ما يحتاج مصنعو المعدات الأصلية ومهندسو التصميم إلى معرفته حول المحركات والمحركات الكهربائية وأجهزة التحكم.

سواءً كان المصممون يعملون على تحسين آلة تعتمد على الحركة أو بناء آلة جديدة، فمن الضروري أن يبدأوا بالتحكم في الحركة. عندها يمكنهم تطوير التصميم بناءً على أفضل طريقة لتحقيق أتمتة فعالة وكفؤة.

ينبغي تصميم وبناء الآلات التي تعتمد على الحركة بما يتناسب مع وظائفها الأساسية. فعلى سبيل المثال، بالنسبة لآلة طباعة تعتمد على مجموعة محددة من تطبيقات اللف، سيركز المصممون على الأجزاء الحيوية ويطورون باقي أجزاء الآلة بما يدعم الوظائف الأساسية.

يبدو هذا كأساسيات هندسة التصميم، ولكن مع ضغوط سرعة طرح المنتج في السوق، وتقسيم فرق العمل تقليديًا إلى أقسام ميكانيكية وكهربائية وبرمجية، يسهل على التصميم أن يعود إلى عملية خطية إلى حد كبير. مع ذلك، يتطلب التصميم مع مراعاة التحكم في الحركة منهجًا ميكاترونيكيًا يشمل تطوير المفاهيم الأولية، وتحديد بنية النظام ومنهجية الآلة، واختيار واجهة الاتصال وبنية البرمجيات.

فيما يلي بعض الجوانب الأساسية للمحركات، والمحركات، وأجهزة التحكم، والبرمجيات التي يجب على المهندسين مراعاتها منذ بداية كل مشروع تصميم آلة لتقليل أوجه القصور والأخطاء والتكاليف مع تمكين مصنعي المعدات الأصلية من حل مشاكل العملاء في وقت أقل.

【عملية التصميم】

عادةً ما يركز المهندسون جهودهم الهندسية على كيفية ومكان حركة الأجزاء، لا سيما عند تطوير آلات مبتكرة. ورغم أن عمليات التصميم المبتكرة تستغرق وقتاً طويلاً، إلا أنها غالباً ما تحقق أعلى عائد على الاستثمار، خاصةً إذا استخدمت الفرق أحدث تقنيات الهندسة الافتراضية والتصاميم المعيارية.

الخطوة الأولى عند تطوير آلة من الصفر هي تحديد الوظائف الأساسية لهذه الآلة. قد يكون الهدف تصميم آلة سهلة التنظيف، قليلة الصيانة، أو عالية الدقة. يجب تحديد التقنية التي ستوفر الوظيفة أو الأداء أو مستوى الصيانة المطلوب.

كلما زادت تعقيد المشكلة التي تحتاج إلى حل، كلما صعب تحديد الوظائف الأكثر أهمية. لذا، يُنصح بالتعاون مع مورد متخصص في أنظمة الأتمتة التي تركز على الحركة، حيث يمكنه المساعدة في تحديد التفاصيل الأساسية واختيار النهج الأمثل.

ثم اسأل: ما هي الوظائف الأساسية للجهاز؟ بالعودة إلى مثال آلة الطباعة السابق، فإن أدوات التحكم في الشد والاستشعار المستخدمة لفك المادة المراد الطباعة عليها هي أدوات قياسية إلى حد كبير. في الواقع، حوالي 80% من مهام الآلة الجديدة هي عبارة عن تعديلات على مهام الآلات السابقة.

يُقلل استخدام الأجهزة المعيارية وبرمجة التعليمات البرمجية لتلبية المتطلبات الهندسية للوظائف القياسية بشكل كبير من حجم موارد التصميم اللازمة لإنجاز المشروع. كما أنه يعتمد على وظائف مجربة وموثوقة، مما يزيد من الموثوقية ويُمكّنك من التركيز على الجوانب الأكثر تعقيدًا في التصميم.

إن العمل مع شريك متخصص في التحكم بالحركة قادر على توفير وظائف قياسية باستخدام أجهزة وبرامج معيارية يعني أنه يمكنك التركيز على الميزات ذات القيمة المضافة التي تميز منتجك عن منتجات المنافسين.

