المنظومات الصناعية المحوسبة

منظومات صناعيه محوسبه

-

المنظومات الصناعية

يندرج ضمن مصطلح المنظومات الصناعية المحوسبة جميع المنظومات الصناعية التي تستخدم مختلف أنواع  الحساسات والمتحكمات لأتمتة إنتاجها. ويُصنف معظمها ضمن المنظومات الصناعية المؤتمتة والمسماة بمنظومات «الرقابة والتحكم» Command &Control، وهي منظومات مسؤولة عن متابعة خطة التنفيذ المطَّرد لعدد من الإجراءات المؤدية إلى إنجاز عملية ما.

يُطلق عادة اسم العملية أو «البرنامج» Process على مراحل إجراءات المنظومة، وعلى مجموع التجهيزات العاملة حين تنفيذ الخطة؛ كما يدعى الوسط الذي تتم فيه العملية بوسط منظومة الرقابة والتحكم، التي تقوم بقيادة البرنامج والاستجابة مع جميع التغيرات الطارئة.

عمليات الإنتاج المستمرة continuous process:

هي العمليات التي تتم فيها المراقبة الدائمة لعوامل يمكن أن تتغير على نحو مستمر، مثل: درجة الحرارة؛ أو سوية سائل؛ أو السرعة؛ أو المسار، وغيرها وذلك بهدف التنظيم أو التصحيح الدائم (الضبط) لقيمة تلك العوامل.

تُصادف العمليات المستمرة في منظومات التحكم المؤتمتة، وفي منظومات القيادة والتوجيه (المدنية منها والعسكرية)، وكذلك في صناعات التعدين والصناعات الكيمياوية والتحويلية، وغيرها وهذه بعض الأمثلة المتنوعة عنها:

توليد الطاقة في محطة حرارية أو نووية، الصناعات الغذائية المختلفة (كونسروة، تجميد)، الصناعات البلاستيكية (اللدائنية)، التوجيه الذاتي لصاروخ بعيد المدى، القيادة الآلية للطائرات المدنية والعسكرية (الطيار الآلي)، كشف العقبات وتجنبها في سيارة المستقبل الآمنة، غسالة منزلية آلية، وغيرها.

ويبين الجدول 1 أهم التجهيزات المستخدمة في العمليات المستمرة.

عمليات الإنتاج التتابعية sequential process:

هي العمليات التي يتم بها تسيير العمل في منظومة ذات عدد منته من الحالات المتباينة (المنفصلة)، وذلك بهدف تحديد الشروط والطرائق التي يتم بها الانتقال من حالة إلى أخرى، وكذلك تأهيل العمليات الواجب تنفيذها في كل حالة منها.

ولعل أهم أشكال العمليات التتابعية هي العمليات التصنيعية manufacturing process المستخدمة في صناعة الآلات والقطع المعدنية، وفي عمليات استخراج الفلزات من المناجم، وكذلك في عمليات التجميع الآلي للأنظمة الإلكترونية وغيرها. ويبين الجدول 2 أهم التجهيزات المستخدمة في هذه العمليات.

الشبكات الصناعية المحوسبة

يتطلب تنفيذ إجراءات المنظومة التعاون والتنسيق بين التجهيزات والفعاليات المختلفة وضرورة الاتصال فيما بينها وتبادل المعلومات في العمليات التتابعية والمستمرة. ولهذا تم تطوير شبكات الاتصال لأغراض الرقابة والتحكم كي تُستخدم في المصانع والمنشآت الإنتاجية التي تتوزع على رقعة جغرافية كبيرة أو متباعدة.

تبادل المعلومات في عمليات الإنتاج التتابعية

تتميز هذه العمليات، كما يبين الجدول 2، باستخدام مجموعة من الآلات المؤتمتة والروبوتات وغيرها في تجهيزاتها العاملة. ويتم عادة التحكم بهذه التجهيزات بوساطة وحدة التحكم الرقمي الحاسوبي Computer Numerical Control (CNC)، والمتحكمات الصناعية المبرمجة Programmable Logic Controllers (PLC).

ومن أجل توضيح الحاجة إلى الاتصالات في هذا النمط من العمليات، يمكن الاستعانة بمنظومة تصنيع مبسطة (الشكل 1) مؤلفة من الأجزاء الآتية:

- لوح تحميل للقطع المعدنية المراد تشغيلها.

- آلة تشغيل (مخرطة مثلاً) مجهزة بوحدة تحكم رقمي.

- ذراع متحركة تقوم بتناول القطع من لوح التحميل ووضعها في آلة التشغيل.

أ- في أبسط الحالات تقوم الذراع المتحركة بتنفيذ مسار وحيد (مثلاً من لوح التحميل إلى الآلة قبل بدء التشغيل ثم من الآلة إلى المخزن بعد انتهاء التشغيل)، كما تحتوي وحدة التحكم الرقمي على برنامج تشغيل وحيد. ويقتصر في هذه الحالة تبادل المعلومات ضمن المنظومة على المعلومات الخاصة بالتزامن والتي تهدف إلى تنسيق العمل بين التجهيزات المختلفة. وتكون هذه المعلومات عادة صغيرة الحجم (بضعة بايتات) وذات طبيعة ملحَّة urgent ويتم تبادلها دورياً periodical.

ب- لأن المنظومة السابقة لا تسمح بمعرفة حالة عملية الإنتاج ومدى تقدمها مع الزمن (مثلاً في أثناء عملية التشغيل)، فإنه يصعب الحصول على معلومات عن الأعطال، وعن الحالات الطارئة عموماً. أما إذا تطلب الأمر أتمتة جميع عمليات المتابعة، فينبغي استخدام معالج (أو حاسوب صناعي) إضافي يقوم بتحصيل وعرض معلومات عن حالة القطع المصنعة، وعن وضع التجهيزات كاملاً، وعرضها، كما يمكن أن يتدخل في مراقبة جودة التصنيع، وفي عمليات الصيانة.

تكون عادة المعلومات الخاصة بقيادة عملية الإنتاج ومتابعتها أكبر حجماً من معلومات التزامن ولكنها أقل إلحاحاً، ويمكن تبادلها غالباً دورياً، يستثنى مما سبق حالات الطوارئ (الإنذار) التي تكون ذات طبيعة حادثية (غير متوقعة) وعاجلة.

ج- يمكن زيادة مرونة الإنتاج في المثال السابق بتصنيع أشكال مختلفة من القطع، مما يحتاج إلى تغيير البرنامج المشحون في وحدة التحكم الرقمي كلما تغير شكل القطعة قيد التشغيل، وقد يحتاج إلى استخدام أكثر من لوح تحميل واحد، ومن ثم إلى إعادة برمجة مسار الذراع. وباختصار، يحتاج إلى إجراء تخطيط للعمليات الإنتاجية.

تتم العمليات المسبقة باستخدام تجهيزات حاسوبية خاصة تقوم بشحن المعلومات اللازمة في وحدة التحكم الرقمي بآلة التشغيل، وفي وحدة التحكم بالذراع المتحركة (التي قد تكون مثلاً متحكمة صناعية مبرمجة)، وفي آلية اختيار لوح التحميل. ويمكن أن يتوقع كون المعلومات الخاصة بتخطيط العمليات كبيرة الحجم (ملفات كاملة من المعطيات)، غير أنها بالمقابل لا تخضع لقيود زمنية قاسية.

تبادل المعلومات في عمليات الإنتاج المستمرة

 يتم تنفيذ هذه العمليات باستخدام تجهيزات مختصة كالمنظمات regulators (مثلاً من نمط المتحكم التناسبي - التكاملي - التقاضلي PID)، إضافة إلى الحساسات sensors والمُشغلات Actuators المختلفة التي توفر تدفق المعلومات من هذه العمليات وإليها (الشكل 1). يمكن أحياناً تنفيذ عمليات الضبط والتنظيم والتصحيح إن سمحت طاقتها الحسابية بذلك، وفي هذه الحالة يتم توزيع قانون التحكم على مختلف التجهيزات المستخدمة.

من أجل المراقبة المستمرة للعمليات، تُجرى عادة حلقات تحصيل (تحكم)[ر]، تستخدم فيها، بالترتيب ذاته، الحساسات والمنظمات والمُشغلات، ويتم خلالها تبادل معطيات صغيرة الحجم (لا تتجاوز الرسالة عادة بضعة بايتات). يعدّ تبادل المعلومات الخاصة بالضبط (أو بالتحكم) دورياً أهم سمة مميزة للعمليات المستمرة، ويجب أن يضمن إيصال هذه المعلومات من مصدرها إلى مستقرها بزمن لا يتجاوز حداً أعلى مفروضاً، بما يُعرف بقيود الزمن الحقيقي.

يبين الشكل 2 مثالاً مبسطاً عن عمليات إنتاج مستمرة يجري فيها التحكم بسوية سائل في خزان يعبّأ بوساطة صنبور V ويفرغ من السائل عبر فتحة في أسفله، يُستخدم من أجل ذلك مقياس ضغط P يدل على حجم السائل الموجود في الخزان، ويجب تصحيح قيمة هذا القياس بدلالة درجة حرارة السائل، التي تحدد بمقياس درجة الحرارة T. ويمكن هنا أيضاً إضافة تجهيزات حاسبية لمتابعة سير العمل ينطبق عليها ما ذُكر في النوع السابق من العمليات.

