التحكم والأتمتة وشبكات الاتصال

التحكم والأتمتة وشبكات الاتصال

بدءًا من بنية التحكم وتخصيص القنوات وحتى منطق التشغيل وإدارة الأخطاء والوصول عن بُعد

يقوم نظام التحكم بتنسيق سلوك معدات النافورة مع بعضها البعض. وقت تشغيل المضخات وتغيير ارتفاع النوافير وحركة الفوهات ولون الضوء والجدول اليومي والتفاعل مع البيئة كلها تعتمد على هذا النظام.

لا يتم تحديد جودة التحكم من خلال أداء العرض الجميل فقط. يجب أن يكون النظام قادرًا على إدارة التشغيل والتوقف، واكتشاف الظروف غير المناسبة، وتوفير معلومات موثوقة للمشغل، والوصول إلى حالة محددة بعد الفشل.

في التصميم الاحترافي، يجب التمييز بوضوح بين ثلاث قضايا: أمر العرض، والتحكم في العمليات، ووظائف السلامة. يعد التواصل بين هذه الأجزاء أمرًا ضروريًا، لكن مهامها ومستوى الضمان المطلوب ليسا متساويين.

يتناول هذا الفصل هيكل التحكم والتشغيل. سيتم مراجعة التصميم الفني للعرض والتنسيق الدقيق بين الماء والضوء والموسيقى في الفصل ذي الصلة.

27–1. ماذا يفعل نظام التحكم؟

يمكن تقسيم مهام التحكم إلى خمس مجموعات:

لا يتم تنفيذ هذه المهام بالضرورة على نفس الجهاز. في مشروع صغير، قد تغطي وحدة التحكم المناسبة عدة مهام؛ في المشروع الكبير، يكون من المنطقي تقسيم المسؤولية بين وحدة التحكم في العرض ووحدة التحكم الصناعية ومعدات الحماية ونظام المراقبة.

معيار الاختيار هو تحقيق الأداء المطلوب وقابليته للاختبار. إن العدد الكبير من المدخلات والمخرجات أو الشاشة الكبيرة وحدها لا تحدد جودة النظام.

27–2. بنية التحكم المقترحة

تتكون البنية القابلة للمراجعة من أربعة أجزاء:

قسم المعدات الميدانية: المضخة، المحرك، الصمام، الضوء، الفوهة المتحركة والمستشعر.

قسم التحكم في العمليات: إدارة تصريح بدء التشغيل، ومستوى المياه، وتداول المعالجة، والقيود وتسلسل العمليات.

إظهار قسم التنفيذ: إنشاء أوامر توقيت لتأثيرات المياه والإضاءة والمكونات الأخرى المعتمدة.

قسم المراقبة والتشغيل: عرض الحالة وتلقي أمر المشغل وتسجيل المعلومات والوصول إلى الإدارة.

وينبغي تنفيذ وظائف السلامة على أساس تقييم المخاطر، مع المعدات والهندسة المعمارية المناسبة. لا ينبغي اعتبار PLC أو برنامج العرض التقليدي نظام أمان معتمدًا لمجرد قابليته للبرمجة.

على سبيل المثال، تقدم OASE وحدات تحكم عرض مستقلة مزودة بإمكانات DMX/RDM وI/O والشبكات في مجموعة WECS. تختلف القدرات والميزات بين النماذج. وحدات تحكم WECS-OASE ^[181]

يجب أن يكون واضحًا في الخريطة أي قسم يعطي "طلب التنفيذ" وأي قسم يصدر أو يقاطع "رخصة التنفيذ".

ملاحظة الشكل في مخطوط الكتاب

الشكل 27-1 بدلاً من ذلك

الصورة المقترحة: مخطط معماري يتضمن وحدة التحكم في العرض، ووحدة التحكم في العمليات، ومعدات السلامة، والشبكة المحلية، ولوحة التشغيل، والمعدات الميدانية. يجب تحديد مسار الأمر والتعليقات وإذن التنفيذ بخطوط مختلفة.

التسمية التوضيحية: "يجب أن توضح بنية التحكم مسؤولية أداء العرض التوضيحي والتحكم في العمليات ووظائف السلامة."

27–3. اختيار البروتوكول؛ ما فائدة كل اتصال؟

يحدد البروتوكول قواعد تبادل البيانات. يجب أن يكون اختياره متناغمًا مع المعدات والسرعة المطلوبة وإمكانية استكشاف الأخطاء وإصلاحها والتطوير المستقبلي.

تقدم ESTA معايير DMX512-A وRDM وsACN في عائلات E1.11 وE1.20 وE1.31 على التوالي. يغطي RDM وsACN الاتصال ثنائي الاتجاه لبيانات DMX عبر شبكة IP. قائمة معايير بروتوكول التحكم - ESTA ^[182]

لا تعني مشاركة نوع المقبس أو الكابل استخدام نفس البروتوكول. يمكن استخدام موصل RJ45 لشبكات Ethernet أو الاتصالات المخصصة أو التطبيقات الأخرى؛ يجب التحقق من خطة الاتصال الخاصة بالشركة المصنعة.

27–4. DMX والقناة والكون

في DMX512، يحتوي الكون على ما يصل إلى 512 قناة ذات ثمانية بتات. تتراوح قيمة كل قناة عادةً بين 0 و255. وقد يستهلك الجهاز قناة واحدة أو قنوات متعددة. أساسيات DMX512 - ENTTEC ^[183]

على سبيل المثال، قد يحتوي ضوء RGBW في حالة بسيطة على أربع قنوات للأحمر والأخضر والمائي والأبيض. قد يتطلب نفس الضوء في وضع آخر المزيد من القنوات للكثافة العامة أو التأثير الداخلي أو الإعدادات الأخرى.

لذلك يجب التسجيل لكل جهاز:

• نموذج وإصدار البرنامج الداخلي.

• وضع العمل المحدد أو الملف الشخصي.

• عدد القنوات المستخدمة.

• عنوان البداية والكون.

• معنى ونطاق كل قناة.

• السلوك عند مقاطعة البيانات.

عدد القناة ليس بالضرورة النسبة المئوية لارتفاع الماء. على سبيل المثال، قد تكون القيمة 128 هي الأمر الأوسط لمحرك الأقراص، لكن ارتفاع النافورة يعتمد على منحنى المضخة ومقاومة الشبكة ومواصفات الفوهة.

كما أن RDM ليس بديلاً عن مستشعر الضغط أو التدفق الحقيقي. المعلومات التي يمكن الحصول عليها منه تقتصر على قدرة المعدات.

27–5. مثال التصميم: حساب القنوات وتخصيص العناوين

فكر في نافورة مياه افتراضية مزودة بالمعدات التالية. يعد عدد القنوات مجرد افتراض لهذا المثال ولا يُنسب إلى منتج معين.

يمكن أن تكون المهمة المستمرة:

القدرة المستهلكة:

$\frac{252}{512}\times 100\approx 49.2\%$

لذا، من حيث عدد القنوات، فإن الكون لديه سعة كافية. إذا تم أخذ التطوير بنسبة 25% في الاعتبار للتقدير الأولي:

$N_{design}=252\times 1.25=315$

ولا يزال هذا الرقم أقل من 512. وهامش الـ 25% هنا هو افتراض تخطيطي، وليس مطلبًا قياسيًا.

لكن النتيجة المذكورة أعلاه لا تعني إمكانية توصيل جميع المعدات بخط مادي. يجب التحقق بشكل منفصل من عدد أجهزة الاستقبال، والحمل الكهربائي للواجهات، وطول المسار، والتفرع، والعزل، وحدود الشركة المصنعة.

كما أن عدد المخرجات المادية لوحدة التحكم ليس بالضرورة عدد الأكوان المستقلة أو سعة برمجياتها. على سبيل المثال، في مواصفات WECS III 64، تم تقديم أربعة خطوط DMX/RDM بالإضافة إلى سعة 64 قناة. مواصفات WECS III 64 - OASE ^[184]

ملاحظة الشكل في مخطوط الكتاب

الشكل 27-2

الصورة المقترحة: خريطة ملونة لمثال تخصيص القنوات، تعرض أربع مجموعات من المعدات والقنوات المجانية. بجانب الخريطة، يجب وضع صورة علامة الجهاز بما في ذلك المعرف والكون وعنوان البدء والملف الشخصي.

العنوان الفرعي: "يجب حساب سعة القناة وعدد المعدات وعدد الخطوط الفعلية بشكل منفصل."

27–6. تصميم الشبكات وطرق الاتصال

في خطوط DMX، يعد ترتيب السلسلة والكابل المناسب وإنهاء الخط المناسب أمرًا مهمًا. يمكن أن يؤدي تقسيم Y السلبي إلى انخفاض جودة الإشارة؛ يجب استخدام المعدات المناسبة للتفرع.

في دليل إنهاء الخط، يصف ENTTEC المقاوم النهائي المناسب لخط DMX والإنهاء المستقل لكل فرع إخراج مقسم. يجب أن تكون تفاصيل التثبيت متوافقة مع المعدات والتوصيلات الفعلية. إنهاء خط DMX-ENTTEC ^[185]

في شبكة إيثرنت، يجب أن تتضمن الخريطة المحولات ووحدات التحكم والبوابات والعناوين والاتصالات بين المقاطع. إذا تم استخدام sACN في وضع البث المتعدد، فيجب أيضًا تكوين إدارة حركة البث المتعدد وفقًا للهندسة المعمارية.

يستخدم Art-Net حزم UDP لنقل البيانات ويحدد مفهوم عنوان المنفذ لتحديد تدفقات البيانات. Art-Net Architecture - مرجع البروتوكول الرسمي ^[186]

بالنسبة للمسافات الطويلة أو بين المباني، يمكن أن تكون الألياف الضوئية خيارًا يجب أخذه في الاعتبار. يجب أن يتم تنسيق اختيار الوسائط مع المسافة والظروف البيئية وخطة الحماية.

يجب أيضًا دعم قدرة RDM في جميع المسارات الضرورية، بدءًا من وحدة التحكم وحتى جهاز التقسيم والمعدات؛ لا يكفي أن تكون على طرفي الطريق.

27–7. قائمة الإشارات وصلاحية القياس

يجب إعداد قائمة الإدخال والإخراج قبل البرمجة. تحتاج كل إشارة إلى معلومات تتجاوز الاسم.

بالنسبة لمستشعر افتراضي من صفر إلى 6 بار مع خرج من 4 إلى 20 مللي أمبير:

$P=\frac{I-4}{16}\times 6$

عند تيار 12 مللي أمبير:

$P=\frac{12-4}{16}\times 6=3bar$

لا ينطبق هذا التحويل إلا ضمن النطاق الصالح للإشارة. لا ينبغي تفسير انقطاع الأسلاك على أنه "ضغط صفر حقيقي" دون إجراء تحقيق.

في اتصالات Modbus، يجب استخراج تنسيق التسجيل والوحدة وعامل القياس وترتيب الكلمات وطريقة العنونة من وثائق المعدات. البروتوكول وحده لا يحدد المعنى المحدد لكل سجل. تقديم Modbus - مؤسسة Modbus ^[187]

27–8. تسلسل البدء والتشغيل والإيقاف

لا ينبغي أن يكون بدء النافورة عبارة عن سلسلة من الأوامر المتزامنة دون تعليقات. يتضمن التسلسل القابل للمراجعة الخطوات التالية:

1. التحقق من التراخيص العامة وعدم وجود أخطاء عرقلة. 2. التحقق من مستوى المياه وجاهزية المعدات. 3. استيفاء الشروط اللازمة لتداول ونوعية المياه. 4. إعداد المعدات بالأمر المعتمد؛ 5. تلقي التدفق اللازم أو الضغط أو ردود الفعل على الحالة؛ 6. إصدار الإذن بأداء العرض.

يمكن أن تتضمن حالات النظام الأساسية "إيقاف التشغيل" و"التحقق من الاستعداد" و"بدء التشغيل" و"جاهز" و"تشغيل العرض" و"الإيقاف المتحكم فيه" و"خطأ" و"إصلاحات".

وللانتقال من كل ولاية إلى الولاية التالية يجب أن يكون هناك شرط وموعد محدد. إذا تلقت المضخة أمر تشغيل، ولكن لم يتم الحصول على ردود الفعل اللازمة في الوقت المحدد، فلا ينبغي للنظام أن يفترض أن المضخة جاهزة بناءً على الأمر الصادر.

يجب أيضًا تنسيق التوقف الطبيعي مع السلوك الهيدروليكي. يجب أن يمنع ترتيب تقليل السرعة وتغيير موضع الصمامات خلق ظروف غير مناسبة.

27–9. السلوك أثناء الخطأ والانفصال

ويجب تحديد نطاق التأثير والاستجابة لكل خطأ.

يجب أيضًا التحقق من إعداد سلوك مقاطعة البيانات في الجهاز نفسه أو في أقرب وحدة تحكم فعالة. إذا كانت وحدة التحكم المركزية فقط هي المسؤولة عن اكتشاف الانفصال، فإن فشل وحدة التحكم نفسها يمكن أن يؤدي إلى تدمير هذا الاكتشاف.

لا ينبغي أن تكون DMX التقليدية هي الطريقة الوحيدة لتنفيذ وظيفة السلامة المهمة. تحد وثائق ESTA أيضًا من استخدام DMX للتطبيقات الخطرة. شرح حدود تطبيق السلامة DMX-ESTA ^[188]

"إيقاف تشغيل جميع المخارج" ليس دائمًا هو الحل الأمثل أيضًا؛ قد يؤدي إغلاق المنفذ إلى إغلاق الصمام بسرعة أو مقاطعة مهمة أساسية. يجب تحديد الحالة الآمنة لكل جهاز.

27–10. التحكم على أساس الرياح والسطح والظروف البيئية

يمكن أن يؤدي التحكم في البيئة المحيطة إلى تقليل الرش خارج النطاق واستهلاك المياه ووقت التوقف غير الضروري.

على سبيل المثال، تقدم OASE وSafe-Rain معدات لتقليل الارتفاع أو إيقاف النافورة بناءً على الرياح. التحكم المعتمد على الرياح - OASE ^[189]، مقياس شدة الريح النافورة - Safe-Rain ^[190]

لا ينبغي اختيار عتبة الرياح بنفس الطريقة لجميع المشاريع. يلعب ارتفاع النفاثة النفاثة ونوعها والمسافة إلى الممر واتجاه الرياح وهندسة البركة دورًا في تحديدها.

لتجنب التغييرات المتكررة في الحالة، يمكن فصل عتبة العودة عن عتبة الهبوط أو التوقف. كما يجب تحديد فترة تأكيد زيادة الرياح وفترة انتظار العودة حسب المخاطر؛ وينبغي ألا يؤدي التأخير إلى تأخير الاستجابة اللازمة دون داع.

يجب تركيب المستشعر في مكان يمثل بدقة الظروف التي تؤثر على النافورة. إن العدد الدقيق لأجهزة الاستشعار الموضوعة خلف حاجز غير مناسب لا يمثل بالضرورة بيانات مفيدة للتحكم.

27–11. زمن الاستجابة والتنسيق الفعلي للمعدات

وقت وصول الأمر ليس هو نفس وقت رؤية التأثير.

قد تتضمن سلسلة الاستجابة الخطوات التالية:

• توليد الأوامر في البرنامج .

• معالجة وحدة التحكم.

• نقل الشبكة.

• معالجة محرك الأقراص أو المعدات.

• حركة ميكانيكية أو تغير التدفق .

• وصول الماء إلى حالة مرئية.

في مثال افتراضي، إذا كانت التأخيرات المتعاقبة للمسار هي 10 و20 و120 و350 مللي ثانية:

$t_{total}=10+20+120+350=500ms$

يكون هذا الجمع صالحًا فقط عندما تحدث الخطوات في نفس المسار بشكل متتابع.

يمكن تعويض التأخر الثابت جزئيًا في برنامج العرض؛ تقلب التأخير هو مسألة مختلفة. ولهذا السبب، يجب إجراء الاختبار في أوضاع تحميل وعرض مختلفة.

لا يضمن معدل نقل البيانات زمن الاستجابة الميكانيكية للمضخة أو الصمام. كما يجب ألا تشغل قراءة المعلومات التشخيصية وبيانات التسجيل الموارد اللازمة لتشغيل العرض دون التحقق.

ملاحظة الشكل في مخطوط الكتاب

الشكل 27-3 بدلاً من ذلك

الصورة المقترحة: مخطط زمني يتضمن لحظة إصدار الأمر واستلام المعدات والبدء في تغيير التدفق وملاحظة التأثير. يجب إدراج أرقام الأمثلة مع التسمية "الافتراضية".

التسمية التوضيحية: "يجب قياس وقت استجابة المسار الكامل لتنسيق العرض التوضيحي."

27–12. تشغيل التنبيهات وواجهة الإدارة

يجب أن تجيب الصفحة الرئيسية على الأسئلة اليومية للمستخدم:

• ما هي حالة النافورة؟

• ما هو العرض أو البرنامج النشط؟

• ما هي القيود التي تم تطبيقها؟

• لماذا لا يسمح النظام بالبدء؟

• ما هو الخطأ الذي يتطلب اتخاذ إجراء؟

رسالة "خطأ في المضخة" ليست كافية. يجب أن تحدد الرسالة المناسبة المعدات والحالة والوقت والإجراء الأولي المسموح به؛ مثل: "Pump P-03: تم إصدار أمر البدء، ولم يتم تأكيد تعليقات التدفق؛ تم إيقاف عرض المجموعة الثالثة.

يجب أن تكون العمليات الثلاث منفصلة في الواجهة:

تأكيد عرض التنبيه: لقد شاهد المشغل الرسالة.

العلاج: تم حل الحالة المسببة للخطأ.

إعادة الضبط: يخرج النظام، إذا كان مسموحًا به، من وضع الخطأ الدائم.

لا ينبغي أن يؤدي الإقرار بالتحذير إلى إصلاحه تلقائيًا. يجب ألا يتجاوز أمر إعادة الضبط الحماية أيضًا.

وينبغي أن يُظهر سجل البيانات أيضًا حالة التحقق من صحة القياس؛ لا ينبغي عرض الرقم القديم المتبقي على الشاشة كقيمة حالية.

27–13. الوصول عن بعد وأمن الشبكة

يعد الوصول عن بعد مفيدًا لعرض الحالة والدعم، ولكن يجب تحديد نطاقه.

في تصميم هذا الوصول:

• يجب فصل شبكة التحكم عن الشبكة العامة للمستخدمين.

• وحدة التحكم وواجهة الإدارة غير متاحة مباشرة على الإنترنت؛

• الحسابات شخصية ولها مستويات وصول مناسبة.

• يتم إنشاء الاتصال عن بعد من خلال مسار يتم التحكم فيه ومع مصادقة متعددة العوامل.

• تسجيل التغييرات وتسجيلات دخول المستخدم.

• ينبغي أن يكون وصول المقاول محدودا في الوقت والنطاق المطلوبين.

توصي CISA بإلغاء الوصول المباشر إلى الإنترنت للمعدات التشغيلية، باستخدام التوجيه الآمن، ومبدأ الوصول الأقل. حماية الاتصالات لأنظمة التشغيل - CISA ^[191]

لا ينبغي اعتبار Modbus TCP العادي بمثابة اتصال مشفر لمجرد أنه يستخدم شبكة IP. حددت مؤسسة Modbus استخدام TLS والشهادات الرقمية لإصدار الأمان؛ يجب التحقق من دعم المعدات الفعلي. Modbus Security - مؤسسة Modbus ^[192]

يجب ألا يمنع انقطاع الإنترنت استجابة الحماية المحلية. يجب أيضًا أن تكون لتصاريح السلامة وقيود التشغيل الأسبقية على التحكم عن بعد.

27–14. إدارة النسخ الاحتياطي والتغيير

يجب أن تكون النسخة الاحتياطية قادرة على استعادة النظام، وليس مجرد ملف غير معروف متبقي في الذاكرة.

