Wykorzystując potencjał najnowocześniejszych technologii automatyki: droga ku zrównoważonemu rozwojowi

Połączone czujniki, robotyka, napędy adaptacyjne - zaawansowane koncepcje automatyki są kluczem do energooszczędnej i zasobooszczędnej produkcji. Dla integratorów systemów i operatorów instalacji stanowią one potężną dźwignię do optymalizacji infrastruktury i procesów pod kątem zrównoważonego rozwoju.

(Źródło ilustracji: AzmanJaka via Getty Images)

Zapotrzebowanie na energię, wykorzystanie surowców i - szczególnie w obszarach metropolitalnych - wielkość potrzebnej powierzchni są najbardziej krytycznymi czynnikami produkcji przemysłowej. Z jednej strony wpływają one na efektywność ekonomiczną fabryk i zakładów, a z drugiej mają kluczowe znaczenie dla zrównoważonego działania.

W wielu regionach świata podejmowane są ogromne wysiłki na rzecz ograniczenia wykorzystania konwencjonalnych paliw kopalnych i zastąpienia ich odnawialnymi. Dotychczasowe sukcesy są znaczące dzięki zaangażowaniu polityki, przemysłu i sektora prywatnego. Na przykład Niemcy, w ramach swojej rewolucji energetycznej, dążą do tego, aby odnawialne źródła energii stały się źródłami dominującymi, a ich udział w całkowitym zużyciu energii w ubiegłym roku osiągnął nieco powyżej 48 procent. Według Federalnej Agencji ds. Sieci przemysł wytwórczy odpowiada za ponad jedną czwartą zużycia energii, a jego udział w zapotrzebowaniu na energię elektryczną jest również porównywalny. Sektorami o największym oddziaływaniu są: produkcja i przetwarzanie chemikaliów i metali.

Te i wiele innych branż produkcyjnych, w tym elektrotechnika i mechanika, a także produkcja żywności, są napędzane postępem w automatyce przemysłowej i procesowej. Oprócz optymalizacji wydajności i kosztów, coraz większy nacisk kładzie się na parametry, które skutkują poprawą zrównoważonego rozwoju produktów i procesów: w kontekście cyfryzacji i koncepcji Przemysłu 4.0, w coraz większym stopniu koncentrują się one na sprawności energetycznej, ekonomicznym wykorzystaniu zasobów, unikaniu odpadów i jak najmniejszym śladzie węglowym.

Optymalizacja pod kątem zrównoważonego rozwoju

Technologia automatyki oferuje szereg strategii, które integratorzy systemów w obszarze mechaniki i techniki zakładowej, a także firmy produkcyjne mogą wykorzystać do optymalizacji swojej infrastruktury, zakładów i procesów pod kątem zrównoważonego rozwoju. Wszechstronne wykorzystanie czujników i ich integracja z przemysłowym Internetem rzeczy (IIoT) otwiera tutaj szeroki zakres możliwości poprzez ciągłe monitorowanie zużycia energii, parametrów środowiskowych lub zapasów. Za pomocą połączonych czujników, firmy produkcyjne mogą na przykład śledzić transport towarów w czasie rzeczywistym, monitorować poziomy napełnienia zbiorników lub rejestrować dane o stanie maszyn i narzędzi na liniach produkcyjnych (ilustracja 1).

Ilustracja 1: w zbieraniu i analizowaniu danych o stanie maszyn drzemie potencjał pozwalający na osiągnięcie bardziej zrównoważonych procesów. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Znakomite przykłady grup czujników, które holistycznie wspierają opierające się na przemysłowym Internecie rzeczy (IIoT) podejście do produkcji, znajdziemy w asortymencie Snap Signal amerykańskiego dostawcy Banner Engineering. Ogólnie rzecz biorąc, wyzwaniem dla użytkowników jest najpierw zidentyfikowanie odpowiednich danych, a następnie pozyskanie ich z wykorzystywanego sprzętu. Jeśli zostanie zidentyfikowana potrzeba zintegrowania dodatkowej technologii czujników do pomiaru dodatkowych zmiennych, np. drgań i temperatury w napędzie, nie powinno to wymagać żadnych zmian w istniejącej architekturze sterowania. Ważne jest również, aby ustandaryzować komunikację i przekonwertować wszystkie dane z czujników i dane dotyczące sterowania na wspólny protokół. Do tego celu może posłużyć linia produktów Snap Signal (ilustracja 2) obejmująca m.in. inteligentne czujniki, konwertery sygnałów, kontrolery, adaptery sygnałów i moduły komunikacji bezprzewodowej, a także technologie łączności przewodowej, które umożliwiają inżynierom automatyki wykonywanie połączeń w trybie plug-and-play.

Ilustracja 2: wspieranie bazującego na przemysłowym Internecie rzeczy (IIoT) podejścia do produkcji: inteligentne czujniki, konwertery i kontrolery z grupy Snap Signal. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Przetwarzanie i analiza takich danych z czujników - przeprowadzana centralnie w chmurze lub bezpośrednio w terenie - pozwala następnie na wyciągnięcie wniosków dotyczących błędów i potencjału optymalizacji procesów lub potrzeb konserwacji. W ten sposób można zmniejszyć straty energii i zminimalizować zużycie zasobów. Z drugiej strony, konserwacja predykcyjna umożliwia planowanie prac serwisowych z wyprzedzeniem, a tym samym ograniczenie przestojów, co z kolei pomaga uniknąć dodatkowych wydatków na energię i materiały.

Technologie napędów energooszczędnych

Jeśli chodzi o zapotrzebowanie na energię, na przykład w zakładach produkcyjnych, technologie napędów odgrywają ważną rolę. Wysokosprawne układy napędowe wyposażone w zaawansowane napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) są na przykład w stanie precyzyjnie dopasować prędkość silnika do rzeczywistego zapotrzebowania systemu, co znacznie zmniejsza zużycie energii, szczególnie w zastosowaniach o zmiennym obciążeniu. Zastosowanie napędów regeneracyjnych może jeszcze bardziej zmniejszyć zużycie energii dzięki przechwytywaniu i ponownemu wykorzystywaniu energii hamowania. Stają się one coraz ważniejsze wobec modularyzacji i uelastyczniania zakładów produkcyjnych, co jest uważane za jeden z podstawowych elementów Przemysłu 4.0. W koncepcji fabryki modułowej funkcje pomocnicze, na przykład w zakresie obsługi i montażu, są pełnione przez pojazdy kierowane automatycznie (AGV) i mobilne roboty wspomagające. Niska waga i rekuperacja są tutaj kluczowymi elementami, ponieważ nie tylko zapewniają ekonomiczne zużycie energii i niewielki ślad ekologiczny, ale także duży zasięg dla pojazdów kierowanych automatycznie (AGV) i kobotów.

Tym segmentem rynku wysokowydajnych technologii napędowych zajmuje się francuski producent Schneider Electric, który oferuje kompaktowe napędy o zmiennej częstotliwości (VFD) Altivar ATV320. Mogą one sterować trójfazowymi silnikami synchronicznymi i asynchronicznymi o mocy od 0,18 do 15kW przy zmiennych prędkościach. Według dostawcy, napęd ten łączy w sobie bezpieczeństwo z licznymi gotowymi do użycia funkcjami zaprojektowanymi w celu zwiększenia sprawności rozwiązań. Mowa tutaj m.in. o dokładności prędkości i momentu obrotowego przy niskich prędkościach, znakomitej odpowiedzi dynamicznej z bezczujnikową kontrolą wektora strumienia oraz o rozszerzonym zakresie częstotliwości dla silników o dużej prędkości. Napęd ATV320 (ilustracja 3) jest szczególnie godny uwagi ze względu na zwiększoną odporność na zanieczyszczenia w otoczeniu, typowe dla wielu procesów przemysłowych oraz spełnia specyfikacje stopni ochrony IP20 i IP6x. Wspomniany napęd o zmiennej częstotliwości (VFD) został zaprojektowany tak, aby można go było w pełni zintegrować z układami o różnych architekturach. Jest wyposażony w złącza RJ45 zapewniające zintegrowaną łączność z protokołami Modbus i CANopen. Inne opcje komunikacji to m.in. Ethernet IP i Modbus TCP, Profinet, EtherCAT, DeviceNet i PowerLink.

Ilustracja 3: napęd o zmiennej częstotliwości (VFD) Altivar ATV 320 do sterowania trójfazowymi synchronicznymi i asynchronicznymi silnikami ze zmienną prędkością. (Źródło ilustracji: Schneider Electric)

Inteligentniejsze sterowanie

W dążeniu do bardziej zrównoważonego wykorzystania energii i zasobów przemysłowych, optymalizacja technologii sterowania jest nieuniknioną częścią równania. Jeśli chodzi o gromadzenie, przetwarzanie i analizowanie danych produkcyjnych w zautomatyzowanych zakładach, kluczową rolę odgrywają najnowocześniejsze kontrolery brzegowe. Urządzenia te są kompaktowe, skalowalne oraz połączone za pośrednictwem przemysłowej sieci Ethernet i mogą być wykorzystywane do wdrażania zarówno rozwiązań opartych na chmurze, jak i lokalnych. Specjalizowane funkcje diagnostyki i zarządzania energią pomagają inżynierom automatyki analizować procesy produkcyjne, identyfikować wąskie gardła i inicjować działania optymalizacyjne w oparciu o kontrolery przemysłowe, takie jak Simatic S7-1200. Zaawansowane algorytmy sterowania, a także zintegrowane funkcje komunikacji i bezpieczeństwa w decydujący sposób przyczyniają się do precyzyjnej realizacji procesu.

Ilustracja 4: wydajna realizacja procesów w oparciu o analizę danych produkcyjnych przy użyciu podstawowego kontrolera firmy Siemens - możliwość wdrożenia zarówno rozwiązania chmurowego, jak i lokalnego. (Źródło ilustracji: Siemens)

Wydajność dzięki precyzji

Małe, zwinne i niezwykle wszechstronne roboty o kompaktowej, lekkiej konstrukcji, wyposażone w inteligentne technologie sterowania, mają znaczący wpływ na zrównoważone wykorzystanie zasobów produkcyjnych. Najlepszym tego przykładem są solidne i wysoce adaptowalne urządzenia z grupy Agilus niemieckiego producenta KUKA (ilustracja 5). Są one dostarczane ze zintegrowanym zasilaniem oraz występują w kilku wariantach, z których część jest oferowana jako roboty do pomieszczeń czystych, inne do zastosowań o krytycznym znaczeniu dla higieny lub środowisk zagrożonych wybuchem. Te zaprojektowane z myślą o współpracy z człowiekiem roboty pozwalają stworzyć wysoce wydajne procesy dzięki bardzo precyzyjnemu i powtarzalnemu sterowaniu ruchami. Na przykład w znacznym stopniu minimalizują potrzebę wykonywania obróbki wtórnej w procesach obróbki skrawaniem, a także zmniejszają poziom odrzutów.

Ilustracja 5: robot KR Agilus w projekcie Uniwersytetu w Reutlingen/Niemcy. Studenci wspólnie z partnerami przemysłowymi pracują tutaj nad opracowaniem zrównoważonych zamienników jednorazowych plastikowych sztućców. (Źródło ilustracji: KUKA Deutschland)

Korzystanie z takich kompaktowych i elastycznych „asystentów” ma również sens dla małych i średnich firm, co producent dokumentuje w różnych przykładowych historiach sukcesu [4]. Przytoczono na przykład projekt uniwersytecki, w ramach którego studenci Uniwersytetu w Reutlingen w Niemczech prowadzą badania nad zamiennikami wielorazowego użytku dla jednorazowych plastikowych sztućców. Są one wspierane przez niemieckiego eksperta w dziedzinie formowania wtryskowego - firmę Gindele - a także przez firmę KUKA i jej partnera systemowego Robomotion. Wszystkie czynności związane z formowaniem wtryskowym są wykonywane przez wysoce elastyczne gniazdo robotyczne, którego rdzeniem jest kompaktowy robot Agilus, wyposażony w chwytak wydrukowany w technologii 3D.

Zgodnie z arkuszem danych, sześcioosiowy robot Agilus KR6 R900-2 firmy KUKA posiada maksymalny zasięg 901mm i udźwig 6,7kg oraz osiąga powtarzalność pozycjonowania ±0,02 mm zgodnie z normą ISO 9283. Potencjalne zastosowania obejmują przenoszenie elementów (w połączeniu z innymi maszynami), przeprowadzanie prób i pomiarów oraz nakładanie klejów lub uszczelniaczy, czy nawet montaż, kompletacja, konfekcjonowanie i komisjonowanie. Robot zajmuje powierzchnię 208mm x 208mm, waży około 54kg, zapewnia stopień ochrony IP56/67 i ochronę przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD), a oprócz tego może być montowany na podłodze, suficie, ścianie i pod kątem.

Cyfrowe modele, materiały i nie tylko

Oprócz przedstawionych tutaj podejść, inżynierowie mogą wykorzystać dalszy potencjał optymalizacji poprzez zastosowanie zrównoważonych materiałów, technik gospodarki w obiegu zamkniętym i najnowszych osiągnięć w dziedzinie cyfryzacji. Celem gospodarki o obiegu zamkniętym jest unikanie odpadów i resztek materiałów oraz recykling i ponowne wykorzystanie jak największej liczby surowców, komponentów i materiałów opakowaniowych. Jej zasady mogą w decydujący sposób przyczynić się do tego, że zautomatyzowane zakłady będą działać w sposób bardziej zrównoważony.

Koncepcje cyfrowego bliźniaka i cyfrowego cienia są obiecujące, jeśli chodzi o lepszą identyfikację potencjału optymalizacji, przy czym pozwalają uniknąć prób na rzeczywistych maszynach lub zakładach przy wysokich nakładach zasobów. Dzięki kompleksowej cyfrowej reprezentacji rzeczywistych produktów, zakładów lub procesów - oraz ich cykli życia - można zainicjować działania konserwacyjne lub ustalić korelacje między pracami rozwojowymi, produkcją i wszystkimi innymi etapami łańcucha wartości. Inżynierowie mogą w ten sposób szczegółowo symulować zachowanie, funkcjonalność i jakość rzeczywistych obiektów lub procesów, a w konsekwencji poprawić ich zrównoważony rozwój, na przykład eliminując potrzebę stosowania fizycznych prototypów.

Podsumowanie

Automatyka ma duże zalety dla inżynierii procesowej i produkcyjnej pod względem wydajności i kosztów. Jest to zatem kluczowy czynnik ekonomiczny. Jednak oprócz tego, zaawansowane koncepcje i produkty automatyki są również kluczem do poprawy zrównoważonego rozwoju procesów przemysłowych. Niniejszy artykuł, dzięki przytoczonym przykładom, daje wyobrażenie o szerokim wachlarzu możliwości, od konserwacji predykcyjnej, aż po fabrykę modułową i współpracę człowieka z robotem.