في صميم الأنظمة الصناعية الحديثة تكمن معدات التحكم الآلي التي تربط بين جميع أنواع المكونات مثل المستشعرات، والوحدات المتحكم فيها، والمُشغلات للحفاظ على تشغيل خطوط الإنتاج بسلاسة. وتدعم الإحصائيات هذا الأمر أيضًا، فقد أفادت العديد من المصانع بانخفاض يقارب 40٪ في الأخطاء عند الانتقال من العمل اليدوي إلى الأنظمة الآلية وفقًا لبحث نشره مركز ARC Advisory العام الماضي. فعلى سبيل المثال، تنظيم درجة الحرارة في تلك المفاعلات الكيميائية الضخمة أو جعل الذراع الروبوتية تعمل معًا بسلاسة، يمكن لهذه الأنظمة الالتزام بالمواصفات بدقة تصل إلى جزء من ألف من المليمتر. والأمور أصبحت أكثر ذكاءً الآن، إذ بدأ كبار المصنّعين في دمج أدوات تنبؤ قائمة على الذكاء الاصطناعي مباشرة داخل وحدات التحكم الخاصة بهم، ما يمكن المصانع من معالجة المعلومات فورًا وتعديل العمليات لحظيًا دون الحاجة إلى انتظار تحليل خارجي.
بدأت رحلة الأتمتة الصناعية فعليًا في الستينيات، عندما كانت أجهزة الترحيل الكهروميكانيكية القديمة لا تقوم بأكثر من تشغيل الأشياء وإيقافها. وبانتقالنا إلى التسعينيات، شهدنا انتشار وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة، أو ما تُعرف اختصارًا بـPLCs، في المصانع التي تُنتج سلعًا منفصلة بشكل واسع جدًا. وكانت هذه الوحدات الصغيرة القادرة على التعامل مع نحو 1000 نقطة إدخال/إخراج كل ثانية واحدة. أما اليوم، فقد تطورت وحدات التحكم الذكية الحديثة تطورًا كبيرًا. فهي قادرة الآن على التواصل مع الإنترنت الصناعي للأشياء (IIoT) بينما تنفّذ 15 مليون تعليمات في الثانية، وكل ذلك باستخدام طاقة أقل بنسبة 30٪ مقارنةً بالإصدارات الأقدم منها. ولا ننسَ أيضًا وحدات الحوسبة الطرفية (Edge Computing)، فهي تتيح للآلات التفكير بنفسها مباشرةً من مصدر التشغيل، مما يقلل الاعتماد على خوادم السحابة البعيدة بنحو النصف في العمليات الحيوية مثل تصنيع أشباه الموصلات، وفقًا لتقرير ديلويت الصادر العام الماضي.
تؤدي الأنظمة الحديثة ثلاث وظائف أساسية:
يدعم هذا النهج المتكامل وقت تشغيل بنسبة 99.95٪ في خطوط لحام السيارات ومعدلات عيب أقل من 0.1٪ في تعبئة الأدوية (دراسة ماكينزي 2023 لمؤشرات أداء التصنيع). ومع تطور أدوات التحكم في العمليات، أصبحت هذه الأنظمة قادرة بشكل متزايد على تشخيص احتياجاتها من الصيانة ذاتيًا، وتتنبأ بفشل المحركات قبل 800 ساعة عمل من حدوث الفشل.
اختيار وحدة التحكم الصحيحة يعني النظر في عدة عوامل أولاً. تُعد سرعة الاستجابة مهمة جدًا في التطبيقات مثل عمليات التقاط والوضع عالية السرعة، حيث يمكن أن تُحدث هامش ±10 مللي ثانية فرقًا كبيرًا. ثم هناك أيضًا متطلبات الدقة. غالبًا ما تحتاج أعمال صناعة أشباه الموصلات إلى تحملات أقل من ملليمتر واحد. ولا تنسَ قابلية التوسع أيضًا. يوصي معظم الخبراء بالاحتفاظ بسعة إضافية تتراوح بين 30 إلى 50 بالمئة لاستيعاب نمو الأعمال. وفقًا لأحدث بيانات الصناعة من العام الماضي، فإن أكثر من نصف حالات توقف الإنتاج في بيئات التصنيع المختلطة تنبع في الواقع من استخدام وحدات تحكم لا تتماشى مع احتياجات الآلات. وهذا يبرز حقًا أهمية مطابقة المواصفات الفنية مع ما يحدث على أرض المصنع للحفاظ على سير العمليات بسلاسة دون انقطاعات غير متوقعة.
