شماتیک رله و نقشه آن — از صفر تا صد

رله یک کلید الکترومغناطیسی است که مدارها را به صورت الکترومکانیکی یا الکترونیکی باز و بسته می‌کند. در واقع، رله قطعه‌ای است که با یک جریان الکتریکی نسبتاً کوچک می‌تواند یک جریان الکتریکی بسیار بزرگ‌تر را روشن یا خاموش کند. رله‌ها مانند برخی از وسایل الکتریکی کار می‌کنند، زیرا سیگنال الکتریکی دریافت کرده و با روشن و خاموش کردن کلید، سیگنال را به سایر تجهیزات ارسال می‌کنند. اگر کنتاکت رله در حالت عادی بسته یا در حالت عادی باز باشد، بدون وجود برق خطی آن را تهدید نمی‌کند. در صورت اعمال جریان الکتریکی به کنتاکت‌ها، وضعیت رله تغییر می‌کند.

رله‌ها در موارد متنوعی به کار می‌روند. رله‌های الکترومغناطیسی از تجهیزات مختلف AC و DC محافظت می‌کنند. این تجهیزات همچنین به عنوان رله کمکی در سیستم‌های کنتاکت شماتیک حفاظتی رله، برای حفاظت دیفرانسیلی و حفاظت اضافه‌جریان یا کمبود جریان تجهیزات مختلف AC و DC استفاده می‌شوند. طرح رله پایلوت حامل جریان از خطوط انتقال محافظت می‌کند.

شماتیک رله

شکل زیر شماتیک رله و در واقع، بخش‌های داخلی آن را نشان می‌دهد. یک سیم‌پیچ کنترلی هسته آهنی را احاطه کرده است. هنگامی که جریان از سیم‌پیچ کنترل عبور می‌کند و سپس میدان مغناطیسی را تشکیل می‌دهد که به یک آهنربای الکتریکی می‌انجامد. آهنرب از طریق کنتاکت‌ها به بار و یک کلید کنترل به منبع تغذیه متصل می‌شود. بازوی تماس فوقانی جذب بازوی ثابت پایین می‌شود و سپس کنتاکت‌ها را که منجر به اتصال کوتاه می‌شود، می‌بندد. سپس کنتاکت در جهت مخالف حرکت می‌کند و پس از خاموش شدن رله‌، یک مدار باز ایجاد می‌کند.

هنگامی که جریان سیم‌پیچ قطع است، آرمیچر متحرک به موقعیت اولیه خود باز می‌گردد. نیرویی که باعث حرکت آن می‌شود تقریباً برابر با نصف نیروی مغناطیسی خواهد بود. فنر و گرانش این نیرو را تأمین می‌کنند.

رله‌ها می‌توانند سطوح ولتاژ مختلف عمل کنند. اولین مورد در فشار ضعیف و دیگری در کاربردهای فشار قوی است. رله برای کاهش نویز کل مدار در کاربردها ولتاژ پایین استفاده می‌شود. از طرف دیگر، رله ها باعث کاهش قوس الکتریکی در کاربردها فشار قوی می‌شوند.

برای آشنایی بیشتر با شماتیک رله و سایر تجهیزات الکتریکی، پیشنهاد می‌کنیم به مجموعه آموزش های مهندسی قدرت مراجعه کنید که توسط فرادرس تهیه شده و لینک آن در ادامه آورده شده است.

ترمینال‌های رله

شکل زیر شماتیک رله و در واقع، ترمینال‌های آن (ترمینال‌های در حالت عادی باز، در حالت عادی بسته و مشترک) را نشان می‌دهد.

• ترمینال در حالت عادی باز (NO): اگر می‌خواهید دستگاه هنگام خاموش شدن رله خاموش باشد و هنگام روشن شدن رله روشن باشد، دستگاه خود (به عنوان مثال، LED یا هرگونه بار دیگری) را به این ترمینال وصل کنید.
• ترمینال در حالت عادی بسته (NC): اگر می‌خواهید دستگاهتان هنگام روشن شدن رله خاموش باشد و در حالت عادی روشن نشود، به آن را به این پایانه متصل کنید.
• ترمینال مشترک: این ترمینال، ترمینالی از رله است که ابتدا یک سر مدار خود را باید به آن وصل کنید. هنگامی که رله تغذیه شده و سوئیچ بسته می‌شود، ترمینال مشترک و ترمینال در حالت عادی باز مدار را می‌سازند. از طرف دیگر، هنگامی که رله تغذیه نمی‌شود و سوئیچ باز است، ترمینال مشترک و ترمینال در حالت عادی بسته مدار را تشکیل می‌دهند.
• سیم‌پیچ: پایانه‌هایی است که در آن ولتاژ را برای تغذیه سیم‌پیچ‌ها اعمال می‌کنید که در نهایت سوئیچ را می‌بندد. در اینجا، قطبیت مهم نیست. هر یک از طرفین می‌تواند منفی یا مثبت باشد. با این حال، هنگام استفاده از دیود، قطبیت اهمیت دارد.

