تكامل الهندسة الصناعية وتكنولوجيا المعلومات: نظرة عامة شاملة

الهندسة الصناعية وتكنولوجيا المعلومات

تلعب تقنية المعلومات الصناعية دورًا رئيسيًا في تحسين الإنتاجية وتبسيط العمليات في صناعة التصنيع. من خلال دمج مبادئ الهندسة الصناعية مع تكنولوجيا المعلومات، يمكن للشركات تحقيق مستويات أعلى من الكفاءة والدقة وتوفير التكلفة.

أتمتة التصنيع

وهي أحد الجوانب الرئيسية لتكنولوجيا المعلومات الصناعية، تتضمن استخدام الآلات التي يتم التحكم فيها بالحاسوب والروبوتات لإنجاز المهام المتكررة بدقة وسرعة. وهذا لا يقلل فقط من الاعتماد على العمل البشري ولكنه يقلل أيضًا من الأخطاء ويزيد من إنتاج الإنتاج.

أنظمة التحكم الصناعية (ICS)

هي عنصر مهم آخر في تكنولوجيا المعلومات الصناعية. هذه الأنظمة مسؤولة عن مراقبة والتحكم في العمليات الصناعية المختلفة، مثل درجة الحرارة والضغط والتدفق والمستوى. من خلال الاستفادة من المستشعرات والمحركات ووحدات تحكم المنطق القابل للبرمجة (PLCs) المتقدمة، يضمن ICS تشغيل العمليات التصنيعية بسلاسة وآمان. كما أنه يتيح جمع البيانات وتحليلها واتخاذ القرارات في الوقت الفعلي، مما يؤدي إلى تحسين مراقبة الجودة وتقليل وقت التعطل.

وحدات تحكم المنطق القابل للبرمجة (PLC)

وحدات تحكم المنطق القابل للبرمجة (PLC) هي أجهزة تحكم صناعية متخصصة تُستخدم للتحكم في العمليات التسلسلية والتكرارية. تتميز وحدات PLC بقدرتها على معالجة البيانات الرقمية من أجهزة الاستشعار والمعدات، واتخاذ قرارات التحكم بناءً على خوارزميات محددة، وإرسال إشارات التحكم إلى الأجهزة النهائية.

مكونات وحدات PLC:

تتكون وحدات PLC بشكل عام من المكونات التالية:

وحدة المعالجة المركزية (CPU): مسؤولة عن معالجة البيانات واتخاذ قرارات التحكم.
الذاكرة: تخزين البرامج والبيانات.
مدخلات/مخرجات (I/O): تتصل بأجهزة الاستشعار والمعدات.
وحدة البرمجة: تُستخدم لبرمجة وحدات PLC باستخدام لغات برمجة محددة.

وظائف وحدات PLC:

جمع البيانات: جمع البيانات من أجهزة الاستشعار والمعدات في الوقت الفعلي.
المعالجة: معالجة البيانات الرقمية واتخاذ قرارات التحكم بناءً على خوارزميات محددة.
التحكم: إرسال إشارات التحكم إلى الأجهزة النهائية لضمان سير العمليات بسلاسة.
التسلسل: التحكم في تسلسل العمليات، مثل تشغيل وإيقاف المحركات والصمامات.
التوقيت: توقيت الأحداث بدقة عالية.
التواصل: التواصل مع أنظمة أخرى، مثل أنظمة المراقبة والتحكم بالإشراف واكتساب البيانات (SCADA) وأنظمة التحكم الموزعة (DCS).

مزايا وحدات PLC:

توفر وحدات PLC العديد من المزايا، تشمل:

التكلفة المنخفضة: وحدات PLC أرخص عمومًا من أنظمة التحكم الأخرى، مثل أنظمة التحكم الموزعة (DCS).
السهولة في الاستخدام: يمكن برمجة وحدات PLC بسهولة باستخدام لغات برمجة محددة، حتى بدون خبرة كبيرة في البرمجة.
الموثوقية العالية: تتميز وحدات PLC بموثوقيتها العالية وقدرتها على العمل في البيئات الصناعية القاسية.
القابلية للتطوير: يمكن توسيع وحدات PLC بسهولة لإضافة وحدات إدخال/إخراج جديدة أو ميزات جديدة.
الصيانة السهلة: يمكن صيانة وحدات PLC بسهولة نسبيًا.

