تحكم PLC

البنية الأساسية جوهر وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة هو حاسوب مخصص للتحكم الصناعي. هيكله المادي مشابه بشكل أساسي لهيكل الحاسوب الدقيق. هيكله الأساسي هو: 1. مصدر الطاقة يلعب مصدر الطاقة لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة دورًا بالغ الأهمية في النظام بأكمله. فبدون نظام طاقة جيد وموثوق، لا يمكن للوحدة العمل بكفاءة. لذلك، يُولي مُصنّع وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة أهمية كبيرة لتصميم وتصنيع مصدر الطاقة. عادةً، يتراوح تذبذب جهد التيار المتردد بين +10% (+15%)، ويمكن توصيل وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) مباشرةً بشبكة التيار المتردد دون الحاجة إلى أي إجراءات أخرى. 2. وحدة المعالجة المركزية (CPU) وحدة المعالجة المركزية (CPU) هي مركز التحكم في وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة. تستقبل وتخزن برنامج المستخدم والبيانات المكتوبة من المبرمج وفقًا للوظائف المُسندة إليها من برنامج نظام وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة؛ وتتحقق من حالة مصدر الطاقة والذاكرة ووحدات الإدخال/الإخراج ومؤقت الإنذار، كما يمكنها تشخيص أخطاء بناء الجملة في برنامج المستخدم. عند تشغيل وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة، تستقبل أولًا حالة وبيانات كل جهاز إدخال في الموقع بطريقة مسح، وتخزنها في منطقة صورة الإدخال/الإخراج على التوالي، ثم تقرأ برنامج المستخدم من ذاكرته واحدًا تلو الآخر. بعد تفسير الأمر، تُرسل نتائج العملية المنطقية أو الحسابية إلى منطقة صورة الإدخال/الإخراج أو سجل البيانات وفقًا للتعليمات. بعد تنفيذ جميع برامج المستخدم، تُنقل حالة مخرجات منطقة صورة الإدخال/الإخراج أو البيانات الموجودة في سجل الإخراج أخيرًا إلى جهاز الإخراج المقابل، وتستمر الدورة حتى تتوقف. من أجل تحسين موثوقية PLC بشكل أكبر، يتم تجهيز PLCs الكبيرة أيضًا بوحدات معالجة مركزية مزدوجة لتشكيل نظام زائد، أو نظام تصويت بثلاث وحدات معالجة مركزية، بحيث حتى في حالة فشل وحدة المعالجة المركزية، لا يزال النظام بأكمله قادرًا على العمل بشكل طبيعي. 3. الذاكرة تسمى الذاكرة التي تخزن برامج النظام بذاكرة برامج النظام. تسمى الذاكرة التي تخزن برامج التطبيق بذاكرة برنامج المستخدم. 4. دائرة واجهة الإدخال والإخراج 4.1. تتكون دائرة واجهة إدخال المجال من دائرة توصيل بصرية ودائرة واجهة إدخال حاسوب دقيق، وتعمل كقناة إدخال للواجهة بين وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة والتحكم الميداني. 4.2. تتكامل دائرة واجهة إخراج الحقل مع سجل بيانات الإخراج، ودائرة الاختيار، ودائرة طلب المقاطعة، ويقوم وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة بإخراج إشارة التحكم المقابلة إلى مكون تنفيذ الحقل من خلال دائرة واجهة إخراج الحقل. 5. الوحدات الوظيفية مثل العد والتحديد والوحدات الوظيفية الأخرى. 6. وحدة الاتصالات  اختيار PLC وتحليل الحالة عند اختيار وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC)، ينبغي تحليل خصائص العملية ومتطلبات التحكم بالتفصيل، وتوضيح مهام التحكم ونطاقها، وتحديد العمليات والإجراءات المطلوبة، ثم تقدير عدد نقاط الإدخال والإخراج، وسعة الذاكرة المطلوبة، وتحديد وظائف وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة وخصائص الأجهزة الخارجية بناءً على متطلبات التحكم. وأخيرًا، اختيار وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة ذات نسبة أداء إلى سعر أعلى، وتصميم نظام تحكم مناسب. فيما يلي، سنقوم بتفصيل النقاط التي يجب الانتباه إليها عند اختيار PLC: 1. تقدير نقاط الإدخال والإخراج (I/O)ينبغي مراعاة هامش مناسب عند تقدير عدد نقاط الإدخال/الإخراج. عادةً، بناءً على العدد الإحصائي لنقاط الإدخال والإخراج، يُضاف هامش قابل للتوسيع بنسبة 10% إلى 20% كبيانات تقديرية لعدد نقاط الإدخال والإخراج. ٢. تقدير سعة الذاكرة؛ سعة الذاكرة هي حجم وحدة تخزين الأجهزة التي توفرها وحدة التحكم القابلة للبرمجة نفسها، وسعة البرنامج هي حجم وحدة التخزين التي يستخدمها مشروع تطبيق المستخدم في الذاكرة، لذا فإن سعة البرنامج أصغر من سعة الذاكرة. للحصول على تقدير دقيق لسعة البرنامج أثناء التصميم والاختيار، يُستخدم عادةً تقدير سعة الذاكرة كبديل. بشكل عام، تساوي سعة الذاكرة من ١٠ إلى ١٥ ضعف عدد نقاط الإدخال/الإخراج الرقمية، بالإضافة إلى ١٠٠ ضعف عدد نقاط الإدخال/الإخراج التناظرية، وهذا العدد هو إجمالي عدد الكلمات في الذاكرة (١٦ بت هي كلمة واحدة)، ويُعتبر ٢٥٪ أخرى من هذا العدد هامشًا.3. اختيار وظائف التحكم؛ يتضمن هذا الاختيار اختيار خصائص مثل وظيفة الحساب، ووظيفة التحكم، ووظيفة الاتصال، ووظيفة البرمجة، ووظيفة التشخيص، وسرعة المعالجة. (1) وظيفة التشغيل؛ تشمل وظيفة تشغيل جهاز التحكم المنطقي المبرمج البسيط العمليات المنطقية، ووظائف التوقيت والعد؛ بينما تشمل وظيفة تشغيل جهاز التحكم المنطقي المبرمج العادي أيضًا تحويل البيانات والمقارنة ووظائف تشغيل أخرى؛ وتشمل وظائف التشغيل الأكثر تعقيدًا العمليات الجبرية، ونقل البيانات، وما إلى ذلك؛ كما يحتوي جهاز التحكم المنطقي المبرمج الكبير على عملية PID تناظرية ووظائف تشغيل متقدمة أخرى. مع ظهور الأنظمة المفتوحة، أصبحت أجهزة التحكم المنطقي المبرمج مزودة بوظائف اتصال. بعض المنتجات تتصل بأجهزة كمبيوتر أقل، وبعضها يتصل بنفس الكمبيوتر أو جهاز كمبيوتر أعلى، وبعضها يتصل أيضًا بشبكة المصنع أو المؤسسة. عند التصميم والاختيار، يجب الانطلاق من متطلبات التطبيق الفعلي واختيار وظائف التشغيل المطلوبة بشكل معقول. في معظم التطبيقات، تكون العمليات المنطقية ووظائف التوقيت والعد فقط هي المطلوبة. تتطلب بعض التطبيقات نقل البيانات ومقارنتها. عند استخدامها للكشف والتحكم التناظري، تُستخدم