أتمتة العمليات- أنظمة التحكم-2 Process Automation System- Control System

أتمتة العمليات- أنظمة التحكم-2  Process Automation System- Control System

أنظمة التحكم Control system

تتميز المتحكمات القابلة للبرمجةPLCs  أنه لا يوجد لكل متحكم لغة البرمجة الخاصة به حيث عملت معظم الشركات المصنعة على اعتماد معيار أساسي يحدد لغات البرمجة التي يمكن استخدامها وكان المعيار IEC 61131-3 هو الأساس في تحديد لغات البرمجة المستخدمة. بالرغم من اختلاف المصنعين والمزايا الخاصة بكل مصنع لهذه المتحكمات الا ان لديها مفهوم موحد في للغة البرمجة المستخدمة. وبالتالي فان تعلم استخدام لغة برمجة معينة مثلاً اللغة السلمية مع أحد المتحكمات لا يختلف كثيرا إذا أردنا برمجة متحكم آخر بنفس اللغة.

يحدد المعيار IEC 61131-3 استخدام خمسة لغات برمجية ضمن المتحكمات المنطقية وهي:

Ladder Diagram (LD)  

Structured Text (ST)

Instruction List (IL)

Function Block Diagram (FBD)

Sequential Function Chart (SFC)

ليس بالضرورة أن تعتمد جميع الشركات المصنعة للمتحكمات القابلة للبرمجة على استخدام جميع اللغات السابقة في عملية البرمجة لمتحكماتها، انما يتم استخدام على الأقل واحدة منها وهي اللغة السلمية Ladder Diagram.

 أشكال المداخل والمخارج المستخدمة ضمن المتحكمات القابلة للبرمجة:

1- المداخل والمخارج المتقطعة Discrete I/O:

المداخل والمخارج المتقطعة والمرتبطة مع المتحكم القابل للبرمجة ليكون بها حالتين فقط  ON/OFF فالمفاتيح الكهربائية والمفاتيح اليدوية ومفاتيح نهاية الموضع ومفاتيح العمليات(مفاتيح ضغط- مفاتيح حرارة..) جميعها أمثلة على المداخل المتقطعة التي يمكن استخدامها، ولكي يتمكن المتحكم من قراءة حالة هذه المداخل فان المداخل الرقيمة المتقطعة لها دارة حماية من الجهود العابرة والغير مرغوبة ودارة تحسس لحالة هذا الحساس. تبدأ عملية التحسس ضمن موديول قراءة المداخل الرقمية من خلال ليد ضوئي وترانستور ضوئي يكشف حالة هذا المدخل، ضمن ذاكرة المتحكم قان حالة هذا المدخل سوف تتغير من 0 الى 1 ويتم تخزينها ضمن بت واحد ضمن الذاكرة. كل مدخل رقمي له دارة التحسس ودارة الحماية والذاكرة الداخلية الخاصة به. عادة تكون عدد الإشارات الرقمية ضمن الموديول الرقمي الواحد اما 2, 4, 8, 16, 32, 64  إشارة دخل ضمن كل موديول.

أما المصباح الضوئي أو الصوتي، الصمام ذو الملف، الريليه الكهروميكانيكية، ملف الكونتاكتور، أجهزة الحماية من الحمل الزائد.. جميعها أشكال لمخارج رقمية يمكن أن تتصل مع موديول الخرج الرقمي الخاص بالمتحكم القابل للبرمجة، والذي بدوره يملك دارة الحماية والخرج المشابهة لموديول الدخل المتمثلة بالليد الضوئي الذي يعمل على قدح أحد العناصر الالكترونية والتي تقدح ضوئياً مثل الترانستور الضوئي أو الترياك. يمكن لبعض موديولات الخرج أن تحوي ضمنها ريليه الكتروميكانيكية صغيرة عوضاً عن الترانستور الضوئي ويعتمد ذلك على سرعة تغير الخرج المطلوبة والحمل المطلوب تشغيله من خلال المتحكم القابل للبرمجة. وبشكل مشابه لموديولات الدخل الرقمية فان كل مخرج رقمي له دارة الحماية والخرج الخاصة به والتي يتم تحديثها بين 0و 1 حسب حالة ذاكرة كل مخرج والمخزنة ضمن بت واحد ضمن ذاكرة المتحكم. يمكن أيضاً لمجموعة من إشارات الخرج الرقمية وبشكل مشابه لإشارات الدخل الرقمية والتي تكون أعدادها اما 2, 4, 8, 16, 32, 64 ضمن موديول خرج رقمي واحد.

هناك مفهوم اصطلاحي هام يتعلق بالإشارات الرقمية المتقطعة وهي اتجاه تدفق التيار ضمن الجهاز المستخدم ولها شكلين أساسيين. اما current-sourcing والتي يكون فيها التيار متجهاً من الموديول الى الطرف الخارجي أو current-sinking عندما يكون اتجاه التيار من الطرف الخارجي الى الموديول.

ولتوضيح ذلك فان الشكل التالي يبين اتجاه التيار من موديول الخرج الى الحمل وبالتالي فهو موديول خرج مصدر للتيار "sourcing" or "PNP".

لا تملك موديولات الدخل والخرج المتقطعة حساسية لقطبية تغذية الحساس المتصل بها أو للحمل المرتبط معها انما الحساسات هي التي يمكن أن تملك هذه الحساسية بالنسبة لجهد التغذية، لذلك يملك كل موديول دخل أو خرج طريقة ملائمة للربط مع التجهيزات الطرفية. المثال التالي يبين آلية ربط مفتاح نهاية الشوط Limit switch الذي لا يملك أي حساسية لاتجاه جهد التغذية مع موديول الدخل الرقمي.

يمكن ملاحظة اختلاف القطبية بين طريقتي وصل حساس نهاية الشوط مع موديول الدخل، عند الوصل بطريقة sinking فان مدخل إشارة الدخل متصل مع جهد التغذية الموجب بينما المداخل المشترك Common موصول مع الجهد السالب. أما عند الوصل بطريقة sourcing فان مدخل إشارة الحساس متصل مع جهد التغذية السالب بينما جهد المداخل المشترك VDC متصل مع جهد التغذية الموجب.

بعض الحساسات الرقمية حساسة لتغير قطبية جهد التغذية مثل الحساسات التقاربية السعوية أو التحريضية أو حتى الضوئية التي تملك ترانستور داخلي ضمنها، لذلك فان الحساسات التي تشكل منبع للتيار Sourcing تتصل مع موديول دخل مستقبل للتيار Sinking والعكس صحيح. الرسم التالي يبين حالتي وصل الحساسات التقاربية مع موديول الدخل:

الشكل التالي يبين موديول دخل رقمي بثمان إشارات دخل sinking من شركة Allen-Bradley model SLC 500 ونهايتين DC COM للوصل مع جهد التغذية السالب.

فيما يتعلق بموديولات الخرج فان كل مخرج منها له نهايته الخاصة ورقمه الخاص بالإضافة لوجود نقاط للنهايات المشتركة للمخارج والتي يرمز لها عادة ب C او Com أو رمز آخر يدل على المخرج المشترك، يمكن لموديول الخرج أن يحوي أكثر من نهاية مشتركة وهذا الأمر مطلوب في حال وجود مخارج تختلف في جهد التغذية المطلوب لتشغيلها سواء جهد مستمر أم متناوب، لا تهم قطبية التغذية بين المخرج والنهاية المشتركة عندما تكون الأحمال تتغذى بجهد متناوب لكن هذا الأمر مطلوب عند التغذية بجهد مستمر.

الشكل التالي يبين موديول خرج بثمانية مخارج Allen-Bradley SLC 500 PLC والتي تستخدم الترياك كنهاية خرج كل نقطة خرج. يملك هذا الموديول مخرجين مشتركين vac1، vac2 يمكن من خلالها تغذية الأربع مخارج الأولى من مصدر تغذية مختلف عن مصدر التغذية للمخارج الأربعة الثانية. يجب الانتباه دوما عند اختيار وتوصيل موديول الخرج على جهد التغذية وطبيعة المخارج المشتركة وعددها وكيفية توصيلها.

إشارات الدخل والخرج التماثلية Analog I/O:

تعمل المتحكمات القابلة للبرمجة على معالجة الإشارات الرقمية دخل-خرج في أغلب الأحيان لتنفيذ البرنامج التحكمي المطلوب، لكن عمل هذا المتحكم لا يتوقف عند تحصيل وقيادة الإشارات الرقمية انما معظم العمليات التحكمية تحتاج الى قراءة ومعالجة الإشارات التماثلية المتغيرة دوريا مع الزمن والتي تقرأ المتغيرات العملية التكنولوجية مثل قراءة وتحصيل إشارات الضغط، الحرارة، المستوى، التدفق، وزن..وغيرها من القراءات المطلوبة.

تعطي الإشارات التماثلية قيمة جهد كهربائي متغير أو تيار متغير أو مقاومة كهربائية متغيرة تعبر عن قيمة المتغير التكنولوجي الذي يتم قراءته وتحصيله. وتكون عادة قراءة هذه المتغيرات ضمن القيم التالية:

 (-10 to 10 volt, 0 to 10 volt, 0 to 5 volt)- قيمة جهد متغير

 (0 to 20 mA, 4 to 20 mA) قيمة تيار متغير -

 (millivolt)- قيمة جهد متغير من حساس حرارة ثير وكبل

 (millivolt)- قيمة جهد متغير من قراءة خلية وزنية

 (millivolt)- قيمة جهد متغير من قراءة المقاومة الحرارية

يعتمد المتحكم المنطقي القابل للبرمجة في مبدأ عمله أساسا على معالجة الإشارات الرقمية المتقطعة لذلك فان قراءة وتحصيل الإشارات التماثلية يحتاج الى عملية تحويل من شكلها الأساسي (جهد-تيار) المتغير الى قيمة رقمية يفهمها المتحكم ويتم ذلك من خلال المبدل التمثيلي الرقمي Analog-to-Digital Converter ADC والذي يكون عادة متضمن ضمن كرت الدخل التمثيلي للمتحكم. يكون لكل كرت دخل تمثيلي دقة محددة في عملية التحويل من الشكل التمثيلي الى الشكل الرقمي وهي مثلاً 12,13,14,15  بت وهذا يعني مثلا اذا كانت دقة التحويل 14 بت فانه يمكن قراءة =2^14 16,384قيمة متغيرة، بمعنى آخر اذا أردنا قراءة قيمة حساس حرارة تتغير قيمته بين 0-10 فولت فان موديول الدخل التمثيلي يمكنه ادراك أي تغير بقيمة الجهد بحدود 6 ميلي فولت ((10/ 16,384= 0.6 millivolt وبالتالي تم تحويل قيمة الجهد الكهربائي المعبرة عن قيمة الحرارة الى قيمة مخزنة ضمن ذاكرة المتحكم بحجم 1 word=16 bit.

وكمثال آخر كما في الشكل السابق اذ كان لدينا مقياس تدفق مجال عمله بين 0-700GPM غالون بالدقيقة ويعطي هذا الحساس إشارة تيار 4-20ma تقابل قيمة التدفق ويتم قراءة هذه القيمة من خلال موديول دخل تمثيلي مربوط مع المتحكم ودقة قراءة هذا المتحكم 14 بت وبالتالي فان خرج المبدل التمثيلي الرقمي يعطي قراءة بين 3277 و 16384 تقابل قيمة تيار 4-20ma.

وتكون العلاقة بين قيمة التدفق وخرج المبدل التمثيلي الرقمي كما في المعادلة التالية:

عند حل المعادلة تكون قيمة b=-175 وبالتالي تصبح المعادلة التي يتم برمجتها ضمن المتحكم لمعرفة قيمة قراءة اشارة الحساس:

ما ينطبق على موديول الدخل التماثلي يمكن تعميمه على موديول الخرج التماثلي أيضاً، ولكن هنا تتم عملية التحويل بشكل معاكس حيث نحتاج الى مبدل رقمي تماثلي Digital-to-Analog Converter DAC لإخراج القيمة المخزنة ضمن ذاكرة المتحكم بشكل جهد أو تيار كهربائي. نحتاج عادة لإشارة الخرج التمثيلية لتحديد قيمة السرعة المطلوبة بدوران محرك أو لتحديد مقدار فتحة صمام وغيرها من الاستخدامات.