في الأتمتة الصناعية الحديثة و التحكم في العمليات، يُعد تصميم النظام المرن والقابل للتوسع أمرًا أساسيًا. واحدة من أكثر الطرق فعالية لتحقيق ذلك هي من خلال أنظمة الإدخال/الإخراج الموزعة ، المعروفة أيضًا باسم الأجهزة الطرفية اللامركزية. يشرح هذا المقال كيف تعمل أنظمة الإدخال/الإخراج الموزعة، ولماذا تُستخدم، وكيف تحسن الكفاءة، وسهولة الصيانة، وأداء التكلفة في أنظمة التحكم القائمة على المتحكمات المنطقية القابلة للبرمجة (PLC).

فهم الإدخال/الإخراج الموزع في الأتمتة

في نظام التحكم بالمتحكم المنطقي القابل للبرمجة (PLC)، تعمل وحدات الإدخال/الإخراج الموزعة كأجهزة وسيطة بين وحدة التحكم المركزية والمعدات الميدانية مثل الحساسات، والمحركات، والمرسلات.

بدلاً من توصيل كل كابل إشارة مباشرة إلى المتحكم، تُركب هذه الوحدات بالقرب من الماكينة أو منطقة العملية. تجمع إشارات الإدخال، وتنقلها إلى المتحكم عبر شبكة اتصال صناعية (مثل بروفي نت (PROFINET)، إيثرنت/آي بي (EtherNet/IP)، أو مودباص تي سي بي (Modbus TCP))، وتنقل أوامر الإخراج من المتحكم إلى المحركات.

تُقلل هذه البنية الموزعة من تعقيد التوصيلات الكهربائية وتمكّن من التوسع المعياري دون الحاجة إلى تعديلات كبيرة في خزانة التحكم.

لماذا يصبح الإدخال/الإخراج المركزي قيدًا

في أنظمة الأتمتة الصغيرة، يكون وضع المتحكم بالقرب من الماكينة أمرًا عمليًا. ولكن مع زيادة حجم الأنظمة وعدد نقاط الإدخال/الإخراج، يصبح التوصيل المركزي غير فعال.

عندما يكون المتحكم موجودًا في غرفة التحكم أو مركز التحكم بالمحركات (MCC)، يجب أن يمتد كل سلك إشارة من الماكينة إلى الخزانة. هذا لا يزيد فقط من تكلفة التوصيل ووقت التركيب، بل يسبب أيضًا مشكلات تتعلق بـ التوافق الكهرومغناطيسي (EMC)، فقدان الإشارة، و إدارة الكابلات.

علاوة على ذلك، عند إضافة حساسات أو محركات جديدة، يلزم توصيلات إضافية. مع مرور الوقت، يحد هذا الأسلوب من قابلية توسعة النظام ومرونته.

مفهوم بنية الإدخال/الإخراج الموزعة

تحل أنظمة الإدخال/الإخراج الموزعة هذه التحديات من خلال لامركزية معالجة الإدخال/الإخراج. يمكن للمهندسين تركيب وحدات الإدخال/الإخراج البعيدة مباشرة بالقرب من الأجهزة الميدانية، مما يقلل بشكل كبير من التوصيلات الكهربائية.

تتواصل كل وحدة إدخال/إخراج موزعة مع المتحكم الرئيسي عبر كابل شبكة واحد، ناقلة البيانات الرقمية للإدخال والإخراج. يسمح هذا بالتركيب المعياري للأنظمة الفرعية التي تشترك في نفس منطق التحكم دون إعادة تصميم البنية بأكملها.

في المصانع الكبيرة أو بيئات أتمتة العمليات، يوفر هذا الأسلوب سهولة الصيانة، وتسريع استكشاف الأعطال، ومرونة أكبر في ترتيب المعدات.

التوسع بسهولة مع الإدخال/الإخراج الموزع

واحدة من المزايا الرئيسية لأنظمة الإدخال/الإخراج الموزعة هي القابلية للتوسع. عند توسع عملية الأتمتة، يمكن إضافة وحدات إدخال/إخراج جديدة محليًا بجانب الماكينة.

بدلاً من الترقية إلى متحكم أكبر، يقوم المهندسون ببساطة بتوصيل وحدات الإدخال/الإخراج الموزعة الجديدة إلى الشبكة القائمة. تقلل هذه الطريقة من وقت التوقف وتقلل من تعديل البرمجيات.

على سبيل المثال، في خط تعبئة يتحكم فيه متحكم سيمنز S7-1500 ، يمكن توصيل رفوف الإدخال/الإخراج الجديدة عبر بروفي نت باستخدام وحدات مثل ET 200SP، مما يوسع الوظائف دون تغيير وحدة التحكم الرئيسية.