ترمینال‌های رله ۵ ولت

شکل زیر ترمینال‌های رله SRD-۰۵VDC-SL-C را نشان می‌دهد.

نقش و عملکرد هر یک از پایه‌های رله شکل بالا به صورت زیر است:

• پایه در حالت عادی بسته: پایه‌ای است که هنگام تغذیه رله باز می‌شود.
• پایه مشترک: پایه‌ای است که به بار متصل می‌شود.
• پایه در حالت عادی باز: پایه‌ای است که هنگام تغذیه رله بسته می‌شود.
• پایه زمین: به زمین متصل می‌شود.
• پایه Vcc: رله را تغذیه می‌کند.
• پایه سیگنال: پایه کنترل رله است.

شماتیک رله ۵ ولت

شکل زیر شماتیک رله SRD-05VDC-SL-C پنج ولت را به همراه یک آردوینو نشان می‌دهد که یک لامپ را کنترل می‌کند.

اتصال پایه S ورودی است. پایه + به منبع تغذیه ۵+ ولت DC متصل می‌شود، در حالی که پین – به منبع تغذیه متصل می‌شود. رله و LED زمانی کار می‌کنند که سیگنال High روی ورودی S وجود داشته باشد. دیود روی سیم‌پیچ رله برای جلوگیری از نیروی محرکه الکتریکی سیم‌پیچ تعبیه شده است. ترانزیستور افزایش جریان را فراهم می‌کند و یک جریان ورودی کوچک می تواند نیاز جریان نسبتاً زیادی را برای کار کردن سیم‌پیچ رله تأمین کند.

می‌توانید ورودی S برد رله را به هر یک از خروجی‌های دیجیتال Arduino Uno متصل کنید. در شکل بالا، به پین ۱۳ متصل است که می‌تواند روشن و خاموش شود. لامپ و باتری ۱۲ ولت به صورت سری به ترمینال مشترک و در حالت عادی باز (NO) ماژول اتصال دارند. هنگامی که خروجی آردوینو High است، رله کار می‌کند و لامپ را روشن می کند. افزودن یک لامپ دیگر به پین در حالت عادی بسته (NC) رله به ایجاد مداری با لامپ‌های چشمک‌زن متناوب می‌انجامد.

شماتیک رله در نمودار نردبانی

رله‌های الکترومکانیکی را می‌توان برای اهدادف عملکرد منطقی و کنترلی به هم متصل کرد تا مانند گیت‌های دیجیتالی (AND ،OR و غیره) به عنوان عناصر منطقی عمل کنند. یک شکل بسیار رایج از نمودار شماتیک که ارتباط متقابل رله‌ها را برای انجام این عملکردها نشان می‌دهد، نمودار نردبانی نامیده می‌شود. در نمودار نردبانی، دو قطب منبع تغذیه به صورت ریل‌های عمودی نردبان ترسیم شده‌اند، پله‌های افقی نیز کنتاکت‌های سوئیچ، کنتاکت‌های رله، سیم‌پیچ‌های رله و عناصر کنترل نهایی (لامپ‌ها، سیم‌پیچ‌های برقی، موتورها و…) را نشان می‌دهند که بین ریل‌های برق قرار گرفته‌اند.

نمودارهای نردبانی با نمودارهای منظم معمولی که بین تکنسین‌های الکترونیک رایج است، عمدتاً در جهت دقیق سیم‌کشی متفاوت است: «ریل» عمودی قدرت و «پله» افقی فرمان است. نمادها نیز کمی با علامت الکترونیکی رایج تفاوت دارند: سیم‌پیچ‌های رله به صورت دایره کشیده می‌شوند و کنتاکت‌های رله به روشی شبیه خازنها رسم می‌شوند.

برخلاف نمودارهای شماتیک که ارتباط بین سیم‌پیچ‌های رله و کنتاکت‌های رله با خطوط خط‌کشی نشان داده می‌شود، نمودارهای نردبانی سیم‌پیچ‌ها و کنتاکت‌ها را با برچسب مرتبط می‌کنند. گاهی اوقات می‌توانید کنتاکت‌های رله را که با سیم‌پیچ برچسب‌گذاری شده‌اند (به عنوان مثال سیم‌پیچ با برچسب CR۵ و همه کنتاکت‌های مربوط به آن رله نیز با CR۵ برچسب‌گذاری شده) پیدا کنید، در مواقعی دیگر اعداد پسوندی را خواهید یافت که برای تشخیص کنتاکت‌های دیگر رله از یکدیگر استفاده می‌شود (به عنوان مثال سیم‌پیچ با برچسب CR۵ و سه کنتاکت آن با برچسب CR۵-۱ و CR۵-۲ و CR۵-۳).

یکی دیگر از موارد قابل توجه در مدارهای رله و نمودارهای نردبانی آن‌ها این است که هر سیم در مدار دارای عددی است که مربوط به نقاط اتصال مشترک است. یعنی سیم‌های متصل به یکدیگر همیشه دارای یک شماره هستند: عدد مشترک یک شرط مشترک الکتریکی را مشخص می‌کند (همه نقاط دارای عدد یکسان برابر یکدیگر هستند). اعداد سیم فقط زمانی تغییر می‌کند که اتصال از طریق سوئیچ یا دستگاه دیگری که می‌تواند ولتاژ را کاهش دهد عبور کند.

یک نمودار نردبانی واقعی از یک سیستم کنترل موتور مبتنی بر رله در شکل زیر نشان داده شده است. این نمودار همراه با ویرایش‌های قرمزی است که تغییرات در مدار ساخته شده توسط یک برقکار صنعتی را نشان می‌دهد.

شاید مبهم‌ترین جنبه مدارهای کنترلی مبتنی بر رله برای درک افراد تازه‌کار معنای «در حالت عادی» (Normally) باشد، زیرا در مورد وضعیت کنتاکت‌های رله صدق می‌کند. همان‌طور که قبلاً پی برده‌اید، «در حالت عادی» در این زمینه – خواه وضعیت سوئیچ‌های دستی، سوئیچ‌های فرایند یا کنتاکت‌های سوئیچ در رله‌های کنترل – به معنی «در حالت استراحت» یا «بدون تحریک» است. به عبارت دیگر، یک کنتاکت رله «در حالت عادی باز» زمانی باز است که سیم‌پیچ رله بدون تغذیه باشد و هنگام تغذیه سیم‌پیچ رله بسته شود. به همین ترتیب، یک کنتاکت رله «در حالت عادی بسته» هنگامی که سیم‌پیچ رله بدون توان (برق) است بسته است و هنگامی که سیم‌پیچ رله تغذیه می‌شود، باز خواهد شد.

برای نشان دادن این مفهوم، یک مدار کنترل رله را بررسی می‌کنیم که در آن یک سوئیچ فشار چراغ سیگنال را فعال می‌کند.

در اینجا، هم سوئیچ فشار و هم کنتاکت رله (CR۱-۱) به صورت کنتاکت‌های سوئیچ در حالت عادی بسته ترسیم می‌شوند. این بدان معناست که کنتاکت سوئیچ فشار زمانی بسته می‌شود که فشار وارد شده کمتر از نقطه تریپ (۵۰PSI) باشد و هنگامی که سیم‌پیچ رله بی‌برق می‌شود، کنتاکت سوئیچ رله بسته می‌شود.

هنگام تجزیه و تحلیل عملکرد یک سیستم کنترل رله، نشان دادن موقت وضعیت رسانایی کنتاکت‌های سوئیچ و وضعیت انرژی سیم‌پیچ‌های رله (مثلاً نمادی که ممکن است با استفاده از مداد روی نمودار ترسیم کنیم) به درک عملکرد مدار کمک می‌کند. نمادی که توصیه می‌کنیم استفاده از علامت‌های پیکان و “X”، به ترتیب، برای نشان دادن جریان قدرت و نبود جریان قدرت است. این نمادها به وضوح وضعیت اجزا را نشان می‌دهند در حالی که از اشتباه گرفتن با نمادهای مورد استفاده برای نشان دادن وضعیت عادی کنتاکت‌های سوئیچ جلوگیری می‌شود.

در نمودار زیر، فرض می‌کنیم که فشار اعمال شده کمتر از ۵۰PSI است و سوئیچ فشار را در حالت «عادی» (بسته) خود قرار می‌دهد.

از آنجا که فشار برای فعال کردن سوئیچ فشار کافی نیست، کنتاکت آن در حالت عادی (بسته) باقی می‌ماند. این وضعیت توان را به سیم‌پیچ CR۱ رله می‌فرستد، بنابراین کنتاکت CR۱-۱ را فعال کرده و آن را در حالت باز نگه می‌دارد. با کنتاکت CR۱-۱ باز شده، چراغ هشدار هیچ توانی دریافت نمی‌کند. در این مثال ما سوئیچ فشار را در حالت «عادی» خود می‌بینیم، اما رله در حالت فعال است.

با استفاده از نمادهای پیکان و “X” دوباره برای نشان دادن وجود یا عدم وجود توان در این مدار، اکنون وضعیت آن را با فشار سوئیچ اعمال شده بیشتر از ۵۰PSI تجزیه و تحلیل می‌کنیم.

اکنون که فشار سیال کافی روی سوئیچ اعمال می‌شود تا آن را فعال کند، کنتاکت آن با فشار وارده فعال می‌شود که برای این سوئیچِ «در حالت عادی بسته» باز خواهد بود. این حالت سیم‌پیچ CR۱ رله را خاموش می‌کند و اجازه می‌دهد کنتاکت رله CR۱-۱ به حالت اولیه (بسته) برگردد، بنابراین توان را به لامپ هشدار ارسال می‌کند. از این تجزیه و تحلیل می‌بینیم که لامپ عملکرد زنگ هشدار فشار بالا را برآورده می‌کند و هنگامی که فشار اعمال شده از نقطه تریپ فراتر می‌رود، انرژی‌دار می‌شود.

مواردی که افراد تازه‌کار معمولاً دچار ابهام می‌شوند، این است که فکر می‌کنند سوئیچ در همان حالتی است که کشیده شده است. این لزوماً درست نیست. نحوه ترسیم کنتاکت‌های سوئیچ صرفاً منعکس‌کننده وضعیت عادی آن‌هاست که توسط سازنده سوئیچ تعریف شده است و به معنی وضعیت سوئیچ در زمانی است که هیچ محرکی وجود ندارد. اینکه آیا سوئیچ در واقع در حالت عادی خود در هر زمان معین قرار دارد یا خیر، به این پرسش بستگی دارد که آیا محرک کافی برای فعال کردن آن سوئیچ وجود دارد یا نه. فقط به این دلیل که یک سوئیچ در حالت عادی بسته شده است لزوماً به این معنی نیست که وقتی برای تجزیه و تحلیل بسته در نظر گرفته شود. در واقع، برای این حالت سوئیچ زمانی بسته می‌شود که هیچ چیز آن را فعال نکند.

این اصل دقیقاً در برنامه‌نویسی منطقی نردبانی در سیستم‌های کنترل الکترونیکی موسوم به PLC (کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی) صدق می‌کند. در PLC، یک ریزپردازنده دیجیتال توابع منطقی را که به طور سنتی توسط رله‌های الکترومکانیکی پیاده می‌شود، با برنامه‌ریزی قبلی از نمودار رله (که نمودار «منطق نردبانی» نیز نامیده می شود) عملی می‌کند.

در اینجا، دقیقاً همان مدار زنگ فشار بالا را با استفاده از پی‌ال‌سی Allen-Bradley MicroLogix ۱۰۰۰ به جای سیم‌پیچ رله، پیاده می‌کنیم.

فرض کنید فشار سیال ۳۶PSI به کلید فشاری وارد می‌شود. این مقدار کمتر از تنظیم سوئیچ ۵۰PSI است و سوئیچ را در حالت «عادی» (بسته) خود می‌گذارد. این امر توان را به ورودی I:۰/۲ پی‌ال‌سی ارسال می‌کند. کنتاکت دارای برچسب I:۰/۲ که در برنامه منطقی نردبانی PLC ترسیم شده است، مانند یک کنتاکت رله‌ای است که توسط یک سیم‌پیچ از پایانه ورودی I:۰/۲ تغذیه می‌شود. بنابراین، کنتاکت سوئیچ فشار بسته پایانه ورودی I:۰/۲ را فعال می‌کند، که به نوبه خود نماد کنتاکت در حالت عادی باز I:۰/۲ را که در برنامه منطق نردبانی ترسیم شده است «می‌بندد».

این کنتاکت «مجازی» توان مجازی را به سیم‌پیچ مجازی با برچسب B۳:۰/۰ ارسال می‌کند، که چیزی بیشتر از یک بیت داده در حافظه ریزپردازنده PLC نیست. «انرژی‌دار شدن» این سیم‌پیچ مجازی هرگونه کنتاکت را که در برنامه با برچسب یکسان کشیده شده است، «فعال» می‌کند. این بدان معناست که کنتاکت در حالت عادی بسته B۳:۰/۰ «فعال» می‌شود و بنابراین در حالت باز است، و توان مجازی را به سیم‌پیچ خروجی O:0/1 ارسال نمی‌کند. با سیم‌پیچ مجازی O:۰/۱ «بدون توان»، خروجی واقعی O:۰/۱ در PLC از نظر الکتریکی باز است و لامپ هشدار خاموش است.

اگر فشار سیال ۶۱PSI را روی کلید فشاری وارد کنیم، تماس سوئیچ فشار در حالت عادی بسته به حالت باز (اجباری) فعال می‌شود. این امر باعث کاهش انرژی ورودی I:۰/۲ پی‌ال‌سی می‌شود، بنابراین کنتاکت مجازی در حالت عادی باز در برنامه PLC با برچسب یکسان «باز» می‌شود. این کنتاکت مجازی «باز» توان مجازی به سیم‌پیچ مجازی B۳:۰/۰ را قطع می‌کند و باعث می‌شود کنتاکت مجازی در حالت عادی بسته B۳:۰/۰ «بسته» شود و توان مجازی را به سیم‌پیچ مجازی O:۰/۱ ارسال می‌کند. هنگامی که این سیم‌پیچ خروجی مجازی «انرژی» می‌گیرد، کانال خروجی واقعی PLC فعال می‌شود و توان واقعی را به چراغ هشدار ارسال می‌کند تا آن را روشن کند، که نشان‌دهنده وضعیت هشداد فشار قوی است.

می‌توانیم این برنامه PLC را با حذف رله کنترل مجازی B۳:۰/۰ و به سادگی با داشتن داشتن ورودی I:۰/۲ خروجی O:۰/۱ را از طریق یک کنتاکت مجازی «در حالت عادی بسته» فعال کنیم.

خروجی نهایی یکسان است. خروجی O:۰/۱ پی‌ال‌سی هر زمان که ورودی I:۰/۲ خاموش شود فعال می‌شود (هر زمان که کلید فشاری با فشار بالا باز می‌شود)، چراغ هشدار را در شرایط فشار بالا روشن می‌کند. در شرایط فشار پایین، ورودی I:۰/۲ با کنتاکت در حالت عادی بسته I: ۰/۲ مجبور می‌شود باز شود، بنابراین خروجی O:۰/۱ پی‌ال‌سی را خاموش کرده و چراغ هشدار را خاموش می‌کند.

کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی نه‌تنها سیم‌کشی کنترل‌های منطقی صنعتی را با جایگزینی تعداد زیادی رله الکترومکانیکی با ریزپردازنده ساده کرده‌اند و قابلیت‌های پیشرفته‌ای مانند شمارنده، تایمر، توابع ریاضی، ارتباطات و البته توانایی تغییر منطق کنترل را از طریق برنامه‌نویسی به جای سیم‌کشی مجدد رله‌ها دارند. زیبایی برنامه‌نویسی منطقی در این است که درک تکنسین از مدارهای کنترل رله سنتی را به شکل مجازی تبدیل می‌کند که در آن کنتاکت‌ها و سیم‌پیچ‌ها برای انجام عملکردهای کنترلی عملی با هم تعامل دارند. با این حال، یک مفهوم کلیدی برای تسلط، ارتباط شرایط واقعی برای تغییر وضعیت بر اساس نمایش «در حالت عادی» آن کنتاکت‌های سوئیچ است، چه سوئیچ‌ها واقعی (رله) یا مجازی (PLC) باشند. پس از تسلط بر این مفهوم مهم، درک مدارهای کنترل رله با سیم و برنامه‌های PLC امکان‌پذیر می‌شود. بدون تسلط بر این مفهوم مهم، مدارهای کنترل رله و برنامه‌های PLC به راحتی قابل درک نیستند.