پی ال سی (PLC) چیست؟ چه کاربردی دارد؟

در چشم‌انداز وسیع صنعت مدرن دنیا، جایی که دقت، سرعت و قابلیت اطمینان حرف اول را می‌زند، اتوماسیون صنعتی به عنوان یک اصل بنیادین خودنمایی می‌کند. در کانون این انقلاب صنعتی، یک کامپیوتر تخصصی و فوق‌العاده مقاوم با نام کنترل‌گر منطقی برنامه‌پذیر یا PLC- Programmable Logic Controller قرار دارد. این دستگاه، مغز متفکر و فرمانده اصلی بی نهایت فرآیند خودکار، از خطوط مونتاژ رباتیک در کارخانه‌های خودروسازی گرفته تا سیستم‌های پیچیده کنترل توربین‌های بادی در نیروگاه‌ها، به شمار می‌آید. PLC با دریافت سیگنال‌ها از دنیای فیزیکی از طریق سنسورها، آن‌ها را بر اساس یک برنامه منطقی نوشته شده توسط مهندس، پردازش نموده و در کسری از ثانیه، فرمان‌های دقیقی را به عملگرهایی مانند موتورها، شیرهای برقی و جک‌های پنوماتیک صادر می‌کند.

برای درک اهمیت PLC، باید به دوران پیش از آن بازگردیم. در دهه‌های میانی قرن بیستم، کنترل ماشین‌آلات صنعتی توسط هزاران رله، تایمر و شمارنده الکترومکانیکی صورت می‌گرفت. این سیستم‌ها در تابلوهای برق غول‌پیکری سیم‌کشی می‌شدند که فضای زیادی اشغال می‌کردند، انرژی زیادی مصرف می‌نمودند و عیب‌یابی آن‌ها یک کابوس واقعی بود. هرگونه تغییر کوچک در منطق کنترل، نیازمند ساعت‌ها یا حتی روزها سیم‌کشی مجدد توسط متخصصان بود. در پاسخ به این چالش‌ها، در سال 1968، شرکت جنرال موتورز مشخصات یک کنترل‌گر الکترونیکی جدید را ارائه داد که جایگزین این سیستم‌های رله‌ای شود. نتیجه این تلاش، تولد اولین PLC جهان با نام Modicon 084 توسط تیمی به رهبری ریچارد "دیک" مورلی بود. این اختراع، انعطاف‌پذیری نرم‌افزار را به دنیای سخت و خشن صنعت آورد و مسیر اتوماسیون را برای همیشه تغییر داد.

تفاوت PLC با کامپیوترهای معمولی و میکروکنترلرها چیست؟

در نگاه اول، ممکن است عملکرد PLC شبیه به یک کامپیوتر رومیزی (PC) یا یک برد میکروکنترلری (مانند آردوینو) به نظر برسد. هر سه قابلیت دریافت ورودی، پردازش و تولید خروجی را دارند. با این حال، تفاوت‌های عمیقی در فلسفه طراحی، معماری و محیط کاری هدف، آن‌ها را از یکدیگر متمایز می‌کند. انتخاب اشتباه هر یک از این ابزارها برای یک کاربرد نامناسب، می‌تواند منجر به شکست پروژه، هزینه‌های گزاف یا حتی خطرات ایمنی شود.

جدول زیر یک نمای کلی از این تفاوت‌ها ارائه می‌دهد:

تحلیل عمیق‌تر تفاوت‌ها:

• مقاومت فیزیکی: یک PLC بدون فن، بدون هارد دیسک چرخان و با قطعاتی طراحی می‌شود که تحمل بازه دمایی وسیع (مثلاً -20 تا +60 درجه سانتی‌گراد)، لرزش‌های شدید و نویزهای الکترومغناطیسی قدرتمند را داشته باشد. در مقابل، یک PC استاندارد در چنین شرایطی به سرعت از کار می‌افتد.
• سیستم‌عامل بی‌درنگ (RTOS): مهم‌ترین تفاوت در نحوه پردازش نهفته است. سیستم‌عامل PLC یک RTOS است که تضمین می‌کند برنامه کنترلی در یک بازه زمانی مشخص و قطعی (Deterministic) اجرا شود. این برای کنترل فرآیندهای حساس که یک میلی‌ثانیه تأخیر می‌تواند فاجعه‌بار باشد، حیاتی است. در حالی که ویندوز یا لینوکس ممکن است برای اجرای یک فرآیند پس‌زمینه (مانند آپدیت آنتی‌ویروس) برنامه اصلی را برای لحظاتی متوقف کنند، چنین اتفاقی در دنیای PLC غیرقابل قبول است.
• ورودی/خروجی (I/O) صنعتی: ماژول‌های ورودی و خروجی PLC برای اتصال مستقیم به سنسورها و عملگرهای صنعتی (که با ولتاژهای 24V DC یا 220V AC کار می‌کنند) طراحی شده‌اند. این ماژول‌ها دارای ایزولاسیون اپتیکی (Opto-isolation) می باشند که از پردازنده مرکزی در برابر ولتاژهای بالا و نویزهای الکتریکی محافظت می‌کند. همچنین دارای LED‌های تشخیصی برای عیب‌یابی سریع می باشند. در مقابل، اتصال یک سنسور صنعتی به یک میکروکنترلر نیازمند طراحی مدارهای واسط و محافظتی پیچیده است.

یک PLC چگونه کار می‌کند؟ 

برای درک کامل عملکرد PLC، باید هم به اجزای سخت‌افزاری و هم به فرآیند نرم‌افزاری آن نگاه کنیم.

اجزای اصلی سخت‌افزار PLC:

یک PLC ماژولار (نوع رایج در صنعت) از چندین بخش اصلی تشکیل شده که روی یک رک (Rack) نصب می‌شوند:

1. منبع تغذیه (Power Supply): ولتاژ برق ورودی (معمولاً AC) را به ولتاژهای پایین DC مورد نیاز برای CPU و سایر ماژول‌ها تبدیل می‌کند.
2. واحد پردازش مرکزی (CPU): مغز PLC که شامل پردازنده، حافظه و پورت‌های ارتباطی است. این واحد برنامه کاربر را اجرا و کل سیستم را مدیریت می‌کند.
3. حافظه (Memory): شامل حافظه ROM برای سیستم‌عامل، RAM برای اجرای برنامه و ذخیره موقت داده‌ها، و حافظه غیرفرّار (مانند EEPROM یا Flash) برای ذخیره دائمی برنامه کاربر.
4. ماژول‌های ورودی (Input Modules): سیگنال‌ها را از سنسورها، کلیدها و سوئیچ‌ها دریافت می‌کنند. این ماژول‌ها در انواع دیجیتال (خاموش/روشن) و آنالوگ (مانند سنسور دما با سیگنال 4-20mA) وجود دارند.
5. ماژول‌های خروجی (Output Modules): فرمان‌ها را به عملگرها مانند کنتاکتورها، شیرهای برقی و نمایشگرها ارسال می‌کنند. این ماژول‌ها نیز در انواع دیجیتال (رله‌ای یا ترانزیستوری) و آنالوگ (برای کنترل دور موتور یا شیرهای تناسبی) موجودند.
6. ماژول‌های ارتباطی (Communication Modules): برای برقراری ارتباط با دستگاه‌های دیگر مانند HMI (رابط انسان و ماشین)، کامپیوترها، درایوهای موتور و سایر PLC‌ها از طریق پروتکل‌های صنعتی مانند Profibus, Modbus, یا Profinet استفاده می‌شوند.

چرخه اسکن (Scan Cycle):

قلب تپنده عملکرد نرم‌افزاری PLC، چرخه اسکن است. این یک فرآیند تکرارشونده و بسیار سریع است که PLC به طور مداوم برای نظارت و کنترل فرآیند اجرا می‌کند. زمان لازم برای تکمیل یک چرخه کامل را Scan Time می‌نامند که معمولاً بین 1 تا 100 میلی‌ثانیه متغیر است. این چرخه شامل چهار مرحله اصلی است:

1. خواندن ورودی‌ها (Input Scan): در ابتدای هر چرخه، CPU وضعیت تک‌تک پایانه‌های ورودی فیزیکی را می‌خواند و یک کپی از وضعیت آن‌ها (0 یا 1) را در یک ناحیه خاص از حافظه به نام جدول تصویر ورودی (Input Image Table - IIT) ذخیره می‌کند. این کار تضمین می‌کند که وضعیت ورودی‌ها در طول اجرای برنامه ثابت باقی بماند و از نوسانات ناخواسته جلوگیری شود.
2. اجرای برنامه (Program Execution): CPU برنامه نوشته شده توسط کاربر (مثلاً برنامه نردبانی) را از اولین خط تا آخرین خط اجرا می‌کند. در حین اجرا، برنامه به جای خواندن مستقیم ورودی‌های فیزیکی، از مقادیر ذخیره شده در جدول تصویر ورودی استفاده می‌کند. نتایج حاصل از اجرای هر خط منطقی، در ناحیه دیگری از حافظه به نام جدول تصویر خروجی (Output Image Table - OIT) نوشته می‌شود، اما هنوز به خروجی‌های فیزیکی اعمال نمی‌گردد.
3. به‌روزرسانی خروجی‌ها (Output Scan): پس از اتمام کامل اجرای برنامه، CPU مقادیر نهایی ذخیره شده در جدول تصویر خروجی را به صورت یکجا به ماژول‌های خروجی فیزیکی منتقل می‌کند. این عمل باعث روشن یا خاموش شدن عملگرها در دنیای واقعی می‌شود.
4. ارتباطات و وظایف داخلی (Housekeeping): در این مرحله نهایی، CPU به وظایف داخلی خود رسیدگی می‌کند. این وظایف شامل پاسخ به درخواست‌های برنامه‌نویسی از کامپیوتر، برقراری ارتباط با HMI، به‌روزرسانی تایمرهای داخلی و اجرای روال‌های عیب‌یابی سخت‌افزاری (Diagnostics) می‌شود. پس از اتمام این مرحله، چرخه اسکن بلافاصله از مرحله اول دوباره آغاز می‌شود.

زبان‌های برنامه‌نویسی PLC کدامند؟

استاندارد بین‌المللی IEC 61131-3، پنج زبان برنامه‌نویسی را برای PLCها تعریف کرده است تا مهندسان بتوانند بسته به پیچیدگی پروژه و پیشینه ذهنی خود، مناسب‌ترین ابزار را برای پیاده‌سازی منطق کنترل انتخاب کنند.

