تتوفر العديد من الأنظمة والطرق لجمع البيانات ونظام المعالجة، بحيث قد يستقبل معدد الإرسال في مجمع البيانات عددًا من قنوات الاستشعار، حيث تقترن كل مجموعة من قنوات الاستشعار بواحدة على الأقل من مجموعة أجهزة الاستشعار الصناعية المقترنة عمليًا ببيئة صناعية.
كما قد يقوم معدد الإرسال بتكييف الإشارة بما في ذلك توليد إشارة توقيت من قناة إطلاق واشتقاق مرحلة نسبية بين قناة إطلاق وقناة إدخال استجابة لإشارة التوقيت، وقد يشمل تكييف الإشارة تكييف إشارة الطرف الأمامي لبروتوكول الإنترنت (IP) لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء.
أساسيات نظام جمع الإشارات
تاريخياً، تم جمع البيانات في البيئات الصناعية الثقيلة من قبل البشر باستخدام جامعي البيانات المخصصين وغالبًا ما يسجلون مجموعات من بيانات أجهزة الاستشعار المحددة على الوسائط، كما تمت إعادة دفعات البيانات إلى مكتب مركزي لتحليلها، مثل إجراء معالجة الإشارات أو غيرها من التحليلات على البيانات التي تم جمعها بواسطة أجهزة استشعار مختلفة، وبعد ذلك يمكن استخدام التحليل كأساس لتشخيص المشكلات في البيئة أو اقتراح طرق لتحسين العمليات.
أتاح ظهور إنترنت الأشياء (IoT) الاتصال المستمر بمجموعة واسعة من الأجهزة وبينها، ومعظم هذه الأجهزة عبارة عن أجهزة استهلاكية مثل الأضواء وأجهزة تنظيم الحرارة وما شابه ذلك، كما تظل البيئات الصناعية الأكثر تعقيدًا أكثر صعوبة نظراً لأنّ نطاق البيانات المتاحة غالبًا ما يكون محدوداً، كما أنّ تعقيد التعامل مع البيانات من أجهزة استشعار متعددة يجعل من الصعب جدًا إنتاج حلول “ذكية” فعالة للقطاع الصناعي.
هناك حاجة إلى أساليب وأنظمة محسّنة لجمع البيانات في البيئات الصناعية فضلاً عن الأساليب والأنظمة المحسّنة لاستخدام البيانات المجمّعة؛ لتوفير مراقبة محسّنة وتحكم وتشخيص ذكي للمشاكل وتحسين ذكي للعمليات في بيئات صناعية ثقيلة مختلفة، كما يواجه النظام الصناعي في بيئات مختلفة عددًا من التحديات لاستخدام البيانات من العديد من أجهزة الاستشعار.
تمتلك العديد من الأنظمة الصناعية نطاقاً واسعاً من موارد الحوسبة وقدرات الشبكة في موقع ما في وقت معين عندما تتم ترقية أجزاء من النظام أو استبدالها على نطاقات زمنية متفاوتة، حيث تدخل المعدات المحمولة أو تغادر موقعًا وبسبب تكاليف رأس المال ومخاطر ترقية المعدات، بالإضافة إلى ذلك يتم وضع العديد من الأنظمة الصناعية في بيئات صعبة.
حيث يمكن أن يكون اتصال الشبكة متغيراً، بحيث يمكن أن يكون عدد من مصادر الضوضاء مثل الضوضاء الاهتزازية ومصادر الضوضاء الكهرومغناطيسية (EM) مهمًا في مواقع متنوعة، ومع أجزاء من النظام ذو الضغط العالي والضوضاء العالية ودرجة الحرارة العالية والمواد المسببة للتآكل.
- “IP” هي اختصار لـ “Internet Protocol”.
- “EM” هي اختصار لـ “Electromagnetic”.
- “IoT” هي اختصار لـ “Internet of Things”.
مبدأ عمل نظام جمع الإشارات
تخضع العديد من العمليات الصناعية لتقلبات عالية في معاملات التشغيل العملية والاستجابات غير الخطية للعمليات غير الاسمية، ووفقاً لذلك يمكن أن تختلف متطلبات الاستشعار للعمليات الصناعية مع الوقت ومراحل التشغيل للعملية وعمر المعدات وتدهورها وظروف التشغيل، بحيث تعاني العمليات الصناعية المعروفة سابقًا من تكوينات الاستشعار التي تكون متحفظة، وتكشف عن العديد من المعلمات غير المطلوبة أثناء معظم عمليات النظام الصناعي، أو التي تقبل المخاطر في العملية ولا تكتشف المعلمات التي يتم استخدامها من حين لآخر فقط في توصيف النظام.
يتم تكوين مُعدِّد الإرسال بشكل إضافي لتوفير إنذار يتم مراقبته باستمرار استجابةً لواحد على الأقل من أجهزة الاستشعار الصناعية المتعددة، كما يشتمل أيضًا على مُضاعِف إضافي واحد على الأقل وحيث يشتمل كل من معدد الإرسال على جهاز منطقي معقد قابل للبرمجة (CPLD)، ويتم تكوين كل (CPLD) للتحكم في مُضاعِف الإرسال المقابل، كما يشتمل مُضاعِف الإرسال على قدرة إدخال عالية التيار باستخدام مرحل الحالة الصلبة.
يشتمل معدد الإرسال أيضًا على مجموعة من قنوات أجهزة الاستشعار التناظرية، ويشتمل فيها معدد الإرسال أيضًا على ميزة واحدة على الأقل مختارة من الميزات التي تتكون من:
- إمكانية خفض الطاقة التي يمكن التحكم فيها بشكل فردي لكل مجموعة من قنوات أجهزة الاستشعار التناظرية.
- الحماية الكهروستاتيكية لواحدة على الأقل من قنوات الاستشعار التناظرية، حيث تشتمل واحدة على الأقل من قنوات المستشعر التناظري على أحد مدخلات الزناد أو مدخل الاهتزاز.
- ومرجع جهد دقيق لمرجع صفر تناظري إلى رقمي (A / D) لواحدة على الأقل من قنوات الاستشعار التناظرية.
ملاحظة:“CPLD” هي اختصار لـ “Complex Programmable Logic Device” و”A / D” هي اختصار لـ “Analog to Digital”.
تطور عمل نظام جمع الإشارات
يمكن للنظام أن يشمل مجموعة من المجموعات المتغيرة من مدخلات أجهزة الاستشعار الصناعية وكل مجموعة من المجموعات المتغيرة من مدخلات أجهزة الاستشعار الصناعية، مقترنة تشغيليًا بيئة صناعية ومُعدِّد إرسال يشتمل على مجموعة من قنوات أجهزة الاستشعار، حيث يتم ربط كل مجموعة من قنوات أجهزة الاستشعار بشكل تواصلي مع مجموعة واحدة على الأقل من المجموعات المتغيرة لمدخلات أجهزة الاستشعار الصناعية، حيث تشتمل أول مجموعة من قنوات الاستشعار على قناة إطلاق وحيث تشتمل القناة الثانية من مجموعة قنوات الاستشعار على قناة إدخال.
يتم تكوين مُعدِّد الإرسال بشكل إضافي لاستخدام مرشح تتبع تمرير النطاق عبر حلقة قفل طور (PLL) على واحد على الأقل من مجموعة قنوات المستشعر؛ للحصول على واحدة من الدورات البطيئة في الدقيقة (RPMs) أو معلومات المرحلة لآلة صناعية مقترنة عمليًا، بواحدة على الأقل من المجموعات المتغيرة لمدخلات أجهزة الاستشعار الصناعية.
قد يشتمل النظام على حالات يكون فيها واحد على الأقل من مجموعة قنوات المستشعر مقترنًا تشغيليًا بمحول تناظري إلى رقمي (A / D)، وحيث يتم تكوين مُضاعِف الإرسال بشكل أكبر لمقياس محول (A / D) تلقائيًا لاكتشاف الذروة على واحدة على الأقل من قنوات الاستشعار المتعددة، ويتم تكون واحدة على الأقل من مجموعة قنوات المستشعر مقترنة تشغيليًا بمحول دلتا سيغما التناظري إلى الرقمي (A / D)، وحيث يكون مُضاعِف الإرسال تم تكوينه أيضًا لاستخدام زيادة عينات الإدخال لتقليل متطلبات مرشح الصقل لمحول دلتا سيغما (A / D).
يكون مُضاعِف الإرسال تم تكوينه أيضًا لاستخدام جهاز منطقي قابل للبرمجة معقد (CPLD) كمقسم ساعة لمحول دلتا سيغما (A / D) لتحقيق معدل أخذ عينات أقل دون إعادة التشكيل الرقمي، كما يمكن أن تتضمن استقبال في معدد إرسال مجموعة من قنوات المستشعر، حيث تقترن كل مجموعة من قنوات المستشعر واحد على الأقل من مجموعة أجهزة الاستشعار الصناعية المقترنة عمليًا ببيئة صناعية، حيث تشتمل القناة الأولى من مجموعة قنوات الاستشعار على قناة إطلاق، وكذلك توليد إشارة توقيت واشتقاق مرحلة نسبية بين قناة الزناد وقناة إدخال ثانية استجابة لإشارة التوقيت.
- “PLL” هي اختصار لـ “Phase-Locked Loop”.
