A modern ipari berendezések szívében az automatizálási vezérlőberendezés áll, amely összeköti az összes alkatrészt, mint például az érzékelőket, vezérlőket és hajtóműveket, hogy a gyártási vonalak zökkenőmentesen működjenek. A statisztikák ezt alátámasztják, túl sok gyár jelent 40%-os csökkenést a hibákban, amikor a gyakorlati munkából automatizált rendszerekre váltottak, az ARC Advisory tavalyi kutatása szerint. Vegyük például a nagy vegyi reaktorok hőmérséklet-szabályozását, vagy a robotkarok zökkenőmentes együttműködését, ezek a rendszerek csak egy ezeredik részére képesek a specifikációkra. És a dolgok egyre okosabbak lesznek, most, hogy a legjobb gyártók elkezdik beépíteni a mesterséges intelligencia alapú előrejelző eszközöket a vezérlőegységeikbe, így a növények azonnal feldolgozhatják az információkat, és a folyamatokat a járatban módosíthatják, anélkül, hogy várnának a külső elem
Az ipari automatizálás útja valójában az 1960-as években kezdődött, amikor a régi iskolás elektromechanikus relék semmivel sem többet nem csináltak, mint be- és kikapcsoltak dolgokat. A 90-es évekre pedig a programozható logikai vezérlők, röviden PLC-k már szinte mindenütt jelen voltak a diszkrét termékeket gyártó gyárakban. Ezek a kis munkaerők másodpercenként körülbelül 1000 bemeneti/kimeneti pontot tudtak kezelni. Ma azonban a modern okosvezérlők hatalmas utat tettek meg. Képesek kommunikálni az Ipari Internet of Things (IIoT) rendszerekkel, miközben másodpercenként 15 millió utasítást dolgoznak fel, ugyanakkor 30%-kal kevesebb energiát használnak, mint elődeik. És ne feledkezzünk meg az edge computing modulokról sem. Ezek a kis gépek lehetővé teszik, hogy a gépek közvetlenül a forrásnál gondolkodjanak maguk, és ezáltal a távoli felhőszerverekre való függőséget majdnem felére csökkentsék kritikus műveletek során, például félvezetőgyártás során – ezt igazolja a Deloitte tavalyi jelentése.
A modern rendszerek három alapvető funkciót látnak el:
Ez az integrált megközelítés támogatja az autóipari hegesztővonalak 99,95%-os üzemidejét és a gyógyszeripari csomagolásnál az 0,1%-nál alacsonyabb hibaszázalékot (McKinsey 2023. évi Gyártási Benchmark Tanulmány). Ahogy a folyamatirányítási műszerezettség fejlődik, ezek a rendszerek egyre inkább önállóan diagnosztizálják a karbantartási igényeket, akár 800 működési órával a motor meghibásodása előtt jelezve azt.
A megfelelő vezérlő kiválasztásánál több tényezőt is figyelembe kell venni elsőként. A válaszidő különösen fontos olyan alkalmazásoknál, mint a nagy sebességű pick-and-place műveletek, ahol a ±10 ms-os eltérés jelentős különbséget okozhat. Fontos szempont továbbá a pontossági igény. A félvezetőipar gyakran egy milliméternél kisebb tűréshatárokat követel meg. Ne feledkezzünk meg a skálázhatóságról sem. A szakértők többsége ajánlja, hogy kb. 30–50 százalék plusz kapacitást hagyjunk fennt a jövőbeni üzleti növekedésre. A múlt év iparági adatai szerint az összetett gyártási környezetekben fellépő termelésleállások több mint fele olyan vezérlők használatából adódik, amelyek egyszerűen nem felelnek meg a gépek tényleges igényeinek. Ez kiemeli, mennyire fontos, hogy a technikai specifikációk pontosan illeszkedjenek a gyártóhelyi valóságos igényekhez, így elkerülhetők a váratlan megszakítások.
A programozható logikai vezérlők (PLCs) alapvetően mindenhol jelen vannak, ahol a másodperc törtrésze számít, gondoljunk például olyan szerelőszalagokra, amelyeknek milliszekundumokon belül kell reagálniuk. Ezek a vezérlők biztosítják a zavartalan működést az olyan palackzáró gépeken, amelyek percenként körülbelül 400 palackot tudnak kezelni, nem is beszélve a rendkívül precíz robotkézi hegesztőkről, amelyek minden egyes alkalommal 0,05 mm-es pontosságot érnek el. Mi teszi őket ennyire népszerűvé? Nos, a lánclogikai programozásuk sokkal egyszerűbbé teszi a szállítószalagok összehangolt működtetését, valamint a gyártóterületen átívelő kritikus biztonsági zárolások telepítését. A szakemberek figyelmet hívnak a Process Control Handbook legfrissebb statisztikái alapján megállapított érdekes tényre – hagyományos számítógépes rendszerekkel összehasonlítva a PLC-k körülbelül 40%-kal csökkentik a beállítási időt az autógyártó üzemekben. Ez az effektivitás magyarázza, hogy miért maradnak a megszokott választássá, annak ellenére, hogy egyre több új, kifinomult technológia bukkan fel.
Az elosztott vezérlőrendszerek (DCS) akkor igazán hatékonyak, amikor egy teljes létesítményen belