בקר מתוכנת

בקר מתוכנת – כללי

בקר לוגי מתוכנת (PLC) הוא מחשב דיגיטלי שמשמש באוטומציה של תהליכים אלקטרו-מכנים כגון בקרת מכונות בפסי הרכבה במתקני ייצור. בשונה ממחשבים בשימוש כללי,  בקר מתוכנת PLC  מתוכנן למספר גדול של קווי כניסה/יציאה (Input/Output – I/O), תחומי טמפרטורה רחבים, עמידה בתנאי הפרעות חשמליות, רעידות ואימפקט.

תוכנות לבקרת פעולת מכונות נשמרות בד”כ בזיכרון מגובה ע”י סוללה או זיכרון לא נדיף.

PLC הוא דוגמה למערכת שפועלת בזמן אמת, מכיוון שהוא חייב להפיק תוצאות בתגובה לתנאי כניסה תוך זמן מוגבל; אחרת, עלולה להתבצע פעולה לא נכונה.

ה- PLC מתוכנת בד”כ בעזרת תוכנת אפליקציה במחשב אישי (PC – Personal Computer). ה- PC מחובר ל-PLC  ע”י תקשורת מסוג Ethernet, RS-232 , RS-485 או RS-422. תוכנת האפליקציה מאפשרת כניסה ועריכה של הלוגיקה. בד”כ התוכנה מספקת פונקציות לניפוי באגים ואיתור תקלות בתוכנת ה- PLC. כמו כן, תוכנת האפליקציה תעלה ותוריד את תוכנת ה- PLC לצורכי גיבוי ושחזור.

בקר מתוכנת – פונקציונאליות

הפונקציונאליות של ה- PLC מתבטאת בבקרת מיתוג סידרתי (sequential relay control), בקרת תנועה, בקרת תהליך, בקרת תהליך, מערכות בקרה מבוזרות ותקשורת. יכולות ה- PLC בטיפול בנתונים – אחסנה, עיבוד ותקשורת, קרובים לאלו של מחשב שולחני.

מאפיינים

PLC מכיל רכיבים נפרדים: ספק כוח, בקר, ויחידות מיתוג של כניסות/יציאות.

ההבדל העיקרי בין PLC למחשב הוא ש- PLC מחוזק ליכולת פעולה בתנאים קשים (כגון אבק, לחות גבוהה, חום וקור), ומאפשר מערך עם מספר גדול של כניסות/יציאות. כניסות/יציאות אלו משמשות לחיבור חברות ה- PLC לרגשים ורכיבי הפעלה. PLC מסוגל לקרוא מצבים של מתגי גבול, משתנים בתהליכים אנלוגיים (כגון טמפרטורה ולחץ), ומיקומים במערכות כוונון מורכבות. בצד ההפעלה, PLC מסוגל להפעיל מנועים חשמליים, משאבות של אוויר או נוזלים, מתגים מגנטיים, רכיבים אנלוגיים, וכו’. מערך הכניסות/יציאות יכול להיות מובנה ב- PLC אחד, או בעזרת מודולי כניסה/יציאה חיצוניים מחוברים במערך ממוחשב ל- PLC

זמן סריקה (Scan Time)

תוכנית של PLC מבוצעת בד”כ במחזוריות כל עוד המערכת המבוקרת פועלת. הסטאטוס של נתוני הכניסה הפיסיקליים מועתק לאזור של הזיכרון נגיש לבקר, שנקרא לפעמים “טבלת דמות ה- O/I”. התוכנית רצה משלב ההוראה הראשונה עד האחרונה. לבקר ה- PLC לוקח זמן מסוים להעריך את כל השלבים ולעדכן את טבלת דמות ה- O/I עם סטאטוס היציאות. זמן סריקה זה יכול להיות מילי-שניות בודדות עבור תוכנית קטנה או PLC מהיר.

גודל מערכת של בקר מתוכנת

PLC קטן מכיל בתוכו מספר קבוע של חיבורי כניסה/יציאה. בד”כ ניתן להוסיף מודולי הרחבה אם הדגם הבסיסי לא כולל מספיק חיבורים.

PLC מודולארי כולל תושבת שבה ניתן למקם מודולים עם פונקציות שונות. הבקר ומבחר מודולי הכניסה/יציאה מותאמים לאפליקאציה הספציפית. בקר בודד של PLC יכול לנהל מספר גדול של מודולים, ולהגיע לאלפי חיבורים של כניסה/יציאה. במידת הצורך, משתמשים בתקשורת O/I סריאלית מהירה, שמאפשרת למקם את המודולים רחוק מה- PLC, וכך לצמצם את עלויות החיווט במתקני יצור גדולים.

ממשק משתמש

בד”כ המשתמש צריך לתקשר עם ה- PLC לביצוע קונפיגורציה, לניטור ובקרת המערכת, ולרישום מצבי אזעקה. התקשורת מתבצעת בעזרת ממשק משתמש (HMI – Human-Machine Interface, או MMI Interface – Man-Machine, או GUI Graphical User Interface -). מערכת פשוטה יכולה לכלול כפתורים ואינדיקאטורים עבור המשתמש. מערכות מורכבות יותר כוללות תוכנה לעריכת תוכניות, לבקרה ולניטור, עם ה- PLC מחובר דרך ממשק תקשורת.

תקשורת

PLC כולל בתוכו נקודות ממשק, ובהתאם פרוטוקולי תקשורת, שיכולות להיות מסוגים שונים, כגון RS-232, EIA-485, Ethernet, Modbus, BACnet or DF1.

רוב ה- PLCs יכולים לתקשר עם מערכות מסוימות ממוחשבות, כגון מחשבים שמפעילים SCADA Supervisory Control And Data Acquisition)) או דפדפן רשת אינטרנט web browser)).

PLCs בשימוש במערכות O/I גדולות יכולות להשתמש בתקשורת מסוג (peer-to-peer P2P) בין בקרים. במקרה זה, ניתן לשלוט על חלקים נפרדים במערך מורכב, ובו-זמנית לאפשר לתת-מערכות לפעול בתיאום דרך לינק תקשורת.

תקן IEC 61131-3 מגדיר שפות תכנות עבור מערכות בקרה מתוכנתות שניתנות לשימוש ב- PLCs.

למרות שהמושגים העיקריים לתכנות PLCs משותפים לכל היצרנים, יש הבדלים בקביעת כתובות O/I, ארגון הזיכרון וקיבוץ ההוראות. לכן, תוכניות ה- PLCs של יצרנים שונים לא זהות, ולא ניתנות להחלפה ללא שינויים מתאימים במערכת. אפילו דגמים שונים של אותו יצרן עלולים להיות שונים ולכן לא משתווים.

אותות אנלוגיים ודיגיטליים

אותות דיגיטליים או דיסקרטיים מתנהגים בדומה למתגים בינאריים, מבחינת מצבים: On/Off, 1/0, אוTrue/False . כפתורים, מתגי גבול ורגשים פוטו-אלקטריים הם דוגמאות של מכשירים שמספקים אותות דיגיטליים. אותות אלו מיוצגים כמתחים או זרמים, כאשר תחום ספציפי מוגדר כמצב On וטווח אחר כמצב Off. לדוגמה, PLC יכול להשתמש ב- I/O מסוג מתח 24 VDC, כאשר מתח מעל 22 VDC מייצג On, מתח מתחת ל- 2 VDC מייצג Off, ומתחי ביניים לא מוגדרים.

אותות אנלוגיים דומים מתנהגים בדומה לפונקציה רציפה, עם טווח ערכים שנע בין אפס וערך עליון בסקאלה. ערכים אלו מתורגמים למספרים שלמים (integers) ע”י PLC, עם טווחי דיוק תלויים במכשיר ובמספר הביטים הזמינים לאחסנת הנתונים. תנאים פיסיקליים כגון טמפרטורה, לחץ, לחות, זרימה, נפח ומשקל, מיוצגים בד”כ ע”י אותות אנלוגיים. אותות אלו יכולים להיות פונקציות של מתחים או זרמים, עם ערך פרופורציונאלי לזה של האות המעובד. זרמי כניסה פחות רגישים להפרעות חשמליות (שנוצרות לדוגמה ם בזמן הדלקת וכיבוי מנועים) ממתחי כניסה.

יתרונות ה- PLC (בקר מתוכנת)

PLC מתוכנן להתאמה בשימושים מגוונים באוטומציה. אלו שימושים בתהליכי יצור תעשייתיים, שבהם מחירי פיתוח ותחזוקת מערכת האוטומציה גבוהים ביחס למחיר הכללי של האוטומציה, ושבהם צפויים שינויים לאורך זמן חיי הפעלת המערכת. ה- PLC כולל מכלולי I/O מתאימים למכשירים ובקרות ניסויים בתעשייה. התכנון החשמלי הנדרש מצומצם, ובעיות התכנון מתמקדות בביטוי סדר הפעולות הנדרשות. אפליקאציות ה- PLC ניתנות בד”כ להתאמה בקלות לשימושים ספציפיים, כך שמחירPLC  ארוז נמוך בהשוואה למחיר של פיתוח ויצור בקר מתאים תפור לפרויקט ספציפי.

PLCs משמשים בהרחבה בבקרת תנועה. יצרנים מסוימים מפתחים יחידות לבקרת תנועה שניתנות לשילוב עם PLCs לניטור ובקרת תנועת מכונות.

PLCs יכולים לכלול לוגיקה למעגל בקרה עם משוב שנקרא Proportional Integral Derivative (PID). מעגל מסוגPID  יכול לשמש, לדוגמה, לבקרת טמפרטורה בתהליך יצור.

במשך הזמן, יצרנים מפתחים PLCs חדשים, שחלקם יותר בטוחים לשימוש (“Safety” PLCs), שרכיבי החומרה שלהם בנויים באופן חזק יותר, כך ש- PLCs אלו עמידים בתנאי עבודה קשים יותר מבחינת טמפרטורה, רעידות, אימפאקט, וכו’.