خزانات التحكم في المعدات الصغيرة مقابل خزانات التحكم الكبيرة المتصلة هل يمكن تطبيق نفس فلسفة التصميم على كليهما؟

"إنها مجرد خزانة مزودة بموصلات ومرحلات وPLCs - ما مدى اختلافها حقًا؟"

وهذا مفهوم خاطئ شائع بين المهندسين حديثي التخرج. على الرغم من أن كلاهما عبارة عن خزانات تحكم ذات جهد منخفض، إلا أن الصندوق المثبت على الحائط والذي يتحكم في مضخة مياه بقدرة 2.2 كيلووات يعمل وفقًا لمنطق تصميم مختلف تمامًا عن نظام مرتبط بأربع خزانات يدير خط إنتاج بطول 200 متر. ولا يكمن التفاوت في المكونات نفسها، بل في التفكير المعماري.

تشرح هذه المقالة اختلافات التصميم بين هذين النوعين من خزائن التحكم عبر ستة أبعاد: التحول من الأنظمة المستقلة ذات الخزانة الواحدة إلى الأنظمة المرتبطة متعددة الخزانات، والانتقال من التصميم "الملائم للغرض" إلى هندسة موثوقة وقابلة للتوسيع.

تعتمد خزانات التحكم الصغيرة عادةً تكوين خزانة واحدة لجهاز واحد. يتم وضع جميع المكونات داخل حاوية واحدة مثبتة على الحائط. يلبي الإدخال/الإخراج الأصلي لـ PLC نفسه جميع المتطلبات، ويدمج وظائف إمداد الطاقة والتحكم والحماية.

خذ صندوق التحكم في المروحة كمثال: فهو يحتوي على Schneider M221 (TM221CE16R)، بالإضافة إلى قواطع الدائرة الكهربائية والموصلات والمرحلات الحرارية الزائدة. بمجرد توصيل الأسلاك، تكون الوحدة جاهزة للتسليم.

تتبع خزائن التحكم الكبيرة المرتبطة فلسفة التصميم المخصصة. عادة ما يتم تقسيم خط الإنتاج إلى عدة خزانات مخصصة:

• خزانة الطاقة والتوزيع الواردة: تتعامل مع الوصول إلى الطاقة الرئيسية وتوزيع الطاقة المتدرج، وهي مزودة بقواطع دوائر مقولبة من سلسلة Schneider ComPact NSX.
• خزانة التحكم الرئيسية: تستوعب PLC الأساسي (على سبيل المثال Siemens S7-1500 CPU 1516-3 PN/DP) وHMI.
• خزانة الإدخال/الإخراج عن بعد: تستخدم وحدات الإدخال/الإخراج الموزعة ET200SP لنشر أطراف الإشارة بالقرب من المعدات الميدانية.
• VFD / خزانة التشغيل الناعمة: تركز على محركات الأقراص عالية الطاقة.

الميزة الرئيسية لتقسيم المناطق: فشل خزانة واحدة لن يؤدي إلى إغلاق النظام بأكمله، ويمكن إجراء الصيانة عن طريق عزل الطاقة إلى مناطق فردية.

يُعد تخطيط الإدخال/الإخراج لخزائن التحكم الصغيرة أمرًا بسيطًا ومباشرًا. يقوم المهندسون بإحصاء عدد المحركات وأجهزة الاستشعار والأزرار الانضغاطية، ثم يقومون بتعيين النقاط من نقطة إلى نقطة. يصل إجمالي المدخلات والمخرجات الرقمية عادةً إلى ثلاثين إلى أربعين نقطة، والتي يمكن تغطيتها بواسطة وحدات الإدخال/الإخراج الموجودة على متن PLC؛ يكفي عدد صغير من وحدات التوسعة الإضافية إذا كانت هناك حاجة إلى المزيد من النقاط.

يجب أن يعطي تصميم الخزانات الكبيرة المرتبطة الأولوية لإرتفاع التوسعة. عادةً، يتم حجز ما بين 20% إلى 30% من نقاط الإدخال/الإخراج الاحتياطية ومساحة سكة DIN داخل كل خزانة. وهذا ليس إسرافًا، ولكنه درس مستفاد من الممارسة: تتم إضافة أجهزة استشعار إضافية بشكل متكرر أثناء التشغيل، وقد يتم تحديث وظائف جديدة في التشغيل اللاحق. وبدون القدرة الاحتياطية، سيواجه المهندسون عملاً إضافيًا بما في ذلك حفر الخزانة وتركيب الوحدة وتعديل البرنامج.

التكوين الموصى به: Siemens ET200SP (IM 155-6 PN ST) لمحطات الإدخال/الإخراج البعيدة المقترنة بوحدات التوسعة Schneider Modicon TM3. كلاهما يدعم التبديل السريع على قضبان DIN، مما يتيح توسيع السعة دون إيقاف تشغيل النظام.

تعتمد الخزانات الصغيرة عمومًا قاطع دائرة رئيسيًا واحدًا للطاقة الواردة، مع صمامات أو قواطع دوائر مصغرة (MCBs) للدوائر الفرعية الداخلية.

على سبيل المثال، تستخدم خزانة التحكم في مضخة المياه المدمجة Schneider iC65N 2P C32A كمفتاح وارد، ويتم حماية كل دائرة محرك بواسطة قاطع دائرة المحرك GV2-ME المقترن بموصل LC1D. التصميم بسيط وواضح.

تتطلب الخزانات المرتبطة الكبيرة توزيعًا متدرجًا للطاقة:

• المستوى 1: المفتاح الوارد الرئيسي، وهو عادة عبارة عن قاطع دائرة مقولب قابل للسحب (مثل ABB Emax 2 أو قاطع الدائرة الهوائية Schneider MTZ) مزود بوحدة رحلة اتصال للتبديل عن بعد.
• المستوى 2: تقوم قضبان التوصيل الرئيسية بتوزيع الطاقة على كل خزانة وظيفية، مع وجود قاطع دائرة مستقل عند الطرف الوارد لكل خزانة فرعية.
• المستوى 3: الحماية المستقلة لكل دائرة داخل الخزانات الفردية؛ الأحمال الحرجة تعتمد مصدر طاقة مزدوج.

الغرض من الحماية المتدرجة: يجب ألا يؤدي تعثر خطأ في دائرة محرك واحدة إلى إيقاف تشغيل خط الإنتاج بالكامل.

تعتمد معظم المعدات الصغيرة على الأسلاك الصلبة من نقطة إلى نقطة، أو رابط Modbus RTU واحد متصل بواجهة HMI. قد تحتوي الخزانة على منفذ Ethernet واحد فقط لتشغيل شاشة اللمس المحلية.

تتطلب الخزانات الكبيرة المرتبطة عمودًا فقريًا قويًا للاتصالات:

• طبقة تحكم المضيف: تعمل شبكة Ethernet الصناعية (Profinet / EtherNet/IP) على توصيل PLC مع SCADA وHMI.
• الطبقة الميدانية: تتواصل محطات الإدخال/الإخراج عن بعد ومحركات التردد المتغيرة عبر Profinet أو EtherCAT.
• واجهة النظام الفرعي: تتصل أجهزة الطرف الثالث (العدادات الذكية ووحدات مراقبة الطاقة) من خلال بوابات Modbus TCP/RTU.

بالنسبة للاتصالات بين الخزانات، يوصى باستخدام المحولات المدارة Siemens SCALANCE XB208 لإنشاء شبكات حلقية زائدة عن الحاجة. يبقى اتصال النظام دون انقطاع في حالة فشل أي جزء من الألياف.

تولد الخزانات الصغيرة حرارة محدودة وتعتمد عادةً على تهوية الخزانة الطبيعية. مع وجود عدد قليل من المكونات بالداخل، تكفي قناتان لربط الكابلات (واحدة لكابلات الطاقة وواحدة لكابلات الإشارة).

لا يمكن التغاضي عن توليد الحرارة في الخزانات الكبيرة المرتبطة. عندما تعمل عدة VFDs في وقت واحد، يمكن أن تتجاوز درجة حرارة الخزانة الداخلية بسهولة 45 درجة مئوية. الإدارة الحرارية المنهجية إلزامية:

• قم بتركيب مراوح تبريد أو مكيفات هواء لخزائن VFD.
• فصل مكونات توليد الحرارة عن الشركات المحدودة العامة؛ ضع PLCs على جانب سحب الهواء.
• اعتماد مدخل الهواء السفلي + عادم الهواء العلوي لتشكيل الحمل الحراري الفعال.

يجب ترقية معايير الكابلات من "وظيفية بما فيه الكفاية" إلى الإدارة الهرمية:

• قم بتوجيه كابلات الطاقة ذات الجهد العالي (380 فولت / 220 فولت) في الكابلات الموجودة على الجانب الأيسر من الخزانة.
• قم بتوجيه الأسلاك ذات الجهد المنخفض (إشارات التحكم 24 فولت، وكابلات الاتصال) في قنوات منفصلة على الجانب الأيمن.
• استخدم الكابلات المحمية لأسلاك إخراج VFD، وحافظ على خلوص لا يقل عن 200 مم بين كابلات الطاقة وكابلات الإشارة.

يوصى باستخدام العبوات المثبتة على الأرض: سلسلة Schneider Spacial SF (IP55) أو سلسلة Rittal TS 8 (IP55). تسهل إطاراتها المعيارية تركيب الخزانات المتعددة جنبًا إلى جنب.

بالنسبة لخزانات التحكم الصغيرة، فإن قواطع الدائرة الكهربائية ومرحلات الحمل الزائد الحراري وزر التوقف في حالات الطوارئ تلبي معظم متطلبات التطبيق.

يعد تصميم السلامة للخزائن الكبيرة المرتبطة مهمة هندسية منهجية:

• قم بنشر أجهزة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة الآمنة (مثل Siemens CPU 1516F-3 PN/DP) لمعالجة إشارات التوقف في حالات الطوارئ، وأقفال أبواب الأمان، ومدخلات ستارة الإضاءة.
• تستخدم دوائر السلامة أسلاكًا حمراء مخصصة ويجب ألا تتشارك في التوصيل مع كابلات الإشارة الأخرى.
• قم بتطبيق تكرار موصل مزدوج (موصلين Schneider LC1D متصلين بسلسلة) لضمان فصل الدائرة الرئيسية حتى في حالة فشل أحد الموصلات.
• إشارات التعشيق الحرجة من خلال الأسلاك الصلبة بدلاً من الاعتماد فقط على روابط الاتصال. تؤكد الخبرة الميدانية أن انقطاع كابلات الاتصال قد يفشل في إطلاق الإنذارات.

1. الهندسة المعمارية: خزانات صغيرة - تصميم مستقل بعلبة واحدة؛ خزانات كبيرة مرتبطة - تقسيم متعدد الخزانات وفصل وظيفي.
2. تخطيط الإدخال/الإخراج: خزانات صغيرة الحجم تتناسب مع الطلب الدقيق؛ الخزانات الكبيرة المتصلة - احتفظ بسعة احتياطية بنسبة 30% ودعم التبديل السريع.
3. توزيع الطاقة: خزانات صغيرة - دائرة واردة واحدة محمية بواسطة MCBs؛ خزانات كبيرة مرتبطة – حماية ثلاثية الطبقات مع مفاتيح رئيسية قابلة للسحب.
4. الاتصالات: خزانات صغيرة - Modbus RTU أو اتصال Ethernet واحد؛ خزانات كبيرة مرتبطة – شبكات حلقية زائدة عن الحاجة بالإضافة إلى بوابات متعددة البروتوكولات.
5. الحرارية والكابلات: خزانات صغيرة - تبريد طبيعي، وقنوات مزدوجة بسيطة؛ خزانات كبيرة متصلة - تحكم نشط في درجة الحرارة، وأسلاك منفصلة للجهد العالي/المنخفض.
6. الأمان: خزانات صغيرة - توقف إلكتروني + حماية من الحمل الزائد الحراري؛ خزانات كبيرة متصلة – نظام PLC آمن + تكرار ثنائي القناة.

1. Schneider TM221CE16R – PLC صغير الحجم لخزائن المعدات الصغيرة المستقلة
2. Schneider TM241CE40R – PLC متوسط ​​المدى للآلات متوسطة الحجم وخطوط التغليف والنقل
3. Siemens CPU 1516-3 PN/DP - PLC متطور لخزائن التحكم الرئيسية للأنظمة المرتبطة الكبيرة
4. Siemens CPU 1516F-3 PN/DP - PLC للسلامة للأنظمة الكبيرة التي تتطلب الامتثال للسلامة الوظيفية
5. Siemens ET200SP IM 155-6 PN ST – وحدة واجهة الإدخال/الإخراج الموزعة لمحطات الإدخال/الإخراج البعيدة
6. Schneider ComPact NSX100F - قاطع دائرة مقولب للطاقة الواردة وحماية متدرجة في الخزانات الكبيرة
7. Schneider iC65N 2P C32A - قاطع دائرة مصغر لحماية الوارد الرئيسي أو الفرع في الخزانات الصغيرة
8. Schneider GV2-ME14 - قاطع دائرة المحرك، ينطبق على دوائر المحركات الصغيرة والكبيرة
9. Siemens SCALANCE XB208 - مفتاح صناعي مُدار لحلقات الاتصال الزائدة بين الخزانات
10. Schneider HMISTU855 - واجهة HMI تعمل باللمس للوحات التشغيل المحلية على الخزانات الصغيرة والمتوسطة