عتاد PLC: وحدة المعالجة والمداخل والمخارج وكيف تتصل بالمصنع

وحدة المعالجة المركزية CPU

وحدة المعالجة المركزية هي دماغ PLC. تحتوي على المعالج الذي يُنفّذ البرنامج، والذاكرة التي تخزّنه، ومنافذ الاتصال للبرمجة والشبكات.

مواصفات CPU الأساسية

أوضاع التشغيل

• RUN: ينفّذ البرنامج ويتحكم بالمخارج
• STOP: يوقف تنفيذ البرنامج ويُطفئ المخارج
• PROGRAM: يسمح بتحميل برنامج جديد

في Siemens S7-1200 مثلاً، يمكن التبديل بين الأوضاع عبر برنامج TIA Portal أو بمفتاح على الوحدة.

وحدات المداخل الرقمية

المداخل الرقمية (Digital Inputs) تستقبل إشارات ثنائية الحالة: مشغّل (1) أو مطفأ (0).

أمثلة على أجهزة المداخل

• زر بدء التشغيل: يُرسل 1 عند الضغط
• حسّاس قُرب: يكشف وجود قطعة معدنية على السير
• مفتاح نهاية الشوط: يُشير إلى وصول الذراع لأقصى موضع
• حسّاس مستوى: يكشف امتلاء الخزان

أنواع التوصيل

توصيل Sink (NPN):
    +24V ──── حسّاس NPN ──── مدخل PLC ──── 0V (داخل PLC)

توصيل Source (PNP):
    +24V ──── مدخل PLC ──── حسّاس PNP ──── 0V

معظم أجهزة PLC الحديثة تقبل كلا النوعين. في المنطقة العربية، PNP (Source) هو الأكثر شيوعاً مع أجهزة Siemens.

وحدات المخارج الرقمية

المخارج الرقمية (Digital Outputs) تُرسل أوامر تشغيل/إيقاف إلى الأجهزة الخارجية.

أنواع المخارج

حماية المخارج

دائماً أضف ثنائي حماية (Flyback Diode) عند توصيل حمل حثّي (ملف مرحّل، صمام) بمخرج ترانزستور لحمايته من جهد الارتداد.

مخرج PLC ──── ملف صمام ──┐
                          │
              ◄──── ثنائي حماية ────┘

وحدات المداخل والمخارج التناظرية

المداخل والمخارج التناظرية تتعامل مع إشارات متغيرة القيمة، وليست مجرد 0 أو 1.

المداخل التناظرية (AI)

تستقبل إشارات من مستشعرات مثل:

• مستشعر حرارة PT100: يُرسل 4-20mA تمثّل 0-200°C
• مستشعر ضغط: يُرسل 0-10V تمثّل 0-10 بار
• خلية وزن: تُرسل إشارة mV تمثّل الوزن

المخارج التناظرية (AO)

تُرسل إشارات تحكم مثل:

• محوّل تردد VFD: 0-10V للتحكم بسرعة المحرك من 0 إلى 100%
• صمام تناسبي: 4-20mA للتحكم بنسبة الفتح

الدقة

دقة التحويل تُقاس بالبتّات:

• 12 بت: 4096 مستوى (كافي لمعظم التطبيقات)
• 16 بت: 65536 مستوى (للتطبيقات الدقيقة كالوزن)

وحدة التغذية والرف

وحدة التغذية (Power Supply)

تُحوّل جهد التيار المتردد (220VAC) إلى جهد مستمر (24VDC) لتغذية PLC والمستشعرات.

قاعدة حساب التيار

اجمع استهلاك كل وحدة (CPU + وحدات I/O + مستشعرات) واختر مصدر تغذية بقدرة 130% من المجموع كحد أدنى.

الرف (Rack / Rail)

قضيب DIN معدني بعرض 35mm يُثبّت عليه PLC ووحداته. تأكد من:

• ترك فراغ تهوية 5cm أعلى وأسفل
• تأريض القضيب بسلك نحاسي
• ترتيب الوحدات حسب توصيات الشركة المصنعة

توصيل PLC بالمصنع: مخطط عملي

مثال: خط تعبئة بسيط

┌─────────────────────────────────────────────┐
│                  لوحة التحكم                  │
│                                              │
│  ┌──────┐  ┌──────┐  ┌──────┐  ┌──────┐    │
│  │ PSU  │  │ CPU  │  │ 8DI  │  │ 4DO  │    │
│  │24VDC │  │S7-1200│ │      │  │ Relay│    │
│  └──┬───┘  └──┬───┘  └──┬───┘  └──┬───┘    │
│     │         │         │         │         │
└─────┼─────────┼─────────┼─────────┼─────────┘
      │         │         │         │
      │    ┌────┘    ┌────┘    ┌────┘
      │    │         │         │
     24V  HMI    حسّاسات    محركات
           │     ├─ قُرب     ├─ مضخة تعبئة
           │     ├─ مستوى    ├─ سير ناقل
           │     └─ حرارة    └─ صمام إغلاق

خطوات التوصيل

1. ثبّت الرف والوحدات في اللوحة
2. وصّل التغذية 24VDC من PSU إلى CPU
3. وصّل المستشعرات بوحدة المداخل (مع مراعاة NPN/PNP)
4. وصّل المحركات والصمامات بوحدة المخارج (عبر كونتاكتورات)
5. وصّل كابل Ethernet بين CPU وشاشة HMI
6. وصّل سلك التأريض لجميع المكونات المعدنية
7. تحقق من جميع التوصيلات قبل تشغيل التغذية

نصيحة أمان

لا توصّل محركاً مباشرة بمخرج PLC. استخدم دائماً كونتاكتور بين مخرج PLC والمحرك. مخرج PLC يتحمّل عادةً 0.5-2A فقط، بينما المحرك قد يسحب 10-50A.

الخلاصة

مكونات PLC المادية تشمل وحدة المعالجة المركزية، وحدات المداخل والمخارج الرقمية والتناظرية، ووحدة التغذية. فهم أنواع التوصيل (NPN/PNP) ومواصفات الإشارات التناظرية (4-20mA, 0-10V) ضروري لتصميم نظام تحكم موثوق. في الدرس القادم سنبدأ البرمجة بلغة السلالم (Ladder Logic).