• نمودار نردبانی (Ladder Diagram - LD):
  این زبان، محبوب‌ترین و پرکاربردترین زبان برنامه‌نویسی PLC است. ظاهر آن دقیقاً شبیه به نقشه‌های مدارهای فرمان الکتریکی با رله‌ها و کنتاکتور هاست. برنامه از دو خط عمودی (Rails) و خطوط افقی (Rungs) تشکیل شده است. در هر خط افقی، شرط‌ها (مانند کنتاکت‌های باز و بسته) در سمت چپ و خروجی (Coil) در سمت راست قرار دارد. این شباهت بصری، یادگیری و عیب‌یابی آن را برای تکنسین‌ها و مهندسان برق بسیار آسان می‌کند.
  کاربرد اصلی: کنترل‌های منطقی گسسته (روشن/خاموش)، مدارهای استارت-استپ موتور، و فرآیندهای ساده.
• نمودار بلوک عملکردی (Function Block Diagram - FBD):
  یک زبان گرافیکی دیگر که در آن برنامه از طریق اتصال بلوک‌های عملکردی به یکدیگر ساخته می‌شود. هر بلوک یک تابع خاص را انجام می‌دهد (مثلاً AND, OR, Timer, Counter, PID Controller). ورودی‌ها و خروجی‌های این بلوک‌ها به هم متصل می‌شوند تا منطق کلی شکل بگیرد. این زبان برای نمایش جریان سیگنال و داده‌ها در سیستم‌های کنترلی بسیار مناسب است.
  کاربرد اصلی: کنترل فرآیندهای پیوسته، الگوریتم‌های کنترل حلقه بسته (PID) و کاربردهایی که جریان داده در آن‌ها اهمیت دارد.
• متن ساختاریافته (Structured Text - ST):
  یک زبان برنامه‌نویسی سطح بالا که از نظر ساختار و دستورات، شباهت زیادی به زبان‌های برنامه‌نویسی کامپیوتری مانند پاسکال و C دارد. این زبان از ساختارهایی مانند IF-THEN-ELSE, FOR, WHILE و توابع ریاضی پیچیده پشتیبانی می‌کند.
  کاربرد اصلی: پیاده‌سازی الگوریتم‌های پیچیده ریاضی، دستکاری داده‌ها (Data Manipulation)، کار با آرایه‌ها و رشته‌ها، و زمانی که منطق با زبان‌های گرافیکی به راحتی قابل پیاده‌سازی نباشد.
• چارت عملکردی ترتیبی (Sequential Function Chart - SFC):
  یک زبان گرافیکی قدرتمند برای مدل‌سازی و برنامه‌نویسی فرآیندهایی که ماهیت ترتیبی یا مرحله به مرحله دارند. برنامه در SFC از مراحل (Steps) و انتقال‌ها (Transitions) تشکیل شده است. در هر مرحله، یک سری اقدامات (Actions) انجام می‌شود و با برقرار شدن شرط انتقال، سیستم وارد مرحله بعدی می‌شود. این زبان به سازماندهی برنامه‌های بزرگ و پیچیده کمک شایانی می‌کند.
  کاربرد اصلی: سیستم‌های بچ (Batch Processing)، ماشین‌آلات بسته‌بندی، رباتیک و هر فرآیندی که ترتیب اجرای عملیات در آن اهمیت کلیدی دارد.
• لیست دستورات (Instruction List - IL):
  زبانی سطح پایین و متنی که شباهت زیادی به زبان اسمبلی (Assembly) دارد. برنامه شامل لیستی از دستورات ساده است که به ترتیب اجرا می‌شوند (مانند LD برای Load, ST برای Store). اگرچه این زبان بسیار کارآمد و سریع است، اما خوانایی پایینی دارد و احتمال بروز خطا در آن زیاد است. در استاندارد جدید IEC 61131-3، این زبان به عنوان یک زبان "منسوخ شده" (Deprecated) در نظر گرفته شده و استفاده از آن توصیه نمی‌شود.

کاربرد PLC چیست؟

اتوماسیون خطوط تولید

• کنترل ربات‌ها، نوارهای نقاله، پرس‌ها و ماشین‌آلات صنعتی.
• مثال: کارخانه‌های خودروسازی که قطعات را روی خط تولید جابه‌جا می‌کنند.

کنترل فرآیندهای صنعتی

• مدیریت دما، فشار، جریان و سطح سیالات در سیستم‌ها.
• مثال: پالایشگاه‌ها، نیروگاه‌ها و صنایع شیمیایی.

سیستم‌های بسته‌بندی و بسته‌بندی خودکار

• کنترل سرعت نوار نقاله، پر کردن، دربندی و برچسب‌گذاری محصولات.

کنترل موتور و تجهیزات الکتریکی

• روشن و خاموش کردن موتور، تغییر سرعت و جهت حرکت.
• مثال: آسانسورها، پمپ‌ها و کمپرسورها.

سیستم‌های امنیتی و هشدار

• مانیتورینگ تجهیزات و ارسال هشدار در صورت خرابی یا شرایط خطرناک.
• مثال: کارخانه‌های مواد شیمیایی که نیاز به توقف فوری فرآیند در شرایط اضطراری دارند.

کنترل ساختمان و هوشمندسازی

• روشنایی، تهویه، سیستم‌های گرمایشی و سرمایشی ساختمان‌های صنعتی و تجاری.

