בקרי לוגיקה ניתנים לתכנות (PLC), כמוצרי הבקרה המרכזיים באוטומציה תעשייתית, קיימים כבר חצי מאה. עם הפיתוח של טכנולוגיות מוליכים למחצה, מחשבים ותקשורת, תחום הבקרה התעשייתית עבר שינויים דרמטיים, ו-PLCs התפתחו במשך חמישה דורות מבחינת ביצועים, פונקציונליות, קלות שימוש וצורת המוצר. היום, נדון בפתרונות לאתגרי PLC נפוצים.
ראשית, בואו נסתכל שוב על היסודות ונגדיר מה זה PLC:
זהו סוג של התקן זיכרון הניתן לתכנות המשמש לאחסון תוכניות פנימי. הוא מבצע הוראות-מוכוונות משתמש כגון פעולות לוגיות, בקרה רציפה, תזמון, ספירה ופעולות אריתמטיות, ושולט בסוגים שונים של מכונות או תהליכי ייצור באמצעות קלט/פלט דיגיטלי או אנלוגי.
I. בעיות עמידות בהפרעות
עם התקדמות המדע והטכנולוגיה, PLCs מיושמים באופן נרחב יותר בבקרה תעשייתית. מהימנותם משפיעה ישירות על הייצור והפעילות הכלכלית הבטוחה של מפעלים תעשייתיים, והיכולת של המערכת להתנגד להפרעות היא המפתח להבטחת הפעולה האמינה של המערכת כולה. כדי לשפר את האמינות של מערכות בקרת PLC, מצד אחד, יצרני PLC חייבים לשפר את עמידות ההפרעות של הציוד; מצד שני, היא מחייבת לתת עדיפות גבוהה לתכנון הנדסי, התקנה, בנייה ותפעול ותחזוקה. רק באמצעות שיתוף פעולה מרובה-צדדים ניתן לפתור את הבעיה במלואה, ולשפר את ההתנגדות להפרעות של המערכת.
[מקורות הפרעות וסיווג כללי]
מקורות ההפרעה המשפיעים על מערכות בקרת PLC דומים לאלו המשפיעים בדרך כלל על ציוד בקרה תעשייתי; רובם מתעוררים באזורים שבהם זרם או מתח משתנים באופן דרמטי. אזורים אלה של תנועת מטען אינטנסיבית הם מקורות רעש, כלומר מקורות הפרעה.
מקורות הפרעות מסווגים בדרך כלל על סמך סיבת ההפרעה, מצב הפרעות הרעש ומאפייני צורת הגל של הרעש.
1. על ידי גורם לייצור רעש: רעשי פריקה, רעשי נחשול, רעשי תנודות בתדר גבוה-
2. לפי צורת הגל ואופי הרעש: רעש מתמשך, רעש ספורדי
3. לפי מצב הפרעות: הפרעות במצב-נפוצות, הפרעות במצב-דיפרנציאלי
בין אלה, הפרעות במצב-נפוצות והפרעות במצב-שכיחות מייצגות שיטת סיווג נפוצה יחסית. הפרעות במצב-משותף מתייחסת להבדל הפוטנציאל בין קו אות לאדמה. הוא נוצר בעיקר על ידי סופרפוזיציה של מתחים משותפים- במצב (אותו-כיוון) הנגרמים על קווי האות על ידי חדירת רשת החשמל, הפרשי פוטנציאל הארקה וקרינה אלקטרומגנטית מרחבית. מתחים במצב-נפוצים יכולים לפעמים להיות גבוהים למדי; במיוחד בחדרים המופעלים על ידי יחידות הפצה עם ביצועי בידוד גרועים, מתח המצב הנפוץ- של אותות המוצא של המשדר הוא בדרך כלל גבוה, כאשר חלקם מגיעים ליותר מ-130 וולט. ניתן להמיר את המתח במצב- נפוץ למתח מצב דיפרנציאלי באמצעות מעגלים לא מאוזנים, מה שמשפיע ישירות על אותות המדידה והבקרה וגורם לנזק. סוג זה של הפרעות במצב נפוץ-יכול להיות DC או AC.
הפרעות במצב-דיפרנציאלי מתייחסת למתח ההפרעה הפועל בין שני המסופים של האות. הוא נוצר בעיקר על ידי מתחים הנובעים מצימוד שדה אלקטרומגנטי באוויר ומהמרה של הפרעות במצב- נפוץ על ידי מעגלים לא מאוזנים. מתח זה מונח ישירות על האות, ומשפיע ישירות על דיוק המדידה והבקרה.
[מקורות עיקריים של הפרעות אלקטרומגנטיות]
1. הפרעות מוקרנות מהסביבה
שדות אלקטרומגנטיים מוקרנים (EMI) בסביבה נוצרים בעיקר על ידי רשתות חשמל, ארעיות בציוד חשמלי, ברק, שידורי רדיו, טלוויזיה, מכ"ם וציוד לחימום אינדוקציה בתדר גבוה-. זה מכונה בדרך כלל הפרעה מוקרנת.
זה גורם בעיקר להפרעות דרך שני מסלולים: 1) ישיר קרינה לתוך ה-PLC, גורם להפרעה במעגלים
2) קרינה המופנית לרשת התקשורת הפנימית של ה-PLC, החדרת הפרעות באמצעות אינדוקציה בקווי התקשורת
הפרעות מוקרנות קשורות לפריסה של ציוד שדה ולגודל השדות האלקטרומגנטיים הנוצרים על ידי הציוד, במיוחד לתדירותם. הגנה מושגת בדרך כלל על ידי שימוש בכבלים מסוככים, מיגון מקומי של ה-PLC ומעצמי מתח גבוה-.
2. הפרעות מכבלי מערכת חיצוניים
הפרעה זו מוכנסת בעיקר דרך קווי מתח ואות, והיא מכונה בדרך כלל הפרעה מוליכה. סוג זה של הפרעות חמור במיוחד במסגרות תעשייתיות בסין.
1) הפרעות מספקי כוח
התרגול הראה שכשלים רבים במערכת בקרת PLC נגרמות מהפרעות המוכנסות דרך ספק הכוח; הבעיה נפתרת בדרך כלל על ידי החלפת ספק הכוח באחד שמציע ביצועי בידוד גבוהים יותר.
ספקי כוח PLC משתמשים בדרך כלל במקורות כוח מבודדים, אך בשל גורמים מבניים ותהליכי ייצור, ביצועי הבידוד שלהם אינם אידיאליים. במציאות, בידוד מוחלט בלתי אפשרי בגלל נוכחותם של פרמטרים מבוזרים, במיוחד קיבול מבוזר.
2) הפרעות המוכנסות באמצעות קווי אותות
קווי העברת אותות שונים המחוברים למערכת בקרת PLC מאפשרים בהכרח לחדור לאותות הפרעות חיצוניות, בנוסף לשידור מידע תקף.
הפרעה זו נכנסת בעיקר דרך שני מסלולים: ראשית, הפרעות לרשת החשמל המוכנסות דרך ספק הכוח של המשדר או ספק הכוח המשותף עם מכשירי האות-גורם שלעתים קרובות מתעלמים ממנו;
שנית, הפרעה הנגרמת על ידי קרינה אלקטרומגנטית מרחבית על קווי האות, כלומר, הפרעה חיצונית המושרה על קווי האות, שהיא חמורה במיוחד.
3) הפרעה הנגרמת על ידי מערכת הארקה לא מאורגנת
הארקה היא אחת השיטות היעילות לשיפור התאימות האלקטרומגנטית (EMC) של ציוד אלקטרוני. הארקה נכונה יכולה גם לדכא את ההשפעות של הפרעות אלקטרומגנטיות וגם למנוע מהציוד לפלוט הפרעות; לעומת זאת, הארקה לא תקינה עלולה להכניס אותות הפרעות חמורים, ולגרום לתקלה במערכת ה-PLC.
קווי ההארקה במערכת בקרת PLC כוללים הארקת מערכת, הארקת מגן, הארקת AC והארקת מגן. הפרעה הנגרמת על ידי מערכת הארקה כאוטית במערכת PLC נובעת בעיקר מהתפלגות פוטנציאלית לא אחידה בנקודות הארקה שונות. הבדלים פוטנציאליים בין נקודות הארקה שונות יוצרים זרמי לולאת הארקה, המשפיעים על הפעולה הרגילה של המערכת.
3. הפרעות מתוך מערכת ה-PLC
הפרעה זו נוצרת בעיקר על ידי קרינה אלקטרומגנטית הדדית בין רכיבים ומעגלים פנימיים, כגון קרינה הדדית בין מעגלים לוגיים והשפעתם על מעגלים אנלוגיים, האינטראקציה בין אדמה אנלוגית להארקה לוגית ושימוש לא תואם ברכיבים. בעיות אלו נופלות תחת היקף התכנון של תאימות אלקטרומגנטית (EMC) שנערך על ידי יצרן ה-PLC עבור הרכיבים הפנימיים של המערכת. מכיוון שמדובר בעניין מורכב שאינו בשליטתה של מחלקת היישומים, אין צורך לבחון אותו יתר על המידה; עם זאת, חיוני לבחור מערכות עם רקורד מוכח או כאלו שנבדקו ביסודיות.
[הפרעות-עיצוב עמיד]
1. בחירת ציוד
בעת בחירת ציוד, תעדוף מוצרים בעלי עמידות הפרעות גבוהה, כולל תאימות אלקטרומגנטית (EMC), במיוחד עמידות בפני הפרעות חיצוניות. דוגמאות כוללות מערכות PLC המשתמשות בטכנולוגיית קרקע צפה ובעלות ביצועי בידוד מצוינים; שנית, יש לעיין במפרטים נגד-הפרעות שסופק על ידי היצרן, כגון יחס דחיית מצב-נפוץ (CMRR) ויחס דחיית מצב דיפרנציאלי-(DMRR), יכולת עמידה במתח ועוצמת השדה החשמלי המקסימלית ותדירות השדה המגנטי שבהם המערכת מדורגת לפעול; בנוסף, יש להעריך את הרקורד של המוצר ביישומים דומים.
2. עיצוב מקיף נגד-הפרעות
זה כולל בעיקר כמה אמצעים מרכזיים לדיכוי הפרעות שמקורן מחוץ למערכת, כולל: מיגון מערכת ה-PLC וכבלים חיצוניים למניעת הפרעות אלקטרומגנטיות מוקרנות; בידוד וסינון של כבלים חיצוניים-במיוחד כבלי חשמל-וסידורם בשכבות כדי למנוע כניסת הפרעות אלקטרומגנטיות דרך הכבלים; ותכנון נכון של נקודות הארקה והתקני הארקה לשיפור מערכת ההארקה. בנוסף, יש להשתמש בשיטות מבוססות תוכנה- כדי לשפר עוד יותר את הבטיחות והאמינות של המערכת.
[אמצעי מפתח נגד-הפרעות]
1. השתמש בספקי כוח-בעלי ביצועים גבוהים כדי לדכא הפרעות שהוכנסו מרשת החשמל
במערכות בקרת PLC, אספקת החשמל משחקת תפקיד קריטי. הפרעות לרשת החשמל מחוברות בעיקר למערכת בקרת ה-PLC דרך מקורות הכוח של המערכת (כגון ספקי כוח של מעבד, ספקי כוח I/O וכו'), ספקי כוח של משדר וספקי כוח של מכשירים שיש להם חיבורים חשמליים ישירים למערכת ה-PLC. נכון לעכשיו, ספקי כוח עם ביצועי בידוד טובים משמשים בדרך כלל עבור מערכות PLC. עם זאת, לא ניתנה תשומת לב מספקת לספקי הכוח עבור משדרים ומכשירים המחוברים ישירות חשמלית למערכת ה-PLC. למרות שאמצעי בידוד מסוימים יושמו, הם בדרך כלל לא מספקים. הסיבה לכך היא בעיקר כי לשנאי הבידוד שבהם נעשה שימוש יש פרמטרים מבוזרים גדולים ויכולות דיכוי הפרעות גרועות, המאפשרות לצמד הפרעות במצב-שכיח ודיפרנציאלי- דרך ספק הכוח. לכן, עבור הפעלת משדרים ומכשירים החולקים קווי אות, יש לבחור מפיצי כוח בעלי קיבול מבוזר נמוך ורוחב פס דיכוי רחב (כגון אלה המשתמשים במספר שלבי בידוד, מיגון וטכניקות הפחתת השראות דליפה) כדי למזער הפרעות במערכת ה-PLC.
2. בחירת כבלים ופריסה
סוגים שונים של אותות צריכים להיות מועברים באמצעות כבלים נפרדים. יש לפרוס את כבלי האות בשכבות בהתאם לסוג האות המועבר. חל איסור מוחלט להשתמש במוליכים שונים בתוך אותו כבל כדי להעביר בו זמנית הן כוח והן אותות. אין להניח קווי אותות בסמיכות מקבילה לכבלי חשמל כדי למזער הפרעות אלקטרומגנטיות.
3. אמצעי סינון חומרה ותוכנה נגד-הפרעות
לפני שהאותות נכנסים למחשב, חבר קבל במקביל בין קו האות להארקה כדי להפחית הפרעות במצב-שכיח; התקנת מסנן בין שני מסופי האות יכולה להפחית הפרעות במצב-דיפרנציאלי.
4. בחירה נכונה של נקודות הארקה ושיפור מערכת ההארקה
הארקה משרתת בדרך כלל שתי מטרות: בטיחות ודיכוי הפרעות. מערכת הארקה-מעוצבת היטב היא אחד האמצעים המרכזיים להגנה על מערכות בקרת PLC מפני הפרעות אלקטרומגנטיות. ישנם שלושה סוגים של שיטות הארקת מערכת: קרקע צפה, קרקע ישירה וקרקע קיבולית.
כאשר מקור האות מוארק, המגן צריך להיות מוארק בצד האות; כאשר אינו מוארק, הוא צריך להיות מוארק בצד ה-PLC; כאשר יש מפרקים בקו האות, יש לחבר ולבודד היטב את המגן, ולהימנע מנקודות הארקה מרובות; כאשר כבלי זוג מסוככים-מסוככים מנקודות מדידה מרובות מחוברים לכבל מרובה-ליבות מעוות-עם מגן משותף, המגנים של כל כבל צריכים להיות מחוברים ומבודדים כהלכה.
II. שיפור היעילות התפעולית
1. תכנן בלוקים של פונקציות בהתבסס על דרישות הפרויקט בפועל
כתיבת תתי שגרות: ב-PLC, תת שגרה היא תוכנית עצמאית יחסית שנכתבת למטרות בקרה ספציפיות. בעת ביצוע הוראות קריאת תת-שגרה כגון CALL, אם התנאים לקריאת תת-השגרה לא מתקיימים, סריקת התוכנית ממשיכה רק בתוך התוכנית הראשית ואינה סורקת את קטע תת-השגרה, ובכך מפחיתה את זמן הסריקה המיותר.
2. שליטה על פלטים על ידי העברת נתוני Word או כפול-Word לנקודות DO
יישומי PLC כוללים בדרך כלל מספר רב של בקרות פלט. שליטה בתפוקות על ידי העברת נתוני מילים-כפולות לנקודות DO יכולה לשפר את המהירות. על ידי הקצאה סבירה של כתובות פלט והמרת מילות פלט בקרה בהתאם לדרישות היישום בפועל, ניתן להפחית משמעותית את מספר שלבי הביצוע בתוכנית ה-PLC, ובכך להאיץ את זמן הריצה של התוכנית.
3. דופק-הופעל SET ואיפוס
ב-PLC, יש לבצע את הוראת ה-SET פעם אחת בלבד; אין צורך לבצע אותו במהלך כל סריקה, מה שהופך אותו-למתאים היטב לשימוש עם הוראות פלט דופק (PLS/PLF). כמה מהנדסים מתעלמים מבעיה זו ומשתמשים בשיטות קונבנציונליות כדי להפעיל את הוראת ה-SET, ומגדילים בשוגג את זמן ביצוע הסריקה של תוכנית ה-PLC.