ما هو الـ PLC ومما يتكون وما استخداماته؟

عملية التحكم من العمليات الأساسية وذات الأهمية الكبرى في الصناعة، في الماضي كان التحكم يتم يدويًا عن طريق أشخاص، في الآونة الأخيرة تم استخدام الكهرباء للتحكم، وكان التحكم الكهربائي في البداية يعتمد على المرحلات. تسمح هذه المرحلات بتشغيل وإيقاف الطاقة بدون الحاجة إلى مفتاح ميكانيكي. أحدث تطوير أجهزة الكمبيوتر ثورة في التحكم وتم استخدام وحدة التحكم المنطقي القابل للبرمجة المعروف اختصارًا (بي إل سي PLC). بدأ ظهور الـ PLC في السبعينيات وأصبح الاختيار الأكثر شيوعًا للتحكم في العمليات الصناعية، اكتسبت PLC شعبية كبيرة في المجال الصناعي ومن المحتمل أن تظل سائدة لفترة من الزمن في المستقبل.

تعريف ال PLC

الـ PLC اختصار (programmable logic controller) وتعني المتحكم المنطقي المبرمج ويمكن تعريف الـ PLC أنه جهاز إلكتروني رقمي مع ذاكرة قابلة للبرمجة لحفظ التعليمات الخاصة لتنفيذ وظائف ومهام مثل العمليات المنطقية، والتتابع، والتوقيت، والعد، والعمليات الحسابية وغيرها. وذلك للتحكم بالآلات والعمليات الصناعية.

يعتمد الجهاز في عمله على وجود برنامج تحكم يتم حفظه وفق تسلسل معين لتنفيذ خطوات التحكم المطلوب. يقوم الجهاز باستدعاء هذه الخطوات وتنفيذها ومن ثم التحكم بالآلة أو العملية الصناعية بواسطة إشارات الخرج التي يتم إخراجها على أطراف مخارج الجهاز .

مكونات الـ PLC

أهم الأجزاء الرئيسية لـ PLC هي وحدة التغذية بالطاقة، وحدات الدخل والخرج من أجل إدخال المعلومات من أجهزة الدخل أو إعطاء الأوامر لتشغيل أجهزة الخرج. وحدة المعالجة المركزية CPU وتتكون من عنصرين أساسيين وهما المعالج والذاكرة ويختلف التركيب الدقيق لوحدة المعالجة المركزية من صانع إلى آخر. ويبين الشكل أدناه تركيب جهاز (PLC) ويشبه التركيب الداخلي لجهاز الكمبيوتر.

1- مصدر التغذية power supply: تقوم هذه الوحدة بتوفير الجهود المناسبة لعمل المتحكم المنطقي المبرمج (PLC)، حيث توفر الجهود الملائمة لعمل وحدة الـ CPU ووحدات الدخل والخرج والحساسات وغيرها. وتشمل هذه الوحدة جميع المراحل اللازمة مثل تحويل الجهد الداخل المتردد إلى مستمر أو التوحيد أو الترشيح والتنظيم.

2- وحدة الدخل Input Module: يتم توصيل وحدة الدخل بمجموعة من العناصر الفيزيائية مثل المفاتيح الكهربائية والحساسات ومقاييس الحرارة والوزن وحساسات مستوى السوائل وغيرها، حيث تقوم وحدة الدخل باستقبال الإشارات التماثلية والرقمية المرسلة من هذه العناصر وتقوم بتحويلها إلى إشارات منطقية يمكن ان تتعامل معها وحدة المعالجة المركزية. وتنقسم إلى نوعين:

وحدات الإدخال الرقمية: وهذه الوحدات مخصصة لاستقبال الإشارات الرقمية ON، OFF (0 أو 1)، القادمة من عناصر الدخل التي لها حالتا تشغيل فقط، مثل الضواغط، والمفاتيح الحدية، والمفاتيح التقاربية (Sensors proxirnity)، والخلايا الضوئية، والعوامات الكهربائية. وتقوم هذه الوحدات بنقل المعلومات عن عناصر الدخل إلى وحدة المعالجة المركزية. وتعمل وحدات الدخل بجهود مستمرة (dc) أو متغيرة (ac) وبقيم مختلفة ومتنوعة مثل 11OV ،24٧ 24OV.

