logo

logo

logo

logo

logo

الأتمتة

اتمته

Automation - Automatisation

الأتمتة

نور الدين شيخ عبيد

البنى الأساسية للمخططات التتابعية الوظيفية  نهج الأتمتة
تنفيذ المخططات التتابعية الوظيفية في نظم الأتمتة نمذجة نظم الأتمتة
monitoring unit  وحدة المراقبة المخططات التتابعية الوظيفية
المستقبَل قواعد صياغة المخططات التتابعية الوظيفية
 

تُستعمل كلمة الأتمتة للدلالة على تنفيذ عمليات محدّدة، متتالية أو متوازية، من دون تدخل الإنسان، وقد استُخدمت في الهندسة الميكانيكية والكهربائية، وامتدّ استخدامها إلى هندسة البرمجيات في أتمتة العمليات الإدارية بمعنى حوسبتها، أي جعل الحاسوب يقوم بها بدلاً من الإنسان.

يختلط معنى كلمة أتمتة بكلمة التحكم، وكأنهما مترادفتان متماثلتان في العربية، ولكن لكل منهما معنىً مختلف عن الآخر. فكلمة أتمتة هي بالمعنى المذكور سابقاً، في حين أن التحكم هو جعل جملة فيزيائية - ذات ديناميكية محددة - تتصرّف وفق مسار محدّد أو تصل إلى نقطة محدّدة. وأبسط الأمثلة في الأتمتة الغسالة الكهربائية التي تقوم بتنفيذ عمليات متتالية وفق برنامج محدّد يبدأ مع أمر بدء الغسيل وينتهي مع توقفه. أما مثال التحكم فهو الآلة الراسمة التي ترسم على ورقة ميليمترية تغيّر الجهد الكهربائي عند خرج دارة إلكترونية مثلاً، ولتحقيق ذلك تُستخدم تقنيات التحكم بإبرة الراسمة.

تُستخدم كلمة  control في الإنكليزية للدلالة على التحكم، وقد يضاف إليها صفة أخرى للدلالة على نوع النظم المطلوب التحكم فيها، مثل التحكم في الجمل الخطية linear system control أو الجمل اللاخطية أو الجمل المتغيرة المحدِّدات، أو الجمل المقطعة . في حين تُستخدم كلمة  sequential control للدلالة على الأتمتة.

بدأت عمليات الأتمتة بالانتشار مع الثورة الصناعية التي سعت إلى أتمتة العمليات الصناعية لتحقيق إنتاج أغزر وتخفيض كلفة الإنتاج، وهذا ما يتيح للمنتج أن يكون أكثر تنافسية. ومثال ذلك أتمتة تصنيع سيارة فورد طراز  T عام 1913م. ومن أشهر أمثلة العمليات المؤتمتة: الرسوم النسيجية عندما قام الفرنسي جوزف جاكار Joseph M Jacquard(1752-1834) d    باختراع نول خاص بذلك عام 1801م عُرف فيما بعد بنول « جاكار». يقوم هذا النول بضبط وط الطولانيةضعي ة الخيو (السَّدَى) عبر بطاقات مثقبة، تُثقّب بحسب رسمة النسيج المراد تحقيقها.

نهج الأتمتة :

تبدأ أولى الخطوات في الأتمتة - كما هو الحال في العمل الهندسي- بإيجاد نموذج  model  للنظام الهندسي قيد التصميم أو التطوير يسمح بوصف العلاقات التي تربط المدخلات بالمخرجات. بعد تحديد هذا النموذج يجري التوثق من مطابقة أدائه مع أداء النظام الهندسي عن طريق عملية المحاكاة، ويلي ذلك عمليات تصميم ما يُراد أن يضاف إلى النظام من وحدات تعويض أو قيادة أو مراقبة للوصول بأدائه إلى المستوى المطلوب.

إن الأتمتة هي مجموعة عمليات تكرارية، تتعاقب الواحدة بعد الأخرى، وفي لحظة ما تُنفَّذ عمليات محدّدة عند توفر شروط محددة. فلا يمكن بدء عملية الغسيل في الغسالة الآلية إلا عند إغلاق باب الغسالة ووجود ثياب لتُغسل وإعطاء أمر بدء الغسيل، يعقب ذلك فتح صمام المياه الذي سيُغلق عند وصول مستوى الماء إلى مستوى محدد، لتبدأ بعد ذلك عملية تسخين الماء. وهذا المثال يشير إلى أن الأتمتة تتألف من أربع وحدات رئيسية هي:

  1 -  وحدة المعلومات: التي تُستقى من محسَّات تحصيل المعلومات المراد الحصول عليها، مثل باب الغسالة مغلق أو لا، وبلوغ درجة حرارة الماء الدرجة المطلوبة. وهذه المحسات هي جزء من النظام المراد أتمتته.

2 - وحدة الفعل: أو وحدة الاستطاعة المؤلفة من المفعّلات  actuators التي يجري تحريضها لتقوم بالفعل المطلوب، مثل فتح صمام الماء في الغسالة، أو إضافة مسحوق التنظيف، أو دوران حوض الغسل. وهذه المفعّلات هي جزء من النظام المراد أتمتته.

 3 - وحدة القيادة: وتقوم بإدارة تنفيذ العمليات وفق التتالي المحدّد لعمل النظام المراد أتمتته. مدخلات هذه الوحدة تأتي من وحدة المعلومات، ومخارجها أوامر تذهب إلى وحدة الفعل لتنفيذ العمل المطلوب.

 4 - وحدة المراقبة: وتسمح لمراقب فني بالاطلاع على ما يجري والتدخل إن لزم الأمر. تتصل هذه الوحدة بوحدة القيادة ووحدة المعلومات.

إن المعلومات والأوامر المرسلة إلى المفعّلات ذات مستويين، عالٍ ومنخفض، أي يمكن التعبير عنها بصيغة اثنانية. ومن ثمَّ  كانت الدوال المنطقية البوليانية Boolean هي الدوالّ المستخدمة في الأتمتة.

تصميم وحدة القيادة هي القصد من هندسة الأتمتة. وأولى خطوات التصميم هي نمذجة النظام المراد أتمتته والمتمثل في تتالي الأفعال، وفقاً لشروط تفيد المعلومات في معرفة تحققها أو لا. ومن أهم أدوات نمذجة نظم الأتمتة المتوسطة التعقيد فما فوق هي شبكات بتري  Petri nets. أما في الأنظمة الصغيرة فيمكن استخدام أدوات النظم المنطقية المعروفة، ومن ثمّ الوصول إلى دالة منطقية (تراكبية أو تتابعية) تصف عمل النظام. يلي ذلك تنفيذ التابع باستخدام أدوات الدارات المنطقية من بوابات منطقية وقواطع كهربائية.

نمذجة نظم الأتمتة :

 
الشكل (1) مثال على نظم الأتمتة

يمكن اتباع إحدى طريقتين في نمذجة نظم الأتمتة، الأولى هي أدوات النظم المنطقية في حالة النظم الصغيرة أو شبكات بتري، أو مكافئها في حالة النظم الكبيرة. ومثال النظم الصغيرة تفريغ خزان يُغذى بسائل من مصدر خارجي بغزارة عظمى q ويُفرّغ بوساطة مضخة ذات غزارة Q أكبر من q. تبدأ المضخة بالعمل عند وصول مستوى السائل إلى المستوى b وتتوقف عند انخفاض السائل دون المستوى الأدنى a. يمثل كل من a و b محسّي مستوى يأخذان القيمة 1عند وصول السائل إليهما ويأخذان القيمة 0 في غير ذلك، كما هو موضح في الشكل (1) .

ولإيجاد النموذج الخاص بهذه المنظومة يمكن إنشاء جدول من ثلاثة متغيرات هي  a  و b و Z (الجدول 1)، حيث يمثل المتغير الأخير حالة المضخة من توقف أو عمل في اللحظة الراهنة. وفي هذا الجدول (المربعات المظلّلة) يجري وضع المضخة في اللحظة التالية  (z)  إزاء مختلف حالات المتغيرات الثلاثة، كما في الجدول(1)  :

 

 

 

الجدول (1) : نمذجة تفريغ خزان

01

11

10

00

ab

Z                 

x

1

0

0

0

x

1

1

0

1

 

 

 

فالمربع اليساري الأعلى وضعت فيه القيمة 0 لأن السائل دون الحد الأدنى في الخزان والمضخة كانت متوقفة فستبقى إذن متوقفة، والمربع اليساري الأدنى من الجدول يعني أن السائل هو الآن دون المستوى الأدنى وكانت المضخة في حالة عمل فعليها إذاً التوقف. وباستخدام محتويات الجدول السابق تكون المعادلة التي تصف هذه المنظومة هي:

z   =   b  +  aZ

 
 

التي تُقرأ على النحو الآتي: ستعمل المضخة إذا بلغ السائل المستوى  b، أو ستبقى تعمل إذا كانت تعمل سابقاً ولا يزال السائل فوق المستوى  a . وتحقيق هذه المعادلة فيزيائياً يكون بدارة البوابات المنطقية الموضحة في الشكل(2) .

أما في حالة النظم المتوسطة التعقيد والكبيرة فتُستخدم شبكات بتري، وهذه الشبكات تُستخدم عموماً لنمذجة طيف واسع من الأنظمة التتابعية  sequential ، تبدأ من منظومات الأتمتة إلى منظومات النقل وعمليات الإنتاج إلى الأنظمة المعلوماتية. وفي الأتمتة الصناعية استُخدمت مبادئ شبكات بتري لصياغة أداة أكثر ملاءمة لمنظومات الأتمتة، سُمّيت بالمخططات التتابعية الوظيفية  sequential functional charts( SFC)s ، أو ما يسمى في الفرنسيةGRAFCET.

الشكل (2) الدارات المنطقية لنمذجة تفريغ خزان

 

المخططات التتابعية الوظيفية:

تتألف هذه المخططات من:

1-  المرحلة :  step

الشكل (3) نماذج  المخططات المستخدمةفس شبكات بتري
الشكل (4) مرحلة في شبكة بتري
الشكل (5) الانتقال في شبكة بتري
الشكل (6) مثال على شرط الانتقال
الشكل (7) مثال على بنية تفرعية
الشكل (8) مثال على اختيار التابع
الشكل (9) مثال على تتابعات متنافية

تصف المرحلة حالة الأتمتة والأفعال الجاري تنفيذها في لحظة ما. تُمثّل المرحلة بصندوق يحتوي على رقم أو رمز يدل على المرحلة، كما في المخططات المبينة في الشكل (3) .

تُميَّز المرحلة أو المراحل الفعالة من غيرها بوجود دائرة سوداء داخل صندوق المرحلة. وتُلحق بكل مرحلة مجموعة من الأفعال الواجب تنفيذها عندما تكون المرحلة فعالة. وقد يكون الفعل خارجياً (فتح صمام)، وقد يكون داخلياً (قدح عداد أو مؤقت) ويشار إلى ذلك على النحو الموضح في الشكل (4) .

يمكن كتابة رمز الصمام وكذلك رمز المؤقت فقط من دون التوضيح اللغوي، كما يمكن وضع كل فعل في صندوق خاص فيه لتوصيل مختلف الصناديق أفقيًّا أو شاقوليًّا. يمكن أيضاً ألا يلحق بالمرحلة أي فعل للاستفادة من ذلك في جوانب التزامن.

2-  الانتقال :transition

يحدث الانتقال من مرحلة (مراحل) إلى مرحلة (مراحل) أخرى عند تحقق الشروط الملحقة بالانتقال، ويُشار إليها بخط عرضاني على النحو المبين في الشكل (5) .

يُلحق بالانتقال  t j تابع منطقي يسمى شرط الانتقال، وعندما يأخذ هذا التابع القيمة 1 يكون الانتقال محققاً. ويمكن التعبير عن هذا الشرط بكتابة نصية أو بطريقة رمزية. ويكون الانتقال مشروعاً عندما تكون كل المراحل السابقة له مباشرة فعالة، ويجري عبور هذا الانتقال عندما يكون مشروعاً والشرط الملحق به محققاً. ففي المثال الموضح في الشكل (6) سيكون الانتقال مشروعاً وسيجري عبوره عندما تكون قيمة التابع a+bc مساوية للواحد.

يمكن العبور من مرحلة إلى مجموعة مراحل، أو من مجموعة مراحل إلى مرحلة أو إلى مجموعة مراحل.

قواعد صياغة المخططات التتابعية الوظيفية

تتعاقب المراحل والانتقالات في المخططات بحيث يفصل انتقال بين كل مرحلتين متعاقبتين، ومرحلة بين كل انتقالين متعاقبين. لهذه المخططات خمس قواعد هي:

1- يبيّن الوضع الابتدائي (أو مجموعة الأوضاع الابتدائية) سلوك وحدة القيادة في بدء أعمال الأتمتة بتطابق مع المراحل الفعالة في اللحظة الابتدائية.

2- لا يُنفّذ التتابع في المراحل إلا بعبور الانتقالات، وذلك وفق الشرطين:

أ- الانتقال مشروع.

ب- تحقق الشرط الملحق بالانتقال.

وعند تحقق هذين الشرطين يكون الانتقال قابلاً للعبور ويجب عبوره.

3- يؤدي عبور الانتقال إلى جعل كل المراحل اللاحقة له مباشرة فعالة، وجعل كل المراحل السابقة له مباشرة غير فعالة.

4- إذا كانت مجموعة من الانتقالات قابلة للعبور في الوقت نفسه فيجب أن تعبر معاً.

5- إذا قُدّر لمرحلة أن تكون فعالة وغير فعالة في الوقت نفسه يجب أن توضع فعالة.

البنى الأساسية للمخططات التتابعية الوظيفية

يمكن لهذه المخططات أن تتضمن مجموعة معيارية من البنى، أهمها:

1- بنية التتابع الوحيد: وهي بنية تتابع فيها المراحل والانتقالات على نسق شاقولي.

2- البنية التفرعية أو التتابعات الآنية: يوصف مخطط بأنه تفرعي أو ذو تتابعات آنية إذا أدى عبور انتقال ما إلى جعل عدة مراحل في وضع فعال في الوقت نفسه، وهي مستقلة بعضها عن بعض في تطورها اللاحق، كما هو موضح في الشكل (7) .

فحين تكون Sh فعالة سيجري عبور الانتقال Th عند تحقق الشرط الملحق به، وعندها ستكون المراحل  Si  و Sj  و Sn فعالة. وستسير المراحل التتابعية في الخطوط الثلاثة على نحو مستقل، إلى أن تصبح المرحلتان Si+2 و Sj+1   فعالتين معاً. وبتحقق الشرط الملحق بالانتقال tk ستصبح المرحلة S k+1  فعالة. وعندما تصبح المرحلتان S k+2  و  Sn+3  فعالتين ويتحقق الشرط الملحق بالانتقال  t h+1  ستصبح المرحلة Sh+1  فعالة.

اختيار التتابع: عدد الخيارات يساوي عدد الانتقالات القابلة للعبور انطلاقاً من مرحلة فعالة كما في المثال الموضح في الشكل (8)، ويمكن الذهاب بأحد المسارين بحسب تحقق الشروط الملحقة بأحد الانتقالين.

3- التتابعات المتنافية: وذلك في الحالات التي يمكن فيها انتقاء تتابع وحيد من بين مجموعة تتابعات ممكنة كما في الشكل (9). يمكن الاستفادة من هذه البنية لإعطاء أولوية لأحد التتابعين عن طريق الشروط الملحقة بالانتقالين، فيمكن أن يكون أحدهما هو A الملحق   بـ   tk  مثلاً. فإذا كان الشرط الملحق بالانتقال الآخر على النحو:  فعندها سيكون للمسار اليميني الأفضلية في حال كان كل من A و b مساوياً للواحد.

4- القفز فوق المراحل: يمكن القفز فوق مجموعة من المراحل إذا لم تكن هناك حاجة إلى تنفيذ الأفعال الملحقة بهذه المراحل كما في الشكل (10) .

5- تكرار تنفيذ مجموعة مراحل متعاقبة: حيث سيعاد تنفيذ تعاقب مراحل ما دامت شروط ترك التعاقب غير محققة كما في الشكل(11) .

الشكل (11) مثال على التكرار الشكل (10) مثال على القفز فوق المراحل
الشكل (12) مثال على التفرع

6- التفرع إلى مجموعة تعاقبات: عندما تكون الانتقالات التالية لمرحلة ما مشروعة والشروط الملحقة غير متنافية كما في الشكل (12)

فعندما تكون  Sh  فعالة ستصبح  Sh+1  أو Sk أو كلتاهما في حالة فعالة بحسب ما تكون الشروط الملحقة بكل من الانتقالين  th  أو tk محققة أو لا. لضمان الخروج من الفرعين يمكن أن يكون للشرط الملحق بالانتقال  h+2 الصيغة   ، أما المرحلة  Sh + 2  فيمكن ألا تلحق بها أي أفعال، فهي مرحلة انتظار من جهة، وهي ضرورة قواعدية أيضاً من جهة أخرى.

تنفيذ المخططات التتابعية الوظيفية في نظم الأتمتة :

تُستخدم في الأتمتة مجموعة من الأدوات لتنفيذ وحدة القيادة، ومن أهم هذه الأدوات المتحكمات المنطقية (المؤتمتات) programmable logic controller« االقابلة للبرمجة» r  وهي نوع من الحواسيب الخاصة بمنظومات الأتمتة في الصناعة. العناصر الرئيسية في المؤتمتات هي:

- الوحدة المركزية؛ وهي معالج صغري.

- وحدة الدخل التي تستقبل المعلومات من المحسّات المتوافرة في النظام المراد أتمتته.

- وحدة الخرج التي تتصل بالمفعّلات الموجودة في النظام المراد أتمتته.

- وحدة البرمجة والمراقبة التي تسمح بالبرمجة وبالقيام بعملية المحاكاة، أي تشغيل عملية الأتمتة بناء على المخططات الوظيفية، ولكن من دون إيصال مخارج المؤتمتة إلى مفعّلات النظام المراد أتمتته. وتسمح هذه الوحدة أيضاً بمراقبة ما يجري في عملية الأتمتة والتدخل إذا لزم الأمر من المراقب الفني.

تختلف المؤتمتات من حيث السعة (عدد المداخل وعدد المخارج)، ومن حيث أنواع المداخل، وقابلية التوسيع، وكذلك من حيث وسيلة التواصل معها، وإمكانية ربطها بشبكة صناعية. وتُبرمج بإحدى خمس لغات:

1- مخططات الدرج : ladder diagram (LD) ( السلم ) وهي لغة بيانية تشبه مخططات الدارات الكهربائية المبنية على الحاكمات relays والملفات.

2- لغة لائحة التعليمات instruction list(IL)L     : وهي لغة تشبه لغة «المجمّع» الخاصة بالمعالجات الصغرية.

3- لغة النص المركب   :structured text (ST)tهي لغة تشبه لغات البرمجة المتقدمة الخاصة بالحاسوب.

4- لغة المخططات الصندوقية الوظيفية function bloc diagram (FBD) m   : وهي لغة تستخدم صناديق يمكن ربط بعضها ببعض، لكل صندوق وظيفة محدّدة لتحقيق عمليات معقّدة نسبياً.

5- لغة المخططات التتابعية الوظيفية SFC القائمة على المخططات المذكورة آنفاً. وهذه اللغات متماثلة في كل المؤتمتات، وتخضع للمعيار المعروف  IEC61131-3

في الأنظمة الصغيرة تُعدّ لغة الدرج أكثر اللغات استخداماً، في حين تُستخدم المخططات التتابعية الوظيفية في الأنظمة الأكثر تعقيداً، إذ تُستخدم هذه المخططات لنمذجة الأنظمة ومن ثم قيادتها باستخدام المخططات نفسها.

وحدة المراقبة monitoring unit     :

