Postęp techniczny w obszarze czujników i sieci informatycznych oraz nowe systemy komunikacyjne otworzyły nowe możliwości adaptacji i rozwoju technologii Przemysłowego Internetu Rzeczy. Te zaś dają producentom możliwość wytwarzania towarów przy zwiększonej elastyczności, szybkości i wydajności produkcji.
Adaptacja systemów automatyki w zakładach przemysłowych postępowała i wciąż postępuje w bardzo szybkim tempie. W najnowszych aplikacjach wiąże się z nią również rosnąca popularność robotów przemysłowych. Przewiduje się, że wartość światowego przemysłu robotycznego zwiększy się w 2021 r. do ponad 226 mld dolarów. Logiczną konsekwencją tego procesu będzie wdrożenie elementów sztucznej inteligencji w obsłudze maszyn i robotów przemysłowych, wraz z obsługą zaawansowanych usług monitorowania i analizy danych Big Data.
Wiele firm już wykorzystuje elementy i funkcje sztucznej inteligencji do zwiększania efektywności i jakości realizowanych operacji. Z ankiety przeprowadzonej przez „Business Insider” wynika, że ponad 80% kierowników zgadza się z opinią, że skuteczne wdrożenie technologii Internetu Rzeczy (Internet of Things – IoT) będzie decydowało o osiągnięciu sukcesu biznesowego w przyszłości. Według innych badań, przeprowadzonych przez niemiecką firmę Quest Technomarketing, połowa wszystkich inżynierów mechaników opiera się w swojej pracy na inteligentnych maszynach modułowych. Liczba tych urządzeń podwoi się tak szybko, jak ogólna produkcja maszyn w ciągu następnych kilku lat, przy czym inteligentne maszyny modułowe mają osiągnąć poziom 80% udziału w rynku w ciągu trzech lat. Wszystkie te trendy oznaczają zwiększony popyt na inteligentne sterowanie ruchem maszyn i robotów – wraz z potrzebą zarządzania realizowanymi przez nie zaawansowanymi funkcjami.
Myślenie w kategoriach indywidualizacji
Jednym z najważniejszych czynników decydujących o wprowadzaniu cyfrowej technologii sterowania napędów silnikowych, korzystającej z rozwiązań i możliwości IoT, jest obserwowana w przemyśle tendencja do produkcji wyrobów zindywidualizowanych, dostosowanych do wymagań klientów. Ponadto rośnie obecnie potrzeba poprawy efektywności procesów i oszczędzania wykorzystywanych w nich zasobów, przy jednocześnie stale rosnącej liczbie ludności na świecie i trendach dotyczących elastycznej i zindywidualizowanej produkcji.
Na przykład niektórzy producenci samochodów nie oferują już tak szerokiego zakresu modeli jak wcześniej. Nabywcy mogą wybrać jakiś detal lub kombinację detali, w które może być wyposażony jeden model samochodu.
Tendencja do większej indywidualizacji jest widoczna także w innych gałęziach przemysłu. Dawniej supermarkety oferowały klientom mleko w dwóch pojemnościach opakowań kartonowych oraz w wersji pełnotłustej i odtłuszczonej. Dziś klienci mogą wybierać pomiędzy wieloma różnymi wielkościami opakowań kartonowych mleka: normalnego pasteryzowanego, niepasteryzowanego, ekologicznego, ryżowego czy sojowego.
Czy w wyniku tych zmian po drogach jeździ więcej samochodów, a ludzie piją więcej mleka? Niekoniecznie. Wielkości serii produkcyjnych kurczą się cały czas, jednak liczba odmian produktów zwiększa się, przy tej samej wielkości produkcji.
Łatwo można znaleźć inne przykłady tak właśnie kurczących się partii produkcyjnych. Więcej wersji produktów nie musi oznaczać większej konsumpcji, jednak może się przełożyć na większą sprzedaż marek handlowych producenta.