نموذج التسلل الهرمي للشبكات الصناعية للرقابة والتحكم:

يُستنتج مما سبق وجود سويات متعددة للمعلومات المتبادلة في منظومة عمليات ما تختلف حسب طبيعة المعلومات وحجمها ودرجة الحاجة إليها، مما يستدعي إيجاد الوسائل اللازمة لتلبية الحاجة إلى الاتصال بين مختلف أنواع التجهيزات، ويمكن نظرياً أن يتم ذلك بإقامة وصلات معطيات data link ثنائية (نقطة إلى نقطة) بين كل زوج من التجهيزات يحتاج إلى تبادل في المعلومات. ولكن هذا الحل لن يصلح حينما يصير عدد وصلات المعطيات الثنائية كبيراً بسبب ضخامة حجم الأسلاك والتوصيلات اللازمة لذلك، ولاسيما أن وسط الرقابة والتحكم هو غالباً وسط عدائي، ومن ثم فإن استخدام شبكة اتصالات (أو أكثر) يصير الحل الوحيد القادر على تلبية حاجات الاتصالات السابقة على نحو موثوق.

يُطلق على شبكة من هذا النوع اسم «شبكة الرقابة والتحكم»، تمتد غالباً على رقعة جغرافية محدودة، وفق فئة خاصة من الشبكات المحلية التي يطبق معظمها في الوسط الصناعي، لهذا فإن كثيراً من النصوص المختصة يطلق غالباً على شبكات الرقابة والتحكم اسم «الشبكات الصناعية»، ويُفضَّل التزام المصطلح الأول لأنه أكثر دقة.

ويعرف مهندسو إدارة الإنتاج نموذج التسلسل الهرمي (التراتبي) hierarchical لشبكات الرقابة والتحكم بأن سوياته تتوافق مع سويات المعلومات المتبادلة. ويبلغ هذا النموذج أكمل صُوره في العمليات التصنيعية حينما تشكل منظومات الاتصالات في بيئة «التصنيع المتكامل حاسوبياً» Computer-Integrated Manufacturing (CIM). وفيما يأتي بعض التفصيلات لسويات هذا النموذج الموضحة في (الشكل 3).

- السوية 1: وهي السوية الأدنى في النموذج، تقوم بربط التجهيزات المستخدمة في التحكم، كالحساسات والمشغلات، بالتجهيزات التي تنسق بينها، كالحواسيب الصناعية (أو المتحكمات الصناعية) والمصححات والمنظمات وغيرها. وتدعى الشبكة التي توفر تبادل هذا النمط من المعلومات بـ «الشبكة الميدانية» Fieldbus، لقربها من التجهيزات العاملة. وتتميز المعلومات المتبادلة في هذه السوية عادة بصغر حجمها، وبخضوعها لقيود الزمن الحقيقي.

هناك دراسات عدة أجريت حول الشبكات الميدانية وخصائصها والقيود التي يجب أن تحترمها، سواء من قبل مصنعي الشبكات، أم من قبل الجهات المستخدمة التي كثيراً ما تعرف وتنفذ شبكات خاصة بها من هذا النوع. ومن أمثلة الشبكات الميدانية: شبكات شركة INTEL وشبكة FIP (معيار صناعي فرنسي) وشبكة ProFiBus (معيار صناعي ألماني). ويمكن أن تضاف إلى هذه السوية أيضاً أنواع الشبكات المحمولة (مثلاً على طائرة أو على سيارة)، ومن أمثلتها CAN التي تعرضها شركة BOSCH.

وتقوم اليوم الوكالة الكهرميكانيكية العالمية IEC بالتعاون مع الجمعية الأمريكية لتجهيزات القياس ISA بوضع معيار عالمي للشبكات الميدانية يسعى إلى المزاوجة بين FIP وProFiBus.

- السوية 2: في هذه السوية، يتم تنسيق تبادل المعلومات الخاصة بتنفيذ وظيفة محددة، قد تكون متابعة عمليات كاملة بهدف اتخاذ القرارات اللازمة (حالة عمليات الإنتاج المستمرة خاصة)، أو جزءٍ منها ذاتي الاستقلال، كالوظيفة العاملة الأخرى بهدف تنفيذ برنامج محدد، وتدخل في هذه السوية أيضاً بعض العمليات المحدودة للصيانة والإشراف ومراقبة الجودة.

من أمثلة الشبكات في هذه السوية شبكة ModBus من شبكة GOULD، وشبكة  LAC من شركة CONPEX، وكذلك الاستخدام المقصور لشبكة MAP (التي تدعى في هذه الحالة Mini-MAP).

