المتحكم المنطقي القابل للبرمجة PLC هو جهاز إلكتروني رقمي مبني على معالج صغري، يستخدم ذاكرة قابلة للبرمجة لتخزين تعليمات التشغيل، ويستطيع تنفيذ مختلف الوظائف اللازمة لتصميم أنظمة التحكم كالعمليات المنطقية، والمؤقتات، والعدادات، والعمليات الحسابية، وغيرها، ويستطيع قراءة الحساسات والتحكم بالأحمال بفضل المداخل والمخارج المصممة بشكل يناسب الأنظمة المتحكم بها. ومن الملاحظ أن كل هذه الميزات قابلة للتحقيق باستخدام المتحكمات الصغرية التي أصبح استخدامها اليوم أسهل بكثير من ذي قبل، لذلك سنقوم في هذا العدد بصناعة متحكم PLC مبسط مبني على المتحكم الصغري PIC16F877A وسنتعلم سوية كيفية برمجته بالمنطق السلمي.

بقي الإنسان حتى وقت قريب الوسيلة الوحيدة للتحكم بالأنظمة الصناعية، لكن التطور المطرد في هندسة التحكم بدأ يخرج العامل البشري من قلب عملية التحكم شيئا فشيئا حتى اقتصرت مهمة البشر في حقل الصناعة اليوم على المراقبة والصيانة فقط.
أساس هذا التطور كما في كل المجالات الأخرى هو إدخال الدارات والأنظمة الإلكترونية في صلب عملية التحكم، وهو ما زاد من سرعة الإنتاج في حقل الصناعة وزاد من جودة المنتجات، لكن تعقيد هذه الأنظمة وصعوبة صيانتها إلى جانب الأعطال المتكررة حولت تفكير مصمميها باتجاه آخر هو الأنظمة القابلة للبرمجة، فكان المتحكم المنطقي القابل للبرمجة PLC-Programmable Logic Controller النتيجة النهائية لهذا التحول، وأصبح واحداً من أهم المحاور التي ترتكز عليها أنظمة التحكم بخطوط الإنتاج في هذه الأيام. لم يأخذ المتحكم PLC هذه الأهمية من الفراغ، فقد أحدث استخدامه تحولا جذريا في عملية تصميم الأنظمة ووضع معايير جديدة كليا للأتمتة الصناعية. فالأنظمة المعتمدة على هذه المتحكمات تتمتع بمزايا كثيرة بالمقارنة مع نظيرتها التقليدية، ومن أهمها :

• التكلفة المنخفضة لعمليتي التصميم والصيانة.
• إمكانية اكتشاف الأخطاء أثناء عملية التصميم.
• المرونة بسبب الاعتماد الكامل على البرمجة في تصميم النظام، وإمكانية إعادة استخدامه للتحكم بأنظمة أخرى.
• الموثوقية العالية وسهولة المراقبة والصيانة
• إمكانية التشبيك (CAN / RS-232 /RS-485 / Ethernet..)

نلاحظ من الشكل السابق أن جميع التجهيزات اللازمة لبناء المتحكم المنطقي متوفرة في المتحكمات الصغرية، ومع بعض الإضافات قد نستطيع صناعة متحكم PLC حقيقي يعمل في قلبه متحكم صغري، وهذا هو هدف هذا المشروع.
ستكون وحدة ربط الدخل في مشروعنا دارة متكاملة تعمل كعازل منطقي أو Buffer، أما الدخل فمن الممكن أن يكون حساساً يناسب خرجه مستويات TTL أو مفتاحاً.
أما وحدة ربط الخرج فهي دارة متكاملة أخرى تحتوي على مصفوفة من الترانزستورات المخصصة لقيادة حواكم الخرج التي تستطيع التحكم بأحمال تصل إلى 10Aلكل حاكمة.

المنطق السلمي:

صممت متحكمات PLC في الأصل للتخلص من أنظمة التحكم التقليدية بالحواكم واستبدالها بأنظمة أكثر ذكاء، يحتوي المتحكم PLC على معالج صغري يقوم بتنفيذ التعليمات التي يتلقاها بشكل متتابع كأي وحدة معالجة، وبرمجته بالطريقة السلمية تتم على الحاسوب بمجرد تصميم توصيلات بين تماسات الحواكم و الأحمال، ويقوم المتحكم عند تشغيله بمحاكاة هذه التوصيلات في الزمن الحقيقي، ويمكن استخدام تماسات الحواكم كمداخل من العالم الحقيقي، كما يمكن استخدام الأحمال كمخارج للتحكم بمختلف الأجهزة. وبذلك يتمكن المتحكم PLC من التفاعل مع الأجهزة المرتبطة به أو التحكم بها بتعبير آخر.
الموضوع أكبر من ذلك في الواقع فالكثير من العناصر الأخرى تدخل في تصميم أنظمة التحكم كالمؤقتات والعدادات والسجلات والعمليات الحسابية التي لا يمكن إنجازها بأي حال باستخدام الحواكم لكن طريقة البرمجة هي ذاتها في النهاية. يمكننا اعتبار المنطق السلمي تطويراً لمنطق الحواكم الذي استخدم في الأنظمة الكهربائية التقليدية على مدى عقود من الزمن، ويمكننا القول أنه طريقة لكتابة البرامج باستخدام المخططات الكهربائية التقليدية، وهو ما جعل من استخدام متحكمات PLC أسهل بكثير بالنسبة لمن اعتاد على تلك المخططات، وبالتالي تقليل تكلفة تدريب المهندسين والفنيين على التعامل مع أجهزة PLC الحديثة.
نحتاج لبرمجة المتحكمات الصغرية باستخدام المنطق السلمي إلى مترجم يولد البرنامج المناسب لوحدة المعالجة في المتحكم بناء على المخطط المراد، وهذا المترجم لحسن الحظ متوفر بشكل مجاني ومفتوح المصدر أيضا، وتجدون في مكتبة الملفات بموقع المجلة النسخة الأخيرة من هذا المترجم مع مجموعة من الأمثلة بالإضافة لمخطط الدارة المستخدمة.

استخدام المترجم LDmicro :

قم بتحميل البرنامج LDmicro وتشغيله، ستظهر النافذة الرئيسية للبرنامج :

الخطوة الأولى في استخدام البرنامج هي اختيار المتحكم المناسب من قائمة الإعدادات Settings :

من قائمة Settings أيضا اختر MCU Parameters لضبط تردد الساعة للمتحكم ودورة المسح للبرنامج السلمي :

يمكنك الآن من قائمة Instructions إضافة العناصر التي يبنى عليها المخطط السلمي للمتحكم، يمتلك هذا المترجم مجموعة جيدة من العناصر نذكر منها :

• Contact حاكمة دخل
• OSR حساس للجبهات الصاعدة
• OSF حساس للجبهات الهابطة
• TON تأخير زمني للتشغيل
• TOF تأخير زمني للإطفاء
• CTU عداد تصاعدي
• CTD عداد تنازلي
• CTC عداد دائري
• EQU مقارنة - مساواة
• NEQ مقارنة - عدم المساواة
• GRT مقارنة - أكبر
• GEQ مقارنة - أكبر أو يساوي
• LES مقارنة - أصغر
• LEQ مقارنة - أصغر أو يساوي
• Coil ملف خرج
• RES تصفير لعداد أو مؤقت

هذه أهم العناصر التي تستخدم في بناء المخططات السلمية، يمتلك المترجم LDmicro عناصر أخرى لها أهمية كبيرة يمكنك الاطلاع عليها من قائمة Instructions.

لنبدأ برسم مخطط بسيط لاختبار عمل الدارة، سنقوم بربط أربعة مداخل (مفاتيح) بأربعة مخارج (حواكم)، وعند تنفيذ البرنامج من المفروض أن الضغط على أحد المفاتيح سيغلق الحاكمة المتصلة به.

قم بإضافة حاكمة دخل من القائمة Insert واختر العنصر Contact لإضافة الحاكمة إلى المخطط :

بنقرة مزدوجة على الحاكمة الجديدة تظهر نافذة إعداد الحاكمة، اختر منها النوع Input وأعطها اسماً مناسباً.

من الممكن أن يكون نوع الحاكمة أحد ثلاثة أنواع :

• Internal Relay : التعامل مع هذه الحاكمة كمتغير فقط (لن ترتبط بأي تماس أو دخل حقيقي وإنما ستبقى ممثلة في الذاكرة فقط لاستخدامها في بناء المخطط)
• Input : حاكمة دخل، يتم ربطها بأحد مداخل المتحكم وتأخذ قيمتها منه.
• Output : حاكمة خرج، ترتبط بمخرج من مخارج المتحكم وتأخذالقيمة منه بناء على المخطط السلمي المستخدم.

قم الآن بإضافة ملف بعد حاكمة الدخل التي أضيفت في الخطوة السابقة باختيار العنصر Coil من القائمة Instructions، ثم استخدم نافذة خصائص الملف بنقرة مزدوجة عليه لإدخال مواصفات ملف الخرج المنشود :

من الممكن أن يكون نوع ملف الخرج أحد أربعة أنواع :

• Normal : سيفعل عند تغذيته (بناء على المخطط) وسيلغى تفعيله عند انقطاع التغذية (من المخطط أيضاً).
• Negated : مشابه للنوع السابق لكنه معكوس.
• Set-Only : يتم تفعيل الملف عند ورود تغذية من المخطط ويبقى مفعلا حتى يرد إليه أمر تصفير.
• Reset-Only : يتم إلغاء تفعيل الملف عند ورود تغذية من المخطط ويبقى غير مفعل حتى يرد إليه أمر التفعيل.

سنستخدم حاكمة خرج أو ملفاً من النوع Normal لربط حالة المفتاح مباشرة مع حالة الحاكمة، أي أن الحاكمة ستغلق عند الضغط على المفتاح وتفتح عند تركه.

الشكل النهائي للبرنامج يظهر في الشكل التالي :

بقيت خطوة أخيرة وهي التي سنربط فيها أطراف المتحكم الحقيقية بعناصر التحكم في المخطط السلمي، ويتم ذلك بضغطة مزدوجة على اسم العنصر في أسفل النافذة السابقة لتظهر النافذة I/O Pin المبينة جانباً ومن ثم اختيار الطرف المناسب للدخل أو الخرج المختار ثم الموافقة على ذلك.

بالنظر إلى الدارة المستخدمة في المشروع نلاحظ أن مداخل المتحكم المنطقي الذي نعمل عليه متصلة بالبوابة PORTC للمتحكم PIC16F877A، وكل مدخل متصل بمفتاح لحظي لإدخال القيم إلى المتحكم إلى جانب مربط خارجي يمكن من وصل حساس خرجه متوافق مع TTL لبناء تطبيقات تحكم حقيقية. أما حواكم الخرج فهي متصلة بالأطراف RB0...RB3 من البوابة PORTB. انتهت عملية التصميم الآن، وبقي نقل البرنامج إلى ذاكرة المتحكم. لتوليد ملف البرنامج اضغط المفتاح F5 أو اختر الأمر Compile من القائمة Compile ليقوم المترجم بتوليد ملف البرنامج ذي اللاحقة hex بناء على المخطط السلمي. قم بنقل هذا الملف إلى ذاكرة المتحكم باستخدام المبرمجة لتكون بذلك قد أنجزت أول برمجة للمتحكم المنطقي القابل للبرمجة الخاص بك !

دارة المشروع :

مخطط دارة المتحكم المنطقي القابل ببرمجة المستخدم في تجربة المخططات السلمية مبين في الشكل التالي (اضغط على الصورة لتكبيرها):

على الرغم من مساحة المخطط الكبيرة إلا أن الدارة أبسط بكثير مما تبدو عليه للوهلة الأولى، ويمكن فهم عملها بالاطلاع على وظيفة عناصرها :

PIC16F877A : المتحكم الصغري المستخدم لتنفيذ البرنامج التحكمي، وهو قلب الدارة.

74LS244 : دارة متكاملة رقمية وظيفتها العزل المنطقي بين مداخلها (المفاتيح ومرابط الدخل الخارجية) ومخارجها (المتصلة ببوابة المتحكم PORTC).

ULN2803 : عبارة عن مصفوفة من الترانزستورات التي ستقود ملفات الحواكم، إضافة إلى مصفوفة من الثنائيات المتصلة بين خرج كل ترانزستور وطرف التغذية لحماية الترانزستورات من التيار الناتج عن وصل وفصل ملفات الحواكم.

وحدة التغذية : تحتوي الدارة على وحدتي تغذية إحداهما لتغذية المتحكم ودارة الدخل بجهد قيمته 5V والأخرى لتغذية ملفات الحواكم بجهد 12V وكلتاهما تعتمد على منظم الجهد الشهير 78xx.

يمكنكم الحصول على ملف الدارة المطبوعة للمشروع إضافة إلى مجموعة من الأمثلة لتجربة هذا المتحكم المنطقي من مكتبة الملفات على الرابط.