اجزای کنترلی طراحی شده برای انجام سریع ارتقاء در ماشین‌های قدیمی

چرا امروزه ارتقای ماشین‌های قدیمی ضروری است؟

قدیمی شدن سیستم‌های کنترل قدیمی و چالش‌هایی که تقاضا برای ارتقا را افزایش می‌دهند

سیستم‌های کنترل قدیمی هر روز مشکلات بیشتری ایجاد می‌کنند، زیرا تولیدکنندگان دیگر از آنها پشتیبانی نمی‌کنند و قطعات یدکی یافت شدنی‌تر می‌شوند. طبق یک مطالعه اخیر انجام شده توسط گروه مشاوره‌ای ARC در سال 2023، تقریباً دو سوم شرکت‌های تولیدی با دریافت قطعات تعویضی مشکل دارند، زمانی که تجهیزاتشان به سن 15 سالگی می‌رسند. قطعات ارتقاء یافته (Retrofit) به طور مستقیم با این مشکل مبارزه می‌کنند، با این امکان که پروتکل‌های ارتباطی مختلف به‌صورت هماهنگ کار کنند، مانند ترجمه بین استانداردهای Modbus RTU و Ethernet/IP، در حالی که پیکربندی ورودی/خروجی فعلی بدون تغییر باقی می‌ماند. اگر هیچ تغییری رخ ندهد، این سیستم‌های منسوخ شده به طور مداوم باعث خاموشی‌های غیرمنتظره، ایجاد خطرات ایمنی می‌شوند و ساده‌ترین اینکه، با فناوری‌های کارخانه هوشمند امروزی که به شدت به اتصال اینترنتی وابسته‌اند، همکاری نخواهند کرد.

تأثیر دشواری‌های نگهداری و عدم پشتیبانی از سوی تأمین‌کنندگان

هنگامی که تولیدکنندگان تجهیزات اصلی دیگر پشتیبانی فنی ارائه نمی‌دهند، بسیاری از واحدهای صنعتی متوسل به ارائه‌دهندگان خدمات سوم‌طرفه می‌شوند یا سعی می‌کنند خودشان راه‌حل‌های مهندسی معکوس را پیاده کنند. طبق تحقیقات انجام‌شده توسط مؤسسه پونمن در سال 2023، این رویکرد معمولاً حدود 34٪ به زمان تعمیر متوسط اضافه می‌کند. حفظ به‌روز بودن با مقررات ایمنی جدید در این شرایط بسیار دشوارتر می‌شود، به‌ویژه زمانی که باید با الزاماتی مانند آنچه در استانداردهای ISO 13849-1 برجسته شده است، کنار آمد. یک راه‌حل بهتر، انجام ارتقاء سیستم‌ها با استفاده از PLC ماژول‌های شبیه‌سازی (emulator) همراه با دروازه‌های پروتکل متنوع است. این ارتقاءها به حفظ پشتیبانی از تجهیزات مختلف کمک می‌کنند بدون اینکه سازگاری با مدل‌های قدیمی‌تر سنسورها و عملگرها که هنوز در حال کار هستند، از بین برود. علاوه‌براین، این روش به وابستگی به قطعاتی که دیگر از طریق کانال‌های سنتی تأمین نمی‌شوند کمک می‌کند.

داده: 68٪ از تولیدکنندگان در مورد کمبود بحرانی قطعات برای تجهیزات قدیمی گزارش داده‌اند (گروه مشاوره‌ای ARC، 2023)

این آسیب‌پذیری‌های سیستمیک، ضرورت انجام ارتقاء را برجسته می‌کنند. با افزایش عمر دارایی‌ها و کاهش هزینه‌های نگهداری، ارتقاء قطعات کنترل معمولاً سودآوری خود را طی 18 ماهه اولیه نشان می‌دهد.

قطعات کنترل کلیدی که ادغام بدون وقفه را ممکن می‌کنند

استفاده از پل‌های پروتکل برای ادغام دستگاه‌های جدید با زیرساخت‌های قدیمی

پروتکل برج‌ها زمانی که تجهیزات جدید نیاز به ارتباط با سیستم‌های کنترل قدیمی دارند، فاصله را پُر می‌کنند. این برج‌ها در واقع پروتکل‌های مختلف را ترجمه می‌کنند تا همه چیز با هم کار کند. به عنوان مثال، می‌توانند سیگنال‌های Modbus RTU را به فرمت‌های TCP/IP یا Ethernet/IP تبدیل کنند که سیستم‌های سریال قدیمی قادر به فهمیدن آن هستند. این امر امکان ارتباط واقعی بین تجهیزات جدید و پیشرفته با PLCهایی که ممکن است ۲۰ یا ۳۰ سال قدمت داشته باشند را فراهم می‌کند. این مبدل‌های پروتکلی کمی شبیه مترجم‌ها در میان یک گفتگو عمل می‌کنند. شرکت‌ها گزارش می‌دهند که به جای اینکه کل سیستم‌ها را از ابتدا تعویض کنند، حدود ۴۰٪ در هزینه‌های بازسازی صرفه‌جویی می‌کنند. علاوه بر این، زیرساخت‌های موجود می‌توانند باقی بمانند و لازم نیست دور ریخته شوند. حسگرها تجهیزات جدید می‌توانند در واقع با PLCهایی که ممکن است ۲۰ یا ۳۰ سال قدمت داشته باشند ارتباط برقرار کنند. این مبدل‌های پروتکلی کمی شبیه مترجم‌ها در میان یک گفتگو عمل می‌کنند. شرکت‌ها گزارش می‌دهند که به جای اینکه کل سیستم‌ها را از ابتدا تعویض کنند، حدود ۴۰٪ در هزینه‌های بازسازی صرفه‌جویی می‌کنند. علاوه بر این، زیرساخت‌های موجود می‌توانند باقی بمانند و لازم نیست دور ریخته شوند.

راهکارهای حفظ I/O به منظور حفظ پیوستگی سیستم در حین بازسازی

در حین ارتقا، حفظ نقاط آنالوگ و دیجیتال I/O از بروز اختلال در عملیات جلوگیری می‌کند. بلوک‌های ترمینال ماژولار و ماژول‌های I/O عمومی به فنیکاران اجازه می‌دهند تا:

• سیم‌کشی‌های موجود در زمینه را دوباره استفاده کنند
• صحت سیگنال آنالوگ را حفظ کنند (4-20mA/0-10V)
• به تدریج دستگاه‌های هوشمند را بدون نیاز به بازآرایی کامل پانل‌ها ادغام کنید
  این استراتژی حداقل‌ترین زمان توقف را به همراه می‌آورد و انتقال را به استانداردهای مدرن اتوماسیون تسهیل می‌کند.

چگونه کامپوننت‌های کنترل شکاف‌های ارتباطی را در اتوماسیون صنعتی پُر می‌کنند

امروزه اجزای کنترل بلاواسطه باعث می‌شوند سیستم‌های مختلف با یکدیگر کار کنند، باتوجه‌به اینترفیس‌های استاندارد مانند پروتکل‌های OPC UA و MQTT. این دستگاه‌های دروازه لبه‌ای (Edge Gateway)، داده‌های قدیمی با فرمت خاص را از ماشین‌های قدیمی دریافت کرده و آن‌ها را به چیزی تبدیل می‌کنند که همه بتوانند درک کنند، به‌گونه‌ای که تجهیزات کارخانه قدیمی بتوانند به‌صورت زنده با سیستم‌های جدید SCADA ارتباط داشته باشند. طبق تحقیقات منتشرشده توسط گروه مشاوره‌ای ARC در سال گذشته، واحدهایی که از این فناوری‌ها استفاده کرده‌اند، هزینه‌های ادغام خود را حدود ۳۲ درصد کاهش داده‌اند. در همین مدت، دسترسی تقریباً کامل به داده‌ها را در محیط‌های مخلوط سیستمی با نرخ ۹۹/۵ درصد حفظ کرده‌اند. چنین عملکردی تفاوت بزرگی در تلاش برای حفظ روند یکنواخت عملیات بدون نیاز به توقف‌های مکرر برای ارتقاء ایجاد می‌کند.

نوسازی سیستم‌های قدیمی با استفاده از قطعات کنترلی هوشمند و ماژولار

ارتقای تجهیزات قدیمی با قطعات کنترلی مجهز به اینترنت اشیا (IoT)

قطعات کنترلی مجهز به اینترنت اشیا (IoT) سیگنال‌های آنالوگ ماشین‌آلات قدیمی را به جریان‌های داده دیجیتال تبدیل می‌کنند و این امکان را فراهم می‌کنند که نظارت در زمان واقعی از طریق داشبوردهای ابری انجام شود، بدون اینکه منطق کنترلی اصلی تغییر کند. یک مطالعه موردی در سال 2024 نشان داد که یک کارخانه تولیدی فلزات به‌روش استمپینگ (Stamping) پس از ارتقای دستگاه‌های آنالوگ خود با کنترل‌کننده‌های محاسباتی لبه‌ای (Edge Computing)، 58٪ کاهش در توقفات غیربرنامه‌ریزی‌شده داشته است.

نوسازی ماشین‌آلات دهه 1960 با استفاده از ابزاردقیق هوشمند

ارتقای ماشین‌آلات قدیمی با جایگزینی رله‌های مکانیکی با گزینه‌های حالت جامد (Solid-State) و نصب سنسورهای هوشمند روی سیستم‌های هیدرولیکی و پنوماتیکی آغاز می‌شود. عملیات بهره‌برداری گزارش داده‌اند که با افزودن اجزای نظارت بر وضعیت (Condition Monitoring) به تجهیزاتی که در اصل در دهه 1960 نصب شده‌اند، مانند پمپ‌های خلاء و کمپرسورها، به بهبود 15 تا 20 درصدی در کارایی دست یافته‌اند.

روند: رشد سالانه 42٪ در ارتقای سیستم‌های صنعتی با استفاده از اینترنت اشیا (IoT) (MarketsandMarkets، 2024)

بازار صنعتی اینترنت اشیا با نرخ رشد سالانه 42 درصدی در حال رشد است، که این رشد تحت تأثیر تقاضا برای کنترل کننده‌هایی است که اجازه تبدیل دیجیتالی را بدون دور ریختن دارایی‌های کارکرده فراهم می‌کنند. بیشترین میزان انجام این کار (73 درصد) در صنایعی است که بهره‌برداری مداوم نیاز دارند، از جمله داروسازی و پردازش مواد غذایی.

به‌روزرسانی‌های PLC و مهاجرت به پلتفرم‌های جدید با استفاده از ماژول‌های کنترلی قابل تعویض و جایگزینی سریع

معماری‌های کنترلی ماژولار، جایگزینی مراحل مختلف PLC را از طریق رک‌های قابل استفاده با کارت‌های I/O قدیمی و پردازنده‌های جدید امکان‌پذیر می‌کنند. یک تأمین‌کننده بزرگ خودرویی در رده اول، سیستم سیمنس S5 دهه 1990 خود را به کنترل‌کننده‌های S7-1500 در طول 18 ماه با استفاده از کابینت‌های کنترلی هیبریدی ارتقا داد و توقف‌های تولید را در هر مرحله به کمتر از چهار ساعت محدود کرد.

استراتژی: مهاجرت افزایشی پلتفرم با معماری‌های کنترلی هیبریدی

نوسازی تدریجی ترکیبی از قطعات کنترلی جدید مبتنی بر اترنت با دستگاه‌های قدیمی‌تر فیلدباس از طریق دروازه‌های پروتکل را به همراه دارد. این رویکرد «دولايه‌اي» خطر را کاهش می‌دهد و به کارخانه‌ها اجازه می‌دهد در طول دوره‌های 12 تا 24 ماهه 85 تا 90 درصد ظرفیت عملیاتی خود را حفظ کنند. آزمون سازگاری بین‌المللی بین تولیدکنندگان هنگام ادغام سیستم‌های کنترلی از نسل‌های مختلف همچنان ضروری است.

تعادل بین هزینه، خطر و زمان توقف در به‌روزرسانی تابلوهای کنترلی

نوسازی سخت‌افزار تابلوهای کنترلی بدون بازسازی کامل سیستم

هنگامی که تولیدکنندگان تنها قطعات کنترل خاصی را جایگزین می‌کنند بجای اینکه کل سیستم را بازسازی کنند، هم پول و هم سردرد صرفه‌جویی می‌شود. ارتقا دادن فقط آنچه نیاز دارد واقعاً منطقی است. مواردی مانند روزآمد کردن پردازنده‌های PLC، نصب HMlهای جدید در کابینت‌های قدیمی یا تعویض تجهیزات شبکه منسوخ‌شده می‌تواند باعث شود سیستم‌ها مدت بیشتری بدون اینکه همه چیز را از هم بگیرید کار کنند. قسمت بهتر این است؟ شرکت‌ها گزارش داده‌اند که حدود 60 درصد در هزینه‌ها صرفه‌جویی کرده‌اند وقتی این روش را انتخاب کنند بجای اینکه تمام تابلوها را از ابتدا جایگزین کنند. افراد صنعتی که دنبال این موارد هستند، این روند را در گزارش‌های تعمیر و نگهداری سال‌های اخیر دیده‌اند.

تعویض بهره‌ورانه منابع تغذیه، رله‌ها و کنتاکتورهای منسوخ‌شده

تعویض استراتژیک اجزای الکترومکانیکی، توقف‌های تولیدی را به حداقل می‌رساند. هارنس‌های سیم‌کشی پیش‌ساخته و بلوک‌های ترمینال دسته‌ای به فنیسانان اجازه می‌دهند تا رله‌های معیوب یا منابع تغذیه منسوخ شده را در کمتر از 30 دقیقه تعویض کنند - 75 درصد سریع‌تر از سیم‌کشی مجدد سنتی. واحدهای پیشرو در زمینه استانداردسازی ابعاد اجزای خود در نسل‌های مختلف، سازگاری بین اجزای کنترل قدیمی و مدرن را افزایش می‌دهند.

تحلیل اختلاف نظر: تعویض کامل در مقابل به‌روزرسانی تابلوهای کنترل در سطح اجزای تشکیل‌دهنده

مرکز بحث، چالش متعادل کردن ظرفیت رشد آینده با در نظر گرفتن مسائل مالی فوری است. جایگزینی کامل سیستم‌ها مزایایی مانند ادغام فناوری محاسبات لبه‌ای را به همراه دارد، اما بر اساس تحقیقات اخیر صنعتی از سال 2024، حدود هشت در ده مدیر کارخانه زمانی که محدودیت مالی وجود دارد، به تدریج به بهبودها می‌پردازند. انجام به‌روزرسانی قطعات به‌صورت تکی، از مشکلات احتمالی که ممکن است در طول انتقال نرم‌افزارها رخ دهد می‌کاهد، هرچند این امر نیازمند بررسی‌های دقیق برای اطمینان از کارکرد منسجم تمامی قطعات در کنار نسخه‌های مختلف تجهیزات نصب‌شده در کنار هم در واحدهای امروزی است.

کاهش زمان توقف با ماژول‌های کنترل تعویض‌پذیر سریع

ماژول‌های کنترل تعویض‌پذیر بدون نیاز به خاموش کردن سیستم امکان جایگزینی کارت‌های I/O، دروازه‌های ارتباطی و واحدهای تغذیه را در حین کار فراهم می‌کنند. یک تولیدکننده نیمه‌هادی با استفاده از مؤلفه‌های ماژولار با قابلیت تخلیه خودکار، 420 ساعت از توقف سالانه خود کاست و دسترسی عملیاتی 99.98% را در طول مدرن‌سازی مراحل مختلف پنل خود به دست آورد.

مزایای قابل اندازه‌گیری: کارایی، انعطاف‌پذیری و بازده سرمایه‌گذاری در به‌روزرسانی مؤلفه‌های کنترلی

بهبود کارایی از طریق به‌روزرسانی سیستم‌های کنترل: صرفه‌جویی در مصرف انرژی و افزایش ظرفیت تولید

به‌روزرسانی تجهیزات صنعتی قدیمی با قطعات کنترل جدید می‌تواند بهره‌وری را بلافاصله افزایش دهد. وقتی کارخانه‌ها سیستم‌های خود را بازسازی می‌کنند، معمولاً کاهش مصرف انرژی در حدود ۱۲ تا حتی ۱۸ درصد را به دلیل کنترل‌های موتور بهتر و مدیریت هوشمندتر انرژی شاهد هستند. در همین زمان، افزودن سنسورها و اتوماسیون به افزایش خروجی تولید در محدوده ۱۵ تا ۲۲ درصد کمک می‌کند. بیشتر کسب‌وکارها متوجه می‌شوند که این سرمایه‌گذاری‌ها هم به سرعت شروع به بازگشت سود می‌کنند. به عنوان مثال، یک واحد بسته‌بندی سال گذشته چند عدد رله هوشمند و درایوهای فرکانس متغیر نصب کرد. در نتیجه، مصرف سالانه برق آن‌ها ۴۱۰ میلیون وات‌ساعت کاهش یافت که تأثیر واقعی‌ای روی سودآوری داشته است.

بازگرداندن انعطاف‌پذیری به ماشین‌های قدیمی با استفاده از قطعات کنترل قابل برنامه‌ریزی مجدد

دستگاه‌های قدیمی بدلیل استفاده از سیستم‌های PLC مدولار و ماژول‌های ورودی/خروجی انعطاف‌پذیر که می‌توان از طریق نرم‌افزار پیکربندی کرد، دوباره به کار گرفته شده‌اند. بر اساس داده‌های صنعتی اخیر از اوایل سال 2024، حدود سه چهارم کارخانه‌هایی که سیستم‌های کنترل خود را به‌روز کرده‌اند، زمان بازآرایی خود را 60 تا 80 درصد کاهش یافته دیده‌اند. این به این معنی است که می‌توانند خطوط تولید را بسیار سریع‌تر تغییر دهند، بدون اینکه نیاز باشد هرگونه قطعه فیزیکی را جدا کنند. صنعت خودرو نیز به طور گسترده‌ای این رویکرد را پذیرفته است. بسیاری از کارخانه‌ها اکنون دستگاه‌های پرسی را که دهه‌ها در حال کار بوده‌اند را با به‌روزرسانی نرم‌افزار کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی، قادر به ساخت طرح‌های کاملاً متفاوت باتری EV هستند. دیگر نیازی به بازسازی گران‌قیمت سخت‌افزاری نیست.

پارادوکس صنعتی: بازگشت سرمایه بالا از بازسازی قطعات کنترل با هزینه پایین با وجود پیچیدگی سیستم‌های قدیمی

اگرچه برخی موانع ادغام وجود دارد، ارتقاء اجزای کنترلی خاص در واقع بازدهی بهتری نسبت به تعویض کل سیستم‌ها فراهم می‌کند. پژوهش‌های اخیر در مورد نحوه نگهداری تجهیزات در صنایع نشان می‌دهد که ارتقای اجزای فردی می‌تواند منجر به بازدهی بین ۳۰۰ تا ۴۰۰ درصدی نسبت به سرمایه‌گذاری انجام‌شده شود، این موضوع با توجه به تمام هزینه‌هایی که به دلیل صرفه‌جویی در انرژی، جلوگیری از توقف تولید و افزایش عمر دستگاه‌های موجود به دست می‌آید، قابل توجیه است. شاید همین دلیل باعث شده است که دو سوم از تولیدکنندگان به جای تعویض کل سیستم‌ها، حتی در مواردی که زیرساخت‌های قدیمی‌تر از یک ربع قرن دارند، شروع به انجام این ارتقاهای کوچکتر کنند.

‫سوالات متداول‬

ارتقای ماشین‌های قدیمی چیست؟

ارتقای ماشین‌های قدیمی به معنای به‌روزرسانی سیستم‌های صنعتی قدیمی با اجزای کنترلی جدید بدون تعویض کل تجهیزات است، که به بهبود سازگاری و کارایی کمک می‌کند.

چرا ارتقاها برای سیستم‌های کنترل قدیمی مهم هستند؟

ریتروفیت‌ها به دلیل اینکه چالش‌های فرسودگی را پوشش می‌دهند، مشکلات نگهداری را کاهش می‌دهند و تطابق با استانداردهای ایمنی را تضمین می‌کنند، اهمیت زیادی دارند و این امر عمر تجهیزات منسوخ‌شده را افزایش می‌دهد و کارایی آن‌ها را بهبود می‌بخشد.

پل‌های پروتکولی چگونه می‌توانند به ادغام دستگاه‌های جدید با سیستم‌های قدیمی کمک کنند؟

پل‌های پروتکولی به عنوان مترجمان بین استانداردهای ارتباطی مختلف عمل می‌کنند و این امکان را فراهم می‌کنند که دستگاه‌های جدید بتوانند با سیستم‌های کنترل قدیقی ارتباط برقرار کنند و بدین ترتیب شکاف موجود بین تفاوت‌های نسلی را پوشش دهند.

مزایای قابل اندازه‌گیری انجام ریتروفیت بر روی ماشین‌آلات قدیمی چیست؟

ریتروفیت می‌تواند منجر به افزایش قابل توجه کارایی، کاهش مصرف انرژی، دسترسی به بهره‌وری بالاتر و بازدهی سرمایه بیشتر گردد، زیرا عمر مفید تجهیزات موجود را افزایش می‌دهد.