מהי דיאגרמת סולם בבקר?

דיאגרמת סולם היא דרך מהירה ופשוטה ליצור ביטויים לוגיים עבור בקרים לוגיים, במטרה להפוך משימות מכונה רפטטיביות ורצפים לאוטומטיים. משתמשים בה ביישומי אוטומציה תעשייתיים רבים, ביניהם:

• מערכת מסועים לטיפול בחומרים
• אריזת משטחים וקשירה ברצועות
• מערכות סיכה Ball Mill
•  שינוע ומיון חבילות לוגיסטיות
• הכנת מלט
•  ביקבוק ותיוג משקאות
•  שליטה על תכולת מיכל דלק
• שליטה על זרימת אוויר ונוזל
•  שליטת לחץ

בעבר, אוטומציית מכונות ותהליכים נעשתה בעזרת מערכת בקרה מקובעת הידועה כ-Relay Logic. עם התקדמות המיקרו-מעבדים והמצאת ה-PLC, ה-Relay Logic הוחלפה במהרה על ידי שפות תכנות דוגמת דיאגרמת הסולם.

מדוע דיאגרמת הסולם כה פופולרית?

דיאגרמת הסולם היא שיטת תכנות הבקרים הפופולרית ביותר מכיוון שיש לה ממשק גרפי פשוט לשימוש ומכיוון ששפת התכנות דומה לשרטוט סכמתי חשמלי. מהנדסים, חשמלאים וסטודנטים מוצאים את המעבר ממעגל חשמלי לדיאגרמת סולם כקל יחסית.

כשמתכנתים דיאגרמת סולם בבקר, האופי הגרפי, עם ה-"Drag & Drop", מסייע ליצור קוד במהירות ובקלות. דיאגרמת סולם גם מסייעת למצוא בקלות שגיאות בקוד, מכיוון שניתן לראות ויזואלית את הזרימה מ-LHS start rail דרך סמלים לוגיים עד ל-RHS end rail.

בהשוואה לשפות תכנות מבוססות טקסט, תכנות דיאגרמת סולם קלה הרבה יותר לשימוש.

למידת בסיס דיאגרמת הסולם

קל יחסית ללמוד את מושגי הייסוד של דיאגרמת הסולם, אפילו לנטולי ניסיון עם מעגלים חשמליים. למעשה, דיאגרמת סולם היא שפת תכנות הבקרים הקלה והמהירה ביותר ללמידה. כדי לסייע בלמידת הבסיס שלה נכסה את הנושאים הבאים:

• הצגת דיאגרמת הסולם
• בחינת שבעת חלקיה הבסיסיים
• זיהוי המושגים הבינאריים והלוגיים המשומשים בה
•  גילוי הפונקציות החבויות, הבנויות אוטומטית אל תוך מבנה דיאגרמת הסולם
• גילוי חמש הפונקציות הבסיסיות שחובה להכיר

מהי דיאגרמת סולם בבקר?

דיאגרמת סולם היא הייצוג הסמלי של הבקרה הלוגית המיושמת עבור תכנות הבקר. לדיאגרמות סולם יש קווים אופקיים של בקרה לוגית (שלבים – rungs) וקווים אנכיים (מסילות – rails) בהתחלה ובסוף של כל rung. השילוב נראה כמו סולם, ומכאן השם "דיאגרמת סולם".

ישנם שני הבדלים מרכזיים בין סכימה חשמלית לדיאגרמת סולם:

1. הבקרה הלוגית בסכימה חשמלית מיוצגת על ידי רכיבים, בעוד שבדיאגרמת סולם הייצוג הוא בסמלים.

2. ההוצאה לפועל של הבקרה הלוגית בסכימה חשמלית מבוססת על פעולתו של מעגל חשמלי בעוד שבדיאגרמת סולם היא נסמכת על טבעה המתודי של סריקת הבקר הלוגי.

מדוע משתמשים בדיאגרמת סולם לתכנות בקר?

דיאגרמות סולם משומשת לניסוח ביטויי בקרה לוגית בצורה גרפית. הן משתמשות בסמלים כדי לייצג ביטויי תנאי, קלט ופלט. דיאגרמות סולם דומות למעגלי בקרת ממסר ומשומשות בשל קלות התכנות שלהן – בהשוואה לשפות תכנות מבוססות טקסט.

מעצבי מערכות שליטה קודמות היו רגילים למעגלי בקרה לוגיים ממסריים. דיאגרמת הסולם מְחַקָּה את אלו. המעצבים מעדיפים להשתמש בדיאגרמות סולם לתכנות בקרים במקום להשתמש בשפות תכנות מבוססות טקסט דוגמת שפת C, שפת Basic, שפת Pascal ושפת Fortran.צוות תחזוקת המפעל כבר מבין כיצד לקרוא מעגלי בקרת ממסר. הוא יכול להשתמש בידע שלו בנושא כדי לסייע בפתרון בעיות במערכות בקרה המיישמות תכנות בקרים לוגיים עם דיאגרמות סולם.

דיאגרמת סולם (Ladder Diagram – LD) היא השם הרשמי שניתן בתקן תכנות ה-PLC הבינלאומי IEC-61131. בימינו משומשים מושגים שונים כדי לתאר מעגלים לוגיים ממסריים ותכנות דיאגרמות סולם, ביניהם: ladder logic diagram, ladder drawing, ladder control, ladder circuit, control logic diagram, logic diagram.

כך שאין להיתפס להגדרה ספציפית של כל אחד מהביטויים הללו, מכיוון שמשמעותם זהה, פחות או יותר. כותב מאמר זה נוהג להשתמש במושג Ladder Logic לתכנות PLC ובמושג Relay Logic עבור מעגלים לוגיים ממסריים.

את הגוף האחראי על תחזוק תקן IEC-61131 ניתן למצוא כאן.

כיצד לשרטט דיאגרמת סולם?

דיאגרמות סולם מצוירות באופן דומה למעגלים לוגיים ממסריים. הן משתמשות במסילות (rails) ושלבים (rungs) כדי ליצור את מסגרת העבודה הלוגית. הפעולות הלוגיות מצוירות באמצעות סימנים סמליים. המסילות במעגל הלוגי ממסרי מייצגות את כבלי האספקה של מעגל הבקר הלוגי. עם זאת, בדיאגרמת סולם המסילות מייצגות את ההתחלה ואת הסוף של כל קו כל קוד סמלי.

השלבים במעגל לוגי ממסרי מייצגים את הכבלים המחברים את הרכיבים. עם זאת, בדיאגרמת סולם הם מייצגים את הזרימה הלוגית דרך הקוד הסמלי.

כשמיישמים תוכנית דיאגרמת סולם בבקר לוגי ישנם שבעה חלקים בסיסיים שחשוב להכיר: מסילות, שלבים, קלט, פלט, ביטויים לוגיים, ציון כתובת/תגיות שם ותגובות. חלק מאלמנטים אלו הם חיוניים והשאר אופציונאליים.

כדי לסייע לשרטוט דיאגרמת סולם, להלן פירוט של שבעת האלמנטים:

1. מסילות – ישנן שתי מסילות בדיאגרמת סולם, המצוירות כקווים אנכיים היורדים לאורך קצוות הדף. במעגל לוגי ממסרי הן היו מייצגות את החיבור הפעיל וחיבור ה-0 וולט של ספק הכוח, בו זרימת החשמל נעה מצד שמאל לימין.

2. שלבים – השלבים מצוירים כקווים אופקיים ומחברים את המסילות לביטויים הלוגיים. במעגל לוגי ממסרי הם היו מייצגים את הכבלים המחברים את ספק הכוח לרכיבי המיתוג והממסר. כל שלב ממוספר בסדר רציף עולה.

3. קלט – הקלטים הם פעולות שליטה חיצוניות דוגמת לחיצה על כפתור או הפעלת מתג מגבלה. הקלטים למעשה מחווטים למסופי הבקרים ומיוצגים בדיאגרמת הסולם על ידי סמל מגע פתוח (NO) או סגור (NC).

4. פלט – הפלטים הם התקנים חיצוניים אותם מדליקים ומכבים, דוגמת מנוע חשמלי או שסתום סולנואיד. הפלטים גם כן מחווטים למסופי הבקרים. הם מיוצגים בדיאגרמת הסולם על ידי סמל של סליל ממסר

5. ביטויים לוגיים – הביטויים הלוגיים משומשים בשילוב עם הקלטים והפלטים, כדי ליצור את פעולות השליטה הרצויות.

6. ציון כתובת/תגיות שם – ציון הכתובת מתאר את מבנה כתובת הזכרון של הקלט, פלט והביטוי הלוגי בבקר. תגיות השם הם התיאורים המשוייכים לכתובות.

7. תגובות – זהו חלק חשוב מאוד בדיאגרמת הסולם. התגובות מוצגות כתחילתו של כל שלב ומשומשות כדי לתאר את הביטויים הלוגיים ואת פעולות השליטה המתרחשות באותו שלב, או בקבוצת שלבים. הבנת דיאגרמות סולם הופכת לקלה הרבה יותר כשמשתמשים בתגובות.

כיצד עובדת דיאגרמת סולם?

דיאגרמת סולם עובדת בצורה דומה לממסר לוגי, אך ללא חיווט בקרת הממסר המייגע. בפשטות ניתן לומר שהתקני הקלט ופלט מחווטים ישירות לבקר ותוכנית דיאגרמת הסולם מחליטה איזה פלט להפעיל, בהתאם לסטטוס אותות הקלט.

ממש כמו בממסר לוגי, לדיאגרמת סולם יש מסילות אספקה, סלילי ממסר, קשרי ממסר, מונים, טיימרים, בקרי לולאת PID ועוד הרבה. ההבדל הוא שבממסר לוגי, הביטויים הלוגיים נוצרים עם מעגלי בקרת ממסר. זה יכול להביא למספר גדול של ממסרים וחיווטים. עם זאת, בדיאגרמת סולם הביטויים הלוגיים מתוכנתים בבקר. כך החיווט היחיד הדרוש הוא למכשירי הקלט והפלט.

כיצד לקרוא דיאגרמת סולם?

דיאגרמת סולם נקראת מהמסילה השמאלית למסילה הימנית ומהשלב הראשון לשלב האחרון. בקיצור: שמאל לימין ומלמעלה למטה. השלבים מכילים סמלי קלט שמעבירים או חוסמים את הזרימה הלוגית. תוצאת השלבים מבוטאת בסמל האחרון, הידוע כפלט.

כדי להתחיל לקרוא דיאגרמת סולם יש להכיר מספר עקרונות בינאריים בסיסיים, את יישומם בדיאגרמת הסולם, כיצד דיאגרמת הסולם יוצאת לפועל ואת הפעולות הלוגיות הבסיסיות הבנויות אל תוך כל שלב. להלן ההסבר:

העקרון הבינארי החל על דיאגרמת הסולם

מיקרו-מעבדים, דוגמת אלו הקיימים בבקרים לוגיים ובמחשבים אישיים, עובדים על פי עיקרון בינארי. המושג "בינארי" מתייחס לעקרון האומר שניתן להסתכל על גורמים באחד משני מצבים. למשל: נכון או שגוי, 1 או 0, דולק או כבוי, גבוה או נמוך, כן או לא.

העקרון הבינארי חביב מאוד על מיקרו-מעבדים: 10101011101000111010001010100010100100101010010011.

קצת קשה לקרוא את זה, אז דיאגרמת הסולם משתמשת בביטויים סמליים ובעורך גרפי לכתיבתה ולקריאתה, מה שמקל עלינו להבין.

בבקרים לוגיים, אירועים בינאריים באים לידי ביטוי בסמלים, בהשתמש בלוגיקת סולם בצורת מגע פתוח (NO – ראשי תיבות של Normally Open) ומגע סגור (NC – ראשי תיבות של Normally Closed).

ה-NO נמצא במצב "נכון" (True) כשהאירוע הוא פעיל ובמצב "שגוי" (False) כשהאירוע אינו פעיל. ה-NC הוא במצב "שגוי" כשהאירוע פעיל ובמצב "נכון" כשהאירוע אינו פעיל. נפרט עוד קצת על ה-NO וה-NC:

צורת מגע פתוח (NO) בדיאגרמת סולם

האירוע המשוייך ל-NO יכול להיות "נכון" או "שגוי". כשהאירוע הוא על "נכון" – ישנו אור ירוק מודגש והזרימה הלוגית יכולה לזוז הלאה לביטוי הלוגי הבא. בדיוק כמו זרימת זרם במעגל חשמלי כשהמתג נמצא במצב דלוק.

נניח שקוראים לקלט של בקר לוגי מסוים A. אירוע קלט בקר לוגי יכול להיות לחיצת כפתור, הפעלת מתג הגבלה או קריאה לפעולה של מתג טמפרטורה.

אירוע קלט A בבקר לוגי עובד לפי העקרון הבינארי של חבירה באחד משני מצבים: "נכון" או "שגוי". להלן טבלת האמת של הדיאגרמה הלוגית לצורת מגע פתוח (NO), המתארת את אירוע קלט A:

צורת מגע סגור (NC) בדיאגרמת סולם:

האירוע המשויך לצורת מגע סגור יכול להיות במצב "נכון" או "שגוי". תוצאת ה-NC היא, בגדול, ההיפך מאירוע המתרחש. כך שאם קלט A של בקר לוגי נמצא במצב "שגוי", התוצאה תהיה "נכון" – וההיפך כשתוצאת קלט A של בקר לוגי נמצא במצב "נכון".

ה-NC נחשב לפונקציית NOT של דיאגרמת סולם. לפעמים מסתכלים עליו כעל הגיון הפוך. להלן טבלת האמת:

אם מתרגמים פונקציית NOT לדיאגרמת סולם – מבטאים אותה סמלית בצורת NC, כפי שניתן לראות בטבלה שלהלן:

כיצד מוציאים לפועל דיאגרמת סולם?

כדי לקרוא בהצלחה דיאגרמת סולם צריך להבין ברמה הבסיסית כיצד עובד בקר לוגי וכיצד הגיון הסולם מוצא לפועל בו. הבקר הלוגי מיישם נוהל הוצאה לפועל מסוים ואם לא דבקים בו – זה עלול להוביל לקריאה שגויה של דיאגרמת הסולם.

דיאגרמת הסולם עובדת בצורה דומה ללוגיקת ממסר, אך ללא כל החיווט המייגע. היא כולל מסילות אספקה, סלילי ממסר, קשרי ממסר, מונים, טיימרים, בקרי לולאת PID ועוד ועוד. במונחים פשוטים, כל התקני הקלט והפלט מחווטים לבקר הלוגי ותוכנית דיאגרמת הסולם מחליטה אילו פלטים להפעיל, בהתאם למצב אותות הקלט.

במונחים בסיסיים, בקרים לוגיים מוציאים לפועל דיאגרמת סולם בצורה הזאת:

קודם כל הם קוראים את כל מצבי הקלט ומאכסנים אותם בזכרון. לאחר מכן הם סורקים ומעריכים כל שלב בדיאגרמת הסולם, משמאל לימין ומלמעלה למטה. לבסוף, בסוף הסריקה, הלוגיקה שנוצרה יוצאת לפועל ופעולת כתיבה לפלטים מתקיימת.

פונקציות בסיסיות של דיאגרמת סולם

בדיאגרמת סולם ה-NO וה-NC בקושי אומרים לנו באיזה מצב נמצא האירוע, "נכון" או "שגוי". הם אינם יכולים להחליט עצמאית אילו פעולות לנקוט כדי להפוך משהו לאוטומטי. לשם כך יש צורך בחברו הטוב ביותר של הבינארי – הלוגיקה. לוגיקה היא היכולת להחליט איזו פעולה יש לבצע, תלוי במצב של אירוע אחד או יותר. אנו משתמשים בעקרונות הבינאריות והלוגיקה בכל יום בחיינו. לדוגמה, אם מרגישים קור – לובשים סוודר אבל אם לאחר מכן מרגישים חום – מורידים אותו.

קונספט בינארי: קר או חם, לבישת סוודר או הורדת סוודר.

קונספט לוגי: פונקציות לוגיות IF, THEN

לוגיקה בינארית בפעולה!

עקרונות הבינאריות והלוגיקה הם מה שגורם לדיאגרמת הסולם לעבוד. הרכיב הסודי להבנת דרך פעולתה הוא: הפונקציות הלוגיות של לוגיקת הסולם בנויות אוטומטית במבנה דיאגרמת הסולם. להמחשה:

פונקציות IF, THEN בדיאגרמת הסולם:

ניקח אירוע של העולם האמיתי, נקצה אותו ל-NO ונקרא לו A. בדיאגרמת סולם, אירועי העולם האמיתי מוגדרים כקלטי בקר לוגי. נקרא לתוצאת הפונקציה הלוגית Y. בדיאגרמת סולם מוגדרת התוצאה של פונקציה לוגית של שלב כפלט של בקר לוגי. כשלוקחים את שני האלמנטים הבסיסיים האלו ומכניסים אותם לשלב בדיאגרמת הסולם – מקבלים את שורת הקוד הראשונה, המקבילה ל"שלום, עולם" בשפות תכנות מבוססות טקסט.

כעת נחשוף את הפונקציות המובנות על ידי הדגשתן בכחול, כדי להמחיש את מערכת היחסים בין מבנה השלבים של דיאגרמת הסולם ופונקציות ה-IF ו-THEN המובנות שלו.

ניתן לכתוב את הביטוי הלוגי שלהלן כשלב בו IF A THEN Y.

מכיוון שקלט A של הבקר הלוגי עובד על עקרון בינארי, יש לו שני מצבים אפשריים, "נכון" או "שגוי". לכן זה מוביל לשתי איטרציות לוגיות אפשריות:

IF A = FALSE THEN Y = FALSE

IF A = TRUE   THEN Y = TRUE

ניתן גם להסביר זאת בטבלת אמת:

אם נתרגם זאת לדיאגרמת סולם, נוכל לבטא זאת בצורה סמלית כ-NO לקלט וסליל ממסר לפלט. זכרו שהזרימה הלוגית היא משמאל לימין והיא עוקבת אחר אותו העקרון של זרימת זרם במעגל חשמלי.

טבלת האמת של דיאגרמת הסולם:

דיאגרמת סולם ופונקציה

פונקציית AND בוחנת קלטים (ברבים) של בקר לוגי ויוצרת פלט אחד. אם מתרגמים פונקציית AND לדיאגרמת סולם ניתן לבטא אותה סמלית בצורת שני קלטי בקר לוגי, A ו-B, המשתמשים ב-NO ובפלט Y של בקר לוגי המשתמש בסליל ממסר. כל אלו מחוברים בשורה, כמו סדרת קשרים במעגל חשמלי. הפעם גם הדגשנו את פונקציית ה-AND החבויה כדי להמחיש את מערכת היחסים בין פונקציות דיאגרמת הסולם ומבנה השלבים שלה.

ניתן לכתוב את הביטוי הלוגי שלהלן כ: IF A AND B THEN Y.

פונקציית AND בוחנת אם כל קלטי הבקר הלוגי הם "נכון", ואז התוצאה הנגזרת היא גם כן "נכון". עם זאת, אם אחד מקלטי הבקר הלוגי נמצא במצב "שגוי" – אז התוצאה הנגזרת תהיה גם כן "שגוי".

מכיוון שקלטי A ו-B של הבקר הלוגי עובדים לפי העקרון הבינארי והם חלק מפונקציית AND, ישנן ארבע אפשרויות של איטרציות לוגיות:

מספר האיטרציות הלוגיות עולה עם מספר קלטי הבקר הלוגי (קלטי 2PLC). אין לכך משמעות רבה לגבי פונקציית ה-AND, מכיוון שהתוצאה יכולה להיות רק "נכון" אם כל קלטי הבקר הלוגי הם על "נכון".

אם מתרגמים פונקציית AND לטבלת דיאגרמת סולם מקבלים את זה:

פונקציית או (OR) של דיאגרמת הסולם

פונקציית OR בוחנת מספר קלטי בקר לוגי ומוציאה מהם פלט אחד. אם מתרגמים אותה לדיאגרמת סולם ניתן לבטא אותה סמלית בצורת שני קלטי בקר לוגי – A ו-B – המשתמשים ב-NO ובפלט Y של בקר לוגי המשתמש בסליל ממסר.

הקלטים ממוקמים בשלב הנמצא במה שמוכר כענף (Branch). זהו המקביל לחיבור פרללי במעגל חשמלי. הפלט מחובר אז בשורה עם השלב. הפעם גם הדגשנו את פונקציית ה-OR החבויה כשיוצרים ענף (חיבור פרללי/מקבילי) עם קלט B של הבקר הלוגי מול קלט A של הבקר הלוגי:

ניתן לכתוב את הביטוי הלוגי שלהלן כ: IF A OR B THEN Y.

פונקציית OR בוחנת אם מי מקלטי הבקר הלוגי נמצא על "נכון", ואז התוצאה הנגזרת היא גם כן "נכון". עם זאת, כל קלטי הבקר הלוגי חייבים להיות על "שגוי" כדי שהתוצאה הנגזרת תהיה גם כן "שגוי".

מכיוון שקלטי A ו-B של הבקר הלוגי עובדים לפי העקרון הבינארי והם חלק מפונקציית OR – ישנן ארבע אפשרויות של איטרציות לוגיות:

יש לזכור שמספר האיטרציות הלוגיות עולה עם מספר קלטי הבקר הלוגי (2PLC_inputs). אין לכך השפעה רבה על פונקציית OR, מכיוון שהתוצאה יכולה להיות "נכון" אם כל אחד מקלטי הבקר הלוגי נמצא על "נכון".

אם נתרגם פונקציית OR לטבלת אמת של דיאגרמת סולם, כך זה ייראה:

לסיום, חשוב לזכור:

• בתכנות בסיסי לדיאגרמת סולם מבטאים אירועים בינאריים בהשתמש ב-NO וב-NC. חמש פונקציות דיאגרמת הסולם הבסיסיות והחיוניות הן: NOT, IF, THEN, AND, OR.
• ייתכן שזה מפתיע, אך כשמשתמשים בפונקציות הללו בתכנות לדיאגרמת סולם – ניתן לתכנן את רוב דרישות בקרת האוטומציה.