عند تصميم نظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC)، فإن الخطوة الأولى هي تحديد استراتيجية التحكم؛ تتضمن الخطوة التالية الاختيار الهندسي لأجهزة PLC المحددة. تعمل خصائص تدفق العملية ومتطلبات التطبيق المحددة كأساس أساسي لعملية الاختيار هذه. يجب أن تكون وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) والمعدات المرتبطة بها متكاملة وموحدة، ويتم اختيارها وفقًا لمبادئ التكامل السلس في نظام التحكم الصناعي الشامل وسهولة التوسع الوظيفي. يجب أن يكون نظام PLC المختار حلاً ناضجًا وموثوقًا مع سجل حافل من التشغيل الناجح داخل القطاع الصناعي ذي الصلة. علاوة على ذلك، يجب أن تكون تكوينات أجهزة النظام وإمكانيات البرامج والميزات الوظيفية متوافقة بشكل مناسب مع حجم المنشأة ومتطلبات التحكم المحددة. يساعد الإلمام بـ PLCs ومخططات الوظائف ولغات البرمجة ذات الصلة على تقليل وقت البرمجة بشكل كبير. لذلك، خلال مرحلتي الاختيار والتقدير الهندسي، من الضروري إجراء تحليل مفصل لخصائص العملية ومتطلبات التحكم؛ يتضمن ذلك تحديد مهام التحكم ونطاقها بوضوح، وتحديد العمليات والإجراءات اللازمة. وبالتالي-استنادًا إلى متطلبات التحكم هذه-يمكن للمرء تقدير العدد المطلوب من نقاط الإدخال/الإخراج (I/O) وسعة الذاكرة، وتحديد وظائف PLC الضرورية ومواصفات الجهاز الخارجي. وأخيرًا، الهدف هو اختيار PLC يقدم نسبة أداء-سعرية متفوقة وتصميم نظام التحكم المناسب.
تقدير نقطة الإدخال/الإخراج
عند تقدير عدد نقاط الإدخال/الإخراج، من الضروري تضمين هامش مناسب. عادةً، يتم اشتقاق عدد الإدخال/الإخراج المقدر عن طريق أخذ العدد المحسوب إحصائيًا للنقاط المطلوبة وإضافة هامش توسع يتراوح بين 10% إلى 20%. عند تقديم الطلب الفعلي، قد يكون من الضروري تقريب عدد الإدخال/الإخراج المقدر للتوافق مع مواصفات المنتج المحددة وتكوينات الوحدة التي تقدمها الشركة المصنعة لـ PLC.
سعة الذاكرة
تشير "سعة الذاكرة" إلى الحجم الإجمالي لوحدات تخزين الأجهزة التي يوفرها PLC نفسه، بينما تشير "سعة البرنامج" إلى الجزء المحدد من تلك الذاكرة الذي يستخدمه برنامج تطبيق المستخدم. وبالتالي، تكون سعة البرنامج دائمًا أقل من أو تساوي سعة الذاكرة الإجمالية. أثناء مرحلة التصميم، نظرًا لأن برنامج التطبيق الخاص بالمستخدم لم تتم كتابته بعد، تظل سعة البرنامج الدقيقة غير معروفة ولا يمكن تحديدها إلا بعد تصحيح أخطاء البرنامج بالكامل. لتسهيل عملية الاختيار من خلال توفير تقدير معقول للتخزين المطلوب، يتم عادةً استخدام سعة الذاكرة الإجمالية كبديل لسعة البرنامج أثناء مرحلة التصميم. لا توجد صيغة ثابتة لتقدير سعة الذاكرة المطلوبة؛ على الرغم من ظهور صيغ مختلفة في الأدبيات، إلا أنها تتبع عمومًا نهجًا شائعًا: حساب 10 إلى 15 ضعف عدد نقاط الإدخال/الإخراج الرقمية، وإضافة 100 ضعف عدد نقاط الإدخال/الإخراج التناظرية، واستخدام هذا المجموع كإجمالي عدد الكلمات (حيث تساوي كلمة واحدة 16 بت) للذاكرة. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يؤخذ في الاعتبار هامش أمان يعادل 25% من هذه القيمة المحسوبة.
اختيار وظائف التحكم
تتضمن عملية الاختيار هذه اختيار خصائص محددة مثل الوظائف الحسابية ووظائف التحكم وقدرات الاتصال وميزات البرمجة وأدوات التشخيص وسرعة المعالجة.
1. الوظائف الحسابية
تتضمن الوظائف الحسابية لوحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) عادةً العمليات المنطقية الأساسية والتوقيت ووظائف العد. تتوسع PLCs القياسية في هذا الأمر لتشمل عمليات مثل نقل البيانات ومقارنتها. تشمل القدرات الحسابية الأكثر تعقيدًا العمليات الجبرية ووظائف نقل البيانات. تشتمل أجهزة PLC ذات الحجم الكبير- أيضًا على خوارزميات التحكم التناظرية PID وغيرها من الوظائف الرياضية المتقدمة. مع ظهور الأنظمة المفتوحة، أصبحت أجهزة PLC الحديثة مجهزة عالميًا بقدرات الاتصال؛ قد توفر منتجات معينة اتصالاً بأجهزة ذات مستوى - أقل، أو اتصال نظير -إلى-نظير مع أجهزة PLC أخرى، أو اتصال مع أنظمة مضيفة ذات مستوى أعلى-، أو إمكانات تبادل البيانات مع شبكات -المصنع على مستوى المصنع أو شبكات المؤسسة. عند اختيار نموذج أثناء مرحلة التصميم، ينبغي للمرء أن يبني اختياره على المتطلبات المحددة للتطبيق الفعلي، واختيار تلك الوظائف الحسابية الضرورية حقًا فقط. في معظم سيناريوهات التطبيق، تكفي العمليات المنطقية الأساسية والتوقيت ووظائف العد؛ قد تتطلب بعض التطبيقات إمكانيات نقل البيانات ومقارنتها؛ في حين أن العمليات الجبرية والتحويلات الرقمية وخوارزميات التحكم PID عادة ما تكون مخصصة للتطبيقات التي تتضمن الكشف عن الإشارات التناظرية والتحكم فيها. تكون عمليات مثل فك التشفير والتشفير مطلوبة عند الحاجة إلى إمكانات عرض البيانات.
2. وظائف التحكم
تشتمل وظائف التحكم على خوارزميات مثل التحكم في PID، والتعويض الأمامي-والتحكم في النسب؛ يجب تحديد الوظائف المحددة بناءً على متطلبات التحكم الدقيقة للتطبيق. نظرًا لأن أجهزة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) مصممة بشكل أساسي للتحكم المنطقي المتسلسل، فإن مهام التحكم التناظرية في معظم السيناريوهات يتم التعامل معها عادةً باستخدام وحدات تحكم حلقة -مفردة أو وحدات تحكم متعددة-حلقة مخصصة. وبدلاً من ذلك، يتم أحيانًا استخدام وحدات الإدخال/الإخراج الذكية المتخصصة لتنفيذ وظائف تحكم محددة-وهي إستراتيجية تعمل على تحسين سرعة المعالجة الإجمالية لـ PLC والحفاظ على سعة الذاكرة الداخلية. تتضمن أمثلة هذه الوحدات المتخصصة وحدات التحكم PID، وعدادات السرعة العالية-، ووحدات الإدخال التناظرية مع تعويض السرعة، ووحدات تحويل ASCII.
3. وظائف الاتصال
يجب أن تدعم أنظمة PLC ذات النطاق المتوسط-إلى-الكبيرة- مجموعة متنوعة من ناقلات المجال وبروتوكولات الاتصال القياسية (مثل TCP/IP). علاوة على ذلك، عندما يتطلب التطبيق ذلك، يجب أن تكون هذه الأنظمة قادرة على إنشاء اتصالات مع شبكة إدارة المصنع (عبر TCP/IP). يجب أن تتوافق بروتوكولات الاتصال مع معايير الاتصال ISO/IEEE ويجب أن تشكل شبكة اتصالات مفتوحة.
يجب أن تشتمل واجهات الاتصال الخاصة بنظام التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) على واجهات اتصال تسلسلية ومتوازية، ومنافذ اتصالات RIO، وواجهات DCS الشائعة، وما شابه ذلك. بالنسبة لأنظمة PLC ذات النطاق المتوسط-إلى-الكبيرة-، يجب تكوين نواقل الاتصالات (بما في ذلك أجهزة الواجهة والكابلات) بتكرار 1:1؛ يجب أن تمتثل حافلات الاتصالات هذه للمعايير الدولية، ويجب أن يلبي نطاق اتصالاتها المتطلبات الفعلية للمنشأة المحددة.
ضمن شبكة اتصالات نظام PLC، يجب أن يتجاوز معدل الاتصال لشبكة المستوى الأعلى-1 ميجابت في الثانية، ويجب ألا يتجاوز حمل الاتصال 60%. الأشكال الأساسية لشبكات الاتصالات لأنظمة PLC هي كما يلي:
1) يعمل الكمبيوتر كمحطة رئيسية، بينما تعمل أجهزة PLC المتعددة من نفس النموذج كمحطات تابعة، وتشكل شبكة PLC بسيطة؛
2) تعمل وحدة PLC واحدة كمحطة رئيسية، بينما تعمل وحدات PLC أخرى من نفس النموذج كمحطات تابعة، وتشكل شبكة PLC رئيسية- تابعة؛
3) تتصل شبكة PLC بوحدات تحكم المجال DC-واسعة النطاق عبر واجهة شبكة محددة، تعمل كشبكة فرعية لوحدات تحكم المجال DC؛
4) شبكة PLC خاصة (شبكة اتصالات خاصة بمنتجات PLC الخاصة بشركة مصنعة معينة).
ولتخفيف عبء عمل الاتصال على وحدة المعالجة المركزية-استنادًا إلى المتطلبات الفعلية لتكوين الشبكة، يجب تحديد-معالجات الاتصالات المجهزة بقدرات اتصال متنوعة (على سبيل المثال، نقطة-إلى-نقطة، وناقل المجال).
4. وظائف البرمجة
وضع البرمجة دون اتصال: في هذا الوضع، يتشارك PLC وجهاز البرمجة في وحدة المعالجة المركزية (CPU) واحدة. عندما يكون جهاز البرمجة في "وضع البرمجة"، تخصص وحدة المعالجة المركزية خدماتها لجهاز البرمجة فقط ولا تتحكم في الأجهزة الميدانية. بمجرد اكتمال البرمجة، يتحول جهاز البرمجة إلى "وضع التشغيل"، وعند هذه النقطة تستأنف وحدة المعالجة المركزية التحكم في الأجهزة الميدانية، ولا يمكن تنفيذ عمليات البرمجة. يمكن أن يؤدي وضع البرمجة غير المتصل بالإنترنت إلى تقليل تكاليف النظام، على الرغم من أنه قد يكون أقل ملاءمة للاستخدام وتصحيح الأخطاء. وضع البرمجة عبر الإنترنت: في هذا الوضع، يمتلك كل من وحدة المعالجة المركزية وجهاز البرمجة وحدات المعالجة المركزية المخصصة الخاصة بهما. وحدة المعالجة المركزية المضيفة مسؤولة عن عمليات التحكم الميدانية وتبادل البيانات مع جهاز البرمجة خلال دورة مسح واحدة؛ ينقل جهاز البرمجة بيانات البرنامج التي تم إنشاؤها أو تعديلها حديثًا إلى وحدة المعالجة المركزية المضيفة، وفي دورة المسح اللاحقة، تقوم وحدة المعالجة المركزية المضيفة بتنفيذ منطق النظام بناءً على البرنامج المستلم حديثًا. على الرغم من أن هذا الوضع ينطوي على تكاليف أعلى، إلا أنه يوفر راحة أكبر لتصحيح أخطاء النظام وتشغيله، ويتم اعتماده بشكل متكرر في أنظمة PLC ذات النطاق المتوسط-إلى-الكبيرة-. توجد خمس لغات برمجة موحدة: ثلاث لغات رسومية-مخططات الوظائف التسلسلية (SFC)، ومخططات السلم (LD)، ومخططات كتلة الوظائف (FBD)-ولغتان قائمتان على النص-لغتان قائمتان على النص-قوائم التعليمات (IL) والنص المنظم (ST). يجب أن تلتزم لغة البرمجة المحددة بالمعيار ذي الصلة (IEC 61131-3)؛ علاوة على ذلك، يجب أن يدعم أشكال البرمجة البديلة المختلفة - مثل C وBasic وما إلى ذلك - لتلبية متطلبات التحكم المحددة للتطبيقات المتخصصة.
5. وظائف التشخيص
تشمل القدرات التشخيصية لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) تشخيصات الأجهزة والبرامج. تستخدم تشخيصات الأجهزة المنطق المستند إلى الأجهزة- لتحديد موقع أخطاء الأجهزة، بينما يتم تصنيف تشخيصات البرامج إلى تشخيصات داخلية وخارجية. تتضمن التشخيصات الداخلية استخدام برامج لتقييم الأداء والوظائف الداخلية لـ PLC؛ تتضمن التشخيصات الخارجية استخدام برنامج لتقييم قدرات تبادل البيانات بين وحدة المعالجة المركزية (CPU) الخاصة بـ PLC والمكونات الخارجية، مثل وحدات الإدخال/الإخراج (I/O).
تؤثر قوة وظائف التشخيص الخاصة بـ PLC بشكل مباشر على الكفاءة الفنية المطلوبة لموظفي التشغيل والصيانة، بالإضافة إلى متوسط الوقت اللازم للإصلاح (MTTR).
6. سرعة المعالجة
تعمل وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة باستخدام آلية تعتمد على الفحص-. من منظور متطلبات الأداء في الوقت الفعلي-، يجب أن تكون سرعة المعالجة في أسرع وقت ممكن؛ إذا كانت مدة إشارة الدخل أقصر من وقت فحص PLC، فقد تفشل وحدة التحكم في اكتشاف الإشارة، مما يؤدي إلى فقدان البيانات.
تتأثر سرعة المعالجة بعوامل مثل طول برنامج المستخدم، وقوة معالجة وحدة المعالجة المركزية، وجودة البرنامج. تتميز أجهزة PLC بأوقات استجابة اتصال سريعة وسرعات تشغيلية عالية، حيث يتراوح وقت التنفيذ لكل تعليمات ثنائية عادةً من 0.2 إلى 0.4 ميكروثانية (μs)؛ وبالتالي، فهي مناسبة تمامًا-للتطبيقات التي تتطلب تحكمًا صارمًا وقدرات استجابة سريعة. يجب أن تستوفي دورة الفحص (وقت فحص المعالج) المعايير التالية: بالنسبة إلى أجهزة PLC الصغيرة الحجم، يجب ألا يتجاوز وقت الفحص 0.5 مللي ثانية لكل 1000 تعليمات (0.5 مللي ثانية/ك)؛ بالنسبة لأجهزة PLC ذات النطاق المتوسط-إلى-الكبيرة-، يجب ألا يتجاوز وقت المسح 0.2 مللي ثانية لكل 1000 تعليمات (0.2 مللي ثانية/ك).
أنواع أجهزة التحكم
بناءً على بنيتها الفيزيائية، يتم تصنيف PLCs على نطاق واسع إلى فئتين: أنواع متكاملة (أحادية الكتلة) وأنواع معيارية. واستنادًا إلى بيئة التشغيل الخاصة بها، يتم تصنيفها إلى فئتين: الوحدات المثبتة في الميدان-والوحدات المثبتة على-الغرفة-التحكم. علاوة على ذلك، استنادًا إلى طول كلمة وحدة المعالجة المركزية، يتم تصنيفها إلى أنظمة 1-بت، و4-بت، و8-بت، و16-بت، و32-بت، و64-بت. من منظور موجه نحو التطبيق-، يتم تحديد PLCs عادةً بناءً على وظائف التحكم المحددة الخاصة بها أو العدد المطلوب من نقاط الإدخال/الإخراج. تتميز وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) من النوع - المدمجة بعدد ثابت من نقاط الإدخال/الإخراج؛ وبالتالي، يتمتع المستخدمون بمرونة محدودة في اختيارهم، مما يجعلها مناسبة لأنظمة التحكم صغيرة الحجم. على العكس من ذلك، توفر وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) من النوع المعياري مجموعة واسعة من بطاقات الإدخال/الإخراج أو وحدات المكونات الإضافية، مما يسمح للمستخدمين بتحديد وتكوين العدد المحدد من نقاط الإدخال/الإخراج المطلوبة لأنظمة التحكم الخاصة بهم بشكل عقلاني. تسهل هذه الوحدة التوسع الوظيفي المريح والمرن، مما يجعلها مناسبة بشكل عام لأنظمة التحكم متوسطة إلى كبيرة الحجم.
أنواع الإدخال/الإخراج
الإشارات المنفصلة (كميات التبديل): تشير في المقام الأول إلى المدخلات والمخرجات المنفصلة-على وجه التحديد، جهات الاتصال المساعدة المرتبطة بأجهزة مختلفة. تشمل الأمثلة جهات الاتصال المساعدة للمرحل داخل جهاز التحكم في درجة حرارة المحول (والتي تغير الحالة عندما يسخن المحول)، وجهات الاتصال المساعدة لمفتاح كامة الصمام (التي تغير الحالة عند فتح الصمام أو إغلاقه)، وجهات الاتصال المساعدة للموصل (التي تغير الحالة عند تشغيل الموصل)، وجهات الاتصال المساعدة لمرحل الحمل الزائد الحراري (الذي يغير الحالة عندما يتعطل المرحل). يتم إرسال هذه الإشارات عادةً إلى PLC أو جهاز حماية شامل. يتم توفير مصدر الطاقة لهذه الاتصالات بشكل عام بواسطة PLC أو جهاز الحماية نفسه؛ نظرًا لأن جهات الاتصال لا تمتلك مصدر طاقة داخليًا خاصًا بها، فيشار إليها على أنها "جهات اتصال سلبية" (أو "جهات اتصال جافة")، ويتم تصنيفها على أنها مدخلات منفصلة في سياق PLC أو جهاز الحماية.
1. الكميات الرقمية
الكميات الفيزيائية المنفصلة-من حيث الوقت والحجم-يشار إليها بالكميات الرقمية. تسمى الإشارات التي تمثل هذه الكميات الرقمية الإشارات الرقمية. تُعرف الدوائر الإلكترونية المصممة للعمل باستخدام الإشارات الرقمية بالدوائر الرقمية.
على سبيل المثال: عند استخدام دائرة إلكترونية لحساب عدد الأجزاء الناتجة من خط إنتاج آلي، يتم إرسال إشارة إلى الدائرة لكل جزء يتم تسليمه، مما يجعلها تسجل العدد "1". على العكس من ذلك، عندما لا يتم تسليم أي أجزاء، تكون الإشارة المطبقة على الدائرة "0". ومن ثم، فإن الإشارة التي تمثل عدد الأجزاء متقطعة-مؤقتًا وكميًا-مما يجعلها إشارة رقمية. وأصغر وحدة للكمية في هذا السياق هي وحدة واحدة (1).
2. الكميات التناظرية
الكميات الفيزيائية المستمرة-سواء من حيث الزمن أو الحجم-يشار إليها بالكميات التناظرية. تسمى الإشارات التي تمثل هذه الكميات التناظرية إشارات تناظرية. تُعرف الدوائر الإلكترونية المصممة للعمل باستخدام الإشارات التناظرية بالدوائر التناظرية.
على سبيل المثال: إشارة الجهد الناتج بواسطة المزدوجة الحرارية أثناء التشغيل هي إشارة تناظرية. نظرًا لأن درجة الحرارة التي يتم قياسها لا يمكن أن تخضع لقفزات لحظية ومفاجئة تحت أي ظرف من الظروف، فإن إشارة الجهد الناتجة تكون مستمرة -من الناحية الزمنية والكمية. علاوة على ذلك، فإن كل قيمة محددة يتم التقاطها بواسطة إشارة الجهد هذه أثناء عملية التغير المستمر لها تحمل أهمية فيزيائية ملموسة-أي أنها تتوافق مع قراءة محددة لدرجة الحرارة. مبادئ التحويل
1. المحول الرقمي-إلى-التناظري (DAC) هو نظام يحول الإشارات الرقمية إلى إشارات تناظرية؛ ويتم تحقيق ذلك عادةً من خلال تصفية التمريرات المنخفضة-. تخضع الإشارة الرقمية أولاً لفك التشفير-أي أنه يتم تحويل الرموز الرقمية إلى مستويات جهد مقابلة لتكوين درج-مثل الإشارة-بعد ذلك يتم إخضاعها لتصفية تمرير منخفض-.
وفقًا لنظرية الإشارة والنظام، يمكن النظر إلى السلم الرقمي-الذي يشبه الإشارة على أنه التفاف لإشارة نبضية مثالية-وإشارة نبضية مستطيلة. وبالتالي، وفقًا لنظرية الالتواء، فإن طيف الإشارة الرقمية هو حاصل ضرب طيف الإشارة النبضية - وطيف النبضة المستطيلة (المعروفة باسم دالة Sa). وهكذا، من خلال استخدام مقلوب الدالة Sa للتعويض الطيفي، يمكن استرداد الإشارة الأصلية التي تم أخذ عينات منها من الإشارة الرقمية. علاوة على ذلك، ووفقًا لنظرية أخذ العينات، فإن تطبيق مرشح التمرير المنخفض المثالي- على طيف الإشارة التي تم أخذ عينات منها يؤدي إلى الحصول على طيف الإشارة التناظرية الأصلية.
في التطبيقات العملية، لا يتم تطبيق هذه المبادئ النظرية بشكل مباشر، حيث أن توليد إشارات عينات حادة ومثالية يمثل تحديًا تقنيًا. لذلك، يتم عادةً دمج مرحلتي التصفية هاتين (تعويض دالة Sa- وتصفية التمرير المنخفض - المثالية) (بشكل متتالي). علاوة على ذلك، نظرًا لأن خصائص التصفية المثالية التي يتطلبها هذا النظام غير قابلة للتحقيق فعليًا، فإن الأنظمة الفعلية لا يمكنها سوى تقديم صورة تقريبية لهذه العملية.
2. المحول التناظري-إلى-المحول الرقمي (ADC) هو نظام يحول الإشارات التناظرية إلى إشارات رقمية؛ تتضمن هذه العملية التصفية وأخذ العينات والاحتفاظ والتشفير.
تخضع الإشارة التناظرية أولاً لتصفية محدودة للنطاق -وتمر عبر عينة-ودائرة تثبيت-، وبالتالي تتحول إلى إشارة تشبه السلم-. بعد ذلك، تمر هذه الإشارة عبر جهاز تشفير، والذي يحول كل مستوى جهد مميز داخل إشارة الدرج إلى رمز ثنائي مناظر.