ما هي أتمتة المصانع؟ رؤى رئيسية تحتاج إلى معرفتها

في البيئة سريعة التغير في الصناعة التحويلية العالمية، فإن الكفاءة التشغيلية هي التي يمكن أن تحدث الفرق بين النجاح والبقاء على قيد الحياة. لم تعد الأتمتة الصناعية في المصانع كلمة طنانة للمستقبل، بل أصبحت معيار التشغيل للصناعات التنافسية.

ومع ذلك، ما هي أتمتة المصانع؟ هل هي مجرد استبدال البشر بالروبوتات؟ الحقيقة أكثر دقة بكثير. أتمتة المصانع هي تطبيق التكنولوجيا لتنفيذ مهام محددة منفصلة في عملية التصنيع بأقل قدر من التدخل البشري، باستخدام نظام بيئي معقد من أجهزة الاستشعار وأجهزة التحكم وأنظمة البرمجيات لتحسين الإنتاج.

يستكشف هذا الدليل تشريح الأتمتة الحديثة، بدءًا من المستشعرات التأسيسية في أرضية المصنع إلى حسابات عائد الاستثمار في غرفة الاجتماعات، مما يساعدك على الإبحار في الرحلة نحو نظام تصنيع أكثر ذكاءً.

تعريف أتمتة المصانع: ما وراء المكننة البسيطة

للتعرف على أتمتة المصانع (FA)، من الضروري التفريق بينها وبين الميكنة.

توفر المكننة للمشغلين البشر آلات تساعدهم في المتطلبات العضلية للعمل. على سبيل المثال، فإن العامل الذي يستخدم مكبس الحفر الذي يعمل بالطاقة هو ميكنة؛ فالآلة توفر الطاقة، ولكن الإنسان يوفر التحكم والحكم والتغذية الراجعة لهذه المهمة المحددة.

ومع ذلك, أتمتة المصانع لا يحل محل العضلات فحسب، بل يحل أيضًا محل العقل في العملية. وهو ينطوي على استخدام أنظمة التحكم - مثل وحدات التحكم المنطقية وأجهزة الاستشعار - لإدارة الآلات والعمليات. في النظام الآلي، تكتشف الماكينة قطعة العمل، وتقرر متى يتم الحفر، وتراقب العمق، وتخرج الجزء النهائي، كل ذلك دون تدخل بشري مباشر.

ويهدف إلى رفع الطاقة الإنتاجية، وتعزيز تجانس المنتجات، وتخفيف العمل البشري من المهام الخطرة والروتين الرتيب أو أي مهمة مملة ومتكررة.

أتمتة المصانع مقابل أتمتة العمليات: ما الفرق بينهما؟

هناك مجال عام للخلط بين أتمتة المصانع و أتمتة العمليات. على الرغم من تشابههما من حيث التقنيات (مثل أجهزة الاستشعار وأجهزة التحكم المنطقي القابلة للبرمجة)، إلا أن تطبيقات التحكم الصناعي تختلف في جوهرها:

• أتمتة المصانع (التصنيع المنفصل): يتعلق هذا الأمر بتصنيع منتجات نهائية منفصلة وقابلة للعد. عندما تقوم بتجميع الهواتف الذكية، أو ختم أبواب السيارات، أو تغليف المواد الغذائية، فأنت تستخدم أنظمة أتمتة المصانع. ويكون الناتج عبارة عن سلسلة من الوحدات الفردية التي يمكن لمسها وعدّها.
• أتمتة العمليات (التصنيع المستمر): تتعلق هذه الفئة بتصنيع السلع بكميات كبيرة، وعادةً ما تكون في شكل سائل أو غاز أو مسحوق. ويندرج تحت هذه الفئة تكرير النفط، وخلط المواد الكيميائية، ومعالجة مياه الصرف الصحي. يتم تحديد الإنتاج بالحجم أو الوزن وليس بعدد الأصناف.

يعد فهم هذا التمييز أمرًا حيويًا لأن متطلبات الأجهزة، وتحديدًا أنواع المستشعرات وخوارزميات التحكم، تختلف بشكل كبير بين الاثنين.

الأنواع الأربعة لأتمتة المصانع: الثابتة والقابلة للبرمجة والمرنة والمتكاملة

لا يوجد حل عالمي للأتمتة. يعد تحديد النوع الصحيح من الأتمتة أمرًا بالغ الأهمية، حيث تقسم الصناعة عمومًا تقنيات الأتمتة هذه إلى ثلاث فئات ميكانيكية، مع وجود فئة نظامية رابعة هي معيار الصناعة 4.0.

1. الأتمتة الثابتة (الأتمتة الثابتة)

يتم الإنتاج بكميات كبيرة بمعدات مخصصة بأتمتة ثابتة. يتم تحديد ترتيب عمليات المعالجة من خلال تكوين المعدات.

• الأفضل لـ الإنتاج الضخم (على سبيل المثال، ملايين من تروس السيارات المتطابقة).
• الإيجابيات: أقصى قدر من الكفاءة وأقل تكلفة للوحدة.
• السلبيات: بدء تشغيله مكلف؛ وبمجرد إنشاء الخط، من الصعب جدًا تغيير تصميم المنتج.

2. الأتمتة القابلة للبرمجة

تم تطوير معدات الإنتاج في هذه الفئة لتكون قادرة على إعادة ترتيب ترتيب العمليات لتناسب تصميمات المنتجات المختلفة.

• الأفضل لـ الإنتاج على دفعات (على سبيل المثال، ماكينة تعبئ 500 وحدة من المنتج A، ثم يتم إعادة برمجتها لـ 500 وحدة من المنتج B).
• الإيجابيات: المرونة في التعامل مع مختلف المنتجات.
• السلبيات: ستحتاج إلى الكثير من وقت التوقف أثناء فترة التغيير لإعادة برمجة الماكينة وإعادة تجهيزها.

3. الأتمتة المرنة (الأتمتة المرنة)

الأتمتة القابلة للبرمجة هي أحد أشكال الأتمتة المرنة. والفرق الرئيسي هو أن التغييرات لا تؤدي إلى ضياع الوقت. النظام قادر على صنع مجموعات مختلفة من المنتجات بالتتابع دون توقف.

• الأفضل لـ “الإنتاج ”عالي المزيج ومنخفض الحجم" (على سبيل المثال، التصنيع الآلي باستخدام الحاسب الآلي حسب الطلب).
• الإيجابيات: قدرة فائقة على التكيف؛ إنتاج مستمر.
• السلبيات: تعقيد أعلى في البرمجيات ومنطق التحكم.

4. الأتمتة المتكاملة (الهدف النهائي)

هذه هي الرقمنة الكاملة لمصنع الإنتاج. لا يتعلق الأمر فقط بآلة واحدة، بل بترابط الآلات المستقلة في نظام بيانات واحد. في هذه الحالة، يتواصل طابق الإنتاج (التكنولوجيا التشغيلية) مباشرةً مع إدارة المؤسسة (تكنولوجيا المعلومات). هذا هو ما يقوم عليه المصنع الذكي.

لماذا الأتمتة؟ المزايا الرئيسية وتحليل عائد الاستثمار

إن اتخاذ قرار الأتمتة هو قرار مالي بقدر ما هو قرار تقني. في حين أن التكاليف الأولية (CapEx) مرتفعة، فإن الوفورات التشغيلية (OpEx) والمزايا الاستراتيجية غالباً ما تبرر الاستثمار.

1. المزايا الأساسية

• زيادة الإنتاجية: الآلات لا تستريح أو تنام أو تتناوب. فهي قادرة على العمل 24 ساعة بمعدل ثابت، مما يزيد من الإنتاج إلى حد كبير.
• الجودة الاتساق: الأتمتة تقضي على الأخطاء البشرية. سيقوم الروبوت بشد البرغي بنفس عزم الدوران بالضبط 10,000 مرة متتالية، مما يقلل من معدلات الخردة ومطالبات الضمان.
• العمالة السلامة والتوافر: تعمل الأتمتة على التخلص من البشر في الظروف الخطرة (درجات الحرارة المرتفعة والتلامس مع المواد الكيميائية) وتعالج المشكلة العالمية المتزايدة المتمثلة في نقص العمالة الماهرة.

2. تحليل العائد على الاستثمار (العائد على الاستثمار)

من أجل تحديد عائد الاستثمار الفعلي، من الضروري تجاوز تكلفة الروبوت.

• ملموس العائد على الاستثمار:
  • يتم تخفيض تكاليف العمالة المباشرة.
  • تقليل نفايات المواد (الخردة).
  • النمو في حجم الإنتاج (إمكانات المبيعات).
• غير ملموس العائد على الاستثمار:
  • سمعة العلامة التجارية: تقديم منتجات عالية الجودة يبني الثقة.
  • المرونة: القدرة على توجيه الإنتاج بسرعة استجابة لطلب السوق.

سيكون لمبادرة الأتمتة الفعالة “فترة استرداد” تتراوح من 12 إلى 24 شهرًا. ولكن جودة المكونات هي التي تحدد طول عمر النظام وهذا ما يضمن الربحية على المدى الطويل.

هرم الأتمتة: من أجهزة الاستشعار الميدانية إلى أنظمة تخطيط موارد المؤسسات

يطبق المهندسون أتمتة ISA-95 الهرم لفهم عمل المصنع. يوضح هذا النموذج كيف يتم وضع الأجهزة والبرمجيات في طبقات لتحويل الإشارات الأولية إلى قرارات تجارية، وتحديد مستوى مشاركة المشغل في كل مرحلة.

البصيرة الحاسمة:المستوى0 هو أساس الهرم بأكمله. عندما لا تكتشف المستشعرات الموجودة في الأسفل كائنًا ما أو تقدم بيانات خاطئة، فإن نظام تخطيط موارد المؤسسات في الأعلى سيحسب البيانات باستخدام معلومات خاطئة. تبدأ الموثوقية من الأسفل.

مكونات الأجهزة الرئيسية التي تشغل أنظمة الأتمتة الحديثة

الحلقة الأضعف في النظام الآلي هي كل ما يتطلبه الأمر. على الرغم من أن البرمجيات توفر المنطق، إلا أن الأجهزة القوية تضمن التنفيذ. هناك أربع طبقات وظيفية تُستخدم عادةً لتقسيم النظام البيئي للأجهزة.

طبقة الاستشعار عيون وآذان المصنع

طبقة الاستشعار هي المسؤولة عن جمع البيانات. بدون أجهزة الاستشعار، تكون الآلات “عمياء”. تشمل المكونات الشائعة ما يلي مستشعرات القرب (الاستقرائي/الاستقرائي) لاكتشاف الموضع, الحساسات الكهروضوئية لعد الكائنات، و المشفرات لتتبع الحركة.

أهمية الموثوقية في الاستشعار:

في الأتمتة السريعة، يمكن لخلل في المستشعر أن يوقف خط إنتاج كامل، وهو ما يكلف آلاف الدولارات في الدقيقة الواحدة. وبالتالي، من المهم الحصول على مكونات من الدرجة الصناعية.

تسليط الضوء على المكونات: أتمتة OMCH

في بناء طبقة الاستشعار، يشترك العديد من المصنعين في بناء طبقة الاستشعار مع أومتش, وهي شركة تصنيع متخصصة تأسست في عام 1986. وبفضل خبرتها التي تمتد لأكثر من 30 عامًا وقاعدة عملائها التي تضم أكثر من 72,000 عميل في أكثر من 100 دولة، رسخت شركة OMCH نفسها باعتبارها “الحل الشامل” لقطع غيار الأتمتة الموثوق بها.

لماذا تناسب OMCH متطلبات الموثوقية العالية:

• تغطية شاملة: فهي لا توفر فقط نوعًا واحدًا من أجهزة الاستشعار. لديهم مفاتيح القرب الاستقرائي والسعوي، والمستشعرات الكهروضوئية، والستائر الضوئية في كتالوجها، بالإضافة إلى مكونات الطاقة الأساسية مثل إمدادات الطاقة التحويلية و المرحلات. وهذا يسهل على مديري المشتريات سلسلة التوريد.
• جودة معتمدة: وهي حاصلة على شهادات مثل CE و RoHS و UL ومتوافقة مع معايير ISO9001 و IEC، مما يعني أن مكوناتها مصممة لتحمل الظروف الصناعية القاسية.
• الدعم العالمي: تستجيب شركة OMCH للطلب العاجل على استقرار سلسلة التوريد من خلال قاعدة تصنيع متطورة (مصنع بمساحة 8000 متر مربع، و7 خطوط إنتاج) وضمان وقت استجابة على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع.

بالنسبة للمهندسين الذين يرغبون في التأكد من أن المستوى السفلي (المستوى 0) من هرمهم صلب كالصخر، فإن استخدام أكثر من 3000 وحدة من وحدات التخزين من OMCH يوفر حلاً وسطًا بين الموثوقية الصناعية وفعالية التكلفة في المشتريات.

طبقة التحكم الأدمغة

بعد أن تجمع المستشعرات البيانات، يجب معالجتها.

• وحدات التحكم المنطقي القابلة للبرمجة (PLCs): أجهزة كمبيوتر متينة تقوم بتنفيذ المنطق (على سبيل المثال، “إذا رأى المستشعر (أ) صندوقًا، فقم بتشغيل المحرك (ب)”).
• صناعي الحواسيب الشخصية: تُستخدم للمعالجة الأكثر تعقيدًا، مثل تحليل الرؤية أو خوارزميات الذكاء الاصطناعي.

طبقة التشغيل: العضلات والحركة

تقوم هذه الطبقة بتنفيذ العمل المادي بناءً على أوامر من طبقة التحكم.

• المحركات والمحركات: توفر المحركات المؤازرة والسائر حركة دورانية دقيقة.
• الهوائيات الهوائية: يتم توفير الحركة الخطية عن طريق الأسطوانات والصمامات (التي يتم بيعها عادةً مع الحساسات من قبل البائعين مثل OMCH) مع الهواء المضغوط.
• الروبوتات أذرع مفصلية أو روبوتات دلتا التي تؤدي مهام تجميع معقدة.

طبقة الاتصال الجهاز العصبي

يتضمن ذلك الكابلات والموصلات وإمدادات الطاقة التي تربط كل ذلك معاً.

• إمدادات الطاقة الصناعية: من المهم تحويل التيار المتردد الرئيسي إلى تيار مستمر بجهد 24 فولت مستقر. أي اختلاف في هذه الحالة يمكن أن يعطل وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs).
• الموصّلات: تُعد موصلات M8 و M12 قياسية لضمان توصيلات مقاومة للماء والاهتزازات بين المستشعرات ووحدات التحكم.

التقنيات الرئيسية التي تقود المصنع الآلي الحديث

وبالإضافة إلى الأجهزة العادية، هناك بعض التقنيات التي تعمل على توسيع حدود الأتمتة.

1. SCADA (التحكم الإشرافي والحصول على البيانات): هذا هو البرنامج المركزي الذي يجمع بين جميع بيانات الماكينات. يمكّن مدير المنشأة من الحصول على رؤية شاملة للمصنع بأكمله.
2. رؤية الآلة: استخدام الكاميرات والبرامج عالية الدقة لفحص المنتجات بحثًا عن العيوب (الخدوش، والمحاذاة الخاطئة) التي قد تغفلها العين البشرية.
3. كوبوتات (روبوتات تعاونية): على عكس الروبوتات التقليدية المحبوسة، صُممت روبوتات Cobots للعمل بأمان إلى جانب البشر، حيث تتوقف على الفور إذا اكتشفت وجود تلامس.

تطبيقات العالم الحقيقي: حيث تتألق أتمتة المصانع

لتصور التأثير، سنأخذ في الاعتبار ثلاث صناعات.

1. تصنيع السيارات (التجميع الثقيل)

كانت صناعة السيارات أول صناعة مؤتمتة. هنا, الأتمتة الثابتة يستخدم لختم الصفائح المعدنية، و الأتمتة القابلة للبرمجة (الروبوتات) تستخدم في اللحام والطلاء.

• التأثير: يمكن لمصنع سيارات حديث إنتاج سيارة كاملة في غضون 60 ثانية بدقة مليمترية.

2. تجميع الإلكترونيات (الدقة والسرعة)

نظرًا لأنه يتم تجميع ملقم الكمبيوتر للهاتف الذكي، يتم استخدام ماكينات تقنية التثبيت السطحي (SMT) لتجميع آلاف المقاومات والمكثفات المصغرة على الألواح في الساعة، بدلاً من التجميع اليدوي للمنتج.

• التأثير: هذا المستوى من السرعة والتصغير مستحيل فيزيائيًا على الأيدي البشرية. في هذه الحالة, الحساسات الكهروضوئية عالية الدقة للكشف عن وجود المكونات.

3. تغليف الأغذية والمشروبات (عالي السرعة)

تقوم الماكينات بتعبئة المشروبات وتغطيتها ووضع الملصقات عليها وتعبئتها في مصنع تعبئة الزجاجات بسرعة فائقة.

• التأثير: تضمن الأتمتة النظافة (بدون لمس بشري) والتعبئة الدقيقة للحجم. تُستخدم مستشعرات القرب للتأكد من أن الأغطية معدنية ومغلقة بشكل صحيح قبل نقل الزجاجات إلى مرحلة التعبئة.

الاتجاهات المستقبلية: إنترنت الأشياء والذكاء الاصطناعي والصيانة التنبؤية

يكمن مستقبل أتمتة المصانع في البيانات.

• إنترنت الأشياء (إنترنت الأشياء الصناعية): كل جهاز استشعار ومحرك متصل بالإنترنت، ويقوم ببث البيانات إلى السحابة.
• تنبؤي الصيانة: بدلاً من إصلاح الآلة عندما تتعطل، يقوم الذكاء الاصطناعي بتحليل بيانات الاهتزاز ودرجة الحرارة من أجهزة الاستشعار للتنبؤ بالفشل قبل يحدث ذلك. وهذا يحول الصيانة من “تفاعلية” إلى “استباقية”.”
• التوائم الرقمية: هذا هو إنشاء نسخة افتراضية من المصنع لاختبار التغييرات في المحاكاة ثم تنفيذها في خط الإنتاج الحقيقي.

بناء النظام البيئي الآلي الخاص بك: من أين تبدأ؟

قد يبدو التحول إلى مصنع مؤتمت مهمة شاقة، إلا أنها لا تحتاج إلى إصلاح شامل بين عشية وضحاها. فالاستراتيجيات الأكثر نجاحاً غالباً ما تبدأ صغيرة:

1. تحديد الاختناقات: تحديد العملية التي تؤدي إلى أكبر قدر من التأخير أو مشاكل الجودة.
2. ترقية الاستشعار والتحكم في الاستشعار والتحكم: قبل شراء روبوتات مكلفة، تأكد من أن معداتك الحالية تحتوي على البيانات الصحيحة. الخطوة الأولى منخفضة التكلفة وعالية التأثير، وهي الترقية إلى أجهزة عالية الجودة الحساسات والمفاتيح ومصادر الطاقة.
3. التركيز على جودة المكونات: يحتوي النظام الآلي على المزيد من نقاط الفشل. اختيار شريك مع مجموعة واسعة من المنتجات والجودة المعتمدة مثل أومتش-يمكنه تبسيط سلسلة التوريد الخاصة بك وضمان التوافق عبر الأنظمة الكهربائية وأنظمة التحكم.
4. توسيع النطاق: بمجرد استقرار الأساس، انتقل إلى أنظمة التحكم المتكاملة (المستوى 2) والتكامل المؤسسي (المستوى 4).

أتمتة المصانع هي رحلة من التحسين المستمر. من خلال فهم الأنواع، وحساب العائد على الاستثمار، واختيار المكونات الأساسية القوية، يمكنك بناء نظام تصنيع ليس فقط أسرع ولكن أكثر ذكاءً ومرونة.