تابلو برق یا کنترل پنل الکتریکی چیست؟

در این جلسه، قصد داریم تا با زبانی ساده شما را با مفاهیم مقدماتی کنترل پنل‌های الکتریکی آشنا کنیم.

تا به حال به این فکر کرده‌اید که یک خط مونتاژ خودرو چگونه کنترل می‌شود؟

در ادامه می‌خواهیم به این سوال پاسخ دهیم که چه چیزی فرآیند‌های مکانیکی بزرگ و کوچک مانند خط مونتاژ خودرو را کنترل می‌کند. این وسیله همان کنترل پنل الکتریکی است.

برای اینکه درک درستی از این ابزار پیدا کنیم، می‌توانیم بگوییم که کنترل پنل الکتریکی چیزی شبیه بدن انسان است. در درون بدن ما اندام‌های حیاتی زیادی وجود دارند که بر آنچه پیرامون ما رخ می‌دهد نظارت دارند و آنها را کنترل می‌کنند.

دقیقا به طور مشابهی، کنترل پنل هم یک جعبه‌ی فلزی است که درون آن دستگاه‌ها و تجهیزات الکترونیکی مختلفی وجود دارند که این دستگاه‌ها فرآیندهای مکانیکی را به صورت الکتریکی کنترل کرده و بر آنها نظارت دارند.

بسیارخب، بیایید به تشریح جزییات این کنترل پنل‌ها بپردازیم. ابتدا از بدنه و محفظه شروع کنیم.

1. ویژگی‌‌های محفظه‌ی کنترل پنل

منظور از محفظه‌ی کنترل پنل همان جعبه‌ی فلزی است که تمام محتویات یک کنترل پنل شامل تمام دستگاه‌ها و تجهیزات آن را در بر می‌گیرد. این محفظه‌ها معمولا از جنس آلومینیوم یا استیل ضد زنگ هستند و ابعاد آنها بسته به پروسه‌ی تحت کنترل و میزان تجهیزات درونی‌شان متفاوت است.

این محفظه‌ها، می‌توانند بخش‌های متعددی داشته باشند که هر بخش درب جداگانه‌ای برای دسترسی دارد. معمولا سایز کنترل پنل‌ها را با اشاره به تعداد درهای محفظه‌ی آن ذکر می‌کنند، مثلا کنترل پنل یک درب یا دو درب.

این محفظه‌ها دارای یک درجه‌ی محافظت الکتریکی هستند که توسط UL صادر می‌شود. UL یا Underwriters Laboratorie، آزمایشگاهی بین‌المللی برای تعیین درجه‌ی حفاظت (ایمنی) تجهیزات الکترونیکی است.

همچنین یک شناسه‌ی IP و یک گروه‌بندی NEMA نیز دارند که براساس آن، اینکه محفظه برای استفاده در فضاهای سرپوشیده مناسب است یا محیط‌های روباز بیرونی، یا اینکه آیا محفظه ضدآب است یا خیر، در شرایط ویژه و بحرانی مقاومت دارد یا خیر، در برابر نفوذ ذرات آلودگی، در برابر انفجار و … مقاومت دارد یا خیر مشخص می‌شود.

در قسمت بعدی، سری به داخل محفظه می‌زنیم و اجزایی را بررسی کنیم که الکتریکی نیستند اما نقش مهمی در کار کنترل پنل ایفا می‌کنند.

مطلب پیشنهادی: HMI چیست و چه کاربردی دارد؟

2. پنل‌های پشتی، دین ریل‌ها، داکت‌های سیم‌کشی

از پنل پشتی شروع کنیم. یک ورقه‌ی فلزی که از داخل در قسمت پتی محفظه نصب می‌شود و کاربرد آن در نصب حفره‌هایی برای نگه داشتن تجهیزات الکتریکی درون کنترل پنل است. این حفره‌ها همان دین ریل‌ها (DIN rail) هستند. یک قطعه‌ی باریک، بلند و ریل مانند فلزی که که عرض و طول آن اندازه‌ی استانداری دارند و برای نصب کردن تجهیزات استفاده می‌شود و آخرین مورد این بخش، داکت‌های سیم‌کشی، همان‌طور که ممکن است خودتان هم بدانید، کاربرد داکت‌ها در دو چیز است، اولا در سیم‌کشی منظم و بهینه و ثانیا در کاهش نویز و کاهش تاثیرات سیم‌های قسمت‌های مختلف بر هم.