تطبيقات وحدات PLC:

تُستخدم وحدات PLC في مجموعة واسعة من التطبيقات، تشمل:

التصنيع: التحكم في عمليات الإنتاج في مختلف الصناعات التحويلية.
التغليف: التحكم في آلات التغليف والتعبئة.
النقل: التحكم في أنظمة النقل، مثل المصاعد المتحركة وسلاسل النقل.
الطاقة: التحكم في أنظمة الطاقة، مثل مولدات الطاقة والمفاتيح الكهربائية.
الزراعة: التحكم في أنظمة الري والصرف.
البناء: التحكم في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC).

التحديات التي تواجه وحدات PLC:

على الرغم من فوائدها العديدة، تواجه وحدات PLC بعض التحديات، تشمل:

البرمجة: تتطلب برمجة وحدات PLC معرفة بلغات البرمجة المحددة، مما قد يكون عائقًا لبعض المستخدمين.
استكشاف الأخطاء وإصلاحها: قد يكون استكشاف الأخطاء وإصلاحها في وحدات PLC صعبًا، خاصة بالنسبة للأنظمة المعقدة.
الأمان: يمكن أن تكون وحدات PLC عرضة للتهديدات الإلكترونية، مثل الهجمات الإلكترونية والاختراقات.

الاستنتاج:

وحدات تحكم المنطق القابل للبرمجة (PLC) هي أداة قوية للتحكم في العمليات التسلسلية والتكرارية. توفر العديد من الفوائد، مثل التكلفة المنخفضة والسهولة في الاستخدام والموثوقية العالية. بينما قد تكون برمجة وحدات PLC واستكشاف الأخطاء وإصلاحها صعبة، إلا أن فوائدها غالبًا ما تفوق التحديات.

مقدمة عن DCS

تُعد أنظمة التحكم الموزعة (DCS) نوعًا أكثر تعقيدًا من أنظمة التحكم الصناعية (ICS) تُستخدم لمراقبة والتحكم في العمليات المعقدة واسعة النطاق، مثل تلك الموجودة في مصافي التكرير ومصانع الطاقة. تتميز أنظمة DCS بهيكلها الموزع، حيث تتكون من وحدات تحكم متعددة مترابطة تعمل معًا بشكل مستقل.

مكونات أنظمة DCS:

تتكون أنظمة DCS بشكل عام من المكونات التالية:

وحدات التحكم المحلية (LCU): مسؤولة عن جمع البيانات من أجهزة الاستشعار والمعدات الميدانية والتحكم فيها.
شبكات الاتصالات: توفر الوسيلة لنقل البيانات بين وحدات التحكم المحلية ووحدات التحكم المركزية.
وحدات التحكم المركزية (CCU): تستقبل البيانات من وحدات التحكم المحلية، وتنسق بينها، وتتخذ قرارات التحكم بناءً على خوارزميات محددة.
أجهزة العرض: تُستخدم لعرض البيانات للمشغلين في الوقت الفعلي، مثل شاشات الكمبيوتر أو لوحات التحكم.
برامج التحكم: تحدد قواعد التحكم التي تستخدمها أنظمة DCS لاتخاذ قرارات التحكم.
أجهزة التسجيل: تُستخدم لتسجيل البيانات التاريخية لأغراض التحليل والمراجعات.

وظائف أنظمة DCS:

توفر أنظمة DCS مجموعة واسعة من الوظائف، تشمل:

جمع البيانات: جمع البيانات من أجهزة الاستشعار والمعدات الميدانية في الوقت الفعلي.
المراقبة: مراقبة قيم البيانات وتنبيه المشغلين إلى أي حالات شاذة أو حالات طوارئ.
التحكم: إرسال أوامر التحكم إلى الأجهزة النهائية لضمان سير العمليات بسلاسة.
التسجيل: تسجيل البيانات التاريخية لأغراض التحليل والمراجعات.
الإنذار: تنبيه المشغلين إلى أي حالات شاذة أو حالات طوارئ.
التحليل: تحليل البيانات لتحديد الاتجاهات والأنماط، وتحسين كفاءة
التنبؤ: استخدام البيانات التاريخية للتنبؤ بالمشكلات المحتملة واتخاذ إجراءات وقائية.
التحسين: تحسين أداء النظام من خلال ضبط معلمات التحكم بشكل تلقائي.
التقارير: إنشاء تقارير حول أداء النظام والعمليات.

مزايا أنظمة DCS:

توفر أنظمة DCS العديد من المزايا، تشمل:

الموثوقية العالية: تتميز أنظمة DCS بهيكلها الموزع، مما يجعلها أكثر موثوقية من أنظمة التحكم المركزية.
القابلية للتطوير: يمكن توسيع أنظمة DCS بسهولة لإضافة وحدات تحكم جديدة أو ميزات جديدة.
الكفاءة العالية: يمكن لأنظمة DCS تحسين كفاءة العمليات بشكل كبير من خلال التحكم الدقيق في العمليات.
تحسين السلامة: يمكن لأنظمة DCS تحسين السلامة من خلال مراقبة الظروف الخطرة وتنبيه المشغلين إلى أي مخاطر محتملة.
تسهيل التكامل: يمكن دمج أنظمة DCS بسهولة مع أنظمة أخرى، مثل أنظمة إدارة الأعمال (ERP) وأنظمة المراقبة والتحكم بالإشراف واكتساب البيانات (SCADA).

تطبيقات أنظمة DCS:

تُستخدم أنظمة DCS في مجموعة واسعة من التطبيقات، تشمل:

مصافي التكرير: مراقبة وتحكم في عمليات تكرير النفط والغاز.
مصانع الطاقة: مراقبة وتحكم في عمليات توليد الطاقة الكهربائية.
الصناعات التحويلية: مراقبة وتحكم في عمليات الإنتاج في مختلف الصناعات التحويلية.
الصناعات الكيماوية: مراقبة وتحكم في عمليات تصنيع المواد الكيميائية.
صناعة المعادن والتعدين: مراقبة وتحكم في عمليات استخراج ومعالجة المعادن.
معالجة المياه: مراقبة وتحكم في عمليات معالجة المياه وتوزيعها.

التحديات التي تواجه أنظمة DCS:

على الرغم من فوائدها العديدة، تواجه أنظمة DCS بعض التحديات، تشمل:

التكلفة العالية: يمكن أن تكون تكلفة أنظمة DCS مرتفعة، بما في ذلك تكلفة الأجهزة والبرامج والتركيب والصيانة.
التعقيد: يمكن أن تكون أنظمة DCS معقدة للغاية، مما قد يجعل من الصعب إدارتها وصيانتها. يتطلب ذلك وجود موظفين ذوي مهارات عالية وخبرة واسعة في إدارة هذه الأنظمة.
الأمان: تُعد أنظمة DCS عرضة للتهديدات الإلكترونية، مثل الهجمات الإلكترونية والاختراقات. يمكن أن تؤدي هذه الهجمات إلى تعطيل العمليات أو إلحاق الضرر بالمعدات أو حتى تهديد السلامة العامة.

الاستنتاج:

تُعد أنظمة DCS أداة قوية لمراقبة والتحكم في العمليات المعقدة واسعة النطاق. توفر العديد من الفوائد، مثل الموثوقية العالية والقابلية للتطوير والكفاءة العالية. بينما قد تكون تكلفة أنظمة DCS مرتفعة ومعقدة، إلا أن فوائدها غالبًا ما تفوق التحديات.

التصنيع المتكامل بالحاسوب (CIM)

هو نهج يدمج جوانب مختلفة من التصنيع، بما في ذلك تصميم المنتج وتخطيط الإنتاج وإدارة المخزون ومراقبة الجودة، في نظام متماسك. من خلال ربط هذه الوظائف من خلال تكنولوجيا المعلومات، يمكّن CIM من التواصل والتنسيق السلس بين الإدارات والعمليات المختلفة. يعمل هذا التكامل على القضاء على التكرار ، ويقلل من زمن التسليم ، ويعزز الكفاءة التشغيلية الشاملة.

أنظمة التحكم الإشرافي واكتساب البيانات (SCADA)

تُعد أنظمة المراقبة والتحكم بالإشراف واكتساب البيانات (SCADA) مكونًا رئيسيًا لتكنولوجيا المعلومات الصناعية (IT). تُستخدم هذه الأنظمة لمراقبة والتحكم في العمليات واسعة النطاق في مختلف الصناعات، مثل الطاقة والنقل والمياه والتصنيع. تتميز أنظمة SCADA بقدرتها على جمع البيانات من أجهزة استشعار وأجهزة قياس موزعة جغرافيًا، وعرضها على واجهة مستخدم مركزية، وإرسال أوامر التحكم إلى الأجهزة النهائية.

مكونات أنظمة SCADA:

تتكون أنظمة SCADA بشكل عام من المكونات التالية:

وحدات التحكم عن بعد (RTU): مسؤولة عن جمع البيانات من أجهزة الاستشعار والمعدات الميدانية وتحويلها إلى إشارات رقمية.
شبكات الاتصالات: توفر الوسيلة لنقل البيانات بين وحدات التحكم عن بعد ووحدات التحكم المركزية.
وحدات التحكم المركزية (CCU): تستقبل البيانات من وحدات التحكم عن بعد، وتعرضها على واجهة المستخدم، وتتخذ قرارات التحكم بناءً على خوارزميات محددة.
أجهزة العرض: تُستخدم لعرض البيانات للمشغلين في الوقت الفعلي، مثل شاشات الكمبيوتر أو لوحات التحكم.
برامج التحكم: تحدد قواعد التحكم التي تستخدمها أنظمة SCADA لاتخاذ قرارات التحكم.
أجهزة التسجيل: تُستخدم لتسجيل البيانات التاريخية لأغراض التحليل والمراجعات.

وظائف أنظمة SCADA:

توفر أنظمة SCADA مجموعة واسعة من الوظائف، تشمل:

جمع البيانات: جمع البيانات من أجهزة الاستشعار والمعدات الميدانية في الوقت الفعلي.
المراقبة: مراقبة قيم البيانات وتنبيه المشغلين إلى أي حالات شاذة أو حالات طوارئ.
التحكم: إرسال أوامر التحكم إلى الأجهزة النهائية لضمان سير العمليات بسلاسة.
التسجيل: تسجيل البيانات التاريخية لأغراض التحليل والمراجعات.
الإنذار: تنبيه المشغلين إلى أي حالات شاذة أو حالات طوارئ.
التحليل: تحليل البيانات لتحديد الاتجاهات والأنماط، وتحسين كفاءة العمليات.
التقارير: إنشاء تقارير حول أداء النظام والعمليات.

مزايا أنظمة SCADA:

توفر أنظمة SCADA العديد من المزايا، تشمل:

تحسين الكفاءة: تساعد أنظمة SCADA على تحسين كفاءة العمليات من خلال مراقبة وتنظيم العمليات في الوقت الفعلي.
تقليل التكاليف: يمكن أن تساعد أنظمة SCADA في تقليل التكاليف من خلال تقليل وقت التوقف عن العمل وتحسين استخدام الطاقة.
تحسين السلامة: يمكن أن تساعد أنظمة SCADA في تحسين السلامة من خلال مراقبة الظروف الخطرة وتنبيه المشغلين إلى أي مخاطر محتملة.
تعزيز اتخاذ القرار: توفر أنظمة SCADA البيانات والمعلومات التي يحتاجها المشغلون لاتخاذ قرارات مستنيرة.
تسهيل التكامل: يمكن دمج أنظمة SCADA بسهولة مع أنظمة أخرى، مثل أنظمة إدارة الأعمال (ERP) وأنظمة التحكم الموزعة (DCS).

تطبيقات أنظمة SCADA:

تُستخدم أنظمة SCADA في مجموعة واسعة من التطبيقات، تشمل:

شبكات الكهرباء: مراقبة وتحكم في توليد ونقل وتوزيع الطاقة الكهربائية.
شبكات المياه: مراقبة وتحكم في ضخ ومعالجة وتوزيع المياه.
شبكات النقل: مراقبة وتحكم في حركة المرور والإشارات المرورية وأنظمة النقل العام.
الصناعات التحويلية: مراقبة وتحكم في عمليات الإنتاج في مختلف الصناعات التحويلية.
البترول والغاز: مراقبة وتحكم في عمليات التنقيب والإنتاج والنقل والتكرير.
البيئة: مراقبة جودة الهواء والماء والتربة.
الأمان: تُعد أنظمة SCADA عرضة للتهديدات الإلكترونية، مثل الهجمات الإلكترونية والاختراقات. يمكن أن تؤدي هذه الهجمات إلى تعطيل العمليات أو إلحاق الضرر بالمعدات أو حتى تهديد السلامة العامة.

للتخفيف من مخاطر الأمان، من المهم اتباع ممارسات الأمان الجيدة، مثل:

استخدام كلمات مرور قوية ومصادقة متعددة العوامل.
تحديث البرامج الثابتة والبرامج بشكل دوري.
تقسيم الشبكات وتنفيذ جدران حماية.
تدريب الموظفين على الوعي بالأمان الإلكتروني.
إجراء اختبارات اختراق منتظمة.

التعقيد

يمكن أن تكون أنظمة SCADA معقدة للغاية، مما قد يجعل من الصعب إدارتها وصيانتها. يتطلب ذلك وجود موظفين ذوي مهارات عالية وخبرة واسعة في إدارة هذه الأنظمة.

التكامل

قد يكون دمج أنظمة SCADA مع أنظمة أخرى، مثل أنظمة إدارة الأعمال (ERP) وأنظمة التحكم الموزعة (DCS)، أمرًا صعبًا. يتطلب ذلك التخطيط والتنفيذ الدقيقين، بالإضافة إلى خبرة في واجهات برمجة التطبيقات (APIs) وبروتوكولات الاتصال.

الموثوقية

يجب أن تكون أنظمة SCADA موثوقة للغاية لضمان سير العمليات بسلاسة. يتطلب ذلك صيانة منتظمة وخططًا للتعافي من الكوارث في حالة حدوث أعطال أو انقطاعات.

التكلفة

يمكن أن تكون تكلفة أنظمة SCADA مرتفعة، بما في ذلك تكلفة الأجهزة والبرامج والتركيب والصيانة.

الاستنتاج

على الرغم من التحديات، توفر أنظمة SCADA العديد من الفوائد التي تجعلها أداة قيمة لمراقبة والتحكم في العمليات واسعة النطاق. من خلال التخطيط والتنفيذ الدقيقين، واتباع ممارسات الأمان الجيدة، يمكن للشركات الاستفادة من أنظمة SCADA لتحسين الكفاءة وتقليل التكاليف وتعزيز السلامة.

في الختام

في الختام، تُعد تكنولوجيا المعلومات الصناعية مجالًا واسعًا ومتطورًا يجمع بين مبادئ الهندسة الصناعية وقوة تكنولوجيا المعلومات. من خلال استخدام أنظمة المراقبة والتحكم بالإشراف واكتساب البيانات (SCADA) وأنظمة التحكم الموزعة (DCS) ووحدات تحكم المنطق القابل للبرمجة (PLC)، يمكن للشركات تحقيق مستويات أعلى من الكفاءة والدقة والفعالية من حيث التكلفة في عملياتها. مع استمرار تطور تكنولوجيا المعلومات الصناعية، من المتوقع أن تلعب دورًا أكبر في تحسين الإنتاجية وتعزيز الابتكار في مختلف الصناعات.

https://www.youtube.com/watch?v=K91cfXXZrw0

المصادر

أنظمة التحكم الصناعية: تأمين أنظمة التحكم الصناعية باستخدام CIP – FasterCapital

What is SCADA? Supervisory Control and Data Acquisition (inductiveautomation.com)

Literature Review: Application of Computer Integrated Manufacturing (CIM) to Increase Operational Effectiveness and Company Productivity (researchgate.net)

SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition: Manufacturing Explained (mingosmartfactory.com)

SCADA Systems: مراقبة الوقت الحقيقي مع PLC للتحكم المحسن – FasterCapital

وراء PLCs: دمج أنظمة SCADA للتحكم في العملية المتقدمة – FasterCapital

Learn all about SCADA systems: What is SCADA? | SCADApedia (scada-international.com)

نظام تحصيل البيانات والتحكم – ويكيبيديا (wikipedia.org)

ICS/OT Cyber Security Fundamentals: 5 ways To Protect Your Company (ats.ae)

Operational Technologies Challenges and Strategy for the Cybersecurity (issquaredinc.com)