للمرة الأولى في العالم، تستخدم شركتي "يوكوجاوا" و"جي إس آر" الذكاء الاصطناعي للتحكم الذاتي في مصنع كيميائي لمدة 35 يومًا متتاليًا

*1

استنادًا إلى الاستقصاء الذي أجرته شركة "يوكوجاوا إلكتريك" في فبراير 2022 بشأن الذكاء الاصطناعي الذي يغير بشكل مباشر المتغير المتلاعب في المصنع الكيميائي.

*2

التحكم التناسبي التكاملي التفاضلي: اقترح نيكولاس مينورسكي لأول مرة في عام 1922، تقنية تحكم في البنية التحتية للصناعات المعالجة بهدف التحكم في الكمية ودرجة الحرارة والمستوى والضغط والمكونات. وتنفذ هذه التقنية التحكم إزاء القيمة المستهدفة أثناء استخدام نتائج كل من حسابات التناسب والتكامل والتفاوض وفقًا للتفاوت بين القيمة الحالية والقيمة المحددة. وتواجه عدة مشاكل مثل عدم القدرة على التعامل مع عدة اضطرابات خارجية (تغيرات الطقس والمناخ والتكوين المادي)، والتغييرات المتكررة في القيم المستهدفة، مما يستلزم اللجوء إلى التحكم اليدوي.

*3

التحكم المتقدم بالعمليات: يستخدم هذا التحكم نموذجًا حسابياً قادراً على توقع الاستجابات العملية ويعطي قيمًا محددة لحلقة التحكم التناسبي التكاملي التفاضلي في الوقت الفعلي من أجل تحسين الإنتاجية والجودة وإمكانية التحكم. كما يمكن تطبيقه بسهولة للتحكم بغرض زيادة الإنتاج وتقليل وقت العمل وتوفير الطاقة. وينتج عن ضم استخدام التحكم المتقدم بالعمليات، تقليل التفاوت في البيانات، مما يعطي امكانية الاقتراب من حدود الأداء التشغيلي (أي الحالة التي يمكن فيها الحصول على الأداء الأمثل). ومع ذلك، فهو محدود نظراً لعدم قدرته على الاستجابة للتبخير السريع للسوائل والتفاعلات الكيميائية الأخرى، والتغيرات الرئيسية في تكوين المواد، والتغيرات في الآلات.

*4

حجم المادة المستهدفة التي يتم الحصول عليها بالفعل من المواد الخام من خلال عملية التكرير

*5

يتيح نظام التحكم المتكامل "سنتوم في بي" CENTUM VP متابعة عملية الإنتاج بأكملها أثناء مراقبة الضغوط والتحكم فيها ومعدلات التدفق ودرجات الحرارة وعوامل أخرى، بالإضافة إلى دمج وظائف متشابكة متنوعة للتشغيل الآمن والمستقر وتفادي الحوادث. ومن الممكن العمل بالتعاون مع أنظمة السلامة المجهزة ووسائل الإغلاق في حالات الطوارئ وأنظمة الحماية من الحرائق وغيرها من أجل تفادي الحوادث.

*6

آلية تمنع بدء التشغيل ما لم يتم استيفاء شروط معينة قبل التشغيل. تزيد من السلامة من خلال منع العمليات الغير  صحيحة والأخطاء الإجرائية وما شابه ذلك.

*7

خوارزميّة البرمجة الديناميكيّة بنمط عاملي قائم على النواة كرنيل( FKDPP ) للتحكم في نموذج مصنع خلات الفينيل الأحادي، اغسطس 2018. / https://ieeexplore.ieee.org/document/8560593 (معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات). معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات هو مؤسسة للبحوث الأكاديمية والمعايير التقنية مقرها الولايات المتحدة تركز على مجالات الهندسة الكهربائية وهندسة المعلومات. وهي تضم أكثر من 400 ألف عضو في 160 دولة حول العالم.

*8

نظام تحكم بمستوى خزان ثلاثي المستويات يستخدم لإجراء التدريبات والتجارب التي تتضمن تنظيم تدفق المياه من مستوى إلى آخر، لتحقيق الهدف العام  وهو التحكم في أدنى مستويات المياه. كما يتضمن أيضًا أجهزة لإحداث اضطرابات اصطناعية تغيّر تدفق المياه بشكل عشوائي. ونظرًا لطبيعة السوائل، فإن التحكم في معدلات تدفقها يمثل تحديًا صعبًا في الصناعات المعالجة. وإن التمكن من القيام بهذا التحكم بشكل مناسب يؤديء إلى زيادة الإنتاجية في مواقع التصنيع.

*9

التعلم التعزيزي القابل للتطوير للتحكم على مستوى المصنع في عملية خلات الفينيل الأحادي، ممارسة هندسة التحكم، المجلد 97، أبريل 2020 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0967066120300186

*10

تُعرّف "يوكوجاوا" الذكاء الاصطناعي للتحكم الذاتي بأنه الذكاء الاصطناعي الذي يستنتج الطريقة المثلى للتحكم بشكل مستقل ويتمتع بمستوى عالٍ من القوة  تمكنه من التعامل بشكل ذاتي إلى حد ما مع الحالات التي لم يسبق له مواجهتها.

*11

تحدد "يوكوجاوا" الاستقلالية الصناعية على النحو التالي: "امتلاك أصول المصنع والعمليات قدرات تعليمية وتكيفية تتيح الاستجابات بتدخل بشري بأقل نسبة، وتمكين المشغّلين من أداء الاستخدام الأمثل ذات مستوى أعلى." وفي الردود على استقصاء المستخدم النهائي العالمي حول تنفيذ الاستقلالية الصناعية التي نفذتها "يوكوجاو" في عام 2021 والتي غطت 534 من صناع القرار في 390 شركة تصنيع، قال 42٪ إن تطبيق الذكاء الاصطناعي لتحسين عملية المصنع سينعكس بشكل كبير على الاستقلال الذاتي الصناعي في السنوات الثلاث المقبلة.

المرجع: https://web-material3.yokogawa.com/1/30261/tabs/The_Acceleration_of_Industrial_Autonomy_English.pdf)

إنّ جميع أسماء الشركات، والمؤسسات، والمنتجات، والخدمات، والشعارات الواردة في هذا البيان الصحفي هي إمّا علامات تجارية مسجلة أو علامات تجارية تابعة لشركة "يوكوجاوا إلكتريك" أو لمؤسسة "جي إس آر"  أو لأصحابها المعنيين.

مقرّ الشّركة

• معمل" جي إس آر" الكيميائي في اليابان

المجالات الخاضعة للرقابة

• أعمدة التّقطير
• المجالات حيث لا يمكن تطبيق أساليب التحكّم الموجودة مسبقاً (المتحكّم التناسبيّ التكامليّ التفاضليّPID والمتحكم المتقدم بالعمليات APC) وحيث يمكن تطبيق التّحكّم اليدويّ فقط (حيث يأخذ المشغّلون في عين الإعتبار مستوى تشغيل الصّمامات ويشغّلونها بأنفسهم).
• المناطق حيث يُعدُّ المطر والثّلج والأحوال الجويّة الأخرى عوامل مهمّة يمكن أن تعطّل حالة التّحكّم إذ تتسبّب بإحداث تغييراتٍ مفاجئة في درجة حرارة الغلاف الجويّ.
• عندما تمّ تسخين وفصل المادّتين "أ" و "ب" اللتين لهما نقطتا غليان مشابهة، تمّ تطبيق التّحكّم الأمثل للحفاظ على السّوائل في عمود التّقطير في المستوى المناسب، بحيث تطابق جميع المنتجات المعايير المطلوبة. ولتوفير الطّاقة في الوقت نفسه، فقد كانت الصّمامات تعمل على زيادة استخدام الحرارة المهدورة إلى أقصى حدّ كمصدر حرارة لعمود التّقطير واستخراج المادّة المطلوبة "أ" في حالة مثاليّة.

التّحكّم عبر الذّكاء الإصطناعيّ

• التعلّم التعزيزيّ للذّكاء الإصطناعيّ (عن طريق خوارزميّة البرمجة الديناميكيّة بنمط عاملي قائم على النواة)

المنتجات والتّقنيّات المستخدمة

يوكوجاوا

• محاكاة "أوميغا لاند" لتشغيل المصانع (وهو محاكاة ابتكرته الشركة الفرعيّة أوميغا التابعة لشركة "يوكوجاوا إلكتريك" اليابانيّة) .
• إطلاق نظام التّحكّم "سينتوم في بي" وهو نظام متكامل للتّحكّم في الإنتاج .
• إطلاق نظام التحكّم التفاعليّ لربط البيانات وتضمينها "أو بي سي" (وهو عبارة عن برنامج يتيح إدارة مجموعة متنوّعة من قواعد البيانات المستخدمة في الصّناعات التّحويليّة. ويستخدم واجهة تتطابق مع معايير نظام التحكّم التفاعليّ لربط البيانات وتضمينها "أو بي سي" التي تحدّدها مؤسّسة "أو بي سي". وتكمن وظائفه في الحفظ التّلقائيّ لبيانات العمليّة.)
• إطلاق برنامج تسجيل البيانات "جي أي ۱۰" (لشاشة التّشغيل وجهاز الإدخال (واجهة الإنسان والآلة HMI) وتسجيل البيانات) وغيرها.

إدارة العمليّة

• تّدارُ العمليّة عبر نظام التّحكّم "سينتوم في بي" وهو نظام متكامل للتّحكّم في الإنتاج .

ويسمح هذا النّظام بالمضي قدماً في عمليّة الإنتاج بأكملها مع مراقبة الضغوط والتّحكّم فيها، ومعدّلات التّدفّق، والحرارة، وعوامل أخرى مماثلة، فضلاً عن دمج الوظائف المتشابكة المختلفة من أجل تشغيلٍ آمن ومستقرّ وتجنّب حصول أيّ حوادث. ومنعاً لحدوث أي حوادث في المصانع، يعمل هذا النّظام مع أجهزة الإغلاق في حالات الطّوارئ (التّفريغ الكهربائيّ)، وأنظمة الوقاية من الحرائق (شركة "أف أند جي" للتأمين) وغيرها.

عمليّة تطبيق الذّكاء الإصطناعيّ

تزويد نموذج التحكّم للذّكاء الإصطناعيّ بمحاكاة للمصانع

• تقديم نموذج عن المصنع بحسب التّصميم الخاصّ بالمصنع موضوع المحاكاة.
• تطبيق الذّكاء الإصطناعي القائم على التعلّم التعزيزيّ (عن طريق خوارزميّة البرمجة الديناميكيّة بنمط عاملي قائم على النواة) مع نموذج التحكّم.

تقييم شامل لمصداقيّة وموثوقيّة نموذج التحكّم في الذّكاء الإصطناعيّ

• التحقّق من البيانات بالمقارنة مع بيانات التّشغيل السّابقة

• هل كانت مستقرّة؟
• ما نوع التّحكّم الذي تمّ تطبيقه عند حدوث المشاكل؟

• التحقّق من البيانات في الوقت الحقيقيّ

• هل كانت مستقرّة؟
• هل توافرت جودة المنتج بحسب المواصفات؟
• هل كان المشغّلون المخضرمون راضين عن تعليمات التّحكّم في خوارزميّة البرمجة الديناميكيّة بنمط عاملي قائم على النواة

تأمين السّلامة ومن ثمّ إدارة مصنع حقيقيّ

• ضمان السّلامة مع وجود وظائف سلامة تشابكيّة أخرى موجودة مسبقاً
• الدّمج مع نظام التّحكّم "سينتوم في بي" في عمليّة الإنتاج المتكامل ودمجها في عمليّات المصنع.
• ضمان السّلامة في العمليّات (الإستجابات المخطّط لها والنّظام الرّاسخ للتّعامل مع أعطال نظام الذّكاء الإصطناعيّ)

مدّة تنفيذ المشروع

• من أغسطس ۲۰۲۰  حتى فبراير ۲۰۲۲ (أي مدّة سنة ونصف)

فترة التّشغيل المستمرّ

• تمتدّ فترة التّشغيل على مدى ٣٥ يوماً، ابتداءً من ۱٧ يناير حتّى ۲۱ فبراير ۲۰۲۲ (٨٤۰ ساعة عمل)

• توفير مكان لإجراء التّجارب، ومعلومات مفصّلة عن المصنع وحالة التّشغيل.
• تحديد التّحدّيات التي يتعيّن على نظام التّحكّم بواسطة الذّكاء الإصطناعي حلّها.
• الهندسة (إقامة شبكة تواصل مع نظام التّحكّم في الإنتاج المتكامل الحاليّ "سينتوم في بي")
• تقييم السلامة والصّلاحيّة من منظور نظام التّحكّم بالذّكاء الإصطناعيّ
• النّظر في أنظمة السّلامة لإدخال أنظمة التّحكّم بالذّكاء الإصطناعيّ في المصانع الفعليّة

 شركة "جي إس آر"

• تخطيط العروض (مواصفات نظام الذّكاء الإصطناعيّ، والجدول الزّمنيّ وما إلى ذلك...)
• بناء نظام الذّكاء الإصطناعيّ
• الهندسة (تعديل الإتّصال مع نظام التّحكّم في الإنتاج المتكامل الحاليّ "سينتوم في بي" وما إلى ذلك...)
• أعمال الصّيانة

 شركة "يوكوجاوا"

ملخّص

• من خلال الجمع ما بين خبرة كلّ من الشّركتين والتركيز على تلك المجالات في المصانع الفعليّة التي لا يمكن أتمتها بواسطة أنظمة التّحكّم الحاليّة، أصبح من الممكن إيجاد طريقة أمنة لتطبيق تعلّم الذّكاء الإصطناعيّ التعزيزيّ في الأنظمة والعمليّات.
• وقد تمّت عمليّة المراقبة لمدّة ۳۵ يوماً باستخدام نظام تحكّم متكامل في الإنتاج، وتمّ إنتاج المنتجات المناسبة للشّحن بنجاحٍ.
• يشير هذا إلى أنّ التعلّم التعزيزي للذّكاء الإصطناعيّ (خوارزميّة البرمجة الديناميكيّة بنمط عاملي قائم على النواة كرنيل)، باعتباره تقنيّة تحكّم فعالة في الجيل القادم، يمكن أن تساهم بشكلٍ كبير في الإستقلال  الذّاتيّ، وزيادة عائدات الإستثمار وتحقيق الإستدامة البيئيّة في كافّة المصانع حول العالم.

• دمج نظام تحكّم الذّكاء الإصطناعيّ المستقلّ مع نظام التّحكّم في الإنتاج المتكامل "سينتوم في بي"
• لم تدع الحاجة إلى أيّ تدخّل بشريّ إلا في الرّصد والمراقبة

التدخّل البشريّ

• إنتاج ثابت ومتوازن للمنتجات ذات الجودة العالية التي تتوافق مع المعايير المرعية وقابلة للشّحن.

نوعيّة الخدمات

• يمكن تحويل المواد الخام بشكلٍ فعال إلى منتجات صالحة للإستخدام.

تفعيل الإنتاجيّة

• تمّ توفير الطّاقة من خلال تعظيم استخدام الحرارة المهدرة كمصدر للحرارة، ممّا يتيح تقليل انبعاثات ثاني أوكسيد الكاربون.

توفير الطّاقة

• تمّ إنتاج منتجات ذات نوعيّة جيّدة فقط، ممّا سمح بالتّخلّص من الخسائر في التكاليف لجهة الوقود والعمالة المهدورة بسبب إنتاج منتجات غير مطابقة للمواصفات.

تقليص الكلفة

• تمّ إنتاج منتجات ذات نوعيّة جيّدة فقط، ممّا سمح بالتقليل من خسائر الوقت الضّائع التي يتمّ تكبّدها بسبب إنتاج منتجات غير مطابقة للمواصفات.

الإستفادة من الوقت

• لم تعد هناك حاجة لإستخدام مشغّلين ذوي خبرة عالية لإتمام التحكّم اليدويّ  على مدار ۲٤ساعة في اليوم على مدى ۳٦۵ يوماً في السّنة، ممّا يعني تقليص العبء على الإنسان وتجنّب حدوث الأخطاء، والوصول بالتّالي إلى مستوياتٍ أعلى من السّلامة.

معايير السّلامة

نوع الذّكاء الإصطناعيّ

سمات الذّكاء الإصطناعيّ

منافع الذّكاء الإصطناعيّ

أنظمة التحكّم المستقلّ

بالنّسبة للمناطق التي لا يمكن أتمتتها بواسطة أنظمة التحكّم الحاليّة (المتحكّم التناسبيّ التكامليّ التفاضليّ والمتحكّم العمليّ المتقدّم)، الذي يستنتج الطريقة المثلى للتحكم بشكل مستقل ويتمتع بمستوى عالٍ من القوة تمكنه من التعامل بشكل ذاتي إلى حد ما مع الحالات التي لم يسبق له مواجهتها.

بناءً على نموذج التحكم القائم على  التعلّم والإستنتاج، يساهم الذّكاء الإصطناعي في إدخال مستوى التحكّم المطلوب لكلً حالةٍ.

تتمثل فوائد خوارزميّة البرمجة الديناميكيّة بنمط عاملي قائم على النواة كرنيل في ما يلي:

(۱) إمكانيّة تطبيقه في المواقف حيث لا يمكن أتمتتة التّحكّم باستخدام تقنيّات التحكّم الحاليّة (المتحكّم التناسبيّ التكامليّ التفاضليّ والمتحكّم العمليّ المتقدّم)، ويمكنه تحقيق الأهداف المتضاربة كتحقيق جودة عالية وتوفير الطّاقة.

(۲)  زيادة الإنتاجيّة (على صعيد الجودة، توفير الطّاقة، العائدات، تقليص الوقت.)

(۳) تبسيط العمليّات (إجراء عدد قليلٍ من التّجارب، وعدم الحاجة إلى استيراد البيانات المصنّفة)

(٤) إتمام عمليّات قابلة للتّفسير

(۵) اعتماد نفس معايير السّلامة كتلك المعتمدة في الأنظمة التقليديّة (معايير قويّة للغاية ويمكن ربطها مباشرةً بأنظمة التحكّم في الإنتاج المتكاملة الحاليّة)

دعم مناطق الأتمتة الأصليّة

يمكن للذّكاء الإصطناعيّ تولّي المهمّة التي يؤدّيها المشغّلون حاليّاً لإدخال القيم المستهدفة للمناطق التي تمّ فيها تنفيذ الأتمتة باستخدام أنظمة التحكّم الحاليّة (المتحكّم التناسبيّ التكامليّ التفاضليّ والمتحكّم العمليّ المتقدّم).

يستخدمالذّكاء الإصطناعيّ بيانات التحكّم السّابقة لإجراء العمليّات الحسابيّة وإدخال القيم المستهدفة.

• أتمتتة المهام اليدويّة وإمكانيّة تحقيق عمليّات مستقرّة.

الدّعم التّشغيليّ للأشخاص

يقترح الذّكاء الإصطناعيّ القيم المستهدفة التي سيعود إليها المشغّلون عند إجراء العمليّات

يستخدم الذّكاء الإصطناعيّ بيانات التحكّم السّابقة لإقتراح القيم المستهدفة للبشر.

• زوال الإختلافات التي قد تنتج عن اختلاف في مستوى كفاءة المشغّل.