في أنظمة التشغيل الآلي الصناعية وأنظمة التحكم الكهربائي، المرحل يلعب دورًا حيويًا في تبديل الدوائر، وحماية المعدات، والحفاظ على السلامة التشغيلية. سواء كان ذلك لوحة تحكم PLC مدمجة أو مركز تحكم بمحركات عالية القدرة، فإن المرحلات تشكل العمود الفقري لأنظمة التشغيل الآلي الكهربائية.

تستعرض هذه المقالة ما هو المرحل، وكيف يعمل، وأنواع المرحل الصناعية الرئيسية المستخدمة في أتمتة المصانع وأنظمة التحكم.

ما هو المرحل في التحكم الكهربائي والتشغيل الآلي الصناعي؟

المرحل هو جهاز كهروميكانيكي أو إلكتروني يفتح أو يغلق دائرة كهربائية باستخدام إشارة تحكم. يسمح لدائرة واحدة بالتحكم في أخرى، غالبًا بجهد أو تيار مختلف. عمليًا، يعمل المرحل كمفتاح كهربائي يُتحكم به تلقائيًا للسيطرة على تدفق التيار في لوحات التشغيل الآلي، ودوائر الطاقة، وأنظمة السلامة. عندما يتلقى ملف الإدخال جهدًا، يغير المرحل وضعية اتصالاته، مما يكمل أو يقطع الدائرة.

تم تصميم المرحلات الحديثة للتعامل مع كل شيء من تبديل الإشارات منخفضة القدرة إلى تطبيقات المحركات ذات التيار العالي في أنظمة PLC وDCS وأتمتة المصانع .

مبدأ عمل المرحل الأساسي

يتضمن المرحل النموذجي خمسة أطراف — مصدر إيجابي، مصدر سلبي، مخرج مشترك، مفتوح عادة (NO)، ومغلق عادة (NC). عندما لا يكون ملف المرحل مفعّلًا، تظل أطراف المشترك و المغلق عادة متصلة. بمجرد تطبيق الطاقة، ينشط الملف، ويتصل الطرف المشترك بالطرف المفتوح عادة . يحدث هذا التبديل تلقائيًا وفي غضون أجزاء من الثانية.

تمكن هذه الآلية من العزل الكهربائي الآمن بين دوائر التحكم والتحميل، مما يحمي الأجهزة الحساسة من الارتفاعات المفاجئة في الجهد.

الأنواع الرئيسية للمرحل الصناعية

تستخدم الأتمتة الصناعية أنواعًا مختلفة من المرحلات حسب منطق التحكم، ومتطلبات السلامة، وظروف التشغيل. الأنواع الأكثر شيوعًا تشمل:

• المرحل الكهروميكانيكي

• مرحل الحمل الزائد

• مرحل التوقيت

• المرحل الحالة الصلبة

• المرحل المثبت

• مرحل السلامة

• مرحل خطأ التأريض

دعونا نفحص كل نوع بالتفصيل.

المرحل الكهروميكانيكي (EMR)

المرحل الكهروميكانيكي هو المرحل التقليدي الذي يعتمد على الحث المغناطيسي. عندما يتدفق التيار عبر الملف، يجذب المجال المغناطيسي الذراع، مما يغير وضعية الاتصال. يتميز بتكلفة منخفضة ويستخدم على نطاق واسع في لوحات التحكم الصناعية، ومشغلات المحركات، وأنظمة الإضاءة. ومع ذلك، يمكن أن يسبب التبديل المتكرر القوس الكهربائي وتآكل الاتصالات، مما يقلل من عمر المرحل. لذلك، يناسب هذا النوع التبديل بتردد منخفض إلى متوسط.

مرحل الحمل الزائد

مرحل الحمل الزائد يحمي المحركات والمعدات الكهربائية من حالات التيار الزائد المستمرة. على عكس المرحلات العادية التي تستجيب لإشارات الجهد، يستجيب مرحل الحمل الزائد للسخونة الناتجة عن التيار الزائد. عندما تتجاوز الحرارة حدًا معينًا، يفتح المرحل الدائرة لمنع تلف المعدات. يمكن للمشغلين إعادة ضبط المرحل يدويًا بعد تبريد النظام. هذه المرحلات ضرورية في دوائر تحكم المحركات، ولوحات MCC، والآلات الثقيلة.

مرحل التوقيت

يحتوي مرحل التوقيت على وظيفة تأخير زمني تؤخر تبديل الدائرة إما عند التشغيل (تأخير تشغيل) أو عند الإيقاف (تأخير إيقاف). تستخدم مرحلات التوقيت عادة في التحكم بالتتابع، وتشغيل الناقلات، ومزامنة بدء التشغيل. تساعد في التحكم في عمليات الآلات بترتيب محدد مسبقًا، مما يحسن دقة الأتمتة. علاوة على ذلك، يمكن أن تكون مرحلات التوقيت ميكانيكية أو رقمية، مما يوفر تحكمًا مرنًا لمهام الأتمتة المعتمدة على الوقت.

المرحل الحالة الصلبة (SSR)

المرحل الحالة الصلبة يستبدل الاتصالات الميكانيكية بأجهزة تبديل أشباه الموصلات. نتيجة لذلك، يعمل بصمت ويتبدل أسرع بكثير من المرحلات الكهروميكانيكية. يناسب SSR التطبيقات التي تتطلب تبديلًا عالي السرعة وصيانة منخفضة، مثل وحدات التحكم في درجة الحرارة أو آلات التعبئة. ومع ذلك، يولد حرارة أكبر ويتطلب تبديد حرارة مناسب لضمان عمر خدمة طويل. عند تصميمه بشكل صحيح، يوفر SSR موثوقية ممتازة في أنظمة التحكم الصناعية الحديثة.

المرحل المثبت

المرحل المثبت يحافظ على حالته حتى عند إزالة الطاقة عن الإدخال. يعمل بطريقة مشابهة لملف التثبيت/الإلغاء في منطق PLC — بمجرد تنشيطه، يبقى مثبتًا حتى يتم إلغاء تثبيته بنبضة عكسية. يقلل هذا النوع من استهلاك الطاقة ويستخدم في الأنظمة الموفرة للطاقة أو المعتمدة على الذاكرة، مثل دوائر الإنذار أو أنظمة إضاءة الطوارئ.

مرحل السلامة

مرحل السلامة هو مكون حيوي في أنظمة سلامة الآلات وأنظمة الإيقاف الطارئ. يراقب باستمرار المدخلات ويكشف عن الأعطال مثل فشل الاتصال، والدوائر القصيرة، أو انقطاع الأسلاك. عند اكتشاف عطل، يقطع المرحل السلامي الدائرة فورًا لمنع المخاطر. يستخدم المهندسون معايير مثل ISO 12100 و IEC 62061 لتقييم المخاطر واختيار المرحل السلامي المناسب للتطبيق. تشمل الاستخدامات النموذجية خلايا الروبوت، وآلات الضغط، ومناطق سلامة الناقلات.

مرحل خطأ التأريض

مرحل خطأ التأريض يكشف التيار المتسرب بين الموصلات الكهربائية والأرض. عند حدوث تسرب غير طبيعي، يفصل المرحل الدائرة، مما يمنع تلف المعدات ويحمي الأشخاص من الصعق الكهربائي. تستخدم مرحلات خطأ التأريض على نطاق واسع في توزيع الطاقة، والصناعات المعالجة، والمحطات الفرعية لزيادة السلامة الكهربائية والامتثال للمعايير الصناعية.

رأي خبير: اختيار المرحل المناسب لتطبيقك

يعتمد اختيار المرحل الصحيح على جهد النظام، ونوع الحمل، وتردد التبديل، ومتطلبات السلامة.

• استخدم المرحل الكهروميكانيكي للسيطرة العامة وتردد تبديل منخفض.

• اختر المرحل الحالة الصلبة للتبديل عالي السرعة والخالي من الضوضاء.

• طبق مرحل السلامة للتطبيقات التي تتطلب الامتثال لمستوى سلامة متكامل (SIL).

• استخدم مرحل الحمل الزائد في دوائر المحركات لمنع الاحتراق.

علاوة على ذلك، يعزز دمج منطق المرحل مع التحكم القائم على PLC المرونة، والتشخيص، والمراقبة عن بعد — بما يتماشى مع ممارسات الصناعة 4.0 .

سيناريوهات التطبيق العملي

السيناريو 1 – نظام حماية المحرك: تستخدم مصنع مرحلات الحمل الزائد ومرحل السلامة لحماية محركات الحث ثلاثية الطور من السخونة الزائدة والدوائر القصيرة.
السيناريو 2 – أتمتة نظام الناقل: تتحكم مرحلات التوقيت في تأخيرات التتابع بين أحزمة الناقل لضمان نقل المواد بسلاسة.
السيناريو 3 – أفران التحكم بدرجة الحرارة: تتحكم المرحلات الحالة الصلبة في السخانات بدقة تنظيم درجة الحرارة وتقليل التآكل.

الخاتمة

تظل المرحلات لا غنى عنها في الأتمتة الصناعية وأنظمة التحكم الكهربائي. من المفاتيح الكهروميكانيكية الأساسية إلى المرحلات السلامية المتقدمة، يخدم كل نوع غرضًا محددًا في تعزيز الموثوقية والسلامة وكفاءة الأتمتة. يساعد فهم أنواع المرحلات الصناعية المهندسين على تصميم أنظمة متينة تلبي معايير السلامة والمتطلبات التشغيلية في المصانع الحديثة.