أهمية استخدام البيانات الفورية للتحكم في التطبيقات الصناعية الحديثة

لماذا أصبحت البيانات في الوقت الفعلي ضرورية في أرضيات المصانع الحديثة

لم تعد الأتمتة الصناعية مقتصرة على وحدات تحكم معزولة تشغّل آلات فردية. إذ تعتمد المنشآت الحديثة الآن على أنظمة مترابطة تتبادل باستمرار البيانات التشغيلية بين وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs)، وأجهزة الحافة، ووحدات التحكم الموزعة، وأجهزة الاستشعار، ومنصات المؤسسات.

ومع اعتماد البيئات الصناعية على الحوسبة الطرفية وبنى إنترنت الأشياء الصناعي (IIoT)، أصبحت القدرة على معالجة البيانات في الوقت الفعلي بتوقيت حتمي مطلبًا أساسيًا، لا مجرد ميزة تنافسية.

الشكل 1. يجب أن تدير أنظمة التشغيل الصناعية الحديثة التنفيذ الحتمي والاتصال المتزامن عبر أصول الأتمتة المترابطة.

وعلى خلاف أنظمة الحوسبة المؤسسية التقليدية التي تعطي الأولوية لكفاءة وحدة المعالجة المركزية وتعدد المهام، يجب أن تضمن أنظمة التحكم الصناعية تنفيذ العمليات الحرجة ضمن نوافذ زمنية دقيقة. وحتى التفاوت في زمن الاستجابة بمقدار ميلي ثانية قد يؤثر في تنسيق الآلات أو استقرار العمليات أو سلامة العاملين.

تحمل الشبكات الصناعية نوعين مختلفين تمامًا من حركة البيانات

يتمثل أحد أكبر التحديات المعمارية في الأتمتة الصناعية في تقارب التكنولوجيا التشغيلية (OT) وتكنولوجيا المعلومات (IT). فكلا البيئتين يشترك في البنية التحتية، لكن أولويات الاتصال تختلف اختلافًا كبيرًا.

تتطلب حركة بيانات OT توقيتًا حتميًا

تتعامل شبكات التكنولوجيا التشغيلية مع وظائف التحكم الحساسة زمنيًا. إذ تعتمد أنظمة الحركة، والأذرع الروبوتية، ووحدات التحكم في التوربينات، ومزامنة الإدخال/الإخراج عالية السرعة، على زمن استجابة يمكن التنبؤ به وتذبذب زمني بالغ الانخفاض.

فعلى سبيل المثال، عندما يتلقى مناول روبوتي أمر التقاط من نظام لتتبع الناقل، يجب أن يظل تأخير الاتصال ثابتًا. فأي انحراف زمني غير متوقع قد يعرقل تسلسل الإنتاج أو يتسبب في تلف المعدات.

غالبًا ما تجمع المنشآت التي تنشر أنظمة متقدمة لحماية الآلات بين الاتصال الحتمي ومنصات مراقبة الحالة، مثل أنظمة حماية الآلات Bently Nevada 3500، لتحسين موثوقية الأصول والرؤية التشغيلية.

الشكل 2. يجب أن تدعم البنية التحتية للاتصالات الصناعية كلاً من حركة بيانات التحكم الحتمية وبيانات المؤسسات ذات معدل النقل العالي.

تعطي حركة بيانات IT الأولوية لمعدل النقل وقابلية التوسع

تركز أنظمة تكنولوجيا المعلومات على نقل كميات كبيرة من البيانات التشغيلية عبر بيئات المؤسسات. وتعطي تدفقات الفيديو، والتحليلات السحابية، وقواعد بيانات الصيانة، وأنظمة إعداد التقارير، الأولوية لعرض النطاق الترددي وقابلية التوسع بدلًا من التوقيت الحتمي.

تاريخيًا، عملت أنظمة OT وIT بشكل مستقل لأن متطلبات الاتصال بينها كانت غير متوافقة. إلا أن المنشآت الصناعية الحديثة تحتاج بشكل متزايد إلى تعايش نوعي حركة البيانات على بنية تحتية موحدة للشبكة.

تعيد الشبكات الحساسة للوقت تشكيل إيثرنت الصناعي

تبرز الشبكات الحساسة للوقت (TSN) بوصفها إحدى أهم التقنيات الداعمة لتقارب OT وIT. إذ تعزز TSN معيار إيثرنت من خلال إدخال سلوك اتصال حتمي لحركة البيانات الصناعية.

وباستخدام TSN، تحصل حزم التحكم الحرجة على نوافذ إرسال مضمونة، بينما تواصل حركة البيانات غير الحرجة مشاركة الشبكة المادية نفسها. وتقلل هذه البنية من تعقيد الأجهزة وتخفض تكاليف النشر مقارنة بالحفاظ على شبكات تحكم معزولة.

غالبًا ما تدمج الشركات المصنعة الصناعية التي تنشر بنى موزعة قابلة للتوسع وحدات تحكم متوافقة مع TSN إلى جانب منصات أنظمة Siemens SIMATIC S7 والبنية التحتية للأتمتة المتصلة بالحافة.

زمن الاستجابة والتذبذب الزمني أهم من السرعة الخام

يربط كثير من المهندسين خطأً بين أداء الشبكات الصناعية ومعدل النقل وحده. لكن التوقيت الحتمي يكون في الواقع أهم غالبًا من عرض النطاق الترددي المطلق.

يحدد زمن الاستجابة مدى سرعة وصول البيانات إلى وجهتها، بينما يقيس التذبذب الزمني اختلاف التوقيت بين عمليات الإرسال. وفي التحكم في الحركة، وحماية التوربينات، وعمليات التصنيع المتزامنة، يُعد التحكم في التذبذب الزمني ضروريًا لاستقرار التشغيل.

وقد تصبح الشبكة القادرة على نقل كميات كبيرة من البيانات غير موثوقة للتحكم الصناعي إذا تغير توقيت الاتصال على نحو لا يمكن التنبؤ به.

توضح محطات الطاقة سبب أهمية البنى المعمارية في الوقت الفعلي

تقدم منشآت توليد الطاقة الكبيرة مثالًا واضحًا على سبب تحول الاتصال في الوقت الفعلي إلى عنصر لا غنى عنه في الأتمتة الصناعية.

ففي محطة طاقة حديثة، تنقل مئات المستشعرات الموزعة البيانات التشغيلية باستمرار، بما في ذلك قراءات الضغط، وقيم الاهتزاز، وتركيزات الغازات، وقياسات درجة الحرارة.

الشكل 3. تعتمد المراقبة الصناعية في الوقت الفعلي على اكتساب متزامن لبيانات المستشعرات وبنية تحتية حتمية للاتصالات.

وتظل قيمة جزء كبير من هذه البيانات مرتفعة لفترة قصيرة جدًا فقط. فإذا تأخر استخدامها إلى ما بعد نافذتها التشغيلية، فقد لا تعود المعلومات داعمة لاتخاذ قرارات آمنة أو فعالة بشأن التحكم في العملية.

لذلك تحتاج بوابات الحافة، وأنظمة الإدخال/الإخراج الموزعة، ووحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs)، إلى قدرات اتصال حتمية لمعالجة بيانات المستشعرات في الوقت الفعلي. وغالبًا ما تجمع هذه الأنظمة بين إيثرنت صناعي سلكي وشبكات اتصال صناعية لاسلكية تعمل ضمن قيود زمنية صارمة.

أصبحت البرمجيات لا تقل أهمية عن الأجهزة

ركز مهندسو الأتمتة الصناعية تقليديًا بدرجة كبيرة على اختيار أجهزة وحدات التحكم. أما اليوم، فأصبحت حزمة البرمجيات بالقدر نفسه من الأهمية.

تعمل المعالجات الصناعية الحديثة بشكل متزايد على دمج أعباء العمل في الوقت الفعلي وخارجه على منصة واحدة. ويقلل ذلك من تكلفة البنية التحتية ويبسط الصيانة، لكنه يتطلب أيضًا بيئات تشغيل محسّنة بدرجة عالية.

وتدعم أنظمة التشغيل في الوقت الفعلي وتوزيعات Linux الصناعية الآن الاتصال الحتمي، والجدولة المتزامنة، والمعالجة الآمنة على الحافة ضمن المنصة المادية نفسها.

الشكل 4. تجمع برمجيات الحافة في الوقت الفعلي بين الاتصال الحتمي والأمان والإدارة القابلة للتوسع للتطبيقات الصناعية.

سيكون عنق الزجاجة الصناعي التالي هو توقيت البيانات

ركزت الرقمنة الصناعية لسنوات عديدة بشكل أساسي على زيادة الاتصال. أما التحدي التالي فهو ضمان دقة توقيت ذلك الاتصال.

تضيف المصانع مزيدًا من المستشعرات، وأنظمة الرؤية الآلية، والروبوتات المستقلة، ومنصات الصيانة التنبؤية، وأدوات التحليلات المدعومة بالذكاء الاصطناعي. وتزيد هذه التقنيات باستمرار من حجم حركة البيانات وتعقيد المزامنة على الشبكة.

وستواجه المنشآت غير القادرة على الحفاظ على أداء اتصال حتمي مشكلات متزايدة في الموثوقية مع توسع أعباء العمل التشغيلية.

رأي الكاتب

لا يزال كثير من مشغلي المنشآت الصناعية يقللون من أهمية الدور الحاسم الذي ستؤديه الشبكات الحتمية خلال العقد المقبل. فإضافة أجهزة مترابطة ببساطة، من دون إعادة تصميم البنية التحتية للاتصالات، تنشئ بيئات أتمتة غير مستقرة يصعب استكشاف أعطالها.

وستكون المنشآت الصناعية التي تحقق مرونة تشغيلية طويلة الأجل هي تلك التي تستثمر مبكرًا في بنى TSN، والحوسبة الطرفية في الوقت الفعلي، واستراتيجيات الاتصال المتكاملة بين OT وIT. فلم تعد البيانات في الوقت الفعلي مجرد أداة لتحسين الأداء، بل أصبحت أساسًا للإنتاج الصناعي الآمن والقابل للتوسع.

بقلم دانيال ميرسر، مراسل أول للأنظمة الصناعية يتمتع بخبرة 14 عامًا في تغطية الشبكات الصناعية، وأنظمة التحكم في التوربينات، ومنصات الأتمتة في الوقت الفعلي. وتشمل خبرته مشاريع تكامل ميدانية تضمنت بنى تحتية من Siemens وEmerson وHoneywell وBently Nevada في منشآت توليد الطاقة وتصنيع العمليات.