أجهزة الاستشعار الصناعية لأنظمة الذكاء الاصطناعي المادية في عالم التصنيع الذكي
مقدمة
يمثل التصنيع الذكي التقارب بين التقنيات الرقمية وعمليات التصنيع التقليدية. ويقع الذكاء الاصطناعي المادي في قلب هذا التحول، والذي يدمج خوارزميات الذكاء الاصطناعي مع الأنظمة المادية، مثل الأذرع الروبوتية والمركبات الموجهة آلياً (AGV) وآلات التحكم العددي الحاسوبي (CNC). ولكي تكون هذه الأنظمة فعالة، فإنها تحتاج إلى بيانات في الوقت الفعلي من البيئة المادية - وهنا يأتي دور أجهزة الاستشعار. أصبحت أجهزة الاستشعار الصناعية، التي تعمل كعيون وآذان، لا غنى عنها في التصنيع والأتمتة الحديثة، حيث تحولت من أجهزة قياس أساسية إلى أنظمة متطورة قادرة على اكتشاف ومراقبة مختلف جوانب الأتمتة المنفصلة والعمليات. عند إقرانها بالذكاء الاصطناعي (الذكاء الاصطناعي البصري أو الصوتي أو الفيزيائي)، تتيح المستشعرات الصناعية أنظمة فيزيائية ذاتية التعلم تعمل على تحسين إنتاجية التصنيع والسلامة والتوائم الرقمية والتحليلات.
تهدف هذه السلسلة من المدونة المكونة من جزأين إلى مساعدة مهندسي التصميم في اختيار منتجات المستشعرات المناسبة لتطبيقاتهم الصناعية التي تدعم الذكاء الاصطناعي. في هذه المدونة الأولى، سنتطرق في هذه المدونة الأولى إلى أنواع مختلفة من أجهزة الاستشعار والتطبيقات. ستتناول المدونة الثانية الابتكارات في المستشعرات الصناعية والاتجاهات الناشئة في أنظمة الذكاء الاصطناعي المادية والتصنيع الذكي.
فهم المستشعرات الصناعية وكيفية عملها
المستشعرات الصناعية عبارة عن أجهزة تستشعر وتعالج المعلمات الفيزيائية مثل المسافة والضغط ودرجة الحرارة والتدفق والمستوى والحركة والسرعة والتسارع وغيرها. وهي تجمع البيانات الضرورية لمراقبة عمليات التصنيع والتحكم فيها. ثم يتم إرسال هذه البيانات إلى وحدات التحكم المنطقي القابلة للبرمجة (PLC) أو وحدة التحكم الرقمي الحاسوبية من خلال وحدات الإدخال/الإخراج التناظري الرقمية/التناظرية ووحدات الاتصال.
تتضمن المكونات الأساسية لجهاز استشعار صناعي نموذجي (انظر الشكل 1) عنصر استشعار، ومرجع جهد، ومضخم تشغيلي (OpAmp)، ومحول تناظري إلى رقمي (ADC)، ومعالج، وواجهة، وإدارة الطاقة. يقيس عنصر الاستشعار معلمة فيزيائية ويحولها إلى إشارة كهربائية مثل الجهد والتيار والمقاومة وما شابه ذلك.
تعمل المستشعرات الصناعية كواجهة بين الذكاء الاصطناعي والعالم المادي، مثل الجهاز العصبي في جسم الإنسان. عندما يحتاج العالم الرقمي إلى التفاعل مع البيئة المادية، فإنه يحتاج إلى هذه المستشعرات التناظرية والمختلطة الإشارات. لا يقتصر الجيل التالي من أنظمة الأتمتة الصناعية على تضمين إمكانات الذكاء الاصطناعي في سحابة تكنولوجيا المعلومات فحسب، بل يشمل أيضًا تضمين الذكاء الاصطناعي في أجهزة تكنولوجيا التشغيل المنتشرة في الميدان. وهذا يعني استخدام خوارزميات الذكاء الاصطناعي على الحافة في أجهزة الاستشعار وأجهزة التحكم المنطقي القابلة للبرمجة/الروبوتات لاتخاذ قرارات سريعة. سنركز هنا على أجهزة الاستشعار المستخدمة في الأتمتة الصناعية.
أنواع المستشعرات
- مستشعرات الصور (الرؤية): تستخدم مستشعرات الصور كاميرات لالتقاط الصور ومقاطع الفيديو للمنتج الذي يتم تصنيعه لتحديد الوجود والاتجاه والدقة. وهي ضرورية لمراقبة الجودة والفحص. يمكن لهذه المستشعرات اكتشاف نقاط متعددة للمنتج باستخدام مستشعر واحد وتوفير الدعم للرؤية الآلية. أونسمي’توفر مستشعرات الصور وكاميرات الأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة جودة صور ممتازة باستهلاك منخفض للطاقة. وهي توفر نطاقًا ديناميكيًا عاليًا وأداءً في الإضاءة المنخفضة لمنح نظامك أفضل النتائج في أي إعدادات ذكية في المصنع.
- مستشعرات الموضع وعزم الدوران: في حين تم استخدام مستشعرات تأثير القاعة والقوة والمستشعرات البصرية للتحكم في موضع المحرك، إلا أنها مكلفة للغاية عند التفكير في الحل الكلي مع عناصر الاستشعار مثل المغناطيس أو المقاومات الدقيقة أو التصنيع المعقد لأجهزة التشفير البصرية. يتمثل الاتجاه الجديد في استخدام مستشعرات الموضع الاستقرائي التي تستخدم مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ذات اللفات كعناصر استشعار مع وحدة التشفير التلقائي ووحدة تحكم في التطبيقات التي تتضمن التحكم في الحركة والروبوتات. ويتمتع كل من NCS32100 و NCV77320 بمزايا فريدة من نوعها مقارنةً بمستشعرات الموضع التقليدية بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر تحمل درجات الحرارة والتبسيط الميكانيكي والمناعة ضد الملوثات.
- أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية: باستخدام الموجات فوق الصوتية، تقيس هذه المستشعرات المسافة. وهي مثالية للكشف عن الأجسام الشفافة (على عكس المستشعرات الضوئية) ولا تتأثر بالغبار والأوساخ. مثال جيد على مستشعر القرب هو أونسمي’NCV75215 التي يمكنها اكتشاف الأجسام من 25 سم إلى 4.5 متر. في الروبوتات المتنقلة ذاتية التحكم، تُستخدم أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية للملاحة وتجنب العوائق. يمكن أيضًا استخدام تقنية الاستشعار بالموجات فوق الصوتية في استشعار التدفق ومستوى السوائل في تطبيقات أتمتة العمليات، بالإضافة إلى اكتشاف العيوب/الشقوق في فحص جودة المنتجات النهائية.
- المستشعرات الكهروضوئية: تستخدم هذه المستشعرات الضوء للكشف عن الأجسام. وهي مصنفة إلى أنواع ثلاثية الأشعة وعاكسة للضوء وعاكسة للضوء ومنتشرة عاكسة للضوء، ولكل منها ميزات وتطبيقات فريدة. تشتهر الحساسات الكهروضوئية باكتشافها غير التلامسي وقدرتها على اكتشاف جميع المواد تقريبًا ودعمها لمسافة كشف طويلة مع خط الرؤية. وهي تستخدم تقنيات الأشعة تحت الحمراء والليزر. ومن الأمثلة الجيدة على أجهزة الاستشعار العاكسة جهاز الاستشعار العاكس البسيط QR1113 من onsemi، وهو عبارة عن باعث أشعة تحت الحمراء 940 نانومتر مغلف جنباً إلى جنب مع ترانزستور ضوئي متوافق من السيليكون في حزم مثبتة على السطح ومن خلال ثقب.
- مستشعرات القرب: تكشف هذه المستشعرات عن الأجسام المعدنية بدون تلامس مادي، باستخدام مبادئ الحث الكهرومغناطيسي. وهي شديدة المقاومة للعوامل البيئية مثل الغبار والزيت. ويفضل استخدام تقنيات الموجات فوق الصوتية والكهروضوئية للأجسام غير المعدنية.
- مستشعرات الضغط: تُستخدم مستشعرات الضغط في البيئات الهوائية أو الهيدروليكية أو بيئات الغرف النظيفة للحفاظ على ظروف التشغيل المثلى والتنبيه بالانحرافات. وهي تعتمد عادةً على مقاييس الضغط أو مقاومات القوة التي تم تكوينها في تكوين جسر ويتستون لإلغاء الأخطاء وقياس الضغط من حيث الفولتية الصغيرة.
- مستشعرات درجة الحرارة: تراقب مستشعرات درجة الحرارة وتنظم درجة الحرارة في مختلف الصناعات، من معالجة الأغذية إلى تشغيل الآلات. تُستخدم المزدوجات الحرارية وكاشفات درجة الحرارة المقاومة (RTDs) بشكل شائع إلى جانب مستشعرات درجة الحرارة شبه الموصلة مثل أونسمي’ADM1023'.
- المستشعرات البيئية: أجهزة الاستشعار البيئية مثل أجهزة استشعار الغازات والمواد الكيميائية التي ترصد غازات سامة أو غازات معينة قابلة للاشتعال في البيئات التي تكون فيها اليقظة ضرورية. وغالباً ما يتم دمجها في أنظمة السلامة. يمكن لأجهزة استشعار المطر والضوء مثل المستشعر NCV76124 المصمم أصلاً لتطبيقات السيارات إرسال وقياس الضوء المنعكس باستخدام الصمامات الثنائية الضوئية لتحديد الجسيمات في البيئة. أو يمكن للواجهة الأمامية التناظرية للمستشعر الكهروكيميائي CEM102 المستخدم في المراقبة المستمرة للجلوكوز (CGM) مع وحدة التحكم الدقيقة RSL15 المزودة بتقنية البلوتوث 5.2 قياس التغيرات الطفيفة في التيار الكيميائي أثناء التشغيل باستهلاك منخفض جدًا لطاقة النظام.
اعتبارات الاستشعار الرئيسية
فيما يلي أهم 5 اعتبارات عند اختيار المستشعرات المناسبة لتعزيز أنظمة الذكاء الاصطناعي المادية في التصنيع الذكي:
- دقة وسرعة خاصة بالتطبيق: يجب أن تفي المستشعرات بمتطلبات الدقة والسرعة لمهمة الذكاء الاصطناعي المحددة - سواء كانت فحص الجودة في الوقت الحقيقي أو الصيانة التنبؤية أو التحكم الآلي.
- جودة البيانات وموثوقيتها: تولد أجهزة الاستشعار كميات هائلة من البيانات بمرور الوقت يمكن للذكاء الاصطناعي تحليلها للكشف عن الأنماط. وتُعد أجهزة الاستشعار التي توفر بيانات موثوقة بشكل متكرر ضرورية لتدريب نماذج الذكاء الاصطناعي وتشغيلها لدعم اتخاذ القرارات السريعة عبر منظومة التصنيع.
- قابلية التشغيل البيني والتكامل: يجب أن تتكامل أجهزة الاستشعار بسلاسة مع أنظمة التصنيع الحالية وتدعم الحافلات الميدانية القياسية وبروتوكولات الاتصال. وهذا يعني أن أجهزة الاستشعار الجديدة التي تدعم الذكاء الاصطناعي يجب أن تكون مصغرة ومتفاعلة.
- الأمن السيبراني وخصوصية البيانات: مع تنامي أجهزة الاستشعار المتصلة بالشبكة، تزداد مخاطر التهديدات السيبرانية والطلبات على أمن التقنيات التشغيلية وتكنولوجيا المعلومات. يعد ضمان النقل الآمن للبيانات على الحافة أمراً بالغ الأهمية، خاصة عندما تعتمد أنظمة الذكاء الاصطناعي على البيانات التشغيلية الحساسة من أجهزة الاستشعار لاتخاذ القرارات. ويتحقق ذلك من خلال أجهزة الاستشعار ذاتية المعايرة والتكرار التي يمكنها اكتشاف التهديدات وعزلها.
- الاستدامة وكفاءة الطاقة: أثناء زيادة عدد أجهزة الاستشعار للذكاء الاصطناعي الفيزيائي، لا يزال المشغلون بحاجة إلى أن تكون ميزانية الطاقة في حدود ميزانية الطاقة وتوفر أجهزة الاستشعار التي تعمل بتيار تشغيل منخفض ميزة لقابلية التوسع.