التحكم في العمليات الصناعية

يُعدّ نظام التحكم في العمليات الصناعية ( IPC )، أو ببساطة التحكم في العمليات، نظامًا يُستخدم في التصنيع الحديث ، ويعتمد على مبادئ نظرية التحكم وأنظمة التحكم الصناعية الفيزيائية لمراقبة عمليات الإنتاج الصناعي المستمرة والتحكم فيها وتحسينها باستخدام خوارزميات التحكم. يضمن هذا النظام تشغيل الآلات الصناعية بسلاسة وأمان في المصانع ، واستخدام الطاقة بكفاءة لتحويل المواد الخام إلى منتجات نهائية عالية الجودة ذات اتساق موثوق، مع تقليل هدر الطاقة والتكاليف الاقتصادية ، وهو أمر لا يمكن تحقيقه بالاعتماد على التحكم اليدوي البشري فقط. ^{[ 1 ]}

في أنظمة التحكم الصناعية (IPC)، توفر نظرية التحكم الإطار النظري لفهم ديناميكيات النظام، والتنبؤ بالنتائج، وتصميم استراتيجيات التحكم لضمان تحقيق الأهداف المحددة مسبقًا، وذلك باستخدام مفاهيم مثل حلقات التغذية الراجعة، وتحليل الاستقرار، وتصميم وحدة التحكم. من ناحية أخرى، يتكون الجهاز المادي لأنظمة التحكم الصناعية، القائم على تقنيات الأتمتة، من عدة مكونات. أولًا، تقوم شبكة من أجهزة الاستشعار بقياس متغيرات العملية المختلفة (مثل درجة الحرارة والضغط، إلخ) ومتغيرات جودة المنتج بشكل مستمر. يقوم جهاز تحكم منطقي قابل للبرمجة (PLC، للعمليات الأصغر والأقل تعقيدًا) أو نظام تحكم موزع (DCS، للعمليات واسعة النطاق أو الموزعة جغرافيًا) بتحليل بيانات أجهزة الاستشعار المرسلة إليه، ومقارنتها بنقاط ضبط محددة مسبقًا باستخدام مجموعة من التعليمات أو نموذج رياضي يُسمى خوارزمية التحكم. ثم، في حالة حدوث أي انحراف عن نقاط الضبط هذه (مثل تجاوز درجة الحرارة لنقطة الضبط)، يقوم بإجراء تعديلات تصحيحية سريعة من خلال مشغلات مثل الصمامات (مثل صمام التبريد للتحكم في درجة الحرارة)، أو المحركات، أو السخانات لإعادة توجيه العملية إلى نطاق التشغيل المطلوب. يُنشئ هذا نظامًا دوريًا مغلقًا ومستمرًا للقياس والمقارنة والتحكم وإعادة التقييم، مما يضمن بقاء العملية ضمن المعايير المحددة. تعمل واجهة التفاعل بين الإنسان والآلة (HMI) كلوحة تحكم لنظام التحكم الآلي في العمليات (IPC)، حيث يمكن لعدد محدود من المشغلين مراقبة العملية واتخاذ قرارات مدروسة بشأن التعديلات. ^{[ 1 ]} تتراوح أنظمة التحكم الآلي في العمليات (IPC) من التحكم في درجة حرارة ومستوى وعاء معالجة واحد (خزان بيئة مُتحكم بها لخلط أو فصل أو تفاعل أو تخزين المواد في العمليات الصناعية) إلى مصنع معالجة كيميائية متكامل يضم آلاف حلقات التغذية الراجعة للتحكم.

توفر أنظمة التحكم الصناعية (IPC) العديد من المزايا الهامة لشركات التصنيع. فمن خلال التحكم الدقيق في متغيرات العمليات الرئيسية، تُسهم في خفض استهلاك الطاقة، وتقليل الهدر، وتقصير فترات التوقف، مما يُحقق أعلى كفاءة ويُخفض التكاليف. كما تضمن جودة منتج ثابتة ومحسّنة مع أدنى حد من التباين، الأمر الذي يُرضي العملاء ويُعزز سمعة الشركة. وتُحسّن السلامة من خلال الكشف المبكر عن المشكلات المحتملة وتنبيه المشغلين، وبالتالي منع الحوادث، وأعطال المعدات، واضطرابات العمليات، وفترات التوقف المكلفة. ويُساعد تحليل الاتجاهات والسلوكيات في كميات هائلة من البيانات التي يتم جمعها في الوقت الفعلي المهندسين على تحديد مجالات التحسين، وتطوير استراتيجيات التحكم، والارتقاء المستمر بكفاءة الإنتاج باستخدام منهجية تعتمد على البيانات. ^{[ 1 ]}

