استفاده از IIoT در سیستم های تولید

چکیده:

تکنولوژی IIoT با استفاده از RFID، NFC، Wireless، سیستم های قابل حمل و انواع سنسور ها، موقعیتی مطمئن برای ساختن یک صنعت پیشرفته را ایجاد می کند. در سال ها ی اخیر، کاربرد های بسیار گسترده ای از IoT در صنعت توسعه و استقرار داده شده اند. سیستم های تولید انعطاف پذیر موسوم به FMS موضوعی است که در طی دهه ها مورد تحقیق واقع شده و جزئی جدایی ناپذیر از صنعت امروزه است که میسر شدن آن در گرو توانایی برقراری ارتباط همه سیستم ها از طریق IIoT است.

با توجه به قرار گرفتن در دوران پیشرفت تکنولوژی، همه گیر شدن استفاده از IoT، و مهم تر از همه، تمایل شرکت های بزرگ صنعتی برای روی آوردن به این سیستم ها و به طبع آن حصول نتیجه مثبت از آنها، این مقاله با هدف بررسی چگونگی بهره گیری از IIoT در برخی صنایع بزرگ و نتایج حاصل از آن گردآوری گردیده است.

کلمات کلیدی:

کاربرد های IIoT؛ تولید؛ اتوماسیون؛ بهره وری؛ کاربردهای AI؛ صنعت

مقدمه:

امروزه نقش IoT در صنعت که با IIoT مشخص می شود، اجتناب ناپذیر است. به عبارتی، کمپانی هایی که قصد پیشرفت هر چه بیشتر در زمینه های فعالیت خود را دارند، خواه یا ناخواه، استفاده از سیستم های مبتنی بر IoT را در برنامه های توسعه ای خود قرار خواهند داد.

در گذشته در صنعت های بزرگ بخصوص صنعت تولید که موضوع اصلی این مقاله به شمار می رود، استفاده بیش از اندازه از نیروی انسانی برای انجام امور جاری، علاوه بر تحمیل هزینه مضاعف بر صاحبان مشاغل که شامل هزینه های مربوط به حقوق پرداختی، مزایای شغلی، آسیب های جسمی احتمالی و امثال آن، هزینه های جانبی زیادی نیز که ناشی از خطای انسانی در حین کار و به طبع آن ازدیاد بیش از حد استفاده از مواد اولیه و همچنین به وجود آمدن ضایعات ناشی از آن می شد نیز بر دوش کمپانی ها می گذاشت. علاوه بر این، عدم استفاده از سیستم خاصی که بتواند روند کار را کنترل کند، نه تنها دقت را بسیار پایین می آورد، بلکه سرعت عملیات نیز کاهش می یابد. البته این موضوع برای تمامی مشاغل صدق نمی کند. در گذشته و حال، کمپانی های بزرگی وجود داشته و دارند که با روش های مکانیکی خاص و طراحی و ساخت دستگاه های پیشرفته، دقت و سرعت خود را به حد بالایی رسانیده اند اما به صورت کلی، سیستم های مبتنی بر IoT علاوه بر کنترل نیروی انسانی (Asset Management) در جهت هرچه بهتر شدن روند تولید کمک های شایانی خواهند کرد.

استفاده از IIoT در سیستم های تولید

IoT را می توان به عنوان یک شبکه جهانی با زیرساختی متشکل از تعداد زیادی دستگاه متصل به هم که از طریق انواع سنسور و ارتباطات شبکه ای و رادیویی متفاوت با هم، ارتباط برقرار می کنند، در نظر گرفت.

پیدایش تکنولوژی IoT را می توان با ظهور RFID در نظر گرفت؛ جایی که به میکروچیپ ها اجازه می دهد تا اطلاعاتی را توسط امواج رادیویی و از طریق سیستم ارتباطی بی سیم، بین فرستنده و گیرنده ارسال و دریافت کنند. دیگر تکنولوژی که آن را می توان به عنوان IoT در نظر گرفت، سیستم های سنسوری تحت شبکه بی سیم موسوم به WSNs است.

امکاناتی که RFID و WSNs ایجاد کرد، سکوی پرشی برای توسعه IoT امروزی شد. ضمن اینکه تکنولوژی های فراوان دیگری نظیر بار کدها، گوشی های هوشمند، شبکه های اجتماعی و سیستم های کامپیوتری ابری نیز به پیشرفت هرچه بیشتر و بهتر IoT کمک کرد (شکل 1).

شکل 1. فن آوری های مرتبط با اینترنت اشیا (IoT)

تاکنون سیستم های مبتنی بر IoT توجه صنایع بسیاری از قبیل لجستیک، تولید، خرده فروشی و داروسازی را به خود جلب کرده است. بعلاوه، با امکانات بی نظیری که سیستم های ارتباطی بی سیم، گوشی های هوشمند و سنسور های تحت شبکه ارائه می دهند، دخیل شدن دستگاه ها و ادوات تحت شبکه با سیستم IoT همه روزه رو به افزایش است، که در نتیجه آن تکنولوژی های مرتبط با IoT تاثیر به سزایی روی تکنولوژی ارتباطات و اطلاعات امروزه (موسوم به ICT) و سیستم های مبتنی بر آن می گذارد (شکل 2).

شکل 2. فناوری های مرتبط با IoT و تأثیر آنها بر سیستم های جدید ICT و سازمانی

در اینجا به تشریح عناصر اصلی و کلیدی که باعث ایجاد انقلابی در هوشمند سازی سیستم های تولید می شوند، می پردازیم؛

تجزیه و تحلیل داده های بزرگ

گروه مشاوره بوستون (BCG) توضیح می دهد که چگونه تجزیه و تحلیل اطلاعات باعث سود دهی کمپانی ها می شود؛ همچنین به این موضوع اشاره دارد که از طریق این آنالیز ها بهبود و صرفه جویی از طریق نظارت بر تجهیزات، مصرف انرژی و کنترل فرآیند میسر خواهد بود.

این داده ها امکان شناسایی زود هنگام خرابی ها، پیشگیری، نگهداری و به طبع آن بهره وری و سود آوری در تولید را با استفاده از ارتباط همه داده ها به هم فراهم می کند. درست است که تجزیه و تحلیل داده های بزرگ پر هزینه است، اما شرکت های بزرگ به دلیل سودی که در نتیجه استفاده از آن کسب می کنند، از آن استقبال می کنند.

سیستم های فیزیکی سایبری (CPS)

از CPS به عنوان ارتباط موازی بین دنیای مجازی و فیزیکی به طور همزمان یاد می شود، که برای تسهیل تصمیم گیری های غیر متمرکز به کار می رود. ترکیب این دو به اپرا تور ها و مدیران قدرت تحلیل بهتر برای گرفتن تصمیمات قاطع را می دهد. CPS را می توان به عنوان عملیاتی قلمداد کرد که ارتباط آن غیر متمرکز، ساخت یافته و یا بدن ساختار است.

هوش مصنوعی (AI)

نود های AI تقلیدی از شبکه عصبی مغز انسان هستند که سلول های عصبی بیولوژیکی را تکرار می کنند. در تئوری، هوش مصنوعی همانند سازی و به تصویر کشیدن ذکاوت انسان با توانایی حفظ دانش آموخته شده و اعمال شده در شبیه سازی های آینده است، که این نیاز مهمی در اکثر بخش های وابسته به یک ماشین است که باعث پیشبرد تحقیقات در زمینه یادگیری عمیق (Deep Learning) می شود.

محققان معتقدند با توسعه مدل های یادگیری عمیق قابل تغییر و ایجاد الگوریتم های جدید، می توان به محدودیت های پیشبینی و تصمیم گیری که در سیستم های AI وجود دارد غلبه کرد.

از جمله کاربرد های این سیستم ها می توان به تشخیص چهره، تشخیص گفتار، تشخیص اشیا بصری، تشخیص نوشتار دستی و ترجمه ماشینی اشاره کرد.

Edge Computing

Edge Computingبه معنی بهینه سازی سیستم عامل ها و پلتفرم های باز با ایجاد ارتباطات چابک، تجزیه و تحلیل داده ها از طریق نود های مختلف و خدمات ابری بسیار پر بازده با استفاده از شبکه های حاشیه ای به جای استفاده از مراکز داده ی متمرکز است.

فناوری Edge Computing تصمیم گیری و کنترل سیستم ها در کارخانه، نزدیک تر شدن به ماشین آلات و دستگاه های فعال، در زمان واقعی را تسهیل می کند. تاخیر در فرایند تولید، جایی که زمان حرکت و همکاری سیستم با انسان بسیار مهم است، یک نگرانی مهم در بحث ایمنی به شمار می آید که Edge Computing با کنترل هایی که از طریق رایانش ابری انجام می دهد آن را کاهش داده است. برای مقایسه می توان روند کنترل داده در زمان واقعی را بین نظارت بی وقفه، سلامت بیمار در بیمارستان و نظارت بر روند تولید کارخانه را مورد بررسی قرار داد.

ارتباطات شبکه در فرآیند تولید

اتصال داخلی سیستم های باز (OSI) دارای عملکردی است که با استفاده از یک درگاه با مدل ارتباطی هفت لایه به دستگاه اجازه می دهد تا ارتباط خودکار بین سنسور ها و دستگاه های هوشمند برقرار کند. هر یک از لایه ها یک بسته با پروتکل های منحصر به فرد دارند. ارتباطات شبکه یکی از اصلی ترین ویژگی هایی است که با گره خوردن به IIoT شرایط را برای اجرای موفقیت آمیز سیستم تولید هوشمند فراهم می سازد.

هفت لایه ارتباطی شبکه که پیش تر گفته شد، نشان می دهد که چگونه داده ها از یک دستگاه به دستگاه دیگر ارسال می شود. این ارتباطات در زمان واقعی، دقیق و بدون خطا در کاربرد های صنعتی استفاده می شود.

ارتباطات مبتنی بر 5G

پروژه مشارکت نسل سوم موسوم به 3GPP یک روش استاندارد سازی ارتباطات از راه دور است که باعث به وجود آمدن چشم انداز تحقیق در مورد 5G گردید. ایده ی استفاده از 5G در صنعت تولید، ایده ای بود که باعث به وجود آمدن انعطاف پذیری در ارتباطات IoT در صنعت شد.

نیاز به تاخیر کم، قابلیت اطمینان، توانایی بالا در اتصال به ادوات مختلف، سرعت انتقال داده و موقعیت یابی با دقت بالا از جمله شرایط موجود در صنعت پیشرفته بود که راه یابی 5G به صنعت تولید را میسر کرد. استفاده از این امکانات پیشرفته که توام با کاهش هزینه و بهره وری تولید خواهد بود، صنایع کلان را قادر به تکامل هرچه بهتر خواهد کرد.

در سیستم های اتوماسیون کارخانه ای، بسیاری از سنسور ها، ممکن است در فواصل بسیار دور قرار گرفته باشند اما همچنان باید پاسخگو و قابل اعتماد بوده و در زمان واقعی کار کنند که این مهم از طریق 5G امکان پذیر می باشد.

تولید هوشمند از طریق ارتباط داخلی فرایند های فیزیکی و مجازی

از آنجایی که فروش سنگ بنای تولید است، لذا تشکیل سیستم هایی که بتواند به صورت مجازی فروش و تولید را شبیه سازی کند بسیار حائز اهمیت است. تولید به روش مجازی ابزاری است که به بسیاری از بخش های مختلف کارخانه اجازه می دهد تا کار خود را شبیه سازی کند. در نتیجه به محصولی بهتر و دقیق تر برای تولید می رسند. با استفاده از این روش، دو سیستم فیزیکی و مجازی با انعطاف پذیری زیاد نسبت به هم و با حد اکثر توان با هم کار می کنند که نتیجه آن نشان دادن خطاهایی است که با رفع آنها می توان بهینه سازی هرچه تمام تر در تولید را شاهد بود. به تعبیر ساده تر، سیستم مجازی با شبیه سازی مدل تولیدی، خطاهای آن را تشخیص داده و سیستم فیزیکی با رفع آن خطاها، مدل فیزیکی دقیق و ملموس آن را تولید می کند.

وسایل نقلیه هوشمند مستقل (AIV)

فناوری AIV آخرین قطعه از پازل ارتقا و حفظ انعطاف پذیری در صنایع پیشرفته است. این سیستم ها امکاناتی نظیر کارکرد در زمان واقعی، قابل تکرار بودن عملیات، دقت و طول عمر را برای انجام پروسه تولید به صورت بلند مدت ارائه می دهند.

AIV ها توانایی تغییر فرآیند تولید و همچنین تغییر محصول در حال تولید را دارا می باشند، لذا نیاز به خرید ماشین های گران قیمت و یا طراحی جانمایی ماشین های صنعتی را به طور کامل از بین می برند. این در حالی است که اگر این انعطاف پذیری در این ماشین ها وجود نداشت، هر گونه تغییر محصول در عملیات تولید بسیار گران تمام می شد.

این ماشین ها با بهره گیری همزمان از سیستم های IIoT و 5G بهره وری در کشورهایی را که هزینه تولید در آنها بسیار زیاد است، تضمین می کنند. این امر تمام جنبه های مربوط به تولید را که شامل تدارکات، انعطاف پذیری، اثر بخشی کلی بر تجهیزات، کیفیت، تولید، زمان و رضایت مشتری می شود را ارتقاء می بخشد.

در نهایت به چند کمپانی بزرگ که از سیستم های مبتنی بر IIoT در فرآیند تولید خود استفاده می کنند و همچنین شرکت های ارائه دهنده راهکارهای IIoT اشاره می کنیم؛

Augury

زمینه فعالیت: تولید دستگاه های کارخانه ای

مکان: نیویورک-آمریکا

این شرکت از IIoT و AI برای ساخت ماشین هایی با سیستم عصبی مکانیکی استفاده می کند که توانایی حفظ سلامت خود را دارا می باشند. به گونه ای که سنسور های موجود در قسمت های مختلف دستگاه خطاهای تشخیص داده شده را به صورت اتوماتیک به پلتفرم کمپانی ارسال می کنند.

Plataine

زمینه فعالیت: هوا فضا

مکان: ماساچوست-آمریکا

این شرکت از الگوریتم های بهینه سازی شده اختصاصی که بر پایه IIoT می باشند برای ارائه خدمات اتوماسیون هوشمند (ردیابی مواد اولیه، برنامه ریزی تولید و غیره) استفاده می کند که به شرکت کمک می کند تا کیفیت را بهبود بخشیده، ضایعات را کاهش داده و بینش بیشتری نسبت به روند تولید داشته باشند.

Fluidmesh Networks

زمینه فعالیت: حمل و نقل

مکان: نیویورک-آمریکا

این شرکت با فراهم آوردن تجهیزات مبتنی بر IIoT امکان ارتباط در مکان های چالش برانگیز از جمله وسایل نقلیه و قطارهای تندرو، سایت های صنعتی در مقیاس بزرگ، زیرساخت های توزیع شده و محیط های پیچیده را به ارمغان می آورد.

Foghorn Systems

زمینه فعالیت: انرژی

مکان: کالیفرنیا-آمریکا

این شرکت پلتفرمی را برای کاربردهای صنعتی و تجاری بر پایه IIoT ارائه می دهد. سیستم این شرکت تجزیه و تحلیل پیشرفته و یادگیری ماشین را برای صنایع تولید، نفت و گار، آب و برق، انرژی های تجدید پذیر، معدن، حمل و نقل و غیره فراهم می آورد.

نتیجه گیری:

با توجه به مواردی که در بالا توضیح داده شد، مشخص است که IIoT یک پلتفرم چالش برانگیز و در عین حال اشتیاق آور است و با توجه به اینکه هزینه سنسور ها و تجهیزات مختلف آن به طور مداوم در حال کاهش است، بنابراین امکان استفاده از سیستم های اتوماسیون را فراهم می کند.

از آنجایی که جهان صنعت امروز رو به پیشرفت هرچه بیشتر و بهتر در زمینه های مختلف است، و همه آنها در بهره وری، کاهش هزینه، دقت و سرعت انجام عملیات تاثیر مستقیم دارند، استفاده از فن آوری IIoT در سیستم های تولید امری اجتناب ناپذیر است.

پر واضح است که شرایط فراهم آوردن زیرساخت های کامل برای بهره گیری هرچه بهتر از این سیستم ها برای هر کشور و کارخانه ای متفاوت بوده و بنابراین نتیجه به کارگیری آن نیز متفاوت خواهد بود. لازم به ذکر است که توسعه فن آوری 5G نیز تاثیر به سزایی در گسترش به کارگیری IIoT در صنایع مختلف خصوصا صنایع کلان تولید خواهد گذاشت.

گردآوری و تنظیم: فرید رفعت منش فرد

منابع:

Li Da Xu, Wu He, and Shancang Li, Internet of Things in Industries: A Survey, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL INFORMATICS, VOL. 10, NO. 4, NOVEMBER 2014, Pages 1-3.
Con Cronin, Andrew Conway, Prof, Joseph Walsh, Flexible manufacturing systems using IIoT in the automotive sector, Procedia Manufacturing 38 (2019) 1652–1659, 29th International Conference on Flexible Automation and Intelligent Manufacturing (FAIM2019), June 24-28, 2019, Limerick, Ireland, Pages 3-6.
Rosilah Hassan, Faizan Qamar, Mohammad Kamrul Hasan, Azana Hafizah Mohd Aman and Amjed Sid Ahmed, Internet of Things and Its Applications: A Comprehensive Survey,

Symmetry 2020, 12, 1674.

دیدگاه خود را ثبت کنید لغو پاسخ