و بالاخره نوبت به تجهیزات الکترونیکی درون کنترل پنل می‌رسد.

3. اجزای الکتریکی درون کنترل پنل‌ها

3.1 مدار شکن اصلی

این مدارشکن (circuit breaker) در محل اولین نقطه‌ی ورود جریان اصلی به کنترل پنل نصب می‌شود. جریان تمام قسمت‌ها از این جریان منشعب می‌شود پس می‌توان گفت که این مدارشکن ناظر به تمام اجزاء کنترل پنل عمل می‌کند. معمولا دکمه‌ی قطع‌کننده‌ی جریان این مدارشکن در جایی خارج از کنترل پنل نصب می‌شود تا در مواقع لزوم جریان را قطع کنیم و البته به خاطر داشته باشید که مسیر بالایی مدارشکن حتی در صورت قطع کردن جریان توسط مدارشکن نیز همچنان حامل جریان خواهد بود.

معمولا ولتاژی که در کنترل پنل‌ها استفاده می‌شود چیزی مابین 120 ولت تا 480 ولت است.

3.2 برقگیر یا همان سرج ارستر

جریان پس از ورود به کنترل پنل و عبور از مدار شکن وارد برق‌گیر (surge arrester) می‌شود. برقگیر وسیله‌ای است که از تمام تجهیزات داخلی کنترل پنل در برابر پیک‌های ناگهانی ولتاژ و جریان محافظت می‌کند. این پیک‌های ناگهانی ممکن است به هر دلیلی مانند رعدوبرق، استفاده از منابع تامین قدرت قوی‌تر و … به وجود بیایند.

3.3 ترانسفورماتور و منبع تغذیه‌ی 24 ولت

ولتاژ ورودی به کنترل پنل قبل از ورود به تجهیزات داخلی، وارد ترانسفورماتور می‌شود تا به ولتاژ‌های کوچک‌تر قابل استفاده برای آن ابزارها تبدیل شود. اگر ولتاژ ورودی همان ولتاژ آستانه‌ی پایین یعنی 120 ولت باشد، نیازی به عبور از ترانسفورماتور نیست و وجود یک منبع تغذیه‌ی 24 ولت کفایت می‌کند. این منبع تغذیه 120 ولت را دریافت کرد و ولتاژ 24 ولت تحویل می‌دهد. اما اگر ورودی بیش از 120 ولت باشد، معمولا از ترانسفورماتور استفاده می‌شود.

مطلب پیشنهادی: برنامه‌‌نویسی PLC با منطق نردبانی

بنابراین تا این مرحله، جریان و ولتاژ ورودی، وارد کنترل پنل شده، از مدارشکن عبور کرده و به واسطه‌ی ترانسفورماتور یا منبع تغذیه به ولتاژ‌های کوچک‌تر تبدیل شده و این ولتاژ‌های کوچک‌تر، اکنون آماده‌اند که به ترمینال‌های ورودی تجهیزات بروند و البته در حالت‌هایی هم ممکن است مجددا مسیرهایی را طی کنند تا به مقصد وسیله‌ی موردنظر برسند.

3.4 بلوک ترمینال‌ها

یک بلوک ترمینال از دو ترمینال تشکیل شده است که می‌توانند دو یا چند سیم را به هم متصل کنند.

بلوک ترمینال با کمک دین ریل‌ها می‌تواند به بلوک‌های متعدد موجود در پنل وصل شود و از این طریق توان را از منبع دریافت نموده و به آنها منتقل کند.

3.5 کنترلر منطقی برنامه‌پذیر یا همان PLC

دستگاه‌ دیگری که در پنل وجود دارد و قلب اصلی کنترل پروسه‌ی صنعتی و نظارت بر آن است، همان PLC نام‌ آشناست که در جلسات قبلی در آموزش‌های مختلفی به آن پرداخته‌ایم.

