التحكم في الرافعات بواسطة PLC من اختيار الطراز إلى تكوين الشبكة: تهيئة S7-1200 وحلول الاتصال عبر PROFINET
⚙️ يعتمد نظام التحكم PLC للرافعة الجسرية على وحدة Siemens S7-1200/S7-1500 كنواة، ويربط محول التردد ووحدات الإدخال/الإخراج الموزعة عبر شبكة PROFINET، ويبلغ عدد نقاط الإدخال/الإخراج (IO) ما بين 24 إلى 40 نقطة لـ DI، و16 إلى 24 نقطة لـ DO، و4 إلى 8 نقاط لـ AI، ويمكن لحلول الشبكات القياسية أن ترفع موثوقية الاتصال بنسبة تزيد عن 80%، وتقصير فترة التشغيل والتحقق بنسبة 30%.
يُعد نظام التحكم PLC للرافعة الجسرية «الدماغ» الأساسي لنظام التحكم الكهربائي للرافعة، وهو مسؤول عن التنسيق بين آليات الرفع والعربة الكبيرة والعربة الصغيرة، بالإضافة إلى الترابط الآمن وتشخيص الأعطال. ووفقًا لمتطلبات موثوقية أنظمة التحكم الكهربائية الواردة في المعيار GB/T 15969.2-2008 «وحدات التحكم القابلة للبرمجة» والمعيار GB/T 3811-2008 «معايير تصميم الرافعات»، يمكن لنظام PLC المصمم بشكل سليم أن يقلل معدل الأعطال الكهربائية في الرافعات الجسرية بنسبة تزيد عن 60%، كما يرفع كفاءة التشغيل ومستوى السلامة بشكل كبير.
يعتمد نظام التحكم PLC للرافعة الجسرية على وحدة التحكم المركزية Siemens S7-1200/S7-1500، ويقوم بتوصيل محطات الإدخال/الإخراج (IO) الموزعة ومحولات التردد الخاصة بكل آلية عبر شبكة إيثرنت الصناعية PROFINET. يقوم نظام PLC بجمع الإشارات الصادرة عن أزرار التشغيل وأجهزة الاستشعار، ثم بعد إجراء العمليات المنطقية البرمجية، يرسل أوامر التحكم إلى محولات التردد والموصلات الكهربائية، مما يحقق التحكم في سرعة المكونات الثلاثة وتبديل اتجاهاتها. وتساهم حلول الشبكات الموحدة في تقليل صعوبة ضبط النظام وتكاليف الصيانة اللاحقة بشكل فعال.
بنية نظام التحكم ومبادئه الأساسية
يعتمد نظام التحكم PLC للرافعة الجسرية على بنية متدرجة، ويتألف من ثلاث مستويات هي: مستوى التشغيل، ومستوى التحكم، ومستوى التنفيذ. ويشمل مستوى التشغيل وحدة التحكم الرئيسية الموجودة داخل كابينة السائق، ومحطة الأزرار، وشاشة اللمس HMI، وهو مسؤول عن استقبال أوامر المشغلين وعرض الحالة. وتتخذ طبقة التحكم من وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) جوهرها، وتتواصل مع المحطات المختلفة عبر ناقل PROFINET، وتقوم بتشغيل منطق الترابط بين المكونات، ومنطق الترابط الآمن، وبرامج تشخيص الأعطال. أما طبقة التنفيذ فتتألف من محولات التردد الخاصة بكل مكون، والمكابح، والمحركات، ومفاتيح تحديد الحد الأقصى، وتقوم بتنفيذ أوامر وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) مباشرةً لإتمام الحركات الميكانيكية.
يعتمد النظام على مفهوم البرمجة المعيارية، حيث يتولى الدورة الرئيسية OB1 مهمة التحديث الدوري لمدخلات/مخرجات (IO) ومسح الحالة، بينما تعمل كتل البرامج الأمنية ككتل منظمة مستقلة (OB) لتحقيق المراقبة المتزامنة لإشارات الإيقاف الطارئ وإشارات حدود الحركة. تم تجميع وظائف التحكم في محول التردد في كتلة وظيفية FC، تتضمن أربعة برامج فرعية هي: إرسال كلمة التحكم، وتعيين السرعة، وتحليل كلمة الحالة، وقراءة رموز الأعطال. ولتلبية متطلبات السلامة الخاصة بمعدات الرفع، تم ضبط دورة المسح البرمجية في نطاق 20~50 مللي ثانية، ويتم تنفيذ الاستجابة الأمنية عبر دائرة أمان سلكية، ولا يتجاوز وقت الاستجابة 200 مللي ثانية، مما يتوافق مع متطلبات المعيار GB/T 3811-2008 الخاصة بأجهزة الحماية الأمنية.
مقارنة بين الأداء الأساسي لنظام التحكم بالمرحلات التقليدية ونظام التحكم بواسطة الحاسوب المنطقي القابل للبرمجة (PLC)
| المقارنة بين المشاريع | التحكم التقليدي بالمرحلات | نظام التحكم بالبرمجة المنطقية (PLC) |
|---|---|---|
| طريقة التحكم | منطق التوصيل المباشر + مرحل زمني | المنطق البرمجي القابل للبرمجة + الاتصالات الشبكية |
| تشخيص الأعطال | الفحص اليدوي لكل مقطع على حدة، ويستغرق ذلك في المتوسط عدة ساعات | التشخيص عبر الإنترنت لنظام PLC + تحديد موقع رموز الأعطال، في غضون دقائق |
| تعديلات على الوظائف | يلزم إعادة مد الكابلات، مما سيؤدي إلى توقف الإنتاج لعدة أيام | تعديل البرنامج عبر الإنترنت، ويستغرق الأمر بضع دقائق |
| شبكات الاتصالات | لا شيء، تعمل كل وحدة بشكل مستقل | شبكة PROFINET الموحدة، وتبادل البيانات |
| تكاليف الصيانة | المرحلات عرضة للتلف، وقطع الغيار متنوعة جدًّا | توحيد قطع الغيار، والاستبدال المعياري |
| المعايير المرجعية | —— | GB/T 15969.2 / GB/T 3811-2008 |
معلمات الأداء الرئيسية والمواصفات الفنية
يكمن مفتاح اختيار وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) في التقدير الدقيق لعدد نقاط الإدخال/الإخراج (IO) وتوافق واجهات الاتصال. بالنسبة للرافعات الصغيرة والمتوسطة الحجم (ذات العارضة الواحدة التي تقل حمولتها عن 10 أطنان)، يُوصى باستخدام وحدة المعالجة المركزية (CPU) من سلسلة S7-1200 طراز 1214C/1215C، التي تضم 14 مدخلاً رقميًا (DI) و10 مخرجات رقمية (DO) و2 مدخلات تناظرية (AI)، مع قدرة توسعة تصل إلى 8 وحدات إشارات. أما بالنسبة للرافعات المتوسطة والكبيرة الحجم (ذات العارضة المزدوجة التي تزيد حمولتها عن 16 طنًا)، فيُوصى باستخدام وحدة المعالجة المركزية (CPU) من سلسلة S7-1500، طراز 1511/1513، التي تتمتع بقدرة توسعية تصل إلى 32 وحدة إشارة، وتدعم التحكم في الحركة والاتصالات الآمنة عبر بروتوكول PROFIsafe. مرجعGB/T 3811-2008 «الأحكام الأساسية لمعايير تصميم الرافعات»نظراً لمتطلبات التكرار في النظام الكهربائي، يُوصى بتخصيص قنوات احتياطية تتراوح بين 15% و20% استناداً إلى جدول نقاط الإدخال/الإخراج.
اختيار نوع وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) وتكوين جدول نقاط الإدخال/الإخراج (IO)
تتضمن قائمة نقاط الإدخال/الإخراج (IO) لنظام التحكم PLC للرافعة القياسية ثلاث فئات من الإشارات، والتوزيع التفصيلي كما يلي:
مدخلات رقمية (DI) (24~40 نقطة)——12 نقطة لأزرار لوحة التحكم (رفع/إنزال، سريع/بطيء، عربة رئيسية يسار/يمين، عربة فرعية أمام/خلف)؛ 6 نقاط لإشارات محددات الحد (حدود الرفع الأعلى/الأدنى، حدود طرفي العربة الرئيسية، حدود طرفي العربة الفرعية)؛ إشارات التغذية الراجعة من مرحلات الأمان عند موضع الساعة 4 (الإيقاف الطارئ، باب الأمان، حالة المكابح)؛ عداد السرعة العالية للمشفّر عند موضع الساعة 2 إلى 4؛ مفاتيح الحمل الزائد/درجة الحرارة/الموضع وغيرها عند موضع الساعة 4 إلى 6.
مخرجات رقمية DO (16~24 نقطة)——4 نقاط لملفات المقاطع (المقطع الرئيسي، مقطع الكبح)؛ 3 نقاط لتشغيل محول التردد (الرفع/العربة الكبيرة/العربة الصغيرة)؛ 6 نقاط لمصابيح الإشارة (التشغيل/الخلل/الإنذار)؛ نقطتان لمخرجات الإنذار (جرس إنذار/مصباح تحذير).