في مشروع تصميم نموذجي، يقوم مهندسو الميكانيكا ببناء هيكل الآلة ومكوناتها الميكانيكية؛ ويضيف مهندسو الكهرباء الإلكترونيات، بما في ذلك المحركات والأسلاك وأجهزة التحكم؛ ثم يكتب مهندسو البرمجيات الشفرة البرمجية. في كل مرة يحدث خطأ أو مشكلة، يضطر فريق المشروع إلى التراجع وتصحيحها. يُهدر الكثير من الوقت والجهد في عملية التصميم لإعادة تصميم الآلة بناءً على التغييرات أو الأخطاء. لحسن الحظ، أصبح تصميم الآلات باستخدام برامج التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) والتخطيط والتصميم المنعزلين من الماضي تقريبًا.

تتيح الهندسة الافتراضية اليوم للفرق تصميم كيفية عمل الآلات باستخدام مسارات متوازية متعددة، مما يقلل بشكل كبير من دورة التطوير ووقت طرح المنتج في السوق. ومن خلال إنشاء توأم رقمي (تمثيل افتراضي للآلة)، يمكن لكل قسم العمل بشكل مستقل وتطوير الأجزاء وأنظمة التحكم بالتزامن مع بقية الفريق.

يُمكّن التوأم الرقمي المهندسين من اختبار تصاميم مختلفة للآلة وتقنياتها بسرعة. على سبيل المثال، قد تتطلب عملية ما تغذية الآلة بالمواد حتى يتم جمع الكمية المطلوبة ثم تقطيعها؛ وهذا يعني ضرورة إيجاد طريقة لإيقاف التغذية عند الحاجة إلى تقطيع المواد. هناك عدة طرق للتعامل مع هذا التحدي، وكلها قد تؤثر على طريقة عمل الآلة ككل. يُسهّل التوأم الرقمي تجربة حلول مختلفة أو تغيير مواقع المكونات لمعرفة تأثير ذلك على العمليات، مما يؤدي إلى نماذج أولية أكثر كفاءة وأقل تكلفة.

تتيح الهندسة الافتراضية لفرق التصميم رؤية كيفية عمل الآلة بأكملها ومفاهيمها المتداخلة معًا لتحقيق هدف أو أهداف معينة.

【اختيار البنية الطوبولوجية】

تُضفي التصاميم المعقدة ذات الوظائف المتعددة، ومحاور الحركة المتعددة، والحركة متعددة الأبعاد، وسرعة الإنتاج والإنتاجية العالية، مزيدًا من التعقيد على بنية النظام. ويعتمد اختيار نظام التشغيل الآلي المركزي القائم على وحدة التحكم، أو نظام التشغيل الآلي اللامركزي القائم على المحركات، على الآلة المراد تصميمها. وتؤثر وظائف الآلة، سواءً العامة أو المحلية، على اختيار البنية المركزية أو اللامركزية. كما يؤثر حجم الخزانة، وحجم الآلة، والظروف المحيطة، وحتى وقت التركيب، على هذا القرار.

الأتمتة المركزية. أفضل طريقة لتحقيق تحكم منسق في حركة الآلات المعقدة هي الأتمتة القائمة على وحدة التحكم. عادةً ما تُرسل أوامر التحكم في الحركة إلى محولات سيرفو محددة عبر ناقل بيانات قياسي يعمل في الوقت الحقيقي مثل EtherCAT، وتقوم هذه المحولات بتشغيل جميع المحركات.

باستخدام أنظمة الأتمتة القائمة على وحدات التحكم، يمكن تنسيق عدة محاور حركة لأداء مهمة معقدة. يُعد هذا التصميم مثاليًا إذا كانت الحركة هي جوهر الآلة، وكان من الضروري مزامنة جميع أجزائها. على سبيل المثال، إذا كان من الضروري أن يكون كل محور حركة في مكان محدد لوضع ذراع الروبوت في الموضع الصحيح، فمن المرجح أن تختار أنظمة الأتمتة القائمة على وحدات التحكم.

الأتمتة اللامركزية. مع الآلات ووحدات الآلات الأكثر صغرًا، قلل التحكم اللامركزي في الحركة أو ألغى الحمل على أنظمة التحكم في الآلات. فبدلاً من ذلك، تتولى محركات العاكس الأصغر حجمًا مسؤوليات التحكم اللامركزي، ويقوم نظام الإدخال/الإخراج بتقييم إشارات التحكم، وتشكل ناقلة اتصال مثل EtherCAT شبكة متكاملة.

يُعدّ التشغيل الآلي اللامركزي مثاليًا عندما يتولى جزءٌ من الآلة مسؤولية إنجاز مهمةٍ ما دون الحاجة إلى إرسال تقارير دورية إلى وحدة التحكم المركزية. فبدلًا من ذلك، يُنفّذ كل جزء من الآلة مهامه بسرعة واستقلالية، ولا يُرسل تقريرًا إلا بعد إتمام مهمته. وبفضل قدرة كل جهاز على معالجة حمولته الخاصة في هذا الترتيب، تستفيد الآلة ككل من قوة معالجة موزعة أكبر.

التحكم المركزي واللامركزي. على الرغم من أن الأتمتة المركزية توفر التنسيق، واللامركزية توفر قدرة معالجة موزعة أكثر كفاءة، إلا أن الجمع بينهما قد يكون الخيار الأمثل في بعض الأحيان. يعتمد القرار النهائي على المتطلبات الشاملة، بما في ذلك الأهداف المتعلقة بما يلي: التكلفة/القيمة، الإنتاجية، الكفاءة، الموثوقية على المدى الطويل، ومواصفات السلامة.

كلما ازداد تعقيد المشروع، ازدادت أهمية وجود شريك هندسي متخصص في أنظمة التحكم بالحركة، قادر على تقديم المشورة بشأن مختلف جوانبه. عندما يُقدّم مُصنّع الآلات الرؤية، ويُوفّر شريك الأتمتة الأدوات، عندها فقط يُمكن الحصول على الحل الأمثل.

【شبكات الأجهزة】

يُعدّ إنشاء اتصال سلس ومستقبلي خطوة أساسية في تصميم أنظمة التحكم بالحركة. ويُعتبر بروتوكول الاتصال بنفس أهمية موقع المحركات ووحدات التحكم، لأنه لا يقتصر على وظائف المكونات فحسب، بل يشمل أيضاً كيفية ربطها.

يُقلل التصميم الجيد من عدد الأسلاك والمسافة التي يجب أن تقطعها. على سبيل المثال، يمكن استبدال مجموعة من 10 إلى 15 سلكًا متصلة بمحطة طرفية بعيدة بكابل إيثرنت باستخدام بروتوكول اتصال صناعي مثل EtherCAT. الإيثرنت ليس الخيار الوحيد، ولكن أيًا كان الخيار الذي تستخدمه، تأكد من توفر أدوات أو ناقلات الاتصال المناسبة، لتتمكن من استخدام البروتوكولات الشائعة. اختيار ناقل اتصال جيد ووضع خطة لكيفية تنظيم كل شيء يُسهّل عمليات التوسع المستقبلية بشكل كبير.

ركّز منذ البداية على تصميم جيد للجزء الداخلي من الخزانة. على سبيل المثال، تجنّب وضع مصادر الطاقة بالقرب من المكونات الإلكترونية التي قد تتأثر بالتداخل المغناطيسي. قد تُولّد المكونات ذات التيارات أو الترددات العالية تشويشًا كهربائيًا في الأسلاك. لذا، احرص على إبقاء المكونات ذات الجهد العالي بعيدة عن المكونات ذات الجهد المنخفض لضمان أفضل أداء. بالإضافة إلى ذلك، تأكد من أن شبكتك مُصنّفة وفقًا لمعايير السلامة. إذا لم تكن كذلك، فستحتاج على الأرجح إلى وصلات أمان سلكية احتياطية، بحيث إذا تعطل جزء ما، يكتشف العطل تلقائيًا ويتفاعل معه.

مع ازدياد انتشار إنترنت الأشياء الصناعي (IIoT)، يُنصح بإضافة وظائف متقدمة قد لا تكون أنت أو عملاؤك مستعدين لاستخدامها بعد. إن دمج هذه الإمكانيات في الجهاز يُسهّل عملية ترقيته لاحقاً.

【برمجة】

تشير تقديرات القطاع إلى أنه لن يطول الوقت قبل أن يضطر مصنّعو المعدات الأصلية إلى تخصيص ما بين 50 و60% من وقت تطوير آلاتهم للتركيز على متطلبات البرمجيات. هذا التحول من التركيز على الجوانب الميكانيكية إلى التركيز على واجهة المستخدم يضع مصنّعي الآلات الصغار في وضع تنافسي غير مواتٍ، ولكنه قد يُتيح أيضاً فرصاً متكافئة للشركات الراغبة في تبني البرمجيات المعيارية والبروتوكولات المفتوحة الموحدة.

يمكن لكيفية تنظيم البرمجيات أن توسع أو تحد من قدرات الآلة الحالية والمستقبلية. ومثل الأجهزة المعيارية، تُحسّن البرمجيات المعيارية سرعة وكفاءة بناء الآلات.

على سبيل المثال، لنفترض أنك تصمم آلة وتريد إضافة خطوة إضافية بين مرحلتين. إذا كنت تستخدم برمجيات معيارية، يمكنك ببساطة إضافة مكون دون الحاجة إلى إعادة البرمجة أو إعادة كتابة الكود. وإذا كان لديك ستة أقسام تؤدي جميعها نفس الوظيفة، يمكنك كتابة الكود مرة واحدة واستخدامه في جميع الأقسام الستة.

لا يقتصر الأمر على كون التصميم أكثر كفاءة باستخدام البرمجيات المعيارية، بل يتيح أيضًا للمهندسين توفير المرونة التي يتطلع إليها العملاء. على سبيل المثال، لنفترض أن العميل يريد آلةً تُشغّل منتجات بأحجام مختلفة، وأن الحجم الأكبر يتطلب تغييرًا في طريقة عمل أحد أقسامها. باستخدام البرمجيات المعيارية، يمكن للمصممين ببساطة استبدال هذا القسم دون التأثير على باقي وظائف الآلة. يمكن أتمتة هذا التغيير لتمكين الشركة المصنعة الأصلية، أو حتى العميل، من التبديل بسرعة بين وظائف الآلة. لا حاجة لإعادة البرمجة لأن الوحدة موجودة بالفعل في الآلة.

بإمكان مصنّعي الآلات تقديم آلة أساسية قياسية مع ميزات اختيارية لتلبية المتطلبات الفريدة لكل عميل. كما أن تطوير مجموعة من الوحدات الميكانيكية والكهربائية والبرمجية يُسهّل عملية تجميع الآلات القابلة للتخصيص بسرعة.

لتحقيق أقصى كفاءة من البرمجيات المعيارية، من الضروري اتباع معايير الصناعة، خاصةً عند التعامل مع أكثر من مورد. فإذا لم يلتزم موردو المحركات والمستشعرات بمعايير الصناعة، فلن تتمكن هذه المكونات من التواصل فيما بينها، وستُهدر جميع مزايا المعيارية في محاولة فهم كيفية توصيل الأجزاء.

بالإضافة إلى ذلك، إذا كان عميلك يخطط لربط تدفق البيانات بشبكة سحابية، فمن الضروري إنشاء أي برنامج باستخدام بروتوكولات قياسية في الصناعة، حتى يتمكن الجهاز من العمل مع الأجهزة الأخرى والتفاعل مع الخدمات السحابية.

يُعدّ كلٌّ من OPC UA وMQTT من أكثر بنى البرمجيات القياسية شيوعًا. يُمكّن OPC UA من التواصل شبه الفوري بين الآلات ووحدات التحكم والحوسبة السحابية وغيرها من أجهزة تكنولوجيا المعلومات، وهو أقرب ما يكون إلى بنية اتصالات متكاملة. أما MQTT فهو بروتوكول مراسلة أخف وزنًا خاص بإنترنت الأشياء الصناعية، يُمكّن تطبيقين من التواصل فيما بينهما. ويُستخدم غالبًا في منتج واحد، حيث يسمح، على سبيل المثال، لجهاز استشعار أو محرك أقراص بسحب المعلومات من المنتج وإرسالها إلى الحوسبة السحابية.

【الاتصال السحابي】

لا تزال الآلات المتصلة ذات الحلقات المغلقة تشكل الغالبية، لكن المصانع المتصلة بالكامل بشبكة الحوسبة السحابية تشهد رواجاً متزايداً. قد يُسهم هذا التوجه في رفع مستوى الصيانة التنبؤية والإنتاج القائم على البيانات، وهو التغيير الرئيسي القادم في برمجيات المصانع؛ ويبدأ بالاتصال عن بُعد.

تقوم المصانع المتصلة بشبكة الحوسبة السحابية بتحليل البيانات من مختلف العمليات وخطوط الإنتاج وغيرها، لإنشاء تمثيلات أكثر شمولاً لعملية الإنتاج. وهذا يُمكّنها من مقارنة فعالية المعدات الإجمالية (OEE) لمختلف مرافق الإنتاج. وتتعاون الشركات المصنعة للمعدات الأصلية الرائدة مع شركاء موثوقين في مجال الأتمتة لتقديم آلات جاهزة للعمل على الحوسبة السحابية مزودة بإمكانيات معيارية للصناعة 4.0، قادرة على إرسال البيانات التي يحتاجها المستخدمون النهائيون.

بالنسبة لمصنعي الآلات، فإن استخدام أتمتة التحكم في الحركة واتباع نهج شامل ومتكامل للعمليات لجعل مصانع أو شركات العملاء أكثر كفاءة سيؤدي بالتأكيد إلى كسب المزيد من الأعمال.