مقدمة

تُشغّل جميع وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) نفس الحلقة الأساسية منذ لحظة تشغيلها - قراءة المدخلات، وتنفيذ المنطق، وكتابة المخرجات، ثم التكرار. تُحدد هذه الدورة، التي تُسمى دورة المسح، مدى استجابة وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة للأحداث الواقعية، وتُحدد الحد الأقصى لأداء أي عملية مُتحكَّم بها.

يساعد فهم آلية دورة المسح المبرمجين على تحسين التعليمات البرمجية، واستكشاف مشكلات الاستجابة وإصلاحها، واختيار وحدة المعالجة المركزية المناسبة للتطبيقات ذات المتطلبات العالية. يشرح هذا الدليل بالتفصيل كيفية عمل دورة المسح والعوامل المؤثرة فيها.

الخطوات الأربع لدورة مسح وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)

يقوم المعالج المركزي لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) بتنفيذ برنامجه في حلقة متسلسلة مستمرة. تتكون كل دورة كاملة من أربع مراحل متميزة.

الخطوة 1: قراءة المدخلات (مسح المدخلات)

تقوم وحدة المعالجة المركزية بتسجيل الحالة الحالية لجميع وحدات الإدخال وتخزين هذه القيم في قسم مخصص من الذاكرة يُسمى جدول صور الإدخال. ويحدث هذا في بداية كل دورة مسح.

بالنسبة للمدخلات الرقمية، يقرأ المعالج قيمة بسيطة 1 (تشغيل) أو 0 (إيقاف). أما بالنسبة للمدخلات التناظرية، فيقوم المعالج بتحويل الإشارة الفعلية (4-20 مللي أمبير، 0-10 فولت، أو بيانات مستشعر درجة الحرارة) إلى قيمة رقمية ويخزنها في الذاكرة.

هذه المرحلة سريعة - عادةً من 1 إلى 10 مللي ثانية لمسح الإدخال بالكامل، اعتمادًا على عدد وحدات الإدخال وتكوينها.

الخطوة الثانية: تنفيذ البرنامج (فحص البرنامج)

مع وجود بيانات إدخال جديدة في الذاكرة، يقوم المعالج بتنفيذ برنامج المستخدم تعليمةً تلو الأخرى. تُقيّم كل تعليمة مقابل قيم جدول صورة الإدخال الحالية، وتُكتب النتائج في جدول صورة الإخراج.

هنا يتم تنفيذ منطق السلم، أو كتل الوظائف، أو تعليمات النص المنظم. يقرأ المعالج من جدول صورة الإدخال، ويجري عمليات منطقية أو حسابية، ويخزن النتائج في جدول صورة الإخراج - ولكن الأهم من ذلك، أنه لا يكتب بعد إلى وحدات الإخراج الفعلية.

تُعدّ الكتابة إلى الذاكرة أسرع بكثير من التواصل مع وحدات الإدخال/الإخراج المادية. ويضمن تأجيل عمليات الكتابة إلى المخرجات المادية حتى اكتمال المسح تغيير جميع المخرجات في وقت واحد، مما يمنع حدوث حالات وسيطة غير مستقرة.

تُعد عملية مسح البرنامج عادةً أطول مراحل العملية. ويتناسب وقت المسح طرديًا مع حجم البرنامج وتعقيده وعدد التعليمات.

الخطوة 3: كتابة المخرجات (مسح المخرجات)

بعد اكتمال مسح البرنامج، يقوم المعالج بكتابة القيم من جدول صورة الإخراج إلى وحدات الإخراج الفعلية في آنٍ واحد. يتم تشغيل أو إيقاف المخارج الرقمية، بينما تُطبّق المخارج التناظرية قيمها المحسوبة على العملية.

تضمن هذه الكتابة المنسقة أن تعكس المخرجات لقطة متسقة لتقييم المنطق، فلا تحدث أي تغييرات في المخرجات أثناء مسح البرنامج. ويستغرق مسح المخرجات عادةً من 1 إلى 5 مللي ثانية، وذلك حسب عدد وحدات الإخراج.

الخطوة الرابعة: أعمال التنظيف

تشمل المرحلة الأخيرة كل ما يحتاج المعالج المركزي إلى القيام به بين الدورات:

· التواصل مع لوحات واجهة المستخدم الرسومية وأجهزة الشبكة الأخرى

· معالجة التعليمات المعتمدة على الوقت (المؤقتات، ساعة الوقت الحقيقي)

· تحديث سجلات التشخيص والأعطال

· معالجة طلبات الاتصال من أنظمة PLC أو SCADA الأخرى

يختلف وقت الصيانة الدورية تبعاً لحجم الاتصالات. قد يقضي جهاز التحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) المزود بوصلات متعددة مع واجهة المستخدم الرسومية (HMI) ورسائل شبكية مكثفة وقتاً طويلاً في هذه المرحلة.

فهم وقت المسح

زمن المسح هو المدة الإجمالية لجميع المراحل الأربع لدورة كاملة. ويُقاس بالمللي ثانية، وهو يحدد بشكل مباشر مدى سرعة استجابة وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) لتغيرات المدخلات.

