X1 وحدة تحكم منطق اقتصادي قابل للبرمجة
وحدة تحكم المنطق القابلة للبرمجة (PLC)
X1 اقتصادي PLC لديها وظائف بسيطة للتحكم في الحركة مثل ناتج النبض ، والعد عالي السرعة ، والساعة في الوقت الفعلي ، وتخزين البيانات الدائمة أثناء انقطاع ...
انظر التفاصيلوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) عبارة عن كمبيوتر صناعي قوي مصمم خصيصًا لمراقبة المدخلات من أجهزة الاستشعار والأجهزة الميدانية، وتنفيذ برنامج التحكم المخزن، والتحكم في المخرجات - مثل المحركات والصمامات والمحركات والمؤشرات - في الوقت الفعلي. على عكس الكمبيوتر للأغراض العامة، تم تصميم PLC للعمل بشكل موثوق في البيئات الصناعية القاسية التي تتميز بالضوضاء الكهربائية والاهتزاز ودرجات الحرارة القصوى والغبار، أثناء تنفيذ برامج التحكم بتوقيت محدد - مما يعني أن وحدة التحكم تكمل دورة المسح الخاصة بها في وقت يمكن التنبؤ به وقابل للتكرار بغض النظر عن ظروف العملية. هذا المزيج من التصلب الصناعي والحتمية في الوقت الحقيقي هو ما يجعل الشركات المحدودة العامة هي وحدة التحكم الآلي القياسية عبر التصنيع والصناعات العملية والمرافق وأتمتة البناء والبنية التحتية في جميع أنحاء العالم.
تم تطوير PLC في أواخر الستينيات خصيصًا ليحل محل مجموعات كبيرة من المرحلات الكهروميكانيكية التي تتحكم في خطوط تجميع السيارات - الأنظمة التي كان تركيبها مكلفًا، وتتطلب تغييرًا كبيرًا في الأسلاك، وتتطلب صيانة مستمرة مع تآكل اتصالات المرحل وفشلها. من خلال استبدال منطق الترحيل الفعلي بمكافئ قائم على البرامج قابل للبرمجة، سمح PLC لمهندسي الإنتاج بتعديل سلوك الماكينة عن طريق تغيير البرنامج بدلاً من إعادة توصيل اللوحة، مما يقلل بشكل كبير من وقت وتكلفة تغييرات الإنتاج. وبعد مرور ستين عامًا، ظل المفهوم الأساسي دون تغيير، ولكنه حديث وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة توسعت من بدائل التتابع البسيطة إلى منصات التشغيل الآلي المتطورة التي تدعم التحكم في الحركة عالية السرعة، والتحكم في العمليات، ووظائف السلامة، وتكامل رؤية الآلة، واتصالات الشبكة الصناعية عبر بنيات معقدة متعددة الأنظمة.
مبدأ التشغيل الأساسي لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة هو دورة المسح - وهي سلسلة متكررة من العمليات التي ينفذها PLC بشكل مستمر طالما أنها في وضع التشغيل. يعد فهم دورة المسح أمرًا ضروريًا لفهم كيفية تصرف PLC، خاصة في التطبيقات ذات الوقت الحرج حيث يحدد وقت الاستجابة لتغيير المدخلات ما إذا كان نظام التحكم يعمل بشكل صحيح.
تتكون دورة المسح القياسية لـ PLC من أربع مراحل متتالية. أولاً، يقرأ مسح المدخلات الحالة الحالية لجميع المدخلات الرقمية والتناظرية المتصلة - أجهزة الاستشعار والمفاتيح وأجهزة التشفير وأجهزة الإرسال - وينسخ هذه القيم إلى سجل صورة الإدخال في الذاكرة. ثانيًا، يقوم مسح البرنامج بتنفيذ برنامج التحكم المخزن في الذاكرة، باستخدام قيم صورة الإدخال (وليس قراءات الإدخال المباشرة) لتقييم الظروف المنطقية وتحديد الحالة المطلوبة للمخرجات. ثالثًا، يقوم مسح المخرجات بكتابة قيم صورة المخرجات التي يحددها البرنامج إلى أجهزة الإخراج الفعلية، مما يؤدي إلى تنشيط الأجهزة المتصلة أو إلغاء تنشيطها. رابعًا، تتعامل مرحلة التدبير المنزلي مع الاتصالات والتشخيص الذاتي وتحديث المؤقتات والعدادات الداخلية قبل تكرار الدورة.
الوقت المطلوب لإكمال دورة فحص واحدة - وقت الفحص - يتراوح عادة من 1 إلى 10 مللي ثانية لمعظم التطبيقات القياسية، على الرغم من أنه يزيد مع تعقيد البرنامج وعدد نقاط الإدخال/الإخراج. تعني بنية دورة المسح أن التغييرات في حالة الإدخال لا يتم التصرف بناءً عليها حتى دورة المسح التالية، مما يقدم الحد الأقصى لزمن الوصول لدورة المسح الواحدة في استجابة التحكم. بالنسبة لمعظم تطبيقات الأتمتة الصناعية، يعد زمن الوصول هذا مقبولًا تمامًا. بالنسبة للتطبيقات عالية السرعة - التحكم في الحركة المؤازرة، أو العد عالي التردد، أو وظائف السلامة التي تتطلب استجابة أقل من مللي ثانية - يتم استخدام إجراءات المقاطعة المتخصصة، أو معالجات الحركة المخصصة، أو وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة المنفصلة الآمنة لتجاوز زمن الوصول القياسي لدورة المسح.
يتكون نظام PLC من عدة مكونات أجهزة متميزة تشكل معًا وحدة تحكم الأتمتة الكاملة. إن فهم وظيفة كل مكون يوضح كيفية تحديد نظام PLC وتجميعه وصيانته.
وحدة المعالجة المركزية هي عقل PLC، فهي تحتوي على المعالج الذي ينفذ برنامج التحكم، والذاكرة التي تخزن البرنامج والبيانات، وواجهات الاتصال التي تتصل بأدوات البرمجة وأنظمة التشغيل الآلي الأخرى. تتميز قدرة وحدة المعالجة المركزية بسرعة المعالجة (وقت المسح لكل 1000 تعليمات من منطق السلم)، وسعة ذاكرة البرنامج (عادةً من كيلو بايت إلى ميجا بايت اعتمادًا على فئة PLC)، وذاكرة البيانات لتخزين القيم المتغيرة وبيانات العملية، ونطاق بروتوكولات الاتصال المدعومة. تحتوي وحدات وحدة المعالجة المركزية المتطورة أيضًا على ساعات في الوقت الفعلي، وإمكانية تسجيل البيانات، وخوادم OPC UA أو MQTT المدمجة للاتصال المباشر بإنترنت الأشياء الصناعي والأنظمة السحابية دون الحاجة إلى أجهزة إضافية.
وحدات الإدخال/الإخراج هي الواجهة المادية بين PLC والأجهزة الميدانية - أجهزة الاستشعار والمفاتيح والصمامات والمحركات والأدوات - التي يراقبها نظام التحكم ويصدر الأوامر. تتلقى وحدات الإدخال الرقمية إشارات تشغيل/إيقاف من أجهزة مثل أجهزة استشعار القرب، وأزرار الضغط، ومفاتيح الحد، وتحويل جهد مستوى المجال (عادةً 24VDC أو 120/240VAC) إلى إشارة مستوى منطقي يمكن لوحدة المعالجة المركزية قراءتها. تعمل وحدات الإخراج الرقمية على تحويل الطاقة إلى الأجهزة الميدانية مثل صمامات الملف اللولبي ومشغلات المحرك ومصابيح المؤشر. تعمل وحدات الإدخال التناظرية على تحويل الإشارات المتغيرة باستمرار - حلقات تيار 4-20 مللي أمبير، وإشارات الجهد 0-10 فولت، والجهد المزدوج الحراري، وقيم مقاومة RTD - إلى قيم رقمية يمكن لوحدة المعالجة المركزية معالجتها. تعمل وحدات الإخراج التناظرية على تحويل القيم الرقمية من وحدة المعالجة المركزية إلى إشارات تناظرية متناسبة للتحكم في محركات الأقراص ذات السرعة المتغيرة والصمامات المتناسبة وغيرها من الأجهزة المتغيرة باستمرار. تشتمل وحدات الإدخال/الإخراج المتخصصة على مدخلات عداد عالية السرعة لتعليقات المشفر، ووحدات الاتصال التسلسلي، ووحدات الإدخال/الإخراج ذات التصنيف الآمن لتطبيقات السلامة الوظيفية.
تعمل وحدة إمداد الطاقة PLC على تحويل طاقة التيار الكهربائي الواردة (عادةً 120VAC أو 240VAC) أو طاقة ناقل التيار المستمر إلى جهود التيار المستمر المنظمة التي تتطلبها وحدة المعالجة المركزية ووحدات الإدخال/الإخراج. يتضمن اختيار مصدر الطاقة مطابقة السعة الحالية للإخراج مع إجمالي الاستهلاك الحالي لجميع الوحدات في الحامل أو النظام، بهامش لا يقل عن 20 إلى 30% للموثوقية واستيعاب التوسع المستقبلي. تعد تكوينات مصدر الطاقة الزائدة - حيث تعمل وحدتا إمداد الطاقة بالتوازي مع تجاوز الفشل التلقائي - قياسية في الأنظمة عالية التوفر حيث قد يكون إيقاف التشغيل غير المخطط له بسبب فشل مصدر الطاقة مكلفًا بشكل غير مقبول.
في أنظمة PLC المعيارية المثبتة على حامل، تكون اللوحة الإلكترونية المعززة هي لوحة الدائرة التي تدعم ميكانيكيًا وحدة المعالجة المركزية ومصدر الطاقة ووحدات الإدخال/الإخراج وتربطها كهربائيًا. تحمل اللوحة الإلكترونية المعززة ناقل البيانات الداخلي، وتوزيع الطاقة، وفي بعض الأنظمة إشارات المزامنة في الوقت الفعلي المطلوبة للتشغيل المنسق متعدد الوحدات. يحدد حجم الحامل - المحدد بعدد فتحات الوحدة النمطية - عدد وحدات الإدخال/الإخراج التي يمكن تركيبها في حامل واحد، وبالنسبة للأنظمة التي تتطلب إدخال/إخراج أكثر مما يمكن أن يستوعبه حامل واحد، يتم توصيل رفوف متعددة عبر كابلات التوسعة أو الإدخال/الإخراج عن بعد عبر شبكة صناعية.
يتم تصنيع PLCs في العديد من عوامل الشكل التي تناسب متطلبات الحجم والتعقيد المختلفة. يتضمن تحديد عامل شكل PLC المناسب لتطبيق ما مطابقة سعة الإدخال / الإخراج لوحدة التحكم وقابلية التوسعة وقدرة المعالجة مع المتطلبات الحالية والمستقبلية المتوقعة للآلة أو العملية التي يتم التحكم فيها.
| نوع بلك | عدد الإدخال/الإخراج النموذجي | قابلية التوسيع | أفضل التطبيقات المناسبة | منتجات سبيل المثال |
| نانو/مايكرو PLC | 6 – 40 مدخل/مخرج | محدودة أو لا شيء | الآلات البسيطة، ومعدات تصنيع المعدات الأصلية، واستبدال المرحل | شعار سيمنز!، أومرون CP1E |
| PLC مدمج | 20 – 256 مدخل/مخرج | وحدات التوسعة متاحة | الآلات الصغيرة والمتوسطة، التعبئة والتغليف، التدفئة والتهوية وتكييف الهواء | ألين برادلي Micro820، سيمنز S7-1200 |
| وحدات PLC | 64 - 4,096 إدخال/إخراج | قابلة للتوسيع بشكل كبير مع الإدخال/الإخراج عن بعد | الآلات المعقدة وخطوط الإنتاج ومصنع المعالجة | سيمنز S7-1500، ألين برادلي كونتروللوجيكس |
| PLC القائم على الرف | 256 - 65,000 إدخال/إخراج | رفوف متعددة، وحدات الإدخال/الإخراج الموزعة | محطات المعالجة الكبيرة، وتوليد الطاقة، والتحكم المكافئ لـ DCS | ألين برادلي PLC-5، GE RX3i، شنايدر بريميوم |
| سلامة PLC (تصنيف SIL) | يختلف | قابلة للتوسيع مع I/O الآمن | توقف الطوارئ، قفل الأمان، وظائف SIL 1-3 | بيلز PSS 4000، سيمنز S7-1500F، AB GuardLogix |
أصبحت فئة PLC المدمجة مجال النمو الأكثر أهمية في سوق PLC، مدفوعة بفئة منتجات سيمنز S7-1200 وAllen-Bradley Micro820 التي توفر إمكانات مرتبطة سابقًا فقط بالأنظمة المعيارية كاملة الحجم - بما في ذلك التحكم في الحركة، والتحكم في عملية PID، والاتصالات الصناعية القائمة على Ethernet - في عامل شكل صغير مناسب لتركيب اللوحة بدون حامل مخصص. بالنسبة لمشاريع أتمتة الماكينات الجديدة التي يقل عدد الإدخال/الإخراج فيها عن 200 نقطة، فإن PLC المعياري المدمج هو الآن نقطة البداية الافتراضية لمعظم مهندسي الأتمتة بدلاً من الأنظمة الأكبر القائمة على الحامل والتي كانت ضرورية قبل عقد من الزمن.
تم توحيد برمجة PLC بموجب المواصفة IEC 61131-3، التي تحدد خمس لغات برمجة يجب أن تدعمها بيئات تطوير PLC المتوافقة. تناسب اللغات المختلفة أنواعًا مختلفة من منطق التحكم والخلفيات الهندسية المختلفة، وتسمح معظم أدوات برمجة PLC الحديثة باستخدام لغات متعددة ضمن مشروع واحد - مما يسمح للمهندسين باختيار اللغة الأكثر ملاءمة لكل قسم من أقسام البرنامج.
مخطط السلم هو لغة برمجة PLC الأكثر استخدامًا، خاصة في أمريكا الشمالية وفي بيئات التصنيع المنفصلة. يحاكي التمثيل الرسومي مخططات منطق الترحيل التي تم تصميم PLCs في الأصل لتحل محلها - درجات أفقية من المنطق تربط قضبان الطاقة اليسرى واليمنى، مع رموز اتصال مفتوحة ومغلقة عادة تمثل ظروف الإدخال ورموز الملف التي تمثل أوامر الإخراج. يعتبر منطق السلم بديهيًا بالنسبة للمهندسين الكهربائيين المطلعين على مخططات دوائر التتابع، كما أنه من السهل قراءته واستكشاف الأخطاء وإصلاحها عبر الإنترنت (مع وجود PLC في وضع التشغيل، يتم تمييز العناصر النشطة في برنامج البرمجة، مما يسمح بتتبع حالات الخطأ بصريًا). يتمثل القصور في مخطط السلم في أنه يصبح غير عملي بالنسبة للعمليات الرياضية المعقدة ومعالجة البيانات والبرمجة التسلسلية التي يتم التعبير عنها بشكل طبيعي أكثر في اللغات المستندة إلى النص.
يمثل مخطط كتلة الوظيفة منطق التحكم ككتل رسومية مترابطة - كل كتلة تحتوي على وظيفة محددة (بوابة AND، وحدة تحكم PID، عداد، مؤقت، كتلة وظيفة المحرك) مع توصيلات الإدخال والإخراج الموضحة كأسلاك بين الكتل. FBD هي اللغة السائدة في تطبيقات التحكم في العمليات - فهي تتوافق بشكل طبيعي مع تمثيل مخطط الأنابيب والأجهزة (P&ID) المألوف لدى مهندسي العمليات، كما أن تغليف الوظائف المعقدة (حلقات PID، والتحكم في الصمام، وحماية المحرك) في كتل وظيفية موحدة قابلة لإعادة الاستخدام يقلل من جهد البرمجة بشكل كبير في تطبيقات محطات المعالجة. توفر معظم منصات PLC الموجهة نحو العمليات والسلامة مكتبات واسعة النطاق من مجموعات الوظائف المتوافقة مع IEC 61511 لوظائف التحكم والسلامة في العمليات العامة.
النص المنظم هو لغة نصية عالية المستوى تشبه لغة Pascal أو C من الناحية النحوية، وتدعم العبارات الشرطية والحلقات والتعبيرات الرياضية ومعالجة السلاسل وهياكل البيانات المعقدة التي تكون مرهقة أو مستحيلة في اللغات الرسومية. يتم استخدام ST بشكل متزايد من قبل مهندسي الأتمتة ذوي الخلفيات في تطوير البرمجيات وهي اللغة المفضلة لمعالجة البيانات المعقدة وإدارة الوصفات ومعالجة الاتصالات وأي تطبيق يتطلب منطقًا خوارزميًا متطورًا لا تستطيع اللغات الرسومية التعبير عنه بكفاءة. إن تعريف معيار IEC 61131-3 للنص المنظم جعله قابلاً للتنقل بشكل حقيقي بين منصات PLC المختلفة - يمكن تكييف الكود المكتوب باللغة ST لـ PLC لعلامة تجارية واحدة مع منصة علامة تجارية أخرى مع تعديلات طفيفة نسبيًا، على عكس كود مخطط السلم الذي يميل إلى استخدام تعليمات واتفاقيات خاصة بالشركة المصنعة.
يمثل مخطط الوظائف التسلسلي برامج التحكم كمخطط انسيابي للخطوات والانتقالات - تحتوي كل خطوة على إجراءات (مبرمجة في LD أو FBD أو ST)، ويحدد كل انتقال الشرط الذي يجب استيفاؤه حتى يتقدم البرنامج إلى الخطوة التالية. SFC هي اللغة الطبيعية لتطبيقات التسلسل - دورات الغسالة، وتسلسلات العمليات المجمعة، وعمليات التجميع متعددة المراحل، وأي تطبيق حيث يجب على الجهاز تنفيذ سلسلة محددة من العمليات بالترتيب. إن برمجة عملية تسلسلية معقدة في مخطط السلم تنتج برامج كبيرة يصعب متابعتها؛ نفس التسلسل المعبر عنه في SFC يمكن قراءته على الفور كتدفق عملية وهو أسهل بكثير في تصحيح الأخطاء وتعديله.
وحدات التحكم المنطقية الحديثة القابلة للبرمجة هي أجهزة شبكية بقدر ما هي وحدات تحكم آلية. تحدد قدرات الاتصال الخاصة بـ PLC كيفية تكاملها مع معدات التشغيل الآلي الأخرى، والأنظمة الإشرافية، وقواعد بيانات المؤسسة، والأنظمة الأساسية السحابية - وهو اعتبار متزايد الأهمية مع تطور الأتمتة الصناعية نحو بنيات الصناعة 4.0 المتصلة.
يهيمن عدد صغير من شركات الأتمتة الكبيرة على سوق PLC، حيث تقدم كل منها نظامًا بيئيًا كاملاً من أجهزة PLC، وبرامج البرمجة، ووحدات الإدخال/الإخراج، ومحركات الأقراص، ولوحات HMI، والبنية التحتية للاتصالات المصممة للعمل معًا بسلاسة. إن اختيار PLC من شركة تصنيع معينة يعني عادةً الالتزام بالنظام البيئي الخاص بالشركة المصنعة لنظام التشغيل الآلي الكامل، الأمر الذي له آثار كبيرة على التكامل وقطع الغيار والتدريب والدعم طويل المدى.
| الشركة المصنعة | عائلات PLC الرئيسية | بيئة البرمجة | الشبكة الصناعية الأولية | قوة السوق |
| Siemens | S7-1200، S7-1500، S7-300/400 | بوابة TIA (الخطوة 7) | بروفينيت، بروفيبوس | أوروبا، الصناعات التحويلية العالمية |
| روكويل أوتوميشن (ألين برادلي) | كونتروللوجيكس، كومباكتلوجيكس، مايكرو820 | مصمم ستوديو 5000 لوجيكس | إيثرنت/IP، ديفيس نت | أمريكا الشمالية، السيارات، الأغذية والمشروبات |
| ميتسوبيشي اليكتريك | سلسلة ميلسيك iQ-R، iQ-F، Q | جي اكس وركس3 | سي سي لينك آي إي، إس إل إم بي | آسيا والمحيط الهادئ، السيارات، أشباه الموصلات |
| شنايدر إلكتريك | سلسلة موديكون M580، M340، TM | خبير التحكم في EcoStruxure | مودبوس تكب، إيثرنت / إب | الصناعات التحويلية والطاقة والبنية التحتية |
| اومرون | سلسلة NX، NJ، CP | ستوديو سيسماك | إيثرنت/IP، إيثركات | آسيا، أتمتة الآلات، التحكم في الحركة |
تتم مناقشة PLCs بشكل متكرر جنبًا إلى جنب مع أنظمة التحكم الموزعة (DCS) وأنظمة التحكم الإشرافي والحصول على البيانات (SCADA)، وقد تلاشت الحدود بين هذه الفئات بشكل كبير مع تطور التكنولوجيا. يعد فهم الفروق - وأين تتقارب - أمرًا مهمًا لتحديد بنية الأتمتة الصحيحة لتطبيق معين.
نظام التحكم الموزع هو بنية أتمتة يتم فيها توزيع وظائف التحكم عبر وحدات تحكم متعددة منتشرة بالقرب من العملية التي يتم التحكم فيها، وكلها متصلة بنظام إشرافي مركزي من خلال شبكة مصنع عالية الموثوقية. تم تطوير أنظمة DCS لتطبيقات العمليات المستمرة الكبيرة - النفط والغاز والبتروكيماويات وتوليد الطاقة وتصنيع الأدوية - حيث يلزم وجود الآلاف من حلقات التحكم التناظرية ومنطق التعشيق المعقد وإدارة الإنذارات الشاملة عبر مصنع فعلي كبير. تعطي أنظمة DCS الأولوية للتوفر العالي (وحدات التحكم الزائدة، والإدخال/الإخراج، والطاقة، والشبكات بشكل قياسي)، وإمكانات تأريخ بيانات العملية الشاملة، وشاشات عرض محطة المشغل المتكاملة. إن التمييز بين نظام PLC المعياري الحديث ونظام DCS للمبتدئين أصبح الآن هامشيًا من حيث الوظيفة - الاختلافات الأساسية تكمن في بيئة البرامج، وتركيز تطبيق البائع، والنموذج التجاري.
يشير SCADA (التحكم الإشرافي والحصول على البيانات) على وجه التحديد إلى الطبقة الإشرافية - نظام البرنامج الذي يجمع البيانات من PLCs ووحدات التحكم الميدانية الأخرى، ويقدم معلومات العملية إلى المشغلين من خلال شاشات HMI الرسومية، ويسجل البيانات التاريخية، وقد يرسل أوامر نقطة الضبط مرة أخرى إلى وحدات التحكم. SCADA ليس بديلاً عن PLC - إنها الطبقة الموجودة فوق PLC التي توفر الإشراف البشري وإدارة البيانات. تجمع بنية الأتمتة الصناعية النموذجية بين PLCs على مستوى التحكم في الماكينة أو العملية، وشبكة صناعية تحمل البيانات بين PLCs والأنظمة الإشرافية، ونظام SCADA أو MES الذي يوفر واجهة المشغل والبيانات التاريخية والتكامل مع أنظمة الأعمال.
يتضمن اختيار وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة المناسبة لجهاز جديد أو تطبيق التحكم في العمليات تقييم مجموعة من العوامل الفنية والتجارية التي تحدد معًا ما إذا كان النظام سيلبي متطلباته الوظيفية، وسيتم تسليمه في الموعد المحدد، وسيكون قابلاً للدعم طوال عمره التشغيلي. يغطي الإطار التالي أهم معايير التقييم.
يتطلب نظام PLC في التشغيل المستمر صيانة استباقية وإدارة دورة الحياة للحفاظ على الموثوقية وتجنب التوقف غير المخطط له. تعتبر الممارسات التالية قياسية في عمليات هندسة الأتمتة التي تتم إدارتها بشكل جيد.