نظرة عامة عن الحاكمات المنطقية المبرمجة PLC

السلام عليكم ..

الملخص
نتعرف في هذا البحث البسيط على الاساسيات المهمة للمسيطرات المنطقية المبرمجة Programmable Logic Controller من حيث اجزاءها ,تركيبها , تصنيفها و فوائدها . ترتيب المعلومة المقدمة يعتمد بصورة اساسية على الواقع العملي واغلب مصادرنا كانت كاتلوكات الشركات المصنعة حيث يعتبر ال PLC من الاجزاء الصناعية industrial part وتقدم الشركات التصور الافضل للوحدات من الكتب النظرية .

1- نظرة عامة
المسيطرات (الحاكمات) المنطقية القابلة للبرمجة عبارة عن حاسوب منطقي يستخدم في الاتمتة الصناعية. مثلا للسيطرة على مكائن خط انتاج معين , بالاضافة الى تطبيقات اخرى مثل السيطرة على الانارة في المتاجر الكبيرة.
بعكس الحاسبات العامة الاستخدام ( general purpose computer ) الحاكمات المنطقية المبرمجة مصممة للتعامل مع عدد من الاشارات المحيطية سواءا كانت اشارات ادخال او اخراج , وتكون هذه الحاكمات مصممة لمقاومة الضوضاء (immunity to electric noise ) وتكون مقاومة للتأثيرات الميكانيكية مثل الاهتزازت وغيرها .
ال PLC يمثل نموذجا عن نظام التحكم ذو الزمن الحقيقي (real time system) حيث ان الاخراجات لابد ان تنتج بناءا على استجابة معينة للمدخلات . قبل استخدام الPLC كانت السيطرة التقلدية تتم عن طريق مجموعة كبيرة من المرحلات و الحاكمات و المؤقتات الميكانيكية قد يصل عددها الى الالاف في بعض التطبيقات الصناعية المعقدة للوصول الى حالة السيطرة المطلوبة .
بعد استخدام ال PLC اصبحت السيطرة ذات ميزات عالية مقارنة بالسيطرة التقليدية عن طريق نظام السلك الحقيقي (hardwire system) كما سنرى في هذا البحث البسيط .

1.1 انواع الاشارات الكهربائية المتعامل معها
بصورة عامة تقسم الاشارات في الPLC حسب اتجاها الى اشارات ادخال واشارات اخراج وحسب طبيعتها الى اشارات رقمية واشارات تناظرية
• اشارات الادخال : وهي الاشارات التي تتم قراءتها في برنامج الPLC
• اشارات الاخراج : وهي الايعازات التي تخرج من كارتات الPLC بناءا على تنفيذ البرنامج .
• الاشارات الرقمية : وهي الاشارات التي تأخذ قيمة ثنائية ( 1و0) . وهي الاشارات الاكثر انتشارا عند التعامل مع التطبيقات الصناعية مثلا علية تشغيل محرك اما ان تكون اشارة الاخراج 1 فيكون المحرك في وضع الاشتغال او تكون اشارة الاخراج 0 فيكون المحرك في وضع الايقاف . اكيد ان اشارة 1 تقابل فولتية السيطرة المستخدمة مثلا 220 و 110 و24 فولت .وكذلك بالنسبة للادخال اشارة زر التشغيل او Start push button تكون شارة الواحد تعني وجود ادخال او ان زر التشغيل مضغوط وتكون اشارة صفر بعد وجود ادخال اي عدم ضغط زر التشغيل .
• الاشارات التناظرية : وهي الاشارات التي تأخذ قيمة تتراوح بين مستويين مثلا الاشارة بين(0 فولت و5 فولت ) اشارة تناظرية يمكن ان تأخذ القيمة 1 فولت او 4.5 فولت او اي قيمة بين القيمتين . هنالك تدريجات قياسية معروفة للاشارة التناظرية هي 0~5V,0~10V,-5~5V,-10~10V. 0~20mA, 4~20mA)) . مثال على اشارة التناظرية ادخال سرعة محرك او تيار محرك مثلا .او موقع بوابة مروحة .
• الاشارات الخاصة : قد تكون اشارات رقمية ولكنها تتغير بتردد معين مثل الاشارات القادمة من الانكودر تكون قيمتها اما 0 او 1 ولكن بتردد مختلف يحدد السرعة او الموقع حسب التطبيق . او تكون اشارات تناظرية خاصة مثل اشارات الثيرمو كبل تكون بحدود الmV وحتى اللودسيل كذلك بالميلي فولت

2- الاجزاء الرئيسية لنظام ال PLC
اي منظومة PLC لتعمل يجب ان تحتوي على الاجزاء التالية :
وحدة التحكم و المعالجة PROCESSOR : ويشمل الاجزاء الالكتورنية الخاصة بالسيطرة مثلا ال CPU والذاكرة ROM و الRAM بالاضافة الى وحداة الذاكرة الخارجية .
1- وحدة الاتصال : وهي التي يتم الاتصال عن طريقها بالقطعة وقد تكون الوحدة تستخدم اي نوع من انواع الاتصال (التسلسلي RS-232,RS-485 او الايثرنت او ال USB) او غيرها من البروتوكلات التي قد تكون خاصة في بعض الاحيان مثل الكونترولنت المستخدم مع متحكمات الن برادلي مثلا .

2- وحدة التغذية الكهربائية : كحال اي جهاز كهربائي فان مصدر القدرة الكهربائية يوفر القدرة المطلوبة بالموصفات الخاصة بالجهاز .قد تكون الفولتيات المطلوبة لقطع ال PLC خارج القياسات المعروفة وبالتالي يقوم بتوفير هذه الفولتيات من الصادر القياسية مثل (220V AC , 110V AC, 24V DC/AC) .ولا يشترط وجود هذه الوحدة في كل القطع فقد تعمل القطعة مباشرة بفولتية المصدر.

3- وحدات الادخال و الاخراج : وهي القطع التي تربط ال PLC بالمحيط الخارجي وهي على عدة انواع وتقسم اساسا الى ( منطقية او تناظرية) . من البديهي ان وحدات الادخال تستقبل الاشارات من المحيط (الحساسات بانواعها ) في حين تكون وحدات الاخراج المسؤولة عن نقل القرار خارج الوحدة من انواع وحدات الادخال و الاخراج :
• وحدات الادخال و الاخراج المنطقية: وهي الوحدات التي تتعامل مع الاشارات المنطقية ( الثنائية ) وهذا النوع من المدخلات و المخرجات لابد من تواجدها في كل انواع ال PLC .
• وحدات الادخال و الاخراج التناظري التقليدية : يتم التعامل مع الاشارة التناظرية فيها وفق القيم القياسية المعروفة مثلا للفولتية (0-5V,0-10V,-5~5V,-10~10V ) او (0~20mA,4~20mA ) للتيار .
• وحدات ادخال خاصة : مثل الادخالات عالية السرعة high speed counter او ادخالات درجات الحرارة من الثيرموكبل TC او من RTD وكذلك ادخالات وحدات الوزن .من المعلوم ان هذه الاشارات ذات طبيعة خاصة من حيث الدقة والقيمة .

3- انواع الحاكمات المنطقية المبرمجة PLC
يمكن تصنيف ال PLC بطرق عديدة مثلا نسبة الى بيئة العمل المستخدمة , عدد المدخلات و المخرجات , انواع المدخلات و المخرجات او الشركات المصنعة وايضا عن طريق البرامج المستخدمة و غيرها ولكننا سوف نستخدم التصنيف التجاري الشائع حسب تصميم اجزاء النظام الذي تحدثنا عنه اعلاه .
3.1 وحدات ال PLC المجمعة Compact PLC : وهي التي تكون فيها وحدات المعالج والادخال و الاخراج وكذلك وحدات الاتصال بقطعة ميكانيكية واحدة . وتسمى ايضا عند بعض الشركات بال micro PLC حيث تكون امكانية تحملها لعدد الاشارات قليل نسبيا مثلا (S7-200 من شركة سيمنس تتحمل كحد اعلى 128 ادخال و اخراج ) , غالبا ما توجد قطع توسعية ترتبط بهذا النوع تكون خاصة الاستخدام مثلا وحدة الادخال و الاخراج الرقمي التوسعية تستخدم لزيادة عدد الادخالات و الاخراجات المنطقية . ولكن القطعة الاساسية تتكون من المعالج ووحدة الاتصال ومجهز القدرة وعدد من اشارات الادخال و الاخراج .

3.2 وحدات ال PLC نوع الرف Rack PLC ويسمى ايضا بال PLC ذو القطع المنفردة module PLC : ويستخدم في المنظومات الكبيرة التي تحتوي على عدد اشارات عالي يتراوح بين مئات الاشارات الى عدد من الالاف .
وتكون اجزاء هذا النظام منفصلة مكانيكا كلا على حدى فهنالك وحدة خاصة للمعالج ووحدة خاصة للادخال المنطقي واخرى للاخراج المنطقي ووحدة للاتصال نوع الRS-485 ووحدة للاتصال نوع الايثرنت وهكذا . بالتأكيد لا يشترط استخدام جميع الوحدات المتوفرة من الشركة المصنعة للنوع المعين الواحد . فمثلا لو كان لدينا نظام تحكم بادخالات واخراجات منطقية فقط فلا نحتاج الى وحدة ادخال تناظري .
قد تكون بعض الوحدات مزدوجة الاستخدام مثلا في كثير من الانظمة هنالك وحدات ادخال واخراج منطقي في قطعة ميكانيكية واحدة .او يكون المعالج يحتوي على وسيلة اتصال . وهكذا .

]

احيانا يطلق على القطع الصغيرة بالوحدات المنطقية Logic Module .حيث لا تمتلك امكانية الاتصال باكثر من عشرات الاشارات (مثلا اللوكو من شركة سيمنس وحدة تتصل كحد اعلى ب 24 اشارة ادخال و 8 اشارة اخراج )

4 - دورة عمل ال PLC ..يطلق عليها scan cycle

عمل ال PLC بصورة عامة يتم بثلاث مراحل فقط وتكرر هذه المراحل طالما كان ال PLC في وضع التشغيل
• الخطوة الاولى : تحديث بيانات الادخال . يقوم ال PLC بقراءة جميع اشارات الادخال المرتبطة به وتحديث بياناتها في الجدول حسب الحالة الجديدة .
• الخطوة الثانية : تنفيذ البرنامج . حيث يتم تنفيذ البرنامج المطلوب من الPLC بناءا على قاعدة بيانات الادخال التي تم تحديثها في الخطوة السابقة . وعلى ضوء البرنامج يتم تحديث قاعدة البيانات الخاصة بالاخراج .
• الخطوة الثالثة : تغير اشارات الاخراج وفقا لقاعدة بيانات الاخراج التي تم تحديثها في الخطوة السابقة . حيث تتفعل الاخراجات المطلوب منها العمل وتتوقف الاخراج التي انتفت الحاجة اليها حسب البرنامج .
ثم يتم الانتقال الى الخطوة الاولى من جديد .
تجري هذه العملية بسرعة بطيئة نسبيا بحدود بضع ميلي ثانية في اغلب المتحكمات عدا تلك التي صممت للسرعات العالية . من المهم جدا فهم دورة عمل ال PLC وكذلك معرفة زمن هذه الدورة في التطبيقات العملية والسبب يعود الى ان اي تغير في اشارة الادخال لن يؤثر على البرنامج الا بعد دورة كاملة او اكثر . مثلا لوكانت دورة البرنامج في الخطوة الثانية (تنفيذ البرنامج) واضطررنا الى ضغط زر التوقف الاضطراري فسوف لا تتم قراءة الادخال الا في الدورة التالية من البرنامج وعليه يجب اخذ زمن دورة عمل ال PLC في الحسبان .
الكثير من الحاكمات المنطقية توفر ادخالات سريعة او انية Immediate input للتغلب على هذه المشكلة حيث يتم تحديث بيانات الادخال من هذا النوع مباشرة عند اي تغيير .

5- برمجة PLC

تاخذ البرمجيات الحيز المهم في منظومات الPLC حيث تعتبر القطعة جامدة لا يمكن الاستفادة منها الا باضافة البرنامج الذي على اساسه يتم التعامل مع الاشارات الداخلة والخارجة .
تسمى البيئة البرمجية التي من خلالها تتم البرمجة بالبرمجيات ( software) في حين يسمى البرنامج الخاص بالتطبيق مثلا السيطرة على سلسة نواقل بالمشروع او ال(Project) .ومن المعلوم ان الSoftware يكون موقعه في الحاسبة ويستخدم بصورة مستمرة في حين يكون المشروع بعد نقله الى الCPU مخزون في الPLC ويتم التعامل مع القطع المتصلة بال PLC عن طريقه .
5.1 طرق البرمجة المستخدمة في منظومات الPLC
هنالك عدد من الطرق التقليدية الت يتم من خلالها التعامل مع الPLC واشهرها على الاطلاق /
1- المخطط السلمي Ladder diagram : وهي اشهر طريقة على الاطلاق ويتم من خلالها برمجة الPLC عن طريق مخططات السلم Ladder diagram المعروفة .
2- المخطط الكتلي Block diagram : حيث يتم التعامل مع البرنامج على اساس الدوال المنطقية .وهو اقل رتبة من المخطط السلمي حيث لا يشترط ان نتمكن من تحويل كل المخططات السلمية الى المخطط الكتلي ولكن كل البرامج في المخطط الكتلي يمكن تحويلها الى المخطط السلمي .
3- قائمة الايعازات Statement list : وهي الطريقة المعروفة في البرمجة بلغة الماكنة وتستخدم كثيرا في برمجة المايكرو كونترولر وهذه الطريقة اعلى رتبة من الطرق السابقة .
الشكل التالي يوضح هذه الطرق الثلاثة لبرمجة دائرة (او) المنطقية or gate .

6- فوائد استخدام الـ PLC

1. الحجم PLC صغير مقارنة بحجم السيطرة التقليدية, حيث يستطيع المسيطر تشغيل عدد كبير من الأجهزة بواسطة البرنامج المكتوب.
2. الـمسيطر PLC قابل للبرمجة لذلك هو أسهل وأسرع لإجراء التغيرات
3. كلفة اقل مقارنة بالسيطرة التقليدية.
4. قابلية تحمل محيط عمل قاسي حيث يعمل المسيطر في كافة الأجواء وبدرجات حرارية مختلفة.
5. قابلة للتوسع بصورة كبيرة حيث نستطيع إضافة مهام أخرى إلى نظام السيطرة بصورة أسهل مما يمكن إضافته في حالة السيطرة التقليدية.
6. بالاضافة الى مزايا اخرى كثيرة مثل قابلية الاتصال وتشخيص الاعطال والسيطرة عن بعد واعطاء التقارير وغيرها

جزاكم الله خيرا زميلنا العزيز

بالتوفيق ان شاء الله

_________________
I am so far behind, I think i am first

شكرا كثيرا و بارك الله فيكم

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته

جزاكم الله خيرا زميلنا العزبز المهندس" على " على هذا الشرح الرائع

جعله الله تعالى فى ميزان حسناتك ان شاء الله

ونحن فى انتظار المزيد منك ان شاء الله

» دورة تدريبية تفصيلية:المتحكم المنطقى المبرمج PLC مبنية على ترجمة وإعداد كتاب W.Bolton
» منتدي الحاكمات المنطقية والتحكم الآلي
» كابلات الاتصال بين شاشات التشغيل و الحاكمات المنطقية
» دورة تدريبية في الحاكمات المنطقية قابلة للبرمجة طراز Siemens S7
» PDF : دورة تدريبية في الحاكمات المنطقية قابلة للبرمجة طراز Siemens S7 الجزء الأول للزميل الأخ م/حسن الشحات