کنترل

انقلاب صنعتی نسل چهار

انقلاب صنعتی نسل چهار

این روزها سایه دنیای مجازی و اینترنت تقریباً بر تمامی ابعاد زندگی انسان سنگینی می‌کند و با رشد سریع گوشی‌های هوشمند و بهبود هر روزه کمی و کیفی اینترنت، فضای مجازی با تمام حسن‌ها و دردسرهایش با زندگی واقعی تلفیق شده و متأسفانه یا خوشبختانه گریز از این تحول شگرف به نوعی محال می‌باشد و حال در آستانه سرایت دنیای مجازی به کالبد ماشین‌ها، اشیا، کارخانه‌ها و صنعت می‌باشیم و با تأملی در سابقه نفوذپذیری وحشتناک اینترنت، بر هیچ کس پوشیده نخواهد بود که به سرعت شکل صنعت کاملاً دگرگون خواهد شد و عدم همراهی با این موج تغییر و باز نشناختن مزایا و خطرات نسل نو صنعت عقب‌ماندگی و تک‌ماندگی صنعتی را به همراه خواهد داشت و در عوض همراه شدن با این روند تغییر، موجب پوشیدگی بخشی از عقب‌ماندگی‌های گذشته و بهره‌گیری از فضای کسب و کارهای جدید در حوزه دیجیتال می‌گردد. در این مقاله ضمن تعریف صنعت نسل چهار، چهارچوب‌ها، مزایا و چالش‌های پیش‌روی تبدیل شدن به یک کارخانه نسل چهارمی مورد کنکاش قرار گیرد.

  1. مقدمه

انقلاب صنعتی اول در قرن هجدهم میلادی با ورود ماشین‌های بخار به عرصه زندگی مردم و مکانیزه شدن بعضی از فرآیندهای دستی ایجاد گردید، ماشین‌های بخاری که عهده‌دار کارهایی شدند که پیش از این حیوانات اهلی برای انسان انجام می‌دادند. انقلاب دوم صنعتی مربوط می‌شود به ورود الکتریسیته و ایجاد خطوط مونتاژ و تولید انبوه، سومین انقلاب زمانی رخ می‌دهد که بهره‌گیری از رایانه‌ها رایج شده بود و با ورود اتوماسیون به حوزه صنعت، روند جایگزینی ربات‌‌ها و ماشین‌ها،‌ با کارگران در خطوط مونتاژ شروع شد.

و حالا در حال ورود به چهارمین انقلاب صنعتی هستیم که در آن رایانه و اتوماسیون با هم برای ورود به مسیری تازه تلفیق شده‌اند. در این رخداد شگرف صنعتی ربات‌ها با رایانه های مجهز به الگوریتم‌های یادگیری ماشین به گونه‌ای با یکدیگر همکاری می‌کنند که با کمترین اطلاعات ورودی از کاربر، ربات‌ها بتوانند یاد بگیرند، کنترل شوند و تصمیم‌گیری نمایند.

شکل 1.  روند رخداد انقلاب های صنعتی

صنعت نسل چهارم با چیزی تحت عنوان کارخانه­ هوشمند[1] معرفی می‌شود و همانند یا خانه‌های هوشمند[2]در یک کارخانه هوشمند تمام المان های لایه فیزیکی شامل ماشین‌ها، حسگرها، انسان‌ها و … همگی به اینترنت اشیاء[3] مجهز می‌باشند و ارتباط و همکاری با دیگر اجزای لایه فیزیکی و انسان همه از طریق شبکه‌های بی سیم و به صورت آنی[4] انجام می‌گیرد. همچنین با سامانه‌هایی تحت عنوان سامانه سایبرفیزیکی (CPS)، فرآیند فیزیکی یک پلنت صنعتی در دنیای دیجیتال پایش می‌شود یعنی وضعیت سامانه از فضای واقعی به فضای مجازی تعمیم داده می‌شود و با بهره‌گیری از اطلاعات گسترده که به اشتراک گذاشته می‌شود، تصمیماتی به شکل غیر متمرکز اتخاذ می‌شوند.

سامانه سایبرفیزیکی[5] (CPS)

سامانه سایبرفیزیکی مجموعه‌ایست شامل پردازشگر، شبکه و فرآیند‌های فیزیکی که در آن رایانه های مجتمع، سامانه‌های پایش و کنترل به صورت حلقه بسته به هم مرتبط می‌شوند، به طوری که پردازشگر و فرآیند فیزیکی تأثیرات متقابلی بر یکدیگر اعمال می‌کنند. نمونه‌ای از کاربردهای این سامانه در بخش نمایش ترافیک Google map می‌باشد که با تحلیل داده­ خودرو‌های هوشمند، ناوگان تاکسی‌ها، گوشی‌های رانندگان و در برخی شهرها از دوربین‌‌ها‌ی ترافیک و با توجه به سرعت تقریبی خودروها می تواند حجم ترافیک را تشخیص داده و بهترین مسیر را پیشنهاد دهد. در واقع وضعیت خیابان‌ها با استفاده از جمع‌بندی داده در فضای مجازی تصویر می‌گردد و پردازش‌گر و فرآیند فیزیکی بر هم اثر می‌گذارند.

شکل 2 . اعلام وضعیت ترافیک توسط Google Map با پایش به روش CPS

  1. شرایط اولیه ایجاد یک پلنت صنعتی نسل چهار

به طور کلی یک کارخانه نسل چهارمی باید شرایط زیر را داشته باشد:

  • قابلیت ارتباط[6]

در حقیقت تمام المان‌ها در یک کارخانه نسل چهار مثل قطعه کار با ماشین، ماشین با ماشین، حسگر و… هر یک با هم و با لایه بالاتر ارتباط دارند.

  • شفاف سازی داده[7]

سامانه باید یک نمای کلی از وضعیت فیزیکی سامانه از طریق پایش کلی شرایط حسگر‌ها در فضای مجازی ارائه ‌دهد. برای تشریح میزان شفاف سازی مورد نظر انقلاب صنعتی نسل چهار می‌توان نرم افزار PLM زیمنس را مثال زد این نرم افزار قابلیت این را دارد که تک تک اجزا پس از طراحی در محیط مجازی با هم ترکیب و سپس در شرایط شبیه‌سازی شده تست شوند، بدون اینکه حتی یک پیچ در فضای واقعی بسته شود. در واقع PLM وظیفه مدیریت چرخه تولید محصول از طراحی تا ایجاد محصول را بر عهده دارد. نمونه‌ای از کاربرد این نرم‌افزار در شبیه‌سازی مریخ پیمای ROVER می‌باشد که در سال 2012 بیش از 8000 بار با استفاده از نرم افزار PLM تحت آزمون قرار گرفت.

شکل 3 . استفاده ناسا از نرم‌افزار PLM زیمنس برای شبیه‌سازی ربات مریخ پیمای Rover

  • اعمال کمک فنی به اپراتور[8]

توانمندی سامانه در حمایت انسان در اتخاذ تصمیم و حل مشکل، همچنین توانمندی یاری‌رساندن به اپراتور در شرایط کاری سخت و خطرناک

  • تصمیم‌گیری غیرمتمرکز[9]

قابلیت سامانه CPS برای ساده‌سازی تصمیم‌گیری و مستقل شدن تا حد امکان

  1. پیاده‌سازی یک کارخانه صنعتی نسل چهار

در پیاده سازی و تبدیل یک کارخانه به Smart Factory  موارد زیر جزء اصلی‌ترین موارد در مسیر تغییر می‌باشند:

  •  تکلیف اتوماسیون فعلی در مسیر تبدیل کارخانه به کارخانه نسل چهار

برای تبدیل شدن اتوماسیون صنعتی موجود به اتوماسیون صنعت نسل چهار باید تغییراتی برای غیرمتمرکز نمودن ساختار کنترلی و همچنین امکان ارتباط شبکه فیلدباس موجود به شبکه اینترنت را ایجاد نمود.

  • تغییر ساختار کنترلی متمرکز به غیرمتمرکز

برای آشنایی با یک سامانه کنترلی غیرمتمرکز به تشریح یکی از پروژه‌های تام ایران خودرو در خطوط پرس شرکت ایران خودرو پرداخته می‌شود که به علت حساسیت، نرخ بالای تولید و سطح اتوماسیون، فرآیند کنترل به صورت غیرمتمرکز انجام می‌گیرد.

این خط شامل 5 پرس و تعداد 7 ربات از برند KUKA می‌باشد که وظیفه ربات ها جابجایی قطعه کار بین پرس‌ها از شیت ورق تا در پایان خط که قطعه کامل پرس شده از آخرین پرس برداشته و روی تسمه نقاله تحویل می‌گردد، در این خط PLC مرکزی برای کنترل خط وجود نداشته و هر ربات شامل یک PLC نرم‌افزاری بوده که با بهره‌گیری از اطلاعات به اشتراک گذاشته شده توسط ربات قبلی، پرس، ربات بعدی و اطلاعات دریافتی از اپراتور از طریق HMI خط و یا HMI محلی تعبیه شده در صفحه کنترلی هر ربات و… تصمیم‌گیری‌های غیرمتمرکز اتخاذ می‌کند.

 برای مثال رباتی‌ که قطعه کار را از پرس برمی‌دارد منتظر نمی‌ماند که پرس کاملاً بالا رفته، سیگنال اجازه حرکت را صادر کرده و ربات بعد از دریافت سیگنال، عملیات برداشتن قطعه را انجام دهد، بلکه به لطف اینکه همه تجهیزات قادر به دسترسی به اطلاعات یکدیگر می‌باشند ربات Unloading به محض اینکه پرس به مقدار کافی بالا رفت اقدام به برداشتن قطعه می‌کند و ربات Loading نیز با توجه به داشتن موقعیت پرس و ربات بعدی به طور سنکرون با ربات Unloading وارد پرس شده و عملیات گذاشتن قطعه روی پرس را انجام می‌دهد.

 حال فرض کنید این سامانه کنترلی به اندازه کل کارخانه بسط داده شود، به اضافه اینکه اطلاعات خطوط دیگر، موجودی‌های انبار، برنامه ریزی تولید، پیاده‌سازی برنامه‌های تعمیراتی و… همه و همه در شبکه به اشتراک گذاشته شود و تجهیزات با توجه به شرایط تصویر شده در فضای مجازی خود را پیکربندی و تصمیمات کنترلی را اتخاذ نمایند.

شکل 4. خط پرس‌شاپ ایران خودرو با کنترل غیر متمرکز

  • تجهیز شبکه فیلدباس به اینترنت اشیاء

در یک کارخانه المان های صنعتی بسیاری شامل ماشین‌ها، ربات ها، PLCها و حسگرها تحت شبکه فیلدباس قرار دارند، این تجهیزات از پروتکل‌های مختلفی برای ارتباط استفاده می‌کنند ولی این شبکه مختص تجهیزات بوده و از شبکه داخلی شرکت (اینترانت) و یا اینترنت مجزا می‌باشد. برای بهره‌گیری از اینترنت اشیاء باید به طریقی شبکه‌های موجود به شبکه اینترنت نیز متصل گردند و اطلاعات مربوط به جزئیات سامانه در شبکه به اشتراک گذاشته شود، روش‌های مختلفی برای این کار وجود دارد که روش هایی چون بهره‌گیری از OPC UA [10] و یا استفاده از تجهیزاتی که قابلیت برقراری ارتباط بین پروتکل‌های فیلدباس با اینترنت را داشته باشند توسط کارشناسان صنعت نسل چهار پیشنهاد می‌گردد.

برای مثال ماژول NIFE 100 تولید شده توسط NEXCOM یک کنترل‌کننده مبتنی بر PC می‌باشد که قابلیت تبدیل شبکه‌های صنعتی مانندPROFIBUS, ProfiNET, DeviceNET, EtherCAT, EtherNet/IP master module به اینترنت اشیاء را دارد.

شکل 5 . کنترل کننده­ مبتنی بر PC و مبدل IOT، NIFE 100 تولید شده توسط NEXCOM

  • تعمیر و نگهداری در یک کارخانه نسل چهار

در یک کارخانه نسل چهارمی با استفاده از قابلیت‌هایی که اینترنت اشیاء به همراه دارد بیشتر تمرکز روی پیاده‌سازی تعمییرات پیشگیرانه می‌باشد چرا که پیاده‌سازی تعمیرات پیشگیرانه موجب کاهش میزان توقفات و درنتیجه کاهش هزینه‌های تحمیلی توقف تولید را در بر خواهد داشت و موجب افزایش راندمان و بهره‌وری فرآیند نگهداری و تعمیرات خط تولید می‌گردد. مطابق نمودار شکل 5 دو روش تعمیرات پیشگیرانه وجود دارد:

تعمیرات پیشگیرانه بسته به شرایط: بر اساس پایش شرایط، بازرسی و تست برای پیدا کردن بهترین زمان تعمیرات دوره‌ای ماشین

تعمیرات پیشگیرانه دوره‌ای: تعویض و تعمیر در دوره‌های زمانی مشخص بدون توجه به وضعیت ماشین

تعمیرات پیشگیرانه وابسته به شرایط، هزینه‌های کمتری در بردارد ولی نیاز به کار بیشتر و بازرسی و کنترل مستمر وضعیت دستگاه را دارد. اما در یک کارخانه نسل چهار می توان به صورت مستمر وضعیت دستگاه را رصد نمود و به صورت نرم‌افزاری بهترین زمان تعمیرات دستگاه را تعیین نمود در زیر برخی از مزایای تعمیرات پیشگیرانه در انقلاب نسل چهار را مورد بررسی قرار می‌دهیم:

پایش آنی شرایط: در تمامی تجهیزات وضعیت فاکتورهای حائز اهمیت در تعمیرات مثل دمای موتورها، راه اندازها و… به صورت تگ‌هایی به صورت آنی در شبکه به اشتراک گذاشته می‌شود.

پایش و آنالیز انعطاف‌پذیر: از طریق نرم‌افزار و با توجه به قانون‌هایی که حاصل کد کردن تجربه‌های تیم تعمیرات (برایث مثال تکرار OverCurrent در ربات هیوندایی نشانه‌ای بر ایراد در موتور یا راه انداز محور مربوطه است) و یا دستورالعمل‌های تعمیراتی سازنده ماشین، اطلاعات و وضعیت دستگاه دائماً تحت کنترل بوده و در صورت نیاز درخواست تعمیرات صادر می‌گردد. در ضمن همواره امکان تغییر و بهبود روش ها و قانون‌های آنالیز برای تیم تعمیرات وجود خواهد داشت.

اطلاع رسانی به تیم تعمیرات مربوطه: این قابلیت یکی از مهم ترین بهبودها در یک کارخانه­ هوشمند به شمار می‌آید که در زمان نیاز سامانه با توجه به نوع ایراد فنی به وجود آمده و یا خطای احتمالی، گروه مربوطه را مطلع و تا مرحله ی رفع عیب و تأیید صحت عملکرد قادر به پیگیری خواهد بود. از دیگر مزایا زمانی است که کارشناس مربوطه بدون نیاز به حضور فیزیکی در سایت قادر است کلیه وضعیت سامانه را بررسی و دستورالعمل های تعمیراتی را از راه دور صادر نماید.

شکل 6. تعمیرات پیشگیرانه

 جایگاه ربات و نحوه برنامه نویسی آنها در یک کارخانه نسل چهار

ربات ها اصلی ترین اجزای انقلاب صنعتی نسل چهار می‌باشند، ربات هایی که کنترل آنها از نوع مبتنی بر PC می‌باشد و همچنین ربات‌هایی که دارای قابلیت پروتکل OPC می‌باشند از این حیث دارای برتری بوده و به راحتی قادر به ارتباط با اینترنت می‌باشند[11]. همچنین از آنجایی که بسیاری از ربات ها دارای PLC نرم افزاری می‌باشند، تمامی ابزارهای مورد نیاز برای اجرای تصمیم گیری غیرمتمرکز در اختیار برنامه‌نویس و ایجاد کننده کارخانه­ هوشمند قرار دارد. از دیگر تلاش های ربات‌سازان برای پیاده‌سازی و تسهیل صنعت نسل چهار به ویژه در بخش‌هایی که به علت ماهیت کار خلاء ماشین و ربات در فرآیند وجود داشت و عملیات صرفاً توسط انسان انجام می‌گرفت، ابداع و رشد روزافزون ربات های همکار می‌باشد که در زیر به معرفی یک نمونه از ربات‌های همکار به نام LBR iiwa ساخت شرکت KUKA می‌پردازیم.

  • ربات های همکار (HRC[12])

ربات ها با انجام کارهایی که برای انسان سنگین و غیرارگونومیک و یا خطرناک و سخت و زیان‌آور است و یا مجموعه کارهایی که به سطح بالایی از سرعت و دقت نیاز دارند، موجب بهبود سطح کار شده‌اند. اما این اثر مثبت ربات ها در کیفیت کار انسان همواره به طور غیرمستقیم بوده و هیچوقت امکان کارکردن مستقیم ربات و انسان وجود نداشت با این هدف نسل جدیدی از ربات‌ها تحت عنوان ربات‌های همکار ابداع و ایجاد گردید که در واقع خلاقیت، توانمندی بالای فکری و هوشمندی انسان را با تکرارپذیری و دقت و قدرت بالای ربات تلفیق کرده و انعطاف پذیری و هوشمندی محیط کار را به شدت ارتقا می‌بخشد.

شکل6. قعالیت مشترک ربات LBR iiwa و کارگران خطوط مونتاژ

ربات LBR iiwa اولین نمونه ربات‌های همکار در جهان است که با توجه به حساسیت بالای آن بدون نیاز به فنس قادر است با همکار انسانی خود به صورت مشترک کار کند و موجب می‌شود بخش‌هایی که ربات و یا ماشین به تنهایی قادر به اداره آن نیست، رباتیک شده و شامل صنعت نسل چهار گردد. برخی از مزایای این ربات‌ها به شرح زیر می‌باشد:

  • واکنش سریع: با وجود حسگرهای گشتاور در محورهای ربات به سرعت برخورد را تشخیص داده و قادر است فوراً نیرو و سرعت را کم کند. این قابلیت ایمنی بالای ربات را در پی داشته و بدون هیچ خطری ربات‌ها در خطوط تولید کنار کارگران خط کار کرده و موجب بهبود شرایط کار می‌گردند.
  • حساسیت بالا: به وسیله کنترل سروو بسیار دقیق در هنگام مونتاژ، لبه‌ها و تغییرات موقعیت‌های مکانی و مسیر به دقت تشخیص داده می‌شود و جای صحیح نصب با سرعت بالایی پیدا می‌شود، این قابلیت باعث شده تا این ربات بسیار مناسب جهت جا زدن تجهیزات مکانیکی مثل چرخ دنده، بستن پیچ و … باشد.
  • قابلیت یادگیری: این ربات علاوه بر روش های مرسوم برنامه نویسی حرکتی[13] به آسانی به وسیله اپراتور قادر به حرکت و یادگیری می‌باشد. همچنین برای توقف یا ادامه حرکت تنها با فرمان اپراتور از طریق لمس ربات قادر به توقف و یا حرکت مجدد می‌باشد. این قابلیت موجب ایجاد تصمیم‌گیری غیرمتمرکز و هوشمندی و انعطاف پذیری بالای سامانه می‌شود
  • مستقل بودن: این ربات به عنوان کمک اپراتور در کارهای یکنواخت و خسته‌کننده با اطمینان بالا و مستقل و همچنین دارای کنترل و برنامه نویسی ساده می‌‌باشد.
  1. چالش‌های پیش روی ایجاد یک پلنت صنعتی نسل چهار

با وجود ایجاد تحولات اساسی چالش‌هایی در مسیر بهره‌برداری و گسترش صنعت نسل چهارم وجود دارد:

  • به علت ایجاد سامانه‌های جدید و دسترسی‌های بیشتر به سامانه، مسأله امنیت داده به شدت حائز اهمیت می‌باشد؛
  • نیاز به دانش مربوط به حوزه فناوری ارتباطات و امنیت شبکه؛
  • از آنجایی که تکرارپذیری و قابلیت اطمینان بسیار بالا برای یک سامانه تحت CPS ضروری و حیاتی می‌باشد، پیاده سازی سامانه اتوماسیونی که تحت چنین سامانه ای قرار گیرد به طبع دارای پیاده‌سازی مشکل و همچنین افزایش پیچیدگی‌های تعمیر و نگهداری می ­باشد؛
  • طراحی و پیاده‌سازی سامانه ای که قابلیت نگهداری تولید با کمترین تأثیر انسان را دارد می‌تواند محدود کننده باشد؛
  • همیشه در معرفی یک سامانه اتوماسیون حذف یکسری مشاغل نگرانی محسوب می‌شود؛
  • فقدان نیروی کار با تجربه در این حوزه؛
  • بی‌میلی سرمایه‌گذاران در ورود به فناوری ­های جدید.
  1. مزایای ایجاد یک پلنت صنعتی نسل چهار

مزیت‌های مدل Industry 4.0 در مقایسه با نگرانی‌های آن خیلی بیشتر و حائز اهمیت‌تر می‌باشند که در زیر به برخی از آنها اشاره می‌کنیم:

  • در محیط‌های کاری خطرناک و کارهای سخت می‌تواند بحث ایمنی و سلامت نیروی کار را به شکل قابل توجهی بهبود دهد؛
  • کنترل زنجیره تأمین و ورود و خروج محصول به دلیل وجود اطلاعات تمام بخش‌های پلنت بسیار کامل و قابل پیگیری می‌باشد؛
  • کاهش زمان توقف با وجود برنامه‌های پیشگیرانه تعمیر و نگهداری و همچنین اطلاع سریع از خطاهای ایجاد شده و قابلیت رفع عیب و گزارش دهی به تیم تعمیراتی مربوطه؛
  • تولید محصول با قابلیت کیفی و کمی بالاتر و با ثبات‌تر؛
  • افزایش فروش و سود.
  1. نتیجه‌گیری

بر اساس آمارها و شرایط مشابه به نظر می رسد پیشگامان اولیه سود قابل توجهی از شهامت خود در برابر ریسک ورود به فناوری جدید خواهند برد و کسانی که از این تغییر بپرهیزند متضرر و از رقیبان عقب خواهند ماند، همچنین شناخت این انقلاب صنعتی، نحوه پیاده‌سازی و راهکارهای تبدیل اتوماسیون نسل سوم به نسل چهارم برای شرکت‌های دانش بنیان در حوزه اتوماسیون صنعتی بیش از بقیه مهم بوده و مسؤولیت معرفی و ارائه راهکارها برای بهره‌مندی از نوآوری‌های جدید بر عهده این گروه از شرکت‌ها می‌باشد و این مقاله گامی ناچیز در مقابل این مسؤولیت اجتماعی بزرگ به شمار می‌آید.

 امید است تلاش‌هایمان منجر به رونق و شادابی صنعت کشور عزیزمان ایران گردد.

مراجع

پی نویس

[1] Smart Factory

[2] Smart Home

[3] Internet of things (IOT)

[4] Real time

[5] Cyber-physical

[6] Interoperability

[7] Information transparency

[8] Technical assistance

[9] Decentralized decision-making

[10] OPC Unified Architecture

[11] ربات KUKA به خاطر PC بیس بودن، دارای معماری تحت شبكه و ساختار برنامه‌نويسی باز آن، از جمله ربات هايی می باشد كه احتمالا در صنعت نسل چهار محبوبيت بسيار بيشتری نسبت به رقباي خود خواهد داشت.

[12] HUMAN-ROBOT COLLABORATION

[13] Teach

برای امتیاز به این نوشته کلیک کنید!
[کل: 1 میانگین: 5]

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *