مخططات السلم وأجهزة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)

مقدمة: جذور في عالم التقليدية

في الأيام الأولى للأتمتة الصناعية، كانت أنظمة التحكم تعتمد بشكل كامل على دوائر كهربائية تتكون من عدد هائل من المرحلات (Relays)، والكوابل (Contactors)، والمؤقتات (Timers)، والعدادات (Counters). كانت هذه الأنظمة معقدة جدًا في التصميم والتركيب واستهلاك الطاقة وصعبة الصيانة. لتسهيل فهم وتصميم هذه الدوائر المعقدة، وُلد مخطط السلم (Ladder Diagram – LD) أو ما يعرف بـ Ladder Logic.

سمي هذا المخطط بـ “السلم” لأن شكله يشبه سلمًا أفقيًا، يتكون من قضيبين طاقيين (Power Rails) رأسيين على الجانبين (يمثلان خطي التغذية L+ و N)، بينهما مجموعة من درجات (Rungs) أفقية. كل “درجة” أو “سلم” تمثل دائرة تحكم فرعية منطقية.

مع التطور التكنولوجي وولادة أجهزة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (Programmable Logic Controllers – PLCs) في أواخر الستينيات، كان التحدي الأكبر هو كيفية جعل المهندسين الكهربائيين والفنيين، المعتادين على قراءة مخططات السلم، يقبلون هذه التقنية الجديدة. الحل كان عبقرِيًا: جعل لغة البرمجة الأساسية للـ PLC هي لغة مخطط السلم (Ladder Logic) نفسها. لم تكن هذه مجرد محاكاة، بل كانت إعادة ابتكار حيث أصبحت الرموز المرسومة على الورق أوقاتًا برمجية قابلة للتنفيذ داخل معالج الـ PLC.

الجزء الأول: فهم مكونات مخطط السلم (Ladder Logic)

لفهم كيف يعمل الـ PLC، يجب أولاً فهم لغة التخاطب معه. تعتمد لغة Ladder Logic على رموز بسيطة ومألوفة:

1. اللمسات (Contacts): تمثل مدخلات (Inputs) الـ PLC (مثل أزرار الضغط، والمجسات، والمفاتيح). هناك نوعان:
   • اللمسة normally open (NO) – | | – : تسمح بمرور التيار (“تكون 1”) فقط عندما يتم تنشيطها (يضغط على الزر أو يفعل المستشعر).
   • اللمسة normally closed (NC) – |/| – : تسمح بمرور التيار (“تكون 1”) في وضع الراحة، وتنقطع (“تصبح 0”) عند التنشيط.
2. الملف (Coil): تمثل مخرجات (Outputs) الـ PLC (مثل تشغيل مرحل، أو لمبة، أو محرك). يرمز لها بـ ( ). “تتشغل” (تصبح قيمتها 1) فقط إذا اكتمل المسار المنطقي (“تيار” يمكن أن يمر) في درجة السلم التي توجد فيها.
3. البلوكات الوظيفية (Function Blocks): تمثل وظائف أكثر تعقيدًا مثل المؤقتات (Timers – TON, TOF)، والعدادات (Counters – CTU, CTD)، ومقارنات البيانات، والعمليات الحسابية. هذه تمثل القوة الحقيقية للـ PLC التي تفوقت بها على الدوائر التقليدية.

مثال بسيط:

    L+   [(NO)]----[مستشعر (NC)]----(ملف محرك)   N

• الشرح: سيشتغل الملف (المحرك) فقط إذا تم الضغط على الزر و لم يتم تنشيط المستشعر (أي أن المستشعر في حالته المغلقة Normally Closed).

الجزء الثاني: كيف يقرأ الـ PLC ويُنفذ مخطط السلم؟

عملية تنفيذ برنامج السلم داخل الـ PLC هي عملية منهجية ودورية تسمى “دورة المسح (Scan Cycle)”. فهم هذه الدورة هو مفتاح البرمجة الفعالة للـ PLC. تتكون الدورة من ثلاث خطوات رئيسية:

1. قراءة حالة المدخلات (Input Scan):
   • يفحص المعالج المركزي (CPU) للـ PLC الحالة الفعلية لجميع وحدات الإدخال المادية المتصلة به (أزرار، مجسات، إلخ).
   • يخزن هذه الحالات (0 أو 1) في منطقة من الذاكرة تسمى “صورة المدخلات (Input Image Table)”. المهم هنا: طوال فترة تنفيذ البرنامج في هذه الدورة، يعمل البرنامج على “صورة المدخلات” هذه وليس على الحالة الفعلية المتغيرة للمدخلات، مما يضمن استقرار البيانات خلال عملية المسح.
2. تنفيذ برنامج المستخدم (Program Execution):
   • يأخذ الـ CPU برنامج السلم (الذي كتبه المبرمج) وينفذه “درجةً درجة” من الأعلى إلى الأسفل، ومن اليسار إلى اليمين.
   • يحاكي عملية مرور تيار كهربائي في كل درجة بناءً على قيم “صورة المدخلات”. النتيجة النهائية لكل ملف (ملف محرك، مؤقت، عداد، إلخ) يتم تخزينها في منطقة ذاكرة تسمى “صورة المخرجات (Output Image Table)”.
3. تحديث حالة المخرجات (Output Scan):
   • بعد الانتهاء من تنفيذ البرنامج بالكامل، ينقل الـ CPU القيم المخزنة في “صورة المخرجات” إلى وحدات الإخراج المادية الفعلية. هذا هو الوقت الذي تضيء فيه اللمبة فعليًا أو يدور فيه المحرك.
   • بعد الانتهاء، تكرر الدورة نفسها مرة أخرى من البداية (قراءة المدخلات من جديد)، وهكذا إلى ما لا نهاية.

الجزء الثالث: المزايا الرئيسية لاستخدام Ladder Logic مع PLC

1. سهولة الفهم والتعلم: اللغة بصرية ومألوفة جدًا للمهندسين الكهربائيين والفنيين، مما يقلل من حاجز التعلم ويسهل عملية الصيانة واستكشاف الأخطاء.
2. استبدال الأجهزة المادية: بدلاً من استخدام عشرات أو مئات المرحلات والمؤقتات المادية، أصبح كل المنطق موجودًا داخل برنامج الـ PLC. هذا يوفر مساحة، وطاقة، وتكلفة، ووقت تركيب.
3. المرونة وسهولة التعديل: تعديل دائرة تحكم معقدة في النظام التقليدي يتطلب إعادة توصيل أسلاك. في نظام الـ PLC، الأمر لا يتعدى تغيير بعض الرموز في البرنامج وتحميله للجهاز.
4. إمكانيات غير محدودة: يمكن إضافة وظائف معقدة مثل العمليات الحسابية، ومعالجة البيانات، والاتصال بشبكات وأجهزة أخرى (SCADA, HMI) بسهولة نسبية، وهو أمر شبه مستحيل تنفيذه بالطرق التقليدية.
5. الموثوقية: مكونات الـ PLC الإلكترونية State-Solid أكثر موثوقية ومقاومة للاهتزاز والتآكل من المرحلات والمكونات الكهروميكانيكية.

لم تكن لغة Ladder Logic في عالم الـ PLC مجرد محاكاة سطحية للدوائر التقليدية. لقد كانت جسرًا ناجحًا سمح بانتقال سلس من عالم الأتمتة الكهروميكانيكية المعقدة إلى عالم الأتمتة الرقمية المرنة والقوية. لقد حافظت على الشكل المألوف للمهندس، لكنها وسعت إمكانياته إلى آفاق جديدة.

اليوم، وعلى الرغم من وجود لغات برمجة أخرى للـ PLC معيارية (مثل Structured Text, Function Block Diagram)، تظل Ladder Logic هي اللغة الأكثر شيوعًا واستخدامًا في تطبيقات التحكم المنطقي البسيط والمتوسط التعقيد في جميع أنحاء العالم، وهي شهادة على نجاح فكرة “بناء الجسور” بين التخصصات والتقنيات القديمة والجديدة.