شبكات تحديد السمات لنظم التشغيل الآلي النموذجية والتوسعية

أسس البروفات في مجال الاتصالات الصناعية

وكان الرسم البياني (Process Field Bus) حجر الزاوية في التشغيل الآلي الصناعي منذ إدخاله في أواخر الثمانينات، وقد وضعه سيمونز ثم تم توحيده في إطار الدورة 61158 و61784، ويوفر البروتوكول اتصالات محددة ومباشرة بين الأجهزة الميدانية ومراقبي المنطق القابل للبرمجة، ووصلات موصلات بينية وقودية ووصلات بينية متفائل بين الكبلات ومساحية مختلفة (HMIs).

ويتطلب تصميم شبكات الصور الخاصة بالنظم الآلية النموذجية والآخذة في التوسع فهما عميقا لفيزياء الحافلات، وسلوك الأجهزة، والهيكل على مستوى المنظومة، والهدف هو إنشاء شبكة قادرة على استيعاب النمو دون المساس بالعامل المحدد أو الموثوقية، وتحتاج مرافق التصنيع الحديثة إلى المرونة: إعادة تشكيل خطوط الإنتاج، وإضافة محطات جديدة، ويجب أن تتعايش المعدات القديمة مع أجهزة الاستشعار الذكية.

Profibus Variants and Their Application Domains

وقبل التخلّص من تصميم الشبكات، يجب على المهندسين أن يعترفوا بالبدائل الثلاثة الرئيسية للبراهيف، التي يُفضّل كل منها إلى استخدام مختلف الحالات، ويفضي اختيار البديل الخاطئ لتطبيق معين إلى اختناقات في الأداء أو إلى فشل في الاندماج.

Profibus DP (Decentralized Peripherals)

والوصفات DP هي أكثر البدائل شيوعا في التشغيل الآلي للمصانع، وهي مصممة لتبادل البيانات الدورية العالية السرعة بين أجهزة التحكم والأجهزة الموزعة I/O.

Profibus PA (Process Automation)

وتمتد هذه الدراسة لتشمل صناعة العمليات - النفط والغاز، والنباتات الكيميائية، ومعالجة المياه، وتستخدم نفس طبقة الفيزيائية التي تستخدمها مؤسسة فيلدبوس H1 (MBP، Manchester Bus Powered)، مما يتيح استخدام الأجهزة في تجهيزها في الحافلات أثناء حمل إشارات الاتصالات، وتعمل السلطة الفلسطينية في 31.25 كيلو متر/كتار، وتدعم السلامة الأساسية للبيئات الخطرة.

Profibus FMS ( Fieldbus Message Specification)

وشركة بروبس للشحن البحري هي متغير أقدم يستهدف التواصل بين الأقران وبين المتحكمين، وهي تقدم خدمات إرسال أكثر تعقيدا من خدمات إدارة خدمات الإعلام، ولكنها كانت تُخطط إلى حد كبير من قبل شركة برونيت ومكتب خدمات الرقابة الداخلية في المنشآت الحديثة، ولا تزال دائرة إدارة الخدمات المالية تستخدم في تكامل النظام القديم، ولكن التصميمات الجديدة ينبغي أن تخدم مشاريع حقول خضراء أو ملامحها.

الشبكة: مواضيع النظم النموذجية

ويدعم هذا المخطط الطبقات المتعددة التي تُستخدم في التقلبات الجسدية، وكل منها يُعرض في نطاق واسع، والتسامح إزاء الأخطاء، وطول الكابلات، ويؤثر اختيار الطبقات الطبوغرافية تأثيرا مباشرا على مدى سهولة تعديل الشبكة فيما بعد.

خط التكتلات (البوس)

إن تشكيلة المسبار الكلاسيكي هي حافلة خطية بها كابل رئيسي واحد يمتد من أول جهاز إلى آخر جهاز، وكل جهاز يربطه عبر سلك توني أو سلك، وهذه الطبقات ذات طابع بسيط وفعال من حيث التكلفة، ولكن خطأ في الكابل الرئيسي أو جهاز اتصال غير متصل يمكن أن يخفض الجزء بأكمله، وللتوسع في تصميم الحافلة مع نقاط اتصال بأجهزة احتياطية وضمان بقاء طول الكابلات الكلي في حدود سعر العصي المختار.

علماء النجوم مع (هوب)

وتستخدم طوبولوجيات النجوم مراكز نشطة أو أجهزة إعادة إرسال لربط مجموعات الأجهزة المتعددة بالخلفية المركزية، وهذا النهج يعزل الأخطاء: فالمشكلة في فرع واحد من فروع النجوم لا تؤثر على الآخرين، والتوسع مباشر - إضافة محور جديد وأجهزة ربط، غير أن التضاريس الضوئية للنجمية تستحدث عناصر نشطة إضافية يمكن أن تفشل وتضيف تأخيرا في النشر، وهي أفضل ملاءمة للآلات الموزعة ماديا حيث تتجمع الأجهزة في الخلايا أو الأشغال.