العمليات الجبرية والتحويل العددي وعملية PID. يتطلب عرض البيانات عمليات فك التشفير والترميز. (٢) وظائف التحكم: تشمل وظائف التحكم عمليات التحكم PID، وعمليات التحكم بتعويض التغذية الأمامية، وعمليات التحكم بالنسب، وغيرها، والتي يجب تحديدها وفقًا لمتطلبات التحكم. يُستخدم PLC بشكل أساسي للتحكم المنطقي التسلسلي. لذلك، غالبًا ما تُستخدم وحدات تحكم أحادية الحلقة أو متعددة الحلقات لحل مشاكل التحكم التناظري. في بعض الأحيان، تُستخدم وحدات إدخال وإخراج ذكية مخصصة لإكمال وظائف التحكم المطلوبة، وتحسين سرعة معالجة PLC، وتوفير سعة الذاكرة. على سبيل المثال، تُستخدم وحدات التحكم PID، والعدادات عالية السرعة، والوحدات التناظرية مع تعويض السرعة، ووحدات تحويل رمز ASC، وغيرها. (3) وظيفة الاتصال: يجب أن تدعم أنظمة PLC الكبيرة والمتوسطة الحجم مجموعة متنوعة من حافلات المجال وبروتوكولات الاتصال القياسية (مثل TCP/IP)، ويجب أن تكون قادرة على الاتصال بشبكة إدارة المصنع (TCP/IP) عند الضرورة. يجب أن يتوافق بروتوكول الاتصال مع معايير اتصال ISO/IEEE ويجب أن يكون شبكة اتصال مفتوحة. يجب أن تتضمن واجهة اتصال نظام PLC واجهات اتصال تسلسلية ومتوازية (RS 232C/422A/485)، ومنفذ اتصال RIO، وإيثرنت صناعي، وواجهة DCS مشتركة، وما إلى ذلك؛ الأشكال الرئيسية لشبكة اتصال نظام PLC هي التالية: 1) الكمبيوتر الشخصي هو المحطة الرئيسية، وPLCs المتعددة من نفس الطراز هي محطات تابعة، وتشكل شبكة PLC بسيطة؛ 2) 1 PLC هو المحطة الرئيسية، وPLCs الأخرى من نفس الطراز هي محطات تابعة، وتشكل شبكة PLC رئيسية وتابعة؛ 3) شبكة PLC متصلة بنظام DCS كبير كشبكة فرعية لنظام DCS من خلال واجهة شبكة محددة؛ ٤) شبكة PLC مخصصة (شبكة اتصالات PLC مخصصة لكل مُصنِّع). لتقليل مهمة اتصال وحدة المعالجة المركزية، ينبغي اختيار معالجات اتصال ذات وظائف اتصال مختلفة (مثل نقطة إلى نقطة، وناقل المجال، وإيثرنت صناعي) وفقًا للاحتياجات الفعلية لتكوين الشبكة. (4) وظيفة البرمجة؛ وضع البرمجة دون اتصال: يتشارك PLC والمبرمج وحدة معالجة مركزية. عندما يكون المبرمج في وضع البرمجة، توفر وحدة المعالجة المركزية خدمات للمبرمج فقط ولا تتحكم في المعدات الميدانية. بعد اكتمال البرمجة، يتحول المبرمج إلى وضع التشغيل، وتتحكم وحدة المعالجة المركزية في المعدات الميدانية ولا يمكن برمجتها. يمكن أن تقلل البرمجة دون اتصال من تكاليف النظام، ولكنها غير مريحة للاستخدام والتصحيح. وضع البرمجة عبر الإنترنت: يمتلك كل من وحدة المعالجة المركزية والمبرمج وحدات معالجة مركزية خاصة بهما. وحدة المعالجة المركزية المضيفة مسؤولة عن التحكم الميداني وتبادل البيانات مع المبرمج ضمن دورة مسح. يرسل المبرمج البرنامج أو البيانات المترجمة عبر الإنترنت إلى المضيف. في دورة المسح التالية، يعمل المضيف وفقًا للبرنامج المستلم حديثًا. هذه الطريقة أكثر تكلفة، ولكن تصحيح أخطاء النظام وتشغيله مريحان، وغالبًا ما تُستخدم في وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة الكبيرة والمتوسطة الحجم. (5) وظيفة التشخيصتشمل وظيفة تشخيص وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) تشخيص الأجهزة والبرمجيات. يحدد تشخيص الأجهزة موقع العطل في الأجهزة من خلال الحكم المنطقي للأجهزة، بينما ينقسم تشخيص البرمجيات إلى تشخيص داخلي وتشخيص خارجي. يُسمى تشخيص الأداء والوظيفة الداخلية لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) من خلال البرمجيات تشخيصًا داخليًا، بينما يُسمى تشخيص وظيفة تبادل المعلومات بين وحدة المعالجة المركزية (CPU) لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) ومكونات الإدخال والإخراج الخارجية من خلال البرمجيات تشخيصًا خارجيًا.إن قوة وظيفة التشخيص في PLC تؤثر بشكل مباشر على القدرات الفنية المطلوبة من المشغلين وموظفي الصيانة، وتؤثر على متوسط ​​وقت الإصلاح. (6) سرعة المعالجةيعمل PLC في وضع المسح. من منظور متطلبات الوقت الفعلي، يجب أن تكون سرعة المعالجة سريعة قدر الإمكان. إذا كانت مدة الإشارة أقل من وقت المسح، فلن يتمكن PLC من مسح الإشارة، مما يؤدي إلى فقدان بيانات الإشارة. ترتبط سرعة المعالجة بطول برنامج المستخدم، وسرعة معالجة وحدة المعالجة المركزية، وجودة البرنامج، وما إلى ذلك. في الوقت الحالي، تتميز جهات اتصال PLC بسرعة استجابة عالية. يتراوح وقت تنفيذ كل تعليمة ثنائية بين 0.2 و0.4 لتر، مما يسمح لها بالتكيف مع احتياجات التطبيقات ذات متطلبات التحكم العالية ومتطلبات الاستجابة السريعة. يجب أن تلبي دورة المسح (دورة مسح المعالج) المتطلبات التالية: لا يتجاوز وقت مسح PLC الصغير 0.5 مللي ثانية/ك؛ ولا يتجاوز وقت مسح PLC الكبير والمتوسط ​​0.2 مللي ثانية/ك. 4. اختيار النموذج (1) أنواع PLCيُقسّم جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) إلى فئتين من حيث البنية: النوع المتكامل والنوع المعياري. ويُقسّم إلى فئتين من حيث بيئة التطبيق: التركيب الميداني والتركيب في غرفة التحكم. ويُقسّم إلى 1 بت، 4 بت، 8 بت، 16 بت، 32 بت، 64 بت، إلخ، وفقًا لطول كلمة وحدة المعالجة المركزية. من منظور التطبيق، يُمكن عادةً اختياره وفقًا لوظيفة التحكم أو نقاط الإدخال والإخراج. نقاط الإدخال والإخراج في جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة المتكامل ثابتة، مما يُقلل من مساحة الاختيار المتاحة للمستخدمين، ويُستخدم في أنظمة التحكم الصغيرة؛ بينما يُوفر جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة المعياري مجموعة متنوعة من بطاقات الإدخال والإخراج أو بطاقات التوصيل، مما يُتيح للمستخدمين اختيار وتكوين نقاط الإدخال والإخراج في نظام التحكم بشكل معقول. يتميز توسيع الوظيفة بسهولة ومرونة استخدامه، ويُستخدم بشكل عام في أنظمة التحكم الكبيرة والمتوسطة. (2) اختيار وحدات الإدخال والإخراج: يجب أن يتوافق اختيار وحدات الإدخال والإخراج مع متطلبات التطبيق. على سبيل المثال، بالنسبة لوحدات الإدخال، يجب مراعاة متطلبات التطبيق مثل مستوى الإشارة، ومسافة نقلها، وعزلها، وطريقة تزويدها بالطاقة. أما بالنسبة لوحدات الإخراج، فيجب مراعاة نوع وحدة الإخراج المختارة. تتميز وحدات إخراج التتابع عمومًا بسعرها المنخفض، ونطاق جهدها الواسع، وعمرها القصير، وزمن استجابتها الطويل؛ بينما تُعد وحدات إخراج الثايرستور مناسبة للتبديل المتكرر وحالات الحمل الحثي ذي معامل القدرة المنخفض، ولكنها أغلى ثمنًا وسعة تحميل زائدة ضعيفة. تحتوي وحدات الإخراج أيضًا على مخرج تيار مستمر، ومخرج تيار متردد، ومخرج تناظري، والتي يجب أن تتوافق مع متطلبات التطبيق. وفقًا لمتطلبات التطبيق، يمكن اختيار وحدات الإدخال والإخراج الذكية بشكل معقول لتحسين مستوى التحكم وخفض تكاليف التطبيق. فكّر فيما إذا كنت بحاجة إلى رف توسيع أو رف إدخال/إخراج عن بُعد. (3) اختيار مصدر الطاقةمصدر طاقة PLC، بالإضافة إلى تصميم واختيار PLC وفقًا لمتطلبات دليل المنتج عند تقديم المعدات، يجب تصميم واختيار مصدر طاقة PLC وفقًا لمتطلبات دليل المنتج. بشكل عام، يجب تصميم واختيار مصدر طاقة PLC بمصدر طاقة 220 فولت تيار متردد، وهو ما يتوافق مع جهد شبكة الطاقة المنزلية. بالنسبة للتطبيقات المهمة، يجب استخدام مصدر طاقة غير منقطع أو مصدر طاقة مستقر الجهد. إذا كان PLC نفسه مزودًا بمصدر طاقة صالح للاستخدام، فيجب التحقق مما إذا كان التيار المقدم يلبي متطلبات التطبيق، وإلا فيجب تصميم مصدر طاقة خارجي. من أجل منع إدخال مصدر طاقة خارجي عالي الجهد إلى PLC بسبب سوء التشغيل، من الضروري عزل إشارات الإدخال والإخراج، ويمكن في بعض الأحيان استخدام صمام ثنائي بسيط أو أنبوب فيوز للعزل. (4) اختيار الذاكرة: مع تطور تكنولوجيا الرقائق المتكاملة للحاسوب، انخفض سعر الذاكرة. لذلك، لضمان التشغيل العادي لمشروع التطبيق، عادةً ما تكون سعة ذاكرة PLC 8 كيلوبايت على الأقل، وفقًا لـ 256 نقطة إدخال/إخراج. عند الحاجة إلى وظائف تحكم معقدة، يجب اختيار ذاكرة ذات سعة أكبر ومستوى أعلى. (5) الاعتبارات الاقتصاديةعند اختيار وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC)، يجب مراعاة نسبة الأداء إلى السعر. وعند تقييم الكفاءة الاقتصادية، يجب أيضًا مراعاة عوامل مثل قابلية التوسع، وقابلية التشغيل، ونسبة المدخلات إلى المخرجات للتطبيق، وإجراء مقارنات وأخذها في الاعتبار، ثم اختيار منتج أكثر إرضاءً.يؤثر عدد نقاط الإدخال والإخراج بشكل مباشر على السعر. فكل بطاقة إدخال وإخراج إضافية ستزيد التكلفة. وعندما يزيد عدد النقاط إلى قيمة معينة، ستزداد سعة الذاكرة المقابلة، والرف، واللوحة الأم، وما إلى ذلك. لذلك، تؤثر زيادة عدد النقاط على اختيار وحدة المعالجة المركزية، وسعة الذاكرة، ونطاق وظائف التحكم، وما إلى ذلك. يجب مراعاة ذلك جيدًا أثناء التقدير والاختيار لضمان تحقيق نسبة أداء إلى سعر معقولة لنظام التحكم بأكمله.