مدخلات الإشارات التناظرية للذكاء الاصطناعي (4 إلى 8 نقاط)——3 نقاط لتغذية المرتدة للتيار في محول التردد؛ و2 إلى 4 نقاط لمستشعرات درجة الحرارة.
عند اختيار الطراز، يجب مراعاة الحجم الإجمالي للحمل المقنن للرافعة الجسرية، ودرجة التشغيل، ومتطلبات وظائف التحكم. بالرجوع إلى متطلبات نظام التحكم الكهربائي الواردة في المعيار GB/T 3811-2008 والمعيار IEC 61784-1:2019 «شبكات الاتصالات الصناعية»، يجب أن يركز اختيار وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) بشكل أساسي على ثلاثة مؤشرات أساسية هي: أنواع وعدد واجهات الاتصال، وقدرة توسيع المدخلات والمخرجات (IO)، وسعة ذاكرة البرامج. يُعد S7-1200 مناسبًا للرافعات ذات العارضة الواحدة من فئات العمل A3 إلى A5، بينما يُعد S7-1500 مناسبًا للرافعات ذات العارضتين/المعدنية/الصب من فئات العمل A6 إلى A8، وكلاهما يحقق بنية شبكية موحدة عبر PROFINET.
مقارنة بين خيارات التكوين لنموذجي S7-1200 وS7-1500
| خيارات التهيئة | حل S7-1200 (≤10 طن) | حل S7-1500 (≥16 طن) |
|---|---|---|
| طراز وحدة المعالجة المركزية (CPU) | 1214C / 1215C | 1511 / 1513 |
| المدخلات والمخرجات المدمجة | DI14/DO10/AI2 | يلزم توسيع وحدة الإدخال/الإخراج |
| القدرات التوسعية | 8 إشارات + 3 وحدات اتصال | 32 إشارة + 8 وحدات اتصال |
| منفذ PROFINET | منفذ PN واحد | منفذان PN (متكرران) |
| التحكم في الحركة | التحكم في السرعة ثلاثي المحاور | التحكم في السرعة/الموضع بـ 8 محاور |
| الاتصالات الآمنة | لا يدعم PROFIsafe بشكل أصلي | دعم PROFIsafe |
| توصيات HMI | Jingzhi 7 بوصة KTP700 | Jingzhi 10 بوصة TP1000 |
| حالات الاستخدام | رافعة ذات عارضة واحدة/رافعة كهربائية | رافعة ذات عارضتين/الصهر والصب |
شبكات الاتصالات PROFINET وتجهيزها
يُعد PROFINET الحل السائد لشبكة إيثرنت الصناعية في أنظمة التحكم في الرافعات الجسرية، ويُوصى باستخدام نمط الاتصال في الوقت الحقيقي (RT). تتخذ بنية الشبكة شكل نجمة، حيث تعمل محطة تحويل إيثرنت صناعية واحدة كعقدة مركزية، وتربط وحدة المعالجة المركزية (CPU) لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)، ومحول التردد، ومحطات الإدخال/الإخراج الموزعة (IO)، وواجهة المستخدم البشرية (HMI)، والكمبيوتر الرئيسي. يُستخدم كابلات اتصالات صناعية محمية من فئة CAT5e أو أعلى، على ألا يتجاوز طول أي مقطع من الكابل 100 متر. عند مد الكابلات، يجب أن تكون المسافة الفاصلة بين كابلات الاتصالات وكابلات الطاقة 200 مم على الأقل، وأن تتقاطع الكابلات بزاوية 90 درجة بشكل عمودي. يُوصى بتخصيص 30% أو أكثر من منافذ المحول لتلبية احتياجات التوسع والصيانة المستقبلية.
يتبع تكوين أجهزة PROFINET الخطوات القياسية التالية:
الخطوة الأولى: إنشاء مشروع——إنشاء مشروع في TIA Portal، وإضافة وحدة المعالجة المركزية (CPU) الخاصة بوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)، وتخصيص عنوان IP لها (192.168.0.1/24).
الخطوة الثانية: تكوين الإدخال/الإخراج الموزع——إضافة محطة الإدخال/الإخراج الموزعة ET200SP وتعيين اسم الجهاز وعنوان IP.
الخطوة الثالثة: إضافة محول التردد——إضافة محول التردد G120 واستيراد ملف GSDML، وتخصيص عناوين IP (الرافعة 192.168.0.10، العربة الكبيرة 192.168.0.11، العربة الصغيرة 192.168.0.12).
