اتوماسیون صنعتی فرایندهای تولید را در سراسر جهان متحول کرده است و در مرکز این انقلاب، کنترلرهای منطقی برنامه‌پذیر (PLCs) قرار دارند. این رایانه‌های صنعتی قدرتمند به ستون فقرات سیستم‌های مدرن اتوماسیون تبدیل شده‌اند و همه چیز را از نوار نقاله‌های ساده گرفته تا خطوط پیچیده مونتاژ خودرو کنترل می‌کنند. با ورود به سال ۲۰۲۴، درک برنامه‌نویسی PLC برای مهندسان، تکنسین‌ها و متخصصان اتوماسیون که به دنبال پیشرفت در حوزه اتوماسیون صنعتی هستند، به یک ضرورت تبدیل شده است.
برنامه نویسی اتوماسیون صنعتی با PLC
کنترلر منطقی برنامه‌پذیر (PLC) یک کنترلر یا کامپیوتر صنعتی است که به‌طور ویژه برای کنترل فرایندهای اتوماسیون یا خودکار در محیط‌های سخت طراحی شده است. PLC عمدتاً برای مدیریت ورودی‌ها و خروجی‌های متعدد ساخته شده و قادر است دماهای بسیار بالا یا پایین را تحمل کند و در برابر لرزش و ضربه مقاوم باشد. برخلاف رایانه‌های معمولی، PLCها برای عملکرد قابل‌اعتماد در شرایط سخت صنعتی طراحی شده‌اند و می‌توانند سیگنال‌های کنترل را با دقت میکروثانیه‌ای پردازش کنند.
PLCها با جایگزین‌کردن تابلوهای کنترلی پیچیده مبتنی بر رله با راهکارهای قابل‌برنامه‌ریزی، صنعت کنترل را متحول کردند. این تغییر باعث شد تولیدکنندگان بتوانند منطق کنترلی را بدون نیاز به سیم‌کشی مجدد کل تابلو برق به‌راحتی تغییر دهند که این موضوع به‌طور چشمگیری زمان توقف و هزینه‌های تعمیر و نگهداری را کاهش داد.
برنامه نویسی PLC
صنعت PLC در حال تجربه رشدی بی‌سابقه است که توسط ابتکارات تحول دیجیتال هدایت می‌شود. اندازه بازار جهانی کنترلرهای منطقی برنامه‌پذیر در سال ۲۰۲۴ حدود ۱۱.۷ میلیارد دلار برآورد شده است و پیش‌بینی می‌شود با نرخ رشد سالانه مرکب ۱۰.۴٪ افزایش یابد و تا سال ۲۰۳۴ به ۳۱.۴ میلیارد دلار برسد. این رشد چشمگیر نشان‌دهنده افزایش استفاده از فناوری‌های صنعت ۴.۰ و همچنین افزایش تقاضا برای خودروهای الکتریکی است که به سیستم‌های اتوماسیون پیشرفته نیاز دارند.
روند حرکت به سمت کارخانه‌های هوشمند، ربات‌ها و کنترلرهای مبتنی بر فضای ابری رو به افزایش است، که نشان می‌دهد PLCهای مدرن فراتر از عملکردهای کنترلی سنتی تکامل یافته‌اند و اکنون به اجزای اساسی اکوسیستم‌های صنعتی به‌هم‌پیوسته تبدیل شده‌اند.
پنج زبان برنامه‌نویسی PLC که در استاندارد IEC تعریف شده‌اند شامل: لدر لاجیک (Ladder Logic)، متن ساختاریافته (Structured Text)، نمودار بلوک عملکردی (Function Block Diagram)، نمودار توالی عملکرد (Sequential Function Chart) و لیست دستورالعمل (Instruction List) هستند. هر زبان برای اهداف خاصی طراحی شده و بسته به نیاز کاربرد، مزایای منحصربه‌فردی ارائه می‌دهد.
لدر لاجیک پرکاربردترین زبان برنامه‌نویسی PLC در سراسر جهان است. این زبان برای افرادی که آشنایی دائمی با برنامه‌نویسی PLC ندارند نیز ساده و قابل‌درک است. این زبان گرافیکی شبیه مدارهای رله‌ای الکتریکی است و آن را برای تکنسین‌ها و برق‌کاران بسیار شهودی می‌کند.
بهترین کاربردها: کنترل موتورها، سیستم‌های اینترلاک، توالی‌های ساده اتوماسیون، و مدارهای ایمنی.
Structured Text یک زبان برنامه‌نویسی PLC است که شباهت زیادی به زبان‌های C یا اسمبلی دارد. کاربر خطوط کد را وارد می‌کند که به‌صورت ترتیبی اجرا می‌شوند، توابع مشخصی را ارزیابی می‌کنند، بررسی‌های بولین(Boolean) انجام می‌دهند و خروجی‌های مناسب PLC را فعال می‌کنند. این زبان مبتنی بر متن، قابلیت‌های برتری برای انجام وظایف برنامه‌نویسی پیچیده ارائه می‌دهد.
مزایای Structured Text:
بهترین کاربردها: پردازش داده‌ها، محاسبات ریاضی، الگوریتم‌های پیچیده و پروتکل‌های ارتباطی.
Function Block Diagram یا FBD، یک زبان برنامه‌نویسی گرافیکی سطح بالا است. FBD معمولاً در صنعت فرآیندها استفاده می‌شود زیرا ظاهر آن شبیه به P&IDها است که نحوه چیدمان تجهیزات فرآیندی را تعریف می‌کنند. این ویژگی آن را برای کاربردهای کنترل فرآیند بسیار ارزشمند می‌سازد.
SFC در مدل‌سازی فرآیندهای ترتیبی و ماشین‌های حالت است. SFC برای فرآیندهای چند حالتی پیچیده، فرآیندهای مرتبط، زمانی که چندین فرآیند باید به‌صورت موازی یا متوالی اجرا شوند، و تولید دسته‌ای(Batch) ایده‌آل است.
یکی از مهم‌ترین روندها در برنامه‌نویسی PLC، یکپارچگی با فناوری‌های IoT است. PLCهای مجهز به IoT می‌توانند به شبکه‌ای از دستگاه‌ها و سنسورها متصل شوند و امکان جمع‌آوری و تحلیل داده‌ها به‌صورت زمان واقعی را فراهم کنند. این اتصال، نگهداری پیش‌بینی‌شده، نظارت از راه دور و بهینه‌سازی فرآیندهای صنعتی را ممکن می‌سازد.
برنامه‌نویسی پیشرفته PLC می‌تواند معانی متعددی داشته باشد. PLCها را می‌توان از راه‌های مختلفی بهبود داد که هر روش هدف خاصی دارد و بخشی از عملکرد را ارتقا می‌بخشد. رویکردهای مدرن شامل موارد زیر است:
یکپارچگی هوش مصنوعی و یادگیری ماشین
هوش مصنوعی و یادگیری ماشین قرار است برنامه‌نویسی PLC را متحول کنند. با ترکیب الگوریتم‌های هوش مصنوعی، PLCها می‌توانند تصمیمات آگاهانه‌تری بر اساس تشخیص الگو و تحلیل‌های پیش‌بینی‌کننده اتخاذ کنند. این تحول، امکان ایجاد سیستم‌های خودبهینه‌کننده و قابلیت‌های نگهداری پیش‌بینی‌شده را فراهم می‌کند.
هوش مصنوعی در اتوماسیون صنعتی
افزایش تقاضا برای خودروهای الکتریکی باعث رشد قابل توجه بازار PLC شده است، به‌ویژه در صنعت خودروسازی، زیرا سیستم‌های مبتنی بر PLC برای اتوماسیون فرآیندهای تولید خودروهای الکتریکی حیاتی هستند. PLCها خطوط مونتاژ، سیستم‌های رباتیک و فرآیندهای کنترل کیفیت در تولید خودرو را مدیریت می‌کنند.
PLC در صنعت نفت، گاز و پتروشیمی باعث کنترل دقیق و پایدار فرایندهای حساس مثل دما، فشار و دبی می‌شود. همچنین به‌کمک سیستم‌های interlock و shutdown اتوماتیک، ایمنی تجهیزات و کارکنان را بالا می‌برد و از بروز شرایط خطرناک جلوگیری می‌کند. علاوه بر این، امکان پایش مداوم، تشخیص سریع خطا و انجام نگهداری پیشگیرانه را فراهم می‌کند و در نتیجه توقفات اضطراری را کاهش می‌دهد.
PLC در معدن و فولاد، کنترل پایدار تجهیزات سنگین و فرایندهایی مانند خردایش، انتقال مواد و کوره‌ها را فراهم می‌کند. با اجرای سیستم‌های حفاظتی و توقف اضطراری، ایمنی کارگران و تجهیزات را افزایش می‌دهد و از بروز حوادث جلوگیری می‌کند. همچنین با پایش لحظه‌ای وضعیت ماشین‌آلات، امکان تشخیص به‌موقع خرابی‌ها و کاهش زمان توقف تولید را ایجاد می‌کند.
صنعت انرژی و خدمات عمومی در سال ۲۰۲۴ معادل ۱.۴ میلیارد دلار برآورد شده است. افزایش ابتکارات دولتی برای توسعه شبکه‌های هوشمند و منابع انرژی تجدیدپذیر، تقاضا برای بازار PLC را افزایش می‌دهد. PLCها مدیریت تولید انرژی، سیستم‌های توزیع و یکپارچه‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر را بر عهده دارند.
پیش‌بینی می‌شود صنعت غذا و نوشیدنی تا سال ۲۰۳۴ به ۱.۷ میلیارد دلار برسد. افزایش تقاضای مصرف‌کنندگان برای غذاهای آماده و بسته‌بندی‌شده، نیاز به PLCها را تقویت می‌کند، زیرا PLCها اجزای حیاتی برای اتوماسیون خطوط تولید هستند.
پیش‌بینی می‌شود صنعت بهداشت با نرخ رشد سالانه مرکب ۱۲.۴٪ در دوره پیش‌بینی رشد کند. تولید تجهیزات جراحی و تشخیصی نیازمند دقت بالا و مونتاژ خودکار است که برای حفظ ثبات و دقت به سیستم PLC متکی است.
برنامه‌نویسی اتوماسیون صنعتی با شناسایی چالش ها آغاز می‌شود، سپس یک توالی عملیاتی بر اساس منطق دودویی ایجاد می‌گردد، برنامه با استفاده از یک زبان وارد می‌شود و در نرم‌افزار شبیه‌سازی می‌گردد. موفقیت با برنامه‌ریزی دقیق و تعریف روشن نیازمندی‌های سیستم آغاز می‌شود.
با افزایش اتصال PLCها، امنیت به یکی از نگرانی‌های اصلی تبدیل می‌شود. آینده برنامه‌نویسی PLC شامل تمرکز بیشتر بر امنیت سایبری برای محافظت در برابر تهدیدات و آسیب‌پذیری‌ها است. سیستم‌های مدرن PLC باید پروتکل‌های امنیتی قدرتمندی را پیاده‌سازی کنند، از جمله رمزگذاری، ارتباطات ایمن و به‌روزرسانی‌های منظم نرم‌افزار.
محاسبات لبه همراه با PLCها، پردازش داده‌ها را با امکان تحلیل و تصمیم‌گیری محلی بازتعریف می‌کند و انتقال داده‌ها به سرورهای مرکزی را کاهش می‌دهد. این روش زمان پاسخ‌دهی را بهبود می‌بخشد و نیاز به پهنای باند را کاهش می‌دهد.
یکپارچگی فناوری PLC با شبکه‌های ۵G، مسیر امیدوارکننده‌ای برای بهبود فرآیندهای اتوماسیون صنعتی ارائه می‌دهد. تأخیر فوق‌العاده کم و اتصال پرسرعت، کاربردهای جدیدی در کنترل از راه دور و نظارت بلادرنگ ایجاد می‌کند.
یکپارچگی محاسبات ابری با فناوری PLC، فرصت‌های جدیدی برای بهبود دسترسی به داده‌ها و مقیاس‌پذیری در سیستم‌های اتوماسیون صنعتی فراهم می‌کند. تحلیل‌ها و ذخیره‌سازی مبتنی بر ابر، بینش بی‌سابقه‌ای از عملکرد سیستم ارائه می‌دهد.
انتخاب زبان یا زبان‌هایی که استفاده می‌شوند به برنامه کاربردی خاص و بهترین روش برای پیاده‌سازی منطق در PLC بستگی دارد. این عوامل را در نظر بگیرید:
برنامه‌نویسی PLC پایه و اساس اتوماسیون صنعتی مدرن را شکل می‌دهد و پیش‌بینی می‌شود که بازار جهانی تا سال ۲۰۳۴ تقریباً سه برابر شود. تحول از جایگزینی ساده رله‌ها به سیستم‌های متصل به IoT و پیشرفته با هوش مصنوعی، فرصت‌های شغلی هیجان‌انگیزی برای حرفه‌ای‌های اتوماسیون ایجاد می‌کند.
چه با Ladder Logic پایه شروع کنید و چه به برنامه‌نویسی پیشرفته Structured Text بپردازید، تسلط بر مهارت‌های PLC شما را برای موفقیت در تولید هوشمند و کاربردهای Industry 4.0 آماده می‌کند.