- السوية 3: هي سوية الإشراف والتنسيق والصيانة العامة، على مستوى «ورشة» العمل. ونادراً ما تُصادف خارج العمليات التصنيعية الكبيرة. هنا يتم توليد الملفات الخاصة بالتحكم الرقمي بالآلات، باستخدام برمجيات التصنيع بمساندة الحاسوب Computer-Aided Manufacturing (CAM)  قبل شحنها في ذاكرة حواسيب التحكم الرقمي، ويتم أيضاً تخطيط العمل على مستوى الورشة كاملاً. أما في حالة وجود أكثر من ورشة عمل، فيمكن ربط الورشات المختلفة حاسوبياً للتنسيق فيما بينها على مستوى المصنع.

من أهم الشبكات المعتمدة في هذه السوية شبكة MAP التي اعتمدتها شركة General Motors وسعت بكل قواها لجعلها معياراً صناعياً معتمداً.

- السوية 4: وهي السوية الأعلى في النموذج، وتتصل على مستوى المؤسسة أو المنشأة الصناعية بالموارد المعلوماتية المستخدمة في مكاتب الدراسات والهندسة، كالتصميم بمساعدة الحاسوب Computer-Aided Design (CAD) والتخطيط ومراقبة الجودة والصيانة، كما تتصل بالشبكة المستخدمة في الإدارة وفي الأعمال المكتبية. ويمكن أيضاً من هذه السوية العبور إلى الشبكات الموجودة في منشآت أخرى (تنتمي مثلاً إلى الشركة نفسها)، و/أو إلى الشبكات العمومية الوطنية أو العالمية. إذْ تماثل المعلومات المتبادلة ضمن هذه السوية، في نوعيتها وفي القيود المفروضة عليها، المعلومات المتبادلة في شبكات الحواسيب الاعتيادية.

يمكن، من حيث المبدأ، استخدام أي شبكة محلية، كـ EtherNet مثلاً، في هذه السوية. كما يمكن أيضاً، كما سيظهر لاحقاً استخدام شبكة MAP وثمة شبكة «مؤسساتية» صُمّمت خصيصاً لهذه السوية هي شبكة TOP، التي اعتمدت بمبادرة من شركة BOEING. وقد تطورت شبكتا MAP وTOPعلى نحو مترافق نظراً للتنسيق المتبادل بينهما.

ويبين الجدول 3 بعض المعطيات المقارنة عن شبكات الرقابة والتحكم المذكورة أعلاه.

أهم المعايير والمنتجات التجارية

يمكن استعراض مثالين عن شبكات الرقابة والتحكم والشبكات الصناعية: الأول في مجال الشبكات الميدانية (عمليات الإنتاج المستمرة خاصة)، والثاني في مجال الشبكات الصناعية والعمليات التصنيعية.

يفترض أن يكون القارئ ملماً بالعناصر الأساسية لنظرية شبكات الاتصالات، ولاسيما النموذج المرجعي ذي الطبقات السبع المعروف بنموذج ترابط الأنظمة المفتوحة (OSI) Open System Interconnection والصادر عن المنظمة العالمية للمعايرة ISO، وكذلك التعديل الذي اقترحته اللجنة IEEE 802 التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات على بنية الطبقتين السفليتين من هذا النموذج في حالة الشبكات المحلية (الشكل 4)

يلاحظ الدور المتزايد الذي تؤديه منظومات المعلومات في عالم الأتمتة الصناعية الذي يسعى إلى مكاملة مختلف العمليات التصنيعية والتحكمية بهدف رفع سوية الإنتاج ومردوده. ويتطلب تنفيذ منظومات الإنتاج الموزَّعة إقامة منظومة شبكية منخفضة الكلفة، تتميز بالفعالية والمرونة والتغايرية في قدرتها على تلبية متطلبات تبادل المعلومات، بسوياتها المختلفة وبالقيود الزمنية المفروضة عليها على نحو موثوق في وسط عدائي؛ وتظهر مرونته في سهولة تطويره وصيانته وإمكانية إعادة تشكيله. كما تظهر تغايريته في إمكانية احتوائه على تجهيزات من مصادر متنوعة. هذه السمة الأخيرة (التغايرية) تضفي جاذبية خاصة على الحلول المعيارية حين اختيار الشبكة المناسبة.

فيصل العباس، عماد صابوني

الشبكات الحاسوبية ـ الشبكات الحاسوبية الداخلية (الإنترانت) ـ منظومات المراقبة والتحكم وجمع المعلومات.

- G. BEUCHOT & R. JOSSERAND, Les Réseaux locaux industriels, collection Technologies de Pointe (Hermès, Paris 1988).

- D. M. CONSIDINE, Industrial Automation, Advanced Industrial Technology Series (Chapman and Hall, London, UK 1986).

- A. S.TANENBAUM, Computer Networks (Prentice - Hall, New Jersey, USA 1988).

التصنيف : التقنيات (التكنولوجية)

النوع : تقانة

المجلد: المجلد التاسع عشر

رقم الصفحة ضمن المجلد : 713

آخر أخبار الهيئة :

معجم المصطلحات

الأطلس الجغرافي

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية