إدماج نظم الاستشعار والمراقبة في تطبيقات المحركات: الحساب والتصميم

ويمثل إدماج أجهزة الاستشعار ونظم المراقبة في التطبيقات الآلية القائمة تقدماً بالغ الأهمية في التكنولوجيا الحديثة للتشغيل الآلي الصناعي وتكنولوجيا السيارات، وهذا التكامل الشامل يعزز الأداء والكفاءة والموثوقية ويمكِّن من تطوير قدرات الرصد والمراقبة، ومن الضروري أن يُراعى في الحساب والتصميم على نحو سليم ضمان التشغيل غير المستقر والتحكم الأمثل في النظام الآلي، مما يجعل من الضروري للمهندسين والتقنيين فهم المبادئ الأساسية، وتكنولوجيات الاستشعار، ومنهجيات التحكم، وإجراءات الحساب الضالعة في هذه النظم.

نظم الرقابة على المواد الخامات

والمحركات الاسترشادية هي مجموعات العمل من التطبيقات الصناعية، التي تمثل جزءا كبيرا من استهلاك الطاقة الكهربائية في مرافق التصنيع في جميع أنحاء العالم، وتجعلها قوتها وموثوقيتها وفعالية التكلفة الخيار المفضل للتطبيقات التي لا حصر لها تتراوح بين المضخات والمراوح وخطوط الإنتاج الآلية المعقدة، غير أن تحقيق كفاءة الذروة والرقابة الدقيقة في هذه السيارات يتطلب تكاملا متطورا بين أجهزة الاستشعار ونظم المراقبة التي يمكن أن ترصد البارامترات الحيوية وتكيف ظروف التشغيل في الوقت الحقيقي.

ويحول إدماج أجهزة الاستشعار ونظم المراقبة محركاً أساسياً للفحص إلى نظام للمتابعة الذاتية الذكية قادر على التكيف مع ظروف الحمولة المتغيرة، وكشف الأخطاء المحتملة قبل أن تصبح إخفاقات حرجة، وتحقيق الاستخدام الأمثل للطاقة، ويشمل هذا التكامل النظر الدقيق في البارامترات الكهربائية، والخصائص الميكانيكية، والإدارة الحرارية، وبروتوكولات الاتصالات لإنشاء نظام متماسك يقدم أداء أعلى مقارنة بالطرق التقليدية لمراقبة المواقع المفتوحة.

أخصائيو التوجيه المتخصصين

أجهزة الاستشعار تعمل كعين وآذان نظم التحكم الحديثة في السيارات، تقدم ردود فعل أساسية تمكن من التحكم الدقيق ورصد الظروف، واختيار ودمج أجهزة الاستشعار المناسبة يؤثران تأثيرا مباشرا على قدرة النظام على الحفاظ على الأداء الأمثل، ومنع الفشل، ومدة فترة الحياة.

أنواع أجهزة الاستشعار لتطبيقات المحركات التوجيهية

وتشمل العناصر الرئيسية لنظم الرصد الحديثة درجة الحرارة، والاهتزاز، والمستوى الحالي، والفولط، ومجسات السرعة، التي هي في وضع استراتيجي لجمع بيانات الأداء الحركي الحرجة، ويخدم كل نوع من أجهزة الاستشعار غرضا محددا ويوفر رؤية فريدة في التشغيل الحركي والصحة.

السرعة والموقع

ويمثل استشعار السرعة والمواقع أحد أهم جوانب المراقبة المباشرة للمحركات، ولا سيما بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب تنظيما دقيقا بالسرعة أو مراقبة موجهة نحو الميدان، ومن الضروري الحصول على تعليقات دقيقة بشأن الموقف المتفرد، والتوجيه، وسرعة المروحية، من أجل التحكم الأمثل في المحركات المتحركة وقيادة السيارات الكهربائية بأقصى قدر من الكفاءة.

ويمكن لمستشعرات المواقع المستحثة أن تحل محل أجهزة قياس المغناطيسية والبصرية المكلفة التي تستخدم حالياً بشكل شائع في نظم مراقبة السيارات التي تتطلب استشعاراً مطلقاً للموقع، وسرعة عالية، ودقة وموثوقية، وهذه أجهزة الاستشعار المتقدمة توفر عدة مزايا على تكنولوجيات التماسك التقليدية، بما في ذلك الحصانة من التدخل الكهرومغناطيسي، وانخفاض حجمها ووزنها، وانخفاض تكاليف النظام عموماً.

ونظراً لأن التكنولوجيا المحفزة لا تعتمد على المغناطيسات، لا توجد حاجة إلى تصاريح التركيب التي تتطلبها عادة حلول الاستشعار المغناطيسي لتجنب الحقول المغنطية أو المواد الأسمدة القريبة منها، مما يبسط التكامل في التجمعات المتحركة الإلكترونية المدمجة، وهذه السمة تجعل أجهزة الاستشعار المحفزة جذابة بوجه خاص للتصميمات الحديثة التي تتسم فيها القيود الفضائية بأهمية بالغة.

ولا تزال أجهزة الاستشعار الضوئية شائعة في العديد من التطبيقات، مستخدمة شريطاً مرئياً على التقريب وتركيب جهاز الاستشعار على لوحة الوجه الآلي لعد نبضات وحساب السرعة، وتوفر أجهزة الاستشعار وأجهزة المغناطيس حلولاً بديلة لقياس السرعة، وكشف التباينات الميدانية المغناطيسية باعتبارها دوارة الدوار، وتمنح كل تكنولوجيا مزايا متميزة تبعاً لمتطلبات التطبيق المحددة، والظروف البيئية، واحتياجات الدقة.

أجهزة الاستشعار الحالية والفولطية

ويوفر الاستشعار الحالي والفولطي معلومات أساسية عن الحالة الكهربائية للمحرك، مما يتيح مهام المراقبة وقدرات التشخيص، وهذه أجهزة الاستشعار تقيس التيارات الثلاث مراحل والفولط التي تزود بها المحركات، وتوفر بيانات أساسية لتنفيذ خوارزميات المراقبة المتقدمة وكشف الأخطاء الكهربائية.

ويستخدم المستشعرون الحاليون عادة تكنولوجيا التأثير في القاعة أو المحولات الحالية أو المقاومين المتقطعين لقياس التدفق الحالي الفوري خلال كل مرحلة، ويعتمد الاختيار على عوامل مثل متطلبات الدقة، وضم النطاق الترددي، واحتياجات العزلة، والقيود المفروضة على التكاليف، ويكتسي القياس الحالي الدقيق أهمية بالغة بالنسبة لعمليات المراقبة الميدانية، حيث تتيح التغذية المرتدة الحالية الدقيقة التحكم المستقل في عوامل التدفق والعوامل الخام.

وترصد أجهزة الاستشعار بالفولطج كميات الإمدادات لكشف التقلبات أو الاختلالات أو الشذوذ التي يمكن أن تؤثر على الأداء الحركي أو تشير إلى مسائل نوعية الطاقة، كما يدعم قياس التذبذبات التي لا تحصى والتي تقدر الموقع الدوار والسرعة استنادا إلى الفولطية الطرفية والقياسات الحالية، مما يلغي الحاجة إلى أجهزة استشعار مكرّسة للسرعة في بعض التطبيقات.

أجهزة الاستشعار

ويعد رصد التدرج أمرا أساسيا لحماية المحرك من الضرر الحراري وتحقيق الكفاءة المثلى، حيث توضع أجهزة الاستشعار المعدة للتوتر في مواقع حرجة، بما في ذلك رياح المحركات، والسكن المحتوي على السيارات، والإطار الحركي، وأجهزة الاستشعار المشتركة لدرجات الحرارة، وأجهزة الكشف عن درجات المقاومة، وأجهزة أشعة الحرارة، وأجهزة الترموزين، التي تعرض كل منها مختلف الدقة، وخصائص النطاق، وخصائص الاستجابة.

ويتيح الرصد المستمر لدرجات الحرارة استراتيجيات الصيانة المتوقعة من خلال الكشف عن زيادات تدريجية في درجات الحرارة قد تدل على نشوء مشاكل مثل ارتطام اللبس أو تدهور العزل أو إخفاقات نظام التبريد، كما تدعم بيانات التدرج نماذج الحرارة وحسابات التزييف لضمان تشغيل المحرك في حدود آمنة في ظروف حمولة مختلفة.

أجهزة الاستشعار عن بعد

ويوفر تحليل التأشيرات رؤية قوية للحالة الميكانيكية للمعدات المحركات والمحركة، وقد تم تركيب أجهزة التسارع على أنماط الكشف عن المساكن المتحركة التي يمكن أن تشير إلى وجود ظروف مختلفة من العيوب، بما في ذلك العيوب، والاختلالات في العظام، والتشويش، والارتطام غير المستقر، أو الرنين الميكانيكي.

وتشير عملية اقتناء البيانات المتعددة الوسائط إلى جمع المعلومات التشخيصية من أجهزة الاستشعار المتعددة المتجانسة، مما يكشف عن جوانب مختلفة من العمليات المحركية التمهيدية مثل الإشارات الكهربائية (السريعة، الفولطية)، والردود الميكانيكية (الاحترار)، والخصائص الحرارية (التوقيت)، والانبعاثات الصوتية، وهذا النهج الشامل يوفر صورة أكمل للصحة الحركية من أي نوع من أجهزة الاستشعار يمكن أن تحققه.

تكنولوجيا الاستشعار المتقدمة

واستنادا إلى مبدأ " فيرنير " ، تدعم تكنولوجيا الاستشعار ذات الازدواج الثنائي في الترميز حلا يصل إلى 19 قطعة ودقة تصل إلى 14 قطعة، مما يجعلها أعلى من المنتجات القابلة للمقارنة المتاحة في السوق، وهذه أجهزة استشعار المواقع ذات الاستبانة العالية تمثل الطرف المتطور لتكنولوجيا الاستشعار عن طريق السيارات، مما يتيح التحكم الدقيق للغاية في الطلبات.

وستعمل تكنولوجيا الاستشعار القوية بصورة موثوقة في بيئات قاسية حيث يمكن أن تتعرض لدرجات حرارة عالية، وغبار، ورطوبة، وهزاز، وتدخل الكهرومغناطيسي، وهذه القدرة على التكيف البيئي أمر حاسم بالنسبة للتطبيقات الصناعية التي تعمل فيها المحركات في كثير من الأحيان في ظروف صعبة تؤدي بسرعة إلى تدهور تكنولوجيات الاستشعار الأقل قوة.

Smart Sensor Integration

وتظهر أجهزة الاستشعار الذكية حيث يتم تجهيز المعلومات التي يلتقطها جهاز استشعار أو أكثر في وحدة تجهيز رئيسية تتوافق مع بعض الوظائف مثل التجهيز والاتصال والتكامل، وتجمع هذه المستشعرات الذكية بين عناصر الاستشعار وقدرات التجهيز المحلية، مما يتيح حساب الحواف، ويخفف عبء نقل البيانات على نظام المراقبة.

أحدث اتجاه في مجال مراقبة حالة السيارات الكهربائية يعتمد على جمع المعلومات التي تم الحصول عليها من كميات مختلفة من الآلات للوصول إلى استنتاج أكثر موثوقية عن صحة المحرك هذا النهج المتعدد أجهزة الاستشعار يحفز على معلومات تكميلية من مختلف أنواع أجهزة الاستشعار لتحسين دقة التشخيص والحد من الإنذارات الكاذبة

نظام الرقابة على التصميم والهيكل

وتدير نظم المراقبة تشغيل المحركات الاستطلاعية عن طريق تعديل التطاير والتواتر والتعقيم لتحقيق خصائص الأداء المنشودة، وتؤثر تطور نظام المراقبة تأثيرا مباشرا على كفاءة السيارات والاستجابة الدينامية والمرونة التشغيلية.

طرق التحكم في الأسعار

وتمثل مراقبة السكك الحديدية، المعروفة أيضا باسم مراقبة فولت - بيرتز، أبسط نهج لضبط السرعة المحركية، وتحافظ هذه الطريقة على نسبة ثابتة بين حجم الفولطية التطبيقية وتواترها للحفاظ على التدفق المغناطيسي على مستويات مقاس السرعة تقريبا، وفي حين أن التحكم في الكسور يوفر البساطة وانخفاض تكلفة التنفيذ، فإنها توفر أداء دينامي محدود وقدرات محدودة على التحكم في الجرعات.

ولا يشمل المبدأ الأساسي لضبط الكسور سوى التحكم في حجم متغيرات التحكم مع تجاهل آثار التقلبات داخل المحرك، وعلى سبيل المثال، تذبذب الضوابط الفولطية في حين أن التردد أو الزلق يصطدمان بالضوابط، وإن كانت هذه البارامترات في الواقع مترابطة، وهذا التبسيط يحد من الأداء ولكنه يظل كافيا لتطبيقات مثل المراوح والمضخات والموصلات التي لا تكون فيها مراقبة السفن بدقة والاستجابة الدينامية السريعة متطلبات حاسمة.

مراقبة ناقلات الأمراض والرقابة الميدانية

كما أن التحكم الموجه نحو الميدان، الذي يسمى بمكافحة ناقلات الأمراض، هو أسلوب تحكمي متغير الترددات، حيث يتم تحديد تيارات المحركات ذات المراحل الثلاث من طراز AC على أنها عنصرين أوتوموغين يمكن تصورهما بمحرك، ويعرف أحد المكونات التدفق المغناطيسي للحركة، والآخر يُمكن من التحكم في المحركات.

وفي مجال مكافحة ناقلات الأمراض، تخضع جميع ظروف التشغيل لجهاز توجيهي أو محرك متزامن، مثل محرك محرك محرك محرك محرك مركب مركب مركب، وهو ما يصلح للربط بين تدفق التدفق الميداني وتدفق الدروع الذي ينشئه الميدان والتيارات ذات الطابع الذراعي (أو عنصر التمزق) بحيث لا تتأثر بالتالي بالربط بين التدفق الميداني الذي يمكن أن يتحكم فيه.

المراقبة الميدانية المباشرة

وفي استراتيجية إدارة العمليات الميدانية، يتم قياس ناقلات التدفق بالفلور إما بواسطة جهاز استشعار للتدفقات المثبتة في الغاب الجوي أو باستخدام معادلة الفولطية التي تبدأ من البارامترات الكهربائية، وتوفر شركة FOC المباشرة مراقبة دقيقة للتدفق عن طريق القياس المباشر أو حساب مركز التدفق الدائري، مما يتيح التحكم الدقيق في الحرق، وأداؤه الدينامي الممتاز.

ويتطلب النهج المباشر إما استشعارات التدفق المادي أو خوارزميات تقدير التدفق المتطورة استنادا إلى الفولط والقياسات الحالية، وفي حين أن هذا يوفر قدرا أكبر من الدقة، فإنه يزيد أيضا من تعقيد النظام وتكلفته، وتستخدم معلومات التدفق مباشرة لتنسيق التحولات بين الإطار المرجعي الثابت والإطار المرجعي التناوبي المتوائم مع التدفق الدوار.

المراقبة الميدانية غير المباشرة

وفي حالة ما إذا كان محرك التدفق الدائري التابع للمؤسسة الدولية للكهرباء يقدر باستخدام معادلة التحكم الميدانية الموجهة (النموذج الحالي) التي تتطلب قياساً لسرعات الدوارة، ومن بين هذين المخططين، فإن الشركة تستخدم بشكل أكثر شيوعاً لأنه في طريقة مغلقة يمكنها أن تعمل بسهولة على امتداد السرعة تتراوح بين الصفرية والسرعة الميدانية العالية السرعة.

وتقدر الشركة غير المباشرة موقع تدفق الرواد استنادا إلى سرعة الدوارات و تيارات المحركات المقاسة، وتفادي الحاجة إلى قياس التدفق المباشر، ويحسب هذا النهج التردد الزلق اللازم للحفاظ على التوجه الميداني المناسب ويضيفه إلى سرعة الدوار المقيسة لتحديد التردد المتزامن لتنسيق التحولات، وقد جعل البساطة والقوة في الشركة الخيار المفضل لمعظم التطبيقات الصناعية.

التدقيق المنسق

وتعتمد الرقابة الميدانية على التحولات الرياضية للتحول بين أطر مرجعية مختلفة، ويحوّل تحويل كلارك كميات ثلاث مراحل (أ، ب، ج) إلى مكونات أوتوغينية (ألفا، بيتا) في الإطار المرجعي الثابت، ثم يحول تحويل المنتزه هذه الكميات الثابتة من الإطار الإطار المرجعي (د، ف) إلى الإطار المرجعي الدوار (م، م) الذي يتوافق مع التدفق الدوار.

وهذه التحولات تمكن نظام المراقبة من العمل مع كميات البلدان النامية في الإطار المرجعي التناوبي، وتبسيط تصميم أجهزة التحكم الحالية، وتمكينها من التحكم المستقل في التدفق والتمزق، وتحوّل التحولات العكسية نواتج المتحكم إلى ثلاث مراحل من أجل منافذ الضبط النبض.

عناصر نظام المراقبة

وتستخدم أجهزة التحكم بالتكامل النسبي عادة لإبقاء المكونات الحالية المقيسة في قيمها المرجعية، وتشكل هذه أجهزة التحكم في معاملات PI جوهر حلقات المراقبة الحالية، مما يوفر تتبعا سريعا ودقيقا للتدفقات وللإشارات الحالية الممزقة.

وعادة ما تستخدم حلقة مراقبة السرعة جهازا لمراقبة التنفيذ يولد إشارة خاطئة تستند إلى الخطأ بين السرعة المرجعية والسرعة المقاسية، وهذا الهيكل الرقابي المتعاقب مع حلقة من السرعة الخارجية، والثغرات الحالية الداخلية توفر أداء ديناميا ممتازا ورفضا للاضطرابات.

ويعرف تعديل النبضات في مسارات التردد المتغير التحول إلى المترجم وفقاً للمراجع المتطورة التي هي ناتج المتحكمين الحاليين في محطة PI.

تقنيات التحكم عديمة الحساسية

وتقدر طريقة المراقبة الميدانية غير المباشرة الزوايا التدريجية للتدفقات الميدانية المغنطيسية، وتلغي الحاجة إلى أجهزة استشعار إضافية، ولكنها تضيف إلى تعقيد نظام المراقبة والوقت المحسوب له، وتخفض أجهزة الاستشعار الموجودة كليا في جهاز مراقبة السيارات التابع لمؤسسة FOC التكلفة وتزيد من موثوقية المحرك الاسترشادي للشركة، ولكنها تزيد أيضا من تعقيد وتكلفة جهاز التحكم.

وتقدر خوارزميات التحكم الحساسة الوضعية والسرعة من الفولط الطرفي والقياسات الحالية، وتلغي الحاجة إلى أجهزة استشعار ميكانيكية السرعة، وتشمل هذه التقنيات نظم تكييف مرجعية نموذجية، ومرشحات ممتدة من طراز كالمان، ومراقبي النماذج المتردية، وطرق الحقن ذات التردد العالي، ويعرض كل نهج خصائص أداء مختلفة وقابلية للتأثر بمختلف النطاقات السريعة وظروف التشغيل.

حساب البارامترات وتصميم النظام

ويعد الحساب الدقيق للبارامترات الآلية والتصميم السليم للنظم أمرا أساسيا لتحقيق أداء السيطرة الأمثل، وهذه الحسابات توفر الأساس لتنفيذ خوارزميات الرقابة واختيار أجهزة الاستشعار.

تحديد البارامترات الكهربائية

وتشمل البارامترات الكهربائية لمحرك قيد التشغيل مقاومة المحركات، ومقاومة الدوار، وخطوبة تسرب المحركات، وخطوبة التسرب بالدوار، وتقنية المغناطيس، ويمكن تحديد هذه البارامترات من خلال اختبارات موحدة تشمل اختبار عدم تحميلها، واختبارات الدوار المكشوفة، وقياس مقاومة العاصمة.

ويوفر اختبار عدم تحميل المعلومات عن الخسائر الأساسية والتخصيب عن طريق تشغيل المحرك في البرتقال المُعدَّل والتردد دون تحميل آلي، أما اختبار الروت المُعَلَّق الذي أجري مع الدوار المُسَتَبَطَّق والمُخفَّض للفولط، فيُولِّد معلومات عن الموصلات ومقاومة الدوارات، إذ تحدد قياسات المقاومة في العاصمة مقاومة المُتحف، وإن كان ينبغي تطبيق تصحيحات على نتائج دقيقة.

حساب الشفاه

يمثل الشفة الفرق بين السرعة المتزامنة والسرعة الدوارة الفعلية، التي تم التعبير عنها كنسبة مئوية من السرعة المتزامنة، وحساب الزلازل أساسي لفهم العمليات المحركية التمهيدية وتنفيذ خوارزميات المراقبة:

Slip (s) = (Ns-Nr) / Ns]

حيث السرعة المتزامنة و سرعة الـ(نر) هي السرعة الدوارة، السرعة المتزامنة تعتمد على تواتر العرض وعدد الأعمدة:

Ns = 120 × f / P]

حيث تردد (Hz) و(P) هو عدد الأعمدة، فعلى سبيل المثال، فإن حركية رباعية الأقطاب تعمل في 60 Hz لديها سرعة متزامنة تبلغ 1800 ريم بري، وإذا كانت السرعة الفعلية للدوار 1750 ريم، فإن الزلق يبلغ 2.78 في المائة تقريبا.

ويرتبط الشفة ارتباطا مباشرا بمحركات الإنتاج الخام، حيث إن الزلازل، بدون تحميل، ضئيل جدا (من 0.5 إلى 1 في المائة)، بينما يزيد حجمه الكامل إلى 2.5 في المائة بالنسبة للتصميمات النموذجية، والزللة التي تحدث فيها أقصى درجات التورم (التورك المكسور) هي عادة 10 إلى 20 في المائة، التي يصبح المحرك غير مستقر.

حسابات الربط

ويمثل الربط الفوقي المغناطيسي التدفق المغناطيسي الذي يربط بين الرياح المحركة، وهو أمر حاسم لإنتاج العجلات والسيطرة عليها، وعادة ما يحافظ على الربط بين التدفق الدوار في السيطرة الميدانية ذات القيمة الثابتة لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة وتبسيط مكافحة السخرة.

ويمكن حساب الربط بين التدفق المغنطيسي من المغنطيسي الحالي والمغنطيسي:

[KM = Lm × Im]

حيث يكون (كيم) هو الربط الجامح المغنطيسي، (لام) هو الموصل المغنطيسي، و(إيم) هو التيار المغنطيسي، وفي السيطرة الميدانية، يتحكم العنصر الحالي في هذا الربط التدفق، بينما ينتج العنصر الحالي (فاكسي) تورك.

وتتميز ديناميات الربط بالفلور بالزمن الداكن، وهو نسبة الموصلات إلى مقاومة الرواد، وهذا الرقم ثابت يؤثر على سرعة الاستجابة للتدفقات ويجب أن يكون معروفا بدقة لتنفيذ الرقابة على الوجه الميداني السليم.

حسابات القوة والكهرباء

ويعد حساب التراكب أمرا أساسيا لتصنيع السيارات، وتصميم نظم التحكم، والتنبؤ بالأداء، ويمكن التعبير عن العراك الكهرومغناطيسي في محرك قيدي بأشكال مختلفة تبعا للمعلومات المتاحة.

من حيث التيار والزلاجة:

Te = (3 × P/ 2) × (1 / / / / × (Rr / s) × Ir2]

حيث تي هو تسارع الكهرومغناطيسي، P هو عدد القطبين، UMS هو السرعة المتزامنة الأنجليزي، Rr مقاومة رواد، زلقة، وIr هو تيار روكتور.

وفي مجال المراقبة الموجهة نحو الميدان، يُحسب التمزق من التدفق والعناصر الحالية:

Te = (3/ 2) × (P/ 2) × × × × ]

حيث يكون (كيو) هو ربط التدفق الدائري و(إسق) هو العنصر الحالي للمحرك (ف-اكسيس) وهذه العلاقة المتسلسلة بين العروق والضرر (ف-اكسيس) هي ما يجعل السيطرة الميدانية ذات التوجهات فعالة جداً.

ويتصل ناتج الطاقة الميكانيكية بالسرعة والسرعة:

Pout = Te × RM]

وحيثما تكون القدرة على الإنتاج، تكون سرعة الأشعة الحرارية في الأشعة في الثانية الواحدة، ويجب أن تُحسب حسابات الكفاءة لمختلف الخسائر، بما في ذلك خسائر النحاس، والخسائر الأساسية، والخسائر في الاحتكاك والريح، وخسائر في الحمولة الضالة.

تقرير المصير الحالي والفولط

ومن الضروري تحديد درجات التقدير الحالية والفولطية بشكل سليم لاختيار أجهزة الاستشعار المناسبة، والإلكترونيات الكهربائية، ووسائل الحماية، ويتوقف المعدل الحالي على تقدير الطاقة المحركية، والفولط، والكفاءة، وعامل القوة:

Irated = Prated / (√3 × Vrated × × cos UM)]

حيث يتم تقدير معدل الطاقة الحالية، يتم تقدير سعرها بالنسب، وتُقيَّم قيمة الفولط المحسوب بالقيمة، والعامل هو الكفاءة، والعامل الكهربي هو العامل الذي يوفر التشغيل الاسمي، ولكن نظام المراقبة يجب أن يتعامل مع الذروة خلال الظروف التي تبدأ وتتحول إلى 5-7 أمثال المعدل الحالي.

ويجب أن تنظر تقديرات التطاير في كل من الفولطية الاسمية والتغيرات في الفولط التي قد تحدث بسبب التحول في حركة المركبات العضوية الثابتة، وحجم حافلة العاصمة في محرك متغير للترددات هو عادة 1.35-1.41 مرة في الفولطي لخطوط RMS لتصحيح ثلاث مراحل، ويجب أن يكون المحارض قادرا على إنتاج الفول المائي المطلوب في إطار AC مع الحفاظ على هامش مناسب للتحرك.

الحسابات الحرارية والتدمير

والإدارة الحرارية حاسمة بالنسبة للموثوقية على السيارات وطولها، وتتوقف ارتفاع درجة الحرارة في المحرك على الخسائر الناجمة والمقاومة الحرارية للبيئة المحيطة، وتشمل الخسائر الإجمالية خسائر النحاس في المحركات والدوارات والخسائر الأساسية والاحتكاك والخسائر في الهواء، وخسائر في الحمولة الضالة.

ويحدّد طول الزمان الحراري للمحرك سرعة استجابته للتغيرات في التحميل، وقد يكون للمحركات الصغيرة ثابت زمني حراري لمدة 10-30 دقيقة، بينما يمكن للمحركات الكبيرة أن تكون لها ثبات زمنية عدة ساعات، مما يؤثر على مدة الحمولة المسموح بها وعلى استراتيجية الحماية الحرارية.

وتُعزى حسابات التحلل إلى التشغيل في درجات الحرارة المرتفعة للمحيطات، وانخفاض التبريد بسبب انخفاض سرعة التشغيل، أو إلى منشآت عالية الارتفاع، وتخفض عوامل التخصيب النموذجية الطاقة المستمرة المسموح بها بنسبة 1-2 في المائة لكل ارتفاع درجة حرارة المحيط بنسبة 10 درجات مئوية فوق القيمة المقومة.

اختيار الاستشعار والمواصفات

ويتطلب اختيار أجهزة الاستشعار المناسبة النظر بعناية في عوامل متعددة تشمل متطلبات الدقة، والظروف البيئية، والقيود على التكاليف، والتوافق مع نظام المراقبة.

متطلبات الاستحقاق والتسوية

وتتوقف الدقة المطلوبة على طريقة المراقبة ومتطلبات التطبيق، وتتطلب المراقبة الميدانية عادة دقة قياسية تبلغ ١,٢ في المائة للحفاظ على التدفق السليم ومكافحة الجراثيم، وينبغي أن توفر أجهزة الاستشعار السريعة لمراقبة الغلق حلا كافيا لكشف التغيرات السريعة التي تبلغ ١,١ - ١ ريم، تبعا للتطبيق.

وقد تتطلب أجهزة استشعار المواقع لتطبيقات عالية الأداء قرارات تتراوح بين 12 و 16 قطعة أو أكثر من أجل التمكين من التحكم السلس في العروق وتقليل التمزق إلى أدنى حد، وينبغي أن توفر أجهزة الاستشعار درجة الحرارة دقة من 1 إلى 2 درجة مئوية من أجل الإدارة والحماية الحراريتين الفعالتين.

الاعتبارات البيئية

البيئات الصناعية تخضع لضغوط مختلفة، بما في ذلك درجات الحرارة القصوى، والهزاز، والرطوبة، والغبار، والتدخل الكهرومغناطيسي، ويجب أن يُحسب اختيار الحساس لهذه العوامل البيئية لضمان التشغيل الموثوق به طوال حياة السيارات في الخدمة.

وينبغي أن توفر درجات الحرارة الحادة هامشا كافيا فوق درجة حرارة التشغيل المتوقعة، حيث تكون عادة 20-30 درجة مئوية. ومقاومة الاهتزاز مهمة بوجه خاص بالنسبة للمستشعرات التي تقام مباشرة على المحرك، والتي قد تشهد تهوية كبيرة أثناء التشغيل العادي.

الاحتياجات المشتركة بين الجوانب والاتصالات

ويجب أن تقدم أجهزة الاستشعار التي تستخدم أجهزة الاستشعار نواتج تتفق مع مدخلات نظام المراقبة، إذ توفر أجهزة الاستشعار باللغات عادة نواتج فولتية أو جارية (0-10V، 4-20mA)، في حين يمكن للمجسات الرقمية أن تستخدم بروتوكولات مختلفة، منها معايير " سب آي " ، أو " أو " أو " أو " أو " أو " إيثرت أو " .

ويجب أن يكون نطاق الاتصال كافيا لدعم معدل تحديث حلقات المراقبة، حيث تعمل حلقات الرقابة الحالية في مجال الرقابة الميدانية عادة على أساس 5-20 كيلوهرتز، مما يتطلب تحديد النطاق الترددي للمستشعرين بما لا يقل عن 2-3 أضعاف تواتر المراقبة لتجنب التآكل التدريجي الذي يمكن أن يزعزعزع استقرار نظام المراقبة.

اعتبارات التنفيذ وأفضل الممارسات

ويتطلب التنفيذ الناجح لنظم الاستشعار والمراقبة المتكاملة إيلاء الاهتمام للعديد من التفاصيل العملية التي تتجاوز التصميم النظري.

تصاعد الحس وتركيبه

ويعد تركيب أجهزة الاستشعار السليمة أمراً حاسماً بالنسبة للقياسات الدقيقة والموثوقية الطويلة الأجل، ويجب أن تكون أجهزة الاستشعار السريعة متوافقة تماماً مع الهدف المتمثل في ضمان جودة الإشارات المتسقة، وينبغي أن تكون أجهزة الاستشعار الحرارية على اتصال حراري جيد بالسطح المرصد، باستخدام المركبات الحرارية أو الأجهزة المتصاعدة الملائمة للتقليل إلى أدنى حد من المقاومة الحرارية.

وتحتاج أجهزة الاستشعار عن طريق التأشيرات إلى أن تكون جاهزة لنقل اليقظة العالية التردد بدقة، وينبغي اختيار الموقع المتصاعد لتوفير الانقلاب الجيد للعنصر المرصد مع تجنب عمليات الصمود التي يمكن أن تضخ أو تخفف عناصر تردد محددة.

تحديد الهوية ووضع العلامات

وكثيرا ما تتطلب إشارات الاستشعار بالأشعة المتحركة التكييف قبل استخدامها في خوارزميات التحكم وقد تحتاج أجهزة الاستشعار الحالية إلى تعويض معادلاً ويكسب معايرة لتحقيق الدقة المطلوبة، وتحتاج أجهزة الاستشعار درجة الحرارة إلى التسلسل إذا استخدمت أجهزة الحرق أو أجهزة الترميز ذات الخصائص غير المباشرة.

ومن الضروري أن يزيل التصفيق الضوضاء والعناصر ذات التردد العالي التي يمكن أن تتدخل في خوارزميات التحكم، وتزيل أجهزة التصفيف المنخفضة التردد ضوضاء ترددات التحويل من القياسات الحالية، بينما يمكن للمرشحات أن تزيل ترددات التدخل المحددة، ويجب أن يوازن تصميم التصفية بين الضوضاء والرفض على التمزق التدريجي الذي يمكن أن يؤثر على استقرار السيطرة.

معايرة ومفوضية

ويكفل معيار الاختبار أن القياسات المستشعرة تعكس بدقة الكميات المادية الفعلية، وينبغي أن تُعادل أجهزة الاستشعار الحالية في نقاط متعددة عبر نطاق التشغيل بحيث تُحسب لعدم الترميز، وقد تتطلب أجهزة الاستشعار السريعة معايرة لحساب التسامح الميكانيكي في الهدف أو المتصاعد.

وتشمل عملية التكليف تحديد البارامترات لتحديد البارامترات الكهربائية الآلية المستخدمة في خوارزميات التحكم، ويمكن لإجراءات التعليم الآلي أن تحدد هذه البارامترات تلقائيا، على الرغم من أن الاختبار اليدوي قد يوفر نتائج أكثر دقة للتطبيقات الحرجة.

الحماية والكشف عن الخزن

ويجب أن يشمل نظام المراقبة مهام حماية شاملة لمنع الضرر الناجم عن ظروف خاطئة، كما أن مراقبة الحماية المفرطة في الوقت الراهن تُدير مسارات المرحلة وتُحدث الدافع إذا تجاوزت التواريخ حدودا آمنة، ويمنع التجاوز في الفولطية والحماية من التخلف عن الارتطام العمل خارج نطاق الفولط المقبول.

وتستخدم الحماية الحرارية أجهزة استشعار درجة الحرارة أو نماذج حرارية لمنع التسخين المفرط، ويحدد الكشف عن الخسائر في المرحلة مراحل مفتوحة أو اختلالات حادة يمكن أن تلحق الضرر بالمحرك، ويحمي الكشف عن الأخطاء الأرضية من الفشل في العزل الذي يمكن أن يخلق مخاطر السلامة.

استراتيجيات الرقابة المتقدمة والتعظيم

فبخلاف الرقابة الأساسية الموجهة نحو الميدان، يمكن للاستراتيجيات المتقدمة أن تزيد من تحسين الأداء والكفاءة والموثوقية.

تحقيق الكفاءة

:: تعديل مستويات التقلبات القائمة على أساس شروط التحميل للتقليل من الخسائر إلى أدنى حد، وفي الحمولات الخفيفة، يقلل التدفق إلى أدنى من القيمة المقومة من الخسائر الأساسية ويزيد من الكفاءة، ويجب أن توازن هذه الخوارزميات بين المكاسب الناتجة عن زيادة الكفاءة وبين القدرة المنخفضة على التكتل عند مستويات التدفق المخفضة.

ويحسب متحكمو النماذج المفقودة مستوى التدفق الأمثل من خلال وضع نماذج لمختلف عناصر الخسارة وإيجاد نقطة التشغيل التي تقلل إلى أدنى حد من الخسائر الإجمالية في حالة الحمولة الحالية، ويمكن لهذا النهج أن يحسن الكفاءة بنسبة 2.5 في المائة في الحمولات الجزئية، وهو أمر هام بالنسبة للمحركات التي تعمل بأحوال مختلفة.

الإدماج الافتراضي للنفقة

وقد أتاح انتشار شبكة الإنترنت الصناعية للأشياء الرصد المستمر للمحركات المستحثة من خلال شبكات موزعة من أجهزة الاستشعار التي تجمع اليقظة، والحاضر، ودرجة الحرارة، والبيانات الصوتية في الوقت الحقيقي، وتدعم هذه البيانات استراتيجيات الصيانة المتوقعة التي تحدد المشاكل قبل أن تسبب الفشل.

ويكشف النظام المقترح ويظهر الشذوذ بنجاح في بارامترات هامة مثل الاهتزاز، ودرجة الحرارة، والسرعة، وتيار ثلاث مراحل، والفولط بنسبة 99 في المائة من الدقة، مما يتيح الكشف عن الأخطاء بصورة موثوقة ويقلل من الإنذارات الكاذبة التي يمكن أن تؤدي إلى تدخلات الصيانة غير الضرورية.

ويمكن أن تحلل خوارزميات التعلم الماكنة البيانات التاريخية لتحديد الأنماط المرتبطة بأنواع معينة من الأخطاء، مما يتيح الكشف المبكر عن حالات الفشل في الحمل، وتدهور العزل، وشباكات الحانات المتناوبة، وغير ذلك من أساليب الفشل المشتركة، وهذه القدرة التنبؤية تتيح تحديد مواعيد الصيانة أثناء فترات التوقف المقررة بدلا من الاستجابة لحالات الفشل غير المتوقعة.

تقنيات الرقابة التكيفية

:: تعديل معايير الرقابة التصحيحية أو معايير التحكم في السيارات في الوقت الحقيقي للحفاظ على الأداء الأمثل على الرغم من التباينات في البارامترات، وتتفاوت مقاومة الروتاتب بدرجة كبيرة مع درجة الحرارة، مما يؤثر على دقة الرقابة الموجهة نحو الميدان، ويمكن للأغوزمات التصحيحية تقدير المقاومة الدوارة الفعلية وتحديث حسابات المراقبة تبعا لذلك.

)أ( نظم التكيف المرجعية النموذجية تقارن نواتج نموذجين - واحد على أساس الكميات المقاسة ونموذج واحد على أساس بارامترات مقدرة - وتعدل التقديرات لتقليل الخطأ بين النماذج إلى أدنى حد، ويمكن لهذا النهج أن يتكيف مع التغيرات في البارامترات دون اشتراط المزيد من أجهزة الاستشعار أو الحسابات المعقدة.

نموذج التصميم العملي

النظر في تصميم نظام استشعار ومراقبة لخمسين من طراز HP، و 460V، و 60 من طراز Hz، و 4 من طراز pole، يقودون سيارة دفع ذات عجلات متغيرة مثل مضخة مركزية.

متطلبات النظام

ويتطلب التطبيق مراقبة سريعة من 30 في المائة إلى 100 في المائة من السرعة المقومة مع تنظيم السرعة بنسبة 0.5 في المائة، ويجب أن يوفر المحرك التحكم السلس في الضغط الميكانيكي على نظام الضخ والرق، وأن كفاءة الطاقة مهمة بسبب ساعات التشغيل الطويلة، وأن تكون القدرات المتوقعة على الصيانة مطلوبة للتقليل إلى أدنى حد من وقت التعطل غير المخطط له.

اختيار جهاز الاستشعار

ومن أجل هذا التطبيق، يوفر جهاز استشعار تدريجي يحتوي على 1024 نبضاً للثورة حلاً ودقة مناسبين للسرعة، ويمكِّن ثلاثة أجهزة استشعار جارية ذات تأثيرات في القاعة، تبلغ مقياس الدقة 1 في المائة، من التيارات المتطورة للتحكم في الميدان، ويرصد جهاز استشعار درجة حرارة الارتفاع في درجة حرارة الريح، ويمكِّن قياس التسارع في المساكن الآلية من رصد اليقظة من أجل الصيانة المتوقعة.

نظام الرقابة

ويتم اختيار المراقبة الميدانية غير المباشرة من أجل تماسكها وسهولة تنفيذها، ويستخدم نظام المراقبة أجهزة مراقبة مجهزة بالأجهزة المزودة بأجهزة مراقبة تعمل بسرعة خارجية تعمل في 1 كيلوهرتز، وثغرات جارية داخلية تعمل في 10 كيلوهرتز.

حسابات البارامترات

وتُحدد البارامترات الآلية من خلال اختبارات قياسية، ويُحسب سعرها على أنه 60 ألف تقريباً استناداً إلى بيانات مجموعة الأسماء الآلية، وتبلغ سرعة التزامن 1800 ريم بري، وتبلغ نسبة الزلق المُعدّل 2.5%، مما يعطي سرعة تقديرية قدرها 1755 ريم، ويُعتبر ثابت الزمن عند الدوار 0.15 ثانية، مما يؤثر على تصميم متحكم التدفق.

The current controller bandwidth is set to approximately 500 Hz to provide fast torque response while maintaining stability.

نتائج التنفيذ

ويحقق النظام المنفذ تنظيم السرعة المحدد عبر نطاق التشغيل، إذ تبين قياسات الكفاءة تحسن بنسبة 3-4 في المائة في الحمولات الجزئية مقارنة بالتحكم المستمر في الزئبق بسبب التقلب الأمثل، وقد نجح نظام رصد الاحتباس الحراري في اكتشاف خطأ معدّل تطوري قبل ستة أسابيع من حدوث الفشل، مما يتيح استبداله في أثناء الصيانة المقررة.

التكنولوجيات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

ولا يزال مجال المراقبة المحركة الاستهلالية يتطور مع تكنولوجيات الاستشعار الجديدة، وخوارزميات التحكم، ونُهج التكامل.

شبكات الاستشعار اللاسلكية

وتقضي تكنولوجيات الاستشعار اللاسلكية اللاسلكية على الحاجة إلى توسيع نطاق الأسلاك، وخفض تكاليف التركيب، وتمكين الرصد في المواقع التي تكون فيها أجهزة الاستشعار اللاسلكية غير عملية، كما أن البروتوكولات اللاسلكية ذات الطاقة اللاسلكية المنخفضة مثل بلوتون لووتوث للطاقة، وزيغبي، ولوراكان تتيح أجهزة الاستشعار التي تعمل بالبطارية والتي يمكن أن تعمل لسنوات دون صيانة.

غير أن أجهزة الاستشعار اللاسلكية تواجه تحديات تشمل ضمان الاتصال الموثوق به في البيئات الصناعية الضئيلة كهربائيا، وإدارة استهلاك الطاقة، وتوفير عرض النطاق الترددي الملائم لتطبيقات المراقبة في الوقت الحقيقي، وتُستخدم التكنولوجيات اللاسلكية الحالية أساسا لرصد التحكم في المواقع المغلقة، وإن كان ذلك يتغير مع تحسن البروتوكولات.

الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي

وتطبق تقنيات التعلم في مجال المعلومات الآلات والآلات بصورة متزايدة على مراقبة السيارات والتشخيصات، ويمكن للشبكات العصبية أن تتعلم العلاقات المعقدة بين ظروف التشغيل ومعايير التحكم المثلى، التي يمكن أن تكون نُهجاً نموذجية تقليدية تفوق الأداء، وتحلل مقاييس التعلم العميق بيانات الاستشعار من أجل كشف الأنماط الخفية التي تبين وجود أخطاء.

ويتيح التعلُّم في مجال تعزيز النظم الرقابية تعلم استراتيجيات الرقابة المثلى من خلال المحاكمات والخطأ، وربما اكتشاف نُهج الرقابة التي قد لا ينظر فيها المصممون البشريون، غير أن هذه التقنيات تتطلب موارد حاسوبية كبيرة وبيانات تدريبية، مما يحد من تطبيقها الحالي على النظم ذات القيمة العالية.

التكنولوجيا الرقمية

ويخلق التوأم الرقمي نماذج افتراضية للنظم المحركة المادية التي تعمل بالتوازي مع المعدات الفعلية، وتشمل هذه النماذج بيانات الاستشعار في الوقت الحقيقي ويمكنها التنبؤ بالسلوك في المستقبل، وتحقيق الحد الأمثل من معايير المراقبة، وتحفيز آثار مختلف استراتيجيات التشغيل دون المخاطرة بالمعدات المادية.

ويتيح التوأم الرقمي إجراء تحليل متطور لطريقة تخطيط الصيانة، وتحقيق الأداء الأمثل، وكشف المشاكل، ويمكن أن يكونا أيضا بمثابة منابر تدريبية للمشغلين وموظفي الصيانة، مما يوفر محاكاة واقعية للظروف الطبيعية والخطأية.

Edge Computing and Distributed Intelligence

ويقترب نظام الحوسبة من تجهيز البيانات من أجهزة الاستشعار والمحاضرات، ويقلل من متطلبات التساهل وضمادات النطاقات بالنسبة للنظم المركزية، ويمكن للمستشعرات الذكية التي لديها مجهزات متنقلة أن تقوم بالتحليلات المحلية واتخاذ القرارات، ولا تنقل سوى المعلومات الموجزة أو الإنذارات إلى النظم العليا.

ويؤدي هذا الهيكل الاستخباري الموزع إلى تحسين استجابة النظام وموثوقيته مع الحد من العبء المحسوب على المتحكمين المركزيين، كما أنه يتيح أيضاً استخدام خوارزميات أكثر تطوراً في الرقابة المحلية تكون غير عملية إذا ما حدثت جميع عمليات المعالجة مركزياً.

التحديات المشتركة والحلول

ويطرح تنفيذ نظم الاستشعار والمراقبة المتكاملة تحديات مختلفة تتطلب اهتماما دقيقا أثناء التصميم والتكليف.

حساسية البارامترات ودرجة حدتها

ويتوقف أداء الرقابة على المستوى الميداني على المعرفة الدقيقة بالبارامترات الآلية، ولا سيما المقاومة العائمة والمدخلات، وتتفاوت هذه البارامترات مع درجات الحرارة، والتشبع، والتواتر، واحتمالات تدهور أداء السيطرة إذا لم تعالج معالجة سليمة.

وتشمل الحلول مقاييس تكييف البارامترات التي تستكمل باستمرار تقديرات البارامترات، وتصميمات رقابة قوية تحافظ على الأداء المقبول على الرغم من التباينات في البارامترات، وإعادة التأهيل الدوري خلال فترات الصيانة، ويمكن أن يصحح التعويض المؤقت لأهم الفروق في البارامترات دون خوارزميات تكيف معقدة.

Electromagnetic Interference

ويولد التحول العالي التردد في المدافع المضغوطة عن طريق التشويش على ظهر السفن تدخلاً كهرومغناطيسياً كبيراً يمكن أن يفسد إشارات الاستشعار ويعطل الاتصالات، ويعد التبرير السليم، والتدفئة، والتصفير أمراً أساسياً للحفاظ على سلامة الإشارات.

وتشمل أفضل الممارسات استخدام الكابلات المحمية لإشارات أجهزة الاستشعار، والحفاظ على مسارات أرضية منفصلة لدوائر الطاقة والإشارة، وتنفيذ إشارات متفاوتة للقياسات الحرجة، ويقلل أسلاك الأزواج الملتوية من إمكانية التقاط أجهزة التقاط الكهرومغناطيسية، بينما يقلل مسار الكابلات الصحيحة من الانقلاب بين أجهزة التحكم وكابلات الإشارات.

عدم التعرض للحساسية والتعافي

وقد تؤدي الإخفاقات الحساسة إلى تعطيل نظام المراقبة أو إلى تشغيل غير صحيح، وقد تتطلب التطبيقات الحرجة أجهزة استشعار زائدة عن الحاجة للحفاظ على التشغيل على الرغم من حالات الفشل في الاستشعار الواحد.

وتسمح استراتيجيات التحلل المميز للنظام بمواصلة العمل بتقليل الأداء عندما تفشل أجهزة الاستشعار، فعلى سبيل المثال، قد يتحول نظام ما من مراقبة السرعة المغلقة إلى مراقبة السحب من الهواء الطلق V/Hz إذا فشل جهاز الاستشعار السريع، مع الحفاظ على القدرة الوظيفية الأساسية إلى أن يتم إصلاحه.

المعايير والامتثال

ويجب أن تمتثل نظم مراقبة المحركات لمختلف المعايير التي تعالج السلامة والتوافق الكهرومغناطيسي والأداء.

معايير السلامة

وتحدد المعايير المشابهة للشبكة الدولية للطاقة الكهربائية من 61800 إلى 5-2 متطلبات السلامة لنظم الكهرباء السريعة القابلة للتعديل، وتعالج هذه المعايير الحماية من الصدمات الكهربائية، ومخاطر الحريق، والمخاطر الميكانيكية.() وتطبق معايير السلامة الوظيفية مثل IEC 61508 و ISO 13849 على التطبيقات الحساسة المتعلقة بالسلامة حيث يمكن أن تعرض الفشل في السيارات للخطر الأفراد.

ويتطلب الامتثال التصميم السليم لمهام الحماية، والتكرار بالنسبة للعناصر الحاسمة، واختبار التحقق لإثبات استيفاء متطلبات السلامة، ويجب أن تثبت الوثائق أن جميع أساليب الفشل المحتملة قد تم تحديدها ومعالجتها.

القدرة على التكرار بالصدمات الكهربائية

وتقيّد معايير لجنة الرصد البيئي، مثل اللجنة الدولية المعنية بالتكنولوجيا 61800-3، الانبعاثات الكهرومغناطيسية من السيارات وتحدد متطلبات الحصانة اللازمة للعمل في البيئات التي تصيبها الضوضاء الكهربائية، ويتطلب الامتثال اهتماماً دقيقاً للتصفير، والتدفئة، والركود في جميع مراحل التصميم.

وتخضع الانبعاثات التي يتم تنفيذها على خطوط الإمداد بالطاقة للرقابة من خلال أجهزة تحديد المدخلات، بينما تتطلب الانبعاثات المشعّة تصميماً مناسباً للضغوط وإدارة الكابلات، ويتحقق اختبار الحصانة من أن النظام لا يزال يعمل بشكل صحيح عندما يتعرض لمختلف الاضطرابات الكهرومغناطيسية.

معايير كفاءة الطاقة

وتحدد المنظمة الدولية للكهرباء 60034-30-1 فئات الكفاءة للمحركات، بينما تعالج معايير مثل IEC 61800-9-2 كفاءة نظم القيادة الكاملة بما في ذلك نظام المحرك واللافقار والتحكم.

ويتطلب تحقيق درجات عالية من الكفاءة تحقيق التصميم الأمثل لكل من تصميم السيارات واستراتيجية المراقبة، ويمكن أن تؤدي الحركات السريعة المتغيرة إلى تحسين كفاءة النظام بدرجة كبيرة مقارنة بالمحركات ذات السرعة الثابتة التي تُستخدم في خنق آلي، ولكن فقط إذا تم تصميمها بشكل سليم وصيغت خصيصا لتطبيقها.

تحليل التكاليف والفوائد

ويتطلب تنفيذ نظم الاستشعار والمراقبة المتقدمة استثمارا كبيرا، ويستلزم تبرير هذا الاستثمار تحليلا دقيقا للفوائد المتوقعة.

وفورات الطاقة

ويمكن أن تؤدي الحركات السريعة المتغيرة ذات السيطرة المثلى إلى خفض استهلاك الطاقة بنسبة تتراوح بين 20 و 50% في تطبيقات المتغيرات مثل المضخات والمراوح، وتتوقف وفورات الطاقة على حجم الحمولة وكفاءة نظام خط الأساس، وتشترك فترات استرداد الأجور التي تتراوح بين سنة واحدة وثلاث سنوات في التطبيقات ذات الاستخدام العالي والتفاوت السريع الكبير.

ويمكن حساب وفورات تكاليف الطاقة بمقارنة استهلاك الطاقة في النظام الأمثل مع خط الأساس، مضروبا بتكلفة الطاقة وساعات التشغيل السنوية، وقد تنجم وفورات إضافية عن انخفاض رسوم الطلب إذا خفض استهلاك الطاقة الذروة.

تخفيض تكاليف الصيانة

ويمكن أن تؤدي الصيانة الافتراضية التي تتيحها نظم الاستشعار الشاملة إلى خفض تكاليف الصيانة بنسبة 20-4 في المائة مقارنة باستراتيجيات الصيانة التفاعلية، وتشمل الفوائد خفض المخزون من قطع الغيار، وإزالة الصيانة الوقائية غير الضرورية، وتفادي الضرر الثانوي الذي يحدث عندما لا يكتشف الفشل على وجه السرعة.

ويمكن أن تكون قيمة تجنب التعطل غير المخطط لها كبيرة في صناعات العمليات المستمرة حيث تكون حالات انقطاع الإنتاج باهظة التكلفة، بل إن التحسينات المتواضعة في توافر المعدات يمكن أن تبرر استثمارات كبيرة في نظم الرصد والمراقبة.

تحسين الأداء

ويمكن لتحسين أداء الرقابة أن يزيد من ناتج الإنتاج، ويحسن نوعية المنتجات، ويقلل من النفايات، وتتوقف قيمة هذه التحسينات على التطبيق المحدد، ولكنها يمكن أن تتجاوز في كثير من الأحيان الوفورات المباشرة في الطاقة والصيانة.

فعلى سبيل المثال، قد يؤدي التحكم في السرعة السلس في تطبيق مناولة الإنترنت إلى الحد من عيوب المنتجات، في حين أن الاستجابة السريعة لتغيرات الحمولة في أداة آلية قد تقلل من أوقات الدورة، ويتطلب تحديد كمية هذه الفوائد فهما مفصلا للعملية وكيفية تأثير الأداء الحركي على أداء النظام عموما.

الخلاصة والطرق الرئيسية

ويمثل إدماج أجهزة الاستشعار ونظم المراقبة في التطبيقات الآلية القائمة تحديا هندسيا متطورا يتطلب خبرة في الهندسة الكهربائية، ونظرية المراقبة، وتجهيز الإشارات، والنظم الميكانيكية، وتشمل فوائد التكامل السليم تحسين الكفاءة، وتحسين الأداء، وتوسيع عمر المعدات، وتخفيض تكاليف التشغيل.

ويتطلب التنفيذ الناجح اهتماماً دقيقاً باختيار أجهزة الاستشعار، وحساب البارامترات الدقيقة، وتصميم خوارزميات قوية للمراقبة، والتكليف المناسب، وتختلف الاحتياجات المحددة اختلافاً كبيراً تبعاً للطلب، من محركات بسيطة ذات سرعة متغيرة للمعجبين والمضخات إلى نظم عالية الأداء للآليات الآلية والأدوات الآلية.

وتشمل الاعتبارات الرئيسية ما يلي:

• اختيار أجهزة الاستشعار الملائمة للدقة والبيئة ومتطلبات التكلفة في التطبيق
• اختيار أساليب الرقابة التي توازن متطلبات الأداء مع تعقيد التنفيذ
• تحديد بارامترات السيارات بدقة من خلال اختبار أو بيانات الصانعين
• حساب الزلق، والتدفق، والتعقيم، ومتطلبات الطاقة للتطبيق المحدد
• تنفيذ مهام مناسبة لتحديد الاشارات، والتصفيف، والحماية
• معالجة متطلبات التوافق الكهرومغناطيسي والسلامة
• تقييم أداء النظام من خلال الاختبار الشامل والتكليف
• النظر في التكلفة الإجمالية للملكية، بما في ذلك الطاقة والصيانة وتكاليف وقت العمل المخفض

ومع استمرار التكنولوجيا في التقدم، تبرز فرص جديدة لتحقيق تكامل أكثر تطوراً بين أجهزة الاستشعار ونظم المراقبة والاستخبارات في التطبيقات الآلية، ولا تزال أجهزة الاستشعار اللاسلكية والاستخبارات الاصطناعية والتوائم الرقمية والوعود الحوسبة لزيادة تحسين الأداء وخفض التكاليف، غير أن المبادئ الأساسية للاستشعار الدقيق والمراقبة الدقيقة وتصميم النظم المتأنية لا تزال أساسية بصرف النظر عن التكنولوجيات المحددة المستخدمة.

وبالنسبة للمهندسين والتقنيين العاملين في مجال النظم المحركة، فإن تطوير الخبرة في مجال تصميم نظم الاستشعار والتحكم يوفر قدرات قيمة تتزايد أهميتها في التطبيقات الصناعية الحديثة، والاستثمار في فهم هذه التكنولوجيات يدفع أرباحا من خلال تحسين أداء النظام، وخفض تكاليف التشغيل، وتعزيز القدرة التنافسية في بيئة صناعية تزداد الطلب.

For more information on motor control technologies and industrial functioning, visit the IEE website or explore resources from the ] International Society of Automation. Additional technical details on field-oriented control can be found through MathWorks