What's PLC?

What's PLC ?

PLC คืออะไร ? 

     คำว่า PLC ย่อมาจาก Programmable Logic Controller เป็นอุปกรณ์ควบคุมอิเล็คทรอนิกส์ ที่มีหน่วย ความจำในการเก็บ Program สำหรับควบคุมการทำงานของอุปกรณ์ต่างๆ หรือเครื่องควบคุมเชิงตรรกที่สามารถโปรแกรมได้ โดยการเรียกชื่อ แตกต่างกันออกไปดังนี้

- PC คือ Programmable Controller มีต้นกำเนิดมาจากสหราชอณาจักร ซึ่งในปัจจุบันนี้ PLC บางยี่ห้อได้ เรียก PLC ของตัวเองว่า PC โดยตัดคำว่า Logic ออกเพราะเขาเห็นว่า PLC ของเขาทำได้มากกว่า คำว่า Logic (ON-OFF) ธรรมดา แต่เนื่องจาก PC กับไปตรงกับ Personal Computer เลยต้องเรียกว่า PLC กันต่อไป
- PLC คือ Programmable Logic Controller มีต้นกำเนิดมาจากประเทศสหรัฐอเมริกา
- PBS คือ Programmable Binary System มีต้นกำเนิดมาจากประเทศสวีเดน

     PLC เป็นเครื่องควบคุมอัติโนมัติที่สามารถโปรแกรมได้ PLC ถูกสร้างและพัฒนาแทนวงจรรีเลย์อันเนื่องมาจากความต้องการที่อยากได้เครื่องควบคุมที่มีราคาถูก สามารถใช้งานได้อย่างอเนกประสงค์และสามารถเรียนรู้การใช้งานได้ง่าย

ข้อแตกต่างระหว่าง PLC กับ COMPUTER
1. PLC ถูกออกแบบ และสร้างขึ้นเพื่อให้ทนต่อสภาพแวดล้อมในโรงงานอุตสาหกรรมโดยเฉพาะ
2. การโปรแกรมและการใช้งาน PLC ทำได้ง่ายไม่ยุ่งยากเหมือนคอมพิวเตอร์ทั่วไป PLC มีระบบตรวจสอบตัวเอง
    ตั้งแต่ชวงการติดตั้งจนถึงช่วงการใช้งาน ทำให้การบำรุงรักษาทำได้ง่าย
3. PLC ถูกพัฒนาให้มีความสามารถการตัดสินใจสูงขึ้นเรื่อยๆ ทำให้การใช้งานสะดวก ขณะที่วิธีใช้คอมพิวเตอร์ยุ่งยากและซับซ้อนขึ้นเรื่อยๆ

ประวัติ PLC ตั้งแต่อดีตถึงปัจจุบัน 

ค.ศ. 1969
- PLC ได้ถูกพัฒนาขึ้นมาครั้งแรกโดย บริษัท Bedford Associates โดยใช้ชื่อว่า Modular Digital Controller (Modicon)
        ให้กับ.โรงงานผลิตรถยนต์ในอเมริกาชื่อ General Motors Hydramatic Division
- บริษัท Allen-Bradley ได้เสนอระบบควบคุมโดยใช้ชื่อว่า PLC

ค.ศ. 1970-1979
- ได้มีการพัฒนาให้ PLC มีการประมวลผลที่เร็วมากขึ้นตามการเปลี่ยนแปลงของ Micro-processor
- ความสามารถในการติดต่อสื่อสารระหว่าง PLC กับ PLC โดยระบบแรกคือ Modbus ของ Modicon
- เริ่มมีการใช้อินพุท/เอาท์พุทที่เป็นสัญญาณ Analog

ค.ศ. 1980-1989
- มีความพยายามที่จะสร้างมาตรฐานในการสื่อสารข้อมูลของ PLC โดยบริษัท  General Motors ได้สร้างโปรโตคอลที่เรียกว่า manufacturing automatic protocal (MAP)
- ขนาดของ PLC ลดลงเรื่อยๆ
- ผลิตซอฟแวร์ที่สามารถโปรแกรม PLC ด้วยภาษา symbolic โดยสามารถโปรแกรมผ่านทาง personal computer แทนที่จะโปรแกรมผ่านทาง handheld หรือ programing terminal

ค.ศ. 1990-ปัจจุบัน
 - มีความพยายามในการที่จะทำให้ภาษาที่ใช้ในการโปรแกรม PLC มีมาตรฐานเดียวกันโดยใช้มาตรฐาน  IEC1131-3
 - สามารถโปรแกรม PLC ได้ด้วย
 - IL (Instruction List)
 - LD (Ladder Diagrams)
 - FBD (Function Block Diagrams)
 - SFC (Sequential Function Chart)
 - ST (Structured Text) 

 

ลักษณะโครงสร้างภายในของ PLC ซึ่งประกอบด้วย

  

1.ตัวประมวลผล(CPU)
          ทำหน้าที่คำนวณเเละควบคุม ซึ้งเปรียบเสมือนสมองของ PLC ภายในประกอบด้วยวงจรลอจิกหลายชนิดและมีไมโครโปรเซสเซอร์เบส (Micro Processor Based)ใช้แทนอุปกรณ์จำพวกรีเลย์ เคาน์เตอร์/ไทม์เมอร์ และซีเควนเซอร์ เพื่อให้ผู้ใช้สามารถออกแบบวงจรโดยใช้ Relay Ladder Diagram ได้ CPU จะยอมรับข้อมูลจากอุปกรณ์อินพุทต่างๆ จากนั้นจะทำการประมวลผลและเก็บข้อมูลโดยใช้โปรแกรมจากหน่วยความจำ หลังจากนั้นจะส่งส่งข้อมูลที่เหมาะสมและถูกต้องออกไปยังอุปกรณ์เอาท์พุท

2.หน่วยความจำ(Memory Unit)
          ทำหน้าที่เก็บรักษาโปรแกรมและข้อมูลที่ใช้ในการทำงาน โดยขนาดของหน่วยความจำจะถูกแบ่งออกเป็นบิตข้อมูล(Data Bit) ภายในหน่วยความจำ 1 บิต ก็จะมีค่าสภาวะทางลอจิก 0 หรือ 1แตกต่างกันแล้วแต่คำสั่ง หน่วยความจำภายในระบบโปรแกรมเมเบิลลอจิกคอนโทรลเลอร์ จะแบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ

          Volatile Memory จะเป็นหน่วยความจำชนิดที่ข้อมูล จะสูญหาย เมื่อไม่มีการจ่ายกำลังงานไฟฟ้าให้กับหน่วย
ความจำหน่วยความจำแบบนี้จะง่ายในการเปลี่ยนแปลง หรือ ลบ ข้อมูล หน่วยความจำประเภทนี้ ได้แก่ RAM เป็นต้น

          Non-Volatile Memory จะเป็นหน่วยความจำที่สามารถเก็บข้อมูล ไว้ได้ขณะที่ไม่มี การจ่ายกำลังงานไฟฟ้า
ให้กับหน่วยความจำ แต่หน่วยความจำแบบนี้ จะยากในการเปลี่ยนแปลง หรือ แก้ไข ข้อมูลภายในหน่วยความจำ
หน่วยความจำประเภทนี้ ได้แก่ ROM , EPROM และ EEPROM เป็นต้น

 

ภาพแสดงโครงสร้างในการจัดการหน่วยความจำภายในระบบ โปรแกรมเมเบิลลอจิกคอนโทรลเลอร์

          RAM ทำหน้าที่เก็บโปรแกรมของผู้ใช้และข้อมูลที่ใช้ในการปฏิบัติงานของ PLC หน่วยความจำประเภทนี้จะมีแบตเตอรี่เล็กๆ ต่อไว้เพื่อใช้เป็นไฟเลี้ยงข้อมูลเมื่อเกิดไฟดับ การอ่านและการเขียนข้อมูลลงใน RAM ทำได้ง่ายมาก  เพราะฉะนั้นจึ่งเหมากับงานในระยะทดลองเครื่องที่มีการเปลี่ยนแปลงแก้ไขโปรแกรมอยู่บ่อยๆ
          ROM ทำหน้าที่เก็บโปรแกรมสำหรับใช้ในการปฏิบัติงานของ PLC ตามโปรแกรมของผู้ใช้ หน่วยความจำแบบ ROM ยังสามารถแบ่งได้เป็น EPROM ซึ่งจะต้องใช้อุปกรณ์พิเศษในการเขียนและลบโปรแกรม เหมาะกับงานที่ไม่ต้องการเปลี่ยนแปลงโปรแกรม นอกจากนี้ยังมีแบบ EEPROM หน่วยความจำประเภทนี้ไม่ต้องใช้เครื่องมือพิเศษในการเขียนและลบโปรแกรม สามารถใช้งานได้เหมือนกับ RAM แต่ไม่ต้องใช้แบตเตอรี่สำรอง แต่ราคาจะแพงกว่าเนื่องจากรวมคุณสมบัติของ ROM และ RAM ไว้ด้วยกัน

           โครงสร้างการจัดการหน่วยความจำภายใน ระบบ โปรแกรมเมเบิลลอจิกคอนโทรลเลอร์
การจัดการหน่วยความจำภายใน ระบบ โปรแกรมเมเบิลลอจิกคอนโทรลเลอร์ จะแบ่งออกเป็น 3 ส่วน
ใหญ่ ๆ คือ

          2.1 System Memory หน่วยความจำส่วนนี้จะเป็นหน่วยความจำที่ทำหน้าที่ในการความคุมการทำงาน ระบบ
โปรแกรมเมเบิลลอจิกคอนโทรลเลอร์ จะแบ่งออกเป็น 2 ส่วน คือ
                    • Executive Memory จะเป็นหน่วยความจำประเภท ROM , EPROM ซึ่งจะเก็บโปรแกรมที่ทำหน้าที่ใน การจัดการ
           ระบบของ โปรแกรมเมเบิลลอจิกคอนโทรลเลอร์, แปลภาษาของโปรแกรมที่ผู้ใช้กำหนดให้เป็นภาษาที่ไมโครโปรเซส
           เซอร์สามารถที่จะทำการประมวลผลได้ , ควบคุมการสแกน เป็นต้น
                    • Scratch Pad Memory คือ หน่วยความจำชั่วคราว เพื่อเก็บข้อมูล ในขณะทำการประมวลผลโปรแกรมในส่วนของ
           Executive Memory ซึ่งหน่วยความจำประเภทนี้จะเป็น RAM แต่ผู้ใช้ไม่สามารถเข้าถึงหน่วยความจำ ส่วนนี้ได้

           2.2 Input / Output Status Memory จะเป็นหน่วยความจำ ที่ทำหน้าที่ ในการเก็บสถานะ ของสัญญาณ
อินพุท และเอ้าท์พุท เพื่อให้สถานะของอินพุท และ เอ้าท์พุท ในการประมวลผลโปรแกรม ใน 1 รอบการสแกน มีค่า
สถานะต่างๆคงที่ ตลอดการประมวลผล ทั้งโปรแกรม ซึ่งหน่วยความจำส่วนนี้จะเป็น RAM และในส่วนของโปรแกรม
เมเบิลลอจิกคอนโทรลเลอร์ SIMATIC S7 จะเรียกหน่วยความจำส่วนนี้ว่า PII ( Process Image Input ) ทำหน้าที่ ใน
การเก็บสถานะของสัญญาณอินพุท และ PIQ ( Process Image Output ) ทำหน้าที่ ในการเก็บสถานะของสัญญาณเอ้าท์
พุท

            2.3 Application Program หน่วยความจำส่วนนี้ จะจัดไว้ให้กับผู้ใช้ในการเก็บข้อมูลต่าง ๆ ที่ใช้ในการประ
มวลผล (Data Memory) และหน่วยความจำที่ให้ผู้ใช้เก็บโปรแกรม ที่ใช้ในการควบคุม เพื่อให้หน่วยประมวลผลกลาง
ใช้ในการประมวลผล

           3.หน่วยอินพุต-เอาต์พุต (Input-Output Unit)
          หน่วยอินพุต ทำหน้าที่รับสัญญาณจากอุปกรณ์ภายนอกแล้วแปลงสัญญาณให้เป็นสัญญาณที่เหมาะสมแล้วส่งให้หน่วยประมวลผลต่อไป

            3.1 หน่วยลอจิกอินพุท ( Logic Input Unit )หน่วยอินพุทแบบนี้ เป็นลักษณะของการ อินเตอร์เฟส แบบ Discrete Interfaces จะทำหน้าที่เชื่อมต่อระหว่างหน่วยประมวลผลกลาง กับ อุปกรณ์อินพุทภายนอก ที่มีลักษณะเป็นสัญญาณไบนารี่ หรือ ดิจิตอล เท่านั้นแล้วนำสัญญาณเหล่านั้นมาปรับแต่งให้มีระดับสัญญาณที่เหมาะสมกับการทำงานของ หน่วยประมวลผลกลาง เพื่อทำการประมวลผลตามโปรแกรมคำสั่งที่ผู้ใช้สร้างขึ้นมา ซึ่งโครงสร้างภายในของหน่วยลอจิกอินพุทแบบนี้ จะแบ่งออกเป็น 2 ชนิด คือ แบบ DC ลอจิก และ แบบ AC ลอจิก แสดงดังภาพ

ภาพแสดงโครงสร้างภายในของ หน่วยลอจิกอินพุท แบบ DC 

          วงจรภายในของ โปรแกรมเมเบิลลอจิกคอนโทรลเลอร์ ใช้ระดับแรงดันในการปฏิบัติการ 5 Vdc แต่อุปกรณ์
ภายนอก จะใช้แรงดันในการปฏิบัติการสูงกว่า คือ ตั้งแต่ 24 Vdc ถึง 48 Vdc และ 110 Vac ถึง 220 Vac ซึ่งระดับของ
แรงดันที่ใช้ กับอุปกรณ์ภายนอก อาจจะทำให้เกิดความเสียหายกับอุปกรณ์อิเล็คทรอนิคส์ ภายในระบบ โปรแกรมเม
เบิลลอจิกคอนโทรลเลอร์ เนื่องจากแรงดันเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในสายสัญญาณ และ ระบบกราวด์ของโปรแกรมเมเบิล
ลอจิกคอนโทรลเลอร์ และเครื่องจักรหรือ กระบวนการผลิต ที่แตกต่างกัน

ภาพแสดงโครงสร้างภายในของ หน่วยลอจิกอินพุท แบบ AC

            3.2 หน่วยแอนะลอก อินพุท( Analog Input Unit )จะรับสัญญาณที่มีลักษณะต่อเนื่อง หรือ สัญญาณแอนะลอก เมื่อโปรแกรมเมเบิลลอจิกคอนโทรลเลอร์ ต้องการรับสัญญาณอินพุทที่เป็นแอนะลอกในทางปฏิบัติเราจะนำเอาสัญญาณแอนะลอกเหล่านั้นมาผ่านการแปลงให้เป็นสัญญาณดิจิตอล (Analog to Digital Converter) หรือที่เรียกว่า ADC ก่อน แล้วจึงนำสัญญาณที่ได้ไปใช้ในการประมวลผลและเมื่อต้องการส่งสัญญาณเอ้าท์พุทที่เป็นแอนะลอก จะนำเอาสัญญาณดิจิตอลที่ได้จากการประมวลผลมาผ่านการแปลงให้เป็นสัญญาณแอนะลอก (Digital to Analog Converter) หรือที่เรียกว่า DAC ก่อน แล้วจึงนำสัญญาณที่ได้ไปใช้ในการควบคุมอุปกรณ์เอ้าท์พุทภายนอก

            หน่วยอินพุทแบบแอนะลอก ของโปรแกรมเมเบิลลอจิกคอนโทรลเลอร์ ที่ใช้รับสัญญาณแอนะลอก ต่าง ๆ จาก
ภายนอก ซึ่งโดยทั่วไปสัญญาณเหล่านั้นจะถูกเปลี่ยนให้อยู่ในรูปของสัญญาณทางไฟฟ้า คือ
           • แรงดัน ซึ่งนิยมใช้กันอยู่ในช่วง 0-10 โวลต์ , 1-5 โวลต์, 0-5 โวลต์ เป็นต้น
           • กระแส ซึ่งนิยมใช้กันอยู่ในช่วง 0-20 มิลลิแอมป์ , 4-20 มิลลิแอมป์ เป็นต้น

            ดังนั้นการเลือกใช้หน่วยอินพุทแบบแอนะลอก จะต้องถึงพิจารณาถึงลักษณะของสัญญาณอินพุทจากเซนเซอร ์
หรือ ทรานสมิตเตอร์ ว่าเป็นแบบ แรงดัน หรือ กระแส ซึ่งจะมีโครงสร้างภายในของหน่วยอินพุท แตกต่างกันแสดงดัง
ภาพ

ภาพแสดงโครงสร้างภายในของ หน่วยแอนะลอกอินพุท ในรูปของแรงดัน

ภาพแสดงโครงสร้างภายในของ หน่วยแอนะลอกอินพุท ในรูปของกระแส

      หน่วยเอาต์พุต ทำหน้าที่รับข้อมูลจากตัวประมวลผลแล้วส่งต่อข้อมูลไปควบคุมอุปกรณ์ภายนอกเช่น ควบคุมหลอดไฟ มอเตอร์ และวาล์ว เป็นต้น

             3.3 หน่วยลอจิกเอ้าท์พุท( Logic Output Unit )จะส่งสัญญาณที่มีลักษณะเป็นไบนารี่ หรือ ดิจิตอล ออกไปควบคุมอุปกรณ์ทำงานภายนอก ซึ่งจะมีส่วนประกอบที่สำคัญ คือ อุปกรณ์เชื่อมโยงทางแสง เพื่อแยกสัญญาณ จากวงจรภายในของโปรแกรมเมเบิลลอจิกคอนโทรลเลอร์ออกจาก ส่วนของอุปกรณ์ควบคุมภายนอก เพื่อป้องกันความเสียหายของวงจรภายในที่เกิดขึ้น เนื่องจากส่วนของอุปกรณ์ภายนอก

ภาพ แสดงโครงสร้างภายในของ หน่วยลอจิกเอ้าท์พุทแบบ DC

 
ภาพ แสดงโครงสร้างภายในของ หน่วยลอจิกเอ้าท์พุทแบบ AC

            3.4 หน่วยแอนะลอกเอ้าท์พุท ( Analog Output Unit )จะส่งสัญญาณที่มีลักษณะต่อเนื่อง หรือ สัญญาณ แอนะลอกออกไปควมคุมอุปกรณ์ทำงานภายนอกซึ่งหน่วยแอนะลอกเอ้าท์พุทจะแตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับ ลักษณะของสัญญาณแอนะลอกว่าอยู่ในรูปของแรงดัน หรือ กระแสและมีโครงสร้างภายใน แสดง ดังภาพ

