طراحی سیستم کنترل با PLC

مدارات داخلی PLC از بخش‌های مختلفی تشکیل شده‌اند که هر کدام نقش حیاتی در عملکرد سیستم دارند.

از منبع تغذیه گرفته تا ماژول‌های ورودی/خروجی و ارتباطی، همه به صورت هماهنگ کار می‌کنند تا کنترل دقیق فرآیندهای صنعتی امکان‌پذیر شود.

طراحی این مدارات باید با دقت بالا انجام شود تا در محیط‌های صنعتی با نویز و شرایط سخت، عملکرد پایدار داشته باشند .

منبع تغذیه (Power Supply)

وظیفه این بخش، تبدیل ولتاژ AC (مثلاً ۲۲۰V یا ۱۱۰V) به ولتاژ DC پایین (معمولاً ۵V، ۱۲V یا ۲۴V) برای تغذیه سایر بخش‌های PLC است.

مدارات داخلی منبع تغذیه:

• ترانسفورماتور کاهنده: ولتاژ AC ورودی را کاهش می‌دهد.

• پل دیود (Bridge Rectifier): ولتاژ AC را به DC تبدیل می‌کند.

• فیلتر خازنی: نوسانات ولتاژ را کاهش می‌دهد.

• رگولاتور ولتاژ (Voltage Regulator): ولتاژ خروجی را ثابت نگه می‌دارد (مثلاً ۵V برای CPU).

• محافظت‌های الکتریکی (Fuse, TVS Diode): از PLC در برابر نوسانات و اتصال کوتاه محافظت می‌کند.

واحد پردازش مرکزی (CPU)

CPU مغز اصلی PLC است و وظیفه اجرای برنامه کاربر، پردازش ورودی‌ها و تولید خروجی‌ها را بر عهده دارد.

مدارات داخلی CPU:

• میکروکنترلر/پردازنده (Microcontroller/Microprocessor): مانند ARM یا Intel x86.

• کریستال اسیلاتور (Crystal Oscillator): تولید کلاک برای پردازنده (مثلاً ۱۶MHz یا ۳۲MHz).

• مدار Reset: برای راه‌اندازی مجدد CPU در مواقع ضروری.

• مدار Watchdog Timer: در صورت هنگ کردن سیستم، CPU را ریست می‌کند.

حافظه (Memory)

حافظه PLC شامل سه بخش اصلی است:

1. حافظه برنامه (ROM/Flash): ذخیره‌سازی برنامه کاربر (Non-Volatile).

2. حافظه موقت (RAM): ذخیره‌سازی موقت داده‌ها در حین اجرا (Volatile).

3. حافظه EEPROM: ذخیره‌سازی پارامترهای سیستم.

مدارات مرتبط با حافظه:

• آدرس دهی حافظه (Address Decoder): انتخاب حافظه مورد نظر.

• باس داده و آدرس (Data & Address Bus): ارتباط بین CPU و حافظه.

ماژول ورودی (Input Module)

این ماژول سیگنال‌های سنسورها (مثل دیجیتال یا آنالوگ) را دریافت و به CPU منتقل می‌کند.

مدارات ماژول ورودی دیجیتال:

• مدار ایزولاسیون (Optocoupler): جداسازی الکتریکی بین ورودی و PLC.

• فیلتر نویز (RC Filter): حذف نویزهای الکتریکی.

• مدار Schmitt Trigger: جلوگیری از نوسانات کاذب.

مدارات ماژول ورودی آنالوگ:

• مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC): تبدیل سیگنال‌های آنالوگ به دیجیتال.

• تقویت‌کننده عملیاتی (Op-Amp): تقویت سیگنال‌های ضعیف.

ماژول خروجی (Output Module)

این ماژول سیگنال‌های پردازش‌شده توسط CPU را به رله، موتور یا سایر عملگرها ارسال می‌کند.

مدارات ماژول خروجی دیجیتال:

• رله (Relay): برای سوئیچینگ بارهای با جریان بالا.

• ترانزیستور (MOSFET/BJT): برای سوئیچینگ سریع (مثلاً در خروجی‌های ترانزیستوری).

• دیود هرزگرد (Flyback Diode): محافظت در برابر ولتاژ معکوس.

مدارات ماژول خروجی آنالوگ:

• مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC): تبدیل سیگنال دیجیتال به آنالوگ.

• تقویت‌کننده توان (Power Amplifier): تقویت سیگنال برای راه‌اندازی عملگرها

ماژول ارتباطی (Communication Module)

برای ارتباط PLC با دستگاه‌های دیگر مانند HMI، کامپیوتر یا سایر PLCها استفاده می‌شود.

مدارات ارتباطی:

• پورت RS-232/RS-485: برای ارتباط سریال.

• مدار Ethernet (PHY & MAC): برای ارتباط شبکه صنعتی.

• پروتکل‌های صنعتی (Modbus, Profibus): مدارات مربوط به ارتباطات صنعتی.

رابط برنامه‌نویسی (Programming Interface)

برای اتصال PLC به کامپیوتر و برنامه‌ریزی آن استفاده می‌شود.

مدارات برنامه‌نویسی:

• پورت USB/RS-232: برای اتصال به کامپیوتر.

• مدار تبدیل سطح ولتاژ (Level Shifter): تطبیق ولتاژ بین PLC و کامپیوتر.

PCB و طراحی برد PLC

• برد اصلی (Motherboard): شامل CPU، حافظه و ماژول‌های اصلی.

• بردهای جداگانه برای ورودی/خروجی: برای انعطاف‌پذیری بیشتر.

• تکنولوژی‌های مورد استفاده:

  • مدارهای مجتمع (IC): مانند میکروکنترلرها و ADC/DAC.

  • مدارهای محافظتی (TVS Diode, Fuse): برای جلوگیری از آسیب‌های الکتریکی.

  • تراکم بالا (High-Density PCB): برای کاهش ابعاد PLC.