تُستخدم أنظمة التحكم الصناعية (IPC) في مجموعة واسعة من الصناعات التي تتطلب تحكمًا دقيقًا. ^{[ 2 ]} تتراوح تطبيقاتها من التحكم في درجة حرارة ومستوى وعاء معالجة واحد، إلى مصنع معالجة كيميائية متكامل يضم آلاف حلقات التحكم. في صناعة السيارات، تضمن أنظمة التحكم الصناعية جودة متسقة من خلال التحكم الدقيق في عمليات مثل اللحام والطلاء. كما تُحسّن عمليات التعدين من خلال مراقبة تكسير الخام وضبط سرعات سيور النقل لتحقيق أقصى إنتاجية. وتستفيد عمليات التجريف من التحكم الدقيق في ضغط الشفط وعمق التجريف ومعدل تصريف الرواسب بواسطة أنظمة التحكم الصناعية، مما يضمن ممارسات فعالة ومستدامة. وتستفيد صناعة اللب والورق من أنظمة التحكم الصناعية لتنظيم العمليات الكيميائية (مثل درجة الحموضة وتركيز المُبيّض) وأتمتة عمليات آلات الورق للتحكم في محتوى رطوبة الورق ودرجة حرارة التجفيف للحصول على جودة متسقة. في المصانع الكيميائية، تضمن هذه الأنظمة إنتاج المواد الكيميائية بشكل آمن وفعال من خلال التحكم في درجة الحرارة والضغط ومعدلات التفاعل. وتستخدمها مصافي النفط لتحويل النفط الخام بسلاسة إلى بنزين ومشتقات بترولية أخرى. وفي محطات توليد الطاقة، تساعد في الحفاظ على ظروف تشغيل مستقرة ضرورية لتوفير إمدادات كهربائية مستمرة. وفي إنتاج الأغذية والمشروبات، تساعد في ضمان قوام متسق وسلامة وجودة عالية. تعتمد شركات الأدوية على ذلك لإنتاج أدوية منقذة للحياة بأمان وفعالية. وقد كان لتطوير أنظمة التحكم في العمليات الصناعية الكبيرة دورٌ أساسي في تمكين تصميم عمليات إنتاجية ضخمة ومعقدة، والتي لم يكن من الممكن تشغيلها بطريقة اقتصادية أو آمنة لولا ذلك. ^{[ 3 ]}

كانت أبرز الإنجازات المبكرة في مجال التحكم بالعمليات غالباً على شكل أجهزة للتحكم في المياه. يُنسب إلى كتيسيبيوس الإسكندري اختراع صمامات عائمة لتنظيم مستوى الماء في الساعات المائية في القرن الثالث قبل الميلاد. وفي القرن الأول الميلادي، اخترع هيرون الإسكندري صماماً مائياً مشابهاً لصمام التعبئة المستخدم في المراحيض الحديثة. ^{[ 4 ]}

استندت اختراعات التحكم في العمليات اللاحقة إلى مبادئ الفيزياء الأساسية. ففي عام 1620، اخترع كورنيليس دريبل منظم حرارة ثنائي المعدن للتحكم في درجة الحرارة داخل الفرن. وفي عام 1681، اكتشف دينيس بابان إمكانية تنظيم الضغط داخل وعاء عن طريق وضع أوزان على غطائه. ^{[ 4 ]} وفي عام 1745، ابتكر إدموند لي طاحونة هوائية صغيرة تُسمى "الطاحونة ذات الذيل" لتحسين كفاءة طواحين الهواء؛ وهي عبارة عن طاحونة هواء أصغر حجماً موضوعة بزاوية 90 درجة حول المراوح الأكبر حجماً، بحيث يكون وجه الطاحونة موجهاً مباشرةً نحو الرياح القادمة.