علم الأحياء

ويجمع علم الأحياء الشجرية بين عناصر ترتيبات الحافلات والنجمات، ويساند الكابل العمودي الرئيسي قطاعات متعددة عن طريق أجهزة إعادة الإرسال، ويمكن أن يكون كل جزء خطا أو نجما، وهذا أمر موحّد للغاية لأن الأجزاء الجديدة يمكن أن تُصغَّل إلى العمود الفقري دون أن يزعجها الاتصال القائم، وفي الممارسة العملية، فإن التضاريس الشجري شائعة في خطوط التصنيع الكبيرة التي يطابق فيها كل قطاع منطقة إنتاجية.

Ring Topology (via Profibus with Redundancy)

وينفذ بعض برامج دعم تشكيلات حلقات دعم باستخدام وحدات إعلامية زائدة، ويوفر هذا الخاتم استعادة المسارات التلقائية إذا حدث كسر في الكابلات، وهذا الطبول نادر في منشآت بروبس الموحدة ولكنه يظهر في تطبيقات حرجة للبعثات مثل توليد الطاقة أو محطات العمليات المستمرة التي يكون فيها وقت النزول غير مقبول.

المبادئ الأساسية لتركيبة الشبكة النموذجية

ويعني التصميم النموذجي أن الشبكة يمكن أن تُبنى وتختبر وتتوسع تدريجياً، وتسترشد المبادئ التالية بإنشاء هذه الشبكات.

الفصل والشبكة الفرعية

)أ( أن يقسم الشبكة إلى أجزاء وظيفية أو مادية - ينبغي أن يتضمن كل جزء مجموعة منطقية من الأجهزة - على سبيل المثال، جميع النقاط التي تتضمنها الشبكة الواحدة أو جميع أجهزة الاستشعار في منطقة النقل، وأن يقصر التجزؤ أثر الخطأ على جزء واحد ويبسط الاضطرابات، وأن يستخدم أجهزة إعادة الإرسال أو الأزواج للانضمام إلى القطاعات، ويعيد كل جهاز إعادة بث الإشارة ويعزل الأجزاء الكهربائية 127.

العنوان المخصص والإدارة

ويحتاج كل جهاز على شبكة " بروبيوس " إلى عنوان محطة فريد )٠-١٢٦( ويحتفظ العنوان صفر للأجهزة الرئيسية، ويستخدم العنوان ١٢٦ في شكل الأجهزة الأولية، ويحتفظ عند تصميمه للتوسع بمجموعات من العناوين المتاخمة للأجهزة المستقبلية، مثلا إذا كان استخدام التركيب الحالي يعنون ١-٢٠، ويحتفظ بصحيفة أو قاعدة بيانات عن العناوين الموكلة، وأنواع الأجهزة، والمواقع التي يُستعاض عنها.

استراتيجية القوة والحصر

وتحتاج الكابلات المسماة " دي " إلى إشارة أرضية نظيفة للحفاظ على سلامة الإشارة، واستخدام مخطط أرضي من نقطة واحدة في نهاية كل جزء لمنع الحلقات الأرضية، ويجب ربط الدرع الكابل بالأرض في كل جهاز من أجهزة الاتصال، وذلك عادة عن طريق قذيفة الاتصال بين الجاني " D " ، أما بالنسبة لأجزاء السلطة الفلسطينية، فإن الحافلة توفر الطاقة اللازمة لتصنيف الطاقة يجب أن تكون مسؤولة عن جميع الأجهزة الحالية والمقبلة، وتترك 25 في المائة على الأقل من مواضعة الرأس في ميزانية الطاقة.

الهياكل الأساسية للصيد من أجل النمو

تركيب عمود حجري يتجاوز الاحتياجات الحالية، واستخدام كابلات عالية الجودة من البراميل ذات الدرع المزدوج (الرقيق والعلف) وقطعة سمية تبلغ 150 أوم، وسحب الكابلات الاحتياطية في صينات الكابلات إلى جانب أجهزة نشطة، وضبطها بالوصلات ووسمها بوضوح، وعندما تكون هناك حاجة إلى جهاز جديد، فإن الكابلات موجودة بالفعل، وتجنب الارتداد المكثف للسيارات.

الاستراتيجيات التفصيلية للتوسع

فالتوسع ليس تفكيرا بعديا - بل يجب أن يُعد في الشبكة من أول استعراض للتصميم، والنُهج التالية تمكن من تحقيق النمو غير المستقر.

استخدام أجهزة التريب والزبائن

أما أجهزة الترميم فهي أجهزة توسيع نطاق البروبوس، وهي توسع طول الكابلات، وتزيد عدد الأجهزة لكل قطاع، وتوفر العزلة الكهربائية، ويؤيّد جزء نموذجي من مجموعة " بروبس " (DP) 32 جهازا؛ وينشئ جهاز إعادة إرسال جديد يتألف من 32 جهازا، حيث يمكن للشبكة، من خلال أجهزة إعادة إرسال متعددة، أن تصل نظريا إلى 127 جهازا عبر قطاعات متعددة، وعند اختيار أجهزة إعادة إرسال المقاييس، تختار نماذج التشخيص المتكاملة التي تعيد تصنيفها إلى مستوى الإبلاغ.

محطات نموذجية من طراز I/O

(ب) استخدام الرفوف النائية بالطائرات العمودية الخلفية، وتتيح هذه المحطات إضافة وحدات نموذجية (مدخلات رقمية، ناتج مدوّن، إلخ) دون استبدال كامل الضميمة، وينبغي أن تدعم البرامج الشعبية مثل نظام سيمنز تي 200 إس بي أو مجموعة ال 750 من مجموعة WAGO 750 تبادلاً ساخناً للوحدات المحجوزة في بعض التشكيلات.

نقاط التحديث والارتباط المرنة

تركيب المزيد من أجهزة الاتصال أو صناديق التقاطع على طول الحافلة على فترات منتظمة، حتى وإن لم يكن هناك أي جهاز متصل في البداية، كما أن هذه الوصلات غير المستخدمة مع أجهزة النمل أو الأغطية الغبارية تسمح بإضافة جهاز في دقائق بدلا من ساعات، وفي الممارسة العملية، فإن وضع جهاز اتصال من نوع T كل 10 أمتار على طول خط إنتاج يوفر نقاط اتصال مستقبلية واسعة النطاق.

أدوات التشخيص والتجميع

وتحتاج شبكة قابلة للتوسع إلى أدوات يمكن أن تكتشف وتدمج أجهزة جديدة دون انقطاع في الخدمة، وتستخدم أجهزة تحليل الصور وبرامجيات التشكيل (مثل شركة سيمنز سيميتتش PDM، أو شركة ABB FIPT، أو أدوات طرف ثالث مثل بروفيت تراق أو سيكون.net) التي تدعم الكشف الآلي عن الأجهزة وأجهزة البارامترات عند تنزيلها، وتحتفظ بمكتبة حديثة من ملفات إدارة الخدمات العامة (المكتبة العامة) لجميع الأجهزة المضافة.

أفضل الممارسات لشبكات السماوات الموثوقة

فالاعتماد هو أساس أي شبكة صناعية، وهذه الممارسات تقلل من وقت التعطل وتبسط الصيانة.

الإنهاء السليم

ويجب إنهاء كل جزء من أجزاء " بروبس " في كلا النهايتين بشبكة مقاومة تبلغ 220 مليون متر بين خطوط البيانات (ألف وباء) و 390 درجة/م تسحب إلى +5V وبر، ويتسبب الإنهاء غير الصحيح في انعكاسات، وأخطاء صغيرة، وإخفاقات في الاتصالات المتقطعة، ويستخدم النملات الناشطة التي تُبنى في موصلات أو في مجموعات الإنهاء الخارجي.

الكبلات الدروعية والتأديب البري

فالبيئات الصناعية مزعجة، فالأجهزة المتحركة، والترددات المتغيرة، ومعدات اللحام، وتحويل إمدادات الطاقة إلى تدخل الكهرومغناطيسي بالحقن في الكابلات، واستخدام الكابلات المسروقة التي تغطيها الدروع المتصدعة بنسبة 85 في المائة على الأقل، وقطع الدرع في كل جهاز عن طريق الموصل، وتجنب قصف الدرع في نهايتي كابل طويل لمنع حدوث أي ثغرات أرضية على الأقل.

إدارة حصص الحافلة والبود

ويتوقف طول الكبلات الأقصى لكل جزء على معدل الطين: في 12 ميغابت/ق، يبلغ الحد 100 متر؛ وفي 1.5 مبت/قدار 200 متر؛ وفي 500 كيلوبت/كتار؛ وفي 93.75 كيلوبت/كتار، و 1200 متر، وفي النظم القابلة للتوسع، تختار سعرا للعمود يوفر ما يكفي من قاعات الرأس للأجهزة المستقبلية دون التضحية بطول كابل.

تشخيص الشبكة المنتظمة

تنفيذ رصد دوري للحافلات لتدهور المصيد قبل أن يتسبب في حدوث الفشل، وتوفر مستويات الإشارة القياسية، والهومش الضجيج، وحسابات الاستعادة، كما توفر أدوات مثل مرصد النزيف DP Slave Monitor أو الأفران الإلكترونية المرتبطة بالحافلة تحليلاً فورياً للعرض الموجي، وتبحث عن علامات تدل على وجود مشاكل: تدق على حواف الإشارة، أو تحولات قياسية في العاصمة، أو مُقَة مُفرِقية.

التوثيق والقابلية للمقارنة

ولا يمكن استخدام أجهزة غير مصدق عليها إلا باستخدام أجهزة معتمدة للامتثال للرسوم (شعار التصديق لدى منظمة تجارة الصور) - يمكن أن تستخدم أجهزة غير مصدقة مستويات التوقيت أو الفولط غير القياسية التي تسبب أخطاء متقطعة، وعندما تدمج أجهزة من مختلف البائعين، فإنها تختبر معا في بيئة متنقلة قبل ربطها بشبكة الإنتاج، وتحتفظ بمصفوفة توافقية للأجهزة الرئيسية والرقيقية، مع ملاحظة نسخ ثابتة من المواد والمسائل المعروفة.

مشاكل شبكة الملامح المشتركة

بل إن الشبكات التي تم تصميمها جيدا تواجه مشاكل، فالنهج المنهجي المتبع في حل المشاكل يقلل من وقت التعطل.

المسائل المتعلقة بالملكية المادية

والإخفاقات الأكثر شيوعا هي: الموصلات غير المستقرة، والأسلاك المكسورة، والاتصالات المتآكلة، أو الكابلات المتلفة، واستخدام جهاز تراي دي (Time Domain Reflectometer) لتحديد أماكن قطع الكابلات، وفحص أجهزة الاتصال التابعة للدوائر من أجل الدبابات المخبأة أو المسامير المفقودة، ومقاييس حجم الحافلات الطويلة بين الدبلومتر D-sub-

التجمُّع ومعالجة النزاعات

وتعد العناوين المزدوجة سببا رئيسيا في إخفاق الاتصالات، وتستخدم جهازا مسحيا للعنوان لتسجيل جميع الأجهزة العاملة وعناوينها، وقارن ذلك بقاعدة بيانات التشكيل، وإذا ما تواصل جهاز ما بين الأجهزة، تحقق من مفاتيح تبديل عنوانه أو مواصفات عنوان البرنامج، ويستعاض عن أي جهاز بصراع على الفور.

التوقيت وانتهاكات وقت انعقاد الدورة

وعندما تضاف أجهزة جديدة، يجب على السيد أن يلقي عليها في غضون فترة دورة الحافلات المهيأة، فإضافة عدد كبير جدا من الأجهزة أو الأجهزة التي تستغرق وقتا طويلا في الاستجابة يمكن أن يؤدي إلى تجاوز مدة الدورة المسموح بها (من 10 إلى 100 متر حسب الطلب)، وإعادة حساب الوقت اللازم لدورة كل عملية توسيع، وإذا تجاوز الحد الأقصى، أو يزيد معدل البود، أو يقسم الشبكة إلى قطاعات متعددة ذات أسياد ثانوية منفصلة، أو يفرغ منها.

Future-Proofing: Migration Paths from Profibus to Profinet

وفي حين أن الملامح لا تزال منتشرة على نطاق واسع، فإن العديد من المنشآت الجديدة والارتقاءات تنتقل إلى بروفينت، وهو خلف الشبكة الصناعية (Ethernet) وينبغي تصميم شبكة موسعة للرسومات اليوم أن تنظر في الهجرة في نهاية المطاف، وأن تستخدم الأزواج والبوابات التي تجمّع مساحات بروفيبس وبروفينتات، مما يتيح الانتقال التدريجي، مثلا، محل لوحة بروفيبس التي لها جهاز مراقبة للرقيات تتواصل مع العبيد الحالي.

تقدم منظمة " Profibus International organization ] مواصفات تقنية شاملة ومبادئ توجيهية لإصدار الشهادات ينبغي الرجوع إليها أثناء أي تصميم للشبكة. وبالإضافة إلى ذلك، فإن الموارد مثل توفر دروساً عملية للمهندسين الجدد في البروفوس.

خاتمة

ويقتضي تصميم شبكات من أدوات التشغيل الآلي النموذجية والتوسعية التخطيط الدقيق في كل طبقة: اختيار الطبقات، والهياكل الأساسية للكابلات، ومعالجة الأجهزة، وميزنة الطاقة، والاستعداد التشخيصي، إذ أن تقسيم الشبكة، وحفظ الوثائق، والتقيد بأفضل الممارسات المادية، ينشئ المهندسون نظماً تستوعب التغيير دون التضحية بالأداء، ويتطور نظام الاختبارات التجارية بشكل ناضج، ويخضع للاختبار في تصميم الشبكات الحديثة إلى حد كبير.