زبان‌های برنامه‌نویسی PLC (Programmable Logic Controller) به‌عنوان ابزارهای بسیار مهمی در عرصه اتوماسیون صنعتی شناخته می‌شوند. این زبان‌ها، که برای برنامه‌نویسی کنترلرهای منطقی برنامه‌پذیر به‌کار می‌روند، نقش بسیار حیاتی در بهبود عملکرد و کارایی سیستم‌های تولید و فرآیندهای صنعتی دارند. از اوایل دهه ۱۹۷۰، با ظهور PLCها، زبان‌های برنامه‌نویسی متعددی برای برنامه‌ریزی این کنترلرها ارائه شده است که هرکدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند. از این رو، در این مقاله، به بررسی تاریخچه، انواع، کاربردها، مزایا و معایب و اهمیت زبان‌های برنامه‌نویسی PLC پرداخته می‌شود. با این بیانات، هدف این مقاله ارائه مفهومی جامع از زبان‌های برنامه‌نویسی PLC است و بر آن است که خوانندگان را با این حوزه از علم آشنا کند و نقش اساسی آن در صنعت را برجسته سازد.
تاریخچه زبان های برنامه نویسی PLC
زبان‌های برنامه‌نویسی پی ال سی یکی از مهم ترین عوامل در پیشرفت صنعت اتوماسیون بوده و تاریخچه آنها به دوران ابتدایی توسعه تکنولوژی PLCها بازمی‌گردد. در دهه ۱۹۶۰، با ظهور PLCها به عنوان جایگزینی برای رله‌های الکتریکی سنتی، نیاز به زبان‌هایی برای برنامه‌نویسی این دستگاه‌ها به وجود آمد. در اوایل دوره‌ی ابتدایی، برنامه‌نویسی PLCها با استفاده از نمادها و سمبل‌های گرافیکی انجام می‌شد که این روش به سادگی و قابلیت فهم برنامه‌ها کمک می‌کرد.
اما با پیشرفت فناوری و افزایش پیچیدگی سیستم‌های کنترلی، زبان‌های برنامه‌نویسی PLC نیز تکامل یافت. در اواخر دهه ۱۹۶۰ و اوایل دهه ۱۹۷۰، زبان Ladder Logic معرفی شد که براساس شکلک‌ها و سمبل‌های الکتریکی بود و با استفاده از آن، برنامه‌نویسی PLCها به شکل مشابه با برقراری اتصالات الکتریکی انجام می‌شد. این زبان به دلیل سادگی و شباهت به دستگاه‌های قدیمی الکتریکی، به سرعت پرطرفدار شد.
با گذشت زمان و نیاز به برنامه‌های پیچیده‌تر، زبان‌های دیگری مانند Structured Text و Function Block Diagram (FBD) توسعه یافتند که امکان برنامه‌نویسی با استفاده از الگوریتم‌های پیچیده‌تر را فراهم می‌کردند. این تکامل در زبان‌های برنامه‌نویسی PLC نشان از رشد و پیشرفت این فناوری در زمینه ی اتوماسیون صنعتی دارد و همچنین نشان از تلاش صنعت برای بهبود کارایی و کاربردی‌تر شدن سیستم‌های کنترلی است.
انواع زبان های برنامه نویسی PLC
نمودار نردبانی Ladder Diagram(LD)
نمودار پله‌ای یا Ladder Diagram (LD) یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین زبان‌های برنامه‌نویسی PLC است. این زبان برای برنامه‌ریزی و کنترل تجهیزات صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. نمودار پله‌ای بر اساس یک نمایش شبه‌گرافیکی از مدارهای برقی ساخته می‌شود. در این نمودار، عملگرها و ورودی‌ها با استفاده از سیم‌ها و ترمینال‌های اتصال به هم متصل می‌شوند. هم چنین میتوان این زبان را به همراه زبان FBD به کار برد.
در ساختار یک نمودار پله‌ای، ورودی‌ها و خروجی‌ها به صورت عمودی در ستون‌های مختلف نمایش داده می‌شوند. عملگرها و توابع برنامه‌ریزی شده به صورت افقی در ردیف‌های مختلف قرار می‌گیرند. با اتصال سیم‌ها بین ورودی‌ها، عملگرها و خروجی‌ها، مدارهای منطقی برنامه‌ریزی می‌شود. همچنین از عناصر دیگری مانند کنتکتورها، کویل‌ها، و توابع مختلفی مانند تایمرها و کانترها در LD استفاده می‌شود.
کاربرد
کاربرد نمودار پله‌ای در صنایع مختلف بسیار گسترده است. از جمله کاربردهای این زبان میتوان به کنترل خطوط تولید، سیستم‌های اتوماسیون صنعتی، سیستم‌های توزیع برق و ماشین‌آلات صنعتی اشاره کرد. به دلیل شباهت با مدارهای الکتریکی، نمودار پله‌ای برای افرادی که با مفاهیم الکتریکی آشنا هستند، آسان تر است. این زبان برای برنامه‌ریزی و کنترل تجهیزات صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
مزایا
مزایای استفاده از نمودار پله‌ای عبارتند از:
سادگی و فهم آسان: نمودار پله‌ای به دلیل شباهت با مدارهای الکتریکی، برای برنامه‌نویسان آسان تر و قابل فهم‌تر است.
اطلاعات بصری: این نمودارها به برنامه‌نویسان امکان مشاهده وضعیت و وضعیت عملکرد تجهیزات را فراهم می‌کنند.
استفاده از عملگرهای گسترده: نمودار پله‌ای از مجموعه‌ای از عملگرهای مختلف برای برنامه‌ریزی استفاده می‌کند که امکان انجام وظایف پیچیده را فراهم می‌آورد.
منطق قوی: این نمودار امکان اعمال منطقی پیچیده را فراهم می‌کند و برنامه‌نویسان می‌توانند منطق‌های پیچیده‌تری را با استفاده از ترکیب عملگرها و شرایط مختلف اعمال کنند.
معایب
معایب استفاده از نمودار پله‌ای عبارتند از:
پیچیدگی با افزایش اندازه: با افزایش اندازه و پیچیدگی سیستم، نمودار پله‌ای ممکن است بزرگ و پیچیده شود و این می‌تواند باعث کاهش خوانایی و مدیریت سیستم شود.
محدودیت‌های برنامه‌نویسی: برنامه‌نویسی با استفاده از نمودار پله‌ای ممکن است برای برنامه‌هایی که نیاز به الگوریتم‌های پیچیده‌ای دارند، مناسب نباشد.
نیاز به مهارت خاص: برای استفاده بهینه از این زبان، نیاز به مهارت در زمینه برنامه‌نویسی PLC و اصول کنترل صنعتی دارید و این می‌تواند چالش‌هایی برای افرادی که تازه‌کار هستند، ایجاد کند.
نمودار بلوک عملکردی Function Block Diagram(FBD)
نمودار بلوک عملکردی یا Function Block Diagram (FBD) یکی از زبان‌های برنامه‌نویسی است که برای برنامه‌ریزی و کنترل تجهیزات صنعتی استفاده می‌شود. در این زبان، سیگنال‌ها و عملگرها با استفاده از بلوک‌های مختلف ترکیب می‌شوند تا عملکردهای مختلف سیستم را پیاده‌سازی کنند.
در Function Block Diagram، بلوک‌های مختلف تشکیل‌دهنده سیستم به صورت گرافیکی نشان داده می‌شوند. این بلوک‌ها از عملگرها، توابع، ورودی‌ها و خروجی‌ها تشکیل شده‌اند که با استفاده از آنها، عملکردهای مختلف سیستم تعریف می‌شود. این بلوک‌ها می‌توانند انواع مختلفی داشته باشند که هر کدام وظایف خاص خود را انجام می‌دهند.
کاربرد:
نمودار بلوک عملکردی در برنامه‌ریزی و کنترل سیستم‌های برق صنعتی و اتوماسیون مورد استفاده قرار می‌گیرد. از جمله کاربردهای این زبان میتوان به کنترل خطوط تولید، سیستم‌های رباتیک، واحدهای پردازشی، و سیستم‌های توزیع برق اشاره کرد.
مزایا:
قابلیت استفاده مجدد بلوک‌ها: یکی از مزایای اصلی FBD قابلیت استفاده مجدد بلوک‌ها است. بلوک‌هایی که یکبار تعریف شده‌اند، می‌توانند در سیستم‌های دیگر نیز مورد استفاده قرار بگیرند.
سادگی و راحتی در برنامه‌نویسی: نمودار بلوک عملکردی به برنامه‌نویسان این امکان را می‌دهد که به‌سادگی عملکردهای مختلف را با استفاده از بلوک‌های مختلف تعریف کنند و از ترکیب این بلوک‌ها برای پیاده‌سازی وظایف پیچیده استفاده کنند.
راه‌اندازی و تشخیص خطا: این زبان به برنامه‌نویسان این امکان را می‌دهد که با استفاده از بلوک‌های مختلف، راه‌اندازی سیستم را ساده‌تر و اطمینان‌بخش‌تر کنند. همچنین با استفاده از این بلوک‌ها، تشخیص خطاها و رفع آنها نیز آسان‌تر است.
معایب:
پیچیدگی برنامه‌نویسی: برای برنامه‌نویسی سیستم‌های پیچیده، ممکن است FBD به دلیل تعداد زیاد بلوک‌ها و ارتباطات بین آنها، پیچیدگی زیادی داشته باشد.
محدودیت در برنامه‌ریزی پیچیده: برای پیاده‌سازی الگوریتم‌ها و عملکردهای پیچیده، FBD ممکن است به محدودیت‌هایی برخورد کند. این محدودیت ممکن است نیازمند استفاده از زبان‌های دیگر برنامه‌نویسی شود.
پیچیدگی مدیریت: با افزایش اندازه و پیچیدگی سیستم، مدیریت بلوک‌ها و ارتباطات بین آنها ممکن است پیچیده شود و نیاز به برنامه‌نویسی مدیریتی دقیق‌تری داشته باشد.
متن ساختاری Structured Text(ST)
زبان متن ساختاری یا Structured Text (ST) یکی از زبان‌های برنامه‌نویسی است که در صنعت برای برنامه‌ریزی و کنترل تجهیزات صنعتی و سیستم‌های اتوماسیون صنعتی استفاده می‌شود. در این زبان، برنامه‌ها به صورت متنی و با ساختارهای منظم نوشته می‌شوند که از قواعد و الگوهای خاصی پیروی می‌کنند. این زبان بر اساس مفاهیم و ساختارهای برنامه‌نویسی متنی مبتنی بر منطق است و امکان استفاده از عملگرها، توابع، حلقه‌ها و شرط‌ها را فراهم می‌کند. این زبان ساختاری مشابه زبان پاسکال و زبان C دارد؛ از این رو برای کاربرانی که در زبان‌های متنی سطح بالا توانمند هستند، مناسب است.
برنامه‌های نوشته شده با ST در قالب بلوک‌های مختلف نوشته می‌شوند. این بلوک‌ها شامل توابع، متغیرها، شرط‌ها، حلقه‌ها و تعریف‌های مختلف دیگر هستند. در این زبان، بلوک‌ها به صورت سلسله‌مراتبی نوشته می‌شوند و استفاده از فضاهای خالی و براکت‌ها برای سازماندهی کد استفاده می‌شود.
کاربرد:
STبه عنوان یکی از زبان‌های برنامه‌نویسی PLC، در صنایع مختلفی از جمله خطوط تولید، سیستم‌های رباتیک، واحدهای پردازشی، و سیستم‌های توزیع برق استفاده می‌شود. این زبان برای برنامه‌ریزی و کنترل سیستم‌هایی که نیاز به الگوریتم‌های پیچیده و پردازش داده دارند، مناسب است.
مزایا:
قدرت و انعطاف بالا: Structured Text (ST) دارای قدرت و انعطاف بالایی است که به برنامه‌نویسان امکان می‌دهد الگوریتم‌های پیچیده و وظایف متنوع را با دقت برنامه‌ریزی و پیاده‌سازی کنند.
خوانایی بالا: ساختار منطقی و متنی ST باعث می‌شود که کدهای نوشته شده به راحتی قابل فهم و تفسیر باشند. این امر به برنامه‌نویسان اجازه می‌دهد که با بهبود قابلیت‌ها و تغییرات بدون مشکلات عمده‌ای مواجه شوند.
استفاده از توابع پیش‌فرض: ST از توابع پیش‌فرض و کتابخانه‌های استاندارد برای انجام وظایف مختلف استفاده می‌کند. این امکان به برنامه‌نویسان می‌دهد که وظایف مختلف را با استفاده از این توابع پیاده‌سازی کنند و زمان برنامه‌نویسی را کاهش دهند.
معایب:
پیچیدگی برنامه‌نویسی: برای برنامه‌نویسی سیستم‌های پیچیده، نیاز به دقت و دانش فنی بالا است و ممکن است زمان برنامه‌ریزی بیشتری نیاز باشد. این امر می‌تواند باعث کاهش بهره‌وری و افزایش هزینه‌ها شود.
نبود استاندارد مشخص: نبود یک استاندارد مشخص برای ST می‌تواند باعث ایجاد اختلافات در نحوه برنامه‌نویسی شود که این موضوع می‌تواند مشکلاتی را برای توسعه و نگهداری کدها ایجاد کند.
فهرست دستورالعمل Instruction List(IL)
Instruction List (IL) یکی از زبان‌های برنامه‌نویسی است که برای برنامه‌ریزی و کنترل تجهیزات صنعتی، به ویژه PLCها (کنترلرهای منطقی برنامه‌پذیر) استفاده می‌شود. این زبان شبیه به زبان اسمبلی است و شامل مجموعه‌ای از دستورالعمل‌های متنی(مانند زبانST) است که به صورت خط به خط اجرا می‌شوند.
Instruction List اغلب به صورت دستورات ساده و متنی نمایش داده می‌شود که هر کدام یک عملیات مشخص را انجام می‌دهند. این دستورات شامل عملیات مختلفی مانند جمع، تفریق، ضرب، تقسیم و مقایسه مقادیر متغیرها هستند. هر دستور معمولاً با یک علامت نشانه‌گذاری شده و می‌تواند پارامترهای لازم برای اجرا را داشته باشد.
کاربرد:
IL به‌طور گسترده در صنایع مختلفی از جمله خطوط تولید، سیستم‌های رباتیک، و سیستم‌های توزیع برق استفاده می‌شود. این زبان به‌عنوان یک زبان برنامه‌نویسی سطح پایین، به‌طور معمول بر روی PLCها اجرا می‌شود. برای سیستم‌هایی که نیاز به عملکرد سریع و زمان واقعی دارند، استفاده از IL مناسب است.
مزایا:
سادگی و قابل فهم بودن: دستورات IL به نسبت سایر زبان‌ها معمولاً ساده و قابل فهم هستند. این ویژگی باعث می‌شود که برنامه‌نویسان بتوانند به راحتی کدها را تولید، تفسیر و تغییر دهند.
عملکرد سریع: برنامه‌های IL به صورت مستقیم بر روی سخت‌افزار PLC اجرا می‌شوند که این به اجرای سریع و به موقع کدها امکان می‌دهد.
مناسب برای پروژه‌های کوچک: IL دارای کد فشرده‌ای است که برای پروژه‌های کوچک و ساده مناسب است.
معایب:
کمبود ساختار و انعطاف: IL نسبت به زبان‌های برنامه‌نویسی سطح بالاتر مانند Structured Text، کمبود ساختار و انعطاف بیشتری دارد که می‌تواند باعث پیچیدگی بیشتر و کاهش قابلیت توسعه و نگهداری شود.
محدودیت‌های برنامه‌نویسی: IL به علت ساختار ساده‌اش ممکن است برای برنامه‌نویسی وظایف پیچیده کمی محدودیت داشته باشد و نیاز به استفاده از زبان‌های برنامه‌نویسی دیگر را ایجاب کند.
نمودار توابع متوالی Sequential Function Chart(SFC)
Sequential Function Chart (SFC) یک زبان برنامه‌نویسی گرافیکی است که برای توصیف رفتار و کنترل سیستم‌های اتوماسیونی به کار می‌رود.این زبان به برنامه‌نویسان اجازه می‌دهد عملیات متوالی و همزمان را به صورت گرافیکی مدل کنند. این ویژگی به آنها امکان می‌دهد تا فعالیت‌های مختلفی که همزمان یا به صورت متوالی در سیستم اتفاق می‌افتد را به صورت واضح و دقیق توصیف کنند.این ویژگی به خصوص برای سیستم‌هایی که نیاز به انجام همزمان یا متوالی عملیات‌های مختلف دارند بسیار مفید است. به عنوان مثال، در یک خط تولید، ممکن است نیاز باشد که چندین عملیات همزمان انجام شود، مانند حمل و جابجایی محصولات، بسته‌بندی، برچسب‌زنی و … . با استفاده از SFC، میتوان همه این فعالیت‌ها را به صورت گرافیکی مدل کرده و مدیریت بهینه آنها را انجام داد.
این زبان بر اساس مفهوم مراحل (steps)، شرایط (transitions) و فعالیت‌های متوالی (actions) ساخته شده است و برنامه‌های SFC به صورت گرافیکی به نمایش در می‌آیند.ساختار SFC از چند قسمت اصلی تشکیل شده است که عبارتند از:
مراحل (Steps): مراحل نشان‌دهنده وضعیت‌های مختلف یک فرایند یا سیستم هستند که در طول زمان تغییر می‌کنند.
شرایط (Transitions): شرایطی هستند که مشخص می‌کنند زمانی که یک مرحله به مرحله بعدی منتقل می‌شود یا چه زمانی از یک مرحله به مرحله جایگزین می‌شود.
فعالیت‌ها (Actions): فعالیت‌ها عملیاتی هستند که در هر مرحله انجام می‌شوند و عملکرد سیستم را تعیین می‌کنند.
کاربرد:
معمولاً برای کنترل و مدیریت فرایندها و سیستم‌های پیچیده استفاده می‌شود. این زبان به برنامه‌نویسان اجازه می‌دهد تا با استفاده از مفاهیم گرافیکی، رفتار سیستم را به شکل مرحله‌ای توصیف کنند و عملکرد ماشین‌ها، خطوط تولید، سیستم‌های توزیع برق و سیستم‌های توزیع آب را مدیریت کنند.
مزایا:
قابلیت مدیریت و نگهداری بالا: ساختار گرافیکی SFC باعث می‌شود که عملیات و رفتار سیستم به صورت واضح و قابل فهمی نمایش داده شود که این ویژگی باعث افزایش قابلیت نگهداری و توسعه کدها می‌شود.
انعطاف پذیری در توصیف فرایندها: با استفاده از مفاهیم گرافیکی، برنامه‌نویسان می‌توانند فرایندها و رفتارهای مختلف را به شکل مرحله‌ای توصیف کنند و این باعث افزایش انعطاف پذیری در مدل‌سازی سیستم می‌شود.
سهولت در تحلیل و اشکال‌زدایی: نمایش گرافیکی SFC به برنامه‌نویسان امکان می‌دهد تا به راحتی عملکرد سیستم را تحلیل کرده و مشکلات را اشکال‌زدایی کنند.
معایب:
پیچیدگی برنامه‌نویسی اولیه: توصیف فرایندها و ساختار SFC نیازمند دقت و دانش فنی بالا است که این موضوع می‌تواند باعث افزایش پیچیدگی در مراحل اولیه برنامه‌نویسی شود.
محدودیت در برنامه‌نویسی سیستم‌های پیچیده: برای سیستم‌های پیچیده، SFC ممکن است محدودیت‌هایی داشته باشد و نتواند به صورت کارآمد رفتارها و عملیات پیچیده را مدل کند.
نیاز به آموزش: برنامه‌نویسان نیازمند آموزش و آشنایی با مفاهیم گرافیکی و ساختار SFC هستند که این موضوع ممکن است زمان و هزینه بر باشد.
جمع بندی
در نتیجه، انتخاب زبان مناسب برنامه‌نویسی بر اساس نیازها و ویژگی‌های پروژه بسیار اهمیت دارد. هر یک از این زبان‌ها مزایا و معایب خاص خود را دارند که باید با توجه به شرایط و الزامات پروژه، انتخاب شوند. با این حال، این زبان‌ها در کنار یکدیگر می‌توانند تشکیل ترکیبی موثر و قدرتمند برای برنامه‌ریزی و کنترل سیستم‌های صنعتی را به ارمغان بیاورند.
