وفي المجالات السريعة التطور للتشغيل الآلي، والصناعة التحويلية، ومراقبة العمليات، تشكل نظم الحلقات المغلقة العمود الفقري لعمليات الدقة، من تنظيم ردود الفعل الكيميائية في المصانع الصيدلانية إلى الحفاظ على مواقع الأسلحة الآلية في خطوط التجميع الآلي، ويتوقف أداء هذه النظم على التبادل المستمر والموثوق للبيانات بين أجهزة الاستشعار، والمراقبين، والمحاضرين، والوصلات البينية بين المتجانسين، بما يكفل وجود دور حاسم في مجال الاتصال بين البائعين.

Understanding closed Loop Systems

ويقارن نظام مغلق للثغرات، يعرف أيضا باسم نظام مراقبة التغذية المرتدة، باستمرار الناتج الفعلي لعملية ما بنقطة محددة مرغوبة، ويعدل المدخلات لتقليل أي خطأ إلى أدنى حد، وهذه الآلية الإصلاحية التي تحركها الأخطاء تتيح التنظيم التلقائي لمتغيرات مثل درجة الحرارة، والضغط، ومعدل التدفق، والسرعة، والوضع، مع الحد الأدنى من التدخل البشري، وعلى سبيل المثال، فإن إحداث حرارة في نظام مراقبة المناخ يُقِّد درجة حرارة من الحرارة، ويقارنها باله إلى الهدف، ويُضَمُصَّدُ على التثِّيِّمُ على التثِّيِّيِّيِّيِّيِّيِّيِّيِّيِّيِّيِّيْر أو يُه.

ويشتمل الهيكل الأساسي لنظام حلقات مغلقة على جهاز استشعار يقيّم الناتج، ومراقب يُجرّم الإشارة الخاطئة ويُجسّد تصحيحاً، ومُلَكِّم يُطبّق تصحيحاً على العملية، وقد تكون حلقة التعقيب نفسها مُوزّعة على أساس نقائص مُعدّة أو رقمي أو سلكي أو سلكي، ويمكن أن تنطوي على مستويات متعددة من التسلسل الهرمي للرقابة على الضبط الدقيق البسيط (اليات الافتراضية) في أجيال البرمجة.

والقابلية للتبادل في نظم الحلقات المغلقة تعني أن جهاز استشعار من علامة تجارية يمكن أن يرسل بيانات قياس إلى متحكم من علامة تجارية أخرى، وأن بإمكان المراقب أن يصدر أوامر إلى محرر من علامة ثالثة، دون أن يتطلب ذلك كله مترجمين معدات أو برمجيات، وهذا التوافق يقلل من الجهد الهندسي، ويقلل من إدارة قطع الغيار، ويتيح إجراء تحسينات إضافية، وعلى العكس من ذلك، فإن نظم الصيانة المغلقة، دون قابلية التشغيل المتبادل، كثيرا ما تصبح مقفلة.

أهمية معايير التشغيل المتبادل

وتحدد معايير التشغيل المتبادل القواعد، وأشكال البيانات، وبروتوكولات الاتصالات التي تسمح بتبادل الأجهزة والنظم المعلومات واستخدامها بفعالية، وتعالج هذه المعايير في تطبيقات الحلقات المغلقة طبقات متعددة: الربط المادي (الربط، والوصلات)، وتجميع البيانات (كيفية تمثيل قيمة درجة الحرارة)، والعلامات الاصطناعية (ما يعنيه الأمر مثل " المضيق إلى 50 درجة مئوية " )، بل وحتى حواجز أمنية واكتشافية أعلى مستوى.

تعزيز المكونات العكسية عبر الحدود

ومن أكثر الفوائد المباشرة لمعايير التشغيل المتبادل القدرة على خلط العناصر من مختلف الموردين ومطابقتها، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يؤدي جهاز نقل الضغط الذي يمتثل لمعايير المنظمة الدولية للشبكة إلى تحويل أي جهاز تصنيع رئيسي يدعم الشبكة الدولية للشبكة، ويوفر بيانات عن المعايرة الرقمية، والتشخيص، وقيم العمليات عن طريق وصلة مشتركة.

وفي مراقبة النوافذ المغلقة، كثيرا ما تكون النواقص والثباتات والحاسمة حاسمة، إذ أن معايير مثل الإيثرات والشبكة توفر اتصالات عالية السرعة ومحددة تكفل تبادل البيانات المستشعرة وقيادات الملجأ في غضون فترة زمنية صارمة، ويمكن لمصممي النظم، من خلال التقيد بهذه المعايير، أن يضمنوا إمكانية التنبؤ بوقت إغلاق الحلقة ومستقل عن العلامة التجارية المحددة للجهاز، مثلا في بروتوكول يستعمل فيه أجهزة التغليف ذات الوقت العالي.

تيسير تبادل البيانات الموثوق به والدقيق

(ب) إن تبادل البيانات الدقيق هو مدى الحياة في مراقبة التغذية المرتدة، وتتأكد معايير التشغيل المتبادل من أن القيم العددية (مثل درجة الحرارة في كلسوس)، والوحدات، والعوامل المتطورة، وأنواع البيانات تفسر بصورة متسقة عبر جميع الأجهزة، وهذا الاتساق يحول دون سوء قراءة القيم المستشعرة أو سوء تفسير النطاقات القيادية، مما يمكن أن يؤدي إلى تشغيل غير مأمون أو غير فعال.

وعلاوة على ذلك، تشمل المعايير الحديثة الكثير من آليات بناء نوعية البيانات، وتوقيت التمرين، والمعلومات عن الحالة، فعلى سبيل المثال، لا تكشف مرافقات مكتب المدعي العام عن قيم العمليات فحسب، بل أيضاً بيانات مستوفية عن صحة أجهزة الاستشعار، والمعايرة الواجبة، وأساليب المحاكاة، وهذه المعلومات الغنية تتيح للمراقب اتخاذ قرارات أفضل - مثل التحول إلى جهاز استشعار احتياطي إذا كان المعالج الرئيسي قد أُغلق على الدولة.

تخفيض قيمة التكامل ومجموع تكلفة الملكية

وعندما تستخدم المعايير القابلة للتشغيل من البداية، يصبح تكامل النظام أكثر استقامة، ويمكن للمهندسين الاعتماد على السائقين المصدقين والمواصفات التشكيلية المثبتة مسبقا، بدلا من كتابة مدونة قواعد لكل مجموعة من الأجهزة، مما يقلل ساعات الهندسة ويعجل بالتكليف ويبسط عمليات التوسع أو التحديث في النظام في المستقبل، وعلى المدى الطويل، تواجه المرافق ذات طبقات الاتصال الموحدة تكلفة كاملة من الملكية لأنها لا تضطر إلى استبدال نظم التحكم في النظام.

معايير التشغيل البيني لنظم لووب مغلقة

وقد أصبحت عدة معايير معتمدة على نطاق واسع في جميع القطاعات الصناعية، حيث أن كل منها يخدم احتياجات محددة من الاتصالات - من المستوى الميداني الأول/المكتب إلى تكامل البيانات على نطاق المؤسسة، ويساعد فهم أدوارها مصممي النظم على اختيار المجموعة المناسبة لتطبيقات حلقات العمل المغلقة.

OC UA (OPC Unified Architecture)

وتتولى مؤسسة حظر الأسلحة التقليدية، التي أنشأتها مؤسسة حظر الأسلحة الكيميائية، وضع بروتوكول اتصال آلي يزود بأجهزة اتصال تقدم نماذج البيانات والأمن وقدرات النقل، وخلافاً لما سبقها (التقليدي) فإن منظمة حظر الأسلحة الكيميائية تعتمد على المنهاج ويمكنها أن تدار على كل ما يُستخدم من أجهزة مراقبة مدمجة إلى خواديم سحابية، وهي تدعم أنماطاً من أجهزة الإنذار المزودة بالحواسيب وأجهزة الشاشة (PublySubribe)

Ethernet for Control Automation Technology)

(أ) إنَّ الإيثرت أوكس أوكستر هو عبارة عن حافلة ميدانية مصممة على نطاق واسع لتطبيقات ذات وقت حقيقي، وتُحقق فترات دورة من عشرات الاثناتات الدقيقة عن طريق تجهيز البيانات عن الذبابة التي تمر بها كل جهاز، وهذا الأداء مثالي لحلقات مغلقة عالية السرعة مثل مراقبة حركة التعبئة والطباعة والمناولة المادية، ويحتفظ فريق تكنولوجيا الانفتاح EtherCAT بدورة المعيارية Iex58.

PROFINET AND PROFIBUS

(ب) إن نظام " بروفينت " هو معيار آخر معتمد على نطاق واسع (الشبكة الدولية للكهرباء 61158 و61784) يدعم كلا من الاتصال في الوقت الحقيقي (الشبكة الدولية للأخطار المدارية) ويستخدم عادة في التشغيل الآلي للسيارات والمصانع لتنسيق المقاصد المتعددة أو إدماج مهام الأمان عن طريق برنامج " بروفيزي " ، الذي سيلفه المتسلسل، ويظل سائدا في صناعات العمليات من أجل ربط الأجهزة الميدانية مثل

(أ) معيار اتصال من نقطة إلى نقطة يربط أجهزة الاستشعار والمؤقتين بجهاز رئيسي (في كثير من الأحيان مركز PLC أو IO-Link) باستخدام كابل نموذجي ذي ثلاثي، ويوفر الاتصالات الرقمية إلى جانب إشارات التحويل التقليدية، ويتيح المواصفات، والتشخيص، وتحديد الأجهزة.

IEC 61131-3

وفي حين أن معيار لغة البرمجة في المقام الأول، فإن اللجنة الدولية المعنية بالتكنولوجيا 61131-3 تؤدي دوراً حيوياً في منطق الرقابة بين الأجهزة، فهي تحدد خمس لغات برمجة (الرسم البياني، وبيان البرمجة، والنص الهيكلي، وقائمة التوجيه، ورسم المهام المميزة) تستخدم في جميع الشركات المصنعة الرئيسية تقريباً.

كما تظهر معايير إضافية مثل نظام تبادل المعلومات عن التكنولوجيا المحتوية على الوزن الخفيف، ورقم المقارنات التقنية في مجال الربط بالأجهزة القديمة في سياقات مغلقة، رغم أنها قد تحتاج إلى رعاية إضافية للتوقيت المحدد، ويتوقف المزيج الصحيح على متطلبات التطبيق المحددة للسرعة، والرادعة، والأمن، وتوافق النظم الإيكولوجية.

التحديات في تحقيق قابلية التشغيل البيني

وعلى الرغم من المزايا الواضحة، فإن تطبيق معايير التشغيل المتبادل في نظم حلقات مغلقة ليس بدون عقبات، ومن العوائق الهامة انتشار المعدات القديمة التي تستخدم بروتوكولات ملكية من عهد قبل أن تكون المعايير المفتوحة مشتركة، ويمكن أن تكون إعادة استخدام هذه النظم باهظة الثمن، وقد تتطلب من محولي المراسم أو حتى استبدال متحكمين كاملين، مما قد يتردد بعض المرافق في القيام به بسبب تكاليف خفض الوقت الإنتاجي، بالإضافة إلى أنه حتى عندما توجد معايير مختلفة، يمكن للبائعين تنفيذ هذه الملامحات اختيارية.

وثمة تحد آخر يتمثل في ضرورة الاتصال المحدد والمنخفض في حلقات مغلقة عالية السرعة، إذ أن بعض المعايير (مثل نظام تبادل المعلومات MQTT أو نظام HTTP) مصممة من أجل الاتصال المرن والضارب بدلا من التحكم في الوقت الحقيقي، وأن استخدام هذه المعايير في حلقة تتطلب أوقاتا دراسية في إطار ثاني مليئ من الثانية يمكن أن يؤدي إلى حدوث انقطاع عن البيانات، مما يؤدي إلى عدم الاستقرار، كما أن المصممين النظاميين يتوافقون مع المعايير المتطورة باستمرار مع متطلبات الأداء.

كما أن قفل البائعين مستمر، حيث أن بعض الصانعين يقدمون تحسينات على أعلى المعايير التي لا تعمل إلا مع منتجاتهم، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تدعم الحملة المعيارية " PROFINET " ، ولكن بارامترات التصحيح المتقدمة التي تستخدمها لا يمكن الوصول إليها إلا عن طريق أداة استرجاع الملكية، مما يخلق مجالا رماديا من حيث قابلية التشغيل الجزئية يمكن أن يعقّد النظام أو تشكيلات متعددة الأطراف.

الاتجاهات المستقبلية والاتجاهات الصناعية

وتتكون مسار معايير التشغيل البيني في نظم المعلومات المغلقة من اتجاهات أوسع في الصناعة 4، والإنترنت الصناعي للأشياء، والرقمنة، ومن التطورات الرئيسية تقارب تكنولوجيا المعلومات وشبكات تكنولوجيا العمليات، وتستهدف معايير مثل نظام تبادل البيانات في الأرضيات المغلقة (شبكة الاتصالات اللاسلكية عبر الزمن) جعل الاتصالات ذات الطابع المحدد والمباشرة مع نظام مراقبة تكنولوجيا المعلومات.

وثمة اتجاه آخر ناشئ يتمثل في استخدام نماذج معلومات موحدة، تسمى أحياناً قذائف إدارة الأصول أو التوأم الرقمي، تلخص دورة الحياة الكاملة لمواصفات الأجهزة، وتشكيلها، وأدائها التاريخي، وحتى نماذج المحاكاة، وتيسر هذه النماذج قيام جهاز متحكم مغلق بالسبب في قدرات الجهاز وصحته، وتكيف استراتيجيته للتحكم وفقاً لذلك، فعلى سبيل المثال، يمكن للمضخة التي تحمل توأم رقمي أن تبلغ عن ارتدائها على جهاز التعبئة(41).

كما أن الحوسبة والذكاء الاصطناعي يؤثران على قابلية التشغيل المتبادل، ويمكن أن تطبق أجهزة الإدخار التي تجمع البيانات من حلقات مغلقة متعددة التعلم الآلي لكشف الشذوذ أو التنبؤ باحتياجات الصيانة، ولكي تكون هذه النظم فعالة، يجب أن تتلقى بيانات عالية الجودة ومؤقتة من مجموعة متنوعة من أجهزة الاستشعار والتحكم، التي تعتمد مرة أخرى على معايير الربط بين الأجهزة وبين الأجهزة.

وأخيرا، أصبحت معايير الأمن السيبراني جزءا لا يتجزأ من أطر التشغيل المتبادل، إذ توفر سلسلة التصنيفات الدولية رقم 62443 مجموعة شاملة من المعايير المتعلقة بأمن نظام التشغيل الآلي الصناعي ونظام المراقبة، ولا يجب على الأجهزة المشتركة بين الأجهزة أن تتواصل بصورة فعالة فحسب، بل أن توثق بعضها بعضا، وأن تشفّر البيانات، وتستجيب للحوادث الأمنية بطريقة منسقة، وسيتطلب نظم الحلقات المغلقة في المستقبل بصورة متزايدة أن تفي جميع العناصر بمستويات أمنية محددة يمكن استخدامها في عمليات مشتركة.

وفي الختام، فإن معايير التشغيل المتبادل هي أساس لنظم الحلقات المغلقة الحديثة، فهي تتيح التوافق بين العهود، وتخفض تكاليف التكامل، وتحسن موثوقية البيانات، وتمهيد الطريق أمام القدرات المتقدمة مثل التوأم والمحللين الرقميين، وفي حين أن التحديات مثل التكامل بين الإرث، وقيود الأداء، والأمن لا تزال قائمة، فإن التطورات الجارية في شبكة TSN، والنماذج الاصطناعية، وأمن الفضاء الإلكتروني، لا تكفل بشكل مطرد المرونة في مجال الصناعة التحويلية.