مع بزوغ فجر الثورة الصناعية في ستينيات القرن الثامن عشر، سعت اختراعات أنظمة التحكم في العمليات إلى استبدال المشغلين البشريين بعمليات آلية. ففي عام ١٧٨٤، ابتكر أوليفر إيفانز مطحنة دقيق تعمل بالطاقة المائية باستخدام الدلاء والناقلات اللولبية. وطبّق هنري فورد النظرية نفسها عام ١٩١٠ عندما ابتكر خط التجميع لتقليل التدخل البشري في عملية إنتاج السيارات. ^{[ ٤ ]}

في مجال التحكم بالعمليات المتغيرة باستمرار، لم يُطوَّر قانون تحكم رسمي لما يُعرف اليوم بالتحكم التناسبي التكاملي التفاضلي (PID) أو التحكم ثلاثي الحدود، باستخدام التحليل النظري، إلا في عام ١٩٢٢ على يد المهندس الروسي الأمريكي نيكولاس مينورسكي . ^{[ ٥ ]} كان مينورسكي يُجري أبحاثًا ويُصمِّم نظام توجيه آلي للسفن لصالح البحرية الأمريكية، واستند في تحليله إلى ملاحظاته لقائد السفينة . لاحظ مينورسكي أن القائد لم يكن يُوجِّه السفينة بناءً على خطأ المسار الحالي فحسب، بل أيضًا على الخطأ السابق، بالإضافة إلى معدل التغير الحالي؛ ^{[ ٦ ]} ثم قام مينورسكي بمعالجة ذلك رياضيًا. ^{[ ٧ ]} كان هدفه تحقيق الاستقرار، وليس التحكم العام، مما بسّط المشكلة بشكل كبير. في حين أن التحكم التناسبي يُوفِّر الاستقرار في مواجهة الاضطرابات الصغيرة، إلا أنه لم يكن كافيًا للتعامل مع الاضطرابات المستمرة، ولا سيما العواصف الشديدة (بسبب خطأ الحالة المستقرة )، الأمر الذي استلزم إضافة الحد التكاملي. وأخيرًا، أُضيف الحد التفاضلي لتحسين الاستقرار والتحكم.

تطورت أنظمة التحكم في العمليات الصناعية الكبيرة عبر مراحل عديدة. في البداية، كان التحكم يتم من لوحات تحكم محلية في المصنع. إلا أن هذا تطلب موارد بشرية كبيرة للتعامل مع هذه اللوحات المتفرقة، ولم تكن هناك رؤية شاملة للعملية. وكان التطور المنطقي التالي هو نقل جميع قياسات المصنع إلى غرفة تحكم مركزية مزودة بموظفين دائمين. وقد مثّل هذا فعلياً مركزية جميع لوحات التحكم المحلية، مع مزايا انخفاض عدد الموظفين وسهولة الإشراف على العملية. غالباً ما كان المشغلون خلف لوحات غرفة التحكم، وكانت جميع مخرجات التحكم الآلي واليدوي تُنقل إلى المصنع. ومع ذلك، ورغم توفير هذا الترتيب مركزية للتحكم، إلا أنه كان غير مرن، حيث كان لكل حلقة تحكم جهاز تحكم خاص بها، وكان من الضروري تنقل المشغلين باستمرار داخل غرفة التحكم لمشاهدة أجزاء مختلفة من العملية.

مع ظهور المعالجات الإلكترونية وشاشات العرض الرسومية، أصبح من الممكن استبدال وحدات التحكم المنفصلة بخوارزميات حاسوبية، موزعة على شبكة من وحدات الإدخال/الإخراج المزودة بمعالجات تحكم خاصة بها. ^{[ 8 ]} ويمكن توزيع هذه الوحدات في أرجاء المصنع، والتواصل مع شاشة العرض الرسومية في غرفة أو غرف التحكم. وهكذا وُلد نظام التحكم الموزع (DCS).

أتاح إدخال أنظمة التحكم الموزعة (DCS) سهولة الربط وإعادة تكوين عناصر التحكم في المصنع، مثل الحلقات المتتالية وأنظمة التعشيق، وسهولة الربط مع أنظمة الحاسوب الإنتاجية الأخرى. كما مكّن من معالجة الإنذارات بشكل متطور، وأدخل تسجيل الأحداث تلقائيًا، وألغى الحاجة إلى السجلات الورقية مثل مسجلات البيانات، وسمح بربط وحدات التحكم بشبكة، وبالتالي وضعها محليًا في المصنع لتقليل طول الكابلات، ووفر نظرة عامة شاملة على حالة المصنع ومستويات الإنتاج.

الرسم التخطيطي المرفق هو نموذج عام يوضح مستويات التصنيع الوظيفية في عملية كبيرة باستخدام المعالج والتحكم القائم على الكمبيوتر.

بالرجوع إلى الرسم التخطيطي: يحتوي المستوى 0 على أجهزة الحقل مثل مستشعرات التدفق ودرجة الحرارة (قراءات قيمة العملية - PV)، وعناصر التحكم النهائية (FCE)، مثل صمامات التحكم ؛ يحتوي المستوى 1 على وحدات الإدخال/الإخراج الصناعية (I/O)، ومعالجاتها الإلكترونية الموزعة المرتبطة بها؛ يحتوي المستوى 2 على أجهزة الكمبيوتر الإشرافية، التي تجمع المعلومات من عقد المعالجة على النظام، وتوفر شاشات تحكم للمشغل؛ المستوى 3 هو مستوى التحكم في الإنتاج، والذي لا يتحكم مباشرة في العملية، ولكنه يهتم بمراقبة الإنتاج ومراقبة الأهداف؛ المستوى 4 هو مستوى جدولة الإنتاج.

لتحديد النموذج الأساسي لأي عملية، تُعرَّف مدخلات ومخرجات النظام بشكل مختلف عن العمليات الكيميائية الأخرى. ^{[ 9 ]} تُعرَّف معادلات التوازن بمدخلات ومخرجات التحكم بدلاً من مدخلات المواد. نموذج التحكم هو مجموعة من المعادلات تُستخدم للتنبؤ بسلوك النظام، ويمكن أن يساعد في تحديد استجابته للتغيرات. متغير الحالة (x) هو متغير قابل للقياس يُعد مؤشرًا جيدًا لحالة النظام، مثل درجة الحرارة (توازن الطاقة)، ​​أو الحجم (توازن الكتلة)، أو التركيز (توازن المكونات). متغير الإدخال (u) هو متغير مُحدد، ويشمل عادةً معدلات التدفق.

يُعتبر كل من التدفق الداخل والخارج مدخلات تحكم. ويمكن تصنيف مدخلات التحكم إلى متغيرات مُتحكَّم بها، أو متغيرات اضطراب، أو متغيرات غير مُراقَبة. أما المعاملات (p) فهي عادةً قيود فيزيائية ثابتة للنظام، مثل حجم الوعاء أو لزوجة المادة. بينما يُمثل الناتج (y) المقياس المستخدم لتحديد سلوك النظام. ويمكن تصنيف ناتج التحكم إلى مُقاس، أو غير مُقاس، أو غير مُراقَب.

يمكن تصنيف العمليات إلى دفعية، ومستمرة، وهجينة. ^{[ 10 ]} تتطلب التطبيقات الدفعية دمج كميات محددة من المواد الخام بطرق معينة ولمدة محددة لإنتاج منتج وسيط أو نهائي. ومن الأمثلة على ذلك إنتاج المواد اللاصقة، والتي تتطلب عادةً خلط المواد الخام في وعاء ساخن لفترة زمنية محددة لتكوين كمية من المنتج النهائي. ومن الأمثلة المهمة الأخرى إنتاج الأغذية والمشروبات والأدوية. تُستخدم العمليات الدفعية عمومًا لإنتاج كميات منخفضة إلى متوسطة نسبيًا من المنتج سنويًا (من بضعة أرطال إلى ملايين الأرطال).

يُمثَّل النظام الفيزيائي المستمر بمتغيرات سلسة وغير متقطعة مع الزمن. على سبيل المثال، يُعد التحكم في درجة حرارة الماء في غلاف التدفئة مثالًا على التحكم المستمر في العمليات. ومن أهم العمليات المستمرة إنتاج الوقود والمواد الكيميائية والبلاستيك. تُستخدم العمليات المستمرة في التصنيع لإنتاج كميات هائلة من المنتجات سنويًا (من ملايين إلى مليارات الأرطال). تستخدم هذه الأنظمة أنظمة تغذية راجعة، كما هو الحال في وحدة التحكم PID ، التي تتضمن وظائف تحكم تناسبية وتكاملية وتفاضلية.

غالباً ما تسمى التطبيقات التي تحتوي على عناصر من التحكم في العمليات الدفعية والمستمرة بالتطبيقات الهجينة.

