בעבר הרחוק מערכות בקרה תעשייתיות כגון מכונות ,מסועים ,מערכי ברזים וכדו' היו מבוססות על רכיבים אלקטרוניים בסיסיים כדוגמת: ממסרים ,מונים ,קוצבי זמן ,מפסקי צעד ,גששי קרבה מתוזמנים ( גששי אצבע אשר היו מופעלים ע"י CAM ) וכדו'.
רכיבים אלה שחלקם אלקטרוניים וחלקם אלקטרומגנטיים היו מקבלים אותות מן הפרמטר הנמדד ,שולחות אותו דרך לוגיקה מסוימת (בעזרת חיווט מתאים) אל תחנה כלשהי ומשם חזרה אל הרכיב הנדרש לביצוע פעולת דרישת האות.
צורת עבודה זו הינה מסורבלת ,קשה מאוד לאיתור תקלות ,נטולת מצבי אבטחה ריאליים ועוד.
כיום מעל לעשור נכנס הבקר המתוכנת והחליף מערכות בקרה שלמות .
הבקר המתוכנת הנקרא בשם :
P.L.C. – PROGRAMMABLE LOGICAL CONTROLER
בא להחליף את הרכיבים אשר תפקדו בעבר כחלק ממערך הלוגיקה הנדרשת ובכך מקטין בצורה משמעותית את ארונות החשמל ועל כן חוסך כסף ,זמן ועבודה מיותרת.
הבקר מקבל מידע מרכיבי המדידה ומעביר אותו לעיבוד דרך תוכנה הצרובה בו וממנו חזרה אל רכיבי הקצה כגון: מנועים ,מנורות ,ברזים וכדו'.
שפות תכנות
התוכנה הפנימית ניתנת לכתיבה בכמה שפות עיקריות כגון:
1.LAD - Ladder Diagram
2.FBD - Function Block Diagram
3.STL – Structure List / IL- Instruction List
4.ST – Structured Text.
ישנן עוד שפות כגון:
1. SFC - Sequential Function Charts.
2.CFC - Continuous Function Chart.
אילו שפות בשימוש תוכנות מבוססות CODESYS כדוגמת EPAS אשר משמשת בבקרי ELAU בעבר וכיום schneider electric
שפות אלה הינן שפות גראפיות המאפשרות חלוקה לתחנות ע"פ פונקציות ולקשר בין כולם כבלוק יחיד. שיטה זו מקנה נוחות בתפעול תקלות והבנת הלוגיקה .
צורת עבודת הבקר
הבקר סורק את התוכנה הכתובה בו ובכך יודע איזה אות לקשר לאיזה רכיב.
הבקר המתוכנת הינו מיקרו מחשב רגיל המבצע תפקידים מסוימים מוגדרים מראש.
למיקרו המחשב שפת תכנות מיוחדת המאפשרת להתחבר למכונה או לתהליך תעשייתי באמצעות ממשקים לכניסה ויציאה הנקראים INPUTOUTPUT INTERFACE.
ממשקים אלו מופעלים בעזרת התכנית השמורה בזיכרון הבקר וזאת תוך התקשרות פנימית ובסיוע כרטיסיי כניסה ויציאה.
לאחר קריאת הכניסות בוחן הבקר את מצבי האותות בשטח ובהתאם לתוכנית הלוגיקה משנה את היציאות שלו אל רכיבי הקצה.
תכנות הבקר כולל שימוש בכלים פנימיים לדוגמא: AND,OR,NOT,TON .
קיימת אפשרות לבצע לולאות,פעולות מתמטיות נרחבות וכן כל העולה על רוחו של המהנדס או איש השטח וזאת ע"פ הנדרש מן המערכת המבוקרת.
תכונות הבקר
לבקר מספר תכונות המייחדות אותו ואשר שונות ממחשב רגיל:
1. יכולת לעבוד בסביבה תעשייתית.
2. יכולת להתחבר ישירות למכונה או רכיב בקרה.
3. יכולת עבודה במבחר מתחים תעשייתיים כגון 24V,12V,220V.
4. שימוש בחומרה אנלוגית התואמת את השטח.
מבנה הבקר המתוכנת
הבקר המוכר לרובנו מחברת SIEMENS מורכב משלושה חלקים עיקריים:
1. ספק כוח.
2. יחידת עיבוד מרכזית CPU + זיכרון.
3. ממשקי כניסה ויציאה.
1. ספק כוח
הספק מספק זרם במתח נמוך לממשק עצמי וכן למשלוח אותות יציאה.
הספק עצמו מעניק הגנה מפני רעשים חשמליים הנובעים מרשת החשמל ועלולים לפגוע בפעולתו התקינה של הבקר.
2. יחידת עיבוד מרכזית CPU + זיכרון
יחידת העיבוד הינה " המוח " של המערכת המבוססת על מיקרו מעבד CPU שתפקידו העיקרי הוא לבדוק את מצבם של אותות הכניסה ואת מצב היציאות אל הרכיבים השונים ולשנותם בהתאם לאותות הכניסה ולתוכנית הקיימת בבקר.
הזיכרון בנוי בעזרת תאים אחד ליד השני ובכל תא יושב מידע שונה.
תצוגת המידע ניתנת לשינוי, אם בצורה בינארית – "0" או "1"
ואם בצורה דצימלית/הקסדצימלית – "0" עד "9" וכן אותיות "A" עד "F".
מידע זה יכול להיות הוראה לביצוע או נתון לשימוש, לכל תא מספר סידורי וזו הכתובת המאפשרת לבקר לגשת אליו בשעת הצורך.
בתא אפשר לאחסן מספר וכן לשלוף אותו. מספר התאים והכתובות מוגבל בהתאם לסוג הבקר.
כיום קיימים מעבדים בעלי מיליוני תאים לזיכרון כאשר כל תא יכול להכיל 8 ,16, 32 או 64 ביטים ( BIT ).
קיימים שלושה סוגי זיכרון:
א. זיכרונות קריאה וכתיבה RAM – READWRITE MEMORY (נשמרים בזיכרון רק
תחת מתח ועל כן לרוב מגובים בבטריות ).
ב. זיכרונות לקריאה בלבד ROM – READ ONLY MEMORY ( צרובים ע"ג כרטיס
זיכרון ).
ג. זיכרונות קריאה וכתיבה מהירים FLASH – READWRITE MEMORY.
3.ממשקי כניסה ויציאה
הממשק הינו מערכת אלקטרונית המורכבת מכרטיסי בקרה המקושרים לבקר הראשי ומתפקידה לתרגם את אותות יחידת העיבוד לאותות המובנים לציוד ההיקפי לדוגמא : רגשים או חיישנים המשדרים אותות כניסה או לחילופין הפעלת רכיבי קצה.
מבנה בקר מנועי סרוו
ישנם בקרים מחברת schneider electric בעבר ELAU אשר בנויים בצורה שונה
הבקר וספק הכוח מורכבים כיחידה אחת המתפקדת כמחשב בעל מערכת הפעלה
Real Time Operating System VxWorks )
מעבד הבקר הינו מעבד פנטיום בעל 1GHz ויותר.
התקשורת אל רכיבי הקצה מתממשת בעיקר דרך PROFIBUS או CANBUS.
הבקר עצמו מדבר עם מפעילי מנועי הסרוו דרך תקשורת SERCOSBUS ( כבל אופטי ).
בקר זה הינו מן המהירים בעולם ביכולת עיבוד הנתונים שלו ובתקשורת שלו מול המנועים.
יכולות אלו חשובות במיוחד במכונות אשר פעולתם מדויקת עד לרמת עשירית המילימטר ואף פחות.
בקריELAU ניתן למצוא במכונות בתעשיית התרופות ,בתעשיית המזון ,בתעשיות המתכת ועוד.
בחירת הבקר המתאים
1.הערכות מקדימה לבחירת בקר
א. כמות היציאות והכניסות הנדרשות – יש לחשב את מספר הכניסות והיציאות ע"פ רכיבי
הקצה לדוגמא: במכונה יש 2 מנועים ,4 גששי טמפרטורה ,מד גובה וברז חשמלי.
ב. מהו סוג הכניסה/יציאה - האם הוא כניסה/יציאה אנלוגית – לדוגמא 4-20ma
או האם הוא כניסה/יציאה דיגיטלית – לדוגמא Vdc24.
ג. מהירות התגובה של הבקר אשר תתאים למהירות המכונה הכללית ואשר יגיב בהתאם
לפידבקים מן הגששים הפזורים במכונה.
ד. גודל זיכרון פנימי המספיק לתוכנה כולה.
ה. אפשרות לשדרוגים עתידיים.
ו. מיקום הבקר - ניתן לבחור בקר עם מסך ואז יש למקם את המסך במקום ראוי להפעלה
ומשם לצאת עם חווטים ,כמובן שיחידה זו מגבילה אותנו בכמות כניסות ויציאות
והתפעול שלה מוגבל.
כמו כן ניתן להפריד בין השניים ובכך אנו ממקמים את המסך בלבד מול המפעיל והבקר ומפעיליו יהיו מפוזרים לפי הצורך במכונה,צורת חיבור זו מאפשרת כמות גדולה יותר של כרטיסים ונוחות תפעול מרבית.
במידה ובוחרים את האפשרות של בקר ומסך הפעלה בנפרד נהנים מיתרונות כגון :
1. תפעול היחידות הבודדות הינו פשוט ומהיר יותר וכן עלות החלפת הרכיבים
במידת הצורך זולה יותר ( ניתן להחליף רכיבים ספציפיים ההיפך ממסך עם
בקר אשר בו יש להחליף את הבקר עם המסך ביחד ).
2. ניתן לפזר את הכרטיסים המחוברים לבקר בעזרת תקשורת מסוימת ,במקומות רצויים
בקרבת הגששים או המפעילים ובכך להקל על תפעול היחידות ואבחון קל יותר בזמן
תקלה.
3. עבודה עם בקר בעל מסך מוגבלת ביציאות וכניסות ומקטינה את היכולת לשדרוגים
עתידיים.
ז.ממשק בקר–מתכנת – יש לתת את הדעת על בחירת השפה לתכנות ויכולות הבקר. לדוגמא בקרי SIEMENS ניתנים לתפעול עם תוכנת Simatic S7 manager ,תוכנה זו מאפשרת כתיבה ב- 4 שפות כתיבה עיקריות כגון: STL ,LAD, FBD,ST .
לעומת זאת בקרים מבוססי Codesys כגון: ELAU ,Modicon(schneider electric) ניתנים לתכנות גם בשפות גראפיות כגון: SFC ,CFC.
דוגמא חלקית למערכת בקרה:
אנו במשרדי חושן ביצענו שדרוג למכונת חיתוך סמלים על פלטות מעץ.
על המכונה להיות בעלת יכולת חיתוך של צורות מסוימות במיקומים ספציפיים על פלטת העץ.
ישנם 3 צירי תנועה שהם 3 מנועי סרוו– מעלה-מטה / ימינה שמאלה / קדימה ואחורה.
ישנם רגשי קצה על כל ציר תנועה למטרות בטיחותיות – אלו הם כניסות דיגיטליות.
מסך הפעלה – בעזרת המסך המפעיל מגדיר את צורת החיתוך ,גודל הפלטה וכמות חיתוכים על הפלטה הנ"ל.
הבקר לוקח את גודל החיתוך ומחלק אותו בשטח הפלטה ,כך ניתן למקסם את ניצול הפלטה ולחסוך בחומר.
עבודת החיתוך יוצאת מדויקת עד לרמת מאית המילימטר ,מהירה מאוד בעקבות תנועה חדה ויציבה של מנועי הסרוו ומבוקרת לאורך כל תהליך החיתוך.
ניתן לראות בכל רגע נתון היכן ממוקמת נקודת החיתוך ,צפי לסיום וכן הלאה.
למכונה זו נבחר בקר C400 ELAU בעל 3 מנועים המופעלים בעזרת Max-4 ELAU .
רכיבי הקצה מתקשרים בעזרת יחידה של Beckhoff המתקשרת בProfibus .
מסך ההפעלה הינו מתוצרת SIEMENS TP 277 .
כמו כן ישנן כניסות דיגיטליות מלחצני עצירת חירום ,מצבי הגנות ( מפסקים ) וכדו'.
ישנן גם יציאות דיגיטליות המפעילות מפוחי שאיבת נסורת ,עמוד תאורה וכדו'.
תכנון מסכי HMI :
פאנל ה-HMI בא כצורך לפשט בצורה המקסימאלית את הפעלת המכונה.
פירוש המילה HMI הוא ממשק אדם מכונה
HUMAN MACHINE INTERFACE
בעבר הרחוק היה נהוג לקרוא לממשק זה MMI – Man Machine Interface אך אין זה פוליטי מספיק בהגדרתו.
ברגע שיש למפעיל מסך תצוגה ויזואלי המציג את מצב המכונה מילולית/גראפית או בלחצנים מוארים זה מאפשר למפעיל בלחיצת כפתור אחת להודיע לבקר איזה תהליך עליו לבצע.
בבואנו להחליט אילו מסכים לתכנן יש לתת את הדעת על כמה מסכים בסיסיים לדוגמא:
א. סוג וגודל המסך – האם על המסך להיות מסך מגע או מסך עם לחצנים או שילוב של השניים.
גודל המסך הנצרך בהתאם לתנאי השטח.
רמת IP על בסיס מיקום המסך.
יכולת ממשק אל הבקר אשר בשימוש. ( תקשורת ,שפה וכדו' )
ב. מסכי הצפייה אמורים לכלול צפייה במצבים מסוימים הקיימים בשטח לדוגמא :גובה
נוזל במיכל ,כמות דבק בפקק וכדו'. וכן הפעלה של תהליכים רצויים לדוגמא :תחילת
שטיפה ,בחירת מסלול הזנה וכדו'.
ג. חלונית תקלות - כאשר יש תקלה במכונה מתוך רשימת התקלות תופיע התקלה על
המסך הנוכחי עד לביטולה האוטומטי ע"י הבקר או עד לאישור איש השטח.
בכדי לתכנן מסך HMI ישנם בשוק מבחר מסכים ומבחר תוכנות לדוגמא:
א. מסך OP/TP 277 – זהו מסך המגיע בגדלים שונים ועם יכולות מגע או לחצנים ,מיוצר
ע"י חברת SIEMENS ומתקשר בצורה מושלמת עם הבקר בעזרת כבל תקשורת.
ב. תוכנת HMI בשם PROTOOL או WINCC– תוכנות אלו הן מבית SIEMENS ומאפשרות ממשק פשוט ונוח עם תוכנת הבקר שגם היא מבית SIEMENS .עצם השימוש בתוכנות מאותו בית יוצר מאפשר למתכנת ליצור ממשק אידיאלי ונוח למפעיל עם רמת דיוק מצוינת.
עם התקדמות הטכנולוגיה לא ניתן למצוא היום מכונה או הפעלה של מערכות מורכבות במקצת ללא מסך הפעלה המחובר לבקר.
שלבי בניית מסכי HMI :
א. הגדרת הבקר וצורת ההתקשרות - יש להגדיר את סוג הבקר ,כתובת MPI ( במידה ומדובר בסימנס ) לדיבור בין
היחידות ומהירות העברת הנתונים.
ב. משתמשים - הגדרה של סוג המשתמשים ורמת יכולות.
ג. תגים - הגדרה של כתובות ללחצנים וכדו' בהתאם לכתובתם בבקר.
ד. התראות - הגדרה של ALARM מקביל לכתובת התקלה בבקר.
ה. מסך - בניית מסכים ע"י סידור הרכיבים בכל מסך ע"פ נושא.
ו. לחצני שירות – רצוי שהמערכת תאפשר להפעיל רכיבים גם במצב ידני למטרות בדיקה
ע"י הגורמים המוסמכים.