أتمتة رئيسية

Automation Master هو مشروع مفتوح المصدر [ 1 ] تتم صيانته من قبل المجتمع. تم إنشاء Automation Master للمساعدة في تصميم وتنفيذ وتشغيل نظام آلي.
يُعدّ تركيب وتشغيل أي نظام آلي عمليةً تستغرق وقتًا طويلاً ومكلفة للغاية. ويعود جزء كبير من الوقت المُستغرق في تشغيل النظام الآلي إلى صعوبة إجراء اختبار فعّال للنظام الحاسوبي في مختبر المُكامل.
كانت أساليب الاختبار التقليدية تتطلب تجهيز أكبر قدر ممكن من المعدات في المختبر، وتوصيل لوحة محاكاة تحتوي على مفاتيح ومؤشرات ضوئية بجميع وحدات الإدخال/الإخراج في وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC). وكانت محطات التشغيل تُوصل بهذه الشبكة المعقدة من الأسلاك والمفاتيح والمؤشرات الضوئية والمعدات اللازمة للاختبار.
يتم اختبار برنامج وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) عن طريق تشغيل مفاتيح التبديل بالتسلسل لإدخال الإشارات الكهربائية إلى بطاقات الإدخال في وحدة التحكم، ثم مراقبة استجابة البرنامج على مؤشرات الإضاءة ووحدات التحكم الخاصة بالمشغل. بالنسبة للأنظمة الصغيرة والبسيطة، كان هذا النوع من الاختبار قابلاً للتنفيذ، وأدى إلى درجة من الثقة في أن برنامج التحكم سيعمل بعد تثبيته. مع ذلك، كان الوقت المستغرق في إجراء الاختبار طويلاً نسبيًا، ولم يكن من الممكن إجراء اختبار في الوقت الفعلي.
مع ازدياد حجم الأنظمة وتعقيدها، لا تُحقق هذه الطريقة في الاختبار، بتكلفة باهظة، سوى فحص أساسي للأجهزة والتكوين. ويُعدّ اختبار التسلسلات المنطقية المعقدة عملاً عبثياً دون القدرة على إعادة إنتاج العلاقات الزمنية بين الإشارات بدقة. كانت الحاجة ماسة إلى القدرة على تشغيل برمجيات نظام التحكم في بيئة الوقت الفعلي. وتُسدّ محاكاة الوقت الفعلي هذه الثغرة. تُعدّ برامج المحاكاة في الوقت الفعلي، مثل Automation Master، حزم برمجية تعمل على أجهزة الكمبيوتر، وتستخدم نموذجاً لمحاكاة استجابة النظام الآلي لبرمجيات التحكم.
تاريخ
بدأ ماكس هيتشنز وجورج روت العمل على مشاريع الأتمتة الصناعية في أواخر سبعينيات القرن الماضي. وكان من أوائل مشاريعهم نظام مركبات موجهة آلياً لشركة جوديير للإطارات والمطاط في لوتون، أوكلاهوما . وكان الهدف من هذا النظام نقل المواد والمنتجات النهائية آلياً داخل مصنع ضخم للإطارات.
كانت خبرة السيد هيتشنز والسيد روت السابقة في تطوير البرمجيات مقتصرة بشكل أساسي على بيئات المكاتب، حيث كان بالإمكان تصحيح الأخطاء المنطقية بالاعتماد على شاشات العرض البسيطة أو المخرجات المطبوعة. لذا، وبعد أربعة أشهر من كتابة برنامج النظام الآلي، قاموا بتطبيقه ميدانيًا، ليخوضوا بذلك تجربتهم الأولى في تصحيح أخطاء الأنظمة الآلية الضخمة في الواقع العملي. كانت تُرسل مركبة آلية لإنجاز مهمة ما، لكنها لا تصل إلى وجهتها. كان عليهم أولًا العثور على المركبة، التي قد تكون في أي مكان داخل المنشأة الضخمة، ثم محاولة تحديد سبب العطل. وبعد ستة أشهر من العمل المتواصل لمدة ست عشرة ساعة يوميًا، سبعة أيام في الأسبوع، تمكنوا أخيرًا من تشغيل النظام.