ภาพแสดงโครงสร้างภายในของ หน่วยแอนะลอกเอ้าท์พุท ในรูปของแรงดัน

ภาพแสดงโครงสร้างภายในของ หน่วยแอนะลอกเอ้าท์พุท ในรูปของกระแส

4.หน่วยจ่ายพลังงานไฟฟ้า ( Power supply unit )
       ทำหน้าที่ ปรับระดับแรงดันไฟฟ้าให้มีระดับที่เหมาะสมที่จะจ่ายให้กับ หน่วยประมวลผลกลาง , หน่วยอินพุท ,
หน่วยเอ้าท์พุท นอกจากนี้ยังจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับการสื่อสารข้อมูลระหว่างหน่วยประมวลผลกลาง กับอุปกรณ์ภายนอก
เช่น โมดูลอินพุทและเอ้าท์พุทระยะไกล(Remote Input / Output Module) , อุปกรณ์ที่ใช้ในการเขียนโปรแกรม
(Programmer) เป็นต้น
       ซึ่งส่วนมาก หน่วยจ่ายพลังงานไฟฟ้า ของ โปรแกรมเมเบิลลอจิกคอนโทรลเลอร์ สามารถที่จะเลือกได้ว่า
จะใช้กับแรงดัน AC ( 120-220 VAC ) หรือ DC ( 24-125 VDC ) ขึ้นอยู่กับความต้องการของผู้ใช้ ดังนั้นถ้าเราจำ
เป็นจะต้องเลือกใช้ระบบโปรแกรมเมเบิลลอจิกคอนโทรลเลอร์ เราควรจะเลือกหน่วยจ่ายกำลังไฟฟ้าที่เหมาะสม
ตามข้อจำกัด

ภาพแสดง โครงสร้างภายในของ หน่วยจ่ายพลังงานไฟฟ้า

       ไดอะแกรมแสดงส่วนประกอบของหน่วยจ่ายพลังงานไฟฟ้า ชนิดแรงดันอินพุท AC แรงดันไฟฟ้า
ที่รับเข้ามา จะถูกลดขนาดให้มีขนาดที่เหมาะสม โดยหม้อแปลงลดแรงดัน (Step-down transformer) หลังจากนั้น แรงดัน
ที่ลดขนาดแล้วจะถูกเปลี่ยนให้เป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง ด้วยวงจรเรียงกระแส (Rectifier) เเละลดการกระเพื่อมของ
แรงดัน ด้วยวงจรกรองสัญญาณ (Filter) จากนั้นแรงดันจะผ่าน วงจรรักษาระดับแรงดันให้คงที่ ไม่เปลี่ยนแปลงตามแรง
ดันอินพุท หรือ กระแสทางด้านเอ้าท์พุท ด้วยวงจร เรคกูเลเตอร์ (Regulator) นอกจากนั้น ยังมีส่วนที่ทำหน้าที่ป้องกัน
การลัดวงจร (Short circuit protection) และ ป้องกันการจ่ายกระแสเกิน (Overload protection) และจะได้แรงดันเอ้าท์พุท
ที่มีขนาดเหมาะสม เพื่อจ่ายให้กับหน่วยต่างๆ ของระบบ โปรแกรมเมเบิลลอจิกคอนโทรลเลอร์

5.อุปกรณ์ต่อร่วม (Peripheral Devices)
            • PROGRAMMING CONSOLE
          • EPROM WRITER
          • PRINTER
          • GRAPHIC PROGRAMMING
          • CRT MONITOR
          • HANDHELD
          • etc 

ประเภทของข้อมูลเช่น บิต, ไบต์, เวิร์ด

ข้อมูลภายใน PLC จะมีคำจำกัดความที่เรียกกันคือ บิต (BIT), ไบต์ (Byte), เวิร์ด (Word) หลักการเรียกและความหมายของแต่ละคำมีดังนี้

1 Word = 2 Byte
1 Byte   = 2 Digit
1 Digit  = 4 Bit

เช่น  ข้อมูลขนาด 256 กิโลบิต (kBit) จะสามารถเก็บข้อมูลได้กี่กิโลไบต์ ?
                        8 บิต               =       1   ไบต์
                        256 กิโลบิต    =       (256 x 1000)/8            = 32,000  ไบต์ 
                                                                                              = 32  กิโลไบต์

หน่วยความจำ ขนาด 6 kWords ถ้าจะเปลี่ยนหน่วยเป็น kB. จะได้เท่าไร ?
                        1 Word           =       2  ไบต์
                        6 kWord         =       2 x 6 x 1000                =       12,000  ไบต์ 
                                                                                              =       12   กิโลไบต์