Modernien teollisten järjestelmien ytimessä on automaatio-ohjauslaitteisto, joka yhdistää kaikenlaisia komponentteja, kuten antureita, ohjaimia ja toimilaitteita, jotta tuotantolinjat pysyvät sujuvasti liikkeellä. Tilastot tukevat tätä: monien tehtaiden mukaan virheiden määrä on vähentynyt noin 40 %, kun siirrytään manuaalisen työn käytöstä automatisoituun järjestelmään, kuten ARC Advisoryn viimevuotisessa tutkimuksessa todettiin. Otetaan esimerkiksi lämpötilan säätö suurissa kemiallisissa reaktoreissa tai robottikäsien saaminen toimimaan saumattomasti yhdessä – nämä järjestelmät pystyvät pitämään tiukasti kiinni vaatimuksista aina tuhannesosan millimetrin tarkkuudella. Ja nyt asiat muuttuvat vielä älykkäämmiksi: huippuvalmistajat alkavat integroida tekoälypohjaisia ennustetyökaluja suoraan ohjausyksiköihinsä, jotta tehdas voi käsitellä tietoa välittömästi ja säätää toimintoja reaaliaikaisesti ilman ulkoisen analyysin odottamista.
Teollisen automaation tarina alkoi todella 1960-luvulla, kun nuo vanhat sähkömekaaniset releet eivät tehneet muuta kuin kytkelivät asioita päälle ja pois. Siirrytään eteenpäin 90-luvulle, jolloin ohjelmoitavat logiikkakontrollerit eli lyhyesti PLC:t levisivät lähes kaikkialle tehtaisiin, jotka valmistivat erillisiä tuotteita. Nämä pienet kovia työläiset pystyivät käsittelemään noin 1 000 syöttö/lähtökohtaa joka sekunti. Nykyaikaiset älykkäät kontrollerit ovat kulkeneet pitkän matkan. Ne voivat nyt kommunikoida Teollisen internetin (IIoT) kanssa samalla kun suorittavat 15 miljoonaa käskyä sekunnissa käyttäen samalla 30 % vähemmän energiaa verrattuna edeltäjiinsä. Äläkä unohda reuna-laskentamoduulejaakaan. Nämä kaverit mahdollistavat koneiden itsenäisen ajattelun suoraan lähteessä, mikä vähentää kauko-ohjattujen pilvipalveluiden riippuvuutta lähes puoleen kriittisissä toiminnoissa, kuten puolijohdeteollisuudessa, viime vuoden Deloitte-raportin mukaan.
Nykyjärjestelmät suorittavat kolme olennaista toimintoa:
Tämä integroitu lähestymistapa mahdollistaa 99,95 %:n käytettävyyden autoteollisuuden hitsauslinjoilla ja virheellisten tuotteiden osuuden alle 0,1 %:n lääketeollisuuden pakkauksissa (McKinsey 2023 valmistustekniikan vertailututkimus). Kun prosessinohjauksen mittauslaitteet kehittyvät, nämä järjestelmät diagnosoivat yleisesti ennalta huoltotarpeita ja ennustavat moottoriviat jopa 800 käyttötuntia ennen vikaa.
Oikean ohjaimen valitseminen edellyttää useiden tekijöiden huomioimista. Vasteaika on erittäin tärkeä korkean nopeuden nosta-ja-laita -sovelluksissa, joissa ±10 ms voi olla ratkaiseva ero. Myös tarkkuusvaatimukset ovat tärkeitä. Puolijohdeteollisuudessa tarvitaan usein yhden millimetrin alaisia toleransseja. Skalautuvuutta ei pidä myöskään unohtaa. Useimmat asiantuntijat suosittelevat jättämään noin 30–50 prosenttia ylimääräistä kapasiteettia liiketoiminnan kasvaessa. Viime vuoden teollisuustietojen mukaan yli puolet tuotantokatkoista sekamuotoisessa valmistuksessa johtuu juuri siitä, että käytetään ohjaimia, jotka eivät vastaa koneiden tarpeita. Tämä korostaa entisestään, kuinka tärkeää on sovittaa tekniset tiedot tehdashuoneen todellisiin olosuhteisiin, jotta toiminta pysyy esteettömänä ja odottamattomia keskeytyksiä vältetään.
Ohjelmoitavat logiikkakontrollerit (PLC:t) ovat kaikkialla, missä tarvitaan sekunnin murto-osan päätöksiä, kuten esimerkiksi kokoonpanolinjoilla, jotka joutuvat reagoimaan millisekunnin sisällä. Nämä kontrollerit pitävät asiat toimimassa moitteettomasti pullojen korkituskoneissa, jotka voivat käsitellä noin 400 pulloa minuutissa, ei edes mainitakseni niitä erittäin tarkkoja robottihitsauslaitteita, jotka saavuttavat 0,05 mm:n tarkkuuden joka kerta. Mikä tekee niistä niin suosittuja? No, niiden käyttämä kontaktorikaavio-ohjelmointi tekee siitä paljon helpompaa asettaa kuljettimet toimimaan yhdessä ja asentaa tehtaan lattialle elintärkeitä turvalukituksia. Teollisuuden ammattilaiset viittaavat kiinnostavaan havaintoon uusimmasta Process Control Handbook -tilastosta – verrattuna tavallisiin tietokonejärjestelmiin PLC:t vähensivät asennusaikaa noin 40 % autotehtaissa. Tämäntyyppinen tehokkuus selittää, miksi ne säilyvät suosituimpana vaihtoehtona huolimatta kaikista uusista hienoista teknologioista.
Hajautetut säätöjärjestelmät (DCS) loistavat teollisissa ympäristöissä, joissa kaikkien osien on toimittava yhdessä koko laitoksen alueella. Esimerkiksi öljynjalostamoissa nämä järjestelmät voivat pitää lämpötilan vakiona puolen asteen celsiusasteen tarkkuudella, vaikka ne hallitsisivatkin yli 5 000 syöttö/lähtöpistettä koko laitoksessa. Nämä järjestelmät käyttävät kehittyneitä säätömenetelmiä monimutkaisten prosessien, kuten katalyyttisen rikkomisen, käsittelyyn ja samalla ne ylläpitävät lähes täydellistä käytettävyyttä noin 99,8 %:n tasolla jatkuvan käyttöjakson aikana. Uusimmat DCS-versiot sisältävät älykkäitä kunnossapitoominaisuuksia, jotka ennustavat laitevikoja ennen kuin ne tapahtuvat. Näitä modernia järjestelmiä käyttävät tehtaat ilmoittavat noin 57 % vähemmän yllättäviä pysäytystilanteita verrattuna vanhempiin järjestelmiin, mikä merkitsee suurta eroa sekä turvallisuuden että tuotantotehokkuuden kannalta.
Ohjelmoitavat automaatio-ohjaimet yhdistävät perinteisten ohjelmoitavien logiikkaohjaimien (PLC) luotettavat ohjausominaisuudet tavallisten tietokoneiden suuren laskentatehon kanssa, mikä tekee niistä erittäin soveltuvia monimutkaisten tehtävien hoitamiseen. Ajattele mukautuvia pakkauslinjoja, jotka joutuvat samanaikaisesti hallitsemaan yli 15 erilaista tuotetyyppiä. Nämä järjestelmät voivat suorittaa sekä käyttöönottokaavio-ohjelmointia että edistyneitä ohjelmointikieliä, kuten C++:ää. Tämä kaksoisominaisuus mahdollistaa valmistajien liittää ne kehittyneisiin koneen näköjärjestelmiin, jotka tunnistavat virheitä vaikuttavalla nopeudella 120 kuvaa sekunnissa. Viime vuonna julkaistu tutkimus osoitti, että kun yritykset ottavat käyttöön PAC-teknologiaa elintarviketeollisuuden prosesseissaan, he saavat tyypillisesti noin 22 prosentin parannuksen kokonaistehokkuuteen (OEE) paremman reaaliaikaisen laadunvalvonnan ansiosta.
Eräs erityiskemikaalialan yritys sai eräkohtaiset tuotantokierrokset kutistumaan lähes kolmanneksella, kun se vaihtoi vanhat relejärjestelmät moderniin PAC-järjestelmiin, jotka sisälsivät tehtaalla asennetun SQL-tietokannan. Tämä muutos poisti 18 ikävää manuaalista tietojen syöttötehtävää ja varmisti, että kaikki vastasi tiukkoja FDA-sääntöjä (erityisesti osaa 11) turvallisten digitaalisten tietueiden avulla, joita ei voi myöhemmin muuttaa. Samalla puolella terästehtaassa, jossa suoritetaan jatkuvia sinkittymissuoritteita, insinöörit onnistuivat pitämään järjestelmän toiminnassa 99,95 %:n ajasta, vaikka käsittelivät valtavia määriä päivittäin. He saavuttivat tämän asentamalla varakontrollijärjestelmiä erityisillä syöttö/lähtömoduuleilla, jotka voitiin vaihtaa lennosta keskeyttämättä tuotantoa – melko vaikuttavaa, kun huomioidaan, että he käsittelevät noin 1 200 tonnia joka päivä.
Tehokas automaatio perustuu oikein määritettyihin syöttö/lähtö (I/O) -järjestelmiin ja vankkoihin viestintäprotokolliin, jotka varmistavat saumattoman vuorovaikutuksen antureiden, toimilaitteiden ja ohjainten välillä dynaamisissa ympäristöissä.
Teollisten järjestelmien parissa työskennellessä suunnittelijoiden on tiedettävä ero binääristen laitteiden, jotka vain kytkentävät asioita päälle ja pois, ja muuttuvaa aluetta käsittelevien laitteiden, jotka hoitavat jatkuvia tietovirtoja, välillä. Ota esimerkiksi diskreetti I/O, joka käsittelee perustasoisia kyllä/ei-syntejä, jotka tulevat raja-kytkimistä tai painonapeista. Toisaalta analoginen I/O toimii jatkuvien mittausten kanssa, kuten lämpötilalukemien tai painetasojen kanssa ajan myötä. Nämä edellyttävät huomattavasti tarkempia näytteenottotaajuuksia, jotta todellinen signaali säilyy koskemattomana ilman tärkeiden yksityiskohtien menetystä. Useimmat kokeneet insinöörit suosittelevat jättämään noin 25 ylimääräistä I/O-pistettä järjestelmän suunnitteluun. Miksi? Koska kukaan ei voi ennustaa tarkasti, mitä muutoksia saatetaan tulevaisuudessa tarvita, kun prosesseja päivitetään tai laajennetaan.
I/O-kaappien sijoittaminen suoraan ohjainhuoneiden viereen auttaa vähentämään sähköisiä häiriöitä, vaikka tämä järjestely tarkoittaakin usein paljon kaapeleita, jotka kulkevat kaikkialla. Kun valmistajat asentavat hajautetut I/O-moduulit lähemmäs varsinaisia laitteita, he voivat säästää huomattavasti kaapelointitilaa. Joidenkin raporttien mukaan säästöt voivat olla 60–80 prosenttia suurissa teollisuuslaitoksissa. Monet yritykset siirtyvät nyt käyttämään IP67-luokiteltuja etäisesti sijaitsevia I/O-asemia, jotka voidaan asentaa suoraan tuotantokoneille. Tällaiset järjestelmät toimivat erinomaisesti todellisen ajan tietojen keräämiseen antureista, vaikka tehdasalustalla olisi raju olosuhde.
Ethernet/IP johtaa modernia asennusta 100 Mbps:n kaistanleveydellä ja natiivilla yhteensopivuudella IIoT-alustoille. Modbus TCP:ää käytetään edelleen laajasti vanhojen laitteiden integroimiseksi uusiin verkkoihin. Teollisuuden ohjeet korostavat näitä protokollia niiden saumattoman yhteyden vuoksi valvontajärjestelmiin, kuten SCADAan ja MES:iin.
Monet tehtaat käyttävät eri valmistajien laitteita, jotka ulottuvat useisiin vuosikymmeniin. Protokollamuuntimet yhdistävät vanhemmat RS-485/Modbus RTU -laitteet Ethernet-pohjaisiin verkkoihin. Olemassa olevien kenttäväylätopologioiden kartoitus suunnitteluvaiheessa estää kalliit uudelleenkonfiguroinnit, ja OPC UA on noussut suositimmaksi ratkaisuksi moniprotokollaympäristöjen yhdistämiseen.
Kun IIoT-järjestelmät yhdistetään reuna-laskentakapasiteettiin, ne vähentävät merkittävästi dataviiveitä – Ponemon Institute -tutkimus osoittaa noin 70 %:n vähennyksen. Tämä tarkoittaa, että koneet voivat käsitellä tietoa paikan päällä ilman pilvipalveluiden odottelua. Kun nämä verkot laajenevat valmistavilla tehdasalueilla, skaalautuvat IIoT-rakenteet kasvun mukana vaivattomasti ja samalla noudattavat standardijärjestöjen, kuten ISO:n 55000-kehysten, säätämiä sääntelyvaatimuksia. Otetaan esimerkiksi WoT-järjestelmän yhteistoimivuustaso. Käytännön testit älykkäissä tehtaissa osoittavat, että se yhdistää eri protokollia onnistuneesti noin 98 %:n prosentissa tapauksista, vaikka viimeisten prosenttipisteiden saavuttaminen edellyttää usein hienosäätöjä, jotka perustuvat tietyille tehdasolosuhteille ja vanhan varustuksen yhteensopivuusongelmiin.
Modulaariset suunnitteluratkaisut mahdollistavat 30 % nopeammat järjestelmäpäivitykset verrattuna kiinteisiin arkkitehtuureihin vuoden 2024 valmistusteknisten vertailuarvojen mukaan. Digitaalinen kaksinkertaisuus -tekniikka mahdollistaa tuotantokapasiteettien simuloinnin ennen fyysisiä muutoksia. Tier-1-toimittajat raportoivat 40 % alhaisemmista jälkikäteen tehtyjen muutosten kustannuksista komponenttipohjaisten järjestelmien käytössä, jotka tukevat asteittaisia IIoT-päivityksiä.
Modernit ohjelmointialustat saavuttavat 99 %:n yhteensopivuuden vanhojen järjestelmien kanssa yleismaailmallisten viestintäajurien avulla – mikä on kriittistä sekateollisuuden tehtaissa. Uusimmat ohjelmistopaketit integroituvat natiivisti HMI- ja MES-järjestelmiin, mikä vähentää integrointiaikaa 50 %:lla automaatiosovelluksissa (Ponemon 2023).
Edelläkävijävalmistajat käyttävät 25 % automaatiobudjetistaan protokollariippumattomaan infrastruktuuriin, tunnustaen että viestintästandardeja päivitetään joka 3–5 vuosi (Ponemon 2024). WoT-järjestelmän interoperabiliteettitaso on mahdollistanut 85 % nopeamman laitteiden käyttöönoton semanttisen standardoinnin kautta, mikä on osoittautunut keskeiseksi tekijäksi taaksepäin yhteensopivuuden ylläpitämisessä uusia IIoT-antureita ja toimilaitteita otettaessa käyttöön.
Automaatio-ohjauslaitteet suorittavat prosessin seurannan, päätöksenteon ja järjestelmän säädön, mikä takaa optimaalisen tuotannon laadun ja tehokkuuden.
PLC:t soveltuvat erillisiin, nopeakäyntisiin tehtäviin, kun taas DCS-järjestelmät sopivat suurempien, jatkuvien prosessien hallintaan, joissa vaaditaan kohteen laajuista koordinointia.
Yhteensopivuuden ja integroinnin varmistaminen estää kalliit uudelleenkonfiguroinnit ja mahdollistaa sujuvan vuorovaikutuksen eri valmistajien laitteiden välillä.
IIoT-integrointi parantaa datan käsittelynopeutta paikan päällä, vähentää viiveitä ja laajentaa skaalautuvia kehyksiä verkoston kasvun hallintaan.
Tekijänoikeudet © 2024 Shenzhen QIDA electronic CO.,ltd
EN