كان لدى السيد هيتشنز والسيد روت مشاريع أخرى لمركبات موجهة آليًا ، وعزما على عدم تكرار تجربة تصحيح الأخطاء التي واجهتها شركة غوديير. لذا، قاما ببناء جهاز محاكاة مخصص يُوصل بوحدة تحكم نظام المركبة الموجهة، ويُحاكي بيئة المصنع. وكانت بيانات حركة المركبات الموجهة تُعرض على شاشة عرض ملونة. ويمكن تصحيح أخطاء البرنامج على مكاتبهما، وبعد الانتهاء من تصحيح الأخطاء، يُنقل إلى موقع العمل ويُثبّت بأقل جهد ممكن.
بعد فترة، كان السيد هيتشنز والسيد روت يعرضان جهاز محاكاة المركبات الموجهة آليًا (AGV) لشركة كونكو-تيلوس، وهي شركة مصنعة لأنظمة النقل ، عندما سُئلا عما إذا كان بإمكانهما بناء جهاز محاكاة لأنظمة النقل. وبالطبع، كانت الإجابة بالإيجاب، وهكذا وُلد جهاز محاكاة النقل في الوقت الحقيقي (RTCS). [ 2 ] كان جهاز RTCS نظامًا مُصممًا خصيصًا بثلاثة حواسيب أحادية اللوحة . وقد حصلا على براءة اختراع [ 3 ] له في عام 1985.
كان نظام التحكم عن بُعد في الوقت الحقيقي (RTCS) منتجًا متخصصًا لم يكن له سوق واسع، لكن السيد هيتشنز والسيد روت واصلا تحسينه وتطويره. في هذه الأثناء، طُرح جهاز IBM PC واستُخدم لبناء قاعدة البيانات اللازمة للمحاكي. في منتصف ثمانينيات القرن الماضي، شاهد أحد مديري مختبرات بيل المحاكي وأراد تجربته في نمذجة مشاريع تطوير البرمجيات. كان تشغيله غير عملي على جهاز مخصص. ولكن نظرًا لأن الكود كُتب لمعالجات إنتل ، فمن الممكن تحويله ليعمل على جهاز كمبيوتر شخصي.
في مقابل استخدام البرنامج مجانًا، قدّمت مختبرات بيل نظام تطوير ومهندسَي برمجيات للمساعدة في عملية التحويل. لم تكن العملية صعبة، وفي غضون أسابيع قليلة، كان نظام التحكم في الوقت الحقيقي (RTCS) يعمل على جهاز كمبيوتر. حسنًا، تقريبًا، لم يكن لدى الكمبيوتر القدرة الكافية لتلبية متطلبات الحوسبة الآنية التي يتطلبها نظام RTCS. مع ذلك، فقد شكّل نظامًا تجريبيًا ممتازًا. الآن، كل ما هو مطلوب هو قرص تخزين، وليس 100 رطل من معدات الكمبيوتر.
مع تطور معالج 8088 إلى معالج 80286 ، أصبح العملاء أكثر عزوفًا عن إنفاق آلاف الدولارات على جهاز حاسوب مُصمم خصيصًا. وبحلول وقت ظهور معالجات 80386 ، فقدت أنظمة التحكم في الوقت الحقيقي (RTCS) رواجها في السوق. لحسن الحظ، امتلك معالج 80386، ثم معالج 80486 لاحقًا ، القدرة الكافية لتشغيل المحاكاة في الوقت الحقيقي، ومن هنا وُلد برنامج Automation Master [ 4 ] .
استمر التطوير حتى منتصف التسعينيات، حين توقف لأسباب عديدة، أهمها وفاة جورج روت. وبحلول ذلك الوقت، كان برنامج أوتوميشن ماستر قد جسّد آلاف الساعات من التطوير والاستخدام.
ظل برنامج Automation Master مهملاً حتى عام 2013 عندما قرر ماكس هيتشنز إنشاء مشروع مفتوح المصدر [ 1 ] وإصداره في المجال العام .
وصف
Automation Master عبارة عن حزمة برامج شاملة للنمذجة والمحاكاة مصممة خصيصًا لتصميم وتنفيذ وتشغيل أنظمة أتمتة المصانع/المستودعات .
بعد اكتمال الاختبار، سيتم شحن النظام بثقة تامة، حيث تم إجراء اختبار عملي عليه، وسيعمل النظام بكفاءة عند تركيبه. سيكون التركيب أسرع وأقل تكلفة، وسيكون النظام المقدم للعميل بجودة أعلى، ويمكن تشغيله في بيئة الإنتاج بسرعة.
دورة حياة المشروع
يمكن أيضًا استخدام Automation Master طوال دورة حياة [ 5 ] المصنع الآلي، بدءًا من مرحلة التصميم، مرورًا بمرحلة التنفيذ، وصولًا إلى الإنتاج الفعلي.
مشروع الأتمتة عبارة عن دورة من الأنشطة. يبدأ المشروع بفكرة، ثم تُستخدم هذه الفكرة لتطوير تصميم، ويُستخدم تصميم النظام لتصنيع مكوناته، ثم تُركّب المكونات المصنّعة، ويُشغّل النظام المُركّب. يُولّد النظام المُركّب أفكارًا لتحسينات أو أنظمة جديدة، وتتكرر الدورة. يمكن لمحاكاة الوقت الفعلي أن تُساعد في دورة حياة المشروع بأكملها.
تصميم
تحريك مفهوم النظام
المفهوم عادةً ما يكون مجرد فكرة تحتاج إلى تمويل لتحويلها إلى واقع. أما الأنظمة الآلية فهي ديناميكية. فالصورة الثابتة أو الوصف الثابت لنظام آلي لا يُظهر تفاعل مكوناته أو كيفية عمله ككل. وكما يُقال، الصورة بألف كلمة، والنتيجة المنطقية هي أن الصورة المتحركة بعشرة آلاف كلمة. فالصورة المتحركة، التي يُنتجها مُحاكي في الوقت الفعلي، قادرة على إيصال المفهوم والمساعدة في إقناع الإدارة بالمشروع.
محاكاة تصميم النظام
يُعدّ تصميم نظام آلي عملية موازنة دقيقة. فالهدف هو تحقيق أفضل النتائج بأقل تكلفة ممكنة. ويتم اختيار تصميم النظام من بين عدة بدائل. ويتطلب اختيار البديل الأمثل تقييم البدائل وكيفية تفاعلها مع بعضها البعض. ويُمكّن برنامج محاكاة في الوقت الفعلي مصمم النظام من تقييم التصاميم المحتملة، باستخدام نموذج، لاختيار أفضل نهج للنظام الآلي.
يُعدّ تطوير الاستراتيجية العامة لتشغيل المنشأة عنصرًا أساسيًا في تصميم الأنظمة الآلية. يسمح نموذج المحاكاة بتطوير استراتيجية التشغيل بشكل تفاعلي، حيث تُطبّق الاستراتيجية في النموذج، وتُعرض النتائج، ثم تُحسّن الاستراتيجية لرفع مستوى الأداء. تزداد أهمية استراتيجية التشغيل مع ارتفاع تكلفة مكونات النظام. ويمكن تحسين كفاءة النظام بتغيير استراتيجية التشغيل باستخدام النموذج دون زيادة تكلفة النظام.
يمكن إعداد اختبارات السيناريوهات أو حالات الاختبار لاختبار وتأكيد التشغيل السليم للنظام في ظل ظروف متغيرة وجمع البيانات الإحصائية حول تشغيله.
تطبيق
يتم استخدام Automation Master لمراقبة جودة البرمجيات [ 6 ] أثناء مرحلة التنفيذ.
اختبار منطق التحكم
يمكن ربط جهاز المحاكاة في الوقت الفعلي مباشرةً بوحدات التحكم القابلة للبرمجة وأجهزة الحاسوب الخاصة بالنظام الآلي. يُستخدم هذا النموذج كبديل للمعدات الفعلية، مما يسمح باختبار منطق التحكم وبرمجيات النظام بشكل شامل في بيئة معملية بدلاً من أرض المصنع. كما يمكن اختبار منطق التحكم تحت ضغط التشغيل الكامل للتأكد من أن النظام يفي بمتطلبات الإنتاج.
تُقلل محاكاة النظام من مخاطر السلامة وتلف المعدات أثناء التركيب. ويتم اكتشاف الأخطاء في منطق التحكم وأخطاء الاختبار باستخدام نموذج محاكاة، وليس النظام الفعلي. يحتوي نموذج المحاكاة على تفاصيل أكثر من نموذج محاكاة مرحلة التصميم. ويمكن إعادة تشغيل سيناريوهات المحاكاة التي تم تطبيقها على تصميم النظام في وضع المحاكاة للتحقق من أن التصميم التفصيلي وتنفيذ منطق التحكم يفي بمتطلبات إنتاج النظام. وفي حال عدم المطابقة، يكون تعديل التصميم أو منطق التحكم قبل تركيب النظام أسهل وأقل تكلفة.
إنشاء نموذج "كما تم بناؤه"
يمكن استخدام محاكاة فورية أثناء التثبيت لتحديد التباين بين تصميم النظام والتثبيت الفعلي. يسجل التحقق الميداني الاختلافات بين النظام "كما تم بناؤه" والنموذج. في حال حدوث خطأ جوهري في ترجمة تصميم النظام إلى النظام المُثبَّت، يمكن تصحيحه قبل بدء تشغيل النظام.
تُستخدم الاختلافات المُسجلة في سجل التحقق لتعديل النموذج ليعكس النظام "كما تم بناؤه". بعد ذلك، يُمكن إعادة اختبار منطق التحكم للتأكد من أن البرنامج سيظل يفي بمتطلبات الإنتاج مع النظام "كما تم بناؤه". كما يُمكن إعادة تشغيل سيناريوهات إنتاجية المحاكاة للتأكد من أن النظام "كما تم بناؤه" يفي بجميع معايير تصميم النظام.
عملية
صيانة النظام الآلي
قد يعمل النموذج كجهاز مراقبة تشخيصي. في هذا الوضع، يُشغَّل النموذج بالتوازي مع تشغيل النظام المُثبَّت. يعرض جهاز المحاكاة في الوقت الفعلي النشاط الديناميكي في النظام ويقارن باستمرار بين النموذج والتشغيل الفعلي. عند حدوث اختلاف، خارج نطاق التفاوتات المحددة، بين تشغيل النظام والنموذج، يتم الإبلاغ عن خطأ، مما يساعد فنيي الصيانة في تشخيص النظام وإصلاحه.
إغلاق الحلقة
الأنظمة الآلية ليست ثابتة أبدًا، فالتغييرات حتمية، وتُطرح أفكار لأنظمة جديدة. وبفضل وجود نموذج محاكاة دقيق في الوقت الفعلي، يمكن اختبار التغييرات المقترحة بشكل كامل قبل تطبيقها.
يمكن اختبار التغييرات المطلوبة في برنامج التحكم باستخدام المحاكاة. كما يمكن التحقق من تعديلات المعدات المادية. ويمكن اختبار نتائج التغييرات في النظام الآلي قبل تطبيقها على نظام الإنتاج، مما يتيح إجراء التغييرات دون توقف الإنتاج.
أوضاع تشغيل نظام التشغيل الآلي الرئيسي
محاكاة
المحاكاة
يتصل برنامج Automation Master بنظام التحكم/وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) ويحاكي عمليات الإدخال/الإخراج في العالم الحقيقي من خلال قراءة وكتابة بيانات الإدخال/الإخراج الداخلية لوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة. يستطيع المحاكي استقبال مخرجات نظام التحكم/وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة، والاستجابة لها بالمدخلات في الوقت الفعلي دون الحاجة إلى أي توصيلات إدخال/إخراج مادية ثابتة. يحاكي المحاكي الاستجابة في الوقت الفعلي لإجراءات نظام التحكم/وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة بناءً على نموذج يُحاكي عمل النظام الآلي. على سبيل المثال، إذا قام نظام التحكم/وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة بضبط خرج رقمي لبدء تشغيل محرك لرفع باب، فإن النموذج، في غضون أجزاء من الثانية، يُرسل إلى نظام التحكم/وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة إشارة إغلاق تلامس مساعدة للإشارة إلى بدء تشغيل المحرك. بعد ذلك بوقت قصير، يتم إيقاف تشغيل مفتاح حد إغلاق الباب مع بدء ارتفاع الباب. طالما أن نظام التحكم/وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة يُبقي إشارة الخرج التي ترفع الباب مُفعّلة، يستمر الباب في النموذج بالارتفاع. عندما يُفتح الباب بالكامل، يُفعّل النموذج مفتاح حد فتح الباب، وتستجيب وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة بإيقاف تشغيل المحرك الذي رفع الباب. يقوم النموذج بإيقاف تشغيل المحرك بواسطة نظام التحكم/PLC وفصل الاتصال المساعد للمحرك.
بمجرد إنشاء نموذج للمكون، يمكن تشغيله مرارًا وتكرارًا في ظل ظروف مختلفة لاختبار برنامج التحكم بسرعة ودقة. على سبيل المثال، ماذا يحدث إذا فقد نظام التحكم/وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) الاتصال المساعد للمحرك أثناء ارتفاع الباب؟ هل يقوم نظام التحكم/وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) بإيقاف تشغيل المخرج المسؤول عن رفع الباب؟ هل يتم إرسال إنذار إلى نظام المستوى الثاني؟ كيف يستجيب نظام المستوى الثاني؟ عند اكتشاف خطأ، يمكن للمبرمج تعديل البرنامج بسهولة وإعادة اختباره باستخدام النموذج. يتم تصحيح أخطاء النظام الآلي في الوقت الفعلي دون أي أسلاك أو مفاتيح أو أجهزة إنذار أو متاعب.
شاشة
نماذج متعددة الأوضاع

تتيح المحاكاة في الوقت الحقيقي إنشاء نماذج متعددة الأوضاع. ويمكن تشغيل نموذج متعدد الأوضاع في أوضاع المحاكاة أو المحاكاة التقريبية أو المراقبة ببساطة عن طريق استدعاء المحاكي باستخدام ملف تكوين مختلف . ويتم إنشاء نماذج متعددة الأوضاع بفصل نموذج استراتيجية التحكم في النظام عن نموذج المكونات المادية.
يتكون نموذج محاكاة النظام الآلي من عنصرين رئيسيين. العنصر الأول هو المكونات المادية للنظام قيد المحاكاة. أما العنصر الثاني فهو استراتيجية التحكم المستخدمة لاتخاذ القرارات، وإدارة موارد النظام، وتوجيه المنتج باستخدام مكونات النظام.

في وضع المحاكاة، يحدث التفاعل بين استراتيجية التحكم ونموذج المكونات المادية داخليًا ضمن نموذج المحاكاة في الوقت الحقيقي.
لا يتطلب نموذج المحاكاة سوى العنصر الثاني. يتم دمج استراتيجية التحكم في منطق وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)، بدلاً من تضمينها داخل النموذج.
تُوفّر استراتيجية التحكم بواسطة معالج منفصل في وضع المحاكاة. وسيكون برنامج التحكم المُصمّم لتنفيذ هذه الاستراتيجية هو نفسه البرنامج الذي سيتحكم بمكونات النظام المادي عند تثبيت النظام. ويتم إنشاء نموذج لمكونات النظام المادي يتفاعل بشكل مطابق للمكونات المادية في النظام الحقيقي.

يُبنى نموذج النظام الفيزيائي بشكل منفصل عن منطق التحكم قيد الاختبار. نموذج النظام الفيزيائي سلبي ولا يتخذ أي قرارات. يتفاعل النموذج الفيزيائي مع قرارات منطق التحكم بنفس طريقة تفاعل النظام الحقيقي. يعمل نموذج المحاكاة في كلٍ من وضعَي المحاكاة والمحاكاة الفعلية بإضافة استراتيجية التحكم إليه.
توجد استراتيجية التحكم في النظام الآن في مكانين، في النموذج وفي وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC). يمكن تحديد مصدر استراتيجية التحكم في النظام باستخدام متغير OPERATING_MODE في ملف التكوين. تُنفذ استراتيجية التحكم في النموذج كنشاط غير متزامن. يُستخدم شرط كجزء من شروط التفعيل في جميع إدخالات النشاط غير المتزامن المستخدمة حصريًا في وضع المحاكاة. يُمكّن هذا من تنفيذ استراتيجية التحكم في النظام في وضع المحاكاة ويُعطلها في وضع المحاكاة. تم إعداد ملفي تكوين مختلفين، واحد لكل وضع، لضبط ملف التهيئة ووضع التشغيل واختلافات التكوين الأخرى بين الوضعين. يؤدي تشغيل محاكي الوقت الحقيقي باستخدام ملف تكوين وضع المحاكاة إلى تشغيل النموذج كمحاكاة. بينما يؤدي تشغيل محاكي الوقت الحقيقي باستخدام ملف تكوين وضع المحاكاة إلى تشغيل النموذج كمحاكاة. تعمل المحاكاة باستراتيجية التحكم الداخلية للنظام وتُعطل الاتصال الخارجي بوحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة. يؤدي التشغيل في وضع المحاكاة إلى تعطيل استراتيجية التحكم الداخلية، وتمكين الواجهة مع وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة التي تُوفر استراتيجية التحكم الخارجية. المكونات المادية للنظام الحقيقي مطلوبة لوضع المراقبة.

في وضع المراقبة، لا يلزم سوى نموذج مكونات النظام الفيزيائي. تُنفذ استراتيجية التحكم في وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) وتتحكم في النظام الحقيقي والنموذج في آن واحد.
يستقبل جهاز المحاكاة في الوقت الحقيقي الإشارات المرسلة إلى النظام الحقيقي والمستلمة منه. ويتم تشغيل نموذج النظام الفيزيائي بالتوازي مع النظام الحقيقي، بحيث يمكن استخدام الاختلافات بين النشاط في النموذج والنظام الحقيقي لتشخيص أعطال المكونات.
يمكن تشغيل نموذج واحد في جميع الأوضاع الثلاثة عن طريق تضمين استراتيجية التحكم في النظام (المفعلة فقط في وضع المحاكاة) في النموذج.

يتم إنشاء ملف تهيئة منفصل، يحتوي على ملف تهيئة جهاز المراقبة، للتشغيل في وضع المراقبة. يتطلب تغيير وضع التشغيل من وضع المراقبة إلى وضع المحاكاة أو المحاكاة فصل النظام الحقيقي. بمجرد فصل النظام الحقيقي، يمكن تبديل النموذج بين وضعي المحاكاة والمحاكاة عن طريق تفعيل أو تعطيل استراتيجية التحكم الداخلية.
التطبيقات
آلة تجميع الأقراص المرنة من آر آر دونيلي [ 7 ]
انظر أيضاً
مراجع
- 1 2 مشروع Automation Master مفتوح المصدر، الرابط
- ↑ غولد، لورانس س.، رسومات الحاسوب - أداة جديدة للتحقق من تصميم النظام. معالجة المواد الحديثة، 7 مارس 1983، ص 60-63. رابط
- ↑ براءة اختراع أمريكية رقم 4,512,747، رابط جهاز محاكاة ومراقبة نظام نقل المواد
- ↑ علامة تجارية رئيسية للأتمتة (مهجورة)، رابط
- ↑ هيتشنز، ماكس دبليو. وريان، توماس ك.، محاكاة الاتصال المباشر ودورة حياة المشروع. وقائع مؤتمر محاكاة الشتاء لعام 1989. رابط
- ↑ غولد، لورانس س.، جودة البرمجيات قابلة للإدارة. إدارة الأتمتة، أبريل 1989، ص 55-57. رابط
- ↑ غولد، لورانس س.، الرؤية الإلكترونية هي التصديق. إدارة الأتمتة، ديسمبر 1993، ص 41-43. رابط
روابط خارجية
- برامج المحاكاة
- الحوسبة الصناعية
