تصميم نظام التحكم الكهربائي للرافعة: من المخطط إلى برمجة PLC
التصميم المتكامل لنظام التحكم الكهربائي للرافعة العلوية: من المخطط الكهربائي إلى برمجة PLC وضبط التشغيل. يُعد نظام التحكم الكهربائي للرافعة بمثابة العقل والجهاز العصبي للرافعة الجسرية، حيث يتولى التحكم المنطقي والتحكم في الحركة والحماية السلامة والتفاعل التشغيلي للرافعة بأكملها.
يمثل نظام التحكم الكهربائي للرافعة العلوية العقل والجهاز العصبي للرافعة الجسرية، حيث يتولى التحكم المنطقي الكامل، والتحكم في الحركة، والحماية السلامة، والتفاعل التشغيلي. يستعرض هذا المقال المسار الكامل لتصميم نظام التحكم الكهربائي للرافعة، بدءًا من رسم المخطط الكهربائي، واختيار المكونات، وتصميم برنامج PLC، وصولًا إلى الضبط الميداني، ليكون مرجعًا عمليًا متكاملًا لمهندسي التصميم وفنيي الضبط.
الهيكل العام للنظام الكهربائي للرافعة العلوية
يعتمد نظام التحكم الكهربائي للرافعة العلوية بنية تحكم موزعة تتكون من ثلاثة مستويات: خزانة التحكم الرئيسية في كابينة المشغل، والخزانة الكهربائية للرافعة الكبيرة، والخزانة الكهربائية للعربة. تحتوي خزانة التحكم الرئيسية في كابينة المشغل على وحدة PLC الرئيسية، وواجهة الإنسان والآلة (HMI) بشاشة لمس، ومقابض التحكم وأزرار التشغيل لكل آلية. أما الخزانة الكهربائية للرافعة الكبيرة فتحتوي على محولات التردد أو مقاومات التحكم في السرعة لمحركي الرافعة الكبيرة، ومقاومات الفرملة، وكتل طرفية، وعناصر تحكم مساعدة، وتُثبت على ممر جانبي على طول العارضة الرئيسية. وتضم الخزانة الكهربائية للعربة محولات التردد لمحرك الرفع ومحرك العربة، ووحدة الكبح، وجهاز إرسال إشارة محدد سعة الرفع، ومقوم المكبح، وعناصر تحكم مساعدة، وتُثبت على منصة العربة. يتم تزويد الخزائن الثلاث بالطاقة والاتصال عبر كابلات الجر أو خط التغذية؛ ويُربط الجسر بكابينة المشغل عبر كابل متعدد النواة يمر بنظام بكرة الكابلات وكابلات الجر، بينما تُربط العربة بكابينة المشغل عبر كابل جر معلق. يعمل النظام بتغذية ثلاثية الأطوار بخمسة أسلاك (TN-S)، حيث يدخل مصدر الطاقة الرئيسي عبر قاطع الدائرة الرئيسي إلى خزانة التحكم الرئيسية في كابينة المشغل، وتُغذى كل آلية عبر قواطع دائرة وملامسات مستقلة.
| عنصر المقارنة | S7-1200 1215C | S7-1500 1511 |
|---|---|---|
| CPUالأداء | الفئة المتوسطة | الفئة الراقية |
| ذاكرة عمل | 150KB | 750KB |
| PROFINETقطعة | 2وحدة | 2وحدة(يشملمحول الشبكة) |
| PROFIsafe غير مدعوم مدعوم | ||
| DI/DOالتوسعة | الحد الأقصى8وحدةوحدة | الحد الأقصى32وحدةوحدة |
| مجالات الاستخدام | متوسط الحجمرافعة علوية≤50t | كبير الحجمرافعة علوية/السلامةPLC |
| مقارنة التكلفة | المرجع | مرتفع60%~80% |
تصميم المخطط الكهربائي
يعتمد تصميم المخطط الكهربائي على منهجية التصميم متعدد الطبقات، وينقسم إلى أربعة أقسام رئيسية: مخطط الدائرة الرئيسية، ومخطط دائرة التحكم، ومخطط توصيلات PLC I/O، ومخطط دائرة الأمان. يوضح مخطط الدائرة الرئيسية مسارات تزويد الطاقة لمحركات جميع الآليات، بما في ذلك علاقات التوصيل بين قاطع الدائرة الرئيسي، والملامس الرئيسي، وقواطع الفروع لكل آلية، ومفاعل الإدخال لمحول التردد، ومحول التردد (أو ملامس التحكم في السرعة)، ومفاعل الإخراج لمحول التردد، وصندوق توصيل المحرك، مع تحديد طراز ومواصفات كل عنصر ومقطع السلك. يرسم مخطط دائرة التحكم توصيلات أطراف التحكم بمحول التردد، ودائرة التحكم في ملف ملامس المكبح، وتوصيلات جميع محددات ومفاتيح التقارب، وتوصيلات الإدخال الرقمي والإخراج الرقمي لوحدة PLC، مع تحديد أرقام الأسلاك وأرقام الأطراف. يُرسم مخطط توصيلات PLC I/O حسب نوع الوحدة، موضحًا علاقات توصيل المدخل الرقمي والخرج الرقمي والمدخل التناظري وواجهة الاتصال، مع تحديد طراز الوحدة ورقم القناة ورقم السلك للمستشعر/المشغل المقابل. يرسم مخطط دائرة الأمان دائرة التوصيل التسلسلي لأزرار التوقف الطارئ، ومفاتيح حد الباب، وملامسات الحماية من الحمل الزائد، ومرحل التوقف الفوري، وتعتمد دائرة الأمان تصميمًا متكررًا بتوصيل تسلسلي للملامسات المغلقة، ويجب أن يؤدي فصل دائرة الأمان إلى قطع مصدر الطاقة لملف الملامس الرئيسي مباشرة.
