الأتمتة الصناعية

1- 1 علم الأتمتة الصناعية (Industrial Automation):

لقد أصبح مفهوم الأتمتة Automationمصاحباً لجميع مبادئ و مفاهيم عملية التصنيع في جميع أنحاء العالم ، قد انبثق هذا المفهوم من حاجة عمليات التصنيع لآليات و أدوات تستفيد من عامل الزمن في زيادة الكمية المنتجة و بتكلفة أقل ، و لم يتوقف الأمر عند
ذلك الحد ، بل تعداه ليصل إلى شروط تصنيع تتمتع بالمرونة و الجودة . وينطوي ذلك المفهوم بشكل مختصر على إقحام الآلة في عالم الصناعة و استبدالها بالطاقة بالبشرية العاملة قدر الإمكان .

.

2
ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ ـــــــــــــــــــ

إذاً أنت في وضع يحتم عليك تصميم أو بناء آلة أوتوماتيكية، هذا جيد. لا يوجد ما يعيق ذلك من الوجهة النظرية ، و لكن من حيث الواقع ، يجب على المصصم أن يلمّ إلماماً كافياً بالغرض المطلوب من الآلة و تكاليفها و زمن بنائها و المواد المطلوبة لذلك و توفرها ، و طبعاً قبل كل ذلك ……. رغبة الزبون .

1-2 ما هي عملية الأتمتة؟
السؤال هو، ما هي بالتحديد الآلة الأوتوماتيكية؟
هناك عدة احتمالات:
· الأتمتة “بالاستعانة بتعريف المترجم”.
· الصندوق الأسود الذي يزود بالمدخلات بشكل غامض و تخرج منه على شكل منتج نهائي “بوجهة نظر الإدارة”.
· سمها ما تريد و ذلك فقط لكي تبيعها و لا يهمك ما يكون عملها.
· نظام تصميم للتجهيزات و التحكم لإنتاج منتج مطلوب.

1-2-1 الأتمتة بتعريف العالم ويبستر:
· لقد عرف العالم مريام ويبستر في سنة 1972 ثلاثة خيارات لتعريف الأتمتة و هي:
· أسلوب لعمل تجهيزات عملية. أو نظام يشغل تلقائياً.
· تشغيل تلقائي محكم لعملية التجهيز بواسطة نظام ميكانيكي أو أجهزة إلكترونية تأخذ بدائل أعضاء الإنسان للمراقبة و الجهد و القرار.
· أما الخيار الثالث فهو من الممكن أن يكون الخيار المغلق لتصاميم المهندسين.
على الرغم من أن الغالبية لا يفكرون باستبدال أعضاء الإنسان (مع العلم أننا استبدلنا يدي الإنسان بأجهزة مناولة و عينيه بأجهزة مراقبة أو رؤية) و لكن بماذا يمكننا استبدال قلب الإنسان الحي، و لكن هذا التعريف يبقى غير ثابت في معظم الحالات.

1-2-2 طريقة الصندوق الأسود:
الصورة 1-2 تظهر مخطط بسيط بحيث يمكن لأي أحد بدون تدريب في الهندسة أن يتخيل الآلة المؤتمتة. هذا المخطط البسيط ممكن أن يكون صحيحاً عندما يريد أحد أن يجمد الماء السائل ليصنع مكعبات الثلج فيكون الصندوق المركزي الإنسان و آلة التبريد (الثلاجة) هي ما يقوم بالعمل. إن آلة صنع مكعبات الثلج ليست بهذه البساطة، على الرغم من وجود أجهزة أكثر تعقيداً الآن، فيجب على أحدنا أن يقلق عندما يرسم له أحد (و خاصة مديره) عملية آلية شبيهة بالصورة 2.1.

لتخفيض مستوى الجهد سواء (الوقت أو التكلفة) لإنتاج آلية جديدة يستطيع أن يقودها إلى الانهيار النهائي للمنتج الجديد القادم إلى السوق. هذا النص بالإضافة إلى الخبراء ممكن أن يساعدنا في هذا.

