מכונות בתעשייה – הכנת חיבורן לIoT – Internet of Things חיבור מכונות ומערכות ל- IoT באמצעות שימוש ברכיבים חכמים

מבוא

כיום, פתרון מערכת בקרה תעשייתית המבוססת על מחשוב הינו הבסיס לתכנון  מכונות ומערכות בעולם, פתרון שהוכח כאמין המעלה את הזמינות התפעולית. כעת, לאחר שמגזר האוטומציה התמזג עם הדור הראשון של טכנולוגיית המידע, השלב הבא יהיה השימוש ברכיבים חכמים המחוברים לרשת האינטרנט של דברים (IoT).

Industry 4.0, המהפכה התעשייתית הרביעית, דורשת ממכונות, התקנים, חיישנים ואנשים להיות מסוגלים לתקשר ולשתף נתונים באופן ישיר, להוזיל את עלויות הייצור ולתת יתרון ברור בסביבת העבודה הגלובלית והתחרותית. שימוש בשירות המבוסס ענן ((cloud, משאבי ייצור ואפילו אתרי ייצור שלמים יכולים להיות מחוברים יחדיו לרשת. בטכנולוגיות האוטומציה, הפיתוח המודולרי הינו יעיל יותר, מקל על הייצור, מפחית את מאמצי הפיתוח, מקל על ביצוע השדרוג ומוזיל את עלויות התחזוקה באופן משמעותי.

איור 1: מספר מערכות Cyber Physical Systems( CPS ( אוטונומיות משתלבות אנכית למערכת CPPS
«
Cyber Physical Production Systems( ( אשר מחוברת לענן Smart Factory ומבוקרת על ידי מנהל Smart Factory

לשם השגת המטרות הנ”ל, עבור ההתקנים פשוטים כגון משני מהירות, הגנות למיניהן, אביזרי מיתוג ולחצנים ישנו צורך להפוך להתקנים מאופשרי שליטה בתקשורת אשר יהיו מסוגלים לתפקדבאופן אינו תלוי ולבצע החלטות עצמאיות וזאת על סמך נתונים הזמינים מסביבת המערכת הקיימת. כך, הרכיבים הופכים ל”נבונים” – או להתקנים חכמים.במקום “להילקח בחשבון” רק בסוף תהליך פיתוח המכונה, ההתקנים הנ”ל הופכים להיות לחלקי היסוד של מכונה המיועדת לעבוד בסטנרתים של  Industry 4.0.

מהתקן חכם למערכת ייצור Cyber physical  system  שילוב מנוע חשמלי עם חיישנים והתקנים “חכמים” יכול להפוך לדוגמה מצויינת עבור Cyber  physical  system -CPS . מכונה עם מנועים מרובים, שיכולים לתקשר אחד עם השני ולהיות עצמאיים יכולה להפוך למערכת ייצור סייבר פיזית cyber physical production system (CPPS) .פקודות ייצור המחייבות פעולות חיצוניות כגון שינוי מוצר או תחזוקה מונעת בלבד יבצעו על פי פרוטוקולים סטנדרטיים בתעשייה כגון OPC-UA  בין ה- CPPS לבין מערכת בקרת מפעל חכמה Smart Factory controller. גישה מבוזרת זו מפחיתה את כמות הנתונים הגבוהה שתדרש לשם תקשורת עם הענן. 

הגנות מנוע עם ערך מוסף:דוגמה מצויינת להפיכת רכיב ל”חכם” יכולים להוות מפסקי ההגנה האלקטרוני למנוע

  PKE –  או משנה המהירות DE1 תוצרת EATON  .חיבור רכיבים “חכמים”  אלה בנוסף לרכיבים כגון חיישנים, לחצנים, מגענים וכד’ ל SmartWire-DT,  מערכת החיווט החכמה של EATON ,הופכת את המערכת בקלות ל-    . (Cyber  physical  system ) CPS באמצעות היחידה האלקטרונית של מערכת ה- SmartWire-DT, ה- PKE וה- DE1 יכולים לאסוף נתונים כגון:זרם ועומס המנוע, מצבי פעולה / תקלה של רכיבים אחרים ולשדר את כל הנתונים דרך מערכת החיווט החכמה. בכדי באמת לענות על כל הדרישות ולהפוך את המכשיר ל”חכם” ישנו צורך במודול חיבור שישלב את מערכת החיווט החכמה הנ”ל עם מודול ASIC מהדור העדכני. יכולתו של מודול ה- ASIC הנ”ל הינה לא רק ניתוח הנתונים שסופקו על ידי רכיבי הגנת המנוע או משנה המהירות, אלא גם יכולת מחשוב וניתוח מתקדמות.חלק מדוגמאות ליכולות המחשוב הן ניתוח הנתונים שהתקבלו ופרושן, כמו כן קבלת החלטות עצמאיות כגון הפחתת מהירותו של המנוע המחובר.

איור 2: נתונים חכמים – מערכות CPS שולטות בתהליכים בצורה אוטונומית ומתקשרות בינן לבין עצמן

וכך בשילוב עם חיישנים אחרים, נוצרת מערכת CPS.כדוגמא למערכת עקבית ומודולרית הנ”ל הינה מערכת מסוע, אשר מסוגלת באופן עצמאי ליצור תקשורת עם CPS אחר. מה שמהווה אבני יסוד במערכת עקבית ומבוזרת. כל חריגות בזרמי העבודה הרגיל של המנוע מזוהות באופן מיידי ללא כל מאמץ ועלויות נוספות עבור טכנולוגיית מדידה נוספת. ערכי מדידה גבוהים עשויים להצביע על סימני בלאי ולעזור לתכנן פעילויות תחזוקה מראש וכך לצמצם זמני השבטה. ביישומים הכוללים משאבות, ירידה בזרם יכולה  להצביע על משאבה העובדת ללא מים. בזמן גילוי עומס יתר פוטנציאלי, ניתן לבצע צעדי  מניע בתוך המכונה או המערכת, וכך למנוע את נפילתו של המפסק הראשי המגן על המעגל ולגרום להפסקת פעולת המתקן.בנוסף, על ידי לקיחה בחשבון את תנאי האקלים השונים, ניתן להעמיס את המערכת באופן נכון, שיבטיח את כושר הייצור המקסימלי מבלי להעמיס את שאר מרכיבי המערכת המעורבים.בדרך זו השימוש במכשיר “חכם” יבטיח עבודה אמינה, זמינות תפעולית מוגברת, והמשך עבודה בעומס מרבי מותר. 

יצירת CPS מרכיבי לוח הבקרה ומרכיבים המותקנים בשטח השימוש במערכת החיווט והתקשורת החכמה אינו מוגבל לשימוש בלוח הבקרה בלבד.אלה מאפשר להשתמש גם בציוד I / O היקפי עם רמת הגנה IP67. היתרון הבולט של החיווט ה-“חכם” הינו הגדרתם והפעלתם של עד 99 התקנים כמכשירים “חכמים” על כבל תקשורת באורך מקסימלי של 600 מ’. מתנעים אלקטרוניים, מתנעים רכים, משני תדר, מפסקי פחת, מפסקי זרם זעירים, ולחצנים, ניתנים להתקנה ופיזור יחד עם חיבור לתקשורת בשטח מחוץ ללוח הבקרה ובזאת ליצור יחד עם המנוע מערכת CPSיתרון ממשי נוסף נמצא ביכולת ההרחבה הפשוטה למכונות קיימות ושדרוגן, במיוחד כשמדובר במכונות המיועדות לתמוך בIndustry 4.0. בעיות שנגרמות על ידי חוסר מקום בלוח, הן היסטוריה, כמו גם הצורך ב בכרטיסי קלט / פלט (IO) נוספים עבור הבקרוזאת היות והIO  יושב כבר על הרכיבים שמפוזרים בשטח וברכיבים שבתוך הלוח. 

לסיכום

תעשיות רבות וחברות להנדסת מכונות בפרט, נמצאות בשלב מקדים של שימוש בגישה זו, שכן עד כה טכנולוגיות מסוג הנ”ל לא היו זמינות. כמובן, מכונות קונבנציונליות, מבוקרות באופן מרכזי, מציעות הזדמנויות לחיבור לעולם Industry . האינטרנט  יכול לספק עבור עיצוב פתרונות רבים עבור פיתוח המכונה החכמה אך עדיין לא נוצל במלואו. נכון להיום חברות אלה נמצאות רק בשלב ההתחלה של השימוש ב- CPSs וכבר ניתן להגיד כי העבודה בטכנולוגיית החיווט החכם תיתן תשואות במוקדם ולא במאוחר. EATON הגדירה לעצמה מטרה ברורה – מתן תמיכה למגזר ההנדסה בשדרוג  ומוכנות ההתעשייה והמכונות עבור חיבור לIoT.החברה מפתחת רכיבים, מערכות ופתרונות המאפשרים לכל הלקוחות את יישום העקרונות הבסיסיים של Industry 4.0 במוצריהם וזאת ללא כל קשר למורכבותם.אחת ממשימות הליבה של החברה הינה לסייע לחברות הנדסה מכניות בגודל בינוני בשידרוג מוצריהן למוכנות IoT.במסגרת התוכנית “Authorized Lean Solutions Partners “, EATON משתפת פעולה עם מומחי אפליקציות על מנת להיות מסוגלים להציע פתרונות מעבר לחיווט החכם.

Christian Zingg, Eaton

תגובות סגורות