نقش حسگرها و عملگرها در IIoT

حسگرها چشم‌ها و گوش‌های عملیات شما هستند و عملگرها دست‌ها ؛ هر مهندس تولیدی که به پیاده‌سازی IIoT یا اینترنت صنعتی اشیا فکر می‌کند، باید توجه زیادی به این موضوع داشته باشد که چگونه سیستم‌ها به جمع‌آوری داده‌ها، تصمیم‌گیری و کنترل خودکار در محیط تولید کمک می‌کنند.

همچنین میتوانید درباره ی اینترنت صنعتی اشیا و جنبه های کلیدی آن بخوانید

 

حسگرها: چشم‌ها و گوش‌ های عملیات

این دستگاه‌های جمع‌آوری داده، به‌طور مداوم پارامترهای فیزیکی یا محیطی مختلف را در محیط کار نظارت می‌کنند. حسگرها برای اندازه‌گیری تقریباً هر شرایطی در محیط کار توسعه یافته‌اند. در اینجا برخی از انواع رایج حسگرها آورده شده است:

• دما (برای کنترل کوره‌ها یا فرها)
• فشار (برای نظارت بر سیستم‌های هیدرولیک یا پنوماتیک)
• لرزش (برای تشخیص عدم تعادل در موتور یا ماشین‌آلات)
• رطوبت (برای اطمینان از شرایط بهینه در برخی فرآیندهای تولید)
• نزدیکی (برای تشخیص قطعات در نوار نقاله یا پالت)
• گشتاور و نیرو (برای اطمینان از مونتاژ یا ماشین‌کاری دقیق)

امروزه حسگرها داده‌ هایی را ارائه می‌دهند که برای درک وضعیت ماشین‌ها، سلامت تجهیزات و کیفیت محصولات ضروری است. حسگرها می‌توانند داده‌ها را به‌طور مداوم یا در فواصل منظم جمع‌آوری کرده و به یک سیستم متمرکز بازخورد دهند. این داده‌ها به شما امکان می‌دهند که عملکرد ماشین و کیفیت تولید را نظارت کنید.

با نظارت مداوم بر شرایطی مانند دما، لرزش و فشار، حسگرها می‌توانند به پیش‌بینی خرابی تجهیزات قبل از وقوع آن‌ها کمک کنند و تعمیر و نگهداری کمک کنند. این امر زمان توقف و تعمیرات غیرمنتظره را به حداقل می‌رساند. حسگرها همچنین می‌توانند با پیگیری پارامترهایی مانند اندازه، وزن یا ترکیب شیمیایی، کیفیت محصول را تضمین کنند.

داده‌های جمع‌آوری شده توسط حسگرها به سیستم‌های ابری متمرکز  ارسال می‌شود تا روی آن تحلیل‌ انجام شود و به تولیدکنندگان امکان تصمیم‌گیری آگاهانه در مورد تولید و بهبود فرآیندها را بدهد.

همچنین بخوانید : فناوری آشکارساز نوری

عملگرها: دست‌های سیستم IIoT شما

پس از جمع‌آوری و ارسال داده‌ها توسط حسگرها، عملگرها نقش حیاتی در اجرای اقدامات بر اساس داده‌های دریافتی ایفا می‌کنند. عملگرها دستگاه‌هایی هستند که به سیگنال‌های کنترلی پاسخ می‌دهند و وظایف فیزیکی را انجام می‌دهند، از جمله:

• باز و بسته کردن شیر (برای کنترل جریان مایع یا گاز در یک خط لوله)
• تنظیم سرعت موتورها (برای نوار نقاله یا بازوهای رباتیک)
• روشن و خاموش کردن ماشین‌ها (برای شروع/توقف خودکار تجهیزات)
• کنترل دما (با فعال‌سازی سیستم‌های گرمایش یا سرمایش)
• حرکت بازوهای رباتیک یا تجهیزات (برای مونتاژ، جابجایی مواد یا سایر وظایف دقیق)

در یک سیستم IIoT، عملگرها مسئول خودکارسازی پاسخ‌ها به شرایط خاصی هستند که توسط حسگرها تشخیص داده می‌شود. این امر پایه‌گذار سیستم‌های کنترلی ای است که می‌توانند بدون دخالت انسان عمل کنند. به عنوان مثال، اگر یک حسگر دما دمای بیش از حد را تشخیص دهد، عملگر می‌تواند یک سیستم خنک‌کننده را بدون نیاز به مداخله دستی فعال کند. این خودکارسازی نیروی کار انسانی و احتمال خطا یا ناکارآمدی در تولید را کاهش می‌دهد و همچنین زمان پاسخ به انحرافات را تسریع می‌کند و ضایعات و زمان توقف را به حداقل می‌رساند.

عملگرها همچنین می‌توانند تنظیمات ماشین را به‌طور دینامیک انجام دهند. به عنوان مثال، بر اساس داده‌های لحظه ای، می‌توانند سرعت یا فشار یک ماشین را تغییر دهند و اطمینان حاصل کنند که فرآیند تولید به نیازهای متغیر پاسخ می‌دهد.

در تنظیمات پیشرفته‌تر IIoT، محاسبات و الگوریتم‌های مبتنی بر هوش مصنوعی از داده‌های حسگر برای اتخاذ تصمیمات خودکار استفاده می‌کنند و عملگرها را بدون نظارت انسانی فعال می‌کنند.

تعامل در IIoT

در یک سیستم IIoT معمولی، تعامل بین حسگرها و عملگرها یک چرخه مداوم از جمع‌آوری داده و پاسخ را دنبال می‌کند که اغلب به عنوان کنترل حلقه بسته شناخته می‌شود. در اینجا یک مثال آورده شده است:

1. حسگرها تغییرات را تشخیص می‌دهند: یک حسگر دما تشخیص می‌دهد که دما در یک کوره بالاتر از آستانه تعیین‌شده است.
2. داده ارسال می‌شود: حسگر این اطلاعات را  در لحظه به کنترل‌کننده ارسال می‌کند.
3. داده تحلیل می‌شود: کنترل‌کننده داده‌ها را تحلیل می‌کند و تشخیص می‌دهد که اقدام اصلاحی لازم است (به عنوان مثال، کوره در حال گرم شدن بیش از حد است).
4. عملگر اقدام می‌کند: بر اساس تحلیل، کنترل‌کننده سیگنالی به عملگری ارسال می‌کند که یک شیر را باز می‌کند تا هوای خنک‌کننده را آزاد کند یا یک سیستم خنک‌کننده را روشن کند.
5. تنظیم فرآیند: عملگر وظیفه را انجام می‌دهد و حسگر به نظارت بر فرآیند ادامه می‌دهد و داده‌ها را برای اطمینان از بازگشت دما به سطح ایمن بازخورد می‌دهد.

مزایای حسگرها و عملگرها در تولید

• افزایش بهره‌وری تولید: حسگرها و عملگرها امکان تنظیمات زمان واقعی را در فرآیندها فراهم می‌کنند و اطمینان حاصل می‌کنند که ماشین‌ها در پارامترهای بهینه عمل می‌کنند. این امر زمان توقف را به حداقل می‌رساند و تولید را به‌طور روان ادامه می‌دهد.
• نگهداری پیش‌بینانه بهبود یافته: داده‌های مداوم از حسگرها امکان تشخیص زودهنگام سایش و پارگی یا خرابی‌های قریب‌الوقوع را فراهم می‌کند و نیاز به نگهداری واکنشی را کاهش می‌دهد و خرابی‌های غیرمنتظره را به حداقل می‌رساند. عملگرها می‌توانند به‌طور خودکار فرآیندها را برای جلوگیری از آسیب به تجهیزات تنظیم کنند.
• کنترل کیفیت بهبود یافته: حسگرها معیارهای کلیدی کیفیت را پیگیری می‌کنند و عملگرها می‌توانند فرآیند را به‌طور آنی تنظیم کنند تا اطمینان حاصل شود که کیفیت محصول ثابت می‌ماند و ضایعات و زباله‌ها کاهش می‌یابد.
• انعطاف‌پذیری عملیاتی: حسگرها و عملگرها کنترل بیشتری بر روی سیستم‌های تولید فراهم می‌کنند و به آن‌ها اجازه می‌دهند به‌طور انعطاف‌پذیر به تغییرات در برنامه‌های تولید، عوامل محیطی یا حتی اختلالات زنجیره تأمین پاسخ دهند.
• کاهش هزینه: خودکارسازی از طریق حسگرها و عملگرها می‌تواند هزینه‌های نیروی کار را کاهش دهد و خطاهای انسانی را کاهش دهد. علاوه بر این، فرآیندهای بهینه‌شده منجر به کاهش ضایعات مواد می‌شود که به صرفه‌جویی در هزینه‌ها کمک می‌کند.
• تصمیم‌گیری مبتنی بر داده: با ادغام حسگرها و عملگرها با یک سیستم داده مرکزی ، تولیدکنندگان می‌توانند از تحلیل‌های لحظه ای برای اتخاذ تصمیمات آگاهانه برای بهبود کارایی و بهره‌وری استفاده کنند.

چالش‌های رایج

بیایید واقع‌بین باشیم، نگهداری یک شبکه از حسگرها و عملگرها و فناوری‌های مشابه در یک محیط تولید می‌تواند دشوار باشد. بسیاری از عوامل محیطی و جریان کار می‌توانند منجر به کاهش عملکرد شوند، حتی اگر در یک پیاده‌سازی گسترده‌تر IIoT ادغام نشده باشند.

با این حال، در سیستم‌های تولید IIoT، چندین چالش به‌طور مستقیم به ادغام حسگرها و عملگرها در شبکه صنعتی گسترده‌تر مربوط می‌شود. یکی از مسائل کلیدی، تأخیر در ارتباط و محدودیت‌های پهنای باند است. سیستم‌های IIoT به شدت به انتقال داده‌های بی درنگ و در لحظه بین حسگرها، عملگرها و سیستم‌های کنترلی وابسته هستند. تأخیر یا پهنای باند ناکافی می‌تواند انتقال داده یا پاسخ‌های عملگر را به تأخیر بیندازد که به‌ویژه در برنامه‌های حساس به زمان که واکنش سریع ضروری است، مشکل‌ساز است.

چالش دیگر، مشکلات اتصال و قابلیت اطمینان است. از آنجا که سیستم‌های IIoT معمولاً شامل ارتباطات بی‌سیم هستند (مانند Wi-Fi، LPWAN یا سایر پروتکل‌های IoT)، مشکلات اتصال مانند قطع سیگنال، پوشش ضعیف یا عدم سازگاری پروتکل می‌تواند جریان داده‌های حیاتی را مختل کند. در یک محیط شبکه‌ای، این اختلالات می‌توانند منجر به از دست رفتن خواندن‌های حسگر یا عدم رسیدن دستورات به عملگرها شوند که باعث زمان توقف یا شرایط ناایمن می‌شود.

حجم بالای داده‌های تولید شده توسط دستگاه‌های IIoT همچنین می‌تواند منجر به بارگذاری داده‌ها و چالش‌های مدیریتی شود. با ارسال مداوم داده‌ها توسط حسگرها، سیستم‌های ذخیره‌سازی و پردازش می‌توانند به سرعت تحت فشار قرار گیرند و واکنش سریع به نیازهای سیستم را دشوار کنند. این می‌تواند کارایی عملیاتی را مختل کند، تصمیم‌گیری را کند کند و تحلیل داده‌ها را پیچیده کند.

آسیب‌پذیری‌های امنیتی نیز یکی دیگر از نگرانی‌های مهم در سیستم‌های IIoT است. با افزایش ارتباط حسگرها و عملگرها، آن‌ها در معرض تهدیدات سایبری بالقوه قرار می‌گیرند. هکرها می‌توانند به شبکه دسترسی پیدا کنند تا داده‌های حسگر را دستکاری کنند یا عملگرها را کنترل کنند که خطرات جدی برای یکپارچگی داده‌ها و ایمنی فیزیکی ایجاد می‌کند.

در نهایت، سازگاری سنسور و عملگر می‌تواند هنگام ادغام دستگاه‌های تولیدکنندگان مختلف یا ارتقاء سیستم‌های قدیمی مشکل‌ساز باشد. محیط‌های IIoT به ارتباط یکپارچه بین اجزای مختلف نیاز دارند و حسگرها، عملگر ها یا پروتکل‌های ارتباطی ناسازگار می‌توانند منجر به مشکلات یکپارچه‌سازی، ناکارآمدی سیستم یا حتی خرابی در عملیات بلادرنگ شوند.

برای مقابله با این چالش‌ها، بهترین شیوه‌ها شامل استفاده از پروتکل‌های شبکه بلادرنگ، اجرای اقدامات امنیتی قوی سایبری، استفاده از محاسبات لبه ای ( یا Edge Computing به معنای پردازش داده‌ها در نزدیکی منبع داده‌ها به جای ارسال آن‌ها به یک مرکز داده یا ابر برای پردازش )  و اطمینان از سازگاری و کارکرد سیستم‌ها در سراسر شبکه IIoT است. این مراحل کمک می کند تا اطمینان حاصل شود که زیرساخت IIoT به طور قابل اعتماد و کارآمد عمل می کند.