مقدمه
هدف از این پروژه طراحی و ساخت PLC ساده ای توسط میکروکنترلر 80C196 است پس جا دارد آشنایی کلی با PLC پیدا کنیم.
PLC از عبارت Programmable Logic Controller گرفته شده است و همانطور که از این عبارت استنباط می شود، کنترل کننده نرم افزاری است که ورودی های آن اطلاعات را به صورت دیجیتال یا آنالوگ دریافت می کند و پس از پردازش فرمانهای مورد نظر به محرکها ارسال می شود. البته در نظر داشته باشید آنچه که وارد بخش پردازش مرکزی می شود اطلاعات دیجیتال است، یعنی اگر ورودی ها آنالوگ باشند با گذر از A/D، معادل دیجیتال آنها وارد واحد پردازش مرکزی می شود. در یک سیستم PLC ورودی ها و خروجی ها هیچ ارتباط فیزیکی با هم ندارند. به بیان ساده‌تر PLC نقش یک واسطه را بازی می کند. بخشهای مختلف PLC شامل منبع تغذیه، واحد پردازش مرکزی، واحد ورودی، واحد خروجی و واحد برنامه ریز (PG) میباشد.
سادگی ایجاد تغییرات و توانایی گسترده یک سیستم اتوماسیون صنعتی که در آن PLC به عنوان کنترل کننده مرکزی به کار گرفته شده است به طراحان ماشین این امکان را می دهد آنچه را در ذهن دارند در اسرع وقت بیازمانید و به ارتقای کیفیت محصول تولیدی خود بپردازند. کاری که در سیستم های قدیمی معادل صرف هزینه و بخصوص زمان بود؛ بطوریکه باعث می شد هیچگاه ایده های نو به مرحله عمل در نیاید، به راحتی در این نوع سیستم قابل اجراست. در بخشهای بعدی ضمن نگاهی به تاریخچه PLC، به مقایسه PLC با سایر سیستم های کنترل و انواع آن و بررسی عملکرد اجزاء PLC می پردازیم.
1-1) تاریخچه PLC
نخستین گامها برای ساخت و استفاده از PLC در اواخر دهه 1960 و اوایل دهه 1970 میلادی برداشته شد. شرکت Bedford Association که بعد به نام Modicon تغییر نام داد و همزمان با آن شرکت Allen-Bradly که در سال 1969 اولین PLC را عرضه کردند را می توان پیشگامان ارایه PLC دانست.
اولین نمونه های PLC به ورودی خروجی های دیجیتال و دستورات منطقی ساده اکتفا کرده‌بودند. بتدریج نمونه‌های کاملتری عرضه‌شدند که تعداد ورودی خروجیهای بیشتری دارا بودند. قابلیت ورودی و خروجی آنالوگ داشتند و از دستورات پیچیده‌تری بهره می بردند. قوم های بعدی امکان تشکیل شبکه ای از PLCهای کوچک برای کنترل پروسه های بزرگ و به کارگیری کارت های کنترل کننده PID، Communication و… را فراهم ساخت.
1-2) قابلیتها و امکانات مورد نیاز PLC
از آنجا که PLC ها اصولاً برای سیستم های صنعتی طراحی شده اند و باید توان جایگزینی سیستم های قدیمی را دارا باشند، باید امکانات و قابلیت هایی که در مورد PLC در نظر گرفته شود. در این بخش به این موارد اشاره کرده و در جای خود به توضیحات بیشتر می پردازیم.
1-2-1) ایمنی نسبت به نویز
محیط صنعتی بدلیل وجود دستگاههای مختلف که با ولتاژها و جریانهای بالا کار می کنند و بر محیط اطراف خود تاثیرات الکترومغناطیسی گسترده ای می گذارند، محیطی آلوده به نویز است. بدیهی است برای آنکه PLC قادر به کارکردن در این محیط باشد نیاز به ایمن سازی نسبت به این نویزها دارد.
1-2-2) ساختار قابل گسترش
چنانچه اشاره شد PLC یک سیستم عمومی است که انتظار می رود از عهده کنترل سیستم های مختلف بر آید. ساختار قابل گسترش این امکان را فراهم می آورد که کم و زیاد کردن واحدهای ورودی وخروجی با قابلیت های گوناگون و ایجاد تغییرات و انعطاف در برابر سیستم های مختلف بسادگی امکان پذیر باشد.
در PLCهای جدید می توان به راحتی و با هزینه مناسب نسبت به کار خواسته شده واحدهای مختلف از قبیل Analog I/O و… را به سیستم اضافه کرد.
1-2-3) سطوح سیگنال و اتصالات ورودی- خروجی استاندارد
ساختمان مدولار PLC و امکان گسارش و اضافه کردن مدولهای مختلف نیاز به یک استاندارد برای سطح ولتاژ و اتصالات را می طلبد تا واحدهای مختلف بهنگام اتصال به یکدیگر مشکلی بوجود نیاورده و با هم سازگار باشند.
1-2-4) ایزولاسیون
از آنجا که سیگنالهای ورودی و دستگاههای خروجی از ولتاژ و جریانهای به مراتب بالاتر از جریان و ولتاژ مدارهای دیجیتال برخوردارند. برای آنکه این ولتاژها و جریانها روی قسمت های دیجیتال مدار تاثیر نداشته باشند و باعث آسیب دیدن سیستم نشوند، باید به نوعی جداسازی این دو بخش انجام شود. این عمل معمولاً توسط اپتوکوپلر و رله های در ورودی خروجی ها انجام می گیرد. بدین ترتیب ارتباط الکتریکی ورودی خروجی از مدار دیجیتال قطع شده و ایزولاسیون مناسبی صورت خواهد گرفت.
1-2-5) سهولت برنامه ریزی و تغییر برنامه PLC در محیط صنعتی
یکی از مزایای سیستم صنعتی مناسب، سهولت برنامه ریزی و قابلیت انعطاف‌پذیری فوق العاده آن می باشد بطبع این امکان باید در PLC بعنوان سیستمی فراگیر در صنعت پیش بینی شده باشد. برای این منظور از کامپیوتر شخصی یا برنامه ریز مخصوص (PG) استفاده می شود.
1-2-6) سهولت و سادگی زبان برنامه نویسی
یکی از اهداف طراحان PLC قابلیت برنامه ریزی PLC توسط افرادی غیر متخصص با معلوماتی در حد تکنسین ها است. برای تامین این هدف، زبانهای PLC بسیار ساده، قابل فهم و منطبق با نیازهای صنعتی و مدارات فرمان در نظر گرفته شده‌اند که در مدت بسیار کوتاهی قابل یادگیری می باشند.
3- بخش سخت افزار
بخش سخت افزار پروژه را می توان به پنج قسمت تقسیم کرد:
1- برد اصلی
2- برد digital input
3- برد digital output
4- back plain
5- برد Power
1-3) برد اصلی
1-1-3) بخش اصلی برد مرکزی میکروکنترلر 80196 می باشد. این میکرو بدلیل توانایی های زیاد و نیز سرعت بالا در پردازش اطلاعات به عنوان میکروکنترلر مرکزی انتخاب شده است.
80C196 یک میکروکنترلر 16 بیتی از خانواده MCS-96 است که عملیات داخلی آن با تکنولوژی CHMOS انجام می گیرد. حال نگاهی کلی به توانایی های میکروکنترلر 80C196 می اندازیم:
* توانایی کار در دمای محیط 40- تا 125 درجه سانتیگراد
* 232 بایت RAM داخلی در نوع KB و 488 بایت در نوع KC
* 8 کیلو بایت ROM داخلی در 83C196KB
* 16 کیلوبایت ROM داخلی در 83C196KC و 87C196KC
* انجام عملیات داخلی با تکنولوژی CHMOS با راندمان بالا و تلفات توان ناچیز
* عملیات داخلی با ساختار رجیستر به رجیستر
* مبدل A/D همراه با Sample & Hold
در نوع KB: بیتی 10
در نوع KC: تبدیل به دو صورت 10 بیتی و 8 بیتی با امکان تعیین سرعت تبدیل
* پنج پورت 8 بیتی به عنوان I/O
* 28 مرجع وقفه
* قابلیت PTS فقط در نوع KC
* خروجیهای PWM:
در نوع KB: یک خروجی PWM
در نوع KC: سه خروجی PWM
* حالت های Power Down و Idle برای کاهش توان مصرفی میکروکنترلر
* پایه های ورودی و خروجی با سرعت بالا (HSO, HIS)
* قابلیت تغییر پهنای Bus بین 8 و 16بیت به صورت دینامیک
* پورت سریال Foll Duplex
* مولد اختصاصی Baud Rate برای پورت سریال (دقت بالا)
* ضرب دو عدد 16 بیتی در مدت زمان:
در نوع KB: 725/1 میکروثانیه (با کریستال 16 MHZ)
در نوع KC: 4/1 میکروثانیه (با کریستال 20 MHZ)
* تقسیم یک عدد 32 بیتی به یک عدد 16 بیتی در مدت زمان:
در نوع KB: 3 میکرو ثانیه (با کریستال 16 MHZ)
در نوع KC: 4/2 میکروثانیه (با کریستال 20 MHZ)
* تایمر 16 بیتی به عنوان TIMER 1
* شمارنده صعودی/ نزولی 16 بیتی با قابلیت Capture
* 4 تایمر نرم افزاری 16 بیتی
* پروتکل اشتراک باس HOLD/HOLDA
* توانایی کار با کریستالهای 3.5 Mhz تا 16 Mhz
این میکروکنترلر در سه نوع بسته بندی زیر ساخته شده است:
PLCC با 68 پایه
QFP با 80 پایه
SQFP با 80 پایه