פריסת תחזוקה חזויה עבור השגת התועלת המרבית במתקני Industry 4.0‏

תחזוקה חזויה (PdM) הממנפת ניתוח נתונים ולמידת מכונה (ML) היא קריטית עבור Industry 4.0‏ משום שהיא מאפשרת ניהול ציוד פרואקטיבי, אופטימיזציה של הנצילות, תזמון תחזוקה ומזעור זמן השבתה כדי לתמוך בקיימות מוגברת. איסוף נתונים מדויק ובזמן הוא המפתח לפריסה מוצלחת של PdM.

גם הנתונים צריכים להיות שלמים. ספקי כוח יכולים לנטר מתח DC‏ (_DC‏V‏) וזרם DC‏ (_DC‏I‏), זרם שיא (_PEAK‏I‏), זמן פעולה וזמן החלפה. יש צורך במנטרי מצבי מנועים כדי לבדוק רעידות, טמפרטורה, זרם ועמידות בידוד (תקלת הארקה).

מנטרי מצב תרמיים נדרשים עבור מגוון של התקנים כמו פאנלי בקרה למתח גבוה, שנאי הספקת-כוח, ציוד הידראולי, מנועים ומיסבים, תיבות הילוכים ועוד. כל ספקי הכוח, המנועים והמנטרים התרמיים הללו זקוקים לחיבוריות Ethernet/IP או Modbus TCP כדי לשלוח את הנתונים לניתוח בזמן-אמת.

מאמר זה מתחיל בסקירה קצרה של PdM, יתרונותיו הרבים וכיצד הוא יכול להשתלב בארכיטקטורות מערכות Industry 4.0. לאחר מכן הוא צולל לעומק לתוך מספר התקני ותוכנות PdM‏ המוצעים על ידי Omron‏. המאמר מסכם בבחינת כיצד להשתמש בבינה מלאכותית (AI) כדי למטב ביצועי PdM‏.

PdM היא אחת משלוש הגישות לתחזוקת ציוד ומתקנים. מבחינת איזון בין עלויות סביבתיות לעסקיות, הוא נמצא בין תחזוקה תגובתית לתחזוקה מונעת (איור 1). אחד הגורמים בבחירה בין שלוש הגישות הוא החשיבות היחסית המיוחסת לעלויות סביבתיות ועסקיות.

איור 1: PdM‏ נמצא בין תחזוקה מונעת ותחזוקה תגובתית ומעניק איזון בין שיקולים עסקיים ושיקולים סביבתיים. (מקור התמונה: Omron)

תחזוקה תגובתית ממתינה להתרחשות תקלות, ואז מטפלת בהן, מה שמגדיל הן את העלויות הסביבתיות והן את העלויות העסקיות. תחזוקה מונעת נותנת עדיפות לעלויות סביבתיות מינימליות על ידי שימוש בבדיקות ידניות תקופתיות לזיהוי תקלות צפויות, אך עלולה לגרום להשבתה רבה מדי של הציוד ולהוצאות עסקיות גבוהות. תחזוקה מונעת‏ נחשבת לסוג נוסף של תחזוקה תגובתית שבה הגורם המניע הוא לוח זמנים קבוע מראש, ושרירותי במידה מסוימת, ולא כשל מוחלט בציוד.

הזמינות של חיישנים מתקדמים והופעתם של כלי AI‏ ו-ML‏ אפשרו את פיתוח PdM אשר פורס טכנולוגיה לאיזון בין עלויות סביבתיות ועסקיות.

מידרגי וגמיש

PdM אינו אפשרות מסוג "גודל אחד מתאים לכול". הוא מידרגי וגמיש וניתן לפרוס אותו עבור פריט ציוד יחיד קריטי-לארגון, עבור מספר פריטי ציוד, או על פני מתקן שלם באמצעות ניטור מרכזי. זה מאפשר לארגונים להתחיל בקטן ולהרחיב את פריסת ה-PdM לאורך זמן, ובכך למזער את ההפרעות בעת שיפוץ מתקנים קיימים.

פתרונות מידרגיים נתמכים על ידי מגוון רכיבים תואמים כמו חיישנים, יחידות ניטור ובקרים שניתן להוסיף לפי הצורך. השימוש בפרוטוקולי תקשורת תעשייתית כמו Ethernet/IP ו-Modbus TCP מפשט את האינטגרציה עם מערכות קיימות ותומך בפונקציות משופרות כמו ניטור מרחוק של מספר התקנים בו-זמנית.

פתרונות תוכנה מידרגיים זמינים עבור ניתוח נתונים וניהול התקנים ממרכז בקרה ראשי במשרד או ממיקומים שונים ברחבי רצפת המפעל.

ניתן לשלב פתרונות אלה עם ציוד קיים ללא שיפוצים גדולים, ובכך לשפר את הגמישות. ניתן למטב אותם כמעט לכל תעשייה, כולל מזון ומשקאות, רכב, ייצור מכשור רפואי, מוליכים-למחצה ואלקטרוניקה, צבא ותעופה וחלל, לוגיסטיקה ואחסנה ועוד.

גמישות זו נתמכת על ידי מגוון רחב של התקני PdM, כולל פתרונות לניטור הספקת-הכוח, מצב המנועים (זרם, רעידות, טמפרטורה, התנגדות בידוד) ומצב תרמי. בנוסף, בלוקים פונקציונליים (FBs‏) סטנדרטיים של תוכנה זמינים עבור איסוף נתונים, תקשורת, עיבוד וניתוח נתונים, הגדרת התרעות ושליחת הודעות, רישום ודיווח נתונים, ויישום ניתוח PdM מותאם-במיוחד מבוסס AI‏ ו-ML‏.

ניטור מצב מחליף חיישנים פשוטים

גורם מבדיל מרכזי בין PdM לגישות אחרות הוא השימוש בבקרי ניטור מצב במקום בחיישנים פשוטים כדי לעקוב אחר ביצועי הציוד ולאפשר תחזוקה יזומה. כמו חיישנים, מנטרי מצב ממוקמים בצמוד לציוד שאחריו הם עוקבים.

עם זאת, בעוד שניתן לפרוס חיישנים באמצעות פרוטוקולים פשוטים יחסית כמו IO-Link, מנטרי מצב דורשים חיבוריות מתוחכמת יותר כמו EtherNet/IP או Modbus TCP. מנטרי מצב יכולים לבצע עיבוד נתונים מקומי ולעתים קרובות כוללים תצוגות סטטוס שאינן קשורות בדרך כלל לחיישנים.

ניתן לחבר את מנטרי המצב באמצעות מרכז תקשורת אחד או יותר להתקנים ברמה גבוהה יותר כמו ממשקי אדם-מכונה (HMI) היכולים לספק מיקום מרכזי להצגת נתונים, או לבקרי לוגיקה ניתנים-לתכנות (PLC) או מערכות ניטור מרכזיות עם כלי ניתוח נתונים מקיפים יותר, כולל AI‏ ו-ML‏ (איור 2).

איור 2: ניתן לפרוס את חבילת פתרונות PdM של Omron בנפרד כדי לנטר נכסים קריטיים, כאשר מתחילים בקטן ולאחר מכן גדלים בהדרגה כדי להגיע לאתרי ייצור או לוגיסטיקה שלמים לקבלת פתרונות מקיפים. (מקור התמונה: Omron)

נצלול עמוק יותר

Omron מציעה מבחר של התקני ותוכנות PdM. לדוגמה, ספקי הכוח החכמים המחוברים לרשת Ethernet‏ S8VK-X מודדים מספר היבטי ביצועים, כולל Vout ו-Iout עבור ניטור צריכת אנרגיה, ו-_PEAK‏I‏ לזיהוי מצבי עומס-יתר פוטנציאליים.

ספקי כוח אלה מודדים את שעות הפעולה בפועל. הם גם מעריכים את תוחלת החיים הנותרת של קבלים אלקטרוליטיים באמצעות משוואת Arrhenius‏, הקובעת כי תוחלת החיים של קבל מתקצרת בערך בחצי עבור כל עלייה בטמפרטורה של C‏°‏10‏, בשילוב עם טמפרטורות הפעולה למעשה, ומציגים את התוצאות כשנים או כאחוז מאורך החיים הנותר.

ספקי הכוח S8VK-X זמינים בהספקים של W‏ 30‏ עד W‏ 480‏ ועם מתחי יציאה של _DC‏V‏ 5‏, _DC‏V‏ 12‏ ו-_DC‏V‏ 24‏. הם מוצעים גם עם צג משולב כמו דגם S8VK-X48024A-EIP‏ המדורג עבור _DC‏V‏ 24‏ ו-W‏ 480‏, או ללא צג משולב כמו דגם S8VK-X03005-EIP‏ המדורג עבור _DC‏V‏ 5‏ ו-W‏ 30‏.

ניטור מצב מנוע חשמלי הוא היבט חשוב של PdM, ומנטרי תחזוקת מנועים K6CM‏ של Omron מתאימים עבור כל סוגי משאבות המים, בנוסף למנועים בחימום, אוורור ומיזוג אוויר (HVAC), חקלאות, מדרגות נעות ומרבית יישומי מנועים חשמליים האחרים.

