نجاح نظام تحكم PLC يبدأ التصميم بأهداف أتمتة محددة بوضوح ومتوافقة مع أهداف الإنتاج. تُظهر التحليلات الصناعية أن 62% من فشل عمليات الأتمتة ناتج عن أهداف غير موثقة بشكل جيد. ولمنع ذلك، يجب على الفرق أن:
هذه الأهداف القابلة للقياس تضمن أن يدعم نظام التحكم الكفاءة التشغيلية والقابلية للتوسع على المدى الطويل.
يتطلب إعداد الخرائط الفعّالة للمدخلات/المخرجات التمييز بين الإشارات الرقمية (تشغيل/إيقاف) والإشارات التناظرية (متغيرة). وتشمل الأجهزة الحقلية الشائعة:
يؤدي اختيار نوع المدخلات/المخرجات الصحيح إلى تفسير دقيق للإشارات واستجابة موثوقة للمشغلات في ظل الظروف التشغيلية المتغيرة.
تعتمد أنظمة الـ PLC عمومًا على ثلاث أجزاء رئيسية تعمل معًا. في قلب النظام تقع وحدة المعالجة المركزية، أو ما تُعرف اختصارًا بـ CPU. تقوم هذه المكونات بتشغيل برامج التحكم وتتولى جميع مهام الشبكة داخل النظام. ثم تأتي وحدات الإدخال/الإخراج. تقوم هذه الوحدات الصغيرة النشيطة باستقبال الإشارات من أجهزة استشعار الحرارة، وأجهزة قياس الضغط، وأجهزة الحقل الأخرى، وتحويلها إلى إشارات يمكن للكمبيوتر فهمها. كما تقوم أيضًا بالعمل العكسي، حيث ترسل نبضات كهربائية لتشغيل المحركات، أو فتح الصمامات، أو تشغيل الإنذارات بناءً على التعليمات الصادرة من وحدة المعالجة المركزية. وأخيرًا وليس آخرًا، وحدة إمداد الطاقة. تحتاج معظم الأنظمة الصناعية إلى جهد ثابت مقداره 24 فولت تيار مستمر للحفاظ على سير العمل بسلاسة. تأتي وحدات الإمداد عالية الجودة بدارات احتياطية لتفادي الأعطال عند حدوث انخفاضات غير متوقعة في الجهد الكهربائي في المصانع التي تُشغَّل فيها آلات كبيرة باستمرار وتُطفأ في المناطق المجاورة.
| التكوين | الأنسب لـ | الميزة الرئيسية |
|---|---|---|
| وحدات الـ PLC الثابتة | عمليات بسيطة وثابتة | مُهيأة مسبقًا، وفعالة من حيث التكلفة |
| وحدات تحكم منطقية قابلة للبرمجة وحدوية | عمليات قابلة للتوسيع | مدخلات/مخرجات قابلة للتخصيص عبر بطاقات إضافية |
| وحدات تحكم منطقية قابلة للبرمجة تُركب على رفوف | أتمتة على نطاق واسع | هندسة تحكم مركزية |
يعتمد اختيار التكوين المناسب على تعقيد العملية، وخطط التوسع، والقيود المكانية.
عندما يتعلق الأمر بـ PLC المعيارية، فإن هذه الأنظمة يمكنها التعامل مع ما يصل إلى 64 وحدة توسيع للمدخلات/المخرجات في التكوينات المتطورة، مما يجعلها مثالية تقريبًا للأنظمة التي تتوسع مع مرور الوقت. من ناحية أخرى، تقلل وحدات الـ PLC الثابتة التكاليف الأولية بنسبة تتراوح بين 30 إلى 45 بالمئة تقريبًا للتركيبات الصغيرة، ولكن بمجرد التركيب لا يمكن التوسع لاحقًا عند الحاجة. إن المساحة أيضًا تُعد عاملًا مهمًا. تستهلك الأنظمة المثبتة على الرفوف ضعف المساحة التي تحتاجها الخيارات المدمجة في لوحات التحكم، وفقًا لأغلب الفنيين الذين تحدثنا معهم. ولكن إليك المفارقة: رغم أنها تستهلك مساحة أكبر، فإن الوحدات المثبتة على الرفوف تسهل كثيرًا من عملية الصيانة، لأن كل شيء يكون متجمعًا معًا، ويمكن للفنيين الوصول إلى المكونات دون الحاجة إلى تفكيك الجدران أو الخزائن لإصلاح شيء صغير واحد فقط.
بدأ أحد كبرى شركات تصنيع قطع غيار السيارات باستخدام أنظمة وحدات التحكم القابلة للبرمجة (PLC) في خطوط إنتاج بطاريات المركبات الكهربائية (EV) العام الماضي. وقد مكّن هذا الإعداد الشركة من دمج روبوتات اللحام بالليزر وأجهزة استشعار ذكية لفحص الجودة تدريجيًا على مدى ثلاث سنوات تقريبًا، مع الاستمرار في تشغيل المصنع بشكل طبيعي. ووفقًا للتقارير الداخلية، فإن هذه الطريقة وفرت ما يقارب النصف في تكاليف إعادة التجهيز مقارنة باستبدال الأنظمة القديمة بالكامل. وحدها هذه التوفيرات تمثل حجة قوية حول أهمية الحلول المعيارية المرنة في بيئات التصنيع عالية التقنية اليوم.
يُحوِّل برمجة وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) بشكل أساسي ما تحتاجه الآلات إلى تنفيذه إلى تعليمات فعلية يمكنها اتباعها. يستقبل النظام معلومات من أجهزة الاستشعار في الزمن الفعلي، مثل درجة حرارة شيء ما أو ما إذا كان مفتاح معين قد تم تشغيله، ثم يتخذ قرارات بشأن الإجراءات الواجب اتخاذها بعد ذلك. على سبيل المثال، تشغيل المحركات عند الحاجة أو إغلاق الصمامات في الوقت المناسب تمامًا. ويستخدم المهندسون حزم برامج خاصة لبناء هذه الأنظمة التحكمية وفقًا لمتطلبات المصنع. وتُركّز بعض الأنظمة على ضمان تحرك المنتجات عبر خطوط التعبئة بأقصى سرعة ممكنة، في حين تتطلب أنظمة أخرى دقة بالغة في مهام مثل تجميع أجزاء السيارات، حيث تكون حتى الأخطاء الصغيرة ذات أهمية كبيرة.
يؤثر اختيار لغة البرمجة على سرعة التطوير والمرونة وسهولة الصيانة:
يجب أن يتناسب اختيار اللغة مع خبرة الفريق وتعقيد التطبيق.
تعمل جميع وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة من خلال دورة مسح مستمرة:
تحسين وقت المسح — والذي غالبًا ما يقل إلى جزء من الثانية في الأنظمة عالية السرعة — يضمن تحكمًا سريع الاستجابة وحتميًا، ويقلل من التأخير في بيئات الإنتاج السريعة.
يعتمد تحقيق تكامل جيد للمدخلات/المخرجات بشكل كبير على كيفية ترتيب الأسلاك منذ البداية. تقوم وحدات الإشارة التناظرية بالتعامل مع تلك الإشارات المتغيرة الواردة من أجهزة مثل الأزواج الحرارية، في حين تتصل الوحدات الرقمية بمختلف أجهزة الاستشعار الثنائية (تشغيل/إيقاف)، بما في ذلك مفاتيح الحد التي نراها في كل مكان. عندما يتعلق الأمر بالتصدي للتداخل الكهرومغناطيسي، فإن الكابلات المجدولة المحمية تكون الأكثر فعالية عند استخدامها مع عزل غلفاني من نوع ما. وفقًا لتقرير تحليل صناعي نُشر العام الماضي، يُعزى حوالي 17 بالمئة من جميع مشكلات الإشارة في المصانع إلى قضايا التداخل الكهرومغناطيسي. ولا تنسَ أيضًا أهمية أجهزة حماية الاندفاع الكهربائي، فهي ضرورية للحفاظ على مكونات وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) آمنة من الارتفاعات المفاجئة في الجهد والتيارات القصيرة الضارة التي قد توقف العمليات تمامًا.
