوب می باشند. چنانچه بخواهیم این اختلاف کمتر شود مجبوریم از سیستم کنترل پیچیده‌تر و گران‌قیمت تری استفاده کنیم.

1-5- کنترل‌کننده‌های پیوسته

در سیستم حلقه بسته فیدبک، عملیات کنترلی اعمال شده بر روی سیگنال خطا، ممکن است بر پایه چندین عامل صورت گیرد:

عامل تناسبی، ساده ترین شکل کنترل کننده‌های پیوسته است که خروجی آن مستقیماً متناسب است با سیگنال خطا ضربدر یک ضریب تقویت K، اما عامل تناسبی به ندرت به تنهایی کفایت می کند، زیرا هنگامی که خروجی سیستم به ورودی مرجع نزدیک می شود، سیگنال خطا متناسب با آن کاهش می یابد و بنابراین خروجی کنترل کننده نیز کاهش می یابد. این امر موجب ایجاد خطای حالت ماندگار در خروجی خواهد شد. این خطای حالت ماندگار را می توان با افزایش دادن بهره کنترل کننده کاهش داد اما در این صورت سیستم به سمت ناپایداری و نوسان خواهد رفت. به منظور غلبه بر این مسائل معمول است که عامل تناسبی را همراه با عامل انتگرالی و مشتق‌گیر به کار برند.

عامل مشتق‌گیر، یک سیگنال خروجی متناسب با نرخ تغییرات خطا را فراهم می آورد. بنابراین اگر افزایشی سریع و ناگهانی در خطا رخ دهد، یک خروجی تصحیح کننده بزرگ تولید خواهد شد، حال آن که در صورت کند بودن آهنگ تغییرات خطا، خروجی مشتق‌گیر نیز کاهش می یابد. این امر موجب بهبود پاسخ سیستم به خطاهای دینامیکی خواهد شد، اما خطای حالت ماندگار را بهبود نخواهد بخشید.

عامل انتگرالی یک سیگنال خروجی متناسب با انتگرال زمانی سیگنال خطا را تولید می‌کند، به این معنی که خروجی متناسب با مجموع خطای از لحظه اولیه تا یک لحظه مورد نظر t می‌باشد. از این عامل برای غلبه بر خطای حالت ماندگار استفاده می شود، زیرا جمله انتگرالی همواره خروجی معادل خطا تولید خواهد کرد. یعنی مادامی که سیگنال خطا صفر نباشد خروجی انتگرال گیر تغییر خواهد کرد. زمانی که خطای اندازه‌گیری شده برابر صفر می‌شود. در این لحظه خروجی انتگرالگیر برابر خطای حالت ماندگار خواهد شد که آن را خنثی کرده و سیستم را به سمت پایداری رهنمون می‌شود. معمول است که از سه عامل تناسبی، مشتق گیر، انتگرالی در یک کنترل کننده استفاده شود که به آن کنترل PID گفته می‌شود.

1-6- سیستمهای کنترل متداول

سیستم رله‌ای

رله یکی از قطعات مهم در بیشتر سیستم‌های کنترل مدرن می‌باشد. این قطعه یک سوئیچ الکتریکی با ظرفیت جریانی بالا است که به طور غیر مستقیم با یک جریان کنترلی نسبتاً کم عمل می‌کند. رله‌ها همگی شامل قطعات متحرک یا کنتاکت های الکتریکی هستند و بنابراین از لحاظ سرعت عملکرد، طول عمر و قابلیت اطمینان دارای یک سری محدودیت‌ها می باشند، هم چنین دارای ابعاد بزرگی هستند و در اکثر کاربردها به نصبگاه‌های (Rocks)[2] بزرگی نیاز دارد و برای هر بار عمل سوئیچ کردن هزینه زیادی را نسبت به رله‌های نیمه‌هادی که فاقد قسمت متحرک هستند و سرعت بالایی دارند، طلب می‌کنند.

یک سیستم کنترل رله‌ای از ده‌ها یا صدها رله تشکیل یافته است که به وسیله باز و بسته شدن کنتاکت های ورودی بر قرار می‌شود. طرح یا تابع کلی کنترل به وسیله طریقه ویژه اتصال کنتاکت‌های ورودی و خروجی در اثناء مراحل مونتاژ و طراحی رله‌ای تعیین می‌گردد و معمولاً تابع یک سیستم رله‌ای بر روی دیاگرام رله‌ای توصیف و طراحی می‌شود که همه اتصالات کنتاکت‌های الکتریکی و کویل‌ها را با هم نشان داده و نیز تمام جزئیات ساختار الکتریکی و مکانیکی سیستم را نمایش می‌دهد. چگونگی اتصال کنتاکت‌ها نشان دهنده تابع منطقی ساخته شده می‌باشد. با اتصال کنتاکت‌های ورودی و خروجی به صورت سری و موازی هر تابع منطقی دلخواهی قابل ساخت می‌باشد. برای ساخت کنترل‌کننده‌های نسبتاً پیچیده می توان ترکیبی از عناصر منطقی مختلف را به کار گرفت. هر چند که حتی برای اجرای یک وظیفه کنترلی ساده با رله ها مورد نیاز می تواند یک کنترل پانل بزرگ را به وجود آورد. همچنین تغییر وظایف و توابع کنترلی یک پانل، هنگامی که ساخته شد، بی نهایت دشوار است به گونه ای که ساده‌تر آن است که تمام سیستم مجدداً ساخته و سیم کشی شوند این نقص همراه با معایب دیگر گفته شده، طراحان را به جایگزینی سیستم‌های رله‌ای با روش های معمولی که بر پایه الکترونیک و ریز پردازنده ها بنا شده‌اند ترغیب می‌کند. از رله‌ها هنوز هم به طور گسترده به عنوان المان خروجی (محرک‌ها) در دیگر انواع سیستم‌های کنترل استفاده می‌شود و عنصر ایده‌آلی برای تبدیل سیگنال‌های کوچک کنترل به سیگنال‌های بزرگ راه انداز جریانی/ولتاژی به شمار می روند.

سیستم‌های الکترونیکی

 ترانزیستور به عنوان المان سوئیچینگ استفاده می‌شود. زیرا دارای اندازه بسیار کوچک است و دارای قطعه متحرکی نمی باشد و قابلیت اطمینانش و سرعتش از رله بسیار بالاتر می‌باشد و عملکرد کنترلی‌اش منحصر به عمل سوئیچینگ نمی باشد بلکه دارای خاصیت تقویت سیگنال نیز می‌باشد که آن را به صورت عنصر ایده‌آلی برای کنترل آنالوگ درآورده است.با بهبودی قطعات نیمه هادی و فراوانی آن به دنبال آن تولید مدار‌های مجتمع (IC ها) تحولی بنیانی در تمامی زمینه‌های الکترونیک ایجاد شد. زیرا که انجام و اجرای سیستم‌های پیچیده، با اتصال صحیح آی سی مناسب به طرز بسیار ساده‌ای قابل انجام شد و دیگر طراح مجبور نبود جزئیات هر طبقه ترانزیستوری در مدار را به صورت مجزا در نظر بگیرد. مدارهای مجتمع در دوشاخه مجزا گسترش یافتند: آی سی های خطی یا آنالوگ که بر روی سیگنال‌های آنالوگ عمل می کردند و اطلاعات را در قالب دامنه و شکل موج انتقال می دهند. و آی سی های دیجیتال که منحصراً با سیگنال‌های دیجیتالی عمل می‌کنند و با استفاده از گیت های منطقی، این اطلاعات را پردازش می نمایند.

یکی از مهمترین و سودمندترین آی سی آنالوگ، تقویت کننده‌های عملیاتی می باشند. تقویت کننده‌های عملیاتی سریعاً در حوزه کنترل پیوسته جای خود را باز کردند بطوریکه کنترل آنالوگ بر پایه مدار‌های مجتمع خطی بنیان نهاده شده است. اما در این گونه مدار‌ها، تنظیم دقیق و دلخواه سیستم‌های فیدبک در طی مراحل انجام کار عمل دشواری می‌باشد که این امر به طبیعت ثابت و غیر قابل تغییر ساختار مدار‌های کنترلی ارتباط دارد.

آی سی های دیجیتالی دارای گیت‌های منطقی در یک تراشه می باشند که هر گیت شامل تعدادی دیود یا ترانزیستور همراه با مقاومت‌ها و خازن‌های مربوطه می باشند. آی سی های دیجیتالی اطلاعات ورودی به شکل گسسته وارد می‌شود و اطلاعات در مبنای دو می باشند و برای تحلیل و طراحی آی سی ها و سیستم‌های دیجیتالی از منطق دودویی استفاده می‌کنند.

منطق دودویی شامل متغیر‌های دودویی و عملیات منطقی است. هر متغیر دودویی فقط و فقط می تواند دو ارزش «» یا «۱» را داشته باشد و در این منطق سه نوع عملیات منطقی اصلی NOT , OR , AND وجود دارد. عملگرهای دیگری نیز وجود دارند که توابع جدیدی معرفی می نمایند. در جدول زیر کلیه ی عملگرهای منطقی و توابع متناظر آنها آمده است:

(جدول در فایل اصلی موجود است)

«رسم گیت ها»

مدارهای دیجیتالی که با استفاده از توابع ذکر شده مورد توجه قرار می گیرند همگی ترکیبی هستند که در آنها خروجی در یک زمان مشخص تنها تابعی از ورودی در همان زمان است. خروجی بسیاری از سیستم‌های دیجیتالی، علاوه بر ورودی‌ها به حالت قبلی سیستم نیز بستگی دارد این گونه سیستم‌ها را سیستم‌های ترتیبی می نامند. یک چنین سیستمی نیازمند نوعی ذخیره‌ساز یا قطعه حافظه به جهت ذخیره اطلاعات مربوط به وضعیت قبلی سیستم می‌باشد. در واقع در این سیستم ها یک عنصر ذخیره ساز برای نگهداری آخرین خروجی تولید شده مورد نیاز است و مداری که این قابلیت را داشته باشد بی استابل یا فلیپ فلاپ نام دارد که اجزاء اصلی مدار‌های ذخیره اطلاعات را تشکیل می دهند. عنصر ذخیره گر اصلی – فلیپ فلاپ ها – می توانند فقط یک بیت داده را در هر لحظه ذخیره کنند. از طرفی سیستم‌ های بزرگ دیجیتالی و کامپیوتر‌ها نیازمند ذخیره تعداد زیادی بیت یا کلمه می باشند بنابراین برای ذخیره تنها یک کلمه به چندین فلیپ فلاپ نیاز است یک چنین آرایشی از فلیپ فلاپ ها را که برای ذخیره بیت داده به کار می رود را رجیستر یا ثبات می نامند.

حافظه

یک سیستم دیجیتالی یا ریز پردازنده یا کامپیوتر احتیاج به ذخیره تعداد بسیار زیادی کلمه در حافظه‌اش دارد. حافظه‌ها عملاً شامل آرایه‌ای از رجیستر‌ها با آدرس دهی‌های متمایز و منحصر به فرد می باشند که با توجه به آدرس به سیستم امکان دسترسی (خواندن یا نوشتن) منحصراً در محل کلمه را می دهد. اندازه یا پهنای رجیسترها در آرایه به طور ایده‌آل برابر تعداد خطوط گذرگاه داده سیستم(data bus) می‌باشد. (۸ یا ۱۶ بیت) که این گذرگاه کلمات داده را به حافظه ارسال می‌کند (هم نوشتن و هم خواندن). پایه و اساس حافظه‌های مورد استفاده در سیستم‌های کنترل برنامه پذیر از قبیل کامپیوتر‌ها یا ریز‌پردازنده‌ها را آرایه‌ای رجیستر‌های قابل آدرس دهی تشکیل می دهد. حافظه ها به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند:

الف) حافظه‌هایی که داده‌های موجود بر روی آن‌ها با قطع برق از بین می رود یا حافظه های فرار شامل حافظه‌های RAM که مخفف Random   Access Menoryمی‌باشد نامی است که به حافظه‌های قابل خواندن/نوشتن اطلاق می گردد. زمانی که سیگنال کنترل صحیح به این قطعات اعمال شود، داده را می توان در آنها نوشت و یا از آنها خواند. این قطعات می توانند داده‌ها را به صورت دینامیکی یا استاتیکی ذخیره کنند.

حافظه‌های RAM استاتیکی به طور مستقیم قابل مقایسه با مدار‌های فلیپ فلاپی که شرح آنها قبلاً گفته شد، می باشند. چنانچه در آن‌ها یک سلول با رجیسترهای چند سلول ۱ یا  شوند، این مقادیر در همین وضعیت باقی می مانند تا این که ریست شوند تا منبع توان قطع شود. RAMهای دینامیکی یا DRAM ها شامل خازن هایی هستند که اگر بخواهند اطلاعاتشان را حفظ کنند باید شارژشان در سطحی ثابت باقی بماند. بدین جهت بایستی شرایط شارژ خازن‌ها را به طور مرتب و مستمر فراهم آوریم تا به این وسیله سطح بالای پتانسیل شارژ هر خازن را تنظیم کرده باشیم. سلول های DRAM به طور قابل ملاحظه‌ای کوچک‌تر از سلول های RAM استاتیک معادلشان می باشند. به گونه ای که در موارد نیاز به استفاده از حافظه های با ظرفیت بالا، تراشه های انتخابی معمول RAMهای دینامیکی می باشند. با استفاده از RAMها، در جایگاه هر کلمه – در حافظه – می توان نوشت (write)، خواند (read) یا در صورتی که نیاز باشد آن را پاک کرد. اما از آنجا که RAM ها حافظه‌های فرارند. همه محتویات آنها با قطع برق از بین خواهد رفت. اگر مایل به حفظ داده‌های ذخیره شده باشیم، بایستی باتری پشتیبان (Back-up) همراه با RAM استفاده کنیم.

ب) حافظه‌هایی که داده‌های موجود بر روی آنها با قطع برق از بین نمی رود یا حافظه غیر فرار که شامل حافظه های ROM. حافظه های این گروه با قطع برق، اطلاعاتشان از بین نمی رود، این گروه را می توان به دو دسته حافظه‌های شدنی و پاک نشدنی تقسیم کرد:

۱- حافظه‌های پاک نشدنی شامل: ROMها که در کارخانه توسط تولید کننده به طور دائمی برنامه‌ریزی شده و از آن پس محتویات آنها قابل تغییر نیست. ROM ها برای تولید تعداد زیادی از دستگاه هایی که به نحوی مشابه برنامه‌ریزی شده اند به کار می روند. ROM های قابل برنامه‌ریزی (PROM) که کاربر می تواندآنها را با یک دستگاه برنامه‌ریز برنامه‌ریزی کند. این کار با از بین رفتن اتصالات ضعیف فیوز مانند موجود در تراشه حافظه، به منظور ایجاد مدار دلخواه انجام می‌گیرد و فرآیندی برگشت ناپذیر است. یعنی پس از برنامه‌ریزی قطعی، بار دیگر نمی توان برنامه‌ریزی جدیدی را به PROM داد.

۲- حافظه پاک شدنی شامل : PROMهایی پاک شدنی (EPROM)، که کاملاً شبیه PROM های معمولی برنامه‌ریزی می‌شوند اما اطلاعات موجود در آنها را می توان با در معرض نور ماوراء بنفش قرار دادن آنها پاک کرده برای این منظور این قطعات دارای یک پنجره کوارتزی شفاف بر روی محفظه تراشه می باشند. بنابراین EPROM ها را می توان مجدداً برنامه‌ریزی کرد و این روند را چندین بار تکرار نمود. PROM های پاک شدنی الکتریسیته کاملاً شبیه EPROM ها هستند با این تفاوت که می توان آن‌ها را هنگام اتصال به مدار، به طور الکتریکی پاک کرد.

ریز پردازنده

مهمترین رویداد در حوزه مدار های مجتمع با تراکم زیاد ساخت ریزپردازنده –CPU یا واحد پردازش مرکزی –یک کامپیوتر بر روی یک تک تراشه بود.این رویداد موجب تولد " عصر میکرو کامپیوترها" شد که با یاری تراشه هایی از قبیل حافظه و قطعات ورودی و خروجی واتصال انها به یکدیگر موجب خلق سیستم های میکروکامپیوتری گردید.

گسترش و پیشرفت ریز پردازنده ها به مثابه کاتالیزری در فرایند رشته کنترل های کامپیوتری عمل کرد ونه تنها ابعاد وقیمت سخت افزار را کاهش داد وبلکه قدرت پردازشی برابر مینی کامپیوترها ی قبلی را به ارمغان اورد.در یک ساختار میکرو کامپیوتری ،ریزپردازنده ،در جای CPUی کامپیوتر نشسته است وحاوی دستورات منطقی لازم برای تشخیص واجرای دستورالعملهاست.حافظهROM   ویا EPROM نیز شامل نرم افزارعامل و برنامه های دایمی مورد نیاز می باشد.ای سی هایRAM ،حافظه مورد نیاز برای نوشتن/خواندن جهت ذخیره موقت داده ها را فراهم می اورندو ای سی های ورودی/ خروجی استاندارد جهت ارتباط با دنیای خارج پیش بینی گردیده اند. 