قد تشمل العناصر المطلوبة ما يلي:

• برنامج تحكم ونسخة قابلة للتحرير متفق عليها.

• عرض الملف وملف المعدات.

• إعدادات محرك الأقراص والبوابة.

• جدول العناوين ورسم خرائط القنوات.

• نسخة من البرامج والبرمجيات الوسيطة .

• إعدادات الشبكة وسياسات الوصول.

• تراخيص البرامج وطريقة استردادها.

• تعليمات التثبيت بعد استبدال المعدات.

قبل أي تغيير، يجب تسجيل الإصدار الحالي. يمكن أن يؤثر تغيير ملف تعريف الضوء أو نقل العنوان على أداء أجهزة متعددة.

ويجب أن يتم التحديث أيضًا من خلال التحقق من التوافق وإمكانية إرجاع الأجزاء المتضررة واختبارها. لا يعد الحصول على الإصدار الجديد وحده سببًا كافيًا لتثبيته فورًا على النظام النشط.

27–15. اختبار المصنع واختبار في الموقع

يجب أن يغطي الاختبار التشغيل العادي وحالات الفشل قبل التشغيل العام.

يمكن أن يتضمن اختبار المصنع، أو FAT، عمليات فحص البرامج وقوائم الإشارات وتعيينات العناوين ومنطق التحذير وأذونات التنفيذ ومحاكاة المدخلات.

يجب أن يتحقق الاختبار في الموقع أو SAT من توافق البرنامج مع المعدات المثبتة واتجاه التشغيل والتغذية الراجعة الفعلية والتأخير واستجابة المجموعة.

يجب أن يتم حقن الأخطاء بطريقة خاضعة للرقابة، مثل جهاز محاكاة أو طريقة معتمدة من قبل الشركة المصنعة. لا يعد قطع السلك عن طريق الخطأ أو خلق موقف خطير بسبب الماء طريقة اختبار مقبولة.

يجب تسجيل الحالة الأولية والإجراء والنتيجة المتوقعة والنتيجة الفعلية لكل اختبار.

ملاحظة الشكل في مخطوط الكتاب

الشكل 27-4

الصورة المقترحة: صفحة التشغيل الفعلية بجوار نموذج نموذج الاختبار. تظهر حالة العرض والأذونات وسبب إيقاف النسخة التجريبية؛ لا يتم عرض معلومات تسجيل الدخول وإعدادات الشبكة الحساسة في الصورة.

العنوان الفرعي: "يجب أن يكون تسليم نظام التحكم مصحوبًا بدليل على التشغيل العادي والاستجابة للأخطاء."

27–16. وثائق التسليم ومعايير قبول النظام

يجب أن تسمح التسليمات للمستخدم باستخدام وتصحيح الأخطاء وتطويرها بطريقة يمكن التحكم فيها:

• وصف الوظيفة وهندسة التحكم.

• قائمة الإدخال والإخراج.

• خريطة الشبكة وقائمة المعدات.

• الجدول الكون والعنوان والملف الشخصي.

• خريطة السجلات وحجم الإشارات.

• السبب والنتيجة جدول الأخطاء.

• تسلسل البدء والإيقاف واسترداد الأخطاء.

• نتائج اختبار المصنع والموقع.

• النسخ الاحتياطية وطريقة الاسترداد.

• دليل المستخدم وسجلات التدريب.

• حدود المسؤولية وإمكانية وصول المشغل والدعم.

وينبغي تحديد معايير القبول قبل البناء. مصطلحات مثل "التحكم الذكي" أو "القابل للبرمجة" غير كافية لتقييم التسليم دون تحديد الوظيفة.

يجب أن يقوم النظام الموثوق بتنفيذ العرض التوضيحي، والإشارة بوضوح إلى سبب التقييد أو الإيقاف، واختبار السلوك في حالات الفشل المتوقعة.

وفي الفصل 28: سيتم مناقشة تصميم العرض وتنسيق الماء والضوء والموسيقى، واختيار الموسيقى وتحليلها، وبناء مشاهد العرض، وتحديد زمن استجابة المعدات، وتصميم تسلسل التأثيرات، والاختبار النهائي للعرض.

عرض وإدارة الأداء