بررسی انواع کارت های پی ال سی زیمنس | PLC

1. کارت های پی ال سی زیمنس | کارت ورودی دیجیتال (Digital Input Module – DI)

کارت های ورودی دیجیتال در کارت های پی ال سی زیمنس وظیفه دارند وضعیت روشن یا خاموش بودن تجهیزات ورودی مانند کلیدها، سنسورها، میکروسوئیچ‌ها و دکمه‌های فشاری را دریافت و به داده دیجیتال قابل پردازش تبدیل کنند. این کارت‌ها معمولاً در مدل‌های مختلف با تعداد کانال‌های متفاوت مانند ۸ ، ۱۶ یا ۳۲ ورودی عرضه می‌شوند. ولتاژ کاری کارت های DI معمولاً ۲۴ ولت DC است، اما در برخی مدل‌ها برای کاربردهای خاص، ولتاژهای ۱۲۰ یا ۲۳۰ ولت AC نیز وجود دارد. عملکرد این کارت‌ها بر پایه تشخیص سطح منطقی سیگنال ورودی است، به‌طوری‌که ولتاژ بالاتر از حد مشخصی به عنوان منطق «۱» و ولتاژ پایین‌تر از آن به عنوان منطق «۰» تشخیص داده می‌شود.

در بخش تنظیمات نرم‌افزاری، هر کانال ورودی را می‌توان در نرم‌افزار TIA Portal یا STEP 7 پیکربندی کرد. تنظیماتی مانند فیلتر نرم‌افزاری برای حذف نویز، فعال یا غیرفعال کردن کانال‌ها و تعریف تشخیص لبه (Edge Detection) از گزینه‌های پرکاربرد هستند. برخی کارت های پیشرفته امکان تشخیص خطا مانند قطع سیم یا اتصال کوتاه را نیز دارند. همچنین در مدل‌های جدیدتر مانند سری S7-1500، اطلاعات تشخیصی (Diagnostic Information) به‌صورت خودکار در نرم‌افزار نمایش داده می‌شود.

انتخاب نوع کارت باید با توجه به نوع سیگنال ورودی، سرعت تغییر وضعیت ورودی‌ها و نوع منبع تغذیه انجام شود تا عملکرد سیستم بدون خطا و پایدار باشد. در کاربردهای صنعتی، کارت های DI معمولاً در تابلوهای کنترل و نزدیک تجهیزات نصب می‌شوند و از کابل‌های شیلددار برای جلوگیری از تداخل الکترومغناطیسی استفاده می‌گردد.

2. کارت های پی ال سی زیمنس | کارت خروجی دیجیتال (Digital Output Module – DO)

کارت های خروجی دیجیتال نقش تبدیل سیگنال منطقی از CPU پی ال سی به فرمان قابل اعمال بر تجهیزات بیرونی را برعهده دارند. این تجهیزات ممکن است شامل رله‌ها، چراغ‌ها، شیرهای برقی، بیزرها و موتورهای کوچک باشند. خروجی‌های دیجیتال در مدل‌های مختلف مانند ترانزیستوری (Transistor Output) یا رله‌ای (Relay Output) تولید می‌شوند. در مدل ترانزیستوری، خروجی به‌صورت سریع و مناسب برای کاربردهای با سوئیچینگ بالا است، در حالی‌که مدل‌های رله‌ای توانایی تحمل جریان‌های بالاتر را دارند اما سرعت سوئیچ آن‌ها کمتر است.

در کارت های DO زیمنس، ولتاژهای متداول خروجی ۲۴ ولت DC یا ۲۳۰ ولت AC هستند. هر کانال خروجی دارای محدودیت جریان خاصی است که باید متناسب با نوع بار انتخاب شود. در نرم‌افزار TIA Portal، تنظیمات کارت DO شامل تخصیص آدرس خروجی‌ها، تعریف حالت اولیه خروجی‌ها High/Low هنگام راه‌اندازی و فعال‌سازی حالت Hold یا Retain برای حفظ وضعیت خروجی در زمان قطع تغذیه است. بسیاری از مدل‌ها دارای قابلیت تشخیص خطای بار (Load Error Detection) هستند و در صورت وقوع اتصال کوتاه یا اضافه جریان، پیام تشخیصی به CPU ارسال می‌کنند.

از لحاظ سیم‌کشی، در مدل‌های ترانزیستوری باید توجه ویژه‌ای به پلاریته و تغذیه مشترک (Source/Sink) داشت. کارت های خروجی دیجیتال همچنین می‌توانند به صورت گروهی فیوزبندی شوند تا در صورت بروز خطا، تنها بخش خاصی از خروجی‌ها از مدار خارج شود. در صنایع خودروسازی، بسته‌بندی، یا سیستم‌های انتقال مواد، این کارت‌ها برای کنترل همزمان چندین عملگر به‌کار می‌روند و نقش کلیدی در اجرای فرامین منطقی برنامه دارند.

3. کارت های پی ال سی زیمنس | کارت ورودی آنالوگ (Analog Input Module – AI)

کارت های ورودی آنالوگ برای دریافت سیگنال‌هایی طراحی شده‌اند که مقدار آن‌ها پیوسته تغییر می‌کند. این سیگنال‌ها معمولاً از سنسورهایی مانند ترموکوپل‌ها، RTD ها، مبدل‌های فشار، سطح و جریان دریافت می‌شوند. رایج‌ترین محدوده‌های سیگنال ورودی شامل ۰ تا ۱۰ ولت، ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر یا ±۱۰ ولت هستند. کارت های AI با مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) مجهز شده‌اند تا مقدار اندازه‌گیری‌شده را به داده دیجیتال قابل پردازش در CPU تبدیل کنند. دقت اندازه‌گیری کارت های AI معمولاً بر حسب بیت (مانند ۱۲ یا ۱۶ بیت) بیان می‌شود و هرچه این عدد بالاتر باشد، وضوح اندازه‌گیری بیشتر است.

در بخش تنظیمات نرم‌افزاری، برای هر کانال می‌توان نوع سیگنال ورودی (ولتاژی یا جریانی) را انتخاب کرد. در کارت های چندمنظوره، هر کانال به‌صورت مستقل قابل تنظیم است. پارامترهایی مانند زمان فیلتر (Filter Time) برای حذف نویز، مقیاس‌بندی (Scaling) جهت تبدیل مقدار ورودی به واحد فیزیکی دلخواه مثل °C یا bar و تشخیص خطا (Fault Detection) نیز قابل تنظیم هستند. علاوه بر این، در سری‌های جدید S7-1500، مقادیر اندازه‌گیری‌شده به‌صورت خودکار در قالب Diagnostic Buffer در CPU ذخیره می‌شوند و خطاهای سنسور مانند قطع مدار به سرعت تشخیص داده می‌شوند.

کارت های ورودی آنالوگ در کاربردهایی مانند کنترل دما، فشار، سطح مایع و سرعت استفاده می‌شوند. برای مثال، در سیستم کنترل دما، مقدار سیگنال ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر از سنسور به کارت AI ارسال می‌شود و پی ال سی مقدار آن را خوانده و در الگوریتم کنترلی خود استفاده می‌کند. استفاده از سیم‌کشی شیلددار و زمین مناسب برای کاهش نویز در این کارت‌ها ضروری است، زیرا سیگنال‌های آنالوگ نسبت به تداخلات الکترومغناطیسی بسیار حساس هستند.

4. کارت های پی ال سی زیمنس | کارت خروجی آنالوگ (Analog Output Module – AO)

کارت های خروجی آنالوگ در سیستم‌های کنترل صنعتی وظیفه تولید سیگنال‌های پیوسته برای کنترل تجهیزاتی مانند درایوها، شیرهای کنترلی و مبدل‌های سرعت را دارند. خروجی‌های رایج در این کارت‌ها شامل محدوده‌های ۰ تا ۱۰ ولت یا ۴ تا ۲۰ میلی‌آمپر است که بسته به نیاز فرآیند انتخاب می‌شود. هر کانال کارت AO مجهز به مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC) است که مقدار عددی ارسال‌شده از CPU را به سیگنال پیوسته تبدیل می‌کند. دقت این مبدل‌ها معمولاً بین ۱۲ تا ۱۶ بیت است که تأثیر مستقیمی بر دقت کنترل دارد.

در تنظیمات نرم‌افزاری، برای هر کانال خروجی می‌توان نوع سیگنال، مقیاس خروجی و رفتار خروجی در شرایط خطا مثل قطع ارتباط با CPU را مشخص کرد. در سیستم‌های حساس، معمولاً مقدار پیش‌فرض یا مقدار امن (Safe Value) تعریف می‌شود تا در صورت بروز خطا، خروجی به حالت ایمن برود. تنظیمات مقیاس‌بندی (Scaling) امکان تبدیل مقادیر دیجیتال به واحدهای فیزیکی را فراهم می‌کند. برای مثال، می‌توان مقدار صفر تا ده ولت را به محدوده صفر تا صد درصد دبی شیر کنترلی تبدیل کرد.

از نظر کاربرد، کارت های AO معمولاً در حلقه‌های کنترلی PID استفاده می‌شوند، جایی که خروجی پی ال سی باید مقدار دقیقی از ولتاژ یا جریان را برای حفظ شرایط فرآیند ارسال کند. در صنایع شیمیایی، تصفیه‌خانه‌ها و سیستم‌های HVAC، این کارت‌ها برای کنترل دقیق دما، فشار و جریان اهمیت زیادی دارند. برای عملکرد پایدار، باید سیم‌کشی کارت های AO با رعایت اصول زمین حفاظتی و جداسازی از کابل‌های قدرت انجام شود تا از نویز و خطای اندازه‌گیری جلوگیری گردد.

5. کارت های پی ال سی زیمنس | کارت ورودی فیل‌سیف (Failsafe Input Module – DI F)

کارت های ورودی فیل‌سیف برای کاربردهایی طراحی شده‌اند که نیازمند اطمینان و ایمنی بسیار بالا هستند، مانند سیستم‌های توقف اضطراری، حفاظ ایمنی ماشین‌آلات و مدارهای ایمنی در صنایع حساس. این کارت‌ها برخلاف کارت های ورودی معمولی، قابلیت تشخیص و مدیریت خطاهای ایمنی را دارند و در سطح عملکرد ایمنی (Safety Integrity Level – SIL) مشخصی تأیید شده‌اند. کارت های DI F معمولاً در پی ال سی های Failsafe مانند CPU 1214FC یا CPU 1516F نصب می‌شوند که قابلیت پردازش برنامه‌های ایمنی را دارند.

از نظر ساختار، این کارت‌ها ورودی‌هایی با دو کانال مستقل دارند تا با مقایسه دو سیگنال مشابه بتوان خطاهای احتمالی را شناسایی کرد. در تنظیمات نرم‌افزاری TIA Portal، هر ورودی فیل‌سیف باید در محیط “Safety Administration Editor” تعریف شود و با برچسب‌های ایمنی مشخص گردد. پارامترهایی مانند زمان نظارت (Monitoring Time)، حالت ورودی 1oo1 یا 1oo2، و رفتار در شرایط خطا از گزینه‌های تنظیمی این کارت‌ها هستند. در صورت تشخیص اختلاف بین کانال‌ها یا قطع سیگنال، سیستم به‌صورت خودکار به حالت ایمن می‌رود و خروجی‌های مربوطه قطع می‌شوند.

کارت های ورودی فیل‌سیف برای دریافت سیگنال از کلیدهای ایمنی، حسگرهای درب حفاظتی و شستی‌های اضطراری استفاده می‌شوند. یکی از ویژگی‌های مهم آن‌ها پشتیبانی از “Test Pulse” است، که برای تشخیص اتصال کوتاه بین سیم‌ها به‌کار می‌رود. این پالس به‌صورت دوره‌ای از کارت ارسال و بازگشت آن تحلیل می‌شود تا از صحت مدار اطمینان حاصل شود. ترکیب این کارت‌ها با CPUهای ایمن، بستر قابل اعتمادی برای پیاده‌سازی استانداردهای ایمنی صنعتی مانند EN ISO 13849 فراهم می‌کند.

6. کارت های پی ال سی زیمنس | کارت خروجی فیل‌سیف (Failsafe Output Module – DO F)

کارت های خروجی فیل‌سیف آخرین مرحله از زنجیره ایمنی در سیستم‌های صنعتی هستند و مسئول اجرای دستورات ایمن صادرشده از CPU ایمنی می‌باشند. این کارت‌ها فرمان‌های ایمنی مانند قطع توان از موتور، غیرفعال‌سازی درایو، یا خاموش‌کردن سریع تجهیزات خطرناک را به‌صورت مطمئن و بدون خطا اجرا می‌کنند. کارت های DO F همانند ورودی‌های فیل‌سیف دارای مدارهای دوبل و ساختار نظارتی داخلی هستند تا از عملکرد صحیح در شرایط بحرانی اطمینان حاصل شود.

در محیط نرم‌افزار TIA Portal، تنظیمات این کارت‌ها از طریق بخش “Safety Configuration” انجام می‌شود. هر خروجی دارای پارامترهایی مانند حالت ایمن (Safe State)، زمان نظارت، و رفتار پس از رفع خطا است. برای مثال می‌توان مشخص کرد که در هنگام فعال‌شدن شرایط اضطراری، خروجی به وضعیت Low برود و تنها پس از تأیید اپراتور و بازگشت شرایط عادی، دوباره فعال شود. این ویژگی‌ها باعث می‌شود فرآیند بازگشت به حالت عملیاتی به‌صورت کنترل‌شده انجام گیرد.

از نظر فنی، کارت های DO F معمولاً دارای ترانزیستورهای دوبل با مدارات نظارتی هستند و به‌صورت مستمر وضعیت داخلی خود را بررسی می‌کنند. در صورت تشخیص هرگونه ناهماهنگی بین مسیرهای خروجی یا وجود اتصال کوتاه، سیگنال خطا به CPU ارسال می‌شود و کل سیستم به حالت ایمن منتقل می‌گردد. این کارت‌ها در سیستم‌های ایمنی ماشین‌آلات سنگین، ربات‌ها، خطوط مونتاژ و صنایع پتروشیمی کاربرد گسترده‌ای دارند.

استفاده از آن‌ها به همراه ورودی‌های فیل‌سیف و CPU ایمنی، امکان پیاده‌سازی کامل استانداردهای SIL2 یا SIL3 را فراهم می‌کند. در دوره مجازی پی ال سی مقدماتی و دوره پی ال سی پیشرفته به تفاوت های کارت های پی ال سی زیمنس اشاره شده است .

تفاوت کارت های معمولی با فیل سیف (Failsafe Modules)

در سیستم‌های اتوماسیون صنعتی، کارت های فیل‌سیف زیمنس (Failsafe Modules) از نظر ظاهری و عملکرد پایه شباهت زیادی به کارت های معمولی دارند، اما تفاوت اصلی آن‌ها در تنظیمات و پارامترهای ایمنی است که امکان عملکرد مطمئن و مطابق با استانداردهای بین‌المللی ایمنی را فراهم می‌سازد. در حالی‌که کارت های معمولی صرفاً وضعیت ورودی‌ها یا خروجی‌ها را بدون کنترل ایمنی دریافت یا ارسال می‌کنند، کارت های فیل‌سیف برای نظارت مداوم بر درستی سیگنال‌ها و واکنش سریع به خطاهای احتمالی طراحی شده‌اند.

در نرم‌افزار TIA Portal، کارت های فیل‌سیف در محیط ویژه‌ای به نام Safety Administration Editor پیکربندی می‌شوند که کاملاً جدا از پیکربندی معمولی است. در این بخش، علاوه بر تنظیمات عمومی مانند تخصیص آدرس و نوع سیگنال، پارامترهای ایمنی اضافی نیز باید تعریف شوند. برای ورودی‌های فیل‌سیف، تنظیماتی مانند Test Pulse Activation جهت ارسال پالس‌های آزمایشی به سیم‌کشی وجود دارد تا اتصال کوتاه یا قطع سیم شناسایی شود. همچنین باید حالت عملکرد ورودی‌ها مانند 1OO1 (یک از یک) یا 1OO2 (یک از دو) تعیین گردد؛ انتخاب این حالت‌ها تعیین می‌کند که سیستم بر اساس چند ورودی مستقل، وضعیت ایمن را تشخیص دهد.

در کارت های خروجی فیل‌سیف نیز پارامترهایی مانند Safe State ( حالت ایمن در زمان بروز خطا، Restart Behavior نحوه بازگشت پس از رفع خطا)، و Discrepancy Time زمان مجاز اختلاف بین مسیرهای دوبل خروجی وجود دارد. این تنظیمات تعیین می‌کنند که در شرایط غیرعادی مانند قطع ارتباط با CPU یا بروز خطای سخت‌افزاری، خروجی فوراً قطع شود و سیستم در وضعیت امن باقی بماند.

ویژگی مهم دیگر کارت های فیل‌سیف، وجود Monitoring Time برای نظارت بر عملکرد مداوم است. اگر در مدت زمان تعیین‌شده پاسخی از ورودی یا خروجی دریافت نشود، سیستم آن را به‌عنوان خطا شناسایی می‌کند. همچنین تمام تغییرات در پارامترهای ایمنی نیازمند تأیید اپراتور و ورود رمز عبور سطح ایمنی است تا از تغییرات ناخواسته جلوگیری شود.

به طور کلی، کارت های فیل‌سیف علاوه بر تنظیمات معمولی، دارای لایه‌ای از پارامترهای حفاظتی هستند که امکان کنترل ایمن فرآیند، جلوگیری از فعال‌شدن ناخواسته تجهیزات، و ثبت خطاهای ایمنی در Diagnostic Buffer را فراهم می‌سازد. این ویژگی‌ها باعث شده‌اند که این کارت‌ها در سیستم‌های صنعتی حساس، جایگزین مطمئن‌تری نسبت به کارت های استاندارد باشند.

جمع بندی کارت های پی ال سی زیمنس

کارت های فیل‌سیف زیمنس (Failsafe Modules) به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که علاوه بر انجام وظایف ورودی و خروجی معمولی، از سطح بالایی از ایمنی، نظارت بر خطا و تشخیص وضعیت ناهنجار برخوردارند. این کارت‌ها با ساختار دو‌مسیره، قابلیت تشخیص خطاهای سیم‌کشی، ارسال پالس آزمایشی و ورود به حالت ایمن در صورت بروز خطا، از آسیب به تجهیزات و افراد جلوگیری می‌کنند. استفاده از آن‌ها در کنارCPU های ایمنی زیمنس امکان پیاده‌سازی استانداردهای SIL2 و SIL3 را فراهم می‌سازد.

در مجموع، خانواده کارت های پی ال سی زیمنس شامل ورودی و خروجی‌های دیجیتال، آنالوگ و فیل‌سیف است که هر یک نقش خاصی در کنترل فرآیندهای صنعتی دارند. کارت های دیجیتال برای دریافت یا ارسال سیگنال‌های دوحالته به‌کار می‌روند، کارت های آنالوگ مقادیر پیوسته مانند دما و فشار را پردازش می‌کنند، و کارت های فیل‌سیف وظیفه تضمین عملکرد ایمن سیستم را بر عهده دارند. در تنظیمات نرم‌افزاری، کارت های معمولی پارامترهای ساده‌تری دارند، در حالی‌که کارت های فیل‌سیف شامل تنظیمات ویژه‌ای مانند حالت ایمن، زمان نظارت و رفتار پس از خطا هستند.

در نهایت، انتخاب و پیکربندی صحیح هر نوع کارت های پی ال سی زیمنس با توجه به نوع فرآیند، سطح ایمنی مورد نیاز و شرایط محیطی اهمیت فراوانی دارد. ترکیب مناسب کارت های استاندارد و فیل‌سیف با CPU ایمنی، شبکه ارتباطی مطمئن و طراحی اصولی تابلو، می‌تواند یک سیستم اتوماسیون صنعتی قدرتمند، دقیق و کاملاً ایمن ایجاد کند که هم کارایی بالا و هم حفاظت از انسان و تجهیزات را تضمین می‌نماید.

سوالات متداول کارت های پی ال سی زیمنس

1. کارت فیل‌سیف چیست و چه تفاوتی با کارت معمولی دارد؟

کارت فیل‌سیف نوعی ماژول ورودی یا خروجی است که علاوه بر عملکرد عادی، دارای مدارها و تنظیمات ایمنی برای تشخیص خطا و ورود به حالت امن می‌باشد.

2. کارت های DI و DO چه کاربردی دارند ؟

کارت DI برای دریافت سیگنال‌های روشن/خاموش از سنسورها و کلیدها و کارت DO برای ارسال فرمان‌های دیجیتال به عملگرها استفاده می‌شود.

3. کارت های AI و AO در چه شرایطی استفاده می‌شوند؟

کارت AI برای اندازه‌گیری کمیت‌های پیوسته مانند دما و فشار و کارت AO برای ارسال سیگنال‌های کنترلی پیوسته به تجهیزات به‌کار می‌رود.

4. کارت های فیل‌سیف در چه سیستم‌هایی ضروری هستند؟

در سیستم‌هایی که امنیت انسان و تجهیزات حیاتی است، مانند ماشین‌آلات سنگین، ربات‌ها و خطوط تولید ایمن، استفاده از کارت های فیل‌سیف الزامی است.

5. در نرم‌افزار TIA Portal کارت های فیل‌سیف چگونه تنظیم می‌شوند؟

در محیط Safety Administration Editor پیکربندی می‌شوند و شامل پارامترهایی مانند Safe State، Monitoring Time و Test Pulse هستند.

6. آیا کارت های فیل‌سیف می‌توانند به‌صورت ترکیبی با کارت های معمولی استفاده شوند؟

بله، در یک سیستم پی ال سی می‌توان هر دو نوع کارت را نصب کرد، اما بخش فیل‌سیف باید توسط CPU ایمنی مدیریت شود.

7. Test Pulse در کارت های فیل‌سیف چه نقشی دارد؟

پالس آزمایشی برای تشخیص اتصال کوتاه یا قطع سیم در مدارهای ورودی ایمنی استفاده می‌شود.

8. مزیت اصلی استفاده از کارت های فیل‌سیف چیست؟

مزیت اصلی آن اطمینان از توقف ایمن سیستم در صورت بروز خطا و جلوگیری از حوادث انسانی یا آسیب به تجهیزات است.