الخطوة الرابعة: تهيئة منطقة الاتصالات——منطقة اتصالات الإدخال/الإخراج (IO) للتكوين: كلمة التحكم/كلمة الحالة لمحول التردد PZD1 (16 بت)، وقيمة السرعة المحددة/القيمة الفعلية لمحول التردد PZD2 (16 بت).
الخطوة الخامسة: الترجمة والتنزيل——بعد الترجمة والتحميل، يجب أن تظل مؤشرات PN في جميع الأجهزة مضيئة باللون الأخضر بشكل ثابت. وفقًا لمتطلبات المعيار IEC 61784-1:2019 الخاصة بشبكات الاتصالات الصناعية، يجب إجراء اختبار معدل تحميل الاتصالات واختبار معدل فقدان الرسائل بعد الانتهاء من عملية الضبط، لضمان استقرار النظام.
متطلبات التثبيت والنشر والصيانة
متطلبات موقع التركيب والبيئة المحيطة——يجب وضع خزانة التحكم PLC بالقرب من غرفة تشغيل الرافعة الجسرية أو في غرفة الكهرباء الأرضية، مع الحفاظ على درجة حرارة البيئة في نطاق 0~55 درجة مئوية، والرطوبة النسبية ≤95% دون تكوّن ندى.
متطلبات تكوين مصدر الطاقة——يجب تزويد الجزء الداخلي من خزانة التحكم بوحدة تزويد طاقة مستقلة بجهد 24 فولت تيار مستمر لتزويد وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) وأجهزة الاستشعار بالطاقة، وفي حالة وجود مصدر طاقة المحرك الخاص بمحول التردد في نفس الخزانة، يجب تركيب مرشح EMC ومحول عزل.
متطلبات معايير التمديد الكهربائي——يجب أن تتبع عملية مد الكابلات داخل الخزانة مبدأ الفصل بين التيار الكهربائي القوي والضعيف، على أن تكون المسافة بين كابلات الإشارة بجهد 24 فولت وكابلات الطاقة بجهد 220 فولت ≥100 مم، وأن تُستخدم كابلات الإشارة التناظرية المُعتمدة على أسلاك مزدوجة ملتوية محمية ومُؤرضة من طرف واحد.
تشمل الصيانة اليومية للنظام بشكل أساسي ثلاثة جوانب هي: فحص حالة تشغيل وحدة المعالجة المركزية (CPU)، وفحص حالة الاتصالات، واختبار قنوات الإدخال/الإخراج (IO). وبالاستناد إلى متطلبات صيانة أنظمة PLC الواردة في المعيار GB/T 15969.2-2008، يُوصى بإجراء فحص شهري لمصابيح مؤشرات حالة وحدة المعالجة المركزية (CPU) وفحص البطارية الاحتياطية، وإجراء اختبار شامل لقنوات الإدخال/الإخراج (IO) وتقييم جودة وصلة الاتصالات مرة كل ثلاثة أشهر. عندما يظهر إنذار عطل الناقل ”BF” في النظام، يجب إعطاء الأولوية لفحص حالة منافذ المحول وجودة توصيل كابلات الشبكة، حيث إن هذه هي الأسباب الأكثر شيوعًا لحدوث أعطال الاتصالات في الموقع.
مزايا النظام والفوائد الاقتصادية
تتجلى القيمة الأساسية التي يوفرها نظام التحكم PLC للرافعات الجسرية في التحسين المزدوج للموثوقية وسهولة الصيانة. مقارنةً بأنظمة التحكم التقليدية القائمة على المرحلات، يقلل نظام PLC وقت تحديد موقع الأعطال من عدة ساعات إلى دقائق معدودة، حيث تتيح وظيفة المراقبة البرمجية عبر الإنترنت تحديد نقاط الإدخال والإخراج وموقع البرنامج الذي حدث فيه العطل بسرعة. يدعم النظام التشخيص عن بُعد وترقية البرامج، مما يتيح للمهندسين معالجة معظم المشكلات البرمجية دون الحاجة إلى التواجد في الموقع، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف العمالة في التشغيل والصيانة وخسائر التوقف عن العمل.
من منظور الفوائد الاقتصادية، تبلغ تكلفة تحديث نظام التحكم PLC لرافعة جسرية متوسطة الحجم (16 طن، ذات عارضة مزدوجة) حوالي 80,000 إلى 150,000 يوان، مما يؤدي إلى خفض تكاليف إصلاح الأعطال الكهربائية بمعدل 30,000 إلى 50,000 يوان سنويًا، وتقليل وقت التوقف غير المخطط له بما يزيد عن 80%. ويمكن توفير ما مجموعه 300,000 إلى 500,000 يوان من تكاليف التشغيل والصيانة على مدار دورة حياة النظام الكاملة (10 سنوات). وفي الوقت نفسه، يمكن استخدام بيانات التشغيل التي يجمعها النظام (مثل وقت تشغيل كل آلية، وعدد مرات التشغيل، وسجلات الأعطال، وما إلى ذلك) لتحليل معدل استخدام المعدات ووضع خطط الصيانة التنبؤية، مما يوفر أساسًا بياناتيًّا لإدارة دورة حياة الرافعة الجسرية بالكامل.