برندهای مطرح سازنده PLC در صنعت کدامند؟

بازار جهانی PLC تحت سلطه چند شرکت بزرگ قرار دارد که هر کدام دارای اکوسیستم نرم‌افزاری و سخت‌افزاری خاص خود می باشند:

• Siemens: این شرکت آلمانی با اختلاف، بزرگترین تولیدکننده PLC در جهان است. سری محصولات SIMATIC آن، به خصوص مدل‌های S7-1200 (برای کاربردهای کوچک و متوسط) و S7-1500 (برای کاربردهای پیشرفته و بزرگ)، به عنوان یک استاندارد صنعتی در بسیاری از نقاط جهان، به ویژه اروپا، شناخته می‌شود. پلتفرم نرم‌افزاری یکپارچه TIA Portal، مهندسی و برنامه‌نویسی این PLCها را بسیار آسان کرده است.
• Rockwell Automation (Allen-Bradley): این برند قدرتمند آمریکایی، به ویژه در قاره آمریکا، حرف اول را می‌زند. سری‌های ControlLogix (برای سیستم‌های بزرگ و ماژولار) و CompactLogix (برای کاربردهای متوسط) به دلیل استحکام، کارایی بالا و قابلیت‌های ارتباطی گسترده، در صنایع سنگین مانند خودروسازی، نفت و گاز و معدن بسیار محبوب می باشند.
• Schneider Electric: این شرکت فرانسوی، به عنوان وارث برند Modicon (مخترع اولین PLC)، جایگاه تاریخی و محکمی در این صنعت دارد. سری‌های مدرن Modicon M340 و M580 با تمرکز بر قابلیت‌های ارتباطی پیشرفته و امنیت سایبری، راه‌حل‌های قدرتمندی برای کاربردهای مختلف ارائه می‌دهند.
• Delta Electronics: این برند تایوانی به عنوان یک بازیگر هوشمند و رو به رشد در بازار شناخته می‌شود. PLC های دلتا، مانند سری‌های پرفروش DVP (برای کاربردهای ساده و اقتصادی) و سری AS (برای کاربردهای پیشرفته‌تر)، ترکیبی عالی از کارایی، کیفیت و قیمت رقابتی را ارائه می‌دهند. این ویژگی، آن‌ها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای بسیاری از ماشین‌سازان و پروژه‌های با بودجه محدود تبدیل کرده است.
• Mitsubishi Electric: این غول صنعتی ژاپنی با سری MELSEC خود، به ویژه در بازار آسیا، حضوری بسیار پررنگ دارد. PLC های این شرکت به دلیل کیفیت ساخت بالا و ابعاد فشرده، در صنعت ماشین‌سازی و اتوماسیون کامپکت بسیار محبوبیت دارند.

جمع‌بندی

در عصری که مفاهیمی مانند انقلاب صنعتی چهارم (Industry 4.0) و اینترنت اشیاء صنعتی (IIoT) در حال شکل دادن به آینده تولید و فناوری می باشند، PLCها نه تنها اهمیت خود را از دست نداده‌اند، بلکه به عنوان یکی از اجزای اصلی این تحول، نقشی حیاتی‌تر از همیشه ایفا می‌کنند. توانایی طراحی، برنامه‌نویسی، نصب و عیب‌یابی سیستم‌های مبتنی بر PLC، دیگر یک مزیت رقابتی برای یک مهندس برق، کنترل یا مکاترونیک محسوب نمی‌شود؛ بلکه یک مهارت بنیادی و ضروری است. برای آشنایی بیشتر با این رشته می‌توانید مقاله رشته مهندسی برق چیست؟ را مطالعه کنید.

تسلط بر این دانش، درهای ورود به صنایع پیشرو و نوین را به روی شما می‌گشاید و مسیری روشن برای پیشرفت شغلی و کسب درآمدهای بالا را هموار می‌سازد. برای آن دسته از دانشجویان و فارغ‌التحصیلان آینده‌نگری که به دنبال یک تخصص کاربردی و مورد تقاضا در بازار کار ایران و جهان می باشند، سرمایه‌گذاری هدفمند روی یادگیری PLC، یک انتخاب استراتژیک و هوشمندانه است. دوره‌های گروه آموزشی پارس پژوهان با بهره‌گیری از اساتید مجرب و تجهیزات سخت‌افزاری به‌روز، بستری ایده‌آل برای این سرمایه‌گذاری فراهم می‌آورد. با شرکت در دوره آموزش پی ال سی PLC S7-1200 یا دوره آموزش PLC دلتا، می‌توانید دانش آکادمیک خود را در محیطی عملی و پروژه‌محور به مهارتی ماندگار تبدیل کنید. 

نویسنده: علی بهرام همدانی، کارشناس ارشد فرآیند.