1-7- کامپیوتر در کنترل

امروزه میکرو کامپیوترهای قدرتمندوکم هزینه ای در دسترسند که اغلب ،هم در سیستم های کنترل ترتیبی وهم پیوسته استفاده می شوند. پانل های کنترل مبتنی بر ریزپردازنده نیز به حد کافی کوچک هستند که بتوان انها را مستقیما در محل اعمال یا اجرای کنترل جای داد و نیاز به اتصالات لازمه رابیش از پیش ساده تر ساخت.

هم اکنون به کار بردن چندین میکروکنترلر به جای یک کامپیوتر بزرگ مادر در پروسه های عظیم ،امری معمول گردیده است . این کار مزایای زیادی را از نظر اجرای کنترل ،هزینه و قابلیت اطمینان به ارمغان می اورد.در یک چنین رویکردی هر میکرو کنترلر یا یک کامپیوتر ناظر میزبان ارسال یا دریافت دارد.این قسم از کنترل توزیع شده نامیده می شودوکارایی وسودمندی بسیار بیشتری را نسبت به یک استراتژی تمرکز یافته مبتنی بر یک کامپیوتر مادر  به سیستم کنترل می داردچرا که عملیات کنترل بین چند پردازشگر جداگانه تقسیم می شود.یک سیستم کنترل توزیع شده دارای سلسله مراتب نیازی ندارد که منحصرا محذود به استفاده از میکرو کامپیوترها باشد.بلکه می تواند شامل دیگر وسایل هوشمند از قبیل ماشین های CNC ،ربات ها و PLCها نیز باشد.

در این فصل درباره کنترل ومفاهیم منطقی که پیش نیاز موضوع اصلی  یعنی کنترل کننده های منطقی برنامه پذیر است صحبت کردیم که در فصل های اینده  به طور مفصل درباره ان توضیح میدهیم.

فصل دوم:

کنترل کننده های قابل برنامه ریزی (PLC)

2-1- مقدمه

نیاز به کنترل کننده‌هایی با هزینه کمتر، کاربرد متنوع تر و سهولت استفاده بیشتر، منجر به توسعه کنترل کننده‌های قابل برنامه‌ریزی بر مبنای CPU و حافظه شد و از آنان به طور گسترده‌ای در کنترل فرآیندها و ماشین آلات استفاده گردید. PLC، که از عبارت: Programmable Logic Controller به معنای کنترل کننده منطقی برنامه پذیر گرفته شده است، در آغاز به عنوان جانشینی برای سیستم‌های منطقی رله‌ای و تایمری غیر قابل تغییر توسط اپراتور طراحی شدند تا به جای تابلو‌های کنترل متداول قدیمی استفاده شوند. PLC ها توانستند سهولت استفاده و قابلیت انعطاف پذیری زیادی را به سیستم‌های کنترل ارزانی دارند. این کار به وسیله برنامه‌ریزی آنها و اجرای دستورالعمل های منطقی ساده که اغلب به شکل دیاگرام نردبانی است، صورت می‌گیرد. PLC ها دارای یک سری توابع درونی از قبیل تایمر‌ها و شمارنده‌ها و شیفت رجیستر ها می باشند که امکان کنترل مناسب را، حتی با استفاده از کوچک ترین PLC نیز فراهم می آورند. یک PLC با خواندن سیگنالهای ورودی دریافتی از پروسه مورد نظر، کار خود را شروع کرده و سپس دستور العمل منطقی (که قبلاً برنامه‌ریزی شده و در حافظه جای گرفته است) را بر روی این سیگنال‌های ورودی اعمال می‌کند و در پایان، سیگنال‌های خروجی مطلوب را برای راه‌اندازی تجهیزات و ماشین آلات پروسه تولید می نماید. تجهیزات استانداردی درون PLCها تعبیه شده‌اند که به آنها اجازه می دهد مستقیماً و بدون نیاز به واسطه مداری یا رله‌ها به المان‌ خروجی یا محرک و مبدل‌های ورودی متصل شوند. با استفاده از PLCها، اصلاح و تغییر یک سیستم کنترل بدون نیاز به تغییر محل اتصالات سیم‌ها ممکن شده است و برای هر گونه تغییر کافی است که برنامه کنترل با استفاده از یک کی‌پد یا ترمینال VDU (نمایشگر ویدیویی) تغییر یابد، هم‌چنین PLC ها نسبت به سیستم‌های قدیمی برای نصب و راه‌اندازی به زمان کمتری نیازمندند. PLCها از لحاظ ساختمان داخلی‌اشان به کامپیوتر معمولی شبیه هستند ولی برخی ویژگی‌های خاص، آنها را ابزاری مناسب جهت انجام عملیات کنترل صنعتی نموده است. برخی از این ویژگی‌ها عبارتند از

