فهم مكونات لوحة التحكم الصناعية الأساسية

تحتل لوحة التحكم الصناعية مكانة مركزية في بنية الإنتاج الصناعي. فهي عامل التحكم في المعدات الصناعية، والموقع الموضعي الذي تتحول فيه الإمكانات الكهربائية إلى عمل حركي واتخاذ قرارات عقلانية. قد تبدو لوحة التحكم الكهربائية لغير المطلعين كصندوق بسيط من الأسلاك والأضواء الوامضة. ولكن من حيث الهندسة والأنظمة، فهي بيئة هرمية للغاية تهدف إلى التعامل مع التعقيد والسلامة والكفاءة.

معرفة الأجزاء في هذه العلبة ليست مجرد مسألة حفظ قائمة الأجزاء. فهي تنطوي على تقييم العلاقات الوظيفية المتبادلة لتوزيع الطاقة والحماية والمنطق والتنفيذ. تدرس هذه الورقة هذه العناصر الرئيسية، بما في ذلك وظائف كل منها وكيفية اختيارها.

للمساعدة في الإبحار في هذه البنية المعقدة، يلخص الجدول التالي المكونات الهامة التي تمت مناقشتها ومعايير اختيارها المحورية:

ما هي لوحة التحكم الصناعية؟

لوحة التحكم الصناعية عبارة عن مجموعة من الأجزاء الكهربائية التي تقيس وتنظم العمليات الميكانيكية للمعدات الثقيلة أو العمليات الصناعية في مختلف البيئات الصناعية. وإذا أردنا استخدام تشبيه بيولوجي، فإن لوحة التحكم ستكون بمثابة “الدماغ” و“الجهاز العصبي المركزي” للجسم الصناعي. يتحكم نظام التحكم في تدفق المعلومات والطاقة من خلال النظام تمامًا كما يتلقى الجهاز العصبي المدخلات الحسية ويعالجها ويأمر العضلات بالتحرك. وتكون الوظيفة الأساسية لأي لوحة تحكم خطية وثلاثية المراحل:

1. المدخلات (الاستحواذ): يجمع النظام البيانات من الحقل. يتضمن ذلك أجهزة مثل المستشعرات والمفاتيح وإشارات الإدخال من أزرار الضغط التي ترسل البيانات إلى اللوحة.
2. المنطق (المعالجة): تقوم وحدة التحكم المركزية، وهي عادةً وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC)، بتفسير هذه الإشارات بناءً على خوارزميات مبرمجة مسبقًا. وهي تقرر الإجراء المطلوب.
3. المخرجات (التنفيذ): ترسل وحدة التحكم الأوامر إلى أجهزة التنفيذ - مثل مشغلات المحرك أو المرحلات أو شاشات عرض واجهة التحكم HMI - لتغيير حالة الماكينة.

على الرغم من أن المكونات الداخلية تميل إلى التداخل، إلا أن هيكل اللوحة يتحدد حسب الغرض الرئيسي منها. يعد فهم الأنواع المختلفة للوحات التحكم الصناعية أمرًا بالغ الأهمية لاختيار الحل المناسب للتطبيق الشائع. تتم مقارنة التطبيقات الأكثر شيوعًا في الجدول التالي:

الأسس الهيكلية: العبوات والألواح الخلفية

يجب أخذ البيئة المادية في الاعتبار قبل التعامل مع الإلكترونيات. توفر الضميمة السلامة الهيكلية والحماية البيئية المطلوبة لجعل مكونات لوحة التحكم تعمل. يعد اختيار هذا الغلاف عملية إدارة مخاطر، حيث يحمي الإلكترونيات الحساسة من بعض العوامل البيئية مثل الغبار أو الزيت أو المواد الكيميائية المسببة للتآكل. يصنّف معيار IEC 60529 مستويات الحماية عالميًا من حيث تصنيفات IP (حماية الدخول). IP54 هو معيار الاستخدام الداخلي العام، والذي يمنع حدوث دوائر كهربائية قصيرة بسبب الحطام المحمول جواً أو الرذاذ العرضي. في الظروف الأكثر تطرفًا، يكون معيار IP65 (IP65 (محكم الغبار ونفاثات الماء منخفضة الضغط) أو IP66 (نفاثات الضغط العالي) إلزاميًا.

العبوات المعدنية، المصنوعة غالبًا من الفولاذ المقاوم للصدأ لمقاومة التآكل، هي المعيار الصناعي. بعد وضع الحماية الخارجية، تعتمد البنية الداخلية على اللوحة الخلفية وسكة DIN. تعمل اللوحة الخلفية بمثابة العمود الفقري الصلب الذي يتم تركيب مكونات اللوحة عليه، ويتم استخدام سكة DIN - وهي عبارة عن شريط معدني موحد - للسماح بالتركيب المعياري لقواطع الدارات الكهربائية والمحطات الطرفية وإمدادات الطاقة. هذا التوحيد القياسي ضروري لتحقيق الكفاءة، مما يجعل عملية التجميع تدعم التصميم المعياري. عند تحديد هذه الأبعاد، يجب اعتبار المساحة أحد الأصول التي لها قيمة اختيارية. تأكد دائمًا من وجود مساحة كافية - مع ترك 20-30 بالمائة من المساحة الإضافية على اللوحة الخلفية وقضبان DIN.

توزيع الطاقة: المحولات ومزودات الطاقة

يتم تغذية الطاقة الكهربائية في اللوحة بجهد عالٍ (عادةً 480 فولت أو 230 فولت تيار متردد) ولكن يجب استخدامها بجهد أقل وأكثر أمانًا لتشغيل منطق التحكم. يتم التحكم في هذا التحويل والنشر بواسطة مكونات توزيع الطاقة.

مفتاح الفصل الرئيسي

المفصل الرئيسي هو نقطة دخول الطاقة. وهو مفتاح أمان ميكانيكي يعزل اللوحة عن الشبكة. والغرض الرئيسي منه هو سلامة الأفراد، وهو فصل الطاقة فعلياً قبل إجراء أي صيانة. تحتوي غالبية مفاتيح الفصل على تعشيق ميكانيكي لا يسمح بفتح باب اللوحة عندما تكون الطاقة قيد التشغيل.

كتل توزيع الطاقة

يتم تغذية الطاقة التي اجتازت الفصل في كتل توزيع الطاقة. تعمل هذه العناصر كآلية تقسيم. فهي تستقبل الكابلات الواردة ذات المقياس الكبير وتفصل التيار الرئيسي إلى دوائر فرعية مختلفة أصغر، وتزود وحدات التحكم في المحرك ومزودات الطاقة بشكل مستقل.

المحولات

يُستخدم محول لوحة التحكم الصناعية لتخفيض جهد التيار المتردد العالي (على سبيل المثال، 480 فولت أو 230 فولت تيار متردد) إلى جهد تحكم قياسي (عادةً 120 فولت تيار متردد). على الرغم من أنها أقل شيوعًا في تخطيطات التيار المستمر الحالية ذات الجهد المنخفض، إلا أنها ضرورية في تشغيل ملفات موصل التيار المتردد أو منافذ الراحة على اللوحة.

إمدادات الطاقة الصناعية

تعتمد أنظمة الأتمتة المعاصرة على التيار المباشر (DC). وهذا يتطلب تطبيق مزود الطاقة الصناعية، وهو جهاز يقوم بتصحيح التيار المتردد عالي الجهد إلى خرج جهد منخفض مستقر، وعادةً ما يكون جهد التيار المستمر (24 فولت تيار مستمر). تعمل هذه الوحدة كمصدر طاقة لمنطق التحكم، حيث تزود عناصر حيوية مثل وحدات التحكم المنطقي القابلة للبرمجة القابلة للبرمجة (PLC) وأجهزة الاستشعار الميدانية وواجهات إدارة التحكم العليا. وهنا يكون الاستقرار هنا في غاية الأهمية؛ فأي اختلاف طفيف في مصدر الطاقة يمكن أن ينتقل عبر النظام، مما يؤدي إلى إجراءات غير متوقعة لوحدات التحكم المنطقي أو قراءات المستشعرات.

إن اختيار مصدر الطاقة ليس مجرد مسألة مطابقة متطلبات الجهد، ولكنه ينطوي على ديناميكيات الحمل وحساب إدارة الطاقة:

1. ارتفاع الطاقة: يجب ألا يقوم المهندس بتصميم مصدر طاقة ليعمل بنسبة 100% من طاقته المقدرة. فالعمل بكامل طاقته يولد الكثير من الحرارة ويقلل من عمر المكونات. إن مساحة رأس 20-30% هي الهامش الآمن الذي يضمن طول العمر الافتراضي.
2. منحنيات الاشتقاق: تتناسب كفاءة مصدر الطاقة تناسباً سلبياً مع درجة الحرارة. فالوحدة التي تحمل علامة 10 أمبير عند 20 درجة مئوية يمكن أن تنتج 7 أمبير فقط عند 60 درجة مئوية. من الضروري الرجوع إلى منحنى الاستنقاص الخاص بالشركة المصنعة للتأكد من أن الوحدة قادرة على دعم الحمل في المناطق الداخلية الساخنة من الضميمة.
3. المدخلات نطاق الجهد: شبكات الطاقة الصناعية عرضة للتغيرات. يجب أن يكون مزود الطاقة القوي قادرًا على تحمل نطاق دخل كبير (على سبيل المثال، 85 فولت تيار متردد إلى 264 فولت تيار متردد) للحفاظ على ثبات الخرج أثناء فترات انخفاض أو ارتفاع الطاقة في طاقة المنشأة.

أجهزة حماية الدوائر الكهربائية

هناك دائماً احتمال حدوث عطل كارثي في أي نظام كهربائي. فقد تتلف المعدات بسبب قصر الدارات الكهربائية والأحمال الزائدة، وتؤدي إلى نشوب حريق. وتعتمد بوليصة تأمين لوحة التحكم على مكونات الدائرة الكهربائية والأجهزة الكهربائية التي تعمل كجهاز أمان حاسم.

قواطع الدوائر الكهربائية (MCB و MCCB)

تعمل قواطع الدائرة الكهربائية كمفاتيح قابلة لإعادة الضبط تعمل على قطع تدفق التيار تلقائيًا عند اكتشاف عطل.

• MCB (قواطع دوائر كهربائية مصغرة): تُستخدم هذه عادةً للدوائر الفرعية ذات التيار المنخفض، مثل حماية الدوائر الكهربائية لمصدر طاقة أو سلسلة تحكم معينة.
• قواطع دوائر MCCB (قواطع دوائر MCCB مصبوبة): هذه هي أجهزة أكثر ثباتًا تُستخدم في التوزيع الرئيسي للتيار الأكبر، ويمكنها قطع طاقة الأعطال الكبيرة الناتجة عن الأعطال الكهربائية.

الصمامات

تختلف الصمامات عن القواطع في أنها مكونات قابلة للتضحية. وفي حين أنه يجب استبدالها بعد حدوث عطل، مثل حدوث دائرة كهربائية مفتوحة، إلا أنها غالبًا ما توفر أوقات رد فعل أسرع من القواطع. هذه الخاصية تجعلها مثالية لحماية الإلكترونيات الحساسة للغاية، مثل محركات التردد المتغير (VFDs)، والتي يمكن أن تتلف بسبب ارتفاعات الطاقة بشكل أسرع من القواطع الميكانيكية.

أجهزة الحماية من زيادة التيار (SPDs)

على الرغم من أن القواطع تُستخدم لإدارة التيار، إلا أن الحقيقة الشائعة جدًا التي لا تؤخذ في الاعتبار هي الحماية من الفولتية العابرة. والدرع الواقي ضد هذه الارتفاعات غير المرئية هو أجهزة الحماية من زيادة التيار (SPDs). كان من الممكن أن يكون الارتفاع المفاجئ في الجهد الكهربائي غير مهم في أيام المرحلات الكهروميكانيكية القديمة. تُستخدم المعالجات الدقيقة (PLCs، HMIs) الآن في لوحات التحكم التي تعمل على مستويات منطقية حساسة (24 فولت تيار مستمر). حتى أن ضربة البرق على الشبكة، أو الارتداد الاستقرائي لمحرك كبير يبدأ في مكان قريب، يمكن أن يتسبب في حدوث عابر يمكن أن يحرق هذه الدوائر المنطقية في لحظة. يعد SPD استثمارًا إلزاميًا في بيئة التصنيع الحديثة حيث تكون سلامة البيانات هي العامل الرئيسي لتجنب تدمير الأجهزة من اندفاعات الطاقة.

أنظمة التحكم المنطقي: أنظمة التحكم المنطقي القابلة للبرمجة والمرحلات

وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs)

PLC هو المعالج المنطقي السائد في الأتمتة الصناعية. إنه كمبيوتر مقوى يمكنه تنفيذ مجموعات التعليمات المعقدة والتوقيت والعد وبروتوكولات الاتصالات. تم تصميم PLC، على عكس الكمبيوتر الشخصي النموذجي، لمقاومة الاهتزازات والضوضاء ودرجات الحرارة القصوى، ويعمل في الوقت الفعلي لإدارة ظروف الماكينة.

واجهات الآلة البشرية (HMIs)

PLC هو العقل الخفي بينما HMI (واجهة الآلة البشرية) هي واجهة الآلة. وهي تستبدل الأضواء الإرشادية المادية القديمة وصفوف الأزرار الضاغطة بشاشة رقمية ديناميكية تعمل باللمس. وهذا يتيح للمشغلين رؤية سلامة النظام ومراقبة معلومات الإنتاج ومعالجة المعلمات في الوقت الفعلي. وهي بمثابة حلقة الاتصال الهامة بين المشغل البشري والمنطق الآلي، وغالبًا ما تتكامل مع أنظمة SCADA.

المرحلات (للأغراض العامة)

إن دور المرحلات أساسي أكثر من ذلك بكثير، ولكنه لا يقل أهمية: عزل الإشارة والتداخل. ومن الأمثلة على ذلك أن المجلس التشريعي المنطقي القابل للبرمجة يمكن أن يولد إشارة منخفضة الطاقة بجهد 24 فولت تيار مستمر، ومع ذلك فإن الجهاز المطلوب تشغيله هو مروحة تيار متردد بجهد 120 فولت. يملأ المرحل هذه الفجوة، حيث يتم استخدام إشارة الجهد المنخفض لتبديل دائرة الجهد العالي دون تعريض PLC للطاقة المتزايدة، ومن خيارات التصميم النموذجية نوع المرحل الذي يجب استخدامه لتبديل دائرة الجهد العالي.

• المرحلات الكهروميكانيكية (EMRs): وهي تستخدم ملفاً مغناطيسياً فيزيائياً لإغلاق التلامس المعدني. وهي فعالة من حيث التكلفة وقوية للاستخدام العام.
• مرحلات الحالة الصلبة (SSRs): وهي تستخدم أشباه موصلات لتبديل الحمل. لا تحتوي على أجزاء متحركة.

سيعتمد القرار على دورة عمل التطبيق. على افتراض أن السخان يجب أن يتم تشغيله وإيقاف تشغيله كل 5 ثوانٍ للحفاظ على درجة الحرارة عند المستوى الصحيح، فإن المرحل الكهروميكانيكي سيفشل ميكانيكيًا في غضون أسابيع قليلة بسبب تآكل التلامس. مع عدم وجود أجزاء متحركة، فإن مرحل SSR قادر على التبديل إلى أجل غير مسمى بترددات عالية. وبالتالي، في التطبيقات عالية السرعة أو عالية الدورة، فإن حل الحالة الصلبة هو الحل الوحيد الفعال من حيث التكلفة.

أجهزة التحكم في المحركات: الملامسات ومحركات الترددات المترددة، والمولدات الناعمة

s تتم معالجة المعلومات بواسطة الأنظمة المنطقية، ويتم العمل المادي بواسطة وحدات التحكم في المحركات ومحركات المحركات. فهي تتعامل مع الأحمال الكهربائية الكبيرة اللازمة لتشغيل المحركات الكهربائية.

المقاولون

الموصلات هي ببساطة مرحلات شديدة التحمل تستخدم لاستيعاب تيارات التدفق العالية للمحركات. وهي توفر سهولة التشغيل عبر الخط - فمشغل المحرك إما في وضع التشغيل أو الإيقاف. إنها الأرخص عندما يتعلق الأمر بالمحركات ذات السرعة الثابتة التي لا تحتاج إلى التشغيل بشكل متكرر.

التردد المتغير محركات الأقراص (VFDs)

تُستخدم محركات التردد المتغير (VFDs) لتنظيم سرعة المحرك وعزم دوران المحرك عن طريق تغيير تردد الطاقة المزودة. كما أنها ضرورية في العمليات التي تحتاج إلى دقة عالية مثل الحزام الناقل الذي يحتاج إلى إبطاء السرعة عند وزن المنتج. وعلاوة على ذلك، تتميز أجهزة VFDs بكفاءة عالية في استخدام الطاقة لأنها تستطيع تشغيل المحركات بسرعات أبطأ عندما لا تحتاج إلى العمل بكامل طاقتها.

البادئات اللينة

تم إنشاء البادئات الناعمة لمعالجة مشكلة معينة: الصدمة الميكانيكية. فهي تخفض التيار والجهد الكهربائي مؤقتاً عند بدء التشغيل لإبطاء المحرك. وهذا يساعد على تجنب الاهتزاز المفاجئ الذي قد يؤدي إلى كسر الأحزمة أو تجريد التروس، مما يطيل العمر الميكانيكي للمعدات. عادةً ما يؤدي تعدد استخدامات محركات VFDs عادةً إلى لجوء المهندسين إليها بشكل افتراضي، ومع ذلك عادةً ما يكون هذا استخدامًا غير فعال لرأس المال. يكون المبدئ الناعم أفضل عندما يحتاج التطبيق مثل مضخة المياه أو المروحة إلى التشغيل بسرعة ثابتة. فهو أرخص، وأصغر حجمًا ماديًا، وينتج تناغمات كهربائية أقل مقارنةً بمُبدِّل التيار المتردد المتردد. اختر المكون المناسب لمدى تعقيد المهمة.

واجهة التوصيل والأسلاك لأجهزة الاستشعار الميدانية

تتحدد فائدة لوحة التحكم من خلال قدرتها على الاتصال بمصادر مختلفة من العالم الخارجي. والطبقة المادية لهذا التكامل هي واجهة الاتصال التي تربط مختلف المكونات.

الكتل الطرفية

الكتل الطرفية هي نقاط التوصيل المنظمة بين الأسلاك الميدانية وأسلاك اللوحة الداخلية. تتميز الكتل بجودة عالية، مثل أطراف التوصيل ذات القفص الزنبركي، مما يضمن عدم فقدان التوصيلات أثناء اهتزاز الماكينات الصناعية، وعدم فقدان الإشارة من حين لآخر.

أنابيب الأسلاك

القنوات البلاستيكية المشقوقة التي تحمل الأسلاك الكهربائية عبر اللوحة تسمى قنوات الأسلاك. فهي تتعامل مع فوضى الكابلات، وتحافظ على تدفق الهواء للتبريد، وتحافظ على ترتيب اللوحة. يتطلب تتبع الدوائر الكهربائية تخطيطًا منظمًا للأسلاك للمساعدة في استكشاف الأخطاء وإصلاحها.

أنظمة وضع العلامات

تعتبر أنظمة وضع العلامات (الملصقات على الأسلاك والمحطات الطرفية) مهمة للصيانة. تتحقق قيمة هذه العناصر في مرحلة الصيانة. لا يتم تنظيم اللوحة وتمييزها بشكل جيد، مما يزيد من متوسط وقت الإصلاح (MTTR) بشكل كبير. سيضمن التحديد الواضح أن المنطق المعقد للوحة التحكم المنطقية المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) يتم ترحيله بشكل صحيح إلى أجهزة الاستشعار والمشغلات الميدانية دون خطأ.

الاختيار الاستراتيجي للمكونات لتحقيق الموثوقية والكفاءة

تصميم لوحة التحكم هو مشكلة تحسينية. والهدف من ذلك هو تحقيق أقصى قدر من سلامة المعدات وموثوقية النظام وعمره الافتراضي وتقليل التكلفة الإجمالية للملكية. وهذه التكلفة ليست فقط فاتورة المواد (BOM) ولكن أيضًا تكاليف الشراء، والوقت المستغرق في تجميع لوحة التحكم، وإجراءات الصيانة في المستقبل.

يمكن أن تصبح سلسلة التوريد غير فعّالة بسهولة عندما يقوم المهندسون بالحصول على المكونات في قائمة مفككة من الموردين - أجهزة الاستشعار مع أحدهم، وإمدادات الطاقة مع آخر، والمرحلات مع آخر. وهذا يزيد من الاحتكاك الإداري وخطر حدوث مشاكل في التوافق.

يتضمن النهج العقلاني لاختيار المكونات دمج عملية الشراء مع شركة تصنيع شاملة. أومتش يجسد هذا النموذج المتكامل. وباعتبارها شركة متخصصة في تصنيع أدوات التحكم في الأتمتة الصناعية، توفر شركة OMCH مصدرًا موحدًا للنظام البيئي الحيوي للوحة - بدءًا من إمدادات الطاقة الصناعية و مرحلات الحالة الصلبة إلى المقاولون والميدان المستشعرات.

من خلال التوريد من شركة مصنعة تتمتع بخبرة تزيد عن 37 عامًا من الخبرة والالتزام بـ شهادات CE، و RoHS، و CCC, ، يمكن للمهندسين ضمان الاتساق في الجودة عبر سلسلة التحكم بأكملها. يعمل هذا التكامل الرأسي على تبسيط إدارة سلسلة التوريد ويضمن أن المكونات مصممة لتعمل بشكل متماسك. قم بزيارة الكتالوج الخاص بنا لعرض حلولنا الشاملة للطاقة والحماية والتحكم.