مقدمة إلى كاب كاربون | الوحدة الثامنة | الدرس الأول

مقدمة إلى كاب كاربون هو عنوان الدرس الأول من الوحدة الثامنة التي تحمل اسم “محاكاة شبكة مستشعرات إنترنت الأشياء اللاسلكية” مقرر “إنترنت الأشياء 2-1” الفصل الدراسي الثالث.

ستتعرف في هذا الموضوع على تقنيات الصناعات الذكية (Smart Industry)، وكيفية عمل أدوات هيكلة المصنع المتصل، كذلك ستتعرف على تحديات الصناعة الرئيسة كمحركات للتحول إلى الرقمنة، بالإضافة إلى كيفية استخدام برنامج كاب كاربون (CupCarbon) لمحاكات شبكات المدن الذكية.

لذا قم بقراءة نواتج التعلُّم بعناية، ثم أعد قراءتها وتأكد من تحصيل محتوياتها بعد انتهائك من دراسة الموضوع.

أهداف التعلُّم

• معرفة تقنيات الصناعات الذكية.
• كيفية عمل أدوات هيكلة المصنع المتصل.
• تعداد تحديات الصناعة الرئيسة كمحركات للتحول إلى الرقمنة.
• استخدام برنامج كاب كاربون لمحاكاة شبكات المدن الذكية.

هيا لنبدأ!

الصناعة الذكية (Smart Industry)

أصبح لتقنيات إنترنت الأشياء تأثير كبير على جميع مجالات الحياة ، بما فيها المجالات الصناعية وذلك:

• لتقليل التكلفة.
• تحسين الكفاءة.

أدى تطور النماذج الصناعية وازدياد المنافسة إلى تحول التركيز إلى الابتكار وتحسين نماذج الأعمال.

قامت الشركات على مدى عقود طويلة بمحاولات لخفض التكلفة الإجمالية لمنتجاتها من خلال خفض تكلفة عمليات التصنيع وسلاسل التوريد.

ولكنها أدركت أن المحاولات المستمرة لخفض التكلفة يؤثر بشكل سلبي على خدمة العملاء وجودة الانتاج.

أدت بعض تقنيات إنترنت الأشياء إلى إحداث تغيرات ذات أثر كبير في عمليات التصنيع ومن ذلك:

• التصنيع القائم على البيانات (Data-Driven Manufacturing)

تعمل البيانات الضخمة على تغير عالم الصناعة.

فقد أصبح بإمكان المصنعين الوصول إلى جميع البيانات التي يتم إنشاؤها وجمعها بواسطة الآلات بهدف:

• المراقبة الفورية للجودة.
• تحسين كفاءة الآلات الكلية.
• تقليل وقت الانتاج.

يبحث المصنعون عن طرق لاستخدام البيانات الضخمة لاستجابة لتحولات السوق والتغيرات في حاجة المستهلكين وذلك من خلال ادخال تقنيات وأدوات صناعية جديدة.

• تقارب تقنية التشغيل وتقنية المعلومات (Operational Technology (OT) and Information Technology (IT) Convergence)

في سياق إنترنت الأشياء (Internet of Things -IOT) تضم التقنية التشغيلية في بيئة التصنيع:

• وحدات تحكم منطقية قابلة للبرمجة Programmable Logic Controller-PLCs.
• أجهزة الحاسب وغيرها من التقنيات التي تشبه لحد ما تقنية المعلومات.

ولكنها تخضع للأعمال التجارية خارج نطاق إدارات تقنية المعلومات.

تتيح الشبكات المبنية على بروتوكول  :IP

• تكاملاً أعمق بين الآلات وعمليات التصنيع.
• تزيل الفجوة بين شبكات الصناعة والأعمال التجارية.

• تقنية أفضل وتكلفة أقل (Improved Technology with Lower Costs)

أصبحت إمكانية الاتصال والمراقبة وتحسين الأجهزة القابلة للتطوير والأتمتة قائمة على بيئات تشغيلية متطورة نتيجة ظهور تقنيات جديدة.

في ظل هذا التقدم التكنولوجي الكبير، يمكن اعتبار الآلات جزءًا من نظام شبكة متصل متكامل بدلاً من كونها نظامًا مستقبلاً بذاته عن باقي عملية التصنيع.

إلى ماذا أدى التقارب في الحوسبة والشبكات والحماية؟

تقليل تكلفة توصيل الأجهزة في النظام المتكامل.

• تعزيز الكفاءة والسلامة (Enhanced Efficiency and Safety)

إلى ماذا تسعى المصانع، ولا سيما في قطاعات الأغذية والمشروبات؟

الوصول إلى التحكم إلى الآلي والأتمتة والتصنيع دون التدخل البشري لمهمات التصنيع المختلفة.

كيف يمكن تمكين المصانع الحديثة من تحسين الكفاءة والسلامة؟

• توظيف إنترنت الأشياء.
• استخدام الروبوتات.
• معالجة الصور.

لمعرفة المزيد من المعلومات عن المصانع الذكية، قم بالاطّلاع على الرابط التالي:

ما هو المصنع الذكي؟ – SAP

هيكلية المصنع المُتصل (An Architecture for the Connected Factory)

يتم استخدام هذا الدمج:

• للتحكم في العمليات الأساسية.
• لمراقبة استخدام تدابير السلامة عند حدوث أي طارئ.

يهدف دمج الأتمتة الصناعية وأنظمة التحكم IACS إلى تحقيق الجودة والكفاءة في الإنتاج مع الحفاظ على مستوى عالٍ من التكامل والموثوقية.

• بروتوكول التحكُّم في الإرسال وبروتوكول مودبس (Modbus Transmission Control Protocol – TCP)

يستخدم بروتوكول مودبس (Modbus) في القطاع الصناعي بشكل شائع لإدارة الأجهزة الرئيسية والفرعية.

تم تحويل مودبس (Modbus) إلى بروتوكولات الاتصالات المستخدمة على نطاق واسع مثل TCP/IP ، Ethernet .

وعلى غرار تقنيات التحكم الأخرى في الأتمتة يستخدم مودبس:

• كبروتوكول معياري مفتوح.
• موثوق ومثبت في جميع أنحاء العالم.

تعد آلية بروتوكول مودبس في إدارة الأجهزة الرئيسية والتابعة مناسبة تمامًا لطبيعة بروتوكول التحكم في الإرسال (TCP) الخاص بالاتصالات, ولكن بشكل أقل.

• تحديات المصنع المتصل (Connected Factory Challenges)

أصبح القطاع الصناعي أحد أبرز أهداف القرصنة الالكترونية ومهاجمي الانترنت.

تسبب التقارب الحاصل بين الشبكات في المصانع والأعمال التجارية.

بظهور ثغرات أمنية لعمليات التصنيع، والتي كانت تجري تقليديًا بمعزل عن العمليات الأخرى.

ما هو الحل للتغلب على هذه الهجمات؟

يعتبر الفصل بين شبكة المصنع الأساسية وشبكة تقنية المعلومات أبسط حل للتغلب على هذه الهجمات في الكثير من الأحيان.

رغم أن هذا الحل يعتبر فعالاً وعمليًا إلا أنه:

• سيمنع التواصل مع عمليات الطبقة العليا.
• سيحد من القدرات الممكنة لتحسين الأعمال المدعمة بإنترنت الأشياء.

وقد تظهر المزيد من المخاطر المحتملة من أجهزة الحاسب المحمولة والأجهزة الحاسوبية الأخرى المتاحة في المصانع للعاملين الذين يتمتعون بوصول غير مقيد للأجهزة.

 

• الحوسبة الطرفية في المصنع المتصل (Edge Computing in the Connected Factory)

يمكن للآلات الموجودة في المصنع إنتاج كميات هائلة من البيانات.

وبالتالي تبرز مشكلة تخزين البيانات.

كيف عالجت العديد من المصانع هذه المشكلة؟

من خلال نشر الحواسيب لتخزين هذه البيانات وأدى جمع البيانات من أجهزة الحاسب الموجودة في المصنع إلى ظهور مشكلات جديدة تتعلق بالصيانة والأمان.

فكما هو معروف يتطلب كل حاسب تصحيحات وترقيات لنظام تشغيله.

كما تزداد أعطال الأجهزة بشكل ملحوظ في المصانع، إذ أن معظم تلك الأجهزة لا يتم تصميمها لتحمل الظروف المختلفة فيها.

تشكل هذه المشكلات عائقًا أمام عمليات التصنيع في جمع البيانات ومعالجتها والاستجابة لها بكفاءة.

يمثل هذا النهج عائقًا كبيرًا أمام تطوير الأفكار والفوائد التجارية المحتملة التي قد يتم توفرها تحليلات البيانات الصناعية.

تساعد التطورات الجديدة في إضافة القدرات المحوسبة في الشبكات الطرفية على حل هذه المشكلات.

بدأ المصنعون بإدراك مميزات توصيل الآلات بخدمات الحوسبة المتطورة مع أجهزة الحوسبة الطرفية المدمجة بالآلة القريبة من الحافة.

والتي تتضمن قدرات التبديل والتوجيه والأمن معًا بشكل دائم.

 

• صناعة النفط والغاز (Oil and Gas Industry)

ما هي أهم الموارد التي يستخدمها المجتمع الحديث؟

يعد كل من النفط والغاز من أهم الموارد التي يستخدمها المجتمع الحديث.

ذلك بدءًا بالبنى التحتية للموصلات إلى تصنيع المواد البلاستيكية.

يعتمد كل عنصر من عناصر الحياة تقريبًا على توفر السلع التي تعتمد على هذه الصناعة.

تهتم شركات النفط والغاز بشكل أساسي:

• خفض التكاليف.
• زيادة السرعة والكفاءة.
• زيادة عوائد الاستثمارات.

مؤشرات الأداء الرئيسية الأكثر أهمية في القطاع الصناعي:

• التحكم في تكاليف الإنتاج.
• تعزيز الصحة والسلامة العامة خاصة في الصناعات الخطرة.

على غرار الصناعات الأخرى، تستخدم شركات النفط والغاز إنترنت الأشياء للعديد من الأغراض بما فيها:

• مراقبة حالة أو سلوك المعدات الصناعية للرؤية والتحكم.
• تحقيق أقصى قدر من الكفاءة للعمليات والموارد.
• تحسين عملية اتخاذ قرارات الأعمال التجارية.

 

• تحديات الصناعة الرئيسة كمحركات للتحول إلى الرقمنة (Industry Key Challenge As Digitization Drivers)

ما المقصود بإنترنت الأشياء والرقمنة؟

هي عملية استفادة من التقدم الكبير في تقنية المعلومات لتطوير حلول وتقنيات جديدة للأعمال وإجراءاتها.

تمهد الطريق لتحقيق مكاسب تحسين الكفاءة التي كانت مستحيلة سابقًا وكذلك نماذج الأعمال الجديدة مثل:

• النمذجة والتحليلات المتقدمة.
• البيانات الضخمة.
• تقارب تقنية المعلومات (IT) / التقنية التشغيلية (OT).
• الآلات الذكية.
• التنقل والتخزين السحابي.
• إدارة أداء الأصول.

مثال

يعد معمل الغاز في العثمانية أحد أكبر المصانع لمعالجة الغاز في المملكة العربية السعودية. تعمل حلول إنترنت الأشياء والذكاء الاصطناعي على تحسين الإنتاجية وموثوقية هذه المنشأة. فتستخدم الطائرات دون طيار، والكائنات الذكية لمراقبة معدات مصفاة خطوط أنابيب الغاز وتستخدم طرائق تحليل البيانات لتحسين الاستخدام، يوجد الآلاف من مستشعرات إنترنت الأشياء تراقب حقل خريص النفطي.

بإمكانك مراجعة محتوى موضوع “مقدمة إلى كاب كاربون” من بدايته وحتى نهاية هذا القسم، من خلال الرابط التالي:

ما برنامج كاب كاربون؟ (What CupCarbon is?)

برنامج كاب كاربون (CupCarbon) هو مدينة ذكية افتراضية وبيئة محاكاة لشبكة مستشعرات لاسلكية بإنترنت الأشياء.

يمكن استخدامه لتصميم وإنشاء شبكات إنترنت الأشياء المكونة من عقد ,اجهزة وأحداث وأمور أخرى.

يوفر هذا المحاكي عددًا كبيرًا من الأدوات لتكوين الشبكات التي تم انشاؤها لاختبارها وتحسينها.

كما تم به تضمين البروتوكولات الشائعة التي تم عرضها سابقًا مثل:

• Zigbee
• Wi-Fi
• LoRa

بالإضافة إلى استخدام خريطة الشارع المفتوح (Open Street Map) كواجهة للتمكن من اجراء عمليات المحاكة من اي مكان.

بعد إنشاؤك للشبكة المطلوبة بنجاح، يمكنك استخدام برنامج كاب كاربون لبرمجة وحدة تحكم Arduino.

يمكنك تجريبها على أجهزة حقيقية.

تتواصل العقد مع بضعها باستخدام البرمجية النصية.يستخدم المحاكي لغته البرمجية الخاصة به باسم سينسكريبت (senscript) كما يدعم لغة بايثون.

ستقوم في هذه الوحدة ببرمجة العقد باستخدام لغة بايثون.

لتنزيل كاب كاربون (CupCarbon) وتشغيله:

1. افتح متصفحك وقم بتنزيل الملف من الرابط: http://binary-academy.com/dnld/KSA/IOT2/BinaryCupCarbon.zip

2. افتح مستكشف الملفات، وابحث عن الملف الذي تم تنزيله في مُجلد Downloads (التنزيلات).

3. اضغط بزر الفأرة الأيمن على الملف واختر Extract All (استخراج الكل).

4. اختر سطح المكتب الخاص بك كوجهة للاستخراج، واضغط على Extract (استخراج).

5. ابحث عن المجلد المُستخرج في سطح المكتب وافتحه.

6. اضغط ضغطًا مزدوجًا على jar لبدء برنامج CupCarbon (كاب كاربون).

نافذة برنامج كاب كاربون (The CupCarbon Windows)

عند فتح البرنامج ستلاحظ نافذتين:

النافذة الرئيسية التي تحتوي على الخريطة ووحدة التحكم.

يتم استخدام وحدة التحكم لطباعة الرسائل بواسطة المحاكاة. ولإخراج رسائل الأخطاء لمساعدة المستخدم على تصحيح الخطأ في البرامج النصية.

بدء الاستخدام Getting Started

سننشئ في هذا الدرس محاكاة بسيطة لعقدة إنترنت أشياء تطبع رسائل من أجل أن تعتاد على استخدام بيئة كاب كاربون.

في البداية سننشئ مشروعًا جديدًا.

لإنشاء مشروع جديد:

1. اضغط على New Project (مشروع جديد) من شريط الأدوات.
2. اختر الموقع الذي تريده لحفظ المشروع، ثم اكتب “My First CupCarbon Simulation” في حقل File name (اسم الملف.
3. ثم اضغط Save (حفظ).

إضافة عقدة (Placing a Node)

يمكنك في شريط الأدوات العثور على الكائنات المختلفة التي ستستخدمها في مشاريعك.

والتي ستُنتِج إما:

• إشارات تواصل مع بعضها البعض.
• ستنفذ إجراءات معينة.

من هذه الكائنات IOT Node (عقدة إنترنت الأشياء).

والذي يمكن وضعه على الخريطة، ويمكن اعطاؤه مقطعًا برمجيًا ليتم تشغيله.

العقد هي اللبنات الأساسية لتكوين كاب كاربون.

يُعرض في العقدة المُعرف الخاص بها مع دائرتين حولها وهما:

• دائرة داخلية تشير إلى نصف المستشعر المستخدم للكشف عن المستشعرات.
• دائرة خارجية تكشف عن الأجهزة اللاسلكية مثل العقد الأخرى.

لإضافة عقدة:

1. اضغط على IoT Node (عُقدة إنترنت أشياء) من شريط الأدوات.
2. اضغط على الخريطة لإضافة العُقدة.
3. اضغط على All (الكل) من شريط State (الحالة).

اضغط على Esc في لوحة المفاتيح.

إنشاء المقطع البرمجي (Creating a Script)

سنقوم الآن بإنشاء مقطع برمجي بسيط يطبع رسالتين ذاتيتين بالتناوب على العقدة.

المقطع البرمجي المستخدم هو كما يلي:

إنشاء المقطع البرمجي Creating Script

• Time: يجب عليك تضمين مكتبة time في البايثون.
• Sleep: سيتم استخدام دالة sleep المدمجة لتأخير عملية الطباعة.
• While node.loop() : يجب تضمين التعليمات البرمجية للعقدة داخل التكرار.
• print(): تُمكن العقدة الذاتية من الطباعة.
• sleep(): يمكنها السكون “لا تفعل شئ”.

وتأخذ دالة sleep كمعامل عدد موجب يشير لعدد الثواني التي تريدها للعقدة ليتم التأخير الزمني.

على سبيل المثال مع time.sleep() سيتم تنفيذ سكون للعقدة لمدة 3 ثوان.

ستطبع العقدة في برنامجك كلمة “hello” ثم ستنتظر لمدة ثانية واحدة.

وتطبع “world” وتنتظر مرة أخرى لمدة ثانية واحدة.

وتنتظر مرة أخرى ثم تبدأ مرة أخرى من البداية بلا توقف ما لا يتم إنهاء المحاكاة.

لإنشاء المقطع البرمجي:

1. اضغط على Python (البايثون) من شريط الأدوات.
2. اكتب التعليمات البرمجية بلغة بايثون في المُحرر النصي.
3. اكتب “hello” في حقل File name (اسم الملف).
4. اضغط على Save (حفظ).
5. أغلق نافذة محرر البايثون.

لإدراج المقطع البرمجي وتشغيل المحاكاة:

1. اضغط على العُقدة.
2. اضغط على علامة تبويب Device Parameter (مُعامِل الجهاز) في قائمة Parameter (مُعامِل).
3. اضغط على صندوق Script file (ملف البرنامج).
4. من القائمة المنسدلة، اختر المقطع البرمجي py، واضغط على الزر الموجود على اليمين لإدراج المقطع البرمجي في العُقدة.
5. اضغط على Save project (حفظ المشروع) من شريط الأدوات.
6. من شريط الأدوات، اضغط على Run IoT Simulation (تشغيل محاكاة إنترنت الأشياء).

كما هو متوقع، فإن العقدة ستتناوب في طباعة النصين “hello” و”world” لمدة ثانية واحدة لكلٍ منهما.

بإمكانك مراجعة محتوى موضوع “مقدمة إلى كاب كاربون” بدايةً من عنوان “ما برنامج كاب كاربون؟” وحتى نهاية الموضوع، من خلال الرابط التالي:

اختبر تحصيلك لمحتوى الموضوع من خلال الرابط التالي:

الواجب الإلكتروني

إلى هنا يكون قد انتهى موضوع “اتخاذ القرارات” لا تنسوا مراجعة نواتج التعلُّم أعلى المقال، وانتظرونا في الموضوع القادم!

روابط هامة

مقررات الفصل الدراسي الثالث