מאת ד"ר מיכאל זרוחוב
המחבר, מכונאי במקצוע בתחום שירות ותיקון מכוניות יותר מ-50 שנה, ראה מול עיניו שינויים רבים במבנה ובשימוש במכוניות: החיסכון בדלק, הירידה בהשפעה המזיקה על הסביבה בגלל גזי פליטה, העלייה בבטיחות ובנוחות הנסיעה ועוד. כל השינויים האלה קשורים להתפתחות במערכות הניהול האלקטרוניות של הרכב המודרני.
אולם המכלולים של המכונית לא השתנו בהשפעת מערכות הניהול. עד היום נותרו בעינם המכלולים הבסיסיים והיקרים כגון מנוע השריפה הפנימית, הממסרה, הסרנים, המטלה, הגלגלים, הבלמים. כול אלה דורשים שירות תקופתי ותיקון במוסך. לכן, איש המקצוע הראשון והנפוץ ביותר במוסך הוא המכונאי. פירוק והרכבה, החלפת חלקים, ויסות מנגנונים, עבודות מכאניות , כול אלה מבוצעים ע"י מכונאים שלהם מוקדש המאמר הזה.
נתחיל בעובדות הבסיסיות. מכאניקה היא מדע של תנועה שהוא החלק הראשון והבסיסי של הפיסיקה. מכונית היא מכונה שנועדה לתנועה על הקרקע ומבוססת קודם כול על החוקים של המכאניקה הקלאסית, היא המכאניקה של ניוטון. אבל במבנה שלה ובמערכותיה הרבות משתמשים גם, ובמידה יותר קטנה, בחלקים אחרים של הפיסיקה כמו החשמל, הנדסת החום, האופטיקה, תורת הקול וכו'
איש המקצוע השני הנפוץ במוסך הוא החשמלאי. עבודות החשמל קשורות למכאניקה ולהתפתחות מערכות אלקטרוניות. קיים גם מקצוע חדש, יחסית, שהוא הדיאגנוסטיקה, שמבוססת על שילוב של מכונאות וחשמל.
המכונאי שצריך לבצע פעולות פשוטות כמו החלפת שמן ופירוק והרכבה של חלקים, חייב להתעניין בנושא שאינו קשור לפיסיקה והוא ניהול הנדסי של מערכת המכונית. השליטה ביסודות הניהול היא הגשר בין המכאניקה לבין האלקטרוניקה.
מטרתו של מאמר זה היא להקנות למכונאים – ולרבים מהם לרענן את הידע – לגבי הגישה הכללית לתפקוד הרכב המודרני, ליסודות הניהול, לכל אחת מהמערכות הטכניות ובכך לקנות ידע בבעיות הדיאגנוסטיקה.
מהות הניהול
ניהול הוא מערכת פעילות שנועדה להגיע לתוצאות נדרשות בכל תחומי החיים, בפוליטיקה, בכלכלה, במוסך, במשרד, במכונה, במכונית. באנגלית אין מושג יחיד לניהול ומזה נובע הקושי בקריאת ספרות מקצועית:
ניהול מדינה GOVERNMENT
ניהול מפעל, משרד MANAGEMENT
ניהול נסיעה DRIVE
ניהול בטכניקה CONTROL ENGINEERING, CONTROL
בגרמנית, למילה CONTROL קיימים שני מושגים STEUERN לשלוט, JEFELN לווסת.
בעברית, במונח ניהול משתמשים בזמן האחרון למערכות טכניות, וכך גם בספרות המקצועית לכלי רכב.
מובן שניהול היה קיים מאז ומתמיד, מאז שקיימות מדינות, וקיימים מפעלים, צוותי אנשים, מכונות וכו'. באמצע המאה ה-20 , הצליחה קבוצת אנשי מחקר ובראשה מדען מארה"ב, להגדיר יסודות מדעיים לניהול.
המדען הזה, שעמד בראש קבוצת רופאים, ביולוגים, מתמטיקאים, מהנדסים ופילוסופים, היה נורבט וינר.
NORBERT WIENER – 1894-1964, יהודי, פרופסור למתמטיקה באוניברסיטת מסאצ'וסטס, קיבל תואר ראשון בגיל 14 ובגיל 18 כבר היה דוקטור לפילוסופיה. שנת הלידה של מדע הניהול היא 1947, שנת פרסום ספרו של נורברט בינר קיברנטיקה או קשר וניהול בבעלי חיים ומכונה . 'קיברנטיקה' נובעת מהמילה היוונית KEBERNETES הגאי ספינה. מעניין שהמילה 'קברניט' בעברית פירושה 'מפקד אוניה', או 'מפקד מטוס'.
נורברט וינר הוא איפוא אבי הקיברנטיקה, ומייסד הפילוסופיה הקיברנטית שביסודה המחשב רק כאמצעי לעיבוד מידע ותפקיד האדם להפיק תועלת. על בסיס הקיברנטיקה התחילה ההתקדמות המהירה לה אנו עדים באוטומטיזציה, ברובוטיקה, בתקשורת מחשבים ובאינטרנט. אחד מכיווני הקיברנטיקה הוא ניהול הנדסי (CONTROL ENGINEERING) שהתפתח במהירות בתעשיית המכוניות.
מונחים והבנות בניהול הנדסי מוגדרות בתקן גרמני – DIN19226 – שבהם אנו משתמשים במאמר זה.
יסודות הניהול ההנדסי
אפשר לנתח את יסודות הניהול ההנדסי על פי דוגמא מתחום הטכניקה. למשל, צריך לשמור על טמפרטורה X בחדר מגורים במידה W (נניח 20 מעלות צלסיוס) בעונה קרירה. החום מגיע ממקור חיצוני דרך רדיאטור. הטמפרטורה בחדר כל הזמן משתנה, היא תלויה בטמפרטורת האוויר בחוץ 1Z, במספר פתיחות וסגירות של חלונות ודלתות, במספר האנשים בחדר וכו' 2Z (איור מס' 1). המהות של ניהול היא, שבהתאם לטמפרטורה הקיימת בחדר, יש לפתוח או לסגור שסתום עד למצב מסיים Y ברדיאטור. יש שתי דרכים כדי לנהל את התהליך.
א. על ידי אדם, שיפעל בהתאם למד-חום ווסת טמפרטורה, ע"י סגירה או פתיחה של שסתום Y.
ב. בדרך יעילה יותר, ללא יד אדם, בעזרת ווסת R (GOVERNOR שמוצאו מהמילה קיברנטיקה).
איך תיעשה הפעולה בדוגמא שלפנינו?
בחדר קיים מכל עם גז שמתפשט בקלות. במקרה שהטמפרטורה בחדר עולה על 200c הגז מתפשט דרך בוכנה הסוגרת במידה מסוימת את שסתום Y ברדיאטור ומקטינה את כמות החום שנכנס לחדר. במקרה של ירידת טמפרטורה, הגז מתכווץ והבוכנה בווסת פותחת את השסתום Y כך שטמפרטורת החדר תעלה עד לגובה של C 200 , כפי שהיה מתוכנן מראש.
עתה ננתח את המערכת הזו ללא תשומת לב למשמעות הפיסית:
צריך לנהל את התהליך משלב היציאה שלו. הפרמטר הנדרש X (טמפרטורה) בכניסה לתהליך הוא שיעור הפתיחה של שסתום Y. את התוצאה מקבלים בעזרת ויסות עצמי וכניסה ויציאה מגיעים למצב יציב. תמצית הניהול, היא שאנו משתמשים במשוב, כלומר הזנה אחורה (FEED BACK), מסירת אינפורמציה מהיציאה לכניסה. הניהול מתבצע בחוג סגור (CLOSED LOOP).
תנודות מתמידות של נתונים המבוקרים תחת השפעת הפרעות שונות, ושינויים בלתי פוסקים של נתון שולט, הם המתארים את התנהגות המערכות בדוגמא שלנו. ככול שהטמפרטורה עולה על נתון מתוכנן, פחות חום נכנס לחדר וכך גם בצורה הפוכה. וסת עם משוב מתנהג כמו עצם ספוג רגיש, הוא תמיד בתשומת לב ותמיד מבצע את תפקידו. המשוב נותן מידע על כול מיני הפרעות שאפילו לא היו ידועות לנו מראש.
נורברט וינר מגדיר משוב כתכונה המאפשרת לווסת התנהגות עתידית בעזרת ביצוע פקודות שניתנו בעבר.
הפעלת כל מיני מערכות של ניהול עצמי, ללא תלות במהות, במבנה ובעקרונות חיים , כפופות לעקרון של המשוב – החוק הראשון של הניהול.
בהתאם לחוק זה, לדוגמא, בן אדם בריא הוא זה השומר על טמפרטורת הגוף, לחץ הדם, כמות הנוזלים ועוד. אנו רואים דוגמאות דומות בניהול כלכלה, בחינוך, בביולוגיה ובתחומים רבים אחרים.
האם קיים ניהול ללא משוב? התשובה היא כמובן כן.
באיור מס' 2 אנו רואים ניהול טמפרטורה בחוג פתוח (OPEN LOOP).
מנגנון מסוים שתוכנן מראש לאיזו שהיא טמפרטורה ממוצעת בחוץ 1Z , מספק טמפרטורה בחדר, אבל עם הפרעות . לדוגמא, פתיחת חלונות או דלתות תהיה לא מתוכננת, הטמפרטורות יסטו מהדרישות שנקבעו מראש.
דוגמא אחרת היא פעולה של רמזור. החלפת האורות מבוצעת לפי תוכנית והיא אינה מגיבה למצב התנועה בצומת. מובן שהניהול הזה טוב יותר ממצב של תוהו ובוהו, אבל הוא אינו יעיל כמו ניהול בחוג סגור. זה ניהול קשוח יותר הדומה לרודנות.
באיור מס' 3 מוצג תרשים תפקודי שמראה מבנה של חוג ניהול סגור, המבוסס על כמה מושגים מתוך תקן
DIN19226 , בהתאם לדוגמא שלנו של ניהול טמפרטורה CONTROLLED SYSTEM PROCESS
א. משתנה מבוקר – ביציאה מתהליך X (טמפרטורה ממשית בחדר) Controlled Variable.
ב. משתנה של אזכור - C 200 (W שאנו צריכים לקבל) Reference Variable.
ג. סטייה (W-X) (e) הבדל בין הקיים לבין הדרוש Deviation.
ד. משתנה הפעלה Y (מידת פתיחה של שסתום ברדיאטור) Manipulated Variable .
ה. משתנה הפרעה Z (כל הפרעה בתהליך) Disturbance Variable.
ו. מבקר, שולט (Controller) שתפקידו להשוות משתנה מבוקר X למשתנה של אזכור W ולבצע משתנה הפעלה Y בהתאם להפרש שביניהם.
איור מס' 3 נותן מפתח להבנת מערכת ניהול אלקטרונית במכונית או במכונה אחרת.
ניהול הנדסי במכונית
מערכת הניהול האוטומטית הנ"ל של טמפרטורה נכונה עקרונית אבל היום אי אפשר להשתמש בה לתהליכים טכניים, במקומות שבהם המהירות יותר גבוהה ומסובכת. לניהול יעיל לא מספיק לספק אינפורמציה נדרשת. לא פחות חשוב מכך הוא ההכרח שהיא תהיה זמינה בזמן הנדרש.
מערכות הניהול העכשוויות בנויות משלושה מרכיבים (איור מס' 4).
א. חיישן (SENSOR) שמגיב לפרמטרים (פיסיים או כימים. החיישן עשוי להיות תרמי, חשמלי, מכאני, אופטי, אקוסטי וכו'.
ב. הגורם המבצע פקודות של מחשב הוא המפעיל (ACTUATOR), מנגנון מכאני שמשפיע על כניסה לתהליך. מפעילים יכולים להיות חשמליים, הידראוליים, פניאומאטיים וכו'.
ג. יחידת בקרה היא המכשיר האלקטרוני שמקבל מידע מהחיישנים, משווה נתונים ומעביר מידע לביצוע פקודות ניהול, בכניסה לתהליך.
הקשר בין שלושת המרכיבים האלה מבוצע ע"י מערכת החשמל של המכונית.
בסוף המאה העשרים, כאשר נעשה שימוש נרחב במחשבים במכוניות, עלתה ההזדמנות לשפר מערכות ניהול ולבצע ניהול מיטבי על בסיס משוב.
התקדמות הניהול השפיעה על השינויים בטכנולוגיות הייצור ועל השינויים במכללים ובמנגנונים נפרדים.
במאה העשרים ואחת, המחשבים יהיו כנראה יותר קרובים לבני אנוש, הם יהיו בעלי כושר ראייה ושמיעה, יוכלו להבחין בדמויות אופטיות ובצללים ואפילו להיות בקשר עם האדם בשפות שונות. בינתיים, המחשב הוא פרימיטיבי למדי וכדי להיות עמו בקשר יש צורך במקצועיות הנדסית.
כדי שהמחשב יבצע פעולות נדרשות, על האדם לתת לו מראש משימות מסוימות בצורת תוכנות. התוכנה יכולה להיות מיוצרת על בסיס של מדגם, מודל של תהליך שנקרא אלגוריתם (ALGORITHM). מכונאי שמכיר את מערכות הניהול יכול שלא להתעמק במבנה מחשבים (לזה צריכה הכנה רצינית וממושכת) ולא בסכמות אלקטרוניות שבהן מלאה הספרות המקצועית של המכונית. אולם, על המכונאי להבין מהו אלגוריתם של ניהול, ומה המהות של תהליך מבוקר.
מה זה אלגוריתם?
אלגוריתם הוא מערכת הוראות המתארות סדר פעולות לשם קבלת תוצאות הדרושות לפתרון בעיה. המושג אלגוריתם אינו קשור רק לתוכנות למחשבים. לדוגמא, מתכון ברור ומדויק להכנת תבשיל, גם הוא אלגוריתם לביצוע ע"י בן אדם.
המילה אלגוריתם נובעת משמו של המדען הערבי, Muhammad ibn Musa al-Khawarizmi (780-850), מתמטיקאי שנולד בעיר חורזם, באוזבקיסטן, בשנת 830. הוא כתב ספר שבו ניתן בפעם הראשונה פירוש של מערכת חישוב עשרוני. הספר נקרא בערבית Kitab al-gabr wa-l-Muqabala. בתרגום ללטינית נגזר מהמילה
al-gabr המושג 'אלגברה'.
שימוש בניהול הנדסי
את השימוש בניהול הנדסי נברר על פי מספר דוגמאות:
דוגמא ראשונה: מערכת מבוקרת מחשב למניעת נעילה של גלגלים (רכב קל) ABS
ההספק של כול הבלמים ברכב הוא יותר גבוה מההספק של המנוע. אבל אפילו בלמים עצומים ביותר אינם יכולים לבלום מכונית אם אחיזת הצמיג בכביש לא תהיה מספקת. אפשר ללחוץ על הדוושה בכול הכוח, הגלגלים אמנם ייעצרו אבל המכונית תמשיך לגלוש ותאבד כושר ניהול. והרי כדי לשמור על כושר ניהול הגלגלים חייבים להתגלגל! כפי שידוע מתורת המכאניקה, כוח הבלימה בגלגלים הוא כוח פנימי של המכונית. בכדי לעצור מכונית, או להניע אותה, דרוש כוח חיצוני, כוח אחיזה בכביש (לפי החוק השלישי של ניוטון).
מערכת ABS נותנת בלימה מיטבית בלי נעילת גלגלים, בלי קשר לסוג הכביש ולמצבו. כוח הבלימה לכל גלגל בנפרד משתנה קרוב לגבול ההחלקה של הצמיגים, ללא קשר עם פעולת הנהג. הכוח נשאר גדול ביותר לפי תנאי האחיזה בכביש.
איור מס' 5 מראה תרשים של תפקודי ABS ברכב קל. בין משאבה מרכזית (2) וצילינדר בלימה של גלגל (3) מחובר מודולטור הידרו-אלקטרוני (1) שמבצע, בהתאם לאלגוריתם ניהול, תפקיד של וסת בכניסה לתהליך.
חיישן (5) מהירות, שמודד תוצאות בלימה (ביציאה מתהליך) מוסר אינפורמציה ליחידת בקרה (4). דרך יחידת בקרה מבוצע משוב: הוא (4) מגבש את האות המתוכן, קולט אות של סטייה בין קיים לבין דרוש.
יחידת בקרה מייצרת אות ניהולי שמפעיל מודולטור (1) במצב שפרמטר מבוקר אינו מתאים לבלימה מיטבית.
את מהירות המכונית מגדירים על סמך המהירות של כול 4 הגלגלים. בחישובים משתמשים גם בקשר שבין ההחלקה לבין אחיזת צמיגים. את היחס ביניהם מקבלים בתהליך של מחקרים ספציפיים לצמיגים שונים.
הניתוח הנ"ל מראה שלמכונאי חשוב לא חלק של אלקטרוניקה, לא סוג מחשבים או חיישנים, אלא מלוא המשמעות הפיסית של תהליך הבלימה – אלגוריתם של ניהול.
דוגמא שנייה:פעולת מערכת הזנת הדלק למנוע
בהתאם לדרישה המתמדת מצד רשויות איכות הסביבה לגבי ההרכב של גזי הפליטה, לא ניתן לקבל מהניהול המכאני (קרבורטור), או אפילו האלקטרוני, את הדיוק הנדרש להרכב נכון של אוויר-דלק. השלב האחרון בניהול תהליך השריפה במנוע, הוא הזרקת דלק ישירה על בסיס חוג סגור, דרך חיישן חמצן-למבדה (איור מס' 6). חיישן חמצן (3) הממוקם בסעפת לפני ממיר קטליטי (4) ביציאה מתהליך השריפה, מזהה את כמות החמצן בגז הפליטה ומתרגם את הנתון למתח חשמלי (Us) . מידע זה מועבר ליחידת הבקרה (6) והיא מעבירה את המידע בצורת מתח (Uv) למזרקי הדלק (5) של המנוע (2) – לכניסת התהליך. בעזרת פעולות בקרה עלשיעור החמצן בגז הפליטה בחוג ניהול סגור, מובטח זמן הזרקת דלק בהתאם ליחס המיטבי שבין כמויות אוויר – ודלק,י לפי מדד (ת). את כמות האוויר מודדים בעזרת חיישן (1). העיקרון הזה מבטיח את הקטנת זיהום האוויר הנגרם מגזי פליטה.
כדי לתאר את עבודת החישוב העצומה של יחידת בקרה, אפשר לתאר אלגוריתם חישוב של זמן פעולה (פתיחה) של מזרקים:
א. בהתאם למספר סיבובי המנוע, מספר הצילינדרים ומספר פעימות, המחשב מגדיר את כמות האוויר שנכנס לצילינדר במשך פעימת יניקה אחת, בהתבסס על נתונים של חיישן שמודד את מסת האוויר בדקה אחת.
ב. על בסיס היחס בין מסות הדלק והאוויר הדרושות (באופן כללי היחס הוא תיאורטי אבל לפעמים הוא שונה מזה, תלוי בתנאי הפעולה), המחשב מגדיר את כמות דלק ליניקה אחת.
ג. בהתאם לגודל (תפוקה) של מזרק, המחשב קובע כמות דלק שמזרק יכול לספק ביחידת זמן , בלחץ דלק בהזרקה (40 PSI). על פי צירוף נתונים אלה המחשב מגדיר את זמן פתיחת המזרק לכל צורת עבודה של מנוע. למעשה, זמן פתיחת המזרק יכול לנוע מ- 0.004 עד 0.035 של שנייה.
הדוגמא מראה איזו עבודת חישוב עצומה מבצעת יחידת הבקרה בתקופות קצרות.
הדוגמאות הנ"ל לא קיבלו בבת אחת צורות של חוג ניהול סגור. הן עברו דרך ארוכה של התקדמות משלב מכאני לשלב אלקטרוני ורק בשלב האחרון היו לחוג ניהול סגור. המגמה הזאת קיימת גם היום.
האם מערכת הזרקת דלק יותר פשוטה ממערכת מכאנית?
מערכת אלקטרונית עם משוב יותר מורכבת מאשר הקרבוראטור שהמציא קארל בנץ בשנת 1885. להבדיל מהמערכת האלקטרונית, קרבוראטור אפשר לווסת רק לפני תנועת מכונית. זאת אומרת, שהוא יהיה מדויק כמו שעון, פעמיים ביממה. בהקשר למדובר, יש להציג את החוק השני של הקיברנטיקה- 'חוק הרבגוניות ההכרחית'. ככול שהמערכת המבוקרת יותר מורכבת, כך מערכת הניהול שלה צריכה להיות גם היא יותר מורכבת. מייסדי קיברנטיקה אמרו שחתירה לבצע מערכת ניהול פשוטה שאינה יכולה לטעות דומה לחתירה של אלכימאים לקבל מתכות אצילות מחומר פשוט.
כדוגמא נוספת מוצגת באיור מס' 7 השוואת קידום הצתה בין שיטה הצתה אלקטרונית לבין והצתה רגילה (מכאנית). האיור מראה שמערכת אלקטרונית נותנת אפשרות לנהל לפי חוק יותר מורכב, מפת הצתה המתוכננת ל-1,000 – 4,000 נקודות, היא יותר מחוספסת ויותר משוננת. את היעילות של מערכת ניהול מגדירים לא לפי פשטותה אלא לפי מדדים כלכליים, בטיחותיים, ושיקולי נוחות ואיכות הסביבה.
חוק הניהול השלישי
החוק הניהול השלישי – הוא חוק ההירארכיה (hierarchy). ברכב המודרני משתמשים ביותר מ-100 יחידות בקרה.
לדוגמא: יחידת בקרת מנוע כוללת יותר מ-100 אותות והיא משתמשת ביותר מ-200 אלגוריתמים, ובחצי מהם משתמשים גם ביחידות בקרה אחרות. יצרני הרכב עסוקים בייצור של רשת בקרה אחידה , כלומר בשאלה באיזו מידה לרכז או לפצל סמכויות בניהול הנדסי של מערכות משנה. כמו גוף חי, מערכת חיה מאורגנת מראה איך לארגן ניהול מיטבי בכל הרמות. בגוף האדם , למערכת העצבים המרכזית נמסרת רק אינפורמציה שדרושה לה לניהול הפעילות כולה, לריכוז פעולות של מרכזים ניהול מקומיים. במערכת ניהול שמאורגנת נכון, זורמת האינפורמציה מרמות יותר נמוכות לרמות עליונות. המערכת של הקשר האלקטרוני העתידי ברכב, תהיה בנויה כנראה כמערכת ההירארכית.
מסקנות
1. הדרך הבסיסית להתקדמות במקצוע המכונאי במוסך היא לרכוש ידע בניהול של מערכות טכניות של מכונית. העקרונות של גישה זו מתוארים במאמר זה.
2. במערכת ניהול מסוימת, החלק החשוב ביותר למכונאי אינו ליווי אלקטרוני אלא בסיס קווי שבא לביטוי באלגוריתם. צריך לקחת בחשבון שכשם שמודל אלגוריתם משקף את התהליך רק בערך, הבנת אלגוריתם של ניהול אינה רק הבנה של מבנה המכונית אלא התיפקוד שלה.
3. בדומה לרופא השולט בשני יסודות, מבנה גוף וחקר פעולת הגוף, כך המכונאי צריך להגדיר בעיות של מכונית בעזרת אבחון תקלות לפני התערבות כירורגית,; אבחון סימפטומים לפני דיאגנוסטיקה. כי יכול להיות ששורש התקלה הוא במכאניקה, או באלקטרוניקה, או במערכת החשמל.
4. אחד מהקשיים בדרך המוצעת בזה היא תרשימים אלקטרוניים שקיימים בכמויות גדולות בספרות בעברית על אוטוטרוניקה.
|