تسمى هذه الوحدة أحياناً بوحدة التخاطب بين الإنسان والآلة human machine interface (HMI) وإن كانت هذه الأخيرة ذات دلالة أوسع من مجرد وحدة المراقبة. الهدف من وحدة المراقبة إتاحة مراقبة كل ما يجري في النظام المؤتمت من عامل فني مختص لدواعي الأمان والتدخل عند الحاجة، إضافة إلى مراقبة جريان العمليات وفق ما هو مقدّر لها، والتدخل في حالة الخلل مع توفير كل إمكانات التدخل في عمليات الأتمتة، أو على الأقل إيقاف العمل إلى حين إصلاح الخلل. يمكن تصميم بعض هذه الوحدات في أثناء تصميم وحدة القيادة بشكل بياني يستخدم المخططات التتابعية الوظيفية نفسها، حيث تظهر المراحل الفعالة في كل لحظة، ومن ثم معرفة حالة عملية الأتمتة في كل لحظة. وفي كل الحالات تكون المراقبة بوساطة شاشة حاسوب في معظم الحالات، تصل إليه كل المعلومات القادمة من المحسّات التي تشكل وحدة الدخل، إما مباشرة وإما عن طريق مداخل المؤتمتة التي تقود العمليات أو عبر وحدات قياس خاصة remote terminal unit (RTU)، كما تصل إليه نسخة عن الأوامر التي تعطيها وحدة الخرج. تتوفر في وحدة المراقبة إمكانات التدخل مثل إيقاف العمليات أو تعديل بعض المحدّدات، كأزمنة المؤقتات مثلاً. تتوفر في الأسواق وحدات مراقبة عامة الاستخدام تمكّن مستخدمها من تكييفها بحيث تلائم النظام المراد أتمتته. تتصف هذه الوحدات بسعة عالية (عدد المداخل والمخارج)، وتُستعمل عادة في الأنظمة الكبيرة مثل مراقبة عمليات تجميع السيارات أو بعض مكوّناتها أو مصافي البترول، أو مراقبة الشبكات الكهربائية في دولة ما. من أشهر هذه الأنظمة النظام المعروف باسم منظومة تحصيل المعطيات والتحكم الإشرافي Supervisory Control and Data Acquisition  (SCADA)n

المستقبَل :

لعمليات الأتمتة أن تتطور مستقبلاً مع تطور الحاجات من حيث التنوع والاتساع وذلك تبعاً لدواعي الإنتاج والتنافسية. ويجري التطور على ثلاثة محاور:

1- تطور تقاني من حيث كل المكوّنات الداخلة في الأتمتة، المحسّات والمفعّلات ووحدات القيادة وكذلك وحدات المراقبة. فوحدة الدخل مثلاً التي قوامها المحسّات التي أصبحت ذكية - من حيث التنوع في تقديم المعلومات الآنية والسابقة مع إمكان الترشيح والاتصال المباشر مع شبكة صناعية وغير ذلك- فهي في تطور مستمر من حيث المقادير التي تقيسها ومن حيث الحجم وإمكان الاتصال اللاسلكي. وكذلك المفعّلات من حيث التنوع وصنوف المواد الداخلة في تركيبها وأداؤها ومردودها (نسبة الطاقة التي تقدمها إلى الطاقة التي تستهلكها)، وكذلك لذكائها المتمثل في قدرتها على إرسال تقارير عن إنجازها للأعمال المطلوبة منها.

2- مزيد من التكامل في المكوّنات المساهمة في عمليات الأتمتة للقيام بعمليات لم تكن ممكنة سابقاً. فإدخال الروبوتات robots في عمليات الأتمتة يزداد يوماً بعد يوم، فخطوط إنتاج السيارات يتراجع فيها العامل البشري تاركاً مكانه للروبوت بكل ما لذلك من تداعيات اجتماعية واقتصادية وتقانية.

3- عناصر القرار الذكية، فأنظمة المعلومات الذكية تزداد ذكاء مع مرور الوقت، وهذا يوسع مساحة القرار لدى وحدة القيادة، ويمكِّن من توسيع دائرة العمليات المؤتمتة. فبإمكان الأنظمة المؤتمتة مثلاً القيام بعملية التحقق من جودة المادة المنتجة آليًّا وهو أمر كان متروكاً سابقاً لشخص خبير.

مراجع للاستزادة:

- نور الدين شيخ عبيد، الأتمتة الصناعية والمؤتمتات القابلة للبرمجة؛ المركز العربي للتعريب والترجمة والتأليف والنشر، دمشق 2001.

- K. H. John and M. Tiegelkamp, IEC 61131-3: Programming Industrial Automation Sys­tems, Springer, 2010.

- P. Zheng, Advanced Industrial Control Technology, Elsevier, 2010

.


التصنيف : هندسة التحكم والأتمتة
النوع : هندسة التحكم والأتمتة
المجلد: المجلد الأول
رقم الصفحة ضمن المجلد : 169
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 555
الكل : 31527941
اليوم : 44346