القيم النموذجية:

· برنامج صغير (100-500 تعليمة): 1-5 مللي ثانية

· برنامج متوسط ​​(1000-5000 تعليمة): 5-20 مللي ثانية

· برنامج كبير (أكثر من 10000 تعليمة): 20-100 مللي ثانية

تُعدّ العلاقة بين زمن المسح وسرعة الآلة مهمة. فآلة التعبئة والتغليف التي تعمل بسرعة 100 عبوة في الدقيقة تستغرق 600 مللي ثانية لكل دورة. إذا كان زمن مسح وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) 50 مللي ثانية، فسيظل لدى الآلة 550 مللي ثانية من زمن الاستجابة المتاح، ولكن إذا وصل زمن المسح إلى 500 مللي ثانية، ستتوقف الآلة عن الاستجابة.

بالنسبة لتطبيقات التعبئة والتغليف عالية السرعة، أو تعبئة الزجاجات، أو التحكم في الحركة، غالباً ما تكون أوقات المسح أقل من 2 مللي ثانية مطلوبة.

لماذا توجد جداول صور الإخراج

سؤال شائع: لماذا يكتب المعالج المركزي إلى جدول الذاكرة بدلاً من الكتابة مباشرة إلى المخرجات؟

يُعالج أسلوب جدول الصور ثلاث مشكلات. أولًا، يضمن تحديثات ذرية للمخرجات، حيث تعكس كل مخرجات عملية مسح معينة نفس التقييم المنطقي. ثانيًا، يسمح لتعليمات البرنامج بقراءة حالات مخرجاتها دون إنشاء حلقة تغذية راجعة. ثالثًا، يُقلل بشكل كبير من عبء اتصالات الإدخال/الإخراج من خلال تجميع عمليات الكتابة.

بدون جداول الصور، قد يؤدي فحص منطق السلم الواحد إلى تشغيل عشرات عمليات كتابة الإخراج الفردية في نقاط مختلفة أثناء التنفيذ، مما يخلق سلوكًا غير مستقر للجهاز.

التنفيذ القائم على الأحداث: المقاطعات والمهام الدورية

يُقيّم تنفيذ دورة المسح القياسية كل تعليمة في كل مسح، بغض النظر عما إذا كانت الظروف قد تغيرت. يُعد هذا مقبولاً لمعظم التطبيقات، ولكنه يُهدر وقت وحدة المعالجة المركزية في تقييم منطق غير نشط.

تدعم معظم وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة الحديثة تنفيذ المهام الدورية أو التي تعتمد على المقاطعات للتعامل مع الأحداث الحساسة للوقت دون تعطيل عملية المسح الرئيسية.

المقاطعات ذات التوقيت المخفّض (TDIs): تُنفّذ روتينًا محددًا على فترات زمنية دقيقة، بغض النظر عن المسح الرئيسي. تُستخدم للعد عالي السرعة، أو معالجة المشفر، أو التحكم التناسبي التكاملي التفاضلي (PID) على فترات زمنية ثابتة.

المقاطعات المُفعّلة بالأحداث: تُنفّذ عند حدوث شرط مُحدد، مثل انتقال حافة الإدخال، أو حدث اتصال، أو حالة عطل. غالبًا ما تستخدم استجابات السلامة الحرجة المقاطعات لضمان وقت الاستجابة بغض النظر عن موضع المسح الرئيسي.

بالنسبة لـ Siemens S7-1500، يمكن تشغيل المنطق الحساس للوقت في كتل تنظيم المقاطعات الدورية (OBs) ذات أولويات قابلة للتكوين. يستخدم Allen Bradley ControlLogix مهامًا دورية ومهام أحداث بمعدلات قابلة للتكوين.

كيفية قياس وتقليل وقت المسح

قياس وقت المسح: تعرض معظم بيئات البرمجة وقت المسح المباشر. في برنامج Studio 5000، تعرض علامة التبويب "عام" ضمن "خصائص وحدة التحكم" إحصائيات التنفيذ. أما في برنامج TIA Portal، فتُوفّر قائمة "التشخيص" ضمن "عبر الإنترنت" بيانات وقت المسح.

تقليل وقت المسح الضوئي:

· انقل تعليمات الاتصال (وظائف الرسائل) من عملية المسح الرئيسية للبرنامج إلى المهام الدورية.

· بسّط التعبيرات المعقدة - استبدل العمليات الحسابية المتداخلة بقيم محسوبة مسبقًا كلما أمكن ذلك

· استخدم المراجع المباشرة بدلاً من العلامات المنسوخة كلما أمكن ذلك

· قلل عدد الرسائل على شبكات EtherNet/IP أو PROFINET

· ضع في اعتبارك استخدام معالج أسرع إذا تجاوز وقت المسح متطلبات التطبيق على الرغم من التحسين.

تأثير الاتصال الشبكي على وقت المسح

يُعدّ الاتصال الشبكي السبب الأكثر شيوعًا لزيادة وقت المسح غير المتوقعة. فكل استطلاع لواجهة المستخدم الرسومية، وكل قراءة من نظام التحكم الإشرافي وجمع البيانات، وكل رسالة من وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة إلى وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة تستهلك وقتًا من وحدة المعالجة المركزية خلال مرحلة الصيانة.

عندما يتعين على وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) التواصل مع العديد من الأجهزة، يمكن أن ينمو حمل الاتصال بشكل أسرع مما يمكن أن تتعامل معه وحدة المعالجة المركزية (CPU)، مما يتسبب في زيادة أوقات المسح تدريجيًا حتى يتم تجاوز عتبة معينة ويتدهور أداء الجهاز.

أفضل الممارسات: فصل عمليات التحكم الحساسة للوقت والاتصالات الشبكية على قطاعات شبكية أو وحدات معالجة مركزية منفصلة. استخدم وحدة معالجة مركزية واحدة للتحكم في الآلة، وأخرى لجمع البيانات وإعداد التقارير.

خاتمة

تُعدّ دورة المسح الضوئي لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) بمثابة القلب النابض لكل نظام تحكم صناعي. إن فهم مراحلها الأربع - قراءة المدخلات، وتنفيذ البرنامج، وكتابة المخرجات، والصيانة - يمنح المبرمجين الأساس اللازم لكتابة برامج فعالة ومعالجة مشكلات الاستجابة.

لا يُعدّ زمن المسح مجرد رقم في المواصفات، بل يُحدد طبيعة عمل جهازك في الوقت الفعلي. في معظم التطبيقات، يكون زمن المسح الذي يتراوح بين 10 و20 مللي ثانية غير ملحوظ للمشغلين. أما في المعدات عالية السرعة، فإن 1 مللي ثانية أو أقل تفصل بين الأداء المقبول والعطل الكارثي.

اعرف متطلبات العملية الخاصة بك. قم بقياس وقت المسح الفعلي أثناء التشغيل - وليس فقط عند بدء التشغيل - وصمم بنية التحكم الخاصة بك للحفاظ على هذا الأداء طوال دورة حياة الآلة.

الأسئلة الشائعة

س: هل تعني وحدة المعالجة المركزية الأسرع دائمًا وقت مسح أسرع؟

ج: ليس دائمًا. يعتمد وقت المسح على مدى تعقيد البرنامج، وحمل الاتصال الشبكي، وتكوين الإدخال/الإخراج. يساعد المعالج الأسرع، لكن التخلص من التعليمات غير الضرورية وتحسين الاتصال يوفران مكاسب أكبر في معظم التطبيقات.

س: ماذا يحدث إذا تغيرت حالة أحد المدخلات أثناء مسح البرنامج؟

ج: لا يكتشف المعالج المركزي ذلك إلا عند بدء المسح التالي. إذا تغير أحد المدخلات في منتصف التنفيذ ثم عاد إلى وضعه السابق قبل مسح المدخلات التالي، فقد لا يكتشف المتحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC) الحدث أبدًا. بالنسبة للأحداث الأسرع من وقت المسح، استخدم معالجة المدخلات المعتمدة على المقاطعات.

س: كيف يؤثر التحرير عبر الإنترنت على وقت المسح الضوئي؟

ج: عند إجراء تغييرات على البرنامج أثناء تشغيل وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) (التعديل المباشر)، قد يتوقف المعالج المركزي (CPU) مؤقتًا عن المسح أو يُنفذ عمليات إضافية لمزامنة الكود الجديد. ويمكن أن تؤدي التغييرات الكبيرة المباشرة إلى زيادة مؤقتة في وقت المسح تتراوح بين ضعفين إلى خمسة أضعاف القيم الطبيعية.

س: هل يجب أن أقلق بشأن وقت المسح للعمليات البطيئة مثل معالجة المياه؟

ج: بالنسبة للعمليات التي تتغير خلال ثوانٍ أو دقائق، فإن أوقات المسح التي تبلغ 100 مللي ثانية غير ذات صلة. ومع ذلك، يجب دائمًا معالجة المدخلات والإنذارات المتعلقة بالسلامة بأقل قدر من التأخير بغض النظر عن سرعة العملية. استخدم المقاطعات لأي مدخل يتطلب استجابة أسرع من المسح العادي.

س: هل يمكن أن يختلف وقت المسح أثناء التشغيل؟

ج: نعم. يتناسب وقت المسح طرديًا مع تعقيد البرنامج وحجم البيانات المنقولة. قد يقوم جهاز في وضع الخمول دون أي نشاط بالمسح بشكل أسرع من نفس الجهاز الذي يعمل بكامل طاقته الإنتاجية مع تفاعل نشط مع واجهة المستخدم الرسومية وتغييرات في الوصفات.

المنتجات ذات الصلة

· [وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة من سيمنز](https://www.tztechio.com/siemens) — S7-1500, S7-1200

· [شركة ألين برادلي بي إل سي](https://www.tztechio.com/allen-bradley) — ControlLogix, كومباكت لوجيكس

· [شركة ميتسوبيشي بي إل سي](https://www.tztechio.com/mitsubishi) — MELSEC iQ-R