معالجة الإشارات التناظرية: من القراءة الخام إلى القيمة الهندسية

إشارات 4-20mA: المعيار الصناعي

إشارة 4-20mA هي المعيار الأكثر انتشاراً في الصناعة لنقل قراءات المستشعرات التناظرية. يُمثّل 4mA بداية المجال (مثلاً 0°C) و 20mA نهايته (مثلاً 200°C).

لماذا 4-20mA وليس 0-20mA؟

• كشف انقطاع السلك: إذا قرأ PLC صفر mA، يعني أن السلك مقطوع وليس أن القيمة صفر
• مقاومة الضوضاء: إشارة التيار لا تتأثر بطول السلك أو مقاومته
• مسافات طويلة: تعمل حتى مسافة 1000 متر دون فقدان دقة

التوصيل

مستشعر 4-20mA (ثنائي السلك):

    +24VDC ──── مستشعر ──── مدخل AI ──── 0V (PLC)
                   │
              4-20mA تمر في الحلقة

القيم في PLC

في Siemens S7-1200 مثلاً:

• 4mA = القيمة الخام 0
• 20mA = القيمة الخام 27648
• أقل من 4mA (القيمة سالبة) = خطأ في المستشعر
• أعلى من 20mA (أعلى من 27648) = خطأ في المستشعر

إشارات 0-10V: متى تُستخدم

إشارة الجهد 0-10V تُستخدم في المسافات القصيرة (أقل من 30 متراً) وعندما يكون التوصيل أبسط.

مقارنة بين 4-20mA و 0-10V

مثال: التحكم بسرعة محول تردد

PLC مخرج AO (0-10V) ──── مدخل محول تردد VFD
   0V  = 0 Hz  = محرك متوقف
   5V  = 25 Hz = نصف السرعة
   10V = 50 Hz = سرعة كاملة

التحويل الخطي: من القيمة الخام إلى الهندسية

التحويل الخطي (Linear Scaling) هو العملية الأساسية لترجمة القراءة الرقمية الخام من وحدة AI إلى قيمة فيزيائية مفهومة.

المعادلة

القيمة الهندسية = ((الخام - الخام_أدنى) / (الخام_أعلى - الخام_أدنى))
                  × (الهندسي_أعلى - الهندسي_أدنى) + الهندسي_أدنى

التطبيق في ST

// مستشعر ضغط 4-20mA، المجال: 0-16 بار
// القيمة الخام في S7-1200: 0 إلى 27648
VAR
    iRawPressure   : INT;          // قراءة من وحدة AI
    rPressure      : REAL;         // الضغط بالبار
END_VAR

rPressure := (INT_TO_REAL(iRawPressure) / 27648.0) * 16.0;

دالة تحويل عامة مع حماية

FUNCTION FC_ScaleAnalog : REAL
VAR_INPUT
    iRawValue  : INT;
    rEngMin    : REAL;      // الحد الأدنى الهندسي
    rEngMax    : REAL;      // الحد الأعلى الهندسي
    rRawMin    : REAL := 0.0;
    rRawMax    : REAL := 27648.0;
END_VAR
VAR
    rRaw : REAL;
    rResult : REAL;
END_VAR

rRaw := INT_TO_REAL(iRawValue);

// حماية من القسمة على صفر
IF ABS(rRawMax - rRawMin) < 0.001 THEN
    FC_ScaleAnalog := rEngMin;
    RETURN;
END_IF;

rResult := ((rRaw - rRawMin) / (rRawMax - rRawMin))
           * (rEngMax - rEngMin) + rEngMin;

// تحديد النتيجة ضمن نطاق معقول (110% من المجال)
IF rResult < rEngMin - ABS(rEngMax - rEngMin) * 0.1 THEN
    rResult := rEngMin - ABS(rEngMax - rEngMin) * 0.1;
ELSIF rResult > rEngMax + ABS(rEngMax - rEngMin) * 0.1 THEN
    rResult := rEngMax + ABS(rEngMax - rEngMin) * 0.1;
END_IF;

FC_ScaleAnalog := rResult;
END_FUNCTION

التصفية الرقمية: تنعيم القراءات المتذبذبة

قراءات المستشعرات التناظرية تتذبذب بسبب الضوضاء الكهربائية. التصفية الرقمية تُنعّم هذه القراءات.

المتوسط المتحرك (Moving Average)

FUNCTION_BLOCK FB_MovingAverage
VAR_INPUT
    rNewValue : REAL;
    iWindowSize : INT := 10;
END_VAR
VAR_OUTPUT
    rFiltered : REAL;
END_VAR
VAR
    arBuffer : ARRAY[1..50] OF REAL;
    iIndex   : INT := 1;
    rSum     : REAL := 0.0;
    bFilled  : BOOL := FALSE;
    i        : INT;
END_VAR

// إضافة القراءة الجديدة
arBuffer[iIndex] := rNewValue;
iIndex := iIndex + 1;
IF iIndex > iWindowSize THEN
    iIndex := 1;
    bFilled := TRUE;
END_IF;

// حساب المتوسط
rSum := 0.0;
IF bFilled THEN
    FOR i := 1 TO iWindowSize DO
        rSum := rSum + arBuffer[i];
    END_FOR;
    rFiltered := rSum / INT_TO_REAL(iWindowSize);
ELSE
    FOR i := 1 TO iIndex - 1 DO
        rSum := rSum + arBuffer[i];
    END_FOR;
    rFiltered := rSum / INT_TO_REAL(iIndex - 1);
END_IF;
END_FUNCTION_BLOCK

المرشح الأسّي (Exponential Filter)

أبسط وأسرع من المتوسط المتحرك، يحتاج متغيراً واحداً فقط:

// alpha بين 0.0 و 1.0
// قيمة صغيرة = تنعيم أكثر وتأخير أكبر
// قيمة كبيرة = استجابة أسرع وتنعيم أقل
VAR
    rAlpha    : REAL := 0.1;    // معامل التنعيم
    rFiltered : REAL := 0.0;    // القيمة المُنعّمة
END_VAR

rFiltered := rAlpha * rNewReading + (1.0 - rAlpha) * rFiltered;

اختيار طريقة التصفية

كشف أعطال المستشعر التناظري

كشف أعطال المستشعر مبكراً يمنع توقف الإنتاج أو إنتاج منتجات معيبة.

أنواع الأعطال

FUNCTION_BLOCK FB_AnalogDiag
VAR_INPUT
    iRawValue    : INT;        // القراءة الخام
    rEngValue    : REAL;       // القيمة الهندسية
    rEngMin      : REAL;       // حد أدنى متوقع
    rEngMax      : REAL;       // حد أعلى متوقع
    tWireBreakDly: TIME := T#2s;
    tStuckDly    : TIME := T#30s;
END_VAR
VAR_OUTPUT
    bWireBreak   : BOOL;       // انقطاع سلك
    bOverRange   : BOOL;       // خارج النطاق (أعلى)
    bUnderRange  : BOOL;       // خارج النطاق (أدنى)
    bStuck       : BOOL;       // قراءة ثابتة (مستشعر عالق)
    bHealthy     : BOOL;       // المستشعر سليم
    iFaultCode   : INT;        // رمز العطل
END_VAR
VAR
    fbWireBreakTon : TON;
    fbStuckTon     : TON;
    rLastValue     : REAL;
END_VAR

// كشف انقطاع السلك: القراءة الخام أقل من حد 4mA
fbWireBreakTon(IN := (iRawValue < -500), PT := tWireBreakDly);
bWireBreak := fbWireBreakTon.Q;

// كشف تجاوز النطاق
bOverRange := iRawValue > 28500;    // أعلى من 20mA بكثير
bUnderRange := (iRawValue < -200) AND NOT bWireBreak;

// كشف القراءة الثابتة (المستشعر عالق)
fbStuckTon(
    IN := ABS(rEngValue - rLastValue) < 0.01,
    PT := tStuckDly
);
bStuck := fbStuckTon.Q;
rLastValue := rEngValue;

// الحالة العامة
bHealthy := NOT bWireBreak AND NOT bOverRange
            AND NOT bUnderRange AND NOT bStuck;

// رمز العطل
IF bWireBreak THEN iFaultCode := 1;
ELSIF bOverRange THEN iFaultCode := 2;
ELSIF bUnderRange THEN iFaultCode := 3;
ELSIF bStuck THEN iFaultCode := 4;
ELSE iFaultCode := 0;
END_IF;
END_FUNCTION_BLOCK

مثال عملي: قراءة مستشعر حرارة PT100 ومعايرته

النظام

مستشعر PT100 يقيس حرارة فرن تجفيف في خط تغليف. المجال: 0-300°C. الإشارة: 4-20mA عبر محوّل RTD.

PROGRAM TempMonitoring
VAR
    // الأجهزة
    iRawTemp       : INT;          // IW64 - قراءة خام

    // كتل المعالجة
    fbTempFilter   : FB_MovingAverage;
    fbTempDiag     : FB_AnalogDiag;

    // نتائج
    rTempScaled    : REAL;         // حرارة بعد التحويل
    rTempFiltered  : REAL;         // حرارة بعد التصفية
    rTempCalibrated: REAL;         // حرارة بعد المعايرة

    // معاملات المعايرة (تُضبط ميدانياً)
    rCalOffset     : REAL := -1.5; // انزياح: المستشعر يقرأ 1.5 أعلى
    rCalGain       : REAL := 1.002;// كسب: تصحيح خطية طفيف

    // إنذارات
    bTempHigh      : BOOL;
    bTempLow       : BOOL;
    bSensorFault   : BOOL;
END_VAR

// الخطوة 1: التحويل الخطي
rTempScaled := FC_ScaleAnalog(
    iRawValue := iRawTemp,
    rEngMin := 0.0,
    rEngMax := 300.0
);

// الخطوة 2: التصفية
fbTempFilter(rNewValue := rTempScaled, iWindowSize := 8);
rTempFiltered := fbTempFilter.rFiltered;

// الخطوة 3: المعايرة
rTempCalibrated := (rTempFiltered * rCalGain) + rCalOffset;

// الخطوة 4: التشخيص
fbTempDiag(
    iRawValue := iRawTemp,
    rEngValue := rTempCalibrated,
    rEngMin := 0.0,
    rEngMax := 300.0
);
bSensorFault := NOT fbTempDiag.bHealthy;

// الخطوة 5: الإنذارات
IF fbTempDiag.bHealthy THEN
    bTempHigh := rTempCalibrated > 250.0;
    bTempLow := rTempCalibrated < 50.0;
ELSE
    bTempHigh := FALSE;
    bTempLow := FALSE;
END_IF;

الخلاصة

معالجة الإشارات التناظرية تتبع خطوات ثابتة: التحويل الخطي، التصفية الرقمية، المعايرة، وكشف الأعطال. بناء كتل وظيفية لكل خطوة يُتيح إعادة استخدامها مع أي مستشعر. معيار 4-20mA يبقى الخيار الأفضل لمعظم التطبيقات الصناعية بفضل مقاومته للضوضاء وقدرته على كشف انقطاع الأسلاك. في الدرس القادم سنتعلم التحكم بالمحركات الكهربائية بأنماط مختلفة.