Programy konserwacji predykcyjnej i prewencyjnej mają zasadnicze znaczenie dla efektywnego zarządzania cyklami użytkowania sprzętu oraz maksymalizacji zwrotu z inwestycji (Return On Investment – ROI) i całkowitego kosztu posiadania (Total Cost of Ownership – TCO) sprzętu produkcyjnego. Celem ostatecznym jest zminimalizowanie czasu przestojów i zabezpieczenie zarówno ludzi, jak i maszyn przed skutkami przypadkowych awarii, wynikających z niedostatecznej konserwacji sprzętu.
Eksploatacyjne zużycie sprzętu jest normalnym zjawiskiem w każdym systemie produkcyjnym. Prawa fizyki są nieubłagane – sprzęt produkcyjny, a zwłaszcza jego ruchome części, zawsze będzie miał ograniczony cykl użytkowania (lifecycle – żywotność), po upływie którego urządzenie, podzespół lub system będzie wymagać naprawy głównej, remontu kapitalnego lub wymiany.
Wykorzystanie technologii pneumatycznej
Wykorzystanie podzespołów pneumatyki, czyli cylindrów, siłowników i zaworów zasilanych sprężonym powietrzem, do sterowania procesami technologicznymi i maszynami jest powszechne w systemach automatyki przemysłowej. Obejmuje takie aplikacje, jak napęd i sterowanie zaworami przełączającymi w transporcie bliskim materiałów i systemach sortujących, napędzanie urządzeń ruchomych, takich jak zaklejarki i chwytaki, w maszynach pakujących oraz sterowanie zaworami pilotowymi w rafineriach ropy naftowej i gazu.
Sprzęt pneumatyczny ma pewne cechy charakterystyczne i zarazem wspólne dla różnych aplikacji: jego ruchy są często szybkie i wysoce powtarzalne (w niektórych przypadkach czas cyklu jest liczony w milisekundach), zaś realizowane przez niego funkcje są proste, a jednocześnie mają zasadnicze znaczenie dla funkcjonalności maszyn.
Innymi słowy: jeśli system pneumatyczny w zakładzie z powodu niedostatecznej konserwacji ulegnie awarii lub zacznie nieprawidłowo funkcjonować, może na tym ucierpieć wydajność produkcji i powstaną problemy z nieplanowanymi przestojami maszyn. Producenci z branży pneumatyki, współpracując z producentami wyposażenia oryginalnego (OEM) z branży automatyki, opracowali rozbudowane programy praktyk konserwacji zarówno predykcyjnej (prognozowanej), jak i prewencyjnej (zapobiegawczej), przy jednoczesnym podwyższeniu parametrów swoich systemów pneumatycznych. Te ulepszenia, obejmujące np. nowe czujniki oraz inne możliwości technologii cyfrowej, są zgodne z pojawiającym się obecnie trendem i wymaganiami dotyczącymi zastosowania technologii Przemysłowego Internetu Rzeczy (Industrial Internet of Things – IIoT) w systemach produkcyjnych. Umożliwiają one wykorzystanie w utrzymaniu ruchu większej liczby urządzeń i systemów opartych na przetwarzaniu danych.
Konserwacja predykcyjna vs. prewencyjna
Konserwacja predykcyjna (Predictive Maintenance – PdM) jest takim podejściem do zarządzania utrzymaniem ruchu, w którym inżynierowie wykorzystują różne technologie i elementy monitoringu parametrów roboczych maszyn do śledzenia pracy i oceny stanu technicznego sprzętu pracującego w zakładach. Przy efektywnym stosowaniu konserwacji predykcyjnej w zakładzie wyznaczane są terminy wykonania prac konserwacyjnych. W porównaniu z rutynową lub opartą na harmonogramach konserwacją prewencyjną (Preventive Maintenance – PM) zwykle prowadzi to do uzyskania oszczędności w kosztach eksploatacji maszyn, ponieważ prace serwisowe wykonywane są tylko wtedy, gdy są potrzebne i jest zagwarantowana dostępność wymaganych części zamiennych.
Konserwacja predykcyjna (prognozowana) oparta jest na przetwarzaniu danych – dostarczaniu właściwych informacji we właściwym czasie. Wiedząc, który sprzęt wymaga przeprowadzenia czynności konserwacyjnych, można zamienić nieplanowany przestój na krótsze i rzadsze zaplanowane zatrzymania maszyn, co zwiększy dyspozycyjność zakładu. Inne potencjalne korzyści to: przedłużony czas eksploatacji sprzętu, zwiększone bezpieczeństwo, mniejsza liczba wypadków mających negatywny wpływ na środowisko oraz zoptymalizowane zarządzanie częściami zamiennymi.
Konserwacja prewencyjna (zapobiegawcza) idzie w parze z konserwacją predykcyjną. Polega ona na podejmowaniu regularnych i rutynowych działań w celu zapobiegania awariom sprzętu. Zadania te mogą obejmować remonty częściowe lub kapitalne w wyznaczonych terminach, wymiany oleju, smarowanie, drobne regulacje nastaw urządzeń oraz czyszczenie komponentów maszyn narażonych na zabrudzenie.
Lepsza konserwacja komponentów pneumatyki
W odniesieniu do komponentów pneumatyki zalecane jest podjęcie i wprowadzenie obu wspomnianych rodzajów konserwacji. Ich producenci stale inwestują w nowe projekty i ulepszone materiały, aby zwiększyć niezawodność i czas eksploatacji swoich produktów. Wprowadzane usprawnienia obejmują m.in. lepsze techniki uszczelnień zaworów, zastępowanie elementów metalowych wykonanymi z polimerów, które są bardziej odporne na zużycie i dają lepsze drogi przepływu powietrza. Wszystko to sprawia, że urządzenia pneumatyczne pracują bardziej płynnie i wydajnie.
Współpracując z producentami OEM z branży automatyki, producenci komponentów pneumatyki zidentyfikowali główne obszary występowania awarii i opracowują obecnie nowe podejścia w zakresie wykorzystania czujników instalowanych w siłownikach, zaworach i cylindrach, które pozwalają na dostarczenie bardziej kompletnych danych dotyczących zmian w działaniu tych urządzeń w miarę upływu okresu ich eksploatacji. Dane te są kluczowymi wskaźnikami zużywania się pneumatycznych komponentów urządzeń.
Te ulepszenia jakościowe znacznie przyczyniły się do znacznego wydłużenia żywotności produktów. Na przykład systemy zaworów, których żywotność wynosiła kiedyś według producentów 100 mln cykli, mogą teraz zrealizować aż do 140 mln cykli bezawaryjnej pracy. Wydłużony czas eksploatacji sprawia, że to właśnie konserwacja predykcyjna ma coraz większe znaczenie w pneumatyce, ponieważ produkty są opracowywane tak, aby działały dłużej. Śledzenie pracy, wzywanie serwisu i naprawa nieprawidłowo funkcjonującego urządzenia mają zasadnicze znaczenie dla uzyskania w praktyce podanej przez producenta żywotności tego urządzenia.
Jako przykład można tu podać niektóre siłowniki pneumatyczne wyposażone w amortyzatory hydrauliczne. W miarę upływu czasu amortyzatory te tracą swoją skuteczność z powodu wycieku płynu. Gdy maszyna jest uruchamiana po raz pierwszy, ustalany jest podstawowy, optymalny czas cyklu (np. wynoszący 135 milisekund). Na podstawie testów wykonywanych przez producenta wyznaczana jest także trwałość siłownika (tzw. wartość B10, liczba cykli, po których 10% produktów ulega trwałemu uszkodzeniu).
Konserwacja predykcyjna w takim układzie stosowana jest w celu monitorowania pracy siłownika, przy czym aktualne dane z czujników pochodzą z urządzeń monitorujących stan tego podzespołu. Jeśli czujniki te zgłaszają, że siłownik przyśpiesza na końcu posuwu (pomiędzy amortyzowaniem a zatrzymaniem obciążenia), to może to wskazywać na wyciek płynu w amortyzatorze i konieczność wymiany tego elementu na nowy.
Jednak według standardowego programu konserwacji zapobiegawczej siłownik ten może nie znaleźć się w harmonogramie napraw czy wymian części i ma działać aż do osiągnięcia zakładanej liczby cykli roboczych. Nawet jeśli siłownik ten pracuje całkiem nieźle, to działanie jego cylindra zaczyna się pogarszać i może w końcu doprowadzić do nieplanowanego wyłączenia maszyny lub produkowania wyrobów o złej jakości.
Konserwacja zintegrowana
Konserwacja zapobiegawcza jest niezbędna do zapewnienia, że komponenty ulegające zużyciu są okresowo, w odpowiednim czasie czyszczone, naprawiane i wymieniane na nowe przy zastosowaniu standaryzowanych i przewidywalnych harmonogramów, które minimalizują wpływ zużywania się komponentów na ogólną wydajność produkcji i efektywność pracy sprzętu.
Siłowniki i zawory mają uszczelnienia i inne powierzchnie wewnętrzne, które zużywają się lub brudzą w miarę upływu czasu, szczególnie w zanieczyszczonym otoczeniu, takim jak w tartakach, gdzie powietrze zawiera duże ilości pyłu. Producenci pneumatyki współpracują z producentami OEM w celu określenia zalecanych przedziałów czasowych pomiędzy pracami konserwacyjnymi w zależności od warunków pracy, w połączeniu z ustanowionymi wartościami żywotności B10 dla specyficznych komponentów.
Zależnie od urządzenia i środowiska pracy konserwacja zapobiegawcza może obejmować też procedury modyfikacji, w których wymieniane są kluczowe komponenty. Na przykład w stalowni lub tartaku, gdzie istnieje zwiększony poziom zanieczyszczeń powietrza, plan konserwacji zapobiegawczej może obejmować częstsze wymiany elektromagnetycznych zaworów sterujących, aby zapewnić, że zawory te nie wchłaniają cząsteczek zanieczyszczeń, które mogą utrudnić ich poprawne działanie.
Oznacza to konieczność posiadania źródła dostępnych części zamiennych, tak aby nie było dodatkowych opóźnień, gdy maszyna zostanie wyłączona w celu wykonania konserwacji lub naprawy. Dobre praktyki konserwacji zapobiegawczej obejmują także planowanie konserwacji całych parków maszynowych, a nie tylko urządzeń pneumatycznych, aby zminimalizować ogólny czas przestojów.
Zintegrowanie konserwacji predykcyjnej z tym procesem może zwiększyć efektywność konserwacji prewencyjnej. Obecnie, gdy wiele urządzeń pneumatycznych wyposażonych jest w czujniki, które mierzą ich parametry robocze, może być wdrożony w nich monitoring stanu (nadzór diagnostyczny), w którym rejestrowanie zdarzeń w czasie, ich korelacje oraz monitoring przekraczania wartości progowych mogą być wykorzystane do dokładnego śledzenia pracy każdego urządzenia.
Jeśli znamionowy czas cyklu jakiegoś siłownika wynosi przykładowo 135 milisekund i jest utrzymywany przez ten siłownik, to operator maszyny może być pewien, że działa ona poprawnie. Jeśli ten czas cyklu zaczyna przekraczać pewną wartość progową, to system monitoringu stanu urządzenia może dokładnie określić prawdopodobieństwo awarii i czas, kiedy ona nastąpi. Jeśli urządzenie to znajduje się już w harmonogramie konserwacji zapobiegawczej, to nie jest wymagana żadna interwencja. Jednak jeśli nie jest ono wyznaczone do przeprowadzenia prac serwisowych w najbliższym terminie konserwacji lub nie ma dostępnych od ręki części zamiennych, to personel inżynierski i utrzymania ruchu w fabryce może odpowiednio dostosować swój podstawowy plan prac konserwacyjnych na podstawie alarmu otrzymanego z systemu konserwacji predykcyjnej.
Ta integracja konserwacji predykcyjnej (opartej na przetwarzaniu danych) z konserwacją zapobiegawczą (ujętą w harmonogramie i standaryzowaną) może także pomóc kierownictwu fabryki w efektywnym zarządzaniu częściami zamiennymi i kontrolowaniu ich kosztów. W przeszłości posiadanie „na wszelki wypadek” w magazynie pełnego zestawu części zamiennych, kluczowych dla działania systemu, było najlepszym sposobem minimalizowania przestojów. Obecnie dzięki inteligentnym czujnikom, zintegrowanym w komponentach pneumatyki i umożliwiającym wykrywanie oraz przewidywanie problemów odpowiednio wcześnie przed ich wystąpieniem, można składać zamówienia na rzeczywiście potrzebne części zamienne, które są następnie szybko dostarczane do zakładu, co umożliwia naprawę lub wymianę komponentów.
Gotowość do wdrożenia technologii IIoT
Ponieważ urządzenia pneumatyki stają się coraz bardziej inteligentne, są one dodatkowymi punktami generowania danych w systemach produkcyjnych, w których urządzenia te są zainstalowane. Są to informacje diagnostyczne i statystyczne, dotyczące wykorzystania urządzeń oraz liczby ich cykli roboczych. Ta zwiększona inteligencja jest spójna z wizją wysoce autonomicznych systemów produkcyjnych, które są fundamentem wielu koncepcji IIoT.
Jednak dane pochodzące z urządzeń mają wartość tylko wtedy, gdy są wykorzystywane w szerszym aspekcie do zarządzania procesami produkcyjnymi w celu osiągnięcia większej wydajności produkcji, kontrolowania zużycia energii i maksymalizacji czasu bezawaryjnej pracy. Trzeba mieć jednak świadomość, że jeśli wszystkie te komponenty automatyki (wraz z innymi inteligentnymi napędami, urządzeniami i podsystemami maszyn) generują dodatkowo megabajty danych dotyczących pracy urządzeń, to istnieje możliwość przepełnienia danymi magistrali sterującej maszynami oraz skomplikowania działania systemu automatyki i sterowania.
Aby przeciwdziałać takiemu scenariuszowi, producenci pneumatyki opracowali moduł bramy sieciowej (gateway), która agreguje i organizuje dane dotyczące pracy urządzeń oraz może dostarczać je oddzielnymi drogami w sieci do kierownictwa fabryki. Ta brama może być niezależna od architektury sterowania procesem technologicznym i wykorzystana do dostarczania alarmów oraz danych dotyczących działania – zarówno na poziomie systemu, jak i na poziomie urządzeń.
Docelowo dostawcy komponentów pneumatyki przewidują wysoce autonomiczny proces konserwacji. W procesie tym, gdy otrzymane dane wskazują, że zbliża się awaria lub koniec eksploatacji jakiegoś urządzenia, automatycznie zamawiane są części zamienne lub nowe urządzenie i dostarczane do fabryki dokładnie na czas, aby mogły być wykorzystane podczas prac konserwacyjnych ujętych w harmonogramie.
Podsumowanie
Najbardziej efektywnym podejściem do konserwacji w pneumatyce (lub konserwacji każdego systemu czy komponentu automatyki) jest połączenie wglądu w działanie urządzeń, otrzymanego dzięki zastosowaniu strategii predykcyjnej, opartej na wykorzystaniu danych i ich analiz, z efektywnością strategii prewencyjnej, w celu wykorzystania tych informacji do planowania wyłączeń sprzętu na czas wykonania prac serwisowych.
Konserwacja prewencyjna może być bardziej efektywna dzięki włączeniu do niej wyników procesów konserwacji predykcyjnej i narzędzi analityki ustalających, które z urządzeń pneumatycznych wymagają serwisowania i kiedy to ma nastąpić, oraz kontrolowaniu kosztów magazynowania części zamiennych. Najistotniejsze jest jednak to, że połączenie konserwacji prognozowanej i zapobiegawczej może przyczynić się znacząco od zminimalizowania liczby awarii komponentów pneumatycznych grożących zranieniem ludzi czy uszkodzeniem maszyn, a dzięki temu pozwolić na utrzymywanie systemów produkcyjnych w ruchu i minimalizowanie przestojów.
Mark Densley jest głównym menedżerem produktów automatyki w firmie Aventics Corporation.