1-2-3 الخبراء يعلمون الأفضل دائماً:
هل يمكننا اعتبار أن جزازة العشب التي تعمل على الغاز، على أنها مؤتمتة بالتعريف؟. معظم مهندسي الأتمتة سيقولون لا. و لكن حتى الآن التعريف ليس واضحاً في هذا المجال. أحدهم يحاول في هذا و يقول أن قص الأعشاب الطويلة لتحويلها إلى قصيرة هي عملية يمكن أتمتتها. الخلاط الذي يصنع الحليب المخفوق يخضع لنفس المحاولة. في النهاية الأغلب أن أي شيء مع محرك ممكن أن يصنف على أنه آلي.
بالنسبة لأغلب المهندسين، الخلاط يعتمد على تغذيته داخلياً بالحليب و المثلجات و بعض المنكهات، فالخلاط هو بالنهاية عبارة عن أداة نحصل عن طريقها بعد وضع هذه المحتويات على الحليب المخفوق.
كما تستعمل آلة للحصول على الخبز نظام التغذية الداخلية أو الخارجية لا يمكن تمييزه في أجهزة أخرى. الحقيقة هي أن الخلاط القياسي المنزلي يتطلب من الإنسان التحكم بالمدخلات و إخراج المنتجات بالإضافة إلى أنها طريقة عمل تقود الغالبية لتسميتها عدة منزلية.
هل تعتبر الطابعة التي نحصل من خلالها على الجرائد صباح كل يوم آلة؟
الجواب هو في الغالب نعم. نستدل على أنها كذلك من خلال الآلية التي ندخل بها الورق من أسطوانة كبيرة ثم نحصل على الأوراق المطبوعة التي تكون بشكل رزم.
و تندرج تحت اسم آلة مؤتمتة تلك الآلة التي تقوم بأخذ كمية معينة من رقاقات الذرة المجففة و تضعها في علبة ليأت المستهلك و يراها موضوعة على الرف و يشتريها.
مهما يكن ما يريد الخبراء لتعريف الأتمتة هذا غير مهم. الخبير موجود للمساعدة في تخمين احتياجات، تصميم و تمثيل الجهاز المطلوب الذي سيصبح شيء ثمين.
1-2-4 سمه ما تشاء:
كيفما يكون، التعريف ليس مهماً مقارنة بالنتائج. إذا كانت الأجهزة أو الآلات قابلة للتشكيل اعتماداً على أجهزة و نظريات سابقة و النتائج كانت مقنعة فالشخص يمكن أن يطلق عليها ما يشاء.
حالة مشابهة ظهرت خلال السنوات حول استعمال تعبير “رجل آلي” و “علم الإنسان الآلي” خلال الفترة بين 1970 و 1980 كان علم الإنسان الآلي يعتبر تعبير عظيم، والنمو في هذا العلم كان من المتوقع أن يرتفع. الكثير من هذا كان متوقعاً أن يبدأ (حسب رأي العظماء) مع فيلم حرب النجوم الأصلي في عام 1979. على الرغم من أنه قيل لمعظم الناس خلال فترة 6 سنوات أنه يوجد شخص صغير هو الإنسان الآلي من النوع R2D2 و العديد كانوا مفتونين بالذي كانت تحققه التكنولوجيا. و كان من المتوقع أن الروبوتات لديها ذكاء جيد و لكن ذلك لم يتحقق و هذا أدى إلى خسارة العديد من الشركات لعشرات الملايين. و لكن بعد ذلك استعادت نموها المتوقع و تم تمثيل تعبير الإنسان الآلي بطريقة إيجابية. و تغير تعريف هذا العلم مع مرور السنوات.
1-2-5 التصميم المنظم للأجزاء:
الاتجاه الأولي لهذا النص هو النظر إلى كامل العملية، أي النظر إلى الأجزاء الميكانيكية والكهربائية الغير متاحة و تلك التي بحاجة إلى تصميم و بناء، و مكاملتها مع نظام مبني على الحساسات لتقليص الدور البشري في العملية. و بعض الأحيان يكون التحسين العالمي خلال التصميم التنظيمي للمهمة أشبه باختصار دوري للوقت و المال. و لكن نظرية النظام المتكامل هي الطريقة المفضلة لوصل الأشياء.

1-2-6 تعميم الآلة المؤتمتة:
لينتز (1985) عرّف تعميم الآلة المؤتمتة بأنه:
يوجد صندوق وظيفي من أجل كل جزء لكل قطعة من عملية الأتمتة. و هذا المخطط هو حجر الأساس لاستعراض المهمة التعليمية. و لكنها تكون محدّدة إذا كان الذي يقوم بالعملية يشعر بأنه مرغم على أن تكون كل آلة جديدة مصمّمة بشكل جاسىء. يوجد الكثير من الخيارات الهيكلية للآلة اليوم لتحديد هذا التصميم. و سنرى خيارات ممتعة أخرى في فصول متقدّمة. الشكل (2-2).

2-2 تصميم عملية الأتمتة :
إن عملية تصميم الآلة بشتّى الطرق هي مشابهة لعملية تصميم أي منتج جديد. اعتماداً على رأي كاتب قرأت له مؤخراً هناك من 5 إلى 10 خطوات للعملية يجب إتباعها. هناك 6 خطوات عامة هي الأكثر احتمالاً أن تكون مشتركة. واحدة من هذه الخطوات المفتاحية (الأساسية) للمهندس هي تحديد كيفية عمل المنتج، التي لا تُرى عادةً من قبل الزبون. و هذا يتطلّب صيحة إبداعية مخلوطة بالقيود المفروضة من الطريقة التي يمكن أن تُصنّع بها.
مهما يكن إن الآلات الأوتوماتيكيّة هي تحدّي مغاير عن التصميم العام للمنتَج الجديد. و الآلة بحدّ ذاتها لن تُرى من قبل العامّة. و الزبون ممكن أن يكون شخص أو مجموعة من الأشخاص على أرض المصنع. و بالطبع إن لون الآلة ليس بهذه الأهمية (و لكن بعض الشركات تحمل آراءّ مختلفة عن بعضها في هذا المجال). إن الوجود الأساسي للآلة الأوتوماتيكية ينطلق من المنتج المطلوب تصنيعه، إذاً مع الضغط في سرعة تغيرات السوق قد يتم إعطاء بعض الشركات أموالاً إضافية مقابل اختصار زمن التصنيع الذي طلبته سابقاً،فهناك عادةً وقت قليل لمعرفة كيف يمكن أتمتة المهمة. فمهندس تصميم الأتمتة يواجه تحد كبير.
ممكن لأحدهم أن يقوم بالتالي، بالرغم من أنها غير ضرورية في هذا الترتيب:
● النظر إلى عمليات أو أجهزة مؤتمتة مشابهة.
● النظر إلى كيفيّة قيام الإنسان بالعملية.
● تجريب أشياء جديدة في أفعال عشوائيّة على ما تبدو من الإبداع.
● تطبيق إستراتيجيّة الميكاترونيكس (الميكانيكيّة الإلكترونيّة).
فلنبحث الآن كل منها على حدا.

2-2-1 النظر إلى عمليات أو أجهزة مؤتمتة مشابهة:
من الضروري على الشخص ألا يتوقّف عن التعلُّم. و مع ذلك نجد الكثيرين يتوقفون عن التعلم قبل حتى إكمال الثانويّة. بالمقابل نرى أن المبدع أو المصنّع يجهد نفسه في تعلّم شيء جديد في كل مرة ينتقل فيها إلى معمل أو مكان جديد، حتّى أثناء قيامه برحلة بحث من أجل مشروع ما في الجامعة، و هناك أيضاً من يتعلّم أشياء عن طريق مراقبة كيفيّة حل الآخرين لبعض المشكلات. و بعد العديد و العديد من الزيارات و التعلّم يرى المصنّع نفسه قادراً على حل أي نوع من المشكلات التي يمكن أن تواجهه (و هذه هي الفائدة من التقدّم في العمر)، حيث أنَّ التصميمات المختلفة و المتطوّرة تأتي من تزاوج الأفكار المتعدّدة لخلق فكرة جيّدة.
و من المؤكّد إنّه ليس ضروريّاً أن يصل عمر الشخص إلى نصف قرن مثلاً حتى يستطيع الإلمام بما ذُكر سابقاً.
بعض الشركات تلجأ إلى التعاون مع غيرها من الشركات الأخرى فتكون الاستفادة للطرفين حيث تقدّم كل واحدة خبراتها إلى الأخرى بينما شركات أخرى تلجأ إلى التعتيم و إبقاء أفكارها لنفسها و هذا غالباَ ما يكون سبباً لفشلها حيث يتوقف ابتكارها للأفكار.
مع مرور محدود للرباط و دون نهايات حرة و يلزم لإنتاج هذه الحلقات الثلاث عمود دوراني مصمم بطريقة خاصة أما التحدي الذي يواجهنا كمبتدئين في صنع الحلقة الأولى و لف الرباط حولها تم تجاوزه.

2-2-2 تطبيق إستراتيجية الميكاترونيكس:
سواء كنت تعتقد أن استخدام الميكاترونيكس في الهندسة هو ابتداع جديد في التسعينات أو كنت تسخر منها و تعتبرها إشاعة اسم جديد لهندسة النظم،فإن الطريقة الوحيدة للنجاح في تصميم و بناء آلة مؤتمتة هو مقاربة لكامل الأنظمة كما هو مبين في الشكل (4-2) يوجد تداخل كامل ل:
● الهندسة الميكانيكية .
● الهندسة الكهربائية.
● التحكم.
● البرامج.
● مواد و مكونات .

المفهوم الأساسي هنا أنه يجب على الشخص الإطلاع على جميع التقنيات المتعددة المتوفرة بين يديه و استخدامها كلها معا أو أي منها بإبداع. هذا يبدو واضحا و مفروغا منه ، إلا أنه أحيانا يتم تصميم وضع و تجميع الوظائف الميكانيكية لبعض الأنظمة المؤتمتة قبل أن يتطلع عليها فريق التحكم. و هكذا يكون على فريق التحكم أن يجعلها تعمل بإضافة الحساسات و الموجهات.إذا كانت العملية أساسية ولا يوجد أي شيء جديد فيها فيمكن أن ينجح المشروع ، و لكن و بشكل عام هذه وصفة للدمار. مشاريع كهذه تتطلب أشهرا لجعلها خالية من العيوب بدلا من أسابيع، و العمل الإضافي اللازم لإعادة التصميم و البناء لجعلها تعمل بشكل صحيح يقلل الأرباح و يخرب جدول التسليم. هل يمكن لمهندس واحد التعامل مع الميكاترونيكس (هندسة النظم) إذا كانت المهمة سهلة لحد ما ؟ نعم، أما إذا كانت الآلة مشابهة لآلة موجودة حاليا، فالجواب هو لا. نادرا ما يمكن لشخص واحد أن يقوم بجمع كل المعرفة المطلوبة ثم يملك الوقت لإنزال السلعة المؤتمتة إلى السوق، فلا يوجد ساعات كافية في النهار للقيام بذلك، كما أنه غالبا يوجد أعضاء فريق متمرسين متوفرين للمساعدة.