۱- تجهیزات حفاظت کننده PLC ها از نویز و شرایط نا مساعد محیطی

۲- ساختار مدولار PLCها، که به سادگی امکان تعویض یا افزودن واحد یا واحدهایی را به PLC می دهد (مثلاً ورودی/خروجی)

۳-اتصالات استاندارد ورودی/خروجی و نیز سطوح سیگنال استاندارد.

۴- زبان برنامه‌نویسی قابل درک و آسان

۵- سهولت در برنامه‌نویسی و برنامه‌ریزی مجدد در حین کارکرد فرآیند.

2-2- نگاهی گذرا بر تاریخچه PLC

اندیشه ساخت PLC در آغاز، در سال ۱۹۶۸ توسط یک گروه از مهندسین شرکت جنرال موتور آمریکا مطرح شد. در این طرح کنترل کننده می بایست دارای خصوصیات اولیه زیر می بود:

۱- به سادگی قابل برنامه‌ریزی و همچنین برنامه‌ریزی مجدد بوده (ترجیحاً در کارخانه) و نیز، قابلیت تغییر ترتیب و توالی عملیات کنترل را داشته باشد.

۲- نگهداری و تعمیرات آن آسان باشد ترجیحاً با استفاده از مدول‌های افزودنی.

۳- دارای قابلیت اطمینان بیشتر در محیط‌های صنعتی باشد و کوچکتر از رله معادلش باشد.

۴-در عمل هزینه قابل رقابت با تابلو‌های رله‌ای و نیمه‌هادی ها داشته باشد.

این امر، موجب شعله‌ور شدن اشتیاق شدیدی در بین مهندس همه شاخه‌های علوم، در مورد این که چگونه از PLC می توان در کنترل‌های صنعتی استفاده کرد، گردید. این بذل توجه شدید به قابلیت‌ها و تسهیلات برتر PLC ها بود که سبب شد آنها را به سرعت به «فن‌آوری روز در دسترس» تبدیل کند. دستورالعمل ها نیز سیر تکاملی خود را به سرعت از فرمان های منطقی ساده به دستورالعمل‌های شامل اجرای عملیات مربوط به شمارنده‌ها، تایمرها، شیفت رجیستر‌ها و سپس توابع ریاضی پیشرفته در PLCهای بزرگتر، طی کردند. به موازات آن، در سخت‌افزار PLC نیز در پیشرفت ها با حافظه های بزرگتر و تعداد بیشتر ورودی‌ها و خروجی های تعبیه شده بر روی مدول‌های جدیدتر، دنبال شد. در سال ۱۹۷۶، دیگر امکان کنترل نصبگاه های ورودی/خروجی راه دور فراهم آمده بود. در این گونه کاربرد‌ها تعداد متعددی از این ورودی‌/خروجی ها که چند صد متر با PLC مادر فاصله داشتند می‌بایست از طریق یک خط ارتباطی به طور مداوم رصد (monitoring[3]) شوند و یا دستورات لازم به آنها اعمال شود. در سال ۱۹۷۷ یک PLC اساس میکروپروسسوری (PCL مبتنی بر ریز پردازنده) بوسیله شرکت آمریکایی آلن-برادلی معرفی شد. این PLC بر مبنای ریزپردازنده ۸۰۸۰ بنا شده بود اما از این پردازشگر دیگر به منظور اداره دستورالعمل‌های منطق بیت در سرعت‌های بالا سود می جست. آهنگ رشد کاربرد PLC ها در صنایع، تولید کنندگان را تشویق به گسترش و توسعه خانواده سیستم‌های اساس – میکرو پروسسوری با سطوح عملیاتی مختلف کرد. امروزه محدوده PLC های در دسترس، از PLCهای جامع و کامل کوچک با ۲۰ ورودی/خروجی و ۵۰۰ مرحله یا گام برنامه‌نویسی تا سیستم‌های مدولار با مدول های قابل افزایش را در بر گرفته است. این مدول‌ها برای انجام وظایفی نظیر:

۱- ورودی/خروجی آنالوگ

۲- کنترل PID (سه جمله‌ای = تناسبی، انتگرالگیر و مشتق‌گیر)

۳-ارتباطات

۴- نمایش‌گرافیکی

۵- ورودی/خروجی اضافی

۶- حافظه‌های اضافی

راهکارهای مدولار‌سازی PLC ها امکان گسترش و بهبود یک سیستم کنترل را با حداقل هزینه و اشکالات فراهم می سازد. امروزه PLC ها تقریباً با همان سرعت پیشرفت میکروکامپیوترها مراحل پیشرفت و توسعه را پشت سر می گذارد، با این تفاوت که تأکید ویژهPLCها بر روی کنترل‌کنند‌های کوچک، کنترل عددی/وضعیتی و شبکه‌های ارتباطی می باشند. از نظر بازار نیز، بازار کنترل‌کننده‌های کوچک از اوایل سال‌های دهه ۸۰رشد سریعی را شاهد بوده است چرا که در خلال این سال‌ها، تعداد کمپانی‌های ژاپنی، PLCهای بسیار کوچک و کم‌هزینه‌ای را معرفی کردند که از سایر محصولات آن زمان بسیار ارزان‌تر بودند. به این دلیل مشتریان بالقوه‌ای در صنعت، توانایی خرید کنترل کننده‌های قابل برنامه‌ریزی را یافتند. این روند با عرصه PLC های کارامدتر و تا حد امکان ارزانتر، ادامه یافت.

2-3- مقایسه PLC با سایر سیستم‌های کنترلی:

جدول زیر مقایسه ای بین انواع متفاوت ابزار‌های کنترلی را به تصویر می کشد. با یک مقایسه ساده PLC ها خود را به عنوان بهترین انتخاب برای سیستم‌های کنترل نشان می دهند. مگر این که سرعت عملکرد بالاتر از PLC یا حفاظت و مقاومت در برابر نویزهای الکتریکی مدنظر باشد که در این حالت‌ها، به ترتیب سیستم‌های دیجیتالی غیر قابل تغییر توسط اپراتور و سیستم‌های رله‌ای، کاندیدای شایسته‌تری سیستم‌های کنترل می باشند. در امر به کارگیری توابع پیچیده نیز، یک کامپیوتر معمولی تا اندازه‌ای بهتر از یک PLC بزرگ مجهز به کارت توابع مربوطه، می‌باشد. اما فقط از نظر ایجاد توابع نه اجرای آن، زیرا PLC ها به دلیل محول کردن بخشی از پردازش به پردازشگر های اختصاصی مربوط به مدول‌های اجراکننده وظایف ویژه کارآمدتر خواهند بود، بنابراین، PLCها محاسبات مربوط به این توابع کنترلی را مستقل از پردازشگر اصلی انجام می دهند و در واقع مانند یک سیستم چند پردازشگره عمل می‌کنند مثلاً وقتی کنترل فرآیندی مورد نظر باشد، استفاده از کامپیوتری معمولی به مراتب پیچیده‌تر و اغلب موارد عملاً ناممکن می‌شود. علاوه بر آن برای انطباق کامپیوتر با فرآیند مورد نظر طراحی ساخت و یالااقل بررسی و خرید تجهیزات خاص برای انطباق کاری طاقت فرسا است. از شرکت‌های سازنده PLC می توان SIEMENS و AEG و MISTUBISHI و OMRON و ALLENBRADLEY و … را نام برد و از شرکت‌های داخلی تولید‌کننده PLC و سیستم‌های اتوماسیون می توان شرکت کنترونیک را نام برد. این شرکت با بکارگیری دانش متخصصین داخلی اقدام به تولید چندین سیستم PLC با قابلیت های متفاوت جهت استفاده در صنایع مختلف و کاربردهای متنوع نموده است. این شرکت هم‌چنین مبتکر زبان‌برنامه‌نویسی خاصی جهت سیستم‌هایPLC  تولید شده می‌باشد. که بسیار شبیه به زبان برنامه‌نویسی S5  متعلق به PLC های زیمنس می‌باشد و از زبان های ابداع شده توسط سازندگان PLC می توان S5، FST و OMRON و CSTL و ALLEN BRADLEY را نام برد