دراسة التكنولوجيا المستخدمة في المتحكم المنطقي

في مجموعة صغيرة، أعد قائمة بالأنشطة الهندسية التي تتحكم فيها وتديرها المتحكمات المنطقية القابلة للبرمجة. على سبيل المثال، تُستخدم المتحكمات المنطقية في إشارات المرور للتحكم في التبديل بين الإشارات الحمراء والصفراء والخضراء. اذكر ثلاث مزايا وثلاثة عيوب لاستخدام البرمجة مع كل نشاط بدلاً من الإجراءات اليدوية.

• أ. دراسة التكنولوجيا المستخدمة في أنظمة المتحكم المنطقي القابل للبرمجة المستخدم في التحكم الصناعي
• ب. استكشاف هياكل البرمجة وطرق التحكم في المتحكم المنطقي القابل للبرمجة
• ج. تطوير نظام متحكم منطقي قابل للبرمجة يُستخدم في التحكم الصناعي لحل مشكلة هندسية
• د. مراجعة تطوير نظام التحكم الصناعي وتقييم الأداء الشخصي

تمثل المتحكمات المنطقية القابلة للبرمجة عنصرًا أساسيًا في العمليات الهندسية وعمليات الأتمتة الصناعية، فهي توفر المرونة والتحكم المركزي والتطوير السريع للعمليات المعتمدة على المراقبة في الوقت الفعلي والتحكم الدقيق. طورت صناعات السيارات المتحكمات المنطقية القابلة للبرمجة لأول مرة في عام 1970 لتحل محل أنظمة المرحلات المعقدة. أحدثت المتحكمات المنطقية القابلة للبرمجة نقلة نوعية بفضل تصميمها المعياري وبرمجتها الرقمية، ما يسمح بتطبيقها في مجموعة واسعة من المجالات الصناعية. وقد أدى ذلك إلى انتشارها عالميًا. واليوم، تُستخدم المتحكمات المنطقية القابلة للبرمجة في مجموعة متنوعة من المجالات، بدءًا من أحزمة النقل في نقاط الدفع بالمتاجر ووصولًا إلى محطات توليد الطاقة التي تزود المدن الكبيرة بالكهرباء.

المتحكمات المنطقية القابلة للبرمجة هي حواسيب متخصصة تُستخدم في أتمتة العمليات الصناعية والتحويلية. ونستعين بها في مراقبة نظم العمل والتحكم بها في الوقت الفعلي، وهذا يجعلها ضرورية في العديد من القطاعات لتسهيل العمل وزيادة الكفاءة. والهدف الرئيس منها هو توفير طريقة مثلى لتنفيذ العمليات. تتطلب أنظمة المتحكمات المنطقية القابلة للبرمجة توافر مجموعة من المكونات الأساسية لضمان عملها بكفاءة.

وحدة المعالجة المركزية هي العقل المدبر في المتحكم المنطقي القابل للبرمجة، وتتألف من معالج دقيق وظيفته تفسير منطق البرنامج والتحكم في الاتصالات داخل النظام. تستقبل وحدة المعالجة المركزية بيانات الإدخال من مستشعرات أو مفاتيح مختلفة، وتعالج هذه البيانات وفقًا للمنطق المحدد في البرنامج، ثم ترسل بيانات الإخراج إلى أجهزة التحكم.

المراقبة في الوقت الفعلي - تحديث بيانات الأنظمة والعمليات وتوفيرها باستمرار. المعالج الدقيق - معالج حاسوبي تُدمج فيه وحدة الحوسبة الكاملة داخل شريحة أو دائرة متكاملة واحدة. المستشعر - جهاز ينتج إشارات خرج استجابةً لاستشعار كيان مادي. المفتاح - قطعة كهربائية تكمل أو تقطع مسار الدائرة الكهربائية. البرنامج - تعليمات برمجية قابلة للتنفيذ تُشغل بواسطة الحاسوب لتحديد المخرجات التي سيجري إنتاجها بناءً على المدخلات.

تعمل وحدة تزويد الطاقة على توفير التيار المستمر للمتحكم المنطقي القابل للبرمجة. وفي الأنظمة الصغيرة، قد توفر هذه الوحدة الطاقة لأجهزة الإدخال والإخراج. أما الأنظمة الكبيرة، فقد تتوافر فيها وحدات تزويد طاقة إضافية لتوفير هذه الطاقة.

لا بد من توافر وحدة إدخال ووحدة إخراج على الأقل من أجل تشغيل المتحكم المنطقي القابل للبرمجة، ولا بد أن توفر كل وحدة واجهة لربط الجهاز بالمتحكم. توفر وحدات الإدخال واجهات بين أجهزة الإدخال والمتحكم، وتوفر وحدات الإخراج واجهات بين أجهزة الإخراج والمتحكم.

الواجهة - حد مشترك بين مكونين من مكونات النظام.

المهارات الشخصية - الاهتمام الفكري والفضول.

تتكون العديد من أجهزة الحاسوب من هذه الميزات الثلاث الرئيسية. ناقش أوجه التشابه والاختلاف بين نوعين مختلفين من أجهزة الحاسوب وأجهزة المتحكم المنطقي القابل للبرمجة.

تلميح قارن بين ميزات أجهزة الحاسوب المحمول والهواتف المحمولة وأجهزة المتحكم المنطقي القابل للبرمجة. توسيع الأفق لماذا لا تناسب الهواتف المحمولة وأجهزة الحاسوب المحمول للتطبيقات التي تستخدم فيها أجهزة المتحكم المنطقي القابل للبرمجة؟

أبسط طريقة لوصف المتحكم المنطقي القابل للبرمجة وعرض تصميمه هي إنشاء مخطط كتلة لوحدة المعالجة المركزية ووضع شروح عليه. يعرض هذا المخطط تمثيلاً بيانيًا للنظام، ويوضح المكونات الأساسية مثل واجهات الإدخال والإخراج التي تربط بين العالم الخارجي والعناصر داخل نظام المتحكم. يتألف مخطط الكتلة النموذجي للمتحكم المنطقي القابل للبرمجة من العناصر الأساسية الآتية: وحدة المعالجة المركزية وجهاز البرمجة ووحدات الإدخال والإخراج على النحو الموضح في الشكل 36.1.

الشكل 36.1 مخطط كتلة أساسي لوحدة المعالجة المركزية في متحكم منطقي قابل للبرمجة. يمكن أن توضح مخططات الكتلة أيضًا المكونات التي تتكون منها وحدات الإدخال والإخراج.

في المتحكمات المنطقية القابلة للبرمجة، تلعب واجهة الإدخال والإخراج ⁦(I/O)⁩ دورًا حيويًا في التواصل بين الإلكترونيات الدقيقة للمتحكم والعالم الخارجي الحقيقي، وهذه الواجهة مسؤولة عن إدارة الإشارات بين المتحكم والمستشعرات والأجهزة الأخرى المتصلة به.

مخطط الكتلة - تمثيل بياني لكيفية اتصال مكونات المتحكم المنطقي القابل للبرمجة ببعضهم بعضًا. العالم الخارجي الحقيقي - الأجهزة الخارجية الفعلية التي يجب توصيلها فعليًا بالنظام. الإدخال/الإخراج ⁦(I/O)⁩ - يشير إلى المدخلات والمخرجات. الإلكترونيات الدقيقة - دراسة الإلكترونيات الصغيرة للغاية وتصنيعها.

في واجهة الإدخال، توجد ثلاثة جوانب يجب دراستها: أجهزة الاستشعار وتكييف الإشارة والعزل.

تستقبل المتحكمات المنطقية القابلة للبرمجة المعلومات من العالم الخارجي عبر أجهزة الاستشعار وأجهزة الإدخال الأخرى المتنوعة. وتقدم هذه المكونات إشارات الجهد أو التيار إلى الواجهة. تحول الواجهة هذه الإشارات إلى شكل سهل القراءة حتى تتمكن وحدة المعالجة المركزية من معالجتها.

يرسل المتحكم المنطقي القابل للبرمجة إشارات إلى واجهة الإخراج لتنفيذ الأنشطة في العالم الخارجي الحقيقي. وقد تشمل أجهزة الإخراج المحركات والمقابض والمزالج والصمامات والأضواء وأي أجهزة أخرى تؤدي النشاط المطلوب.

في داخل واجهة الإدخال، تُعد إشارات الدخل المتسقة والموثوقة عاملًا بالغ الأهمية لضمان تشغيل المتحكم المنطقي القابل للبرمجة بكفاءة. ومع ذلك، يلزم في بعض الأحيان "تكييف الإشارات" هذه الإشارات بحيث يمكن للواجهة معالجتها بدقة. تُعرف هذه العملية باسم "تكييف الإشارات" وتشمل عمليات مثل التضخيم والترشيح وتحويل التيار المتردد إلى إشارات تيار مستمر. قد تحتاج إشارات الخرج أيضًا إلى الخضوع لعملية تكييف الإشارات بهدف تلبية احتياجات أجهزة الإخراج. وقد يتطلب تكييف هذه الإشارات تحويل إشارات التيار المستمر إلى إشارات تيار متردد، أو تعديل مستويات الجهد، أو توفير التيار لتشغيل الجهاز.

يعمل العزل على حماية المتحكم المنطقي المبرمج من أي ضوضاء كهربائية أو ارتفاعات في الجهد من خارج النظام. ويضمن العزل أن إشارات الإدخال موثوقة ومتسقة. ويساعد ذلك على منع حدوث أي ضرر للمكونات الدقيقة الحساسة داخل المتحكم. يمكن وضع العوازل بين واجهة الإدخال وواجهة الإخراج والمتحكم.

التضخيم - خطوة من خطوات تكييف الإشارة تهدف إلى زيادة الإشارة بغرض زيادة نسبة الإشارة إلى الضوضاء. التصفية - إجراء في تكييف الإشارة يحجب أو يصفي أي بيانات غير صالحة أو ضوضاء في الإشارة. الذاكرة المتطايرة - ذاكرة يحتفظ بها النظام الحاسوبي فقط عندما يكون موصولًا بالطاقة. نظام التشغيل - برنامج حاسوبي يدير الأجهزة والبرمجيات في الجهاز الحاسوبي. البرنامج الثابت - البرنامج الذي يسمح للأجهزة بالعمل.

ما الاعتبارات التي يجب مراعاتها عند اختيار وتكوين وحدات الإدخال والإخراج لنظام المتحكم المنطقي القابل للبرمجة؟ تلميح يجب أن تراعي أنواع الإشارات المحددة والتوافق وقابلية التوسع عند اختيار وحدات الإدخال والإخراج لنظام المتحكم المنطقي القابل للبرمجة. توسيع الأفق ما التحديات التي قد تنشأ عند اختيار وتكوين وحدات الإدخال والإخراج لنظام المتحكم المنطقي القابل للبرمجة؟ كيف يمكنك مواجهة هذه التحديات لتحسين أداء النظام وموثوقيته؟

الذاكرة ميزة هامة في الحواسيب ووحدات المعالجة مثل المتحكمات المنطقية القابلة للبرمجة. تعمل الذاكرة المختلفة معًا في المتحكم المنطقي القابل للبرمجة لضمان تخزين البيانات والبرامج وتنفيذها. في ما يأتي الأنواع الرئيسية للذاكرة في المتحكمات المنطقية:

• ذاكرة القراءة فقط ⁦(ROM)⁩: نوع من أنواع الذاكرة غير المتطايرة التي تخزن نظام التشغيل والتعليمات الإجرائية للبرنامج الثابت للمتحكم المنطقي القابل للبرمجة. وتتضمن هذه الذاكرة مجموعة من التعليمات والإجراءات الأساسية لبدء النظام. وتعتبر هذه الذاكرة مخصصة للقراءة فقط ولا يمكن الكتابة عليها في أثناء التشغيل العادي، ويحتفظ النظام بها حتى عند قطع الطاقة وإعادة تشغيلها.
• ذاكرة الوصول العشوائي ⁦(RAM)⁩، نوع من أنواع الذاكرة المتطايرة، يستخدمها النظام بغرض تخزين البيانات المؤقتة قصيرة المدى. وتحتفظ هذه الذاكرة بالمتغيرات مثل العدادات أو المؤقتات، والبيانات التي يعالجها المتحكم المنطقي القابل للبرمجة مثل تعيين كل إدخال وإخراج بعنوان معرف فريد. تتيح ذاكرة الوصول العشوائي القراءة والكتابة السريعة للبيانات في أثناء سير العمليات، إلا أن البيانات تُفقد عند إعادة تشغيل النظام لأنها ذاكرة متطايرة.

قطع الطاقة وإعادة تشغيلها - انقطاع مصدر الطاقة واستعادته، أو إيقاف تشغيله وتشغيله مرة أخرى. العنوان - موقع جزء من البيانات أو جهاز داخل نظام الحاسوب.

• ذاكرة القراءة فقط القابلة للبرمجة والمسح ⁦(EPROM)⁩، نوع من الذاكرة غير المتطايرة. وعادةً ما تحتوي على التكوينات وبرامج المستخدم. تسمح هذه الذاكرة بكتابة البيانات وإعادة كتابتها. ويحتفظ النظام بالبيانات حتى عند قطع الطاقة وإعادة تشغيلها. وتُمسح بياناتها عن طريق تسليط ضوء الأشعة فوق البنفسجية الشديد عبر نافذة على الرقاقة.
• ذاكرة القراءة فقط القابلة للبرمجة والمسح كهربائيًا ⁦(EEPROM)⁩، نوع من أنواع الذاكرة غير المتطايرة تشبه ذاكرة ⁦EPROM⁩. تخزن هذه الذاكرة أيضًا التكوينات وبرامج المستخدم. ولها نفس خصائص ⁦EPROM⁩ إلا أنها تمسح البيانات عن طريق إرسال إشارة كهربائية.
• ذاكرة فلاش، نوع من الذاكرة غير المتطايرة تشبه ذاكرة ⁦EEPROM⁩ من حيث أنها تخزن برامج المستخدم والتكوينات والرسائل والبرامج الثابتة. وتتميز بالاحتفاظ بالبيانات عند قطع الطاقة وإعادة تشغيلها وتسمح بقراءة البيانات وكتابتها بصورة سريعة.

تأتي المتحكمات المنطقية القابلة للبرمجة بأنواع وأحجام مختلفة بغرض تلبية احتياجات التطبيقات الصناعية المتنوعة. ويعتمد تصنيفها عادةً على عدد وصلات الإدخال والإخراج وسرعة وحدة المعالجة المركزية.

تتميز المتحكمات المنطقية القابلة للبرمجة الأحادية بأنها صغيرة الحجم وتحتوي عادةً على وحدة للتزويد بالطاقة ووحدة معالجة وذاكرة ووحدة إدخال وإخراج واحدة. وهي مصممة لتلبية المتطلبات البسيطة مثل فتح حاجز المدخل عند دخول عميل إلى السوبرماركت. وتحتوي على عدد محدود من وصلات الإدخال والإخراج، ولها قدرة معالجة محدودة وذاكرة تخزين صغيرة. ومن أمثلتها: سلسلة ⁦Siemens LOGO⁩! وسلسلة ⁦Allen-Bradley MicroLogix⁩.

تستخدم المتحكمات المنطقية القابلة للبرمجة في التطبيقات ذات المتطلبات المتوسطة والبسيطة دون تعقيد، مثل تشغيل آلة تعبئة في مصنع صغير. وتشمل الأنشطة الأساسية لهذه المتحكمات تشغيل سيور النقل، وملء الحاويات وإغلاقها بإحكام. ويتألف هذا النوع من وحدة تزويد الطاقة ووحدة المعالجة المركزية والذاكرة ووحدة أو وحدتين للإدخال والإخراج مثبتتين على لوحة خلفية. وتتميز بوجود عدد أكبر من وصلات الإدخال/الإخراج مقارنةً بالمتحكمات الأحادية، وزيادة في قدرة المعالجة وسعة التخزين. ومن أمثلتها: سلسلة ⁦Siemens S7-1200⁩ وسلسلة ⁦Mitsubishi FX⁩.

عادةً ما تستخدم العمليات المؤتمتة واسعة النطاق المتحكمات المنطقية القابلة للبرمجة المتوسطة، لأنها تحتوي على عدد أكبر من وصلات الإدخال والإخراج وتتميز بقوة المعالجة وحجم ذاكرة أكبر مقارنةً بالمتحكمات المنطقية الصغيرة. ويتألف هذا النوع من وحدة تزويد الطاقة ووحدة المعالجة المركزية والذاكرة وعدد من وحدات الإدخال والإخراج المثبتة على لوحة خلفية. وعادةً ما تتحكم المتحكمات المنطقية القابلة للبرمجة المتوسطة في أنظمة التدفئة وتكييف الهواء في مختلف مناطق المبنى. من أمثلتها: سلسلة ⁦Siemens S7-300⁩ أو سلسلة ⁦Allen-Bradley CompactLogix⁩.

تتعامل المتحكمات المنطقية القابلة للبرمجة الكبيرة مع العمليات والمتطلبات البالغة التعقيد، وتتميز هذه المتحكمات بوصلات إدخال وإخراج واسعة ومعالجة قوية وذاكرة كبيرة وبروتوكولات اتصال متقدمة. ويتكون هذا النوع من وحدة تزويد بالطاقة ووحدة معالجة مركزية وذاكرة وعدد من وحدات الإدخال والإخراج. وهذا يضيف لها مجموعة من الوظائف المعقدة مثل الاتصال والتحكم الموزع والتحكم الإشرافي والحصول على البيانات ⁦(SCADA)⁩. من أمثلتها: سلسلة ⁦Siemens S7-1500⁩ وسلسلة ⁦Rockwell ControlLogix⁩.

اللوحة الخلفية - الهيكل المادي داخل المتحكم المنطقي القابل للبرمجة الذي يربط الوحدات المختلفة بالمتحكم. وعادةً ما تتكون من لوحة دائرة مطبوعة بها فتحات لوحدات متنوعة. التحكم الموزع - نظام تحكم محوسب لعمليات التصنيع يحتوي على العديد من وحدات التحكم، مثل المتحكمات المنطقية القابلة للبرمجة، موزعة في النظام.