Ponieważ ilości wytwarzanych produktów maleją, celem firm jest ograniczanie kosztów ich produkcji, bez ujemnego wpływu na jakość towarów. Wraz ze stopniowym odejściem od produkcji masowej wyrobów o ograniczonej liczbie odmian, wiele gałęzi przemysłu już doświadcza rosnącego popytu na produkcję wysoko zróżnicowaną o niskiej skali (high mix/low volume). W zautomatyzowanych fabrykach w przyszłości pojawi się więcej tymczasowych linii produkcyjnych, wymagających ponownej konfiguracji w celu wytwarzania coraz bardziej zróżnicowanych produktów. Oznacza to, że producenci w coraz większym stopniu będą musieli przystosowywać się do popytu na bardzo zróżnicowane i stale zmieniające się portfele produktów, co przekłada się na konieczność szybszych zmian produktów i/lub wielkości ich opakowań.
A zatem producenci muszą pomyśleć o tym, jak najlepiej dostosować się do produkcji większej ilości odmian wyrobów, po uzasadnionych kosztach. Oczywiście posiadanie osobnych maszyn do produkcji każdej odmiany wyrobu lub pakujących dla każdej wielkości opakowania handlowego zwiększa koszty i jest całkowicie niezasadne ekonomicznie. Tak więc to raczej maszyny powinny być bardziej uniwersalne.
Dysponujące zaawansowanymi funkcjami, tzw. inteligentne i połączone w sieci maszyny umożliwiają dużo bardziej elastyczną organizację produkcji i są znacznie lepiej przystosowane do produkcji wyrobów dostosowanych do wymagań klienta. Jednocześnie zachowują wysoki poziom wydajności produkcji, jakości wyrobów i efektywności wykorzystania zasobów, przy produkcji zarówno małych, jak i dużych serii wyrobów.
Unikanie złożoności
Konstruktorzy i producenci maszyn ponoszą wielką odpowiedzialność za wdrażanie systemów automatyki. Zaawansowane technologie automatyki mogą bowiem dawać olbrzymie możliwości, ale również prowadzić do zwiększenia poziomu złożoności funkcji i systemów poprzez elementy dynamicznego programowania wieloparametrycznych funkcji sterowania oraz integrację z sieciami zakładowymi, sieciami teleinformatycznymi i platformami w chmurze obliczeniowej.
W czasach, gdy ilość produktów w seriach produkcyjnych zmniejsza się, wszystko zależy od wydajnego i efektywnego planowania produkcji. Realizacji tego zadania mogą sprostać współczesne systemy sterowania i monitoringu, jednak związana z nim złożoność byłaby praktycznie niemożliwa do zarządzania na tym poziomie.
We współczesnych systemach sterowania granice lokalnych systemów i podsystemów skojarzonych z pojedynczymi maszynami lub grupami maszyn, w szczególności poprzedzającymi i następnymi w ciągu produkcyjnym, mogą się zacierać. W tego typu aplikacjach wdrożenie mechanizmów i funkcji sztucznej inteligencji jest najbardziej sensowne. Tymczasem większość fabryk nadal wykorzystuje przynajmniej kilka tradycyjnych systemów i rozwiązań, potęgując złożoność.
Innym wyzwaniem jest odchodzenie na emeryturę doświadczonych pracowników i brak nowych oraz duża konkurencja wśród firm poszukujących kandydatów z umiejętnościami technicznymi. Trzeba jednak zaznaczyć, że dla nowego pokolenia inżynierów obsługa maszyn i ich programowanie nie mogą być bardzo skomplikowane, szczególnie biorąc pod uwagę ich rosnące możliwości, ogrom parametrów itp. Przewlekły proces projektowania i uruchamiania maszyn, wysokie wymagania dotyczące ich programowania lub trudna nauka tego procesu nie są również czynnikami wspierającymi przyspieszanie i odchudzanie operacji realizowanych w fabrykach, co jest obecnie konieczne do zachowania konkurencyjności.
Skupienie się na prostocie
Na co zatem zwrócić szczególną uwagę przy organizacji współczesnych systemów sterowania, w szczególności układów napędowych? Należy powrócić do podstaw. Z definicji innowacje w automatyce powinny ułatwić ludziom pracę. Upraszczanie złożonych technologii wymaga wprowadzenia modułowości koncepcji sterowania oraz standaryzacji jednostek funkcjonalnych. Nowocześniejsze i bardziej zaawansowane funkcjonalnie maszyny wymagają takich rozwiązań sterowania, które potrafią sprostać wyzwaniom związanym z indywidualizacją produktów oraz złożonością technologii cyfrowych.
Jednocześnie programowanie robotów musi być łatwiejsze, aby umożliwić ich łatwą rekonfigurację oraz by mogły one wykonywać szeroki zakres zadań wspierających elastyczną produkcję, w tym zmienność projektów produktów. Projekty maszyn muszą umożliwiać produkcję różnych wariantów wyrobów oraz łatwe przestawianie produkcji. Maszyny posiadające funkcję samooptymalizacji oraz właściwie dobrane silniki i systemy falownikowe mogą uczynić automatykę bardziej efektywną dzięki ułatwieniu ich uruchamiania i programowania oraz diagnozowania dla celów utrzymania ruchu.
Modułowość w organizacji funkcji i algorytmów sterowania umożliwia łatwiejsze dodawanie lub usuwanie elementów napędowych w procesie produkcji lub szybką wymianę oprzyrządowania maszyn, również przy użyciu programowania modułowego. Dla konstruktorów maszyn takie podejście to nic innego, jak pewna zmiana paradygmatów i założeń konstrukcyjnych. Ich priorytetem jest stworzenie jak najdoskonalszej maszyny, która z największą wydajnością będzie produkować wyroby spełniające jak najwyższe standardy. Obecnie, dzięki takim rozwiązaniom, mogą oni zaoferować klientom optymalną elastyczność oraz swego rodzaju inteligencję maszyn, bez obniżania jakości wyrobów.
Na hali fabrycznej modułowość oznacza większą swobodę w doborze różnych wielkości opakowań, różnych materiałów, a nawet składników, które mogą być przetwarzane, a następnie jako gotowe produkty pakowane i paletyzowane przez jedną tylko maszynę. Dlatego wdrażane sukcesywnie modułowe i ustandaryzowane napędy silników maszyn oraz narzędzia inżynierii oprogramowania już pomagają w tym, by złożone wymagania dotyczące produkcji oraz technologii IIoT były łatwiejsze do realizacji i zarządzania.
Stworzone na bazie technologii programowania sparametryzowanego, inteligentne napędy silnikowe ułatwiają programowanie kinematyki maszyn, od koncepcji po wdrożenie. Parametryzacja umożliwia łatwiejsze niż w przypadku tradycyjnego programowania uruchamianie maszyn. Zastąpienie złożonego programowania jednolitymi narzędziami programistycznymi do konfigurowania sterowników i samych maszyn znacznie redukuje czas pracy inżynierskiej i wymagania techniczne oraz eliminuje konieczność stosowania redundancji, które podnoszą koszty.
Przemienniki częstotliwości o zaawansowanej funkcjonalności obsługują różne interfejsy komunikacji i połączenia sieciowe dla nowych i starych maszyn. Podłączenie inteligentnego napędu do sieci, dzięki modułowym komponentom sterowania oraz narzędziom inżynierskim, obecnie nie wymaga już przejścia specjalnego szkolenia. Konstruktorzy maszyn mogą więc skupić się na tym, na czym znają się najlepiej – elementach, które są unikalne dla ich projektów i które są czynnikami wpływającymi na konkurencyjność maszyn.
Usieciowienie fabryk i szybkie śledzenie zasobów
Łączność cyfrowa i możliwości transmisji danych cyfrowych są czynnikiem napędowym monitoringu sprzętu oraz zaawansowanych narzędzi dla strategii zarządzania zasobami firm. Dzięki temu poprawia się działanie pojedynczych maszyn i całych procesów oraz wydłuża czas bezawaryjnej pracy i eksploatacji sprzętu. Zaawansowane, inteligentne oraz skalowalne technologie napędów zapewniają wydajny przepływ danych, widoczność urządzeń i sterowanie nimi, wraz z bezpiecznym przesyłaniem danych, które z kolei umożliwiają podejmowanie decyzji, diagnostykę, konserwację i analizę predykcyjną w czasie rzeczywistym.
Wszędzie tam, gdzie maszyny poruszają elementami fizycznymi i gdzie komponenty monitorują, sterują i napędzają maszyny, wykorzystuje się współcześnie sieciową technologię napędów i automatyki. Narzędzia inżynierskie są potrzebne, jednak do samego uruchamiania i obsługi maszyn powinny być one tak skonstruowane, by nie mogły ich obsłużyć osoby bez wysokiego wykształcenia i szczególnych umiejętności.
Upraszczanie operacji złożonych jest głównym wyzwaniem, któremu mogą sprostać inteligentne systemy sterowania napędami. Dlatego też koncepcja modułowa dokonuje obecnie migracji w kierunku oprogramowania. Wysokiej jakości oprogramowanie adaptacyjne stanie się kluczowym czynnikiem decydującym o wprowadzaniu innowacji oraz zwiększaniu wydajności pracy inżynierów. Funkcje modułów maszyn nie wymagają już tradycyjnego, zwykle skomplikowanego programowania – odbywa się to teraz poprzez wykorzystanie modułów i proste dostrajanie parametrów.
Rozwiązania automatyki zorientowane na sterowanie aplikacjami napędów obejmują również ergonomiczne i przyjazne dla użytkownika systemy operacyjne interfejsów operatorskich (HMI), w których realizowana jest wizualizacja procesów i łatwiejsza integracja, w celu obsługi połączeń sieciowych i technologii Przemysłowego Internetu Rzeczy oraz realizacji sterowania. Ponadto dzięki technologiom IoT operacje na danych dokonywane w chmurze obliczeniowej umożliwiają zdalne realizowanie takich złożonych funkcji, które przedtem były dostępne tylko na miejscu w fabryce.
Podsumowanie
Szybkość, elastyczność, produktywność i wydajność zyskują fundamentalne znaczenie we współczesnej produkcji, pakowaniu produktów i logistyce. Trzeba mieć również świadomość, iż ta dynamika na rynku światowym ciągle się zmienia, wprowadzając nowe modele łańcuchów dostaw, z większą liczbą odmian i krótszymi cyklami produkcyjnymi, wymagającymi większej inteligencji, w celu skrócenia czasu opracowywania maszyn oraz kompletnej integracji systemów.
Projektowanie i konstruowanie maszyn zawsze charakteryzowało się wysokim stopniem zorientowania na klienta, wymagającym przełożenia potrzeb produkcyjnych na rozwiązania techniczne. To tu właśnie największy wpływ mogą mieć skalowalne i łatwe w konfiguracji moduły sterowania ruchem i układami napędów oraz uniwersalne oprogramowanie, pisane dla szerszego zakresu wymagań aplikacji.
Technologie IIoT rozprzestrzeniają się nie tylko w dużych firmach, ale także w średnich i małych. Ich wdrożenie staje się coraz łatwiejsze, tak więc wybór firm w ostateczności sprowadza się do pozostawania na czele lub w tyle konkurencji. Wykorzystanie technologii do upraszczania złożoności samych systemów sterowania, ale też metod ich programowania, jest kierunkiem, w którym przemysł podążał już od wielu lat. Obecnym celem jest systematyczne podążanie tą drogą. Platforma IoT wspiera ten trend i pozwala na działania będące bodźcem dla wszystkich segmentów przemysłu.
Doug Burns pracuje w firmie Lenze Americas.