متحكمات المنطق القابلة للبرمجة (PLCs) موجودة في الأساس في كل مكان تهم فيه القرارات التي تتم في جزء من الثانية، فكّر في خطوط التجميع التي تحتاج إلى الاستجابة خلال جزء من الألف من الثانية. هذه المتحكمات تحافظ على التشغيل السلس لآلات غلق الزجاجات التي يمكنها التعامل مع حوالي 400 زجاجة في الدقيقة، ناهيك عن أجهزة اللحام الروبوتية الفائقة الدقة التي تحقق دقة 0.05 مم في كل مرة. ما الذي يجعلها شائعة بهذا القدر؟ حسنًا، فإن برمجتها باستخدام منطق السلم (ladder logic) تسهّل كثيرًا إعداد سيور النقل للعمل معًا وتثبيت أقفال السلامة الحرجة في جميع أنحاء أرض المصنع. يشير خبراء الصناعة إلى أمر مثير للاهتمام من إحصائيات دليل التحكم في العمليات الأحدث - عند مقارنتها بالأنظمة الحاسوبية العادية، تقلل وحدات PLCs من وقت الإعداد بنسبة حوالي 40٪ في مصانع تصنيع السيارات. هذا النوع من الكفاءة يفسر سبب بقائها الخيار المفضل على الرغم من جميع التقنيات الجديدة الرائعة التي تظهر باستمرار.
تُظهر أنظمة التحكم الموزعة (DCS) تميزها حقًا في البيئات الصناعية حيث يجب أن يعمل كل شيء معًا عبر منشأة بأكملها. فعلى سبيل المثال، في مصافي تكرير النفط، يمكن لهذه الأنظمة الحفاظ على درجات الحرارة مستقرة ضمن نطاق نصف درجة مئوية، حتى عند إدارة أكثر من 5000 نقطة إدخال/إخراج في جميع أنحاء المصنع. وتستخدم هذه الأنظمة أساليب تحكم متقدمة للتعامل مع عمليات معقدة مثل التكسير الحفزي، مع الحفاظ على تشغيل شبه مثالي بنسبة تقارب 99.8٪ خلال فترات التشغيل المستمر. وتأتي الإصدارات الحديثة من أنظمة DCS مزودة بخصائص صيانة ذكية تتوقع فعليًا أعطال المعدات قبل حدوثها. وتشير المصانع التي تستخدم هذه الأنظمة الحديثة إلى انخفاض يبلغ حوالي 57٪ في حالات الإيقاف المفاجئة مقارنة بالأنظمة القديمة، مما يحدث فرقًا كبيرًا من حيث السلامة وكفاءة الإنتاج.
تجمع وحدات التحكم الآلية القابلة للبرمجة بين ميزات التحكم الموثوقة في وحدات التحكم المنطقية التقليدية (PLCs) والقدرة الحاسوبية الكبيرة لأجهزة الكمبيوتر العادية، مما يجعلها مناسبة جدًا للتعامل مع المهام المعقدة. فكّر في خطوط التعبئة والتغليف التكيفية التي تحتاج إلى إدارة أكثر من 15 نوعًا مختلفًا من المنتجات في آنٍ واحد. يمكن لهذه الأنظمة تشغيل برمجيات منطق السلم ولغات البرمجة المتقدمة مثل C++ أيضًا. تتيح هذه القدرة المزدوجة للمصنّعين توصيلها بأنظمة رؤية آلية متقدمة تكتشف العيوب بمعدل مثير للإعجاب يبلغ 120 صورة في الثانية. أشارت بعض الدراسات الصادرة العام الماضي إلى أنه عند تنفيذ الشركات لتكنولوجيا وحدات التحكم الآلية القابلة للبرمجة في عمليات معالجة الأغذية، فإنها تشهد عادةً زيادة بنسبة 22 بالمئة تقريبًا في الفعالية الشاملة للمعدات بفضل مراقبة الجودة بشكل أفضل في الوقت الفعلي.
شهدت إحدى شركات الكيماويات المتخصصة انخفاضًا في دورة إنتاج الدُفعات بنسبة تقارب الثلث عندما استبدلت أنظمة المرحلات القديمة بأنظمة تحكم برمجية متقدمة (PACs) تأتي مزودة بقواعد بيانات SQL مدمجة مباشرة من المصنع. وقد أدى هذا التغيير إلى إلغاء 18 مهمة يدوية مملة لإدخال البيانات، وضمان الامتثال للاشتراطات الصارمة لهيئة الغذاء والدواء الأمريكية (المادة 11 على وجه التحديد) من خلال سجلات رقمية آمنة لا يمكن تعديلها لاحقًا. وفي الوقت نفسه، في مصنع للصلب يعمل باستمرار في عمليات الجلفنة، تمكن المهندسون من الحفاظ على تشغيل العمليات بسلاسة بنسبة 99.95٪ من الوقت، حتى مع التعامل مع كميات هائلة يوميًا. وقد تحقق ذلك من خلال تركيب أنظمة تحكم احتياطية مزودة بوحدات إدخال/إخراج خاصة يمكن استبدالها فورًا دون إيقاف الإنتاج، وهي نتيجة مثيرة للإعجاب بالنظر إلى أن المصنع يعالج حوالي 1,200 طن يوميًا.
يعتمد الأتمتة الفعالة على أنظمة إدخال/إخراج (I/O) مضبوطة بشكل صحيح وعلى بروتوكولات اتصال قوية تضمن تفاعلًا سلسًا بين أجهزة الاستشعار والمشغلات وأجهزة التحكم في البيئات الديناميكية.
عند العمل مع الأنظمة الصناعية، يحتاج المصممون إلى معرفة الفرق بين الأجهزة الثنائية التي تقوم فقط بتشغيل الأشياء أو إيقافها، والأجهزة ذات المدى المتغير التي تتعامل مع تدفقات البيانات المستمرة. خذ على سبيل المثال الإدخال/الإخراج الرقمي (Discrete I/O)، فهو يتعامل بشكل أساسي مع إشارات بسيطة من نوع نعم/لا تأتي من أشياء مثل مفاتيح الحد أو الأزرار الضاغطة. من ناحية أخرى، يعمل الإدخال/الإخراج التناسبي (Analog I/O) مع قياسات مستمرة مثل قراءات درجة الحرارة أو مستويات الضغط عبر الزمن. وهذه تتطلب معدلات عينة أدق بكثير للحفاظ على الإشارة الفعلية سليمة دون فقدان التفاصيل المهمة. يُوصي معظم المهندسين ذوي الخبرة بالاحتفاظ بنحو 25 نقطة إدخال/إخراج إضافية في تصميم النظام. ولماذا؟ لأنه لا يمكن لأحد التنبؤ بدقة بالتغييرات التي قد تطرأ لاحقًا عندما يتم تحديث العمليات أو توسيعها.
وضع خزائن المدخلات/المخرجات بجوار غرف التحكم يساعد على تقليل التداخل الكهربائي، رغم أن هذا الترتيب غالبًا ما يعني التعامل مع عدد كبير من الأسلاك الطويلة المنتشرة في كل مكان. عندما تقوم الشركات المصنعة بتثبيت وحدات المدخلات/المخرجات الموزعة بالقرب من المعدات الفعلية، يمكنها توفير مساحة كبيرة من الكابلات. تشير بعض التقارير إلى وفورات تتراوح بين ستين إلى ثمانين بالمئة في المرافق الصناعية الكبيرة. يتجه العديد من الشركات الآن إلى استخدام محطات المدخلات/المخرجات البعيدة ذات التصنيف IP67 التي يمكن تركيبها مباشرة على آلات الإنتاج. تعمل هذه الأنظمة بشكل ممتاز لجمع بيانات فورية من أجهزة الاستشعار حتى في الظروف القاسية نسبيًا على أرضية المصنع.
يُعتبر الإيثرنت/IP الرائد في التركيبات الحديثة بسرعة نقل تبلغ 100 ميجابت في الثانية وتوافق أصلي مع منصات إنترنت الأشياء الصناعية (IIoT). ويظل Modbus TCP مستخدمًا على نطاق واسع لدمج الأجهزة القديمة في الشبكات الجديدة. وتؤكد المبادئ التوجيهية الصناعية على هذه البروتوكولات لما توفره من اتصال سلس مع الأنظمة الإشرافية مثل SCADA وMES.
تعمل العديد من المصانع بمعدات من موردين متعددين تمتد عبر عقود. وتقوم محولات البروتوكولات بتوصيل الأجهزة القديمة التي تعمل ببروتوكول RS-485/Modbus RTU بالشبكات القائمة على الإيثرنت. ويمنع رسم التوبولوجيا الحالية للحافلات الميدانية خلال مرحلة التخطيط إعادة التهيئة المكلفة، مع برز OPC UA كحل مفضّل لتوحيد البيئات متعددة البروتوكولات.
عندما تُزاوج أنظمة إنترنت الأشياء الصناعية (IIoT) مع قدرات الحوسبة الطرفية، فإنها تقلل من تأخيرات البيانات بشكل كبير - حيث تُظهر أبحاث معهد بونيمون انخفاضًا بنسبة حوالي 70%. وهذا يعني أن الآلات يمكنها بالفعل معالجة المعلومات مباشرة في الموقع بدلاً من انتظار استجابات السحابة. ومع توسع هذه الشبكات عبر خطوط التصنيع، فإن الأطر القابلة للتوسع لأنترنت الأشياء الصناعية تتولى النمو دون عناء، وبالتزامن مع البقاء ضمن الحدود التنظيمية التي تضعها جهات مثل المنظمة الدولية للمعايير (ISO) من خلال إطار عمل 55000 الخاص بها. خذ على سبيل المثال طبقة التشغيل البيني لإنترنت الأشياء (WoT Interoperability Layer). تُظهر الاختبارات الواقعية في المصانع الذكية أنها تقوم بتوصيل البروتوكولات المختلفة بنجاح بنسبة 98% تقريبًا، على الرغم من أن تحقيق تلك النقاط القليلة المتبقية غالبًا ما يتطلب بعض الضبط الدقيق بناءً على ظروف المصنع المحددة وقضايا التوافق مع المعدات القديمة.
تتيح التصاميم المعيارية ترقيات للأنظمة أسرع بنسبة 30٪ مقارنةً بالهياكل الثابتة، استنادًا إلى معايير التصنيع لعام 2024. وتُمكّن تقنية النموذج الرقمي المهندسين من محاكاة التوسعات الإنتاجية قبل إجراء التغييرات الفعلية. وتشير الموردون من المستوى الأول إلى انخفاض تكاليف إعادة التجهيز بنسبة 40٪ عند استخدام أنظمة قائمة على المكونات تدعم ترقيات IIoT التدريجية.
تبلغ منصات البرمجة الحديثة توافقًا بنسبة 99٪ مع الأنظمة القديمة من خلال مشغلات اتصال عالمية—وهو أمر بالغ الأهمية في المصانع التي تستخدم معدات من موردين متعددين. وتتكامل أحدث حزم البرمجيات بشكل أصلي مع واجهات المستخدم الرسومية (HMI) ونظام تنفيذ الإنتاج (MES)، مما يقلل وقت الدمج بنسبة 50٪ في التطبيقات الخاصة بالسيارات (Ponemon 2023).
تُخصِّص الشركات المصنعة الرائدة 25٪ من ميزانيتها للتشغيل الآلي لأنشاء بني تحتية غير مرتبطة بأي بروتوكول معين، معترفة بأن معايير الاتصال تتغير كل 3 إلى 5 سنوات (Ponemon 2024). وقد مكّن طبقة التشغيل البيني لإنترنت الأشياء (WoT) من تسريع عملية تشغيل الأجهزة بنسبة 85٪ من خلال التوحيد الدلالي، مما أثبت أهميتها في الحفاظ على التوافق العكسي أثناء اعتماد مستشعرات ومُفعِّلات جديدة من إنترنت الأشياء الصناعي (IIoT).
تقوم معدات التحكم في الأتمتة برصد العمليات، واتخاذ القرارات، وتعديل النظام، مما يضمن جودة وكفاءة الإنتاج المثلى.
تُعد وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) مثالية للمهام المتقطعة والسرعات العالية، في حين تُستخدم أنظمة التحكم الموزعة (DCS) في العمليات المستمرة على نطاق واسع والتي تتطلب تنسيقًا شاملاً للمنشأة.
يضمن التوافق والتكامل منع إعادة التهيئة المكلفة ويتيح التفاعل السلس بين المعدات من موردين مختلفين.
يعزز تكامل إنترنت الأشياء الصناعي سرعة معالجة البيانات في الموقع، مما يقلل من التأخير ويوسع الأطر القابلة للتوسيع لإدارة نمو الشبكة.
حقوق النشر © 2024 بواسطة شركة شنتشن كيدا للإلكترونيات المحدودة
EN