التحكم في عدة ماكينات بواسطة متحكم واحد

تمكّن أنظمة الإدخال/الإخراج الموزعة أيضًا متحكمًا واحدًا من التحكم في عدة ماكينات في مواقع مختلفة.

من خلال ربط محطة الإدخال/الإخراج المحلية لكل ماكينة عبر اتصال إيثرنت، يمكن للمهندسين مركزية التحكم مع الحفاظ على استقلالية كل وحدة. يُرى هذا الهيكل عادة في خطوط الإنتاج، أنظمة النقل، و عمليات التجميع الآلي حيث تكون الماكينات متباعدة ماديًا.

ومع ذلك، من الضروري التأكد من أن قدرة معالجة المتحكم وعرض نطاق الشبكة يمكنهما التعامل مع العدد الإجمالي لوحدات الإدخال/الإخراج ودورات الاتصال.

التوافق بين العلامات التجارية

تتبع منصات الإدخال/الإخراج الموزعة الحديثة معايير اتصال مفتوحة، مما يسمح بالتوافق بين مختلف المصنعين.

على سبيل المثال، يمكن لمتحكم سيمنز التواصل مع وحدات الإدخال/الإخراج البعيدة من شنايدر إلكتريك أو واجو عبر بروفي نت أو مودباص تي سي بي، بشرط أن تدعم الأجهزة البروتوكولات المتوافقة و ملفات GSDML.

تعزز هذه الانفتاحية مرونة الهندسة، مما يمكّن مصممي الأنظمة من اختيار الأجهزة بناءً على الأداء والتكلفة والتوفر بدلاً من التقيد بنظام بائع واحد.

مزايا أنظمة الإدخال/الإخراج الموزعة

• تقليل جهد التوصيل: كابل اتصال واحد فقط يربط محطة الإدخال/الإخراج الميدانية بالمتحكم.

• خفض تكاليف التركيب: تقليل التوصيلات الكهربائية وعدد كتل التوصيل يقلل من تعقيد اللوحة.

• قابلية توسعة عالية: سهولة إضافة أو إزالة الوحدات أثناء توسيع النظام.

• تحسين التشخيص: توفر العديد من أجهزة الإدخال/الإخراج الموزعة مصابيح حالة مدمجة وتقارير أعطال.

• زيادة الاعتمادية: تقليل طول التوصيلات الميدانية يقلل من تداخل الإشارات ويحسن زمن تشغيل النظام.

تعليق المؤلف: مستقبل الأتمتة اللامركزية

يعكس الاتجاه نحو أنظمة التحكم المعيارية والموزعة الحاجة المتزايدة للمرونة في الأتمتة الصناعية.

مع صعود الصناعة 4.0، تتطور أنظمة الإدخال/الإخراج الموزعة لتتجاوز مجرد نقل الإشارات لتشمل الأجهزة الذكية على الحافة التي يمكنها معالجة البيانات مبدئيًا قبل إرسالها إلى المتحكم. يتيح هذا التحول الصيانة التنبؤية، المراقبة اللحظية، و تحسين استهلاك الطاقة على مستوى الميدان.

يحقق المهندسون الذين يتبنون بنى الإدخال/الإخراج الموزعة فوائد طويلة الأمد في سهولة الصيانة، وقابلية التوسع، والتكامل مع أنظمة التصنيع الرقمية.

التطبيقات والسيناريوهات العملية

• صناعات العمليات: تركيب وحدات الإدخال/الإخراج البعيدة بالقرب من الخزانات أو المضخات لتقليل طول الكابلات.

• مناولة المواد: استخدام الإدخال/الإخراج الموزع في أنظمة النقل، وأنظمة الفرز، وخطوط التعبئة.

• الطاقة والمرافق: محطات ميدانية بعيدة في المحطات الفرعية متصلة عبر بروفي نت بالألياف الضوئية.

• آلات الشركات المصنعة الأصلية: أقسام تحكم معيارية لتسهيل تخصيص وتشغيل الماكينات.

الخاتمة

يُعد الإدخال/الإخراج الموزع مكونًا أساسيًا في الأتمتة الحديثة القائمة على المتحكمات المنطقية القابلة للبرمجة. من خلال لامركزية وصلات التحكم، يبسط التوصيلات، ويعزز المرونة، ويسمح للنظم الكبيرة بالنمو دون تغييرات مكلفة في الأجهزة.

يدعم اعتماد أنظمة الإدخال/الإخراج الموزعة الأهداف الأوسع للتصنيع الذكي—إنشاء شبكات أتمتة معيارية، موثوقة، وفعالة جاهزة للتحول الرقمي المستقبلي.