كيف تختار مستشعرات إنترنت الأشياء الصناعية لمراقبة المصانع؟

مستشعرات إنترنت الأشياء الصناعية (industrial IoT sensors) هي أجهزة القياس التي تثبّتها على الآلات والمرافق كي تصل حالتها إلى البرمجيات دون أن يجول أحد في صالة الإنتاج حاملًا لوح ملاحظات. واختيارها يعني المواءمة بين ثلاثة أمور: العطل الذي تريد رصده، وطريقة خروج القراءة من الآلة، وما يُبقي المستشعر مزودًا بالطاقة لسنوات.

وعادةً ما يواجه مهندس المصنع هذا السؤال ومعه قائمة بالآلات وميزانية، وتكون المستشعرات في الغالب أصغر بند فيها. أما اختيار الشبكة الخطأ أو مصدر الطاقة الخطأ فهو ما يحوّل المشروع التجريبي إلى عبء صيانة، لذا يمنح هذا الدليل الشبكة والطاقة القدر نفسه من الاهتمام الذي يمنحه للمستشعرات.

باختصار

• ابدأ من العطل الذي تريد رصده، ثم اختر القياس: الاهتزاز للمحامل وعدم الاتزان، والحرارة لفرط السخونة، والتيار للحمل وحالة التشغيل، والضغط لمشكلات التدفق.
• يمكن مراقبة الآلات القديمة بمستشعرات تُثبَّت بمشبك أو بمغناطيس، دون المساس بوحدة التحكم في الآلة.
• تناسب الشبكات اللاسلكية بعيدة المدى ومنخفضة الطاقة القراءات بطيئة التغير على امتداد موقع كامل، بينما تناسب التوصيلات السلكية البيانات عالية السرعة والآلات التي تتوفر بقربها الطاقة والكابلات أصلًا.
• يعتمد عمر البطارية أساسًا على عدد مرات إرسال المستشعر، لذا ففترة الإرسال قرار يتعلق بالطاقة بقدر ما يتعلق بالمراقبة.

أنواع مستشعرات مراقبة الحالة

تقيس مستشعرات مراقبة الحالة علامة مادية على سلامة الآلة. وتغطي الأنواع الشائعة معظم معدات المصانع:

نوع المستشعر	ما الذي يقيسه	المشكلات التي يكشفها عادةً	طريقة التركيب المعتادة
الاهتزاز (مقياس تسارع)	التسارع، وكثيرًا ما يُعرض كقيمة RMS لسرعة الاهتزاز وقيم ذروة	عدم الاتزان، وعدم المحاذاة، والارتخاء، وتآكل المحامل	مسمار ملولب أو وسادة لاصقة أو مغناطيس على مبيت المحمل
الحرارة	حرارة السطح أو المائع	فرط سخونة المحركات، وقصور التبريد، والاحتكاك	مجس تلامسي، أو مستشعر يُربط بحزام، أو مستشعر أشعة تحت حمراء دون تلامس
التيار	التيار الكهربائي في تغذية المحرك	حالة التشغيل، والحمل الزائد، وانحشار الآلة أو نقص المواد المغذية لها	مشبك بقلب منفصل (split-core) حول موصل طور واحد
الضغط	ضغط الخط أو الضغط التفاضلي	انسداد المرشحات، والتسربات، ومشكلات المضخات	توصيلة ملولبة على خط العملية
الموجات فوق الصوتية	الصوت عالي التردد	التلف المبكر في المحامل، وتسربات الهواء المضغوط، والتفريغ الكهربائي	مجس تلامسي أو ميكروفون للصوت المنقول عبر الهواء
جودة الزيت	محتوى الماء، والجسيمات، واللزوجة	تلوث مادة التشحيم أو تدهورها	مستشعر مركّب على خط دائرة التشحيم

وهناك نقطتان عمليتان لا يظهرهما الجدول. الأولى أن كثيرًا من مستشعرات الاهتزاز اللاسلكية لا ترسل الموجة الكاملة، بل تحسب قيمًا ملخصة داخل المستشعر نفسه، مثل قيمة RMS للسرعة وذروة التسارع، وترسلها، لأن الموجة الخام بيانات أكثر بكثير مما يحتمله راديو منخفض الطاقة. والقيم الملخصة ممتازة لتتبع الاتجاهات والتنبيهات، أما التشخيص التفصيلي للأعطال فيحتاج إلى مستشعر أو جهاز طرفي يستطيع التقاط الموجة.

والثانية أن جودة القياس من جودة مكانه. فمستشعر الاهتزاز مكانه على جزء صلب قريب من المحمل، لا على واقي مروحة أو صفيحة غطاء رقيقة. ومجس الحرارة المثبت على هيكل المحرك يقرأ قيمة أقل من حرارة الملفات في داخله، لذا يجب أن يراعي حد الإنذار الخاص به هذا الفارق.

ومن المفيد أن تنطلق من آلة واحدة لا من كتالوج المستشعرات. لنأخذ مضخة طرد مركزي يديرها محرك كهربائي عبر وصلة ربط (coupling). للمحرك محملان، عند طرف الإدارة والطرف المقابل له، وللمضخة محملان آخران. ومجموعة البداية المعقولة هي مستشعر اهتزاز على محمل طرف الإدارة في المحرك، وآخر على محمل طرف الإدارة في المضخة، وقراءة حرارة لكل من هذين المبيتين (فكثير من مستشعرات الاهتزاز تقيس الحرارة أيضًا)، ومشبك تيار على تغذية المحرك. هذه ثلاثة أجهزة، وهي تغطي معًا عدم الاتزان، وعدم المحاذاة، وتآكل المحامل، وفرط السخونة، وما إذا كانت المضخة تعمل أصلًا.

مستشعرات مراقبة الآلات القديمة

تشغّل معظم المصانع آلات صُنعت قبل وقت طويل من أن يفكر أحد في الاتصال بالشبكة. والخبر الجيد أن مستشعرات مراقبة الآلات يمكن تركيبها لاحقًا دون فتح خزانة التحكم أو تغيير برنامج PLC، وهذا يُبقي الضمانات وموافقات السلامة سارية.

وتبدو مجموعة أدوات التركيب اللاحق المعتادة هكذا. مشبك تيار بقلب منفصل حول طور واحد يخبرك هل الآلة في حالة تشغيل أم خمول أم حمل زائد، وهذا وحده يجيب عن أسئلة معدل الاستخدام. ومقياس تسارع يُثبَّت بمغناطيس على كل مبيت محمل في محرك ومضخة حرجين يعطيك اتجاه الاهتزاز. ومستشعر حرارة يُربط بحزام على علبة تروس أو خزان هيدروليكي يعطيك الاتجاه الحراري. ولا يتطلب أي منها ثقبًا، ويمكن نقلها كلها إذا تبيّن أن الموضع الأول غير مناسب.

وعند المقارنة بين عتاد مراقبة الآلات، تحقق من هذه النقاط في ضوء البيئة الفعلية لا الكتيّب الدعائي:

• نطاق القياس ودقته للإشارة الفعلية، مثل نطاق اهتزاز يغطي سرعة الآلة؛
• درجة الحماية (ingress protection) من مياه الغسل وسوائل التبريد والغبار؛
• درجة حرارة التشغيل، بما في ذلك أسخن سطح يلامسه المستشعر؛
• شهادة الأجواء القابلة للانفجار حيث تنطبق، مثل اعتماد المعدات وفق ATEX في الاتحاد الأوروبي؛
• طريقة ضبط المستشعر بعد التركيب، مثل إمكانية تغيير فترة الإرسال لاسلكيًا عن بُعد.

ومستشعرات الصيانة التنبؤية ليست فئة منفصلة من العتاد. فمقاييس التسارع ومستشعرات الحرارة نفسها تصبح «تنبؤية» حين تُتتبَّع قراءاتها على مدى أشهر وتُقارن بحدود تترك وقتًا كافيًا للتخطيط للإصلاح.

شبكات الاستشعار اللاسلكية لمراقبة المصانع

تُلغي شبكات الاستشعار اللاسلكية لمراقبة المصانع الجزء الأعلى تكلفة في التركيب اللاحق: مد الكابلات عبر مصنع قيد التشغيل. وكل خيار يناسب نوعًا مختلفًا من البيانات.

الخيار	المدى المعتاد داخل المصنع	الطاقة	البيانات في الرسالة الواحدة	الاستخدام المناسب
4–20 mA سلكي أو IO-Link	طول الكابل (حتى 20 مترًا لكل منفذ في IO-Link)	من الخزانة الكهربائية	مستمرة	الإشارات السريعة، والآلات القريبة من لوحات كهربائية
LoRaWAN	من مئات الأمتار إلى بضعة كيلومترات لكل بوابة	بطارية، وكثيرًا ما تدوم لسنوات	من بضعة بايتات إلى بضع عشرات منها	القراءات الدورية على امتداد موقع كامل
mioty	مماثل لـ LoRaWAN	بطارية، وكثيرًا ما تدوم لسنوات	حمولات صغيرة	أعداد كبيرة جدًا من المستشعرات، والمواقع المزدحمة بالتداخل الراديوي
Wi-Fi	عشرات الأمتار لكل نقطة وصول	كهرباء الشبكة أو بطارية قابلة لإعادة الشحن	كبيرة	الموجات الكاملة، والبيانات عالية المعدل
شبكة Zigbee أو Bluetooth المتشابكة (mesh)	عشرات الأمتار لكل قفزة	بطارية	من صغيرة إلى متوسطة	المناطق الداخلية الكثيفة، والمسافات القصيرة

وصالات المصانع بيئة صعبة على الراديو. فالرفوف الفولاذية والآلات والجدران الخرسانية تعكس الإشارات وتحجبها، والمحركات ومعدات اللحام تضيف ضجيجًا كهربائيًا. وتتعامل تقنيات LPWAN بعيدة المدى مثل LoRaWAN وmioty مع ذلك جيدًا لأنها تضحي بمعدل البيانات مقابل المتانة، فتمر الرسالة الصغيرة حيث يتعثر اتصال Wi-Fi. وقبل الشراء بكميات كبيرة، ضع بوابة في مكان مرتفع ومركزي، واحمل مستشعرًا تجريبيًا إلى أسوأ زوايا الصالة، وتحقق من جودة الإشارة في كل موضع. ثم كرر الجولة والآلات تعمل، لأن الصالة في ذروة الإنتاج أكثر ضجيجًا كهربائيًا من الصالة نفسها في يوم عطلة هادئ، وقد ينقطع الاتصال في موضع تغطيته حدّية حين تعمل الآلات بكامل طاقتها.

وتحدد قواعد الراديو أيضًا عدد المرات التي يستطيع فيها المستشعر الإرسال. ففي أوروبا، يستخدم LoRaWAN نطاق 868 MHz، حيث تسمح معظم النطاقات الفرعية للجهاز بالإرسال خلال 1% فقط من الوقت. وبالنسبة لمستشعر يرسل رسالة قصيرة كل بضع دقائق، فهذا ليس قيدًا على الإطلاق، لكنه يستبعد استخدام LoRaWAN لأي شيء يحتاج إلى قراءة كل ثانية. والخطط التي تحتاج إلى بيانات سريعة مكانها اتصال سلكي أو Wi-Fi منذ البداية.

في Kilo، خادم شبكة LoRaWAN جزء من المنصة، لذا لا يحتاج المصنع إلا إلى بوابات تدعم بروتوكول LoRa Basics Station. وتتصل محطات mioty القاعدية إما بـ mioty المدمج في Kilo Cloud، وإما بـ Kilo mioty Service Center مفتوح المصدر الذي تستضيفه بنفسك. وفي الحالتين، تصل القراءات من مستشعرات الصيانة التنبؤية على المضخات والمحركات إلى لوحات المعلومات نفسها، مع رسم اتجاه الاهتزاز والحرارة لكل آلة إلى جانب الآلات الأخرى.

التغذية المستمرة بالطاقة لمستشعرات مراقبة المصانع

تأتي التغذية المستمرة بالطاقة لمستشعرات مراقبة المصانع من أربعة مصادر، وفي العادة يحسم موقع كل مستشعر الاختيار عنك.

البطاريات هي الخيار الافتراضي في التركيب اللاحق اللاسلكي. وكثيرًا ما تستخدم المستشعرات الصناعية طويلة العمر خلايا ليثيوم كلوريد الثيونيل، التي تحتفظ بشحنتها لسنوات لكنها تفقد جزءًا من سعتها في البرد الشديد. ويعتمد عمر البطارية أساسًا على عمليات الإرسال. لنفترض أن ورقة بيانات مستشعر تعد بثماني سنوات عند إرسال تقرير واحد كل ساعة، وأن الإرسال بهذا المعدل يستهلك 70% من طاقته بينما يستهلك السكون 30%. فإذا انتقلت إلى تقرير كل عشر دقائق، تصبح حصة الإرسال ستة أضعاف: 0.3 + 0.7 × 6 = 4.5 أضعاف الطاقة اليومية، فتدوم البطارية نحو 8 ÷ 4.5 ≈ 1.8 سنة. هذه الأرقام افتراضية، لكن النمط نفسه ينطبق على معظم المستشعرات منخفضة الطاقة.

وتكون التغذية من كهرباء الشبكة أو بجهد 24 V DC منطقية حين يكون المستشعر بجوار خزانة تحكم فيها مصدر تغذية أصلًا، وللمستشعرات التي تأخذ عينات بسرعة أو تبث البيانات باستمرار. فجهد 24 V DC الصناعي هو مصدر التغذية القياسي للأجهزة الميدانية، لذا يستطيع المستشعر أو البوابة داخل اللوحة الكهربائية عادةً مشاركته.

وتقنية الطاقة عبر Ethernet (PoE) تنقل الطاقة والبيانات على كابل واحد. ويوفر المعيار IEEE 802.3af ما يصل إلى 15.4 W عند منفذ المحوّل (switch)، وهذا يكفي لمعظم المستشعرات والأجهزة الطرفية والبوابات، والإصدارات اللاحقة توفر أكثر. لكن العقبة هي الكابل نفسه: فكل جهاز PoE يحتاج إلى كابل خاص به يمتد حتى المحوّل، لذا تجدي PoE نفعًا مع بوابة أو كاميرا على سقف الصالة، وأقل بكثير مع عشرين مستشعرًا موزعة على الآلات.

أما حصاد الطاقة (energy harvesting) فيغذي المستشعر من محيطه: من الاهتزاز أو فروق الحرارة أو الضوء. وهو يناسب الآلات التي تعمل باستمرار، لكن المستشعر الذي يعتمد على اهتزاز الآلة يتوقف عن الإرسال حين تتوقف الآلة، لذا تحقق مما إذا كنت تحتاج إلى قراءات أثناء فترات التوقف.

ويسهل التعامل مع استبدال البطاريات حين يُدار بوصفه عمل صيانة مخططًا. سجّل تاريخ تركيب كل مستشعر وفترة إرساله، وجدول الاستبدال حسب المنطقة حين تقترب أولى المستشعرات من عمرها المتوقع. فالمستشعر الموجود في موضع ساخن، كأعلى فرن أو ضاغط، قد تنفد بطاريته أسرع مما تشير إليه ورقة بياناته، لأن كيمياء البطارية حساسة لدرجة الحرارة في الاتجاهين.

أسئلة شائعة عن مستشعرات إنترنت الأشياء الصناعية

ماذا يعني IP67 في مستشعرات إنترنت الأشياء الصناعية؟

IP67 تصنيف محدد في المعيار IEC 60529. فالرقم 6 يعني أن الغلاف محكم ضد الغبار، والرقم 7 يعني أنه يتحمل الغمر المؤقت في الماء حتى عمق 1 متر لمدة 30 دقيقة. ولا يغطي الغسل بالضغط العالي، الذي يتناوله التصنيف IP69K.

هل تحتاج مستشعرات إنترنت الأشياء الصناعية إلى بوابة؟

معظم المستشعرات اللاسلكية تحتاج إليها. فمستشعرات LoRaWAN تتواصل مع بوابة LoRaWAN، ومستشعرات mioty مع محطة قاعدية، وهذه تمرر الرسائل إلى خادم شبكة عبر Ethernet أو Wi-Fi أو وصلة ربط أخرى (backhaul). ويمكن لبوابة واحدة أن تخدم مئات المستشعرات، لذا نادرًا ما تحتاج صالة واحدة إلى أكثر من بوابة أو اثنتين.

هل يمكن ربط مستشعرات إنترنت الأشياء الصناعية بوحدة PLC قائمة؟

نعم، إذا كانت لدى وحدة PLC مداخل احتياطية. فالمستشعر السلكي ذو مخرج 4–20 mA يمكن توصيله مباشرة ببطاقة مداخل تناظرية، ثم تشارك وحدة PLC هذه القيمة مع SCADA أو مع بوابة طرفية مثل أي إشارة أخرى. أما المستشعرات اللاسلكية فتتجاوز عادةً وحدة PLC وترسل تقاريرها إلى شبكتها الخاصة بدلًا من ذلك.

اختر المضخة أو المحرك الذي تكون أعطاله الأشد ضررًا، وركّب عليه مجموعة البداية المكونة من ثلاثة أجهزة الواردة في مثال المضخة، ثم أضف مستشعري اهتزاز على الآلة التالية في الخط، واعرض الآلتين على لوحة معلومات واحدة. هذه المستشعرات الخمسة تقع ضمن الخطة المجانية في Kilo. وتوفر Kilo Electronics مستشعرات تسارع لهذا النوع من التركيب اللاحق، كما تعمل المستشعرات من مورّدين آخرين أيضًا، ما دامت تستخدم اتصالًا مدعومًا.