مدار فرمان چیست؟ | بررسی اجزا، کاربردها و تفاوت با مدار قدرت

مدار فرمان یکی از بخش‌های کلیدی در سیستم‌های الکتریکی و کنترلی است که امکان مدیریت دستگاه‌ها و تجهیزات الکتریکی را فراهم می‌آورد. این سیستم‌ها به دلیل طراحی دقیق و استفاده از قطعات متنوع نظیر شستی‌ها، رله‌ها، کنتاکتورها و تایمرها، نقش مهمی در اتوماسیون صنعتی و خانگی دارند. با استفاده از مدار فرمان، می‌توان عملکرد تجهیزات را به‌ صورت ایمن، کارآمد و دقیق کنترل کرد. اهمیت مدار فرمان در افزایش ایمنی، کاهش مصرف انرژی و ارتقای بهره‌وری سیستم‌های مختلف بر کسی پوشیده نیست. مدار فرمان قلب تپنده سیستم‌های مختلف از کاربردهای ساده مانند روشن و خاموش کردن چراغ‌ها تا فرایندهای پیچیده‌ای مانند کنترل خطوط تولید است. در این مطلب، به بررسی مفاهیم اساسی مدار فرمان، اجزا، طراحی، و کاربردهای آن می‌پردازیم.

مدار فرمان چیست؟ 

مدار فرمان یک مدار الکتریکی است که برای کنترل عملکرد مدارها یا سیستم‌های دیگر طراحی شده است. مدارهای فرمان که به آن‌ها مدار کنترل نیز گفته می‌شود، جریان برق به بخش‌ها و تجهیزات قدرت را تنظیم می‌کنند و اغلب از سیگنال‌های ولتاژ پایین برای کنترل ولتاژ بالا استفاده می‌کنند. این مدارها بخش‌ جدایی‌ناپذیر سیستم‌های اتوماسیون مدرن هستند و امکان عملیات از راه دور، ترتیب‌بندی، زمان‌بندی و حفاظت و ایمنی را فراهم می‌کنند. مدارهای فرمان معمولاً از ترکیبی از سوئیچ‌ها، رله‌ها، حسگرها، تایمرها و سایر اجزا تشکیل شده اند که با هم کار می‌کنند تا به عملکرد کنترلی مورد نظر دست یابند. مدار فرمان می‌تواند بسته به کاربرد، ساده یا پیچیده باشد و از راه‌اندازی و توقف موتورها تا کنترل فرایندهای پیچیده صنعتی را شامل می‌شود.

تفاوت مدار فرمان و مدار قدرت

در سیستم‌های الکتریکی صنعتی، دو نوع مدار اساسی وجود دارد که نقش کلیدی دارند: مدار قدرت (Power Circuit) و مدار فرمان (Control Circuit). درک تفاوت این دو مدار برای طراحی، عیب‌یابی، و نگهداری تجهیزات الکتریکی بسیار ضروری است. مدارهای قدرت وظیفه‌ی تأمین انرژی الکتریکی برای دستگاه‌هایی مانند موتورها، هیترها و سایر ماشین‌آلات را بر عهده دارند. این مدارها ولتاژ و جریان‌های بالا را مدیریت می‌کنند و نیازمند قطعاتی مقاوم برای مدیریت توان بالا هستند. این مدارها در ولتاژها و جریان‌های بالا برای به کار انداختن تجهیزات صنعتی عمل می‌کنند و شامل اجزایی مانند کلیدهای قدرت، فیوزها، کنتاکتورها و کابل‌هایی با ظرفیت بالا که برای تحمل بارهای الکتریکی بالا هستند. وظیفه اصلی مدارهای قدرت تأمین انرژی لازم برای عملکرد ماشین‌آلات و تجهیزات است.

مدارهای فرمان وظیفه مدیریت عملکرد مدار قدرت را بر عهده دارند. این مدارها با ولتاژ و جریان‌های پایین‌تر کار می‌کنند و از قطعاتی برای ارسال سیگنال‌های کنترلی به دستگاه‌های مدیریت توان بهره می‌برند. مدارهای فرمان معمولاً با ولتاژ و جریان کم عمل می‌کنند که ایمنی را افزایش داده و استفاده از قطعات کوچک‌تر را ممکن می‌سازد. این مدارها شامل کلیدها، رله‌ها، شستی‌ها، سنسورها و تایمرها هستند که عملکرد دستگاه‌هایی مانند کنتاکتورها در مدار قدرت را کنترل می‌کنند. مدارهای فرمان به عنوان “مغز” سیستم عمل کرده و تصمیم‌گیری در مورد وضعیت عملیاتی ماشین‌آلات را مدیریت می‌کنند.

تفاوت‌های کلیدی بین مدار فرمان و مدار قدرت را می‌توان در موارد زیر خلاصه کرد: 

برای درک بهتر تفاوت مدار قدرت و مدار فرمان، یک سیستم راه‌انداز موتور الکتریکی را در نظر بگیرید. مدار قدرت این سیستم شامل کنتاکت‌های اصلی کنتاکتور است که برق ولتاژ بالا را به موتور متصل می‌کند. مدار فرمان نیز شامل شستی‌های استارت و استپ، بوبین کنتاکتور، و دستگاه‌های حفاظتی مانند رله حرارتی است که عملکرد کنتاکتور را مدیریت کرده و موتور را کنترل می‌کند. 

اجزای اصلی مدار فرمان 

مدار فرمان بخش حیاتی در سیستم‌های الکتریکی است که وظیفه کنترل و نظارت بر دستگاه‌ها و فرایندهای صنعتی را بر عهده دارد. این مدار با استفاده از اجزای مختلف، امکان راه‌اندازی، توقف، زمان‌بندی و حفاظت از تجهیزات را فراهم می‌کند. در ادامه، به معرفی و توضیح اجزای اصلی مدار فرمان می‌پردازیم. 

کنتاکتور

کنتاکتور یک کلید کنترل‌شده الکتریکی است که به یک مدار فرمان اجازه می‌دهد تا یک تجهیز الکتریکی پرقدرت مانند موتور، هیتر یا سیستم‌های روشنایی را مدیریت کند. هنگامی که جریان الکتریکی به سیم‌پیچ کنتاکتور اعمال می‌شود، میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود و کنتاکت‌ها را می‌بندد یا باز می‌کند و بدین ترتیب، قادر است جریان برق بار را وصل یا قطع کند. این تغییر وضعیت امکان کنترل از راه دور و اتوماتیک دستگاه‌ها را فراهم می‌کند. کنتاکتورها برای خودکار کردن سوئیچینگ مدارها بدون دخالت دست ضروری هستند. از آن‌ها معمولاً در مدارهای کنترل موتور، سیستم‌های تهویه مطبوع و سایر کاربردهای صنعتی استفاده می‌شود.

شستی

شستی‌های استارت و استاپ، به ترتیب، برای شروع یا توقف کار مدار فرمان استفاده می‌شوند. این قطعات تجهیزات مکانیکی ساده‌ای هستند که برای بستن یا باز کردن مدار کافی است آن‌ها را با انگشت فشار داد. معمولاً از شستی‌های سبز برای شروع به کار استفاده می‌شود و شستی‌های قرمز برای توقف مدار به کار می‌روند. این سوئیچ ها اغلب در کنترل پنل ها و رابط های اپراتور یافت می‌شوند.

رله حرارتی 

رله‌های حرارتی یا اضافه بار برای محافظت از موتورها و سایر تجهیزات الکتریکی در برابر اضافه جریان که می‌تواند باعث گرم شدن بیش از حد یا آسیب شود استفاده می‌شوند. این رله‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که زمانی که جریان از آستانه از پیش تعیین‌ شده فراتر رفت، آن تشخیص داده و سپس مدار را قطع می‌کنند تا از آسیب بیشتر جلوگیری شود. رله‌های اضافه بار معمولاً همراه با کنتاکتورها برای محافظت کامل از موتورهای الکتریکی و سایر بارها استفاده می‌شوند.

چراغ سیگنال 

چراغ سیگنال‌ها نشانگرهای بصری هستند که برای نشان دادن وضعیت عملیاتی یک مدار یا سیستم به کار می‌روند. این چراغ‌ها روی تابلوی فرمان نصب می‌شوند و وضعیت کاری دستگاه یا ماشین، نیاز به تعمیر و نگهداری آن و… را به اپراتور نشان می‌دهند. چراغ‌ سیگنال‌ سبز به طور کلی نشان می‌دهند که سیستم در حالت عادی کار می‌کند، در حالی که چراغ‌های قرمز یا زرد ممکن است نشان‌دهنده خطا یا هشدار باشند.

لیمیت سوئیچ

لیمیت سوئیچ قطعه‌ی مکانیکی است که موقعیت یک جسم یا قطعه ماشین را تشخیص می‌دهد. این سوئیچ‌ها معمولاً برای کنترل حرکت ماشین‌آلات استفاده می‌شوند تا اطمینان حاصل شود که قطعات فراتر از یک محدوده مشخص حرکت نمی‌کنند. به عنوان مثال، یک لیمیت سوئیچ می‌تواند یک تسمه نقاله را هنگامی که به یک نقطه خاص می‌رسد متوقف کند یا از کارکرد موتور هنگامی که به موقعیت آستانه حداکثر خود می‌رسد جلوگیری کند.

تایمر

تایمرها قطعاتی هستند که در عملکرد مدار فرمان تأخیر ایجاد می‌کنند. آن‌ها می‌توانند فعال یا غیرفعال کردن تجهیزات را برای یک زمان مشخص به تأخیر بیندازند و امکان زمان‌بندی و ترتیب بهتر عملیات را فراهم کنند. تایمرها در شرایطی که فرایندها نیاز به تأخیر دارند، مانند تجهیزات پخت و پز صنعتی یا فرایندهای کنترل شده با دما، ضروری هستند. بسته به کاربرد، می‌توان تایمرها را برای زمان‌های تأخیر مختلف تنظیم کرد.

فیوز

فیوزها قطعات ایمنی هستند که برای محافظت از مدارهای الکتریکی در برابر اضافه جریانی که می‌تواند باعث گرم شدن بیش از حد یا آتش‌سوزی شود از آن‌ها استفاده می‌شود. هنگامی که جریان عبوری از فیوز از حد نامی خود فراتر می‌رود، سیم داخل فیوز ذوب می‌شود، مدار را قطع و از آسیب بیشتر جلوگیری می‌کند. فیوزها در مدارهای فرمان و قدرت برای اطمینان از عملکرد ایمن و جلوگیری از آسیب تجهیزات حیاتی هستند.

سنسور

سنسورها پارامترهای فیزیکی مانند دما، فشار، رطوبت یا حرکت را تشخیص می‌دهند و با ارسال فیدبک به سیستم کنترل، آن را قادر می‌سازند تا اقدامات مناسب را بر اساس شرایط محیطی انجام دهد. به عنوان مثال، یک سنسور دما می‌تواند هیتر را برای حفظ دمای مورد نظر کنترل کند، در حالی که یک سنسور فشار جریان گاز یا مایع را در سیستم‌های صنعتی کنترل می‌کند.

ترموستات

ترموستات یک کلید حساس به دما است که معمولاً در مدارهای فرمان برای حفظ دمای خاص استفاده می‌شود. ترموستات ها به طور گسترده در سیستم‌های تهویه مطبوع مورد استفاده قرار می‌گیرند. هنگامی که دما به یک نقطه تنظیم می‌رسد، ترموستات سیستم‌های گرمایش یا سرمایش را فعال یا غیرفعال می‌کند و اطمینان حاصل می‌شود که محیط در محدوده مورد نظر باقی می‌ماند.

سایر اجزای مدار فرمان 

مدار فرمان علاوه‌بر اجزای اصلی، دارای تجهیزات متنوعی است که عملکرد آن را دقیق‌تر و ایمن‌تر می‌کنند. برخی از این اجزا عبارت‌اند از:

تجهیزات کنترلی و حفاظتی

• شستی قارچی (Emergency Stop): برای توقف اضطراری کل مدار.

• سلکتور سوئیچ: جهت انتخاب وضعیت‌های مختلف مدار (مثلاً دستی، اتوماتیک، یا خاموش).

• بریکر حرارتی-مغناطیسی: محافظت در برابر جریان بیش از حد یا اتصال کوتاه.

• رله ایزوله‌کننده: جلوگیری از تأثیر متقابل بخش‌های مختلف مدار.

• دیود هرزگرد: محافظت در برابر ولتاژ برگشتی ناشی از القای سیم‌پیچ‌ها.

• کنتاکت کمکی: ارسال سیگنال وضعیت باز یا بسته بودن کنتاکتور به مدار فرمان.

سنسورها و ابزارهای تشخیص

• سنسور مجاورتی: تشخیص اشیا بدون تماس فیزیکی.

• سنسور نوری: شناسایی اشیا با استفاده از نور.

• سنسور اولتراسونیک: اندازه‌گیری فاصله با امواج فراصوت.

• میکروسوئیچ: اجرای فرمان در شرایط خاص یا موقعیت‌های محدود.

تجهیزات کنترلی پیشرفته

• PLC (کنترلر منطقی برنامه‌پذیر): برای کنترل دقیق، قابل‌برنامه‌ریزی و اتوماتیک مدار.

• اینورتر: تبدیل برق DC به AC و کنترل سرعت موتورهای القایی.

• ترانزیستور: تقویت یا سوئیچ سیگنال‌های الکتریکی.

• دیمر: تنظیم شدت نور یا کنترل سرعت موتورهای کوچک.

تجهیزات تغذیه و اندازه‌گیری

• منبع تغذیه: تأمین ولتاژ و جریان موردنیاز مدار.

• رگولاتور ولتاژ: تثبیت ولتاژ ورودی به مدار.

• خازن: حذف نویز یا ذخیره انرژی موقت.

• رئوستا و مولتی‌ترن: کنترل و تنظیم جریان یا ولتاژ.

• آمپرمتر و ولت‌متر: نمایش جریان و ولتاژ در مدار.

تجهیزات مکانیکی و اتصالات

• کلید مغناطیسی: قطع و وصل ایمن در کاربردهای حساس.

• شیر برقی: کنترل جریان مایعات یا گازها در سیستم‌های هیدرولیکی و پنوماتیکی.

• کلید چرخی (روتاری): تغییر وضعیت‌های مدار با یک چرخش ساده.

• ترمینال و شینه: برای اتصال ایمن، منظم و حرفه‌ای سیم‌ها.

هشداردهنده‌ها

• بازر (Buzzer): صدای هشدار در صورت خطا یا وقوع وضعیت خاص.

انواع مدار فرمان 

مدارهای فرمان را می‌توان بر اساس عوامل مختلفی مانند روش کنترل، ولتاژ مورد استفاده، منبع انرژی، نوع دستگاه تحت کنترل، محیط عملیاتی، نوع عملکرد و ساختار مدار دسته‌بندی کرد. در ادامه، به این تقسیم‌بندی‌ها پرداخته و برای هر دسته مثالی را ارائه می‌کنیم.

انواع مدار فرمان بر اساس روش کنترل: 

• مدار فرمان دستی، مانند کلید شستی ساده برای روشن و خاموش کردن یک موتور یا کلید دو حالته برای انتخاب سرعت کم یا زیاد در یک فن 
• مدار فرمان نیمه‌اتوماتیک، مانند مدار فرمان با تایمر که اپراتور موتور را روشن می‌کند، اما خاموش شدن آن به‌ طور خودکار پس از زمان مشخص انجام می‌شود. 
• مدار فرمان اتوماتیک، مانند سیستم کنترل نوار نقاله با استفاده از سنسورهای مجاورتی  

انواع مدار فرمان بر اساس ولتاژ مورد استفاده: 

• مدار فرمان با ولتاژ AC، مانند مدار فرمان روشنایی صنعتی با کنتاکتور و تایمر
• مدار فرمان با ولتاژ DC، مانند مدار فرمان خودرو برای راه‌اندازی چراغ‌ها یا برف‌پاک‌کن‌ها

انواع مدار فرمان بر اساس ساختار مدار:

• مدار فرمان سخت‌افزاری، مانند سیستم روشنایی یک کارخانه با استفاده از کنتاکتور و کلید شستی
• مدار فرمان نرم‌افزاری، مانند کنترل آسانسور با استفاده از برنامه‌نویسی PLC

انواع مدار فرمان بر اساس نوع عملکرد:

• مدار فرمان تک‌مرحله‌ای، مانند مدار روشن/خاموش برای یک موتور تک‌فاز
• مدار فرمان چندمرحله‌ای، مانند سیستم شست‌وشوی اتوماتیک خودرو

انواع مدار فرمان بر اساس محیط عملیاتی:

• مدار فرمان صنعتی، مانند کنترل جرثقیل سقفی در کارخانه
• مدار فرمان خانگی، مانند کنترل روشنایی هوشمند خانگی

انواع مدار فرمان بر اساس نوع دستگاه تحت کنترل:

• مدار فرمان موتورها، مانند راه‌اندازی موتور سه فاز با مدار ستاره-مثلث
• مدار فرمان سیستم‌های پنوماتیک و هیدرولیک، مانند کنترل یک بازوی روباتیک هیدرولیک

انواع مدار فرمان بر اساس منبع انرژی

• مدار فرمان الکتریکی، مانند مدار کنترل روشنایی یا راه‌اندازی موتورهای الکتریکی
• مدار فرمان مکانیکی، مانند ترمزهای مکانیکی در نوار نقاله
• مدار فرمان ترکیبی، مانند کنترل دستگاه‌های CNC

مثال مدار فرمان 

در اینجا، مدار فرمان استارت‌ مستقیم آنلاین (DOL) موتور سه فاز را بررسی می‌کنیم که معمولاً برای موتورهای با ظرفیت کوچک (تا ۵ اسب بخار) از آن‌ها استفاده می‌شود. این مدار فرمان برای راه‌اندازی و توقف موتور در شرایط ایمن و نیز محافظت در برابر اضافه‌بار و اتصال کوتاه به کار می‌رود و بسیار ساده و کم‌هزینه است. 

روی تابلوی این مدار فرمان در شکل زیر نشان داده شده است. 

این مدار فرمان دو حالت عملکرد دستی و اتوماتیک دارد. 

در حالت دستی، قبل از هر چیز، سلکتور باید روی Manual قرار گیرد. در این حالت از شستی‌های استارت و استاپ استفاده می‌شود. زمانی که شستی استارت فشرده می‌شود، موتور مستقیماً به شبکه سه‌فاز متصل می‌شود. این اتصال از طریق کنتاکتور و کلید شستی انجام می‌شود.

کنتاکتور جریان برق سه‌فاز را به موتور ارسال می‌کند. در مدار، رله حرارتی برای حفاظت موتور در برابر اضافه‌بار و جریان زیاد نصب می‌شود. در صورتی که موتور دچار اضافه‌بار شود (مثلاً به دلیل گیر کردن یا بار سنگین)، رله حرارتی عمل کرده و مدار را قطع می‌کند. برای توقف موتور، اپراتور باید شستی استاپ را بزند. این عمل موجب قطع جریان از کنتاکتور شده و موتور از مدار خارج و متوقف می‌شود. در صورتی که رله حرارتی عمل کرده باشد، باید بعد از رفع مشکل، آن را ریست کرد تا موتور بتواند دوباره راه‌اندازی شود.

در حالت اتوماتیک، سلکتور سوئیچ باید روی Automatic قرار داده شود. پس از آن، سیم‌پیچ کنتاکتور برق‌دار می‌شود. به دلیل القای الکترومغناطیسی، کنتاکتور بسته شده و موتور شروع به کار می‌کند. موتور در دوره راه‌اندازی جریان سنگینی می‌کشد اما با گذشت زمان هرچه سرعت افزایش یابد جریان کاهش می‌یابد. پس از رسیدن به سرعت کامل، موتور بر حسب بار جریان معمولی مصرف می‌کند. رله اضافه بار موتور، بار را مطابق با تنظیم بار روی رله بررسی می‌کند. اگر بار روی موتور بیشتر از بار تنظیم‌شده باشد برای رله باشد، موتور متوقف می‌شود. همچنین، اگر منبع تغذیه قطع شود، سیم‌پیچ کنتاکتور بدون برق می‌شود و در نتیجه، ترمینال‌های کنتاکتور قطع شده و موتور متوقف خواهد شد. اگر بخواهیم موتور را متوقف کنیم، باید کلید سلکتور را در حالت خنثی یا خاموش قرار دهیم.

لازم به ذکر است که در برخی سیستم‌ها، زمانی که شرایط خاصی فراهم شود (مثلاً با رسیدن به یک زمان خاص یا شرایط سنسور)، سیستم می‌تواند به‌ طور خودکار موتور را متوقف کند. این توقف نیز به‌ طور خودکار توسط مدار فرمان انجام می‌شود، بدون نیاز به فشردن شستی استپ. همچنین، در برخی سیستم‌های اتوماتیک پیشرفته، پس از شناسایی اضافه‌ بار و توقف موتور، رله حرارتی به‌ طور خودکار ریست می‌شود و موتور پس از رفع مشکل، دوباره راه‌اندازی می‌شود.