سنسور هوشمند: قدم اول در راستای کارخانه هوشمند

معمولا در ماشین آلات خطوط تولید از سنسور های زیادی استفاده می شود. سنسور وظیفه جمع آوری داده را دارد و می توان بر اساس آن تصمیم گیری کرد. به عنوان مثال از سنسور نوری برای تشخیص زمان حضور محصول بر روی نوار نقاله استفاده کرد. بنابراین اطلاعات (Data) جوهره تولید است، زیرا مبنای تصمیم گیری و عملیات اجرایی دستگاه ها است.

در این مقاله قصد داریم به معرفی و بررسی ابعاد سنسور هوشمند بپردازیم.

سنسور هوشمند چیست؟

همانطوری که گفتیم، سال‌هاست که ماشین‌ها انواع مختلفی از سنسورها را روی خود دارند و وظیفه اصلی این سنسورها کمک به تولیدکنندگان است که کار را بدون مشکل انجام دهند. استفاده از حسگرهای پیچیده‌تر «هوشمند» که می‌توانند داده‌های دقیق‌تری را ارائه دهند، فرصت‌های فزاینده‌ای برای عملیات کارآمدتر و قابلیت‌های سریع‌تر به بازار ارائه می‌دهد.

به طور کلی، سنسور ها را می توان به دودسته تقسیم بندی کرد:

1. سنسور های غیر فعال (Passive): همان سنسور های قدیمی که تنها وظیفه دریافت اطلاعات را داشتند. برای مثال سنسور های نوری، القایی یا فشار که بر اساس خواص فیزیکی و شیمیایی داده هایی را ارسال می کنند. این سنسور ها عموما یک طرفه هستند، یعنی فقط اطلاعات را ارسال می کنند.
2. سنسور های فعال (Active): که در این مقاله به سنسور های هوشمند اشاره می شود. هوشمند از این جهت که درون این حسگر ها پردازنده هایی وجود دارد که اطلاعات را تجزیه و تحلیل می کنند. بنابراین این سنسور ها می توانند درک بهتری را از جهان پیرامون برای پردازنده مرکزی دستگاه ایجاد کنند.

در ادامه به یکی از ویژگی های مهم سنسور های هوشمند می پردازیم. این سنسور ها عموما از پروتکل ارتباطی مخصوصی استفاده می کنند که مزایای بسیار زیادی دارد.

پروتکل I/O-Link

فناوری  I/O-Linkحسگر را قادر می‌سازد تا داده‌های بیشتری را ارسال کند و به ماشین‌ها اجازه می‌دهد تا به طور مؤثرتری کار کنند.

I/O-Link یک پروتکل استاندارد است که یک رابط استاندارد برای محیط های اتوماسیون ماشین فراهم می کند. مسترهای I/O-Link دروازه‌هایی هستند که به دستگاه‌های I/O-Link اجازه می‌دهند به شبکه‌های دیگر روی دستگاه – مانند EtherNet/IP™ – متصل شوند که اطلاعات را با سیستم کنترل به اشتراک می‌گذارند و انبوهی از تشخیص‌های دقیق و بهداشتی ماشین را برای اپراتورها به ارمغان می‌آورند.

اما مهمترین مزیت این فناوری ارتباطی این است:

“آگاهی از وضعیت و وضعیت فعلی سنسور همچنین شناسایی به موقع هر نوع مشکل احتمالی حسگر را تضمین می کند.”

در واقع، سنسورهای استاندارد به نشان دادن وجود و/یا عدم وجود یک شی محدود می‌شوند، در حالی که حسگرهای هوشمند می‌توانند تا 32 بایت داده چرخه‌ای از جمله تشخیص را نه تنها برای سنسور، بلکه در مورد محیط برنامه ارائه دهند. همچنین، سنسورهای هوشمند عملکردهای پیشرفته دیگری را ارائه می‌کنند که راه‌اندازی، تعمیر و نگهداری و عیب‌یابی را بسیار کارآمدتر می‌کنند. به عنوان مثال می توان تنظیمات پارامتر های مرتبط با عملکرد دستگاه را ذخیره سازی کرد تا در زمان تغییرات خط تولید و تعویض سنسور، نیازی به پیکر بندی جدید نباشد و تنظیمات را بر روی سنسور جدید اعمال نمود.

کاربردهای حسگر برای عملیات هوشمند

فناوری حسگر هوشمند این نیاز را برآورده می‌کند و بینش عمیق‌تری نسبت به سلامت ماشین‌های صنعتی به ارمغان می‌آورد تا به نسل‌های فعلی و آتی بهره‌برداران در بهینه‌سازی فرآیندهای کارخانه کمک کند.

در ادامه به برخی سناریوهای کاربردی رایج نگاهی می اندازیم که چگونه سنسورهای هوشمند به ادغام داده‌های ناهمگون در جریان‌های اطلاعات عملیاتی کمک می‌کنند و امکان نظارت و بهینه‌سازی دارایی‌ها را از هر نقطه و به صورت لحظه‌ای فراهم می‌آورند.

راه اندازی هوشمند

پس از نصب یک ماشین جدید در خط تولید موجود، ماشین جدید با سنسورهای هوشمند از پیش نصب شده نیاز به راه‌اندازی دارد. در طول راه‌اندازی دستگاه، اپراتور به تمام داده‌های حسگر مرتبط روی یک دستگاه تلفن همراه دسترسی پیدا می‌کند.

اپراتور قادر است به صورت لحظه ای مقدار نقطه تنظیم (Set Point) را تغییر دهد. با داشتن تغییر مقدار نقطه تنظیم، می تواند ببینند که داشبورد سنسور با نقطه تنظیم مورد نیاز تنظیم می شود و هیچ هشدار دیگری نمایش داده نمی شود.

راه حل های حسگر هوشمند اجازه می دهد تا نظارت هوشمند بر سیگنال حسگر به طور مداوم انجام شود و امکان تنظیم مجدد سریع را فراهم می کند. این می تواند داده های قابل اقدامی را برای کمک به حداکثر رساندن اثربخشی کلی تجهیزات (OEE) و میانگین زمان بین خرابی (MTBF) ارائه دهد.

تعویض هوشمند

عملکرد پیکربندی خودکار دستگاه حسگر هوشمند می تواند به به حداقل رساندن نصب و افزایش زمان کارکرد تجهیزات کمک کند. برای مثال، زمانی که حسگری روی خط بسته‌بندی آسیب می‌بیند، فردی که مسئول نگهداری است، هشدار خرابی سنسور و موقعیت دقیق مشکل را روی دستگاه تلفن همراه خود دریافت می‌کند. اطلاعات نام‌گذاری خاص برنامه او را مستقیماً به سمت خرابی هدایت می‌کند و داده‌های فروشنده دستگاه و شماره قطعه را برای جایگزینی سریع ارائه می‌دهد.

پس از نصب فیزیکی حسگر هوشمند جدید، عملکرد پیکربندی خودکار دستگاه تمام پارامترهای حسگر را در کسری از ثانیه به حسگر جدید دانلود می‌کند. هشدار روی دستگاه تلفن همراه تنظیم مجدد می‌شود و به تولید اجازه می‌دهد بدون وقفه ادامه یابد.

پیگیری و ردیابی هوشمند

طیف وسیعی از حسگرهای هوشمند را می توان برای ردیابی تولید و الزامات ردیابی تاریخی استفاده کرد. هنگامی که یک بارکدخوان با سرعت بالا، بارکد یا QR دوبعدی را ثبت می کند، شناسایی سطح مورد به کنترلر از طریق شبکهEtherNet/IP  متصل می شود. ردیابی و شناسایی محصولات بسته بندی شده با داده های بلادرنگ پردازش شده برای به حداکثر رساندن کارایی تولید انجام می شود.

از آنجایی که همه حسگرهای هوشمند را می توان در نرم افزار متصل کرد، محصولات و مواد اولیه در هر مرحله، از تولید تا ارسال و فراتر از آن، در یک محیط مهندسی واحد ردیابی می شوند.

بهینه سازی تولید

در اکثر برنامه های کاربردی تولید انعطاف پذیر، حسگرهای متعددی وجود دارند که نیاز به آموزش مجدد دارند. و بسیاری از اوقات، روش پیکربندی سنسورها از یک خانواده حسگر به خانواده دیگر متفاوت است.

در نتیجه، مسئولیت اپراتور برای تشخیص دقیق فرآیند مورد نیاز برای به روز رسانی تمام سنسورها افزایش می یابد. پیکربندی مجدد حسگرها در یک دستگاه ممکن است یک ساعت طول بکشد. علاوه بر نرخ ساعتی مورد نیاز برای تکمیل پیکربندی مجدد، از دست دادن زمان تولید برای آن یک ساعت می تواند هزینه بیشتری را به همراه داشته باشد.

با حسگرهای هوشمند، عملیاتی که شامل تغییرات مکرر خط با محصولات با اندازه‌های مختلف است، می‌تواند ساده شود. حسگرهای هوشمند به جای نیاز به پیکربندی مجدد دستی برای هر محصولی که وارد خط تولید می‌شود، می‌تواند پروفایل‌های متعددی را در کنترل‌کننده ذخیره کند که سپس می‌توانند در صورت لزوم برای پشتیبانی از محصولات مختلف به سمت سنسور فشار داده شوند.

داده هایی که بازیابی می شوند نیز می توانند برای بهبود عملیات تولید استفاده شوند. بهبود در فناوری و قابلیت‌های باند پهن به معنای پردازش سریع‌تر مقادیر زیادی از داده‌های متفاوت است که می‌تواند برای تجزیه و تحلیل تولید و بهبود کارایی در طول زمان استفاده شود.

چشم و گوش ماشین ها

تا زمانی که اپراتورهای ماشین نتوانند لحظه به دقیقه از اتفاقاتی که روی ماشین‌های نصب شده در کارخانه‌ها می‌گذرد آگاه باشند، حفظ بهره‌وری و کارایی بهینه در همه زمان‌ها یا جلوگیری از توقف برنامه‌ریزی نشده و از دست دادن تولید غیرممکن است.

در حالی که حسگرها از لحاظ تاریخی فقط یک پیام را ارسال می‌کردند – فقط مقدار محدودی از اطلاعات را ارائه می‌کردند، اما فاقد قابلیت ارائه تشخیص هستند.

یا داده‌های پارامتری برای تبادل با یک کنترل‌کننده، سنسور مدرن و هوشمند این وظیفه اساسی را انجام می‌دهد و در عین حال به‌روزرسانی‌های بی‌درنگ عملکرد خود، تجزیه و تحلیل شرایط خود و پیش‌بینی طول عمر خود را نیز ارائه می‌کند. این اطلاعات به جای نگهداری واکنشی، امکان نگهداری پیش بینی را فراهم می کند. به این ترتیب، یک راه حل حسگر هوشمند یکپارچه داده های مورد نیاز برای ایجاد تصویری جامع از وضعیت فرآیند عملیات را فراهم می کند. در ادامه به بررسی مطالب تخصصی تکمیلی در خصوص پروتکل I/O-Link می پردازیم.

بیشتر بدانید…

پروتکل IO-Link استاندارد جهانی ارتباطات (IEC 61131-9) است که نحوه اتصال و برقراری ارتباط با سنسورها و عملگرهای دیجیتال را متحول می کند. این فناوری با استفاده از پیکربندی های سیمی یا بی سیم، بر چالش های یکپارچه سازی غلبه می کند و به دستگاه ها اجازه می دهد تا مجموعه داده های غنی شده را به طور یکپارچه به اشتراک بگذارند.

IO-Link master جایگزین کارت ورودی آنالوگ سنتی می شود. بسته به پیکربندی master، تا 8 دستگاه IO-Link مانند سنسورها، شیرها و ماژول های I/O را می توان به یک master متصل کرد. master داده های ماشین، پارامترهای فرآیند و اطلاعات تشخیصی را به یک کنترل کننده PLC یا مستقیماً به یک سیستم کنترل سطح بالاتر IIoT منتقل می کند.

در جدول زیر به مقایسه روشهای مختلف ارتباط سنسور و مزایای روش I/O-Link می پردازیم:

مراجع:

• https://www.rockwellautomation.com/en-us/company/news/magazines/smart-sensors-for-the-smart-factory.html
• https://www.ifm.com/us/en/shared/technologies/io-link/io-link-introduction