תעשייה4.0 (Industry 4.0) הוא מושג שהומצא כדי לתאר את המהפכה התעשייתית הרביעית, עולם חדש ואמיץ בו האוטומציה של המפעל נעה מעבר למפעלי ייצור המבוקרים על-ידי מערכות טכנולוגיית המידע המקובלות ולקראת תשתית מבוססת-ענן המאפשרת אנליזה של נתונים גדולים ואת הוירטואליזציה של תהליכי הייצור. חזון זה הוא הרבה יותר מאשר רק אינטרנט של דברים (Internet of Things – IoT) ועדיין, בשעה שאולי יהיו לו שאיפות להקל על החוכמה באמצעות התנהגות קוגניטיבית דוגמת עיצוב-עצמי וייטוב אוטונומי, העיקרון הבסיסי של כל מערכת בקרה כולל משוב התלוי בחישת התנאי שלו עצמו והסביבה מסביב לו.
בקרת התנועה היא בוודאו חיונית להבטחת הפעולה הנכונה של מכונות תעשייתיות, בין אם מדובר במנועים המזינים רצועות תמסורת או זרועות רובוטיות המרכיבות רכיבים. כאן המספר העולה של יישומים הדורשים בקרה מדויקת חזה עלייה בשימוש במקודדים סיבוביים לשם קביעת המצב של צירי מנוע והכיוון, המהירות והתאוצה הסיבוביים שלהם. אמינות חשובה בבירור בסביבה ייצורית והבחירה של טכנולוגיית המקודד עשויה להיות מכרעת, כמוסבר בתוך נושא צדדי המתואר להלן.
אולם, היבט אחר של האמינות הוא בעלות הממשית ביותר של זמן השבתה בשל כשל המכונה והזמן הדרוש כדי לתקן ולחדש את קו הייצור. יש לקדם בברכה כל דבר המסייע לצפות מראש כשל העומד לקרות ו/או למזער את פרק הזמן הדרוש כדי לאבחן ולתקן פגם. תעשייה 4.0 מדמיינת מערכות ייצור גמישות העשויות לחייב עיצוב מחדש תדיר של הציוד. דבר זה, בתורו, דורש חיישנים חכמים, אשר האופי הדיגיטלי הטבעי שלהם לא רק מספק נתוני אבחון אלא גם מקל על העמדה פשוטה ומהירה, ומסייע לחסוך זמן ועלות.
איור 1. תעשייה 4.0 דורשת פתרונות חישה ובקרה חכמים
קטע צדדי: בחירה של טכנולוגיית קידוד אמינה
טכנולוגיות המקודד הסיבובי המוכרות ביותר הן אופטית ומגנטית. תכנונים אופטיים משתמשים בדיסק מחורץ עם LED מצד אחד ופוטו-טרנזיסטורים בצד הנגדי. כאשר הדיסק מסתובב, נתיב האור מנותק, והפולסים הנוצרים מורים על סיבוב וכיוון הציר. אם כי זולה ויעילה, האמינות של מקודדים אופטיים מושפעת מלכלוך, אבק ושמן המפריעים לנתיב האור, ובנוסף הבהירות של ה-LEDs תופחת במשך הזמן. מקודדים מגנטיים תלויים בשדה מגנטי במקום בקרן אור, ומשתמשים בדיסק מגנטי המסתובב מסביב למערך של חיישנים מגנטו-נגדיים. בעוד הם מציעים רמה גבוהה של עמידות, המקודדים המגנטיים אינם כה מדויקים כמו המקודדים האופטיים והוא חשוף בפני הפרעה מגנטית מהמנוע החשמלי.
קידוד קיבולי הוא גישה חילופית המציעה את היתרונות של תכנוני מקודדים אופטיים ומגנטיים ללא החולשות שלהם. טכניקה זו משתמשת בשני תבניות של פסים או קווים, אחד על מרכיב קבוע והשני על מרכיב נע, לשם יצירת קבל משתנה. כאשר המקודד מסתובב, שינויי הקווים נספרים וגם משורבבים כדי למצוא את מצב הציר וכיוון הסיבוב. היתרון של טכנולוגיה קיבולית זו הוא שאין כל אלמנט אשר יתכלה והוא חסין בפני מזהמים, דבר העושה אותה באופן טבעי יותר אמינה מאשר התקנים אופטיים. מקודדים קיבוליים מציעים גם יתרונות בביצועים הנובעים מתכונות הבקרה הדיגיטלית שלהם, כולל היכולת לכוונן את הרזולוציה של המקודד (מספר הפולסים לסיבוב) ללא צורך לעבור למקודד בעל רזולוציה גבוהה או נמוכה יותר.
כל המקודדים הסיבוביים ההפרשיים מספקים את המוצאים הדיגיטליים התקניים של אותות ניצבים של A ו-B בתוספת, במקרים מסוימים, של אות אינדקס. לגבי מקודדי קומוטציה, מוצאי ערוץ קומוטציה-מופע U, V ו-W כלולים ביחד עם אותות האינדקס, A ו-B של מקודד הפרשי. מוצאים תקניים אלה מספקים משוב בעל-ערך עבור מערכת בקרת התנועה, אך למעשה הם פשוט פועלים בתור חיישן “טיפש”. אולם, תכנון מקודד מבוסס-ASIC מאפשר בנייה של תכונות של בקרה דיגיטלית נוספת, כולל יכולות אבחון בעלות-ערך שלא היו אפשריות קודם לכן בעזרת פתרונות אנלוגיים טהורים. נתונים אלה יכולים לאשר שהמקודד פועל נכון או שמא הוא פיתח כשל או הפך ללא-מכוונן. בשעה שמידע זה עשוי לשמש כדי להודיע למפעילים אודות סוגיות אפשריות, ניתן לנצל אותו גם בצורה עצמאית יותר על-ידי המערכת כדי למנוע הפעלה של המנוע, ולמנוע על-ידי כך נזק רציני. מהנדסים יכולים גם לכלול תכונה זו לתוך רצף של הפעלה עבור מערכת או בתכניות של תחזוקה מונעת, תוך ביצוע רצף “מקודד טוב” לפני הפעלת המנוע. אמצעים אלה יכולים לסייע לביטול כשלים אפשריים ואת הסוגיה הנובעת מכך של זמן השבתה.
