plc step 7 زیمنس

مهرداد سبزواری

PLC یا کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی چیست؟

PLCها برای اولین بار در دهه 70 برای استفاده در صنعت اتومبيل سازی طراحی شد. در سال 1969 نخستين بار کنترلرهای MODICON با هدف جایگزینی رله های الكتریكی، به صنعت معرفی شدند. اما به دلیل مزایای بی شمار PLC، استفاده از آن به تدریج رایج شد و سازندگان متعددی نيز در این رشته به وجود آمدند. PLC به صورت کاملا ایمن، جهت استفاده در محيط های صنعتی با شرایط محيطی از جمله ارتعاش، نویز، حرارت و رطوبت ساخته شده است. در کشور ما نيز قبل از روی کار آمدن سيستم های اتوماسيون، وظيفه کنترل پروسه های صنعتی بر عهده مدارات فرمان بود که استفاده از این مدارها مشكلات زیادی را به همراه داشت. در ایران با پيدایش تكنولوژی اتوماسيون صنعتی، اغلب صنایع بزرگ از جمله پتروشيمی، گاز، نفت و نيروگاه ها مجهز به این تكنولوژی شد. در حال حاضر شرکت های زیادی در اکثر کشورهای توسعه یافته توليد کننده PLC و قطعات آن هستند. امكان تعریف مدهای مختلف برای ترمينال های ورودی و خروجی PLC ، این امكان را فراهم کرده تا بتوان آن ها را به طور مستقيم به المان های دیگر وصل کرد. قبل از این وظيفه PLC بر عهده مدارات فرمان رله ای بود که امروزه استفاده از آن ها در صنعت تقریبا منسوخ و قدیمی شده است. اولين اشكالی که در این مدارها وجود دارد این است که با افزایش تعداد رله ها، حجم و وزن مدار فرمان بسيار بزرگ شده، همچنين موجب افزایش قيمت آن می گردد. بنابراین برای رفع این اشكال مدارهای فرمان الكترونيكی ساخته شد. اما با تغيير در عملكرد ماشين، تغييرات بسياری در سخت افزار سيستم کنترل، داده می شود. با استفاده از PLC تغيير در روند و یا عملكرد ماشين بسیار آسان است، زیرا دیگر لازم نيست سيم کشی ها و سخت افزار سيستم کنترل تغيير کند، با نوشتن چند سطر برنامه و ارسال آن به PLC کار شما به سرعت انجام می شود. همان طور که می دانید، در طراحی تابلوهای فرمان در صورت نياز به تغيير در منطق کارکرد، باز و بسته کردن سيم ها و جا به جایی قطعات الكتریكی امكان ناپذیر است اما این عمل در PLC تنها با تغيير برنامه در نرم افزار صورت می گيرد.

مزایای PLC  نسبت به مدارات فرمان

در مدار فرمان با افزایش حجم تابلو، هزینه بالا جهت راه اندازی، استهلاك مكانيكی، نویز پذیری زیاد و همچنین عيب یابی سخت و دشوار رو به رو هستیم. اما  PLC ها باعث کاهش حجم مدار فرمان، کاهش مصرف انرژی، کاهش خرابی های مکانیکی و کاهش زمان عیب یابی می شوند. همچنین انعطاف پذیر بودن  و برنامه پذیر بودن PLC یکی از مهم ترین مزیت های آن است. از دیگر مزیت های آن  می توان به کاربرد به صورت منفرد یا مجتمع در شبكه، تغيير منطق کارکرد PLC در سریعترین زمان، سرعت و دقت بالا در کنترل پروسه های صنعتی، اجرای آزمایشی قبل از ارسال برنامه به کنترلر، دریافت و آشكار نمودن پيغام های خطا، قابليت اتصال به پنل های صنعتی و تجهيزات مانيتورینگ، HMI تحت شبكه در آوردن فرآیندهای مختلف کنترل از راه دور توسط - Modem 10 ،برنامه نویسی بسيار ساده برای کاربران -Modem 11، رنج وسيع مدل ها و ماژول های افزایشی، قابليت اتصال به رنج وسيعی از سيگنال های استاندارد دیجيتال و آنالوگ، قابليت اتصال به انواع درایوهای صنعتی و بردهای کنترلی اشاره کرد. به دلیل این مزایا، PLC کاربرد فراوانی در صنایع مختلف از جمله صنایع نفت و گاز، صنایع خودرو سازی، سيستم های حمل و نقل، سيستم های نگهداری از راه دور، پالایشگاه ها، کنترل ایستگاه های فرعی غير متمرکز، کوره های صنعتی، دستگاه های بسته بندی، ماشين آلات تزریق و پرس، ،ماشين آلات ریخته گری و ماشين آلات چاپ و کاغذ دارد.

انواع PLC

 کامپکت

این PLC ها ظاهری یكپارچه دارند.  به بیان ساده تر، تمامی واحدها و یا قسمت های بيان شده مانند ورودی، خروجی و CPU در یک مجموعه قرار گرفته اند. این مدل از PLC ها، قابليت توسعه ندارند و در پروژه های کوچک و متوسط مورد استفاده قرار می گيرند.

ماژولار کامپکت 

این گروه نيز دارای پایه کامپكت می باشد. تفاوت این گروه با گروه قبلی در این است که در این سری امكان افزایش ماژول های توسعه وجود دارد. در واقع در این گروه امكان ساپورت کردن تعداد بیشتری از I/O وجود دارد. از ماژولار کامپکت در پروژه های  کوچک و متوسط استفاده می کنند.

ماژولار 

  این PLC ها در صنعت کاربرد زیادی دارد. سرعت بالا، حجم زیاد حافظه و ساپورت تعداد بالای ورودی /خروجی از جمله ویژگی های ماژولار می باشد. لازم به ذکر است که تمامی واحدهای این سری به صورت کارت هایی مجزا است که ارتباط این کارت ها توسط کانكتورهای ارتباطی ایجاد می شود. به عبارت دیگر در این گروه، ماژول ها توسط کانكتور با یكدیگر و همچنین با CPU ارتباط دارند. ماژولار با توجه به ساپورت کردن تعداد زیاد I/O در پروژه های بزرگ استفاده می شود.

اجزای سخت افزای PLC

CPU در PLC

CPU به عنوان مغز PLC یكی از مهمترین اجزای آن و همچنین مرکز محاسبات و کنترل PLC است. CPU، دستورالعمل ها را پردازش و اجرا می کند. به طور کلی، وظيفه واحد پردازنده مرکزی، دریافت اطلاعات از ورودی، پردازش بر روی این اطلاعات مطابق برنامه موجود در حافظه و سپس، ارسال فرمان ها به خروجی می باشد. قدرت و سرعت پردازش در یک کنترل کننده بستگی به سرعت پردازش CPU دارد. برای استفاده از CPU باید دستورالعل های مناسبی به آن داده شود که این کار نيز با توجه به ساختار ماشين و پروسه- کنترلی، توسط کاربر وارد می شود. از سوی دیگر CPU باید اجزای سخت افزاری دیگر را در سيستم از جمله حافظه و I/O ها را هدایت کند. برای انجام این کار، ميان CPU و سایر اجزای آن، گذرگاه هایی به نام Bus وجود دارد. شایان ذکر است که CPU هوشمند نيست و نمی تواند به تنهایی تصميم بگيرد و از دستورالعمل هایی که توسط کاربر نوشته شده و در حافظه قرار گرفته است، تبعيت می کند

DIGITAL INPUT

از این قسمت، سيگنال های دیجيتال به PLC ارسال می شوند. این سيگنال ها می توانند توسط کليدها، ميكروسوئيچ ها و سنسورها ارسال شوند. در اکثر PLC های بزرگ سطح ولتاژ این سيگنال ها باید DC باشد و همچنین باید24 ولت باشد. این سیگنال ها، CPU را از اتفاقات محيط بیرونی، با خبر می کند. این اطلاعات به صورت دیجيتال و با سطوح استاندارد VDC 0-24 می باشد. وضعيت سيگنال های ورودی توسط LED هایی که در جلوی این ماژول ها نصب شده اند، قابل رویت است. ورودی ها می توانند بر روی برد اصلی CPU و یا در قالب یک ماژول به PLC متصل شوند.

DIGITAL OUTPUT

از این قسمت سيگنال ها به محرك ها و مصرف کننده های پروژه ارسال می شوند. این فرمان ها اغلب به صورت سيگنال های استاندارد VDC 24 یا 220 VAC می باشد. این فرمان ها می تواند به وسایلی نظير رله ها، کنتاکتورها، شيرها و لامپ های سيگنال منتقل شود.درایورهای خروجی این ماژول ها به صورت رله ای یا ترانزیستوری است. در واقع، ماژول های DO معمولاً به دو صورت رله ای و ترانزیستوری در دسترس است. در خروجی های رله ای امكان سوئيچ نمودن ولتاژ جریان بالا وجود دارد، ولی این نوع خروجی برای پروژه هایی که  قطع و وصل زیادی دارند، مناسب نیست. در واقع، این نوع خروجی ها دارای استهلاك مكانيكی بوده و توانایی انجام سوئيچ در فرکانس های بالا را ندارد. خروجی های ترانزیستوری نيز نوع دیگری از خروجی های دیجيتال می باشند که قابليت سوئيچينگ با فرکانس بالا در آن ها وجود دارد. نكته ای که در این نوع خروجی باید به آن توجه نمود، این است که در این نوع خروجی امكان سوئيچ نمودن ولتاژ و جریان بالا وجود ندارد. بیشترین جریان مجاز در خروجی های ترانزیستوری معمولاً در حد ميلی آمپر( 500 ميلی آمپر) و در خروجی های رله ای در حد چند آمپر می باشد. در ضمن، سطح ولتاژ نيز در خروجی های ترانزیستوری معمولاً VDC 24 و در خروجی های رله ای می تواند هم به صورت DC و هم به صورت (AC) 220VAC باشد.

ANALOG INPUT

در پروسه های صنعتی کميت هایی مانند دما، وزن، فشار به عنوان کميت های آنالوگ به حساب می آیند. برای اندازه گيری این کميت ها از وسایلی مانند ترموکوپل، لودسل، ترمومتر استفاده می کنيم. کميت های آنالوگ به صورت پيوسته می باشند و نمی توان آن ها را توسط ورودی های دیجيتال اندازه گيری نمود. برای اندازه گيری این کميت ها در صنعت از ورودی های آنالوگ استفاده می شود. این نوع ورودی ها در واقع، سطح سيگنال آنالوگ را به دیجيتال تبدیل مي نمایند. سطوح استاندارد برای ورودی های آنالوگ عبارتند از: 0-20mA /4-20mA / -2.5 _ +2.5 / 0-5V / 0-10V

کارت های ورودی آنالوگ دارای سخت افزار لازم برای تبدیل سيگنال آنالوگ ولتاژ و جریان به مقدار عددی می باشند. در این کارت ها مبدل A/D به كار رفته است. ماژول های آنالوگ سيگنال های پيوسته دریافتی از فرآیند را به منظور پردازش داخلی در CPU به سيگنال های دیجيتال تبدیل مي نمایند. اکثر ماژول های آنالوگ مجهز به یک DIP Switch برای تعيين نوع و بازه سيگنال می باشند. همچنين، کارت های آنالوگ در PLC های مختلف دارای دقت های متفاوتی می باشند. به عنوان مثال، یک ماژول AI دارای 4 کانال با دقت 12 بيت و کارت دیگر با دقت 15 بيت می باشد. در واقع، منظور از دقت یک کارت قدرت تفكيک آن است.

ANALOG OUTPUT

برای ارسال سيگنال آنالوگ از PLC به سطح پروسه از خروجی های آنالوگ استفاده می شود. این خروجی ها در حقيقت سطح سيگنال داخلی PLC که یک سيگنال دیجيتال است به سيگنال آنالوگ تبدیل می کنند.

سطوح سيگنال خروجی عبارتند از:4-20mA , 0-10VDC , 0-5VDC

تعدادی از شيرها در صنعت، می توانند به خروجی آنالوگ PLC متصل شوند. با استفاده از شير کنترل قادر خواهيم بود تا مسير عبور مواد را از 0 تا 100 درصد در جهت نياز، باز و یا بسته کنیم. برخی از این شيرها دارای آمپلی فایر بوده و سيگنال تحریک به برد الكترونيكی آمپلی فایر ارسال می شود.

همچنين، در بسياری از پروژه های صنعتی از سيگنال خروجی کارت آنالوگ به عنوان منبع فرمان در ورودی اینورترها استفاده می شود. در این صورت PLC با اعمال سيگنال آنالوگ به ورودی درایو می تواند عمليات کنترل سرعت را بر عهده گيرد. در کارت های خروجی آنالوگ از مبدل های D/A استفاده شده است که یک عدد دیجيتال را به ولتاژ یا جریان تبدیل می کند.

POWER SUPPLY

برای تامين تغذیه 24VDC در PLC S5 با توجه با ساختار، می توان از منابع تغذیه تيپ S5 و یا هر منبع تغذیه دیگر استفاده نمود. تغذیه 24VDC می تواند به عنوان تغذیه پاور PLC، خروجی های دیجيتال و تغذیه ماژول های افزایشی مورد استفاده قرار گيرد. اگر به منبع تغذیه با آمپر بالا نياز باشد، می توان از منابع تغذیه SITOP زیمنس استفاده نمود

INTERFACE MODULE (IM)

اگر در فرآیندهای صنعتی تعداد I/O های سيستم گسترش یابند، نصب کليه ماژول ها در یک رك امكان پذیر نيست. در چنين مواردی لازم است تعداد رك ها گسترش یابند. مبادله اطلاعات به اين رك اصلی و رك های اضافی از طریق ماژول های IM صورت می گيرد. رك اصلی را با CR یا CU و رك های توسعه یافته را نيز با ER و یا EU نشان می دهند

FM)Function Module)

کارت های تابعی می توانند عمليات هایی از جمله عملیات شمارش، مقایسه و زمان سنجی را مستقل از CPU انجام دهند.

CP ( Communication Module )

 CPU توسط این ماژول ها می تواند به شبكه های مختلف متصل شود. در واقع این ماژول ها، کارت های شبكه برای CPU محسوب می شوند.

 معرفی نرم افزار STEP 7 

نرم افزار STEP7 در سال 1995 به عنوان جایگزین STEP 5 در بخش برنامه نویسی کنترل کننده های منطقی خانواده زیمنس ارائه شد. ویندوز 3.1 اولین سیستم عاملی بود که این نرم افزار تحت آن شروع به کار کرد. پس از این تاریخ نحوه برنامه نویسی  PLC ها توسط نرم افزار  STEP 7 تبدیل به نوعی استاندارد در کشور آلمان و در دیگر کشورها شد. در سال 1998 شرکت زیمنس نسخه جدید این نرم افزار را تحت سیستم عامل ویندوز 95 ارائه داد و در سال 2003 با اضافه کردن بخش های بیشتر در برنامه نویسی و کنترل کننده نسخه ویندوز 98 ارائه شد. روند رو به رشد این نرم افزار و آپگریدهای بخش های مختلف آن در اکتبر سال 2006 منجر به ورود نسخه جدید آن تحت سیستم عامل ویندوز XP گردید که این روند و تغییرات در نرم افزار STEP 7  تحت مدیریت و نظارت بخش فنی، مهندسی و همچنین بخش توسعه دهندگان AG  شرکت زیمنس تا فوریه سال 2016 ادامه داشت و در پایان، نسخه نهایی این نرم افزار در نسخه ویندوز 10، ارائه شد.

نحوه نصب نرم افزار STEP7

نرم افزار STEP7 را نصب کرده و کلیدهای مجوز را به دیسک سخت انتقال دهید. (در دفترچه راهنما، قسمت های مراحل نصب نرم افزار STEP 7 را مشاهده کنید.) قبل از شروع کار با نرم افزار STEP 7، برنامه ریزی کنترل کننده را انجام دهید. سپس برنامه ریزی اتوماسیون، که شامل تقسیم فرایند به انجام تک تک وظایف فردی برای ایجاد یک نمودار تنظیمات است، برنامه ریزی و تنظیم کنید.طراحی ساختار برنامه و وظایف توصیف شده در پیش نویس طراحی کنترل کننده خود را با استفاده از بلوک های موجود در مرحله هفتم به ساختار برنامه تبدیل کنید. نرم افزارSTEP 7 را با استفاده از رابط کاربر ویندوز آغاز کنید. یک ساختار پروژه را ایجاد کنید و دقت کنید که یک پروژه مانند پوشه ای است که تمام داده ها در یک ساختار سلسله مراتبی ذخیره می شوند که در هر زمان در دسترس شما هستند. پس از این که یک پروژه ایجاد کردید، تمام وظایف دیگر در این پروژه اجرا می شود.حال نوبت به انجام پیکربندی یک ایستگاه می رسد که برای این کار هنگامی که شما ایستگاه را پیکربندی می کنید، کنترل کننده برنامه نویسی را که می خواهید استفاده کنید تعیین می کنید. به عنوان مثال، SIMATIC 300، SIMATIC 400 بعد از مرحله پیکربندی ایستگاه، نوبت به پیکربندی سخت افزار می رسد و زمانی که شما سخت افزاری را که در یک جدول پیکر بندی، مشخص کنید و سپس آن را پیکر بندی کنید. به طور مثال باید مشخص کنید که کدام ماژول ها، برای نحوه اجرای اتوماسیون مشخص شده از جانب شما استفاده شود و  یا کدام آدرس ها برای دسترسی به ماژول ها از برنامه کاربر استفاده کند. کاربرد انواع ماژول ها می تواند با استفاده از پارامترهای تعیین شده در دفترچه راهنما مشخص و تغییر یابد. مرحله بعد پیکربندی شبکه ها و ارتباط بین ارتباطات پایه و ارتباطات یک شبکه از پیش پیکربندی شده است. برای این منظور، شما باید زیر شبکه های مورد نیاز برای شبکه های اتوماسیون خود را ایجاد کنید، خواص زیر شبکه، خواص اتصال شبکه و همچنین هر اتصال ارتباطی مورد نیاز برای ایستگاه های شبکه را تنظیم کنید. در این بخش نیز مراجعه به دفترچه راهنما و بررسی امکانات و گزینه های موجود بسیار ضروری و لازم است. در تعریف نمادها شما می توانید نمادهای محلی یا مشترک که دارای نام های توصیفی بیشتری هستند، در یک جدول نماد تعریف کنید تا به جای آدرس های مطلق در برنامه کاربری خود استفاده شود.

 معرفی بخش هایی از نرم افزار STEP 7 

انواع بلاک ها:

بلاک ها فضایی هستند که می توان در آن برنامه نویسی کرد و یا اطلاعاتی را ذخیره کرد. برخی از بلاک ها قبلا ذخیره سازی شده و در سیستم عامل CPU قرار دارند و برخی دیگر را باید کاربر ایجاد نماید. به طور کلی انواع بلاک های موجود در S7 عبارتند از بلاک های برنامه نویسی (OB, FC, FB)، بلاک های سیستمی (SFC, SFB, SDB) و بلاک های ذخیره اطلاعات (DB, UDT).

بلاک های برنامه نویسی :

این بلاک ها که به Code Block معروف هستند به منظور برنامه نویسی استفاده می شوند. انواع این بلاک ها عبارتند از:

OB (Organization Block) بلاک سازمانی بوده و مدیریت آن توسط CPU انجام می پذیرد. OB ها خود دارای انواع مختلفی می باشند که هر یک از آن ها وظیفه خاصی بر عهده دارد. در این بین OB1 به عنوان بلاک اصلی CPU شناخته می شود و برنامه اصلی کاربر در آن نوشته می شود.

FC (Function) به معنی فانکشن بوده و می توان بخش های مختلف برنامه را در آن نوشت. استفاده از FC باعث ایجاد نظم در برنامه نویسی می شود. همچنین در صورت وجود بخش های تکراری در برنامه، می توان بخش های تکراری را یک بار در FC برنامه نویسی نمود و به دفعات دلخواه از آن استفاده نمود. در صورت استفاده از FC باید آن را در OB1 یا در بلاک دیگری که در OB1 فرا خوانی شده است، فرا خوانی نمود.

FB (Function Block) به معنی فانکشن بلاک بوده و کاربرد آن مشابه FC است. البته باید توجه نمود که FB برخلاف FC دارای حافظه می باشد.

بلاک های سیستمی :

بلاک های سیستمی خود به سه گروه تقسیم بندی می شوند:

SFC (System Function) این نوع بلاک از جمله بلاک های سیستمی CPU محسوب می شود که از قبل برنامه نویسی شده و از محیط کتابخانه نرم افزارSTEP 7  قابل دسترسی می باشد. SFC ها برای انجام وظایف خاص طراحی شده و  انواع مختلفی دارند که از آن ها می توان در برنامه نویسی استفاده کرد. لازم به ذکر است که SFC مانند FC فاقد حافظه می باشد.

 SFB (System Function Block) این بلاک ها نیز مشابه SFC ها از جمله بلاک های سیستمی CPU محسوب شده که علاوه بر تنوع، کاربرد های مختلفی نیز دارند. SFB ها مانند FB دارای حافظه می باشند. 

SDB (System Data Block) این بلاک ها به منظور ذخیره سازی تنظیمات سیستم و اطلاعات ماژول ها، مثل اطلاعات مربوط به پیکربندی سخت افزار، شبکه  می باشند. در هنگام Compile تنظیمات پیکربندی، این بلاک ها به طور اتوماتیک توسط سیستم تولید شده و امکان ویرایش آن ها، توسط کاربر وجود ندارد.

بلاک های ذخیره سازی اطلاعات

این بلاک ها صرفا به منظور ذخیره سازی اطلاعات استفاده شده و در آن ها امکان برنامه نویسی وجود ندارد. انواع این بلاک ها عبارتند از:

DB: به معنی دیتا بلاک است و برای ذخیره سازی نتایج پایانی برنامه ها و اطلاعات مورد نظر استفاده می شود.

UDT: این بلاک همراه با DB به کار می رود و در آن می توان الگوی مورد نظر برای ایجاد متغیرها را تعریف کرد و در چند DB مخالف از آن استفاده نمود.

 کتابخانه نرم افزار STEP 7

پیش از این به کتابخانه های زبان برنامه نویسی پرداختیم. در ادامه به معرفی کتابخانه نرم افزار STEP7 می پردازیم.  

کتابخانه BIT LOGIC : همانطور که از اسمش پیداست مخصوص دستورات و بیت های منطقی است. 

کتابخانه COMPRATOR: که وظیفه مقایسه دو یا چند رجیستر را دارد 

کتابخانه CONVERTOR: مربوط به کانورت و تبدیل رجیسترهاست

کتابخانه COUNTER: کتابخانه شمارشگرها که شمارشگرها در آن قرار دارند

DB CALL: مخصوص صدا زدن DB های ذخیره اطلاعات هستند 

کتابخانه JUMP: که مخصوص دستورات پرس و گذر است 

کتابخانه -INTEGER FUNCTION :مخصوص عملیات ریاضی روی رجیستر های انتیجر

کتابخانه FLOATING POINT: مخصوص عملیات ریاضی روی رجیستر های فلوت 32 بیتی

دستور MOVE: مخصوص انتقال اطلاعات از بخشی به بخش دیگر است 

کتابخانه PROGRAM CONTROL: مخصوص کنترل برنامه است 

کتابخانه SHIFT/ROTATE: مخصوص شیفت و چرخش رجیسترهاست 

کتابخانه STATUS BIT :که شرایط BIT را بررسی و گزارش میکند

کتابخانه TIMERS:کتابخانه زمان سنج های مختلف از نوع های مختلف

کتابخانه WORD LOGIC :که مخصوص عملیات و تبدیل بیت های ورد می باشد. 

در پایان برای تسلط کافی و همچنین یادگیری نرم افزار STEP7، به شما آموزش نرم افزار STEP7 پیشنهاد می شود.