در اینجا PLC قلب تپنده و مرکز فرماندهی عملیات کنترل و نظارت است. می‌دانیم که درون هر PLC یک واحد پردازنده مرکزی (CPU) وجود دارد که برنامه‌ی منطقی کنترل در آن نگه‌داری می‌شود.

تمام ورودی‌ها و خروجی‌هایی که در کنترل و نظارت بر آن خط مونتاژ یا … نقش دارند، با این بخش (PLC) در ارتباط هستند.

اما در مورد بلوک ترمینال صحبت کردیم و گفتیم که سیم‌های زیادی از این بلوک‌ها به سمت پورتهای ورودی/خروجی ابزارها می‌روند. این سیم‌ها همان واسط‌های ارتباطی برای کنترل فرآیند هستند که داده‌ی مورد نیاز PLC را نیز تامین خواهند کرد.

ابزارهایی که به قطعات میدانی معروف هستند (Field Devices)، مانند سوییچ‌های مجاورتی، برخی سنسورها و … نیز بر روی خطوط تولید نصب می‌شوند تا با جمع‌آوری داده و ارسال فیدبک، به کمک PLC بیایند. بنابراین کنترل فرآیند نتیجه‌ی کار جمعی تمام این قسمت‌ها و البته با مدیریت PLC محسوب می‌شود.

3.6 رله‌ها و کنتاکتورها

خروجی‌های PLC به سوی مخزنی از رله‌ها می‌روند که در آنجا این رله‌ها با باز و بسته کردن اتصالات داخلی، باعث صدور فرمان ON و OFF به دستگاه‌های خط تولید می‌شوند. برای کنترل تجهیزات سبک و کوچک مانند فن‌ها، چراغ‌ها و … از رله‌های کوچک و برای کنترل تجهیزات بزرگ از رله‌های بزرگ‌تر استفاده می‌شود. به این رله‌های بزرگ کنتاکتور گفته می‌شود.

مطلب پیشنهادی: فیلدباس چیست؟

3.7 سوییچ شبکه

در درون کنترل پنل، ما هم‌چنین سوییچ شبکه را هم داریم که معمولا در جایی در همان نزدیکی PLC نصب می‌شود. تغذیه‌ی مورد نیاز این سوییچ 24 ولت است و از آن به عنوان یک رابط یا هاب ارتباطی میان PLC و تجهیزاتی از خط مونتاژ که آنها نیز به شبکه متصل هستند، استفاده می‌شود.

3.8 رابط کاربری انسان و ماشین

یکی دیگر از مهم‌ترین دستگاه‌های موجود در کنترل پنل که آخرین موردی است که در اینجا معرفی می‌کنیم، رابط کاربری انسان و ماشین یا HMI است.

HMI را می‌توان به صورت دستی نصب کرد و معمولا یا آن را بر روی قسمت خارجی درب کنترل پنل نصب می‌کنند و یا بر روی یک پنل ریموت که در نزدیکی تجهیزات خط تولید قرار داده می‌شود.

همان‌طور که در جلسات قبلی در مورد HMI به تفصیل صحبت کردیم، ابزاری بسیار دینامیک و قابل تنظیم برای کمک به اپراتور در کنترل و نظارت بر فرآیند و عملکرد ماشین‌ آلات است.

PLC از طریق شبکه سیگنال‌های کنترلی‌ای را به HMI ارسال می‌کند و HMI نیز متقابلا سیگنال‌هایی را در راستای کنترل ماشین ‌آلات به PLC می‌فرستد.

اما در پایان، در چند خط آخر به جمع‌بندی مختصری از آنچه آموختیم بپردازیم.

گفتیم که در هر کنترل پنل الکتریکی، تغذیه‌ و توان ورودی پس از طی مراحل ایمنی و تبدیل، به قسمت‌ها و تجهیزات مختلفی که در آن وجود دارند می‌رود و به این ترتیب یک کار گروهی در راستای کنترل یک فرآیند بزرگ یا کوچک و نظارت بر آن صورت می‌گیرد.

هم‌چنین گفتیم که کنترل پنل‌ها در سایزهای مختلف تولید می‌شوند اما در نهایت محتویات داخلی تمام آنها مشترک و شامل همین چیزهایی‌ است که در اینجا با هم مرور کردیم.