به روز رسانی 25 اردیبهشت 1400
چالش ها و مزایای سیستم های تولید کنترل فرآیند شبکه: ادغام در سیستم های تجاری در صنعت 4.0
شبکه سازی سیستم های کنترل فرآیند تولید می تواند منجر به مزایای بهره وری ، افزایش بهره وری و استفاده بهتر از امکانات شود که منجر به کاهش هزینه کالاها (CoG) شود. علاوه بر این ، ادغام سیستم های تولیدی با سیستم های اجرای ساخت (MES) به سمت بالا با سیستم کسب و کار برنامه ریزی منابع سازمانی (ERP) ، کارایی کلی سازمان را بهبود می بخشد. یک سیستم ERP امکان بهینه سازی منابع تولید سخت افزار را فراهم می کند. برای امکانات تولیدی متعدد ، بهینه سازی را در شبکه تولیدی یک شرکت تسهیل می کند.
فعال کردن فن آوری ها و سیستم ها
در سطح برنامه ریزی منابع سازمانی یک ماژول فروش می تواند سفارشات ورودی و پیش بینی تقاضای محصول را کنترل کند. یک ماژول مالی می تواند حسابداری هزینه و تأثیر نوسانات ارز را برای بهینه سازی سودآوری ردیابی کند. یک ماژول انبار می تواند تدارکات را مدیریت کرده و مواد اولیه موجود را در مکان های مختلف ردیابی کند. همچنین می تواند در جایی که مواد اولیه بیشتری نیاز است و مقدار مورد نیاز است ، به ماژول خرید منتقل شود و سپس سفارشات خرید مورد نیاز را ایجاد کند.
مدیریت منابع شرکت برای بهینه سازی و به حداکثر رساندن استفاده از امکانات از نظر داشتن مواد صحیح در دست در زمان مناسب برای تکمیل اجرای تولید و جلوگیری از گلوگاه های پرهزینه حیاتی است. فرایندهای تولید باید مطابق با روشهای خوب تولید کنونی (CGMP) باشد بنابراین الزامات سیستم مدیریت کیفیت (QMS) برای مواد اولیه فرآیندها و محصولات نهایی سختگیرانه است.
تکامل فن آوری های یکبار مصرف (SUT) در دهه گذشته به خط مقدم تولید بیولوژیکی ، انعطاف پذیری تأسیسات را افزایش داده است. SUT ها بسیاری از الزامات تمیز کردن و عقیم سازی را از بین می برند و گردش سریع تاسیسات را بین دوره های تولید تسهیل می کنند. با این حال ، با قابلیت تأسیسات چندمحوری ، پیچیدگی بیشتر در زنجیره های تأمین اجزای SUT مانند راکتورهای زیستی ، مجموعه لوله ها و مجموعه های فیلتراسیون به وجود می آید ، که همگی بخشی از مواد اولیه مورد نیاز برای اجرای فرایندها هستند.
با صنعت 4.0 و اینترنت صنعتی اشیا ((IIoT) ، شرکت ها می توانند با استفاده از برنامه ریزی استراتژیک چشم اندازهای قوی و پیشرفت های فناوری ، یک نیروی مخل برای کارایی کارآمد برای تأمین خواسته های مشتری ایجاد کنند. Industry 4.0 و IIoT اتصال بین سیستم های تجاری و سیستم های تولیدی را برای اشتراک داده ها امکان پذیر می کند. در سطح تولید ، تجهیزات و سنسورها فرآیندها را کنترل و کنترل می کنند و داده ها را جمع آوری می کنند. بخشی از جمع آوری داده ها مربوط به یادگیری عمیق یک فرآیند است ، از جمله اینکه متغیرها یا شرایط یک فرآیند می تواند بر نتایج فرآیند مانند ویژگی های کیفیت محصول (PQA) تأثیر بگذارد. این روش تجزیه و تحلیل فرآیند در حال استفاده از هوش مصنوعی (AI) برای ایجاد تنظیمات فرآیند برای حفظ پارامترها در مرزهای خاص و اطمینان از نتایج مثبت در مراحل تولید است. این تنظیمات می تواند مانع از خرابی ها شود (که از نظر مواد اولیه از دست رفته می تواند پرهزینه باشد) و توانایی شرکت در تأمین تقاضای مشتری را کاهش دهد. یک سیستم برنامه ریزی منابع سازمانی می تواند یک سیستم MES را برای شروع یک تولید شامل 10 یا بیشتر عملیات واحد (اغلب به صورت سری) تغذیه کند که باید در طی هفته ها بهینه سازی شود.