تُعدّ حلقة التحكم اللبنة الأساسية لأي نظام تحكم صناعي ، حيث تتحكم في متغير واحد فقط من متغيرات العملية. يوضح الرسم التخطيطي المرفق مثالاً على ذلك، حيث يتم التحكم في معدل التدفق في أنبوب بواسطة وحدة تحكم PID ، مدعومة بما يُشبه حلقة متتالية على شكل وحدة تحكم مؤازرة للصمام لضمان وضع الصمام في الموضع الصحيح.

قد تحتوي بعض الأنظمة الكبيرة على مئات أو آلاف من حلقات التحكم. في العمليات المعقدة، تتفاعل هذه الحلقات فيما بينها، بحيث يؤثر تشغيل إحداها على تشغيل الأخرى. يُستخدم مخطط الأنابيب والأجهزة لتمثيل حلقات التحكم .

تشمل أنظمة التحكم الشائعة الاستخدام وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) أو نظام التحكم الموزع (DCS) أو نظام التحكم الإشرافي وجمع البيانات ( SCADA ).

يُعرض مثال آخر. إذا استُخدم صمام تحكم للحفاظ على مستوى السائل في خزان، فإن جهاز التحكم في المستوى سيقارن القراءة المكافئة لمستشعر المستوى بنقطة ضبط المستوى، ويحدد ما إذا كان من الضروري فتح الصمام أكثر أو أقل للحفاظ على المستوى ثابتًا. بعد ذلك، يمكن لجهاز تحكم التدفق المتتالي حساب التغير في موضع الصمام.

تتطلب الطبيعة الاقتصادية للعديد من المنتجات المصنعة في عمليات الدفعات والعمليات المستمرة تشغيلًا عالي الكفاءة نظرًا لهوامش الربح الضئيلة. ويتمثل العامل المنافس في التحكم بالعمليات في ضرورة استيفاء المنتجات لمواصفات محددة لتكون مُرضية. وتأتي هذه المواصفات في صورتين: حد أدنى وحد أقصى لخاصية معينة للمادة أو المنتج، أو نطاق يجب أن تقع ضمنه هذه الخاصية. ^{[ 11 ]} جميع الحلقات عرضة للاضطرابات، ولذلك يجب استخدام هامش أمان على نقاط ضبط العملية لضمان عدم تسبب الاضطرابات في خروج المادة أو المنتج عن المواصفات. ويترتب على هذا الهامش تكلفة اقتصادية (مثل عمليات معالجة إضافية، أو الحفاظ على ظروف تشغيل مرتفعة أو منخفضة، إلخ).

يمكن تحسين كفاءة العملية بتقليل الهوامش اللازمة لضمان استيفاء مواصفات المنتج. ^{[ 11 ]} ويمكن تحقيق ذلك من خلال تحسين التحكم في العملية لتقليل تأثير الاضطرابات عليها. وتتحسن الكفاءة باتباع أسلوب من خطوتين: تضييق نطاق التباين وتغيير الهدف. ^{[ 11 ]} ويمكن تضييق نطاق الهوامش من خلال ترقيات مختلفة للعملية (مثل ترقية المعدات، وتحسين أساليب التحكم، وما إلى ذلك). وبمجرد تضييق نطاق الهوامش، يمكن إجراء تحليل اقتصادي للعملية لتحديد كيفية تغيير هدف نقطة الضبط. وتؤدي نقاط ضبط العملية الأقل تحفظًا إلى زيادة الكفاءة الاقتصادية. ^{[ 11 ]} وتزيد استراتيجيات التحكم الفعالة في العملية من الميزة التنافسية للمصنعين الذين يستخدمونها.

• ووكر، مارك جون (2012-09-08). وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة: تاريخها، نشأتها، وتطبيقاتها (ملف PDF) (أطروحة دكتوراه). قسم الاتصالات والأنظمة، كلية الرياضيات والحوسبة والتكنولوجيا: الجامعة المفتوحة . مؤرشفة (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 2018-06-20 . تاريخ الاسترجاع: 2018-06-20 .

• دليل شامل للتحكم الإحصائي في العمليات
• كتاب ميشيغان المفتوح في ديناميكيات عمليات الهندسة الكيميائية والتحكم فيها
• مختبر افتراضي للتحكم التناسبي التكاملي التفاضلي (PID)، دروس فيديو مجانية، محاكيات عبر الإنترنت، أنظمة متقدمة للتحكم في العمليات