מאחר שהמקודד מורכב ישירות על המנוע, מידע אבחוני עשוי לגלות סוגיות נרחבות יותר בתוך מערכת בקרת המנוע, דוגמת אי-כוונוניות של הציר, שחיקה של המסבים או התדרדרות תרמית.
איור 2. משפחת המקודדים AMT של CUI משתמשת ב-ASIC כדי לספק בקרה דיגיטלית נוספת ויכולות אבחון בלתי-אפשריות עם פתרונות אנלוגיים בלבד
רישום שגרתי של נתונים אלה עשוי לספק בסיס נתונים בעל-ערך שניתן לבחון כדי לגלות מגמות ביצוע שימושיות העשויות אף לנבא כשל בטרם יתהווה. ניתוח יכול להבליט את הצורך בתחזוקה כדי לתקן בעיה עתידית לפני שקורה כשל חמור, תוך הגבלה של השפעת זמן ההשבתה הפוגע יחד עם תרומה לאמינות המערכת והארכת משך החיים של הציוד. בתוך סביבת אוטומציה של מפעל מרושת היכולת לשתף נתונים אלה והניתוח שלהם תורמים להבנה הכוללת של המערכת שה-Industry 4.0 מחפשת.
מלבד חיזוי בכוח של כשלים, אבחון בכרטיס מקל על ניפוי מהיר יותר במקרה שהכשל קורה בשדה. טכנאי תחזוקה יכול בקלות לצייד את המקודד בשגרת אבחון כדי לקבוע אם המקודד פועל בצורה נכונה או שמא הכשל נובע מאי-כיוון מכני עם ציר המנוע או מסיבה אחרת כלשהי. אם המקודד איננו פגום, ניתן לנטרל אותו כך שהטכנאי יחפש במקום אחר את מקור הבעיה. יכולת זו יכולה לבטל את התהליך המיותר, הצורך זמן והיקר של ניסוי ותיקון של ההוצאה וההחלפה לסירוגין של המקודד והמנוע. יתר על כן, אם המקודד יתגלה כפגום ויהיה צורך להחליפו, התהליך של כוונון ואיפוס של מקודד מבוקר-דיגיטלית תוך שימוש בממשק תוכנה פשוט ידרוש רק מספר שניות בהשוואה לזמן הדרוש כדי להשלים את המשימה במקודד שגרתי לא-מתכוונן. בעוד כשל בשדה הוא כישלון בלתי-נמנע ויקר של פעולות הייצור, היכולת לזהות במהירות כשל ולטפל בתיקונו ממזערת באופן ברור את זמן ההשבתה ומקטינה עלויות אלו.
אותן היכולות של בקרה דיגיטלית ואבחון התורמות לאמינות מערכת מוגברת ורזולוציה מהירה יותר של כל הבעיות יכולות גם לקצר משמעותית את מחזורי הפיתוח של המערכת. הטבע של תכנונים מורכבים משמע למרבה הצער שהפילוסופיה של “נכון בפעם הראשונה” איננה תמיד בת-ביצוע. האתגר של הקביעה מדוע משהו איננו מתפקד כמצופה הוא הרבה יותר קל בזכות היכולת לגשת למידע אבחון היכול במהירות להצביע על הבעיה ולמנוע פוטנציאלית ימים או שבועות של חקירות. דבר זה לא רק יחסוך בעלויות הפיתוח אלא גם יגרום לפתרון חסון יותר וישיג זמן קצר יותר לשיווק.
איור 3. תקשורת בין תחנת החלל ל מרכז NASA ביוסטון
CUI שימשה כחלוץ לשילוב יכולות האבחון בעזרת ה-AMT11 incremental series וה-AMT31 commutation series שלה של מקודדים סיבוביים. נתוני אבחון אלה, הנתמכים על-ידי תוכנת Viewpoint™ של AMT או השימוש בפקודות טוריות פשוטות הם זמינים מידית למתכנן המכונה ביחד עם היכולת לתכנת את רזולוציית המקודד מ-48 עד 4096 פולסים בסיבוב (pulses per revolution – ppr). מקודדים אלה של CUI הם יחידות בעלות גורם צורה קטן (קוטר של רק 37 ממ’ ועובי של 10 ממ’) הפועלות מספק כוח יחיד של +5V ומציעות אופציות של מוצאים מוארקים או הפרשיים עם כיווני חיבור ציריים או רדיאליים. הביצועים החסונים של מקודדי AMT אלה מוגברים גם על-ידי תחום טמפרטורה בין -400C עד 1050C.
Industry 4.0 אמור להיות אולי חזון העתיד עבור האוטומציה התעשייתית והמידע, החלוקה והבקרה רחב-מפעליים, אך צעד ראשון חיוני לאורך נתיב זה הוא החשיפה של התקני חישה ובקרה חכמים דוגמת המקודד AMT המספק מידע אבחון חיוני אל המערכת. בשעה שזמינות נתונים כגון אלה לא תבטל כליל את כשלי המכונות ואת זמן ההשבתה של המערכת, היא תסייע להקטנת יצירת הבעיות ותשפר את מהירות ההתאוששות.
Jeff Smoot,
VP of Application Engineering and Motion Control, CUI
