الحاكم المنطقي المبرمج هو عبار عن جهاز يعطي قدرات هائلة لتشغيل العمليات الصناعية المعقدة التي كانت حلماً في السنوات الماضية ، وقد تم إنتاج المتحكم المنطقي المبرمج ليكون قادراً على تشغيل الماكينات والعمليات الصناعية بكفاءة ودقة عالية، والتي كانت تعمل في السابق عن طريق القواطع الكهربائية والتي لها عيوب كثيرة نذكر منها تأكلها وتلف أجزاء الميكانيكية بالإضافة إلى الشرارة الكهربائية الناتجة من الفصل والتوصيل والتي تسبب تلف القاطع وفي بعض الأحيان حرائق، كما تظهر مشاكل كثيرة في المحطات الكبيرة التي تعمل بالقواطع مثل الضوضاء التي تسببها المجالات المغناطيسية المتداخلة ، كما أنها تحتاج إلى موصلات كثيرة مما يؤدي إلى رفع تكلفة المحطة وكذلك صعوبة صيانة هذه القواطع .. إلخ .
يتكون الحاكم المبرمج منطقياً من برمجيات (Software) ومكونات صلبة (Hardware)، حيث تتكون المكونات الصلبة من الوحدات الأساسية التي يوضحها الشكل التالي:
وفيما يلي شرح لهذه العناصر:
وحدة التغذية الكهربائية (Power Supply)
حتى يعمل الحاكم المبرمج منطقياً بوحداته المختلفة لا بد من توفر مصدر تغذية كهربائية وتعمل هذه الوحدة على فولطيات مختلفة حسب الشركة الصانعة وتتراوح ما بين (0-24 Vdc ) أو (120 – 240Vac) ، وحيث يرمز لهذه الفولطيات برموز معينة حسب الشركة الصانعة مثل شركة شنايدر حيث يرمز لكل فولطية بالرموز التالية:
12VDC رمزها JD
24VDC رمزها BD
24VAC رمزها B
100-240VAC رمزها FU
والشكل التالي يوضح فوليطية المصدر لحاكم منطقي مبرمج فولطيته 24 فولت.
وحدة المعالجة المركزية (CPU):
وتعتبر هذه الوحدة هي عقل النظام وهي من أهم الأجزاء في وحدة الحاكم المبرمج منطقياً وتشبه المعالج الدقيق المستخدم في الحاسوب الشخصي، وهي تعمل على اتخاذ القرارات الضرورية لتنفيذ البرنامج المعد من قبل المستخدم ويعمل المعالج على تفسير التعليمات(البرنامج) المخزن في الذاكرة ويحدد الحالة المطلوبة للمخارج إعتماداً على حالة المداخل حيث تتصل الوحدةCPU مع وحدتي المداخل والمخارج لتحدد حالة هذه المداخل وبعد ذلك يغيّر أو يحدث حالة كافة المداخل ذات الصلة.
الذاكرة (Memory):
ويتم فيها تخزين البرامج أو التعليمات وتخزن فيها حالة المداخل والمخارج
وتقسم أنواع الذواكر المستخدمة في وحدة (PLC) حسب أمكانية القراءة أو الكتابة إلى:
ذاكرة (ROM – Read Only Memory)
وهي ذاكرة للقراءة فقط وهي ذاكرة دائمة غير قابلة للمسح وعادة يخزن عليها البرنامج التشغيلي لوحدة (PLC) المعد من قبل الشركة الصانعة.
ذاكرة (RAM - Random Access Memory)
وهي ذاكرة سريعة لكنها تفقد محتوياتها عند انقطاع التيار الكهربائي عنها وتسمى كذلك بالذاكرة المتطايرة، وفي بعض الأجهزة تحتوي على بطارية داخلية للمحافظة على البيانات المخزنة على هذه الذاكرة المتطايرة، ويتم نقل برنامج المستخدم إلى هذه الذاكرة عند تشغيل الوحدة.
ذاكرة (EPROM – Erasable Programmable Read Only Memory)
وهذه الذاكرة تبرمج مثل ذاكرة ROM لكن مع امكانية مسح محتوياتها يإستخدام الأشعة الفوق بنفسجية وإعادة برمجتها.
ذاكرة (EEPROM – Electronically Erasable Programmable Read Only Memory)
يمكن تخزين البرنامج فيها مثل ذاكرة ROM لكن يمكن مسحها بإستخدام فولطية ، وهي الأشهر إستخداماُ وعادة يتم تخزين نسخة من البرنامج المعد من المستخدم فيها وعند تشغيل وحدة PLC أو إعادة تشغيلها نتيجة أي خطأ يتم نقل البرنامج منها إلى ذاكرة RAM.
وحدة المداخل (Inputs Module)
تم توصيل وحدة المداخل بمجموعة من العناصر الفيزيائية مثل المفاتيح الكهربائية والضواغط والمفاتيح الحدية (Limit switches) والحساسات ومقاييس الحرارة والوزن و حساسات مستوى السوائل وغيرها حيث تقوم وحدة المداخل باستقبال الإشارات التماثلية والرقمية المرسلة من هذه العناصر وتقوم بتحويلها إلى إشارات منطقية يمكن أن تتعامل معها وحدة المعالجة المركزية.
وتقسم المداخل إلى :
المداخل الرقمية Digital Inputs
تتعامل المداخل الرقمية مع الإشارات الصادرة من الحساسات التي تكون إما في الحالة ( ON) أو (OFF) مثل :
- المفاتيح الإنضغاطية (الضواغط) Pushbuttons Switches
- المفاتيح الحدية Limit Switches
- الملامسات المفتوحة Normally Open Contacts
- الملامسات المغلقة Normally Closed Contacts
المداخل التماثلية Analog inputs
تتعامل المداخل التماثلية مع الحساسات التي تتحسس القيم المتغيرة مثل مجسات قياس درجة الحرارة و مستوى السوائل والسرعة و ذلك بعد تحويل الحالة الفيزيائية للقيمة المقاسة إلى إشارة كهربية متغيرة بإحدى الصور التالية :
- من 0 إلى 20mA أو من 4 إلى 20mA.
- من 0 إلى10V
والشكل التالي يوضح حاكم منطقي مبرمج يحتوي على اربعة مداخل رقمية وهي I1,I2,I3,I4 واربعة مداخل تماثلية
والشكل التالي يوضح رموز المخارج الرقمية واشكالها
وحدة المخارج (Outputs Module)
تقوم وحدة الإخراج على استقبال تعليمات التحكم المنطقية المرسلة من المعالج وتحويلها على إشارات رقمية أو تماثلية ويمكن استخدامها للتحكم بمجموعة متنوعة من لمبات الإشارة وملفات المرحلات وملفات المفاتيح المغناطيسية وملفات الصمامات اللولبية(Solenoid Valves)
وتقسم المخارج إلى :
المخارج الرقمية Digital Outputs
وهي المخارج التي تكون حالة أشارتها إما ON أوOFF
من أمثلة المخارج الرقمية التي توصل بالمخارج الرقمية لوحدة الـ PLC المصابيح و ملفات المرحلات و المفاتيح الكهرومغناطيسية
المخارج التماثلية Analog Outputs
و يتم فيها تحويل الإشارة المنطقية المرسلة من وحدة المعالجة المركزية إلى إشارة تماثلية (0-10 V) أو (-20mA4 أو 0-20mA) ومن تم ترسل الإشارة التماثلية إلى الأجهزة التي يتم التحكم بها والتي تتعامل مع هذا النوع من الإشارات مثل أجهزة التحكم بالسرعة أو درجة الحرارة أو صمامات التحكم في تدفق الموائع التي توصل مع المخارج التماثلية لوحدة PLC.
والشكل التالي يوضح امثلة لنوعي المخارج:
جهاز البرمجة Programming device
وهو جهاز خاص يتم توصيلة بوحدة الـPLC و يستخدم فيما يلي:
- يتم كتابة البرنامج فيه.
- يتم بواسطته نقل البرنامج إلى وحدة الـPLC.
- في الأجهزة الكبيرة يوجد لوحة برمجة تحمل باليد (Hand-held) وتبرمج وحدة PLC من خلالها كما انه يمكن استخدام الكمبيوتر كجهاز برمجة لوحدة الـPLC.والشكل التالي يبين أحد أنواع لوحة البرمجة وتوصيلها مع وحدة PLC.
وفي الأجهزة الحديثة أصبح بالإمكان ربط وحدة PLC مع جهاز الحاسوب الشخصي، والشكل التالي يوضح توصيل الحاسوب الشخصي(PC) مع وحدة PLC.
كيفية عمل وحدة PLC
تعمل وحدة المعالج فيPLC بإجراء عملية مسح دوري ومستمر (Scanning) للبرنامج. وقبل بدء عملية المسح وعند تشغيل الوحدة سيقوم المعالج بإجراء فحص ذاتي داخلي
(self-diagnostic) للتأكد عمل وحدة PLC دون أي أخطاء داخلية في المكونات الأساسية للوحدة.
يمكن اعتبار إن عملية المسح (PLC Scan Cycle) تتكون من ثلاثة خطوات رئيسية مهمة وهي كالتالي :
1- فحص حالة المداخل(Input Scan): حيث تقوم وحدة PLC بفحص حالة كل مدخل وذلك لتحديد ما إذا كانت في وضعية (ON أو OFF) ثم تقوم بتخزين البيانات في الذاكرة لإستعمالها في الخطوة التالية.
2- تنفيذ البرنامج (Logic Solve/Scan): حيث تقوم وحدة PLC بتنفيذ برنامج المستخدم بعد تحديد حالة المداخل و قراءة أوامر البرنامج المترتبة على كل حالة من حالات كل مدخل ومن ثم تخزين نتائج التنفيذ لإستخدامها في الخطوة التالية.
3- تحديث حالة المخارج(Output Scan) :حيث تقوم وحدة PLC بتحديث حالات المخارج وفقاً لأوامر البرنامج الصادرة في الخطوة الثانية. (تشغيل/إيقاف)
بعد الانتهاء من الخطوة الثالثة تقوم وحدة الـPLC بالرجوع للخطوة الأولى لتعيد نفس الخطوات بصورة مستمرة.
يعرف زمن المسح الواحد على أنه الزمن الذي تأخذه وحدة الـ PLC لتنفيذ الخطوات الثلاث المذكورة سابقاً وهذا الزمن يختلف حسب حجم البرنامج ونوع وحدة PLCالمستخدمة من أجزاء من الميلي ثانية إلى 100 ميلي ثانية لكل دورة.
والشكل التالي يوضح دورة مسح واحدة لوحدة PLC
أنواع الحاكمات القابلة للبرمجة PLC:
يمكن تصنيف وحدات PLC حسب حجمها إلى الوحدات التالية:
1- Rack-Modular PLC :
عند بداية تصنيع الحاكمات المبرمجة منطقياً كانت تقوم بالتحكم بالعمليات الكبيرة والمعقدة وتحتاج لأعداد كبيرة من المداخل والمخارج،قد تصل المئات من المداخل والمخارج.وهي تتكون من صندوق معدني يركب فيه الوحدات الأساسية لنظام PLC مثل وحدة التغذية الكهربائية ووحدة المعالج(CPU) أعداد من وحدات الإدخال ووحدات الإخراج حسب العملية الصناعية المراد التحكم بها. تمتاز بمرونتها وإمكانية التوسعات المستقبلية ، لكن مساؤها سعرها غالي.
والشكل التالي يوضح أحد أنواع الحاكمات المبرمجة منطقياً من نوع الوحدات(Modules) .
2- وحدات PLC المصغرة (Mini):
مع التطورات في الصناعات الألكترونية والحاسوبية تم انتاج وحدة PLC ذات وحدات شبيهة بالنوع الأول لكن بنصف حجمها.
والشكل التالي يوضح هذا النوع.
3- وحدة Micro PLC :
وهي الأحدث وتمتاز بصغر حجمها ورخص ثمنها لكن يكون فيها عدد المداخل والمخارج محدود وهي مجمعة بصندوق يحتوي على جميع الوحدات الأساسية، مع أمكانية إضافة وحدات مداخل ومخارج . والشكل التالي يوضح حاكم منطقي مبرمج مع وحدة توسعة.