صنعت 4.0 می تواند با استفاده از تجزیه و تحلیل فرآیند برای نظارت و کنترل چنین فرآیندی ، احتمال موفقیت تولید را به حداکثر برساند. با کنترل نظارتی و دستیابی به داده ها (SCADA) و یک سیستم کنترل سطح بالا که با عملیات مختلف فرآیند واحد ارتباط برقرار می کند و ارتباط برقرار می کند ، نظارت و کنترل فرآیند در کارآمدترین بازه زمانی انجام می شود. SCADA یک سیستم رایانه ای برای جمع آوری و تجزیه و تحلیل داده های فرآیند در زمان واقعی است. یک سیستم نظارتی دستوراتی را به یک کنترل کننده فرایند می فرستد ، که اقدامات کنترلی را انجام می دهد. استفاده از Industry 4.0 میزان موفقیت را افزایش می دهد و زمان فرآیند را کاهش می دهد ، بنابراین CoG های نسبی را به طرز چشمگیری کاهش می دهد. علاوه بر این ، می توان از اتصال شبکه ای یک سیستم کنترل با سیستم های دیگر مانند سیستم مدیریت اطلاعات آزمایشگاه کنترل کیفیت (QC) (LIMS) برای ایجاد سوابق دسته ای الکترونیکی و انتشار سریع محصول استفاده کرد.
بخشی از برنامه ریزی استراتژیک طراحی و سپس اعتبارسنجی یک سیستم قوی است که با دستورالعمل های CFR 21 برای سوابق و امضای الکترونیکی مطابقت دارد. روش تولید خودکار خوب (راهنمای GAMP 5 ISPE: رویکرد مبتنی بر ریسک به سیستم های کامپیوتری سازگار GxP ویرایش پنجم است) توسط صنعت به عنوان راهنمای ثبت مشخصات مورد نیاز کاربر (URS) ، ایجاد یک طراحی کاربردی (FRS) پذیرفته شده است ، و مشخصات طراحی دقیق (DDS) و به دنبال آن ساخت معماری سیستم را مشخص کنید. به دنبال روش GAMP ، این فرآیند با نصب ، عملیاتی و پروتکل های صلاحیت عملکرد (IQ / OQ / PQ) برای ایجاد آنلاین تسهیلات دنبال می شود.
سطح ارتباطات و ارتباطات
برای اینکه صنعت 4.0 در ساخت محصولات بیولوژیکی مانند واکسن ها ، ناقلین ویروسی و سلول های آلوژنیک و سلول های اتولوگ محقق شود ، هماهنگی بیشتر بین بسیاری از طرفین مورد نیاز است. تأمین کنندگان عمده اجزای کنترل ، تأمین کنندگان MES ، ارائه دهندگان مورخ ، و تولیدکنندگان ابزار دقیق سنسور و دستگاه که محصولات یا نمونه های پردازش را برای اندازه گیری کنترل می کنند باید تلاش های خود را با یکدیگر هماهنگ کنند.
دو مفهوم کلیدی که باید به خاطر بسپارید ، ارتباط و اتصال است. در سطح سیستم کنترل / SCADA ، سیستم کنترل ، عملیات واحد خودکار (که اغلب از آنها با عنوان skids یاد می شود) ، حسگرها و سایر دستگاه ها باید به همان "زبان" متصل شده و ارتباط برقرار کنند. اتصال اغلب توسط یک لایه فیزیکی تعریف می شود ، که متشکل از یک دستگاه سخت افزاری است که ارتباط فیزیکی بین دستگاه ها را ایجاد می کند و باید برای برقراری ارتباط بین دستگاه ها (به عنوان مثال WiFi به WiFi) مشترک باشد.
ارتباط از طریق یک لایه فیزیکی ، لایه کاربرد است. به همان روشی که مردم باید از یک زبان برای برقراری ارتباط استفاده کنند ، دستگاه ها برای برقراری ارتباط با یکدیگر باید به یک زبان صحبت کنند. استفاده از داده های دیجیتال بین دستگاه ها به جای روش های سنتی آنالوگ ، امکان تبادل اطلاعات بسیار بیشتری را فراهم می کند. به عنوان مثال ، در مقایسه با دستگاه های آنالوگ ، دستگاه های دیجیتال می توانند داده های مربوط به نگهداری مورد نیاز یا عمر باقیمانده دیود ساطع کننده نور UV (LED) را بر روی ردیاب در سیستم کروماتوگرافی ارسال کنند. شکل 3 جریان داده ای مکان ساخت فرضی ، شامل کاربردهای معمول و لایه های فیزیکی را نشان می دهد.
از SCADA به بالا ، لایه فیزیکی معمولاً اترنت است. پروتکل کاربرد OPC برای ارسال داده ها به مورخانی مانند مورخ PI System از OSIsoft ، که معمولاً در صنعت استفاده می شود ، استفاده می شود. با این حال ، چالش ها با ادغام روان عناصر زیر سیستم کنترل SCADA / برای ایجاد یک سیستم هوشمندانه وجود دارد. از نظر تاریخی ، چند سازنده غالب سیستم کنترل بر اساس موقعیت جغرافیایی بر اساس پیچیدگی ، زیرساخت بزرگی که این تولیدکنندگان حفظ می کنند و همچنین سرمایه گذاری های کلیدی که هم توسط این تولیدکنندگان و هم از طریق کاربران نهایی انجام شده است ، بر بازار تسلط دارند فن آوری به روز در دنیای دیجیتال ، بسیاری از آن سیستم های کنترل استاندارد نیستند.
سیستم های کنترل مقیاس بزرگ میراث پیرامون استانداردهای ارتباطی معرفی شده از دهه ها پیش ساخته شده اند بنابراین ممکن است با یکدیگر ناسازگار باشند. با تکامل فرایندهای افزایش اتوماسیون توانایی ادغام چندین سیستم کنترل توسط چنین استانداردهای ارتباطی ناسازگار با مشکل روبرو می شود.
دستگاه های بهم پیوسته
بسیاری از دستگاهها می توانند در سایت تولیدی برای تسهیل روند "هوشمند" مورد استفاده قرار گیرند ، با این شرط که از راه دور کنترل شوند و داده ها از آنها بخوانند (به جعبه "دستگاههای مورد نظر" مراجعه کنید). به عنوان مثال ، یک سیستم SCADA متصل به یک راکتور زیستی می تواند شروع به گرفتن نمونه کشت از طریق یک ابزار تحلیلی متصل به خودکار نمونه کند. نتیجه تجزیه و تحلیل متابولیت تکمیل شده و به SCADA گزارش می شود ، که به نوبه خود اقدامات مناسب را به کنترل کننده بیوراکتور آغاز می کند. هر یک از این اقدامات (نمونه برداری ، مقایسه ، اقدام) در یک رکورد دسته ای مرتبط با روند تولید ثبت می شود. داده های مهم دیگر می تواند تعداد زیادی و رکورد کالیبراسیون سنسورهای پردازش باشد که به صورت دیجیتالی قابل خواندن است.
شکل 4 یک کنترل کننده متمرکز برای اتصال و ارتباطات ، با هر دو سیستم ساده و پیچیده را نشان می دهد. مشکلی که ممکن است بوجود آید این است که یک دستگاه مورد نظر ممکن است گزینه های یکپارچه سازی نداشته باشد - یا اگر چنین باشد ، ممکن است این قابلیت با کنترل کننده متمرکز سازگار نباشد. آنجاست که می توان پتانسیل کامل "گیاه هوشمند" را شکست. بعضی از دستگاه ها حتی از یک رابط کاربری ساده مانند ویژگی های شروع و توقف از راه دور برخوردار نیستند.
موارد زیر روشهای عمومی کنترل کننده متمرکز است که برای مکالمه با دستگاهها استفاده می شود. سیستم های کنترل اغلب با تعداد ورودی / خروجی (I / O) مورد استفاده تعریف می شوند.
قابلیت های ارتباطات دیجیتال (به عنوان مثال ، MODBUS) می توانند پارامترها را بخوانند و بنویسند ، برای تغییر حالت ها یا تنظیمات ، فرمانهای از راه دور را بفرستند ، زنگ هشدارها را کنترل کنند ، داده های دستگاه را برای اهداف مختلف مانند مشکلات دستگاه ضبط کنند و تعمیرات و یا سایر اعلان ها را ارسال کنند.
دستگاه های سیگنال خاموش و روشن گسسته مشابه سوئیچ های از راه دور هستند که می توانند وسیله ای (یا دستگاه) مانند پمپ را راه اندازی کنند یا سوپاپ را باز و بسته کنند. این دستگاه ها همچنین می توانند یک خروجی زنگ را بخوانند.
دستگاه های سیگنال فرکانس می توانند مقادیر دیجیتالی را از طریق یک پالس خوان یا یک پالس ساز (که معمولاً برای انتقال قرائت جریان سنج استفاده می شود) بخوانند یا ارسال کنند.
مبدل های سیگنال آنالوگ (A / D و D / A سنتی) مقادیر را به بیت از طیف وسیعی ارسال می کنند که روی فرستنده و گیرنده یکسان تنظیم شده است. به عنوان مثال ، برای انتقال دما ، هر دو دستگاه از 0 تا 100 درجه سانتیگراد تنظیم می شوند. یک مبدل از دو سیم استفاده می کند ، و یا از یک جریان (متداول ترین آن 4-20 میلی آمپر است) و یا سیگنال ولتاژ (0 تا 10 ولت).
دقت به "وضوح بیت" مانند 8 بیت تا 16 بیت محدود می شود که دامنه سیگنال را به همان تعداد افزایش می دهد (8 بیتی 28 است ، یعنی 256 افزایش). اختلافات جزئی می تواند در مقادیر بین فرستنده ها و گیرنده ها به دلیل از دست دادن سیگنال و واریانس های جزئی جزئی سخت افزار رخ دهد.
سیگنال آنالوگ با HART همان دستگاه سیگنال آنالوگ بالا است ، اما می تواند برخی از اطلاعات دیجیتال اساسی را از طریق سیم های مسی ارسال کننده سیگنال های آنالوگ ارسال کند.
ادغام دستگاه
برای یکپارچه سازی همه دستگاه ها دو واقعیت باید اتفاق بیفتد تا ساخت هوشمند به واقعیت تبدیل شود. ابتدا ، توسعه دهندگان دستگاه برای ایجاد ارتباط و برقراری ارتباط باید لایه های فیزیکی و برنامه های مورد نیاز را طراحی کنند. این به چیزی بیشتر از تغییر در رابط های سخت افزاری نیاز دارد. توسعه دهندگان دستگاه باید مشخصات را برای چنین سازهایی طراحی کرده و آنها را برای برنامه نویسان نرم افزار این ابزارها برای اجرای کد نرم افزار و طراحی رابط ها و منوها و همچنین مهندسین سخت افزار برای دسترسی به این ویژگی ها به آنها انتقال دهند. با برنامه ریزی پیشرفته ، هزینه های انجام آن بسیار ناچیز خواهد بود. پس از طراحی یک ساز ، اضافه شدن چنین ویژگی هایی تقریباً بدون هزینه از ابتدا هزینه بر است. برخی از ابزارها در بسیاری از صنایع در بسیاری از فرآیندها کاربرد جهانی دارند ، بنابراین برخی از تولیدکنندگان گزینه های خارج از قفسه را برای طیف گسترده ای از الحاقی های لایه های فیزیکی و کاربردی توسط کارت های صفحه مدار ارائه می دهند که می توانند در یک صفحه قرار گیرند (به عنوان مثال برخی باسکول محبوب)
دوم ، استاندارد سازی در بین تولیدکنندگان سیستم کنترل باید انجام شود تا تولید هوشمند یک فرآیند بدون درز باشد. این به کاربران نهایی این امکان را می دهد تا بهترین دستگاه ها را برای فرآیند های خود انتخاب کنند و گزینه ها را به این دلیل که به زبان سیستم های کنترل مورد استفاده صحبت نمی کنند ، حذف نمی کنند. استانداردهای در حال ظهور مانند اترنت تک جفت ، معماری یکپارچه OPC (OPC UA) و شبکه حساس به زمان (TSN) به سرعت در حال تکامل هستند. تولیدکنندگانی که به نوبه خود چنین فناوری هایی را در قلب سیستم های کنترل و دستگاه های خود به کار می گیرند ، به تسریع توسعه فرآیندهای پیشرفته بیودارویی کمک می کنند.
قدم های امیدوار کننده به جلو
گامهای امیدوار کننده ای در جهت تحقق صنعت 4.0 در ساخت زیستی برداشته شده است: همگرایی فناوریهای ساخت یکبار مصرف ، ظهور استانداردهای در حال برقراری ارتباطات دیجیتال ، و تأمین کنندگان دستگاه های سازمانی که از رابط های "هوشمند" برای عملیات از راه دور اطمینان حاصل می کنند. برای ایجاد یک تسهیلات کاملاً خودکار و ایده آل برای آینده ، به برنامه ریزی و چشم انداز مناسب راهبردی نیاز است.
SCADA - سیستم های SCADA برای نظارت و کنترل فرایندهای تولید ایده آل هستند. چیزی که آنها نمی توانند به تصمیم گیرندگان بگویند این است که در طی یک روند درست یا غلط پیش می رود.
IIOT با تجزیه و تحلیل داده های سیستم های SCADA و ارائه بینش عملی که باعث بهبود بهره وری و کاهش هزینه ها می شود ، SCADA را به سطح بعدی می رساند.
ERP - داده های معاملاتی در سیستم های ERP اغلب با خطر خطای انسانی و تأخیرها به صورت دستی وارد می شوند. نرم افزار ERP همچنین از اتصال به سایر سیستم های تولیدی یا ماشین های موجود در کف کارخانه برخوردار نیست.
IIOT با قابلیت جمع آوری و تجزیه و تحلیل سریع داده ها ، از کف کارخانه و نرم افزار ERP پل می گذارد. این امر به رهبران گیاهان برای بهبود عملکرد و سودآوری ، از دلایل اصلی آن بینش می دهد.
پلت فرم IIOT اتوماسیون Intellect به طور یکپارچه با سیستم ها و ماشین های قدیمی و مدرن متصل می شود. این قابلیت های صنعت 4.0 را بدون نیاز به جایگزینی سیستم های موجود در کف کارخانه شما به ارمغان می آورد.