تتصل معدات الحقول المختلفة مثل أجهزة الاستشعار الضوئية، والصمامات الكهرومغناطيسية، وأجهزة التحكم في تردد المحرك (VFD) بالوحدة المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) من خلال وحدات الإدخال/الإخراج (I/O). تشير الأبحاث الحديثة إلى أن حوالي 74 بالمئة من المشكلات في أنظمة الأتمتة تُعزى إلى سوء التوافق بين أجهزة الاستشعار والمشغلات، مما يعني أن التحقق من توافق المكونات مع بعضها البعض أمرٌ مهم جدًا. على سبيل المثال، عادةً ما تحتاج أجهزة استشعار الضغط إلى الاتصال بوحدة إدخال تناظرية مهيأة لدوائر التيار عند التعامل مع إشارات تتراوح بين 4 إلى 20 مللي أمبير. وفي الوقت نفسه، يمكن توصيل معظم أجهزة الاستشعار القريبة الحثية مباشرةً بمدخلات رقمية قياسية بجهد 24 فولت تيار مستمر. إن إجراء هذه التوصيلات بشكل صحيح يُحدث فرقًا كبيرًا في موثوقية النظام.
عندما تبدأ الإشارات في التصرف بشكل غير سليم، فإن ضعف التأريض يكون غالبًا في مقدمة الأسباب المحتملة للخلل. وهنا تُحدث طريقة النقطة النجمية فرقًا كبيرًا، حيث تتصل جميع الكابلات المدرعة بنقطة واحدة فقط على الهيكل بدلًا من الاتصال عبر نقاط متعددة كما هو الحال في أنظمة التوصيل المتسلسل. ووفقًا لمجلة الأتمتة الصناعية من العام الماضي، فإن هذا الأسلوب يقلل مشكلات الحلقات الأرضية بنسبة تقارب الثلثين! وفي الأماكن التي يوجد بها الكثير من الضوضاء الكهربائية، فإن التحول إلى اتصالات الألياف البصرية بين وحدات الإدخال/الإخراج البعيدة والوحدة المعالجة الرئيسية يساعد حقًا في الحفاظ على نقاء الإشارة. ولا تنسَ إضافة الحلقات المغناطيسية الصغيرة، والمعروفة باسم القلوات الفيريتية، على كابلات الإيثرنت أيضًا. علاوةً على ذلك، فإن فصل خطوط الطاقة عن أسلاك التحكم ووضعها في قنوات مختلفة يُحدث فرقًا كبيرًا عند محاولة الحفاظ على اتصالات موثوقة داخل الأنظمة المعقدة.
وفقًا لمجلة أوتوميشن وورلد من العام الماضي، فإن الاختبارات الشاملة تقلل من مشكلات النشر في البيئات الصناعية بنحو الثلثين. عندما يتعلق الأمر بالتنفيذ الفعلي، فإن محاكاة الحلقة المادية فعّالة جدًا في التحقق من أداء أنظمة التحكم عند التعرض لظروف العالم الحقيقي. وفي الوقت نفسه، يمكن لأساليب التشخيص المختلفة مثل إجبار حالات المدخلات/المخرجات أو تحديد نقاط التوقف اكتشاف مشكلات التوقيت المزعجة التي غالبًا ما يتم تجاوزها. على سبيل المثال، في خطوط إنتاج السيارات، تقوم العديد من شركات السيارات باختبار مئات الحالات العطلية المختلفة قبل أن تفكر حتى في تشغيل محطات اللحام الروبوتية في وضع الإنتاج الكامل. يساعد هذا الأسلوب في اكتشاف ما يقارب كل الأعطال المحتملة مسبقًا.
يجب على المنشآت العاملة في المناطق عالية الخطورة، مثل مصانع المعالجة الكيميائية، الالتزام بمعايير SIL 3 من حيث سلامة التكامل. وعادةً ما يتضمن ذلك إعداد أنظمة تحتوي على معالجات احتياطية إلى جانب تكوينات مدخلات/مخرجات ذات قناتين. فعلى سبيل المثال، في منشأة لتصنيع الصلب، كانت هناك مشكلة خطيرة تتعلق باختناق نظام الناقل. وقد دخل نظام الطوارئ حيز التشغيل تقريبًا على الفور، حيث أوقف جميع الأجزاء المتحركة خلال 12 ميلي ثانية فقط. وقد أنقذ هذا الاستجابة السريعة ما يقارب 2.1 مليون دولار من أضرار المعدات. وفيما يتعلق ببروتوكولات السلامة، فإن اتباع الإرشادات الواردة في معياري ISO 13849 وIEC 62061 أمر ضروري. والأهم من ذلك، يجب أن تعمل إجراءات الإيقاف الحرجة بسرعة كافية للرد على المواقف الخطرة في غضون 100 ميلي ثانية كحد أقصى.
| بروتوكول | السرعة | طوبولوجيا | حالات الاستخدام الصناعي |
|---|---|---|---|
| Modbus RTU | 19.2 كيلو بت في الثانية | رئيس-تابع | أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، شبكات المستشعرات القديمة |
| PROFIBUS DP | 12 ميجا بت في الثانية | خطي | تشغيل المحركات، صمامات العمليات |
| EtherNet/IP | 100 Mbps | نجمة | أنظمة الرؤية، التكامل مع أنظمة تنفيذ العمليات (MES) |
يقدم كل بروتوكول مقايضات في السرعة والبنية الشبكية والتوافق، مما يؤثر على ملاءمته لتطبيقات معينة.
عندما يتم ربط التقنيات التشغيلية بأنظمة تكنولوجيا المعلومات، فإن ذلك يفتح إمكانيات جديدة للصيانة التنبؤية من خلال تدفق مستمر لبيانات وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) إلى منصات تحليلات السحابة. أظهرت دراسة حديثة لأعمال المصانع شيئًا مثيرًا للإعجاب – فقد تمكنت المصانع التي تستخدم شبكات مدمجة من اكتشاف العيوب بسرعة أكبر بنسبة 89 بالمئة عندما طبقت الذكاء الاصطناعي على عملياتها التشخيصية في الوقت الفعلي وفقًا لأبحاث العام الماضي. ومع ذلك، فإن إعداد هذا النظام بشكل صحيح ليس أمرًا بسيطًا. فما زالت الأمان مصدر قلق كبير، وبالتالي فإن معظم التطبيقات تتطلب نفق شبكة خاصة افتراضية مشفرة، وضوابط وصول تعتمد على أدوار المستخدمين، بالإضافة إلى بوابات OPC UA التي تمكن المهندسين من مراقبة الأنظمة عن بُعد دون المساس باستقرار الشبكة بأكملها. قد تبدو هذه التدابير الأمنية وكأنها عمل إضافي، لكنها ضرورية للحفاظ على حماية البيانات الصناعية الحساسة.
تتكون المكونات الأساسية لنظام التحكم القابل للبرمجة (PLC) من وحدة المعالجة المركزية (CPU)، ووحدات الإدخال/الإخراج (I/O)، ووحدة إمداد الطاقة.
هناك ثلاثة أنواع رئيسية من وحدات التحكم القابلة للبرمجة: وحدات التحكم الثابتة، ووحدات التحكم المعيارية، ووحدات التحكم المثبتة على الرفوف، وكل نوع منها مناسب لمجالات وأحجام مختلفة من العمليات من حيث الحجم والتعقيد.
يُستخدم منطق السلم بشكل شائع لأنه يشبه الدوائر الكهربائية التقليدية باستخدام المرحلات، مما يجعله سهل الفهم بالنسبة للفنيين الكهربائيين وفنيي الصيانة.
تتضمن دورة مسح وحدة التحكم القابلة للبرمجة ثلاث مراحل: مسح المدخلات، تنفيذ المنطق، وتحديث المخرجات، وتضمن جميعها معالجة وتحكمًا فعالين.
تُعد حماية التداخل الكهرومغناطيسي أمرًا بالغ الأهمية في دمج وحدات الإدخال/الإخراج، لأنها تمنع التداخل الكهرومغناطيسي الذي قد يتسبب في مشكلات كبيرة في الإشارات ضمن أنظمة التشغيل الآلي.
حقوق النشر © 2024 بواسطة شركة شنتشن كيدا للإلكترونيات المحدودة
EN