در اتوماسیون کارخانه‌ای مدرن و کنترل فرآیند، طراحی سیستم انعطاف‌پذیر و قابل گسترش ضروری است. یکی از مؤثرترین روش‌ها برای رسیدن به این هدف، استفاده از سیستم‌های ورودی/خروجی توزیع‌شده است که به آن‌ها دستگاه‌های پیرامونی غیرمتمرکز نیز گفته می‌شود. این مقاله توضیح می‌دهد که ورودی/خروجی توزیع‌شده چگونه کار می‌کند، چرا استفاده می‌شود و چگونه کارایی، قابلیت نگهداری و عملکرد هزینه را در سیستم‌های کنترل مبتنی بر PLC بهبود می‌بخشد.

درک ورودی/خروجی توزیع‌شده در اتوماسیون

در یک سیستم کنترل PLC، ماژول‌های ورودی/خروجی توزیع‌شده به عنوان دستگاه‌های واسطه بین کنترل‌کننده مرکزی و تجهیزات میدانی مانند حسگرها، محرک‌ها و فرستنده‌ها عمل می‌کنند.

به جای اتصال هر کابل سیگنال به طور مستقیم به PLC، این ماژول‌های ورودی/خروجی نزدیک به ماشین یا منطقه فرآیند نصب می‌شوند. آن‌ها سیگنال‌های ورودی را جمع‌آوری کرده، از طریق شبکه ارتباطی صنعتی (مانند PROFINET، EtherNet/IP یا Modbus TCP) به PLC منتقل می‌کنند و فرمان‌های خروجی PLC را به محرک‌ها می‌رسانند.

این ساختار توزیع‌شده پیچیدگی سیم‌کشی را کاهش داده و امکان گسترش مدولار بدون تغییرات عمده در تابلو کنترل را فراهم می‌کند.

چرا ورودی/خروجی متمرکز محدودیت ایجاد می‌کند

در سیستم‌های اتوماسیون کوچک، قرار دادن PLC نزدیک به ماشین عملی است. اما با بزرگ‌تر شدن سیستم‌ها و افزایش تعداد نقاط ورودی/خروجی، سیم‌کشی متمرکز ناکارآمد می‌شود.

وقتی PLC در اتاق کنترل یا مرکز کنترل موتور (MCC) قرار دارد، هر سیم سیگنال باید از ماشین تا تابلو کشیده شود. این نه تنها هزینه سیم‌کشی و زمان نصب را افزایش می‌دهد، بلکه مشکلاتی مانند سازگاری الکترومغناطیسی (EMC)، افت سیگنال و مدیریت کابل را نیز به همراه دارد.

علاوه بر این، با افزودن حسگرها یا محرک‌های جدید، سیم‌کشی اضافی لازم است. به مرور زمان، این روش مقیاس‌پذیری و انعطاف‌پذیری سیستم را محدود می‌کند.

مفهوم معماری ورودی/خروجی توزیع‌شده

ورودی/خروجی توزیع‌شده این چالش‌ها را با غیرمتمرکز کردن مدیریت ورودی/خروجی حل می‌کند. مهندسان می‌توانند ماژول‌های ورودی/خروجی دور را مستقیماً نزدیک تجهیزات میدانی نصب کنند که به طور قابل توجهی سیم‌کشی را کاهش می‌دهد.

هر واحد ورودی/خروجی توزیع‌شده از طریق یک کابل شبکه واحد با PLC اصلی ارتباط برقرار می‌کند و داده‌های ورودی و خروجی را به صورت دیجیتال منتقل می‌کند. این امکان نصب مدولار زیرسیستم‌هایی را فراهم می‌کند که منطق کنترل یکسانی دارند بدون اینکه کل معماری دوباره طراحی شود.

در کارخانه‌های بزرگ یا محیط‌های اتوماسیون فرآیند، این روش نگهداری بهتر، عیب‌یابی سریع‌تر و چیدمان تجهیزات انعطاف‌پذیرتر را فراهم می‌کند.

گسترش آسان با ورودی/خروجی توزیع‌شده

یکی از مزایای کلیدی ورودی/خروجی توزیع‌شده، قابلیت گسترش آن است. وقتی فرآیند اتوماسیون توسعه می‌یابد، ماژول‌های ورودی/خروجی جدید می‌توانند به صورت محلی در کنار ماشین اضافه شوند.

به جای ارتقاء به PLC بزرگ‌تر، مهندسان به سادگی ماژول ورودی/خروجی جدید را به شبکه موجود متصل می‌کنند. این روش زمان توقف را کاهش داده و تغییرات نرم‌افزاری را به حداقل می‌رساند.

برای مثال، در خط بسته‌بندی کنترل‌شده توسط PLC زیمنس S7-1500، رک‌های ورودی/خروجی جدید می‌توانند از طریق PROFINET با ماژول‌هایی مانند ET 200SP متصل شوند و عملکرد را بدون تغییر کنترل‌کننده اصلی گسترش دهند.

کنترل چند دستگاه با یک PLC

سیستم‌های ورودی/خروجی توزیع‌شده همچنین امکان کنترل چندین دستگاه در مکان‌های مختلف توسط یک PLC واحد را فراهم می‌کنند.

با اتصال ایستگاه‌های ورودی/خروجی محلی هر دستگاه از طریق ارتباط مبتنی بر اترنت، مهندسان می‌توانند کنترل را متمرکز کنند در حالی که استقلال مدولار حفظ می‌شود. این ساختار معمولاً در خطوط تولید، سیستم‌های نقاله و عملیات مونتاژ خودکار که دستگاه‌ها به صورت فیزیکی جدا هستند، دیده می‌شود.

با این حال، ضروری است که ظرفیت پردازش PLC و پهنای باند شبکه بتواند تعداد کل ماژول‌های ورودی/خروجی و چرخه‌های ارتباطی را پشتیبانی کند.

همکاری بین برندها

پلتفرم‌های ورودی/خروجی توزیع‌شده مدرن از استانداردهای ارتباطی باز پیروی می‌کنند که امکان همکاری بین تولیدکنندگان مختلف را فراهم می‌آورد.

برای مثال، یک PLC زیمنس می‌تواند با ماژول‌های ورودی/خروجی دور اشنایدر الکتریک یا واگو از طریق PROFINET یا Modbus TCP ارتباط برقرار کند، به شرطی که دستگاه‌ها پروتکل‌های سازگار و فایل‌های GSDML را پشتیبانی کنند.

این باز بودن، انعطاف‌پذیری مهندسی را افزایش می‌دهد و به طراحان سیستم اجازه می‌دهد سخت‌افزار را بر اساس عملکرد، هزینه و در دسترس بودن انتخاب کنند بدون اینکه به یک فروشنده خاص محدود شوند.

مزایای سیستم‌های ورودی/خروجی توزیع‌شده

• کاهش تلاش سیم‌کشی: تنها یک کابل ارتباطی ایستگاه ورودی/خروجی میدانی را به PLC متصل می‌کند.

• کاهش هزینه نصب: سیم‌کشی کمتر و تعداد کمتر ترمینال‌ها پیچیدگی تابلو را کاهش می‌دهد.

• قابلیت گسترش بالا: افزودن یا حذف ماژول‌ها در هنگام توسعه سیستم آسان است.

• بهبود عیب‌یابی: بسیاری از دستگاه‌های ورودی/خروجی توزیع‌شده دارای نشانگرهای LED وضعیت و گزارش خطا هستند.

• افزایش قابلیت اطمینان: سیم‌کشی کوتاه‌تر میدان، تداخل سیگنال را کاهش داده و زمان کارکرد سیستم را بهبود می‌بخشد.

توضیح نویسنده: آینده اتوماسیون غیرمتمرکز

روند حرکت به سمت سیستم‌های کنترل مدولار و توزیع‌شده نشان‌دهنده نیاز روزافزون به انعطاف‌پذیری در اتوماسیون صنعتی است.

با ظهور صنعت ۴.۰، ورودی/خروجی توزیع‌شده فراتر از انتقال ساده سیگنال پیش می‌رود و شامل دستگاه‌های هوشمند لبه می‌شود که می‌توانند داده‌ها را پیش‌پردازش کنند قبل از اینکه به PLC ارسال شوند. این تغییر امکان نگهداری پیش‌بینانه، پایش لحظه‌ای و بهینه‌سازی انرژی در سطح میدان را فراهم می‌کند.

مهندسانی که معماری ورودی/خروجی توزیع‌شده را به کار می‌گیرند، در بلندمدت از مزایای نگهداری، گسترش‌پذیری و یکپارچگی با سیستم‌های تولید دیجیتال بهره‌مند می‌شوند.

کاربردها و سناریوهای عملی

• صنایع فرآیندی: ماژول‌های ورودی/خروجی دور نصب شده نزدیک مخازن یا پمپ‌ها برای کاهش طول کابل‌کشی.

• جابه‌جایی مواد: استفاده از ورودی/خروجی توزیع‌شده در نقاله‌ها، سیستم‌های جداسازی و خطوط بسته‌بندی.

• نیرو و تأسیسات: ایستگاه‌های میدانی دور در پست‌های برق متصل از طریق PROFINET فیبر نوری.

• ماشین‌آلات سازنده تجهیزات اصلی (OEM): بخش‌های کنترل مدولار برای سفارشی‌سازی و راه‌اندازی آسان‌تر ماشین‌آلات.

نتیجه‌گیری

ورودی/خروجی توزیع‌شده جزئی ضروری از اتوماسیون مبتنی بر PLC مدرن است. با غیرمتمرکز کردن اتصالات کنترل، سیم‌کشی را ساده می‌کند، انعطاف‌پذیری را افزایش می‌دهد و اجازه می‌دهد سیستم‌های بزرگ بدون تغییرات پرهزینه سخت‌افزاری رشد کنند.

استفاده از سیستم‌های ورودی/خروجی توزیع‌شده از اهداف گسترده‌تر تولید هوشمند پشتیبانی می‌کند—ایجاد شبکه‌های اتوماسیون مدولار، قابل اعتماد و کارآمد که آماده تحول دیجیتال آینده هستند.