اختيار المكونات الكهربائية الأساسية
S7-1200 1215C
سيمنز G120
KTP700 Basic PN
مقاومة إجهادية
متعدد الدورات مطلق
برمجة PLC وهيكل البرنامج
يعتمد تصميم برنامج PLC على منهجية البرمجة الهيكلية، حيث يستدعي البرنامج الرئيسي (OB1) الوحدات الوظيفية بشكل دوري وفق دورة التحكم (10ms). تشمل الوحدات الوظيفية الرئيسية: وحدة تهيئة النظام (FC_Init) للتحقق من حالة جميع المستشعرات والفحص الذاتي عند التشغيل، وتسمح بالبدء عند سلامتها. وحدة التحكم في الرفع (FC_Hoist) تعالج منطق الرفع/الخفض، التسارع/التباطؤ، الحفاظ على السرعة الصفرية، التحكم في المكبح، وحماية الحمل الزائد لآلية الرفع، وتعتبر هذه الوحدة الأكثر أهمية، حيث يجب ضمان التسلسل الزمني الصحيح بين التحكم في المكبح وأوامر تشغيل محول التردد. تتعامل وحدة التحكم في الرافعة الكبيرة (FC_Trolley) ووحدة التحكم في العربة (FC_Crab) مع التحكم في الاتجاهين ومنطق المحددات للآليات الأفقية. تراقب وحدة الحماية (FC_Safety) حالة توصيل دوائر الأمان، وعند فصل أي دائرة أمان يتم إيقاف جميع الآليات فورًا وتسجيل الإنذار. تقوم وحدة تشخيص الأعطال (FC_Diag) بجمع كلمات الأعطال من محولات التردد لعرضها بشكل مجمع. تقوم وحدة تسجيل البيانات (FC_Log) بكتابة بيانات التشغيل ومعلومات الإنذار في ذاكرة واجهة الإنسان والآلة أو رفعها إلى المنصة البعيدة عبر وحدة الاتصال. تعالج وحدة الإشارات التناظرية (FC_Analog) إشارات 4~20mA من مستشعر سعة الرفع ومقياس شدة الرياح، وتقوم بتحويل القيم الهندسية ومقارنة العتبات.
تصميم واجهة الإنسان والآلة HMI
تنقسم واجهة الإنسان والآلة (HMI) بشاشة اللمس إلى أربع صفحات رئيسية حسب الوظيفة. تعرض صفحة المراقبة الرئيسية حالة التشغيل العامة للرافعة العلوية، بما في ذلك مؤشرات اتجاه حركة كل آلية، وسعة الرفع الحالية (رقم + رسم بياني شريطي)، وارتفاع الرفع، وموضع الرافعة الكبيرة والعربة، وسرعة الحركة، وحالة مكابح كل آلية (مؤشر فتح/إغلاق)، ومؤشرات الإنذار المبكر والإنذار عند التحميل الزائد. تعرض صفحة الإنذارات جميع سجلات الإنذار بترتيب زمني تنازلي، موضحةً وقت الإنذار ومحتواه (مثل "مكبح آلية الرفع لم يفتح بالكامل") ودرجة الإنذار (تحذير/إنذار/طوارئ) وحالة تأكيد المشغل. توفر صفحة إعداد المعاملات إدارة صلاحيات بمستويين: يمكن لمستوى المشغل ضبط حد ارتفاع الرفع، ومعاملات محددات الحركة، وزمن منحنى التسارع والتباطؤ، ومعاملات تفضيلات التشغيل؛ بينما يمكن لمستوى المهندس ضبط معامل معايرة سعة الرفع، ومعاملات اتصال محول التردد، وعتبات الحماية المختلفة. توفر صفحة البيانات التاريخية منحنيات اتجاه لبيانات التشغيل (سعة الرفع، ارتفاع الرفع، سرعة الحركة، إلخ) ووظيفة تصدير البيانات. يتواصل نظام HMI مع PLC عبر بروتوكول PROFINET، بمعدل تحديث للبيانات يبلغ 100ms.
الاختبار والتحقق في الموقع
يتم الاختبار الميداني وفق الخطوات التالية: فحص ما قبل التشغيل (مطابقة المخططات مع توصيلات المعدات الفعلية، قياس مقاومة العزل لدوائر الإمداد بحيث تكون ≥0.5MΩ، والتأكد من أن جميع قواطع الدائرة في وضع الفصل)، واختبار التشغيل بالتدرج (تشغيل مصدر طاقة التحكم أولاً للتأكد من إقلاع PLC و HMI بشكل سليم، ثم تشغيل مصدر الطاقة الرئيسي لمحركات الآليات)، واختبار اللاحمولة (تحريك كل آلية بحركة تدريجية للتأكد من تطابق اتجاه الحركة مع اتجاه التشغيل، وضبط موضع ومدى حركة محددات كل آلية)، واختبار التحميل (زيادة الحمولة تدريجياً حتى الحمولة المقدرة، ومعايرة نقطة الصفر ونطاق القياس الكامل لمحدد سعة الرفع، والتأكد من سلامة عمل حماية التحميل الزائد)، واختبار التحقق الوظيفي (التحقق من جميع وظائف الحماية والسلامة بما في ذلك التوقف الطارئ، والمحددات، والتحميل الزائد، وقفل الباب المتشابك، وأعطال المكابح، وحماية انقطاع اتصال المشفر، وتسجيل نتائج الاختبار في النماذج المخصصة). يتم توثيق أي مشاكل تظهر أثناء الاختبار في سجل التصحيح، ويتم إعادة التحقق بعد الإصلاح.
