الأجهزة

تتمتع عناصر الأجهزة الصناعية بتاريخ عريق. فالموازين المستخدمة لمقارنة الأوزان والمؤشرات البسيطة لتحديد المواقع تُعدّ من التقنيات القديمة. وكانت بعض أقدم القياسات قياسًا للوقت. وقد عُثر على إحدى أقدم الساعات المائية في مقبرة الفرعون المصري القديم أمنحتب الأول ، الذي دُفن حوالي عام 1500 قبل الميلاد. ^{[ 4 ]} وقد أُدخلت تحسينات على هذه الساعات، وبحلول عام 270 قبل الميلاد، كانت تحتوي على أساسيات نظام تحكم آلي. ^{[ 5 ]}

في عام ١٦٦٣، قدّم كريستوفر رين للجمعية الملكية تصميمًا لـ"ساعة الطقس". يُظهر رسمٌ مجساتٍ للأرصاد الجوية تُحرّك أقلامًا فوق الورق بواسطة آلية الساعة. لم تُصبح هذه الأجهزة معيارًا في علم الأرصاد الجوية إلا بعد قرنين من الزمان. ^{[ ٦ ]} ظلّ المفهوم دون تغيير يُذكر، كما يتضح من مسجلات الخرائط الهوائية، حيث يُحرّك منفاخٌ مضغوطٌ قلمًا. كان دمج المجسات والشاشات والمسجلات وأجهزة التحكم أمرًا نادرًا حتى الثورة الصناعية، نظرًا لمحدودية الحاجة والجدوى العملية.

استخدمت الأنظمة المبكرة وصلات مباشرة للعمليات مع لوحات التحكم المحلية للتحكم والإشارة، والتي شهدت منذ أوائل الثلاثينيات من القرن الماضي إدخال أجهزة الإرسال الهوائية ووحدات التحكم التلقائية ثلاثية الحدود (PID) .

تم تحديد نطاقات أجهزة الإرسال الهوائية بناءً على الحاجة للتحكم في الصمامات والمشغلات ميدانيًا. عادةً، كان نطاق الإشارة يتراوح بين 3 و15 رطل لكل بوصة مربعة (20 إلى 100 كيلو باسكال أو 0.2 إلى 1.0  كجم/سم²) كمعيار، وتم توحيده مع استخدام نطاق 6 إلى 30 رطل لكل بوصة مربعة أحيانًا للصمامات الأكبر حجمًا. مكّنت إلكترونيات الترانزستور من استبدال الأنابيب بالأسلاك، بنطاق مبدئي من 20 إلى 100 مللي أمبير عند جهد يصل إلى 90 فولت للأجهزة التي تعمل بالطاقة الحلقية، ثم انخفض إلى 4 إلى 20 مللي أمبير عند جهد 12 إلى 24 فولت في الأنظمة الحديثة. جهاز الإرسال هو جهاز يُنتج إشارة خرج، غالبًا ما تكون على شكل إشارة تيار كهربائي من 4 إلى 20 مللي أمبير ، على الرغم من وجود العديد من الخيارات الأخرى باستخدام الجهد أو التردد أو الضغط أو الإيثرنت . تم تسويق الترانزستور تجاريًا بحلول منتصف الخمسينيات. ^{[ 7 ]} 

تُزوّد ​​الأجهزة المتصلة بنظام التحكم بإشارات تُستخدم لتشغيل الملفات اللولبية والصمامات والمنظمات وقواطع الدائرة والمرحلات وغيرها من الأجهزة. ويمكن لهذه الأجهزة التحكم في متغير خرج مُحدد، وتوفير إمكانيات المراقبة عن بُعد أو التحكم الآلي.

قدمت كل شركة مصنعة للأجهزة إشارة قياس قياسية خاصة بها، مما أدى إلى حدوث ارتباك إلى أن  تم استخدام نطاق 4-20 مللي أمبير كإشارة قياسية للأجهزة الإلكترونية المرسلة والصمامات. وفي سبعينيات القرن الماضي، تم توحيد هذه الإشارة لاحقًا تحت مسمى ANSI/ISA S50، "توافق الإشارات التناظرية لأجهزة العمليات الصناعية الإلكترونية". وقد ساهم تحول أجهزة القياس من أجهزة الإرسال والتحكم والصمامات الهوائية الميكانيكية إلى الأجهزة الإلكترونية في خفض تكاليف الصيانة نظرًا لموثوقية الأجهزة الإلكترونية العالية مقارنةً بالأجهزة الميكانيكية. كما أدى ذلك إلى زيادة الكفاءة والإنتاجية بفضل دقة الأجهزة الإلكترونية العالية. وقد تمتعت الأنظمة الهوائية ببعض المزايا، حيث كانت مفضلة في البيئات المسببة للتآكل والمتفجرة. ^{[ 8 ]}

في السنوات الأولى للتحكم في العمليات ، كان المشغل يراقب مؤشرات العملية وعناصر التحكم، كالصمامات، بالتجول حول الوحدة لضبط الصمامات والحصول على درجات الحرارة والضغوط والتدفقات المطلوبة. ومع تطور التكنولوجيا، تم اختراع وحدات تحكم هوائية وتركيبها ميدانيًا لمراقبة العملية والتحكم في الصمامات، مما قلل من الوقت الذي يحتاجه المشغلون لمراقبة العملية. وفي السنوات اللاحقة، نُقلت وحدات التحكم إلى غرفة مركزية، حيث تُرسل الإشارات إليها لمراقبة العملية، وتُرسل إشارات الإخراج إلى عنصر التحكم النهائي، كالصمام، لضبط العملية حسب الحاجة. وُضعت وحدات التحكم والمؤشرات هذه على لوحة تحكم مثبتة على الحائط، وكان المشغلون يقفون أمامها ويتجولون ذهابًا وإيابًا لمراقبة مؤشرات العملية. وقد قلل هذا أيضًا من عدد المشغلين والوقت الذي يحتاجونه للتجول حول الوحدات. وكان مستوى الإشارة الهوائية الأكثر شيوعًا خلال تلك السنوات يتراوح بين 3 و15 رطل لكل بوصة مربعة (psig). ^{[ 9 ]}

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 لإدارة هذه اللوحات المتفرقة، ولم تكن هناك رؤية شاملة للعملية. وكان التطور المنطقي التالي هو نقل جميع قياسات المصنع إلى غرفة تحكم مركزية مزودة بموظفين بشكل دائم. وقد مثّل هذا فعلياً مركزة جميع لوحات التحكم المحلية، مما وفّر مزايا انخفاض عدد الموظفين وسهولة الإشراف على العملية. غالباً ما كان المتحكمون موجودين خلف لوحات غرفة التحكم، وكانت جميع مخرجات التحكم الآلي واليدوي تُرسل إلى المصنع.

مع ذلك، ورغم توفير هذا الترتيب لمركز تحكم مركزي، إلا أنه كان غير مرن، إذ كان لكل حلقة تحكم جهاز تحكم خاص بها، وكان يتطلب تنقل المشغل باستمرار داخل غرفة التحكم لمشاهدة أجزاء مختلفة من العملية. ومع ظهور المعالجات الإلكترونية وشاشات العرض الرسومية، أصبح من الممكن استبدال وحدات التحكم المنفصلة هذه بخوارزميات حاسوبية، مُستضافة على شبكة من وحدات الإدخال/الإخراج المزودة بمعالجات تحكم خاصة بها. ويمكن توزيع هذه الوحدات في أرجاء المصنع، والتواصل مع شاشة العرض الرسومية في غرفة أو غرف التحكم. وهكذا وُلد مفهوم التحكم الموزع.

أتاح إدخال أنظمة التحكم الموزعة (DCS) وأنظمة التحكم الإشرافي وجمع البيانات (SCADA) 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.

من الأمثلة البسيطة على أنظمة القياس منظم الحرارة الميكانيكي ، المستخدم للتحكم في فرن منزلي وبالتالي التحكم في درجة حرارة الغرفة. يستشعر هذا المنظم درجة الحرارة بواسطة شريط ثنائي المعدن ، ويعرضها بواسطة مؤشر في طرفه الحر. ويُشغّل الفرن بواسطة مفتاح زئبقي ، فعند تدوير المفتاح بواسطة الشريط، يُحدث الزئبق اتصالاً فيزيائياً (وبالتالي كهربائياً) بين الأقطاب الكهربائية.

مثال آخر على نظام الأجهزة هو نظام أمن المنزل . يتكون هذا النظام من أجهزة استشعار (لكشف الحركة، ومفاتيح لكشف فتح الأبواب)، وخوارزميات بسيطة لكشف التسلل، ووحدة تحكم محلية (تفعيل/إلغاء التفعيل)، ومراقبة عن بُعد للنظام لاستدعاء الشرطة. وتُعدّ الاتصالات جزءًا أساسيًا من تصميمه.

تستخدم أجهزة المطبخ أجهزة استشعار للتحكم.

• تحافظ الثلاجة على درجة حرارة ثابتة عن طريق تشغيل نظام التبريد عندما تصبح درجة الحرارة مرتفعة للغاية.
• تقوم آلة صنع الثلج الأوتوماتيكية بصنع الثلج حتى يتم تشغيل مفتاح الحد .
• تتيح محمصة الخبز المنبثقة إمكانية ضبط الوقت.
• تُضبط درجة حرارة أفران الغاز غير الإلكترونية بواسطة منظم حرارة يتحكم في تدفق الغاز إلى الموقد . وقد تحتوي هذه الأفران على مستشعر حراري داخل حجرة الفرن الرئيسية. بالإضافة إلى ذلك، قد يوجد جهاز أمان لإيقاف تدفق الغاز : فبعد الإشعال، يجب الضغط على زر التحكم في الموقد لفترة وجيزة حتى يسخن المستشعر، مما يسمح بتدفق الغاز إلى الموقد. إذا برد المستشعر، فقد يشير ذلك إلى انطفاء اللهب، ويتم إيقاف تدفق الغاز لمنع استمرار التسرب.
• تستخدم الأفران الكهربائية مستشعرًا للحرارة، حيث تقوم بتشغيل عناصر التسخين عندما تنخفض درجة الحرارة عن الحد المطلوب. أما الأفران الأكثر تطورًا، فتقوم بتشغيل المراوح استجابةً لمستشعرات الحرارة، وذلك لتوزيع الحرارة أو للتبريد.
• يقوم المرحاض العادي بإعادة ملء خزان المياه حتى يغلق العوامة الصمام. تعمل العوامة كمستشعر لمستوى الماء.

تتميز السيارات الحديثة بأجهزة قياس معقدة. فبالإضافة إلى عرض سرعة دوران المحرك وسرعة السيارة، توجد أيضًا شاشات تعرض جهد البطارية وتيارها، ومستويات السوائل، ودرجات حرارتها، والمسافة المقطوعة، ومعلومات عن وظائف أنظمة التحكم المختلفة (إشارات الانعطاف، وفرامل الانتظار، والمصابيح الأمامية، ووضع ناقل الحركة). وقد تُعرض تنبيهات لمشاكل معينة (انخفاض مستوى الوقود، وفحص المحرك، وانخفاض ضغط الإطارات، وباب مفتوح جزئيًا، وحزام الأمان غير مربوط). تُسجل المشاكل ليتم إرسالها إلى أجهزة التشخيص . كما توفر أنظمة الملاحة أوامر صوتية للوصول إلى الوجهة. يجب أن تكون أجهزة قياس السيارات رخيصة وموثوقة لفترات طويلة في الظروف القاسية. وقد تحتوي على أنظمة وسائد هوائية مستقلة مزودة بمستشعرات ووحدات منطقية ومحركات. وتستخدم أنظمة منع الانزلاق المكابح مستشعرات للتحكم في المكابح، بينما يؤثر نظام تثبيت السرعة على وضع دواسة الوقود. ويمكن توفير مجموعة واسعة من الخدمات عبر روابط الاتصال في نظام OnStar . وقد تم عرض سيارات ذاتية القيادة (مزودة بأجهزة قياس متطورة).

كانت الطائرات الأولى مزودة ببعض أجهزة الاستشعار. ^{[ 10 ]} كانت "المقاييس البخارية" تحول ضغط الهواء إلى انحرافات في المؤشر يمكن تفسيرها على أنها ارتفاع وسرعة جوية. ووفرت البوصلة المغناطيسية إحساسًا بالاتجاه. وكانت شاشات العرض للطيار لا تقل أهمية عن القياسات نفسها.

تحتوي الطائرات الحديثة على مجموعة متطورة للغاية من أجهزة الاستشعار والشاشات المدمجة في أنظمة إلكترونيات الطيران . قد تتضمن الطائرة أنظمة ملاحة بالقصور الذاتي ، وأنظمة تحديد المواقع العالمية ، ورادارًا جويًا ، وأنظمة طيار آلي، وأنظمة تثبيت الطائرة. تُستخدم أجهزة استشعار احتياطية لضمان الموثوقية. ويمكن نقل جزء من المعلومات إلى مسجل بيانات الحوادث للمساعدة في تحقيقات الحوادث. تشمل شاشات الطيار الحديثة الآن شاشات عرض حاسوبية، بما في ذلك شاشات العرض الأمامية .

يُعدّ رادار مراقبة الحركة الجوية نظامًا موزعًا للأجهزة. يرسل الجزء الأرضي نبضة كهرومغناطيسية ويستقبل صدىً (على الأقل). تحمل الطائرات أجهزة إرسال واستقبال تُرسل رموزًا عند استقبال النبضة. يعرض النظام موقع الطائرة على الخريطة، ومعرّفها، وارتفاعها (اختياريًا). يعتمد موقع الطائرة على الخريطة على اتجاه الهوائي المُستشعر وتأخير الوقت المُستشعر. أما المعلومات الأخرى، فهي مُضمّنة في إرسال جهاز الإرسال والاستقبال.

من بين الاستخدامات المحتملة لهذا المصطلح، مجموعة من معدات الاختبارات المعملية التي يتم التحكم بها بواسطة الحاسوب عبر ناقل IEEE-488 (المعروف أيضًا باسم GPIB اختصارًا لـ General Purpose Instrument Bus أو HPIB اختصارًا لـ Hewlett Packard Instrument Bus). تتوفر معدات معملية لقياس العديد من الكميات الكهربائية والكيميائية. ويمكن استخدام هذه المجموعة من المعدات لأتمتة اختبار مياه الشرب للكشف عن الملوثات.

• حلقة هوائية (20-100 كيلو باسكال / 3-15 رطل لكل بوصة مربعة) – هوائية
• حلقة التيار (4-20 مللي أمبير) – كهربائية
• هارت – إشارات البيانات، وغالبًا ما يتم وضعها فوق حلقة التيار
• Foundation Fieldbus – إشارات البيانات
• بروفيبوس - إشارات البيانات
• إيثرنت APL - إشارات البيانات