وحدات الإدخال التماثلية: وتقوم باستقبال الإشارات التماثلية التي تتغير ضمن مجال معين والواردة من الحساسات المختلفة. وهذه الإشارات لا تتخذ قيمتين فقط، بل يمكن أن تأخذ عددًا لا نهائي من القيم ضمن مجال خرج هذه الحساسات. ويختلف خرج المجسات المختلفة من ناحية النوع والقيمة. فبعضها يعطي فرق جهد قليل بالميلي فولت مثل الازدواجات الحرارية، أو عدة فولتات مثل المحولات الخطية. وبعضها تتغير فيه المقاومة الكهربائية بشكل واسع مثل الثرمستور أو بقيم صغيرة. ومجسات أخرى تعطي تيارًا متغيرًا على مخرجها. ولذلك تقوم الشركات الصانعة بتصميم  وحدات إدخال متنوعة تختص بإدخال أنواع الإشارات المختلفة وضمن مجال قياسي محدد.

3- وحدات الإخراج output Module: وهي وحدات تقوم بإخراج الإشارات الكهربائية المطلوب إخراجها من وحدة المعالجة المركزية، وذلك لتسيير العملية الصناعية حسب البرنامج المدخل للجهاز من المستخدم. وتعمل على تحويل الإشارة الخارجة من وحدة المعالجة إلى إشارة ذات جهد مناسب للتحكم بعمل المشغلات (رقمية، تماثلية). وهناك عدة أنواع من وحدات الخرج منها:

وحدة الخرج الرقمية: وهي وحدة الخرج التي تأخذ إشارة الخرج فيها إحدى حالتين (1 أو 0) و عادة توجد وحدات الخرج الرقمية بإحدى الأنواع التالية: 1) وحدة الخرج بترياك وتعمل مع الجهود المتغيرة. 2) وحدة الخرج بترانزستور ويكون الترانزستور إما من النوع NPN أو PNP وتستخدم مع الجهود المستمرة، ويمكن تشغيلها على سرعات عالية. 3) وحدة الخرج بمرحل: ويمكن تشغيلها على الجهود المستمرة أو المتغيرة. وتوفر عزلًا بين دارة تشغيل المرحل والحمل، وتقاوم التغيرات المفاجئة للتيارات والحالات العابرة للجهود. ولكن المرحل بطيء العمل ذو حجم كبير نسبيًا، ويتلف أسرع من المفاتيح الساكنة الأخرى كالترانزستور والترياك.

وحدات الخرج التماثلية: تكون الإشارة الخارجة من وحدة الخرج إشارة تماثلية تتغير ضمن مجال معين من التيارات أو الجهود (10٧-0) أو (20mA-0)، وتستخدم هذه الوحدة للتحكم بالصمامات والمشغلات التماثلية ونظم قيادة محركات التيار المتناوب والمستمر (DC & AC Drives).

4- المعالج أو وحدة التحكم المركزية CPU: هو “عقل” الـ PLC. عادة ما يتكون الـ CPU من معالج دقيق لتنفيذ الأوامر المنطقية والتحكم في الاتصالات بين الوحدات. يتطلب المعالج ذاكرة لتخزين تعليمات برنامج المستخدم والقيم العددية وحالة أجهزة الإدخال/الإخراج. يتحكم المعالج في جميع أنشطة الـ PLC وهي مصممة بحيث يمكن للمستخدم إدخال البرنامج المطلوب. ويتم تنفيذ برنامج PLC كجزء من عملية متكررة يشار إليها بالـ scan. وتختلف المعالجات بطول الكلمة (word length) التي تعالجها بالبت ( 32، 16، 8، 4) وبسرعة تردد الساعة (Clock) التي تعمل عليها بالميغا هيرتز.

5- برنامج التحكم أو الـ (Software): هي مجموعة من الأوامر المطلوب تنفيذها بالتتابع المكتوبة به لتنفيذ عملية التحكم، ويخزن البرنامج على وحدات التخزين مثل الأقراص المرنة والصلبة. وعند الرغبة في التعديل في برنامج التحكم يتم التعديل في البرنامج دون الحاجة إلى تغيير نظام التحكم. باستخدام لغة برمجة مثل ladder وهي أحد أكثر لغات برمجة PLC شيوعًا.

لتفاصيل أكثر يمكنك الرجوع لمقال: مكونات الـ PLC

كيف يعمل الـ PLC؟

تتضمن الأجزاء الأساسية لـ PLC: وحدات الإدخال والإخراج، ووحدة معالجة مركزية (CPU)، وجهاز برمجة. تتكون وحدة الإدخال من الأجهزة التي تراقب الآلات أو المستخدمة في التحكم في العملية. قد تكون هذه الأجهزة رقمية أو تناظرية، مثل المجسات (Sensors)، مفاتيح الحد (limit switches)، مفاتيح الإيقاف والتشغيل، وبادئ تشغيل المحرك (motor starters) وغيرها.

تكون قيم الدخل الرقمية إما في وضع التشغيل أو الإيقاف، وتمثل الإشارات التناظرية ظروف الماكينة أو العملية كمجموعة من قيم الجهد أو التيار . تتمثل الوظيفة الأساسية لدائرة إدخال PLC في تحويل الإشارات التي توفرها هذه المفاتيح وأجهزة الاستشعار المتنوعة إلى إشارات منطقية يمكن أن تستخدمها وحدة المعالجة المركزية،

تقوم وحدة المعالجة المركزية (CPU) بتقييم حالة المدخلات والمخرجات والمتغيرات الأخرى أثناء قيامها بتنفيذ البرنامج المخزن مسبقًا فيها. ثم ترسل وحدة المعالجة المركزية إشارات لتحديث حالة المخرجات. وتقوم وحدات الإخراج بتحويل إشارات التحكم من وحدة المعالجة المركزية إلى قيم رقمية أو تناظرية يمكن استخدامها للتحكم في أجهزة الإخراج المختلفة مثل المحرك الكهربائي.

تُعرف عملية القراءة المتتابعة للمدخلات وتنفيذ البرنامج في الذاكرة وتحديث المخرجات باسم المسح scanning. يوضح الشكل في الأعلى تمثيل رسومي لعملية الـ scan.

أنواع الـ PLC

تشمل المعايير المستخدمة في تصنيف الـ PLC: الوظائف وعدد المدخلات والمخرجات والتكلفة والحجم، من بين هؤلاء يعد عدد الإدخال/الإخراج هو العامل الأكثر أهمية. بشكل عام، النانو (nano) هو أصغر حجم بأقل من 15 نقطة إدخال/إخراج. يتبع ذلك الميكرو micro types (من 15 إلى 128 نقطة إدخال/إخراج) ، والأنواع المتوسطة medium types (من 128 إلى 512 نقطة إدخال/إخراج) ، والأنواع الكبيرة large types (أكثر من 512 نقطة إدخال/إخراج). وكل شركة مصنعة تعطي اسم يميز كل نوع من إصداراتها.

ويمكن تصنيف الـ PLC إلى نوعين:

النوع الأول: أجهزة الـ PLC المتكاملة (CompactType): وفي هذا النوع تو جد جميع العناصر السابقة في وحدة واحدة. وتستخدم هذه الأجهزة للتحكم في العمليات الصناعية الصغيرة وذلك بتكلفة منخفضة نسبيًا. ويكون عدد المداخل والمخارج التي يمكن توصيلها بهذا النوع عادة قليلة. وفي بعض الأنواع يمكن إضافة وحدة توسعة (Expansion Unit) لزيادة عدد المداخل والمخارج.

النوع الثاني: أجهزة الـ PLC المجزأة (Moduled Type). في هذا النوع يتم تخصيص وحدة منفصلة لكل عنصر من العناصر المكونة للجهاز تسمى وحدة (Module). فتوجد وحدة لمصدر القدرة، ووحدة للمداخل، ووحدة للمخارج ووحدة المعالجة المركزية. ويمكن إضافة وحدات إضافية للمداخل والمخارج حسب الحاجة. للمزيد اقرأ أنواع ال PLC.

مميزات الـ PLC

مميزات جهاز المتحكم المنطقي المبرمج (PLC):

1. تكلفة أقل وحجم أصغر، وسرعة في الأداء.
2. سهولة صيانتها ومعرفة الخطأ إن وجد.
3. توافر عدد كبير من المرحلات الداخلية والمؤقتات والعدادات وغيرها من الوظائف في جهاز واحد.
4. عدد كبير من الملامسات المساعدة حيث يمكن تكرار استخدام نفس العنوان لعدد كبير من المرات.
5. سهولة تنفيذ التعديلات وإصلاح الأخطاء: في لوحات كلاسيك كنترول التقليدية فإن أي تغيير في عمل نظام التحكم يستلزم تغيير التوصيلات مما يتطلب وقتًا وجهدًا، بينما يتم ذلك بواسطة تعديل البرنامج فقط في جهاز الـ PLC.
6. سهولة متابعة العملية الصناعية خلال العمل من خلال البرنامج على جهاز الحاسوب وتوثيقها.
7. الاعتمادية والموثوقية: حيث إن لوحات كلاسيك كنترول التقليدية تعتمد في عملها على المرحلات ذات طبيعة العمل الميكانيكية.

استخدامات الـ PLC

منذ اختراعها تم استخدام PLC في كل قطاع تقريبًا من قطاعات الصناعة، بما في ذلك مصانع الصلب ومصانع الورق ومصانع الأغذية والمصانع الكيماوية ومحطات الطاقة الكهربائية. تقوم PLCs بأداء مجموعة كبيرة ومتنوعة من مهام التحكم، من التحكم المتكرر في التشغيل/الإيقاف للآلات البسيطة إلى التصنيع المتطور والتحكم في العمليات المعقدة.