3-2 معرفة العملية:
بعد معرفة كل هذا، ما هي الخطوة الأهم في تصميم الأنظمة المؤتمتة و عملية البناء؟ إن الأتمتة هي معرفة و فهم العملية المنجزة. هناك دائما نقص في الوقت، ولا يوجد وقت كافي للعودة إلى الرسومات إذا فشلت الآلة في العمل. بالتأكيد يوجد دائما عمليات إزالة عيوب رئيسية، و لكن إذا كانت العملية الجوهرية لا تعمل بشكل صحيح، سيكون الشخص قد استثمر شهورا من الجهد البشري و ثروة من المال في اختراع أخفق. وقد لا يمكن تطبيق عملية مراجعة على هندسة الآلة الموجودة لذلك قد ينتهي به الأمر في البدء من جديد و هذا قليل الحدوث.
إن أي عملية يمكن أتمتتها يجب أن تكون مستقرة و معرّفة جيدا. كمثال على ذلك عملية تركيب مسدسات اللحام على الروبوتات للقيام بلحام هيكل السيارة ما تمت حتى أتقن العمال هذه العملية (اللحام) بشكل كبير. إذا كان هناك توزع كبير في نتائج العملية وكان على التقنيين الاختبار و التعديل و تقرير أي مكون من مكونات المنتج جيد فإن الشركة لن تقبل بأن تتم أتمتة العملية. قد يبدو عندما تريد شركة تبحث عن الأتمتة معرفة العملية بشكل جيد مثل إنفاق أموالها عليها و كان لدى الشركة مجموعة بحث و تطوير، قد يبدو أنه يجب الاستفادة من مصدر كهذا، و لكن هذا لا يضمن النجاح. تتضمن الفقرة التالية مثالا حقيقيا من ذلك .

3-2-1 المكثف الملفوف:
قبل عدة سنوات بدأت شركة تصنع مكثفات لقطاع صناعة الطاقة الكهربائية بصنع هذا المكثف . يتكون المكثف من اسطوانة ملفوفة مؤلفة من طبقات معدنية و بين كل طبقة معدنية و التي تليها طبقة بلاستيك تعمل كعازل.
يبين الشكل (4-4) كيف يتم تشكيل الأسطوانة. يتم لف هذا المكثف حول النواة المحورية لعمود دوران و عند الانتهاء يتم ضغطها لتتسع في صندوق عرضه حوالي 6in و طوله 12in و عمقه 12in يتم إضافة أسلاك التوصيل الكهربائية بعد ذلك لكنها لم تعرض لأنها ليست جزءا من عملية الأتمتة. يتم الطلب من مجموعة التطوير و البحث في الشركة إجراء دراسة للأداء الكهربائي للمكثف و ذلك بما أن الطلب في السوق كان يتجه نحو أداء أفضل و سعر أقل.اكتشفوا أنه لو تم لف المكثف و العوازل بقوة شد منتظمة بدل قوة الشد المتغيرة التي تحدث عندما يزداد حجم البكرة، وذلك عندما يقوم عمود الدوران بلف الطبقات بشكل أضيق، فإن السعة الكهربائية للمكثف سوف تتحسن. وهذا اكتشاف جيد لأنه يتم الأداء دون زيادة في المواد المستخدمة. كل ما كان مطلوبا هو نظام لف محسن مع تحكم بقوة الشد. بما أنه يوجد ست بكرات لتزويد الصفائح المعدنية و العوازل، و النواة المركزية لمحور اللف و كلها يجب التحكم بها للحفاظ على الشد المنفرد و المركب ضمن البارامترات المحددة، فإن النظام يحتاج إلى سبع محركات سيرفو مع تحكم منتظم بالحركة. و هذا ليس بالمهمة المستحيلة بما أنه مشابه للتحكم بسبع روبوتات متصلة بواسطة الحساسات، هو عمل سهل و لكن ليس رخيصا. لكن الشركة المصنعة للمكثفات، بمساعدة مجموعة البحث و التطوير، كانت قد أنهت العمل الميكانيكي و الكهربائي و معظم عمل التحكم في أذهانها و ذلك للآلة المؤتمتة الجديدة عندما يتم الاتصال بالفريق ليساعد في تنظيم تنسيق المتحكمات بالحركة.
متحكمات الحركة متوفرة لهذا النوع من العمل، و لكن لا يمكن أن يكونوا مجموعة عشوائية من متحكمات الحركة أحادية أو ثنائية المحاور بأمل أن يتم ربطها معا. يجب أن يكونوا من مصنع واحد و تم بناؤها و تصميمها لتتعامل مع مهمة محددة.

مشكلة مفاجئة:
بعد ساعات من معرفة المشكلة المبدئية (والتي تم تعريفها من المهندس بقضية متحكم حركة ملف المكثف) خطرت للفريق فكرة عظيمة.