خطوات الانتقال الى حوسبة الحافة Bringing Your Factory to the Edge
هل مصنعك يعيش في العصور المظلمة؟ هل تقوم بمراجعة
التقارير اليدوية باستمرار لمعرفة معدل الإنتاج الخاصة بمصنعك؟ هل تتمنى أن تتمكن
من التحقق من جميع المعلومات داخل مصنعك على جهازك الذكي من أي مكان في العالم؟
إذا كان الأمر كذلك، يمكنك الاستفادة من نقل مصنعك إلى حوسبة الحافة.
في هذه المقالة سنناقش ما تحتاج إلى معرفته لتحويل
أجهزتك القديمة إلى نظام متصل بالحافة وجميع المزايا التي يمكن أن يقدمها هذا
الانتقال. في النهاية ستفهم كيف يمكن للمصنع المتصل بالحافة أن يمكّنك من عرض
بيانات الإنتاج الخاصة بك وتسخيرها وجعلها تعمل من أجلك.
الطبقات والسويات لمنشأة صناعية تستخدم حوسبة الحافة
لا يطلب منك البدء من درجة الصفر لتسخير الميزات
الموجودة في حوسبة الحافة. يمكنك تحويل أجهزتك القديمة إلى متحكم بالحافة سواء كان
لديك نظام يعتمد المتحكمات القابلة للبرمجة مثل على PLC-S7-300 أو S3
ووحدات تحصيل بيانات ET 200SP
أو غيرها.
يمكنك لأصحاب المنشآت الصناعية التوجه نحو حوسبة
الحافة دون إعادة تصميم استراتيجية التحكم الخاصة، بدأ الكثير حالياً من استخدام
التطوير الحاصل في الربط مع السحابة المفضلة والعمل على بيئات برمجة عالية المستوى
بخلاف التقليدية المعرفة ضمن المعيار IEC 61131-3.
سنبدأ أولاً بالنظر الى الأجزاء الرئيسية لمصنع متصل
بالحافة وبيان وكيفية اتصال هذه الأجزاء والوظائف التي توفرها. سيتم نقل طبقات
تدفق البيانات لمستويات أعلى، بدءًا من التجهيزات الحقلية وصولاً الى السحابة
وتمكين البيانات الحقيقية.
التجهيزات الحقلية
تتكون التجهيزات الحقلية من الحساسات وأجهزة الاستشعار
والمحركات والسيور والمشغلات وجميع الأشياء الأخرى التي تتفاعل مع العالم الحقيقي،
يمكن لهذه التجهيزات أن تكون قديمة أو جديدة فلا مشكلة طالما أنها تعمل بشكل سليم
ضمن منشأتك.
بالنسبة للتجهيزات الحقلية يمكن أن يكون بروتوكول
الاتصال IO-Link
مفيدًا لاستراتيجيات نقل البيانات والتحكم ولكنه ليس ضروريًا أو الزامياً لجمع
البيانات من التجهيزات من أجل الانتقال السلس لحوسبة الحافة. هذا يعني أنه بغض
النظر عن المكونات الحقلية طالما أنها تعمل فلسنا بحاجة إلى إصلاح ما لم يتم كسره.
الاتصال
بعد ذلك سوف ندرس طريقة الاتصال والتخاطب مع المكونات الحقلية.
هناك طريقتان وسنبدأ بالطريقة البسيطة: التوصيل النحاسي المباشر، ينطبق هذا على أي
تجهيزة تتصل مباشرة بنظام التحكم من خلال أسلاك توصيل سواء كانت اشارات دخل أو خرج
رقمية تتصل مع وحدة المعالجة أو اشارات تماثلية بأشكالها المختلفة. هذا هو النهج السهل
لأن عدد التوصيلات النحاسية المباشرة وموضعها ونوعها لا تشكل تحديًا لتطبيق تقنية
حوسبة الحافة.
الطريقة الثانية للتوصيل هي ربط التجهيزات مع نظام
التحكم من خلال البروتوكولات الحقلية. مثل أجهزة قيادة المحركات (VFDs) أو الشاشات الحقلية HMI أو وحدات الربط البعيدة لإشارات الدخل والخرج Remote
IOالتي ترتبط مع المخدم أو المتحكم الرئيسي من خلال أحد
البروتوكولات الحقلية. ستقودنا هذه الأنواع من التجهيزات إلى أول قرار حقيقي بشأن
بنية تطوير حوسبة الحافة المطلوب. هناك طريقتان لذلك:
اما قراءة البيانات مباشرة من التجهيزات الحقلية التي
لا ترتبط مع أي متحكم أو سيرفر، أو تجاهل البيانات على هذا المستوى وتحصيلها من
وحدة التحكم مباشرة في حال وجودها.
هناك مجموعة من الاجراءات يتعين القيام بها لكلا
الخيارين. سوف ننظر إليهم كل على حدة.
الخيار 1: قراءة البيانات مباشرة من التجهيزات
الحقلية:
تعمل قراءة المعلومات مباشرة من التجهيزات الحقلية
التي تدعم التواصل وتحصيل البيانات من خلال البروتوكولات الحقلية والتي لا تتصل مع
أي متحكم قابل للبرمجة PLC
ويتم استخدامها مباشرةً أو لم يكن لدينا
حق الوصول إلى وحدة التحكم لأي سبب تعمل كان بشكل رائع ومناسب. يمكن من خلال
استخدام عدد من محولات البروتوكولات وأجهزة اتصال الحافة المتاحة تجاريًا نقل
البيانات الى مستوى الحافة من خلال القيام بالقليل من التهيئة والبرمجة لتجهيزه
الحافة المستخدمة. بالنسبة لعدد كبير من المستخدمين فإن هذا الخيار سيجعل مصنعهم
يتحدث معهم للحصول على الحد الأدنى من رأس المال البشري أو المعدات. سيتطلب فقط
تحويل البروتوكول وتجهيزه الحافة والقيام بالإعدادات المطلوبة على السحابة.
الخيار 2: قراءة البيانات من وحدة التحكم، وتجاهل
الأجهزة الحقلية:
يعد هذا الخيار رائعًا لمبرمجي المتحكمات PLC أو المستخدمين الآخرين الذين قد يرغبون في تكييف بياناتهم أو الحد
من عدد النقاط التي يجب إدارتها لإحضار البيانات إلى الحافة. تتيح قراءة البيانات
مباشرة من PLC
إضافة عمليات تقييس ومعالجة عديدة. يمكن بعد ذلك الوصول الى البيانات عن طريق السحابة
أو على نظام التحكم والإشراف وتحصيل البيانات (SCADA).
المتحكمات
يتضمن هذا المستوى (المتحكمات) أبسط وربما أهم
القرارات التي ستتخذها عند التفكير في حل الانتقال الى حوسبة الحافة لمصنعك. هناك
العديد من العوامل التي يجب مراعاتها في هذه الطبقة من نظام التحكم.
السؤال الأول الذي يجب طرحه هو: هل تحب وتشعر بالراحة
بما لديك من متحكمات؟ إذا كانت الإجابة بنعم، فسنبدأ البحث عن البروتوكولات
الحقلية التي يدعمها هذا المتحكم. هل يستخدم المتحكم الاتصال التسلسلي RS-232 أو بروتوكولات اتصال أعلى؟ هل توجد القدرة لدى المتحكم من اضافة
المزيد من الخيارات؟
السؤال التالي الذي يجب طرحه هو: ما هي بروتوكولات
الاتصال المتاحة لدى المتحكم؟ هل هي Ethernet / IP أو Profibus
أو Profinet أو EtherCAT أو Ethernet TCP أو ASCII؟
بعد الاجابة على الأسئلة سيكون لدينا في النهاية
قرارين، الأول يجب اتخاذه اما البقاء والمحافظة على نفس المتحكم إذا كان يؤدي
الهدف المطلوب منه أو تحديثه. والثاني ما هو نوع بروتوكول الاتصال الحقلي الذي
سيتم استخدامه (تتميز بعض البروتوكولات بالسهولة أكثر من غيرها) للوصول الى
الحافة.
تحويل البروتوكول
قد
لا تكون هذه المهمة ضرورية إذا كنا نستخدم وحدة تحكم لديها امكانية الاتصال مع
الحافة. هناك العديد من وحدات التحكم هذه الحديثة نسبيًا. إذا كنت نظام التحكم الحالي لا يستخدم
بروتوكولاً يعتمد على الايثرنت Ethernet مثل Ethernet / IP
أو Modbus TCP / IP
فسنحتاج بالتأكيد إلى عملية تحويل البروتوكول. يجعل هذا الأمر لجعل العمل مع
البيانات أسهل ما يمكن.
تجهيزات السحابة والحافة:
أول قطعة تقنية جديدة حقًا سنضطر لإضافتها هي تجهيزات
السحابة وتجهيزات الحافة. هذه المصطلحات قابلة للتبديل إلى حد ما، ولكن هناك فرق.
لا تعد التجهيزة السحابية في بعض الأحيان أكثر من
برمجيات حاسوبية (يمكن أن ينصب على جهاز منفصل) تسمح لنا بنشر البيانات إلى
السحابة من خلال سلسلة من طرق الاتصال مثل 5G، يمكن أن تكون هذه البرمجيات معرفة ومتوفرة مسبقاً مثل AWS أو Microsoft Azure أو تكون خاصة يتم الوصول اليها من خلال عنوان عام ومجموعة من
الاعدادات المطلوبة. عندما يتم استخدام التجهيزات السحابية سيتعين علينا القيام
بكل عمليات الموائمة والتهيئة والبرمجة والمراقبة لهذه البيانات وإدارتها من خلال
النظام الأساسي السحابي، وغالبًا ما يتم استخدم لغات برمجة مثل node.js و HTML
و Java Script.
من ناحية أخرى، فإن تجهيزات الحافة أكثر تعقيدًا بعض
الشيء. يمكن دمجها في وحدة تحكم أو يمكن أن تكون قطعًا مستقلة من المعدات. توفر
تجهيزات الحافة العديد من الوظائف التي تساعدنا على تكييف البيانات لاستخدامها
وعرضها ومعالجتها. غالبًا ما تعمل تجهيزات الحافة أيضًا كمحولات بروتوكول. إن
اختيار كيفية تسخير البيانات متروك تمامًا للمستخدمين النهائيين. أفضل ميزة لهذه
المرونة هي أنها تتيح للمستخدمين النهائيين الاستفادة من نقاط قوتهم في البرمجة
الصناعية أو برمجة الكمبيوتر لتحقيق المطلوب.
(الصورة التالية تمثل محول البروتوكول من Red Lion A Red Lion
Controls protocol converter)
الطبقة الأخيرة
تعبر هذه الطبقة عن أكثر من شيئ لأنها تمثل الآلية
التي سيتم فيها استخدام البيانات. قيمكن أن تكون سيرفر يزودنا بخدمات سحابية قمنا
ببرمجته مسبقاً لغرض تسجيل البيانات وعرضها بأشكال مختلفة أو استقبال الرسائل.
يمكن أيضًا لهذا السيرفر استضافة العديد من السيرفرات الفرعية السحابية وهذا ما
يسمى ب يسمى "الضباب" “fog” وهو مفيد في الصناعات التي تخضع للتنظيم العالي والتي لديها
احتياجات صارمة لأمن البيانات، حيث يمكننا بعملية تحكم شمولية لمجمل البيانات. من
الممكن أن تكون أيضاً سيرفر يوفر خدمات التحكم والاشراف والمراقبة SCADA المستند إلى خدمات الويب. أو قد نرغب ببساطة في أرشفة البيانات
واسترجاعها لاحقاً.
في هذه الطبقة الأخيرة يكون المفتاح هو أن القرار
المتخذ في التعامل مع البيانات وكيفية الاستفادة منها.
(الصورة التالية تمثل متحكم الحافة من Opto 22 The
Opto 22 groov RIO edge connector)
مزايا اتصال المصنع بالحافة
الوصول عن بعد إلى البيانات
الميزة الأكثر وضوحًا للمصانع المتصلة بالحافة هي
القدرة على الوصول إلى البيانات عندما لا يكون كادر الادارة البشري في أرض المصنع.
يأتي هذا الوصول عن بعد إلى البيانات مع العديد من الفوائد الجانبية. على سبيل
المثال يمنح القدرة على تتبع الكفاءات أو نقاط الضعف داخل المصنع من خلال منصة
ادارة أعمال مناسبة. يمنحنا أيضًا القدرة على جلب البيانات من مواقع متعددة الى
مكان واحد. يتيح ذلك مقارنة كيفية اختلاف المنشآت وإدارة توزيع الموارد بشكل فعال
مثل اتخاذ قرار باستبدال قطعة معينة من المعدات في مصنع قبل الآخر.
لوحات المعلومات والقيادة والتحكم على كل المستويات
يتيح وجود مصنع متصل بالحافة تدفقات بيانات متعددة
يمكن تخصيصها لمستخدمين معينين أو مستويات معينة من العمل. يمكن تسخير تدفق
البيانات منخفض المستوى لموظفي الصيانة والتحسين المستمر للحفاظ على عملية التشغيل
والبحث عن تحسينات مستمرة. يمكن أيضاً إنشاء لوحة معلومات ذات مستوى أعلى تعرض
البيانات في الزمن الحقيقي بتنسيق بسيط لمديري العمليات ليكونوا قادرين على مراقبة
مخرجات المنشأة والحفاظ على سير العملية بسلاسة. أخيرًا يمكن أيضاً إنشاء نظام
مرئي غني بالميزات يمكننا من الوصول إليه من أي مكان باستخدام اتصال بالإنترنت
لإبقاء جميع أصحاب القرار على الاطلاع على جميع المعلومات. ربما يكون الجانب
الأكثر فائدة لنظام لوحة المعلومات متعدد المستويات مع الوصول عن بعد هو مقدار
الدعم الذي يمكن تقديمه من الموظفين خارج الموقع إلى العمال الذين يحاولون معالجة
الحالات الطارئة على المنشأة.
اللامركزية في العلامات التجارية المستخدمة
يعتمد جوهر النظام السحابي على البيانات وليس على
الأجهزة. على هذا النحو فإن جزءًا من جمال هذا النهج هو اللامركزية الكاملة
للعلامة التجارية. نظرًا لأننا لا نحتاج إلى أن يكون لدينا ضمن المصنع نوع واحد
فقط من البروتوكولات والنواقل الحقلية، فنحن أحرار في إضافة القطع بأسرع وأرخص
طريقة. هذا يجعل المنشأة الصناعية سلسلة من البيانات المتدفقة.
تتيح العديد من تجهيزات الحافة مثل PLCnext من Phoenix Contact أو أنظمة groov EPIC أو RIO
من Opto 22 اعطاء البرامج امكانية الدخول إلى حزم
البرمجيات من خلال واجهات RESTful وواجهات برمجة التطبيقاتAPI للاتصال بها. هذا يعني أنه يمكن للمرء الاستعلام عن البيانات من
جهاز حقلي وتوليد تقارير بشكل آلي يمكن تشغيله عند الطلب من خلال لوحة معلومات.
تعد Node-RED واحدة من أفضل أدوات البرامج في السوق لإنشاء التقارير والرسائل
والمعلومات العامة عند الطلب، وهي أداة برمجة رسومية مفتوحة المصدر قائمة على
تسلسل تدفق البيانات. يكمن جمال هذه الواجهة في البساطة التي يمكن من خلالها
معالجة البيانات من جهازك إلى لوحة معلومات بسيطة أو دفعها إلى بريد إلكتروني أو
نص أو تغريدة. تسمح Node-RED
لأي مستخدم مبتدئ لـ JavaScript
بفهم بياناتهم حقًا.
معلومات عند الطلب
الآن للحصول على لمسة ممتعة. هل سبق لك أن وقفت في
مطبخك وسألت "يا Siri"
أو "OK Google"
أو "Alexa،
ما درجة الحرارة بالخارج؟" وفي غضون بضع ثوانٍ وبدون بذل أي جهد إضافي من
جانبك تعرف ما إذا كنت بحاجة إلى خلع السترة عند الخروج أم لا؟ إنها الطريقة الجديدة للعالم.
تخيل الآن أنك في مكتبك والساعة 7:30 مساءً وتنتهي من
كتابة التقرير الأخير لمديرك. أنت بحاجة إلى معرفة الإنتاجية الإجمالية في ذلك
اليوم. بالتأكيد يمكن انشاء لوحة تحكم تحتوي على تلك المعلومات وربما يكون لديك
تقرير في بريدك الإلكتروني يحتوي على الأرقام التي تحتاجها. ولكن مع القليل من
البراعة، يمكنك بدلاً من ذلك أن تسأل جهازك الذي يدعم Alexa عن المصنع الخاص بك نظرًا لأن Node-RED هي إحدى مهارات Alexa. ليس الأمر سهلاً مثل إعداد البرنامج الخاص بك لتشغيل الألحان
المفضلة لديك، ولكن مع القليل من المثابرة (أو بعض المساعدة من مبرمج) يمكننا
إجراء تدفق بيانات في Node-RED
لوحدة التحكم في الحافة وتسجيله باستخدام حساب أمازون الخاص بك. الآن يمكنك أن
تقول "Alexa،
اسأل Node-RED عن إجمالي إنتاجي اليوم."
(الصورة التالية تمثل متصفح الانترنت للأداة البرمجة الرسومية
مفتوحة المصدر Node-RED
القائمة على تسلسل تدفق البيانات Node-RED
provides graphical flow-based programming in a web browser)
بناء مصنع متصل بالحافة
كما رأينا في هذه المقالة، لا يتطلب بناء مصنع متصل
بالحافة تمزيقًا واستبدال الأجهزة القديمة. يمكننا استخدام الأجهزة الحقلية
واتصالات الشبكة ووحدات التحكم الموجودة لدينا من بناء نظام متصل بالحافة يتيح لنا
الاستفادة من الطاقة الكاملة لبيانات المصنع. يمنحنا ذلك نظرة ثاقبة عن كافة العمليات
ويسمح لنا بإنشاء لوحات معلومات مخصصة لكل مستوى من المستخدمين، بل سيؤدي أيضًا
إلى فتح المعلومات الحقيقية عند الطلب.
_____________________________
جمع وترجمة فريق أتمتك
Atmatec Team
تعليقات
إرسال تعليق