جایگاه PLC در کنترل سیستم پنوماتیک
در ماشین آلات صنعتی مدرن، PLC به عنوان واحد کنترل مرکزی وظیفه مدیریت و هماهنگی بخش های مختلف سیستم را بر عهده دارد. این کنترل کننده اطلاعات مورد نیاز را از تجهیزاتی مانند شستی ها، کلیدها، سنسورها و تجهیزات اندازه گیری دریافت می کند و پس از پردازش داده ها، فرمان های لازم را برای اجرای فرآیندهای مختلف صادر می کند. درواقع PLC مغز سیستم اتوماسیون محسوب می شود و تعیین می کند که هر بخش از ماشین در چه زمانی و با چه ترتیبی فعالیت خود را آغاز یا متوقف کند.
یکی از وظایف مهم PLC، هماهنگ کردن حرکت عملگرهای مختلف مانند جک پنوماتیک است. برای مثال، در یک خط تولید ممکن است لازم باشد ابتدا قطعه ای جا به جا شود، سپس عملیات پرس انجام شود و در نهایت محصول به مرحله بعد منتقل شود. PLC با پردازش اطلاعات ورودی و اجرای توالی های از پیش تعیین شده، این عملیات را با دقت و سرعت بالا کنترل می کند. در حقیقت، PLC به تنهایی باعث ایجاد حرکت نمی شود، بلکه با مدیریت تجهیزات الکتریکی و پنوماتیکی، شرایط لازم برای اجرای فرآیندهای مکانیکی را فراهم می کند.
نحوه کار سیستم پنوماتیک
استفاده از سیستم های پنوماتیکی، یکی از رایج ترین روش های ایجاد حرکت در صنایع است. در این سیستم ها، انرژی موردنیاز از طریق هوای فشرده تأمین می شود و تجهیزات مختلفی مانند کمپرسور، واحد مراقبت، شیرهای کنترلی و سیلندرها در کنار یکدیگر قرار می گیرند تا حرکت موردنظر را ایجاد کنند.
هوای فشرده ابتدا توسط کمپرسور تولید شده و پس از عبور از تجهیزات آماده سازی هوا، وارد مدار پنوماتیک می شود. این انرژی در نهایت توسط عملگرهایی مانند سیلندرهای پنوماتیکی به حرکت خطی یا دورانی تبدیل می شود. استفاده از هوای فشرده باعث شده است که سیستم های پنوماتیکی نسبت به بسیاری از سامانه های مکانیکی ساختار ساده تر، سرعت بیشتر و هزینه نگهداری کمتری داشته باشند.
در صنایع بسته بندی، مونتاژ، خودروسازی، صنایع غذایی و تجهیزات انتقال مواد، پنوماتیک نقش مهمی در جا به جایی قطعات و اجرای عملیات مختلف ایفا می کند. برای مثال، در یک دستگاه بسته بندی ممکن است سیلندرهای پنوماتیکی وظیفه هدایت محصول، ثابت نگه داشتن قطعات یا انجام عملیات پرس را بر عهده داشته باشند.
فرمان PLC چگونه به سیستم پنوماتیک می رسد؟
پس از پردازش اطلاعات ورودی و اجرای منطق برنامه، PLC باید نتیجه تصمیم خود را به بخش اجرایی ماشین منتقل کند. این وظیفه از طریق خروجی های PLC انجام می شود. خروجی ها نقطه اتصال میان بخش کنترل و تجهیزات خارجی هستند و بسته به نوع کاربرد، می توانند بهصورت رله ای یا ترانزیستوری طراحی شوند. انتخاب نوع خروجی مناسب اهمیت زیادی دارد، زیرا ولتاژ کاری، جریان مصرفی و سرعت پاسخ تجهیزات مختلف با یکدیگر متفاوت است. به همین دلیل، طراحی صحیح بخش خروجی نقش مهمی در عملکرد سیستم های اتوماسیون دارد. در حقیقت، خروجی PLC آغازگر زنجیره ای از فرایندها است که از بخش کنترل شروع شده و پس از عبور از تجهیزات الکتریکی و پنوماتیکی، به حرکت سیلندرها و اجرای عملیات مکانیکی در ماشین آلات صنعتی منتهی می شود. درک نحوه کار این زنجیره، وابسته به آشنایی با شیرهای برقی و نحوه کار آن ها و در نهایت چک های پنوماتیک است.
ساختار شیر برقی پنوماتیکی
پیش از اینکه ببینیم شیر برقی چه وظیفه ای دارد، باید با بخش های مختلف آن آشنا شویم. ساختمان یک شیر برقی پنوماتیک معمولاً از بخش های مختلفی مانند بوبین ، هسته متحرک ، اسپول ، بدنه و پورت های ورودی و خروجی تشکیل شده است. یکی از رایج ترین شیرهای مورد استفاده در صنایع، شیر برقی ۵/۲ است که معمولاً برای کنترل سیلندرهای دوطرفه به کار می رود. در این نام گذاری، عدد ۵ نشان دهنده تعداد پورت های شیر و عدد ۲ بیانگر تعداد وضعیت های کاری آن است. این پنج پورت شامل یک ورودی هوای فشرده، دو پورت متصل به سیلندر و دو پورت تخلیه هستند. با تغییر وضعیت شیر، هوای فشرده به یکی از دو سمت سیلندر هدایت شده و هم زمان هوای سمت مقابل تخلیه می شود.
علاوه بر شیرهای ۵/۲، انواع دیگری مانند شیرهای ۳/۲، ۵/۳ و ۲/۲ نیز در سیستم های پنوماتیکی استفاده می شوند که هرکدام برای کاربردهای خاصی طراحی شده اند. برای مثال، شیرهای ۳/۲ بیشتر در کنترل سیلندرهای یک طرفه و شیرهای ۵/۳ در کاربردهایی که نیاز به توقف سیلندر در موقعیت میانی وجود دارد، استفاده می شوند.
وظیفه شیر برقی در تبدیل برنامه PLC به حرکت
فرآیند تبدیل فرمان معمولاً از خروجی PLC آغاز می شود. پس از آنکه شرایط تعریف شده در برنامه برقرار شد، PLC یکی از خروجی های خود را فعال می کند. این خروجی سیگنال لازم را به بوبین شیر برقی ارسال کند. با اعمال ولتاژ به بوبین، میدان مغناطیسی ایجاد می شود و مکانیزم داخلی شیر تغییر وضعیت می دهد. در نتیجه، مسیر عبور هوای فشرده در داخل شیر تغییر کرده و هوا به سمت بخش موردنظر مدار پنوماتیک هدایت می شود.
این تغییر مسیر، نقطه ای است که در آن فرمان الکتریکی به یک فرمان پنوماتیکی تبدیل می شود. هوای فشرده پس از عبور از شیر برقی، وارد محفظه سیلندر شده و با اعمال فشار به پیستون، نیروی لازم برای حرکت را فراهم می کند. جهت حرکت سیلندر، سرعت جا به جایی و ترتیب عملکرد عملگرها همگی به نحوه کنترل جریان هوا توسط شیرهای پنوماتیکی وابسته هستند.
در بسیاری از ماشین آلات صنعتی، این فرآیند تنها یک بار اتفاق نمی افتد، بلکه به صورت مداوم و در قالب صدها یا هزاران سیکل کاری تکرار می شود. به همین دلیل، انتخاب صحیح تجهیزات واسط، ولتاژ بوبین، زمان پاسخ شیر و ظرفیت عبور هوا تأثیر مستقیمی بر عملکرد نهایی سیستم دارد.
حرکت دادن جک پنوماتیک توسط هوای فشرده
سیلندر پنوماتیک آخرین بخش زنجیره ای است که فرمان PLC را به حرکت واقعی در ماشین آلات تبدیل می کند. پس از آنکه PLC خروجی موردنظر را فعال کرد و شیر برقی مسیر عبور هوا را تغییر داد، هوای فشرده از طریق شیلنگ ها وارد سیلندر می شود. این هوا با ایجاد فشار روی سطح پیستون، نیروی لازم برای حرکت شفت را فراهم می کند و در نهایت حرکت خطی موردنیاز ماشین ایجاد می شود.
مقدار نیروی تولید شده در سیلندر به عوامل مختلفی مانند فشار هوای ورودی و قطر پیستون بستگی دارد. هرچه فشار هوا بیشتر باشد یا سطح مقطع پیستون بزرگ تر انتخاب شود، نیروی خروجی سیلندر نیز افزایش پیدا می کند. به همین دلیل در طراحی ماشین آلات صنعتی، انتخاب ابعاد سیلندر و فشار کاری باید متناسب با وزن قطعه، سرعت موردنیاز و شرایط محیطی انجام شود.
در بسیاری از خطوط تولید، سیلندرهای پنوماتیک وظایفی مانند جا به جایی قطعات، عملیات پرس، باز و بسته کردن گیره ها، جداسازی محصولات و انتقال مواد را بر عهده دارند. ترکیب سرعت بالا، سادگی ساختار و قابلیت تکرارپذیری باعث شده است که این عملگرها به یکی از مهم ترین اجزای سیستم های اتوماسیون صنعتی تبدیل شوند.
انتخاب PLC مناسب برای کنترل سیستم های پنوماتیکی
PLC ها برای کاربردهای خاص طراحی نمی شوند. به این معنی که صاحبان صنایع بسته به نیاز فنی خود PLC با ویژگی های موردنظررا انتخاب می کنند و بعد می توانند هر برنامه ای به آن بدهند و هر سیستمی را کنترل کنند. بنابراین با اطلاعات روی کاغذ نمی توانیم دقیق بگوییم که کدام برند در کنترل سیستم پنوماتیک بهتر عمل می کند، مگر آنکه از تجربه دیگران استفاده کنیم. با استناد به سرعت پردازش، تاخیرها و سایر ویژگی های این چنینی PLC نیز می توان نتیجه گیری کرد که این موارد محدود به برند نیستند و به مدل های مختلف PLC مربوط می شوند. آنچه مسلم است PLC زیمنس، دلتا و پنتاکس در بازار ایران موفق عمل کرده اند و از گزینه های اصلی صنعتگران هستند.
جمع بندی؛ چگونه PLC و پنوماتیک در کنار هم کار می کنند؟
با وجود اینکه حرکت نهایی توسط سیلندر انجام می شود، عملکرد صحیح آن به هماهنگی کامل میان کمپرسور، واحد مراقبت هوا، شیرهای برقی، سنسورها و PLC وابسته است. هرگونه افت فشار، نشتی هوا یا ایراد در برنامه نویسی می تواند دقت و کیفیت حرکت را تحت تأثیر قرار دهد. به همین دلیل، حرکت یک سیلندر پنوماتیک را باید نتیجه همکاری مجموعه ای از تجهیزات الکتریکی و پنوماتیکی دانست، نه صرفاً عملکرد یک عملگر مکانیکی. ضمن اینکه هدفی که طراحان سیستم های صنعتی از استفاده از جک پنوماتیک دارند، پیچیده است و تنها یک جا به جایی ساده نیست. به همین دلیل هم باید با استفاده از برنامه نویسی، مشخصه های مختلفی مانند فاصله زمانی بین باز و بسته شدن سیلندر و مکث ها تعیین شود.