الأسئلة الشائعة
سؤال: كيف يضمن نظام التحكم PLC للرافعة الجسرية موثوقية الترابط الآمن؟
الإجابة: يعتمد نظام القفل الآمن على استراتيجية الحماية المزدوجة المتمثلة في ”التوصيل السلكي + البرمجيات”. حيث يقوم زر الإيقاف الطارئ ومحددات موضع الباب الآمن، من خلال توصيل سلكي مستقل بمرحل أمان، بقطع التيار الكهربائي عن الملامس الرئيسي، بينما يقوم جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) بمراقبة حالة الدائرة الآمنة بشكل متزامن. وتعمل الطبقة البرمجية على تنفيذ منطق الترابط بين آليات الرفع والعربة الكبيرة والعربة الصغيرة، بالإضافة إلى فرض قيود على مدة التشغيل المنخفضة السرعة؛ وهذان النوعان من الحماية مستقلان عن بعضهما، بحيث تظل الطبقة الأخرى قادرة على ضمان السلامة في حالة فشل أي من الطبقتين.
سؤال: كيف يمكن الاختيار بين S7-1200 وS7-1500 في تطبيقات الرافعات الجوية؟
الإجابة: يعتمد الاختيار بشكل أساسي على عدد المكونات ومستوى العمل. بالنسبة للرافعات ذات العارضة الواحدة (مرفاع واحد + آليتان للتحرك، الفئات A3~A5)، يُعد طراز S7-1200 هو الأفضل من حيث القيمة مقابل السعر، ويمكن تغطية متطلبات النظام باستخدام وحدة المعالجة المركزية 1214C المزودة بمدخلات ومخرجات مدمجة. أما بالنسبة للرافعات ذات العارضة المزدوجة (مرفاعان للرفع + مرفاعان للتحريك، من المستوى A6 إلى A8)، فيُوصى باستخدام S7-1500، حيث إن قدراتها التوسعية واتصالاتها الآمنة عبر PROFIsafe تجعلها أكثر ملاءمة لسيناريوهات التحكم المعقدة.
سؤال: هل يمكن تحديث الرافعات القديمة لتعمل بنظام التحكم PLC؟
الإجابة: نعم. لا يتطلب تحديث نظام PLC للرافعات القديمة سوى الإبقاء على الدائرة الرئيسية (المحرك، الملامس الكهربائي، المكابح) دون تغيير، واستبدال لوحة التحكم بالمرحلات الموجودة داخل خزانة التحكم بنظام PLC مع وحدة التوسعة. وعادةً ما تُنجز أعمال التحديث في غضون يومين إلى ثلاثة أيام، مع إمكانية الاحتفاظ بلوحة التشغيل الأصلية وجهاز التحكم الرئيسي، مما يقلل تكلفة التحديث بشكل كبير.
سؤال: كيف يتكامل النظام مع نظام MES الأعلى أو منصة إدارة المؤسسة؟
الإجابة: يعمل جهاز PLC كخادم MODBUS TCP عبر وحدة إيثرنت، حيث يرسل بيانات تشغيل الرافعة الجسرية (الحالة، السرعة، التيار، درجة الحرارة، رموز الأعطال، إجمالي وقت التشغيل، إلخ) إلى الكمبيوتر الرئيسي أو نظام MES. ويوفر وثائق بروتوكولات الواجهة القياسية وجداول نقاط البيانات، مما يدعم التكامل السريع مع منصات MES الشائعة.
——كرويد للصناعات الثقيلةنختص منذ خمسة عشر عامًا في تصميم وتطوير أنظمة التحكم الكهربائية للرافعات الجسرية، وقد أنجزنا حتى الآن ما يزيد عن 200 مشروع لترقية وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) في الرافعات الجسرية. إذا كنت ترغب في معرفة المزيد عن تطبيقات المعيار GB/T 3811-2008 «معايير تصميم الرافعات» والمعيار GB/T 15969.2-2008 «وحدات التحكم القابلة للبرمجة» في أنظمة التحكم في الرافعات الجسرية، نرحب بالاتصال بناكرويد للصناعات الثقيلةيقوم الفريق الفني بالحصول على الوثائق الفنية التفصيلية.
