فرض کنید به عنوان یک متخصص برق از شما بخواهند که یک تابلو برق برای یک دستگاه صنعتی، مثلاً یک دستگاه پرس هیدرولیک طراحی کنید. مداری که طراحی می‌کنید دارای دو بخش فرمان و قدرت است.
در مدار قدرت، سایز، نوع و نحوه سیم‌کشی تجهیزاتی که برق اصلی اجزای دستگاه تأمین می‌کنند، طراحی میشود؛ در حالی که در مدار فرمان، تجهیزات و سیم‌کشی سیگنال‌های کنترلی از جمله فرمان‌های خروجی PLC، تغذیه بوبین کنتاکتورها، سیگنال‌های حفاظت، هشدار و مانیتورینگ و همچنین ورودی‌های سنسوری طراحی و تعریف می‌شوند.
همه متخصصان برقی که در حوزه صنعت مشغول به کار هستند، می‌دانند داشتن مهارت و دانش کار با مدارهای فرمان یک ضرورت به شمار می‌رود. تابلوهای برق رله-کنتاکتوری و پنل‌های کنترلی پیشرفته همگی بر مبنای اصول مدار فرمان طراحی می‌شوند.
بیشتر سیستم‌های الکتریکی از دستگاه‌های صنعتی گرفته تا خطوط تولید اتوماتیک و نیمه‌اتوماتیک و سیستم‌های روشنایی را می‌توان با طراحی و به‌کارگیری یک مدار فرمان استاندارد و مناسب کنترل کرد. در ادامه، شما را با این مدارها و اجزای مختلف آن‌ها آشنا می‌کنیم و ضمن بررسی بعضی مدارهای فرمان پرکاربرد، نحوه به‌کارگیری آن‌ها در صنایع مختلف را بررسی می‌کنیم. با ماهر همراه باشید.
مدار فرمان چیست؟
مدار فرمان یک مدار الکتریکی است که در آن از وسایل الکتریکی مختلف مانند تجهیزات حفاظتی، کلیدهای دستی و خودکار، کنترل‌کننده‌ها و تجهیزات هشدار و مانیتورینگ استفاده میشود و وظیفه کنترل و رصد کردن دستگاه‌ها و فرایندهای صنعتی را بر عهده دارد.
مجموعه اجزای مدار فرمان درون یک محفظه به نام تابلو برق یا پنل الکتریکی قرار می‌گیرند. در تابلو برق ترمینال‌هایی برای سیم‌کشی میان قطعات مدار فرمان و ارتباط آن با تجهیزات پروسه نصب میشود. مدار فرمان را می‌توان به سه صورت دستی، اتوماتیک و نیمه‌اتوماتیک طراحی کرد.
مدار فرمان دستی
در مدار فرمان دستی همه فرمان‌های الکتریکی توسط انسان و با قطع و وصل کردن جریان برق به‌وسیله یک کلید انجام میشود. استفاده از این نوع مدارها در زندگی روزمره ما بسیار رایج و متداول است. برای مثال، قطع یا وصل کردن کلید یک لامپ یا یک وسیله برقی از ساده‌ترین مدارهای فرمانی هستند که همه‌روزه با آن‌ها سر و کار داریم.
در محیط‌های صنعتی نیز وقتی که یک موتور را مستقیماً با فشار یک کلید و بدون هیچ کنترل اتوماتیکی راه‌اندازی می‌کنیم، از یک مدار فرمان دستی استفاده کرده‌ایم. شکل ۱ اجزای یک مدار فرمان دستی را نشان می‌دهد.
مدار فرمان اتوماتیک
مدارهای فرمان اتوماتیک می‌توانند با کمترین میزان دخالت انسان، پروسه را به صورت کامل کنترل کنند. در این مدارها از تجهیزات کنترلی پیشرفته مانند PLC، کنترلرهای دیجیتال، HMI، سنسورها و عملگرهای اتوماتیک استفاده میشود.
با توجه به اینکه این مدارها باید قابلیت اطمینان بسیار بالایی داشته باشند، نصب و راه‌اندازی آن‌ها هزینه بسیار زیادی دارد. شکل ۲ نمونه‌ای از یک مدار فرمان اتوماتیک را نشان می‌دهد.
مدار فرمان نیمه‌اتوماتیک
مدارهای فرمان نیمه‌اتوماتیک به‌وسیله ترکیبی از مدارهای فرمان دستی و اتوماتیک، پروسه را کنترل می‌کنند. برای مثال، بعضی از فرمان‌های اپراتوری مانند فرمان قطع و وصل موتور به صورت دستی داده میشود و تنظیم پارامترهای پروسه مانند دما، سطح مخزن، فلوی سیال و حفاظت تجهیزات به صورت اتوماتیک و توسط کنترلر انجام میشود.
بیشتر مدارهای فرمان در صنعت از نوع نیمه‌اتوماتیک هستند. شکل ۳ نمایی از یک مدار مدار فرمان نیمه‌اتوماتیک را نشان می‌دهد.
همان‌طور که در شکل ۳ می‌بینید، در کنار تجهیزات کنترلی اتوماتیک، شستی‌ها و کلیدهایی روی درب تابلو نصب شده که توسط اپراتور کنترل می‌شوند.
کاربرد و اهمیت مدار فرمان در صنعت
مدار فرمان بخش جدایی‌ناپذیر فرایندهای صنعتی است. برای اطمینان از درستی عملکرد یک دستگاه یا یک پروسه صنعتی و همچنین حفاظت از تجهیزات آن باید مدار فرمان مناسب و کارآمدی برای پروسه طراحی شود. در طراحی یک تابلو فرمان، سایزینگ کلید‌ها، تجهیزات حفاظتی، کابل‌ها و ترمینال‌ها اهمیت زیادی دارد.
جنس و اندازه بدنه تابلو برق و نیز درجه حفاظت IP آن باید متناسب با محیط نصب تابلو انتخاب شود. نقشه مدار فرمان را باید به شکل استاندارد و مطابق با همه ملزومات سیستم کنترل‌شونده طراحی کرد تا عملکرد پروسه و ایمنی تجهیزات و افراد به صورت بهینه فراهم شود.
همچنین، طراحی و پیاده‌سازی استاندارد مدار فرمان امکان تعمیر و عیب‌یابی سریع‌تر و آسان‌تر سیستم الکتریکی را برای کاربر فراهم می‌کند. از وظایف اساسی مدار فرمان در صنعت می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- راه‌اندازی، کنترل سرعت و قدرت ماشین‌آلات صنعتی
- طراحی سیستم‌های اتوماسیون صنعتی برای کنترل دما، فشار، سرعت و …
- حفاظت و ایمنی از تجهیزات در برابر اضافه‌بار، نوسان ولتاژ و گرم شدن بیش از حد
- امکان نظارت از راه دور سیستم الکتریکی
- صرفه‌جویی در انرژی، هزینه و کاهش استهلاک تجهیزات
- اعلام هشدار در صورت بروز خطر یا آسیب
- تبادل اطلاعات بین سیستم‌ها و ماشین‌آلات مختلف
در ادامه چند نمونه از کاربردهای مدار فرمان در محیط‌های صنعتی را شرح می‌دهیم.
مدار فرمان در خطوط تولید و مونتاژ
مدار فرمان در خطوط تولید و مونتاژ نقشی بسیار مهم و حیاتی دارد. این خطوط معمولا شامل مجموعه‌ای از ماشین‌آلات، ربات‌ها، سنسورها و تجهیزات دیگر هستند که برای تولید محصول یا مونتاژ قطعات استفاده می‌شوند.
از جمله کاربردهای مدار فرمان در تولید محصول می‌توان به کنترل ربات‌های صنعتی، خطوط بسته‌بندی و خطوط سورتینگ محصول اشاره کرد.
مدار فرمان در تصفیه‌خانه
تصفیه‌خانه یا ایستگاه تصفیه فاضلاب، محلی است که فاضلاب‌های شهری یا صنعتی را تصفیه و پاکسازی می‌کند. مدارهای فرمان در سیستم تصفیه نقش مهمی ایفا می‌کنند تا فرآیند تصفیه و مدیریت آب و فاضلاب به صورت موثر و بهینه انجام شود.
در یک تصفیه‌خانه کنترل عملکرد پمپ‌ها، سطح مخازن، راه‌اندازی کمپرسور، ولوهای اتوماتیک و بسیاری عملیات دیگر را می‌توان با طراحی یک مدار فرمان مناسب انجام داد.
مدار فرمان در سیستم تهویه
سیستم تهویه معمولا برای تأمین هوای تمیز و سالم با دمای مطبوع در داخل ساختمان‌ها استفاده میشود. استفاده از مدار فرمان برای کنترل این سیستم‌ها به کیفیت عملکرد و بهره‌وری بیشتر آن‌ها کمک می‌کند.
کنترل فن‌ها، پمپ‌ها و کمپرسورها و نیز تنظیم دما و رطوبت سیستم تهویه، با طراحی یک مدار فرمان استاندارد، به صورت دقیق و با ایمنی و کیفیت کافی انجام‌پذیر است.
مدار فرمان در میکسر
میکسر یکی از دستگاه‌های پرکاربرد در صنایع مختلف مانند صنایع غذایی، شیمیایی، ساختمانی و فلزی است. این دستگاه‌ها برای مخلوط کردن مواد مختلف با هم بکار می‌روند. مدار فرمان در کنترل و مدیریت عملکرد میکسر نقش مهمی دارد. در زیر به برخی از کاربردهای مدار فرمان در میکسر اشاره میشود:
- کنترل سرعت و دور میکس مطابق با نیاز کاربر
- تنظیم و زمان‌بندی میکسر روشن بودن دستگاه
- خاموش کردن میکسر در صورت وقوع خطا برای جلوگیری از آسیب به میکسر
- تنظیم فلوی مواد ورودی میکسر
اجزای مدار فرمان
در مدار فرمان از تکنولوژی‌های الکترونیکی پیشرفته مانند PLCها تا تجهیزات کنترلی ساده‌تری مانند کلید‌ها، رله‌ها و کنتاکتورها استفاده میشود. در ادامه اجزای مختلف مدار فرمان را معرفی می کنیم.
محفظه تابلو فرمان
چنان که پیشتر اشاره شد، تمام اجزا مدار فرمان در داخل یک محفظه قرار می‌گیرند که معمولاً از جنس فلز است. برای ساخت محفظه (تابلو برق) بیشتر از آلومینیوم یا فولاد ضد زنگ استفاده میشود.
بر اساس درجه IP، محدودیت استفاده از آن‌ها در فضاهای داخلی و خارجی و میزان حفاظت آن‌ها در برابر گرد و غبار، نفوذ آب و مواد شیمیایی خورنده مشخص میشود. اندازه تابلو برق بر اساس پیچیدگی پروژه، تعداد و ابعاد قطعات مورد نیاز برای پیاده‌سازی مدار فرمان تعیین میشود.
کنتاکتور
در مدار فرمان برای قطع و وصل کردن الکتروموتورها به بوبین کنتاکتور فرمان می‌دهیم. برای آشنایی بیشتر با این تجهیز، مقاله «کنتاکتور چیست؟» را مطالعه کنید. در شکل ۶ یک نمونه کنتاکتور را مشاهده می‌کنید.
رله
رله شباهت زیادی به کنتاکتور دارد، با این تفاوت که از رله برای قطع و وصل کردن تجهیزاتی با جریان کم مانند فن‌های کم‌مصرف، آلارم‌ها و آژیرها در مدار استفاده میشود. با خواندن مقاله «رله چیست؟» با کاربرد رله و تفاوت آن با کنتاکتور آشنا می‌شوید.
PLC
PLC یک کنترل‌کننده منطقی مدرن است که مغز متفکر مدارهای فرمان پیشرفته به شمار می‌رود. این تجهیز کنترلی، اطلاعات را توسط سنسورها با استفاده از کارت‌های ورودی دریافت می‌کند و پس از پردازش اطلاعات دریافتی سیگنال‌هایی را از طریق کارت‌های خروجی به‌منظور کنترل قسمت‌های مختلف پروسه ارسال می‌کند.
رله بیمتال
برای حفاظت از تجهیزات و ماشین‌آلات صنعتی در برابر اضافه بار، از رله بیمتال استفاده میشود. خواندن مقاله «بیمتال چیست؟» اطلاعات جامعی در مورد این تجهیز در اختیار شما قرار می‌دهد. در شکل ۹ رله بیمتال را مشاهده می‌کنید.
کلید مینیاتوری
کلید مینیاتوری یکی از پرمصرف‌ترین تجهیزات الکترونیکی است که از مدار در برابر اتصال کوتاه حفاظت می‌کند. برای آشنایی بیشتر با عملکرد کلید مینیاتوری، چگونگی انتخاب و مزایای آن، مقاله کلید مینیاتوری چیست؟ را بخوانید. شکل ۱۰ چند نمونه کلید مینیاتوری را نشان می‌دهد.
چراغ سیگنال
از چراغ سیگنال برای نشان دادن هشدارهای مختلف در تابلو کنترل برق استفاده میشود. شکل ۱۱ چند چراغ سیگنال را نشان می‌دهد.
ترمینال DIN
ترمینال DIN قطعه‌ای است که در تابلو برق نقش برقراری اتصال ایمن و منظم سیم‌‌ها را بر عهده دارد. استفاده از ترمینال امکان عیب‌یابی و تعمیر آسان‌تر مدار فرمان را فراهم می‌کند. شکل ۱۲ نمای ظاهری ترمینال‌های DIN را نشان می‌دهد.
پرکاربردترین مدارهای فرمان
طراحی مدار فرمان برای یک پروسه صنعتی بزرگ نیازمند داشتن مهارت‌های متعددی است؛ اما آشنایی با بعضی مدارهای فرمان به دلیل کاربرد بسیار متداول آن‌ها در محیط‌های صنعتی برای هر تکنسین یا مهندس برق ضروری است.
از پرکاربردترین مدارهای فرمان برای راه‌اندازی موتورها در صنعت برق می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.
- مدار فرمان راه‌انداز دائم و لحظه‌ای
- مدار فرمان ستاره-مثلث
- مدار فرمان چپگرد و راستگرد
- مدار فرمان ستاره-مثلث چپگرد و راستگرد
- مدار فرمان راه‌اندازی یکی پس از دیگری
مدار فرمان استارت لحظه‌ای موتور
در کاربردهایی که نیاز به کار دائم یا طولانی‌مدت موتور نیست و لازم است موتور به صورت مکرر قطع و وصل شود، برای راه‌اندازی موتور از مدار فرمان «استارت لحظه‌ای» استفاده میشود. برای مثال، برای کنترل حرکت موتور جرّثقیل می‌توان این مدار را به کار برد. در شکل ۱۳ مدار قدرت و فرمان راه‌اندازی لحظه‌ای یک موتور سه‌فاز را می‌بیند.
همان‌طور که در شکل ۱۳ می‌بینید، با فشردن شستی S1 بوبین کنتاکتور K1m برق‌دار شده و باعث بسته‌شدن تیغه‌های این کنتاکتور در مدار قدرت میشود. با بسته‌شدن تیغه‌ها سه‌فاز وصل شده و موتور را روشن می‌کند. به محض برداشتن دست از روی شستی، برق بوبین کنتاکتور قطع و موتور خاموش میشود.
مدار فرمان راه‌انداز دائم موتور
اگر بخواهید با برداشتن دست از روی شستی S1، موتور همچنان روشن بماند و به کار خود ادامه دهد، کافی است یک تیغه باز کنتاکتور K1m را موازی با شستی S1 قرار دهید. در لحظه اول با فشردن شستی، برق وارد بوبین کنتاکتور K1m شده و باعث بسته شدن تیغه کنتاکتور میشود.
با این روش در صورت قطع شدن شستی، برق از مسیر تیغه کنتاکتور به بوبین می‌رسد و موتور به‌صورت دائم روشن می‌ماند. شکل ۱۴، مدار قدرت و مدار فرمان یک موتور سه‌فاز دائم‌کار را نشان می‌دهد.
مدار فرمان ستاره-مثلث
یکی از پرکاربردترین روش‌های راه‌اندازی موتورهای آسنکرون توان بالا، روش ستاره-مثلث است. در لحظه راه‌اندازی، جریان این موتورها چندین‌برابر جریان نامی آن‌ها است. اگر موتور در حالت مثلث راه‌اندازی شود، جریان بالایی از سیم‌پیچ‌های موتور عبور کرده و باعث آسیب به آن یا تحریک تجهیزات حفاظتی و قطع مدار میشود.
برای رفع این مشکل، ابتدا موتور را در حالت ستاره راه‌اندازی می‌کنیم. در حالت ستاره، جریان راه‌اندازی و گشتاور موتور یک‌سوم حالت مثلث است. بعد از رسیدن دور موتور به ۷۵ تا ۸۰ درصد دور نامی، سربندی موتور برای رسیدن به گشتاور مناسب به حالت مثلث تغییر می‌کند.
در مدار فرمان شکل ۱۵ با فشردن شستی S2، بوبین K1 برق‌دار و کنتاکتور اصلی وصل میشود. با وصل این کنتاکتور، تیغه باز K1 وصل شده و کنتاکتور K2 (ستاره) را با برق‌دار کردن بوبین آن وصل می‌کند و موتور با سربندی ستاره راه‌اندازی میشود.
برای تغییر سربندی به حالت مثلث، شستی دو‌حالته S3، بوبین K2 را از مدار خارج و بوبین کنتاکتور K3 (مثلث) را برق‌دار می‌کند و تیغه‌های کنتاکتور ستاره، قطع و کنتاکتور مثلث وصل میشود.
لازم به ذکر است که مدار شکل ۱۵ یک مدار ستاره-مثلث دستی است. می‌توان به آسانی یک تایمر نیز به مدار اضافه کرد که به صورت خودکار، پس از مدت‌زمان رسیدن سرعت موتور به ۷۵ درصد دور نامی، مدار را از حالت ستاره به حالت مثلث سوئیچ کند.
مدار فرمان چپگرد و راستگرد
از مدار فرمان چپگرد و راستگرد برای تغییر جهت چرخش شفت موتور استفاده میشود. به طور مثال، برای تغییر جهت حرکت کابین آسانسور، نیاز به مدار فرمان چپگرد و راستگرد است. شکل ۱۶، مدار فرمان و مدار قدرت چپگرد و راستگرد را در حالت دستی نشان می‌دهد.
مدار فرمان ستاره-مثلث چپگرد و راستگرد
در برخی کاربردها نیاز است که جهت چرخش یک موتور توان بالا که به روش ستاره-مثلث راه‌اندازی شده است را تغییر داد. در این صورت می‌توان از ترکیب روش ستاره-مثلث و روش چپگرد و راستگرد استفاده کرد. مدار فرمان و مدار قدرت این روش را در شکل ۹ مشاهده می‌کنید.
در مدار شکل ۱۷ از شستی S2 برای راه‌اندازی مدار در جهت راستگرد استفاده میشود. فشردن شستی S2 بوبین کنتاکتور اصلی (K1) و در پی آن بوبین کنتاکتور ستاره (K3) را برق‌دار می‌کند. در این حالت، با وصل تیغه‌های این دو کنتاکتور، مدار به‌صورت ستاره راه‌اندازی میشود.
با فشردن شستی S4، بوبین کنتاکتور ستاره (K3) قطع و کنتاکتور مثلث (K4) وصل شده و مدار به حالت مثلث تغییر می‌کند. اگر بخواهید جهت چرخش موتور را به چپگرد تغییر دهید، ابتدا باید موتور را توسط شستی S1 متوقف کنید.
با فشردن شستی S3، ابتدا بوبین K2 (کنتاکتور چپگرد) و سپس بوبین K3 برق‌دار شده و با بسته شدن تیغه‌های K3 مدار در حالت ستاره راه‌اندازی میشود. مانند حالت قبل با فشردن شستی S4 می‌توان اتصال موتور را به حالت مثلث تغییر داد. کنتاکتور K2 با جابجایی دو تا از فازها جهت چرخش موتور را عوض می‌کند.
مدار فرمان یکی پس از دیگری
شکل ۱۸، مدار فرمان و مدار قدرت دو موتور به‌صورت یکی پس از دیگری را در حالت دستی نشان می‌دهد. این مدار شامل کنتاکتور، کلید مینیاتوری و الکتروموتور است.
برای طراحی مدار فرمان نیاز به چه دانشی داریم؟
با توجه به حساسیت و اهمیت مدار فرمان در صنعت، دانش ناکافی در طراحی و پیاده‌سازی این مدارها صدمات جبران‌ناپذیری به سلامت اپراتورها و تجهیزات وارد می‌کند. لذا یک طراح مدار فرمان باید پیش از اقدام به طراحی، تخصص‌های ویژه‌ای را به دست آورده باشد. از جمله مهارت‌های لازم برای طراحی مدار فرمان موارد زیر را می‌توان نام برد.
- شناخت و تسلط بر مفاهیم اصولی برق
- توانایی شبیه‌سازی مدارهای الکتریکی با استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌ساز مانند اورکد
- آشنایی با ویژگی‌ها، عملکرد و نحوه استفاده از تجهیزات الکتریکی از جمله رله‌ها، سنسورها و انواع کنترلرها
- توانایی انتخاب و سایزینگ صحیح قطعات با توجه به عواملی مانند جریان، ولتاژ، توان و محدودیت‌های دیگر
- آشنایی با منابع تغذیه مناسب مدار فرمان از نظر بازه تغییرات ولتاژ و جریان
- تسلط بر نقشه‌های الکتریکی و دیاگرام‌های مدار فرمان.
- تسلط بر نرم‌افزارهای طراحی برای ترسیم نقشه‌های الکتریکی مانند Eplan
- آشنایی با استانداردهای بین‌المللی در حوزه برق (مانند IEC)
نرم‌افزارهای طراحی مدار فرمان
برای طراحی مدار فرمان از نرم افزارهایی مثل Eplan استفاده می‌کنند. نرم‌افزار Eplan توسط یک شرکت آلمانی ارائه شده است و به عنوان یکی از قدرتمندترین و پرکاربردترین نرم‌افزارهای نقشه‌کشی صنعتی شناخته میشود.
تهیه مدارک و مستندات برقی، انجام تحلیل‌های مختلف و امکان مدیریت پیشرفته اجزای پروژه از قابلیت‌های این نرم‌افزار سودمند است. به واسطه این ویژگی‌ها نرم‌افزار Eplan محبوبیت زیادی میان مهندسان و تکنسین‌های برق دارد.
به جز Eplan از نرم‌افزارهایی دیگری مانند Cad-E ،SmartDraw و AutoCad نیز می‌توان برای کشیدن نقشه‌های الکتریکی استفاده کرد.
جمع‌بندی
با توجه به اهمیت مدارهای فرمان در کنترل پروسه‌های صنعتی و کاربرد فراگیر آن‌ها در همه صنایع، در این مقاله، این مدارها را بررسی کردیم. پس از بیان اصول کلی مدار فرمان، برای درک اهمیت آن‌ها در صنعت، مثال‌هایی از کاربرد این مدارها در صنایع مختلف آورده شد.
در ادامه تجهیزات پرکاربرد در تابلوهای برق صنعتی معرفی شدند و چند نمونه از پرکاربردترین مدارهای فرمان رله-کنتاکتوری که برای راه‌اندازی موتورها به‌کار می‌روند، مورد بررسی قرار گرفتند. با توجه به پیچیدگی و اهمیت مدار فرمان تخصص‌های متعددی برای طراحی و پیاده‌سازی این مدارها مورد نیاز است که در این متن به آن‌ها اشاره شد.
در پایان نیز چند نمونه از نرم‌افزاری نقشه‌کشی و طراحی مدارهای الکتریکی را نام بردیم.
منابع
https://www.realpars.com/blog/electrical-control-panel
https://plm.sw.siemens.com/en-US/nx/manufacturing/production-line-planning/industrial-electrical-design/
https://www.automationreadypanels.com/electrical-components/electrical-control-panel/
سوالات متداول
مدار فرمان دائم و لحظه‌ای، مدار فرمان چپگرد و راستگرد، مدار فرمان ستاره و مثلث، مدار فرمان از دو نقطه و مدار فرمان یکی پس از دیگری از پرکاربردترین مدارهای فرمان راه‌انداز موتور سه فاز است.
برای هر دو نوع مدار تکفاز و سه‌فاز با رعایت ملاحظات لازم می‌توان مدار فرمان را استفاده کرد.
یکی از متداول‌ترین نرم‌افزارها برای طراحی در این زمینه، نرم‌افزار Eplan است.