קיימים מנטרי תחזוקת מנועים עבור ניטור טמפרטורה, התנגדות בידוד וזרם מנוע. קיימים דגמים עבור מתחי כניסה של 100 עד _AC‏V‏ 240 תלת-פאזי או _DC‏V‏/_AC‏V‏ 24‏.

ניתן לנטר רעידות וטמפרטורה באמצעות ה-K6CM-VBMD-EIP‏ הפועל ממתח _DC‏/_AC‏V‏ 24‏. כל מנטרי הטמפרטורה פועלים עם חיישן הרעידות והטמפרטורה K6CM-VBS1‏, המורכב בראש חיישן הממוקם על המנוע וקדם-מגבר המחבר בין החיישן למנטר.

ניתן לנטר את בריאות התנגדות הבידוד באמצעות ה-K6CM-ISMD-EIP הפועל מ-_DC‏/_AC‏V‏ 24‏ יחד עם שנאי זרם אפס (ZCT‏) K6CM-ISZBI52‏ וחיישן מעבר התנגדות בידוד (IRT‏). פונקציית ZCT מודדת את זרם הזליגה במעגל מנוע תלת-פאזי, בעוד שפונקציית IRT מודדת את התנגדות הבידוד בין ליפופי המנוע להארקה.

ניתן לנטר את מצב מנועי אינדוקציה תלת-פאזיים גם באמצעות חיישן K6CM-CIMA-EIP‏ הפועל מ-_AC‏V‏ 100‏ עד _AC‏V‏ 240‏, ביחד עם חיישן הזרם K6CM-CICB400‏ המדורג עבור A‏ 400‏. דגמים אחרים של חיישני זרם זמינים מ-A‏ 5‏ עד A‏ 600‏.

מנטרי אלה משתמשים בטכנולוגיית דיאגנוסטיקת זרם השלמה של Omron. הם יכולים לגלות חריגות כמו היווצרות חללים או זיהום אוויר על ידי כימות הסטייה בין גל סינוס אידיאלי לבין צורת הגל הנמדד. מצבים כמו סטיות-יישור, אי-איזון בעומס או הידבקות של חומרים זרים נבדקים על ידי ניתוח רכיבי התדר של צורת הגל של הזרם הנמדד.

מערכת ניטור המצב התרמי K6PM‏ יכולה לשמש עבור מימוש PdM במגוון של ציוד תעשייתי, כגון פאנלי בקרה במתח גבוה, שנאים, ציוד הידראולי, מרכזי נתונים, מיסבים, תיבות הילוכים וכן הלאה. הוא כולל את בקר הדימות התרמי K6PM-THS3232‏ ואת חיישן הדימות התרמי אינפרה-אדום (IR‏) K6PM-THMD-EIP‏ היכולים לנטר טמפרטורות מ-C‏°‏0‏ עד C‏ִ°‏200‏+.

בקר תרמי K6PM יחיד יכול לנטר עד 31 חיישני IR‏. תוכנת ניטור המחשב החינמית כוללת אלגוריתמים לגילוי טמפרטורה חריגה והתרעות טמפרטורה בשלוש רמות. התוכנה תומכת גם בספי התרעה המוגדרים על ידי המשתמש.

איור 3: הפונקציות העיקריות של היצע ה-PdM של Omron כוללות ספקי-כוח חכמים, ובנוסף ניטור תרמי ומצב מנוע והחיישנים הקשורים. (מקור התמונה: Omron)

הוספת PdM AI בקצה

ספריית ה-AI PdM של Omron היא אחת מרכיבי פונקציות התוכנה של ספריית Sysmac עבור שימוש ביכולות ה-AI של בקרי אוטומציה עם מכונות בינה מלאכותית (AI) סדרת NX/NY. ספריית AI PdM כוללת קובצי FB עבור כל מנגנון (התקנים ורכיבים כמו צילינדר, בורג כדורי או גלגלת (Pulley‏) חגורה).

המשתמשים יכולים ליצור ולשלב קובצי FB מותאמים-במיוחד בצורה של בלוקי קוד לשימוש חוזר כדי לממש פונקציות PdM מותאמות-במיוחד. ניתן להשתמש ב-FBs‏ מותאמים-במיוחד עבור:

• פיתוח אלגוריתמים ספציפיים-ליישום
• ממשק עם מגוון רחב יותר של חיישנים או ציוד אחר עבור איסוף נתונים
• עיבוד נתונים מותאם-במיוחד התואם לאסטרטגיות מימוש PDM‏ ספציפיות

ה-FBs‏ מייצרים משתנים המשמשים ככניסות עבור מנוע AI‏ בבקרי NX/NY. מנוע ה-AI‏ מנתח את הנתונים שנאספו במסד נתונים של סדרות זמנים לצורך איתור דפוסים או התנהגויות חריגות בציוד. מנוע ה-AI‏ השלם מתוכנן לפעול באופן אוטונומי בתוך בקר AI‏.

בקרי AI‏ עבור PdM

בקרי AI‏ סדרת NX/NY של Omron כוללים את ה-NX701-Z700‏, היכול ליישם PdM AI מבלי להתחבר לענן. ה-NX701 יכול לבקר עד 256 צירי תנועה בתוכנית אחת, מה שמפחית את עלויות ההתקנה ומפשט את תכנון התוכניות, האימות ובקרת הגרסות.

הוא כולל נקודות-חיבור תקשורת משולבות של Ethernet/IP ו-EtherCAT. זה נותן למתכנני רשתות בקרה תעשייתיות את האפשרות למנף את ה-EtherNet/IP עבור גודל נתוני מנות (Packet‏) גדול יותר ואת ה-EtherCAT עבור אספקת מנות (Packet‏) מובטחת לתמיכה בתנועה דטרמיניסטית. זיכרון התוכנית בנפח MB‏ 80‏ יכול לתמוך במספר רב של רכיבי FB כמו גם בספריית PdM‏ AI‏ של Omron‏ (איור 4‏).

איור 4: ה-NX701-Z700 יכול לממש PdM AI מבלי להתחבר לענן, והוא יכול לבקר עד 256 צירי תנועה בתוכנית אחת. (מקור התמונה: Omron)

מאפיינים נוספים של בקר AI‏ NX701-Z700 כוללים:

• אינטגרציה של "הכנסה-והפעלה" עם יותר מ-120 יחידות כניסה/יציאה (I/O‏) NX
• סביבת תוכנה מקיפה הכוללת Sysmac Studio, Omron Vision, Omron Motion, Omron Robotics ו-Omron Safety Components
• תמיכה במספר פרוטוקולי תקשורת תעשייתית, כולל EtherNet/IP‏, EtherCAT‏, Fail Safe Over EtherCAT‏, IO-Link‏, ו-Factory Scale Motion‏.
• זמני מחזור EtherCAT מובטחים מ-ms‏ 0.125‏ עד ms‏ 0.250‏ באינקרמנטים של ms‏ 0.125‏, ומ-ms‏ 0.250‏ עד ms‏ 8‏ באינקרמנטים של ms‏ 0.250‏.

סיכום

PdM היא פרדיגמה חדשה עבור אופטימיזציה של האיזון בין שיקולים סביבתיים ועסקיים במפעלים ובפעולות לוגיסטיקה Industry 4.0. הוא ממנף חיישנים מתקדמים, מסדי נתונים של סדרות זמנים ו-PLC עם AI‏ קצה כדי לנטר ברציפות את הביצועים והתקינות של הציוד, לחזות כשלים פוטנציאליים ולתזמן תחזוקה באופן יזום.

ניטור ותחזוקה שוטפים המבוססים על תובנות PdM מסייעים בזיהוי וטיפול בבעיות פוטנציאליות בשלב מוקדם, מונעים בלאי מוקדם ומאריכים את תוחלת החיים של הנכסים. PdM מסייע למקסם את זמן הפעולה של הציוד, להפחית בזבוזים ולשפר את היעילות התפעולית. לבסוף, PdM הוא גמיש ומידרגי ביותר, וארגון יכול לפרוס PdM ברחבי מתקן במהירות או בהדרגה ועדיין להשיג שיפורי ביצועים משמעותיים וחיסכון בעלויות.

קריאה מומלצת:

1. שיפור הבטיחות והזמינות במפעלי Industry 4.0
2. שימוש בפלטפורמה מאוחדת של אבטחת סייבר לתמיכה בחיבוריות Industry 4.0 מקיפה
3. תמיכה בהתאמה-מיוחדת מסיבית, איכות גבוהה ותפעול בר-קיימא במפעלי Industry 4.0
4. אופטימיזציה של ארכיטקטורות תקשורת Industry 4.0 באמצעות רכזות I/O‏ וממירים רבי-פרוטוקולים
5. כיצד להתקין, לחבר ולשלב במהירות VSDs חד-צירים בתוך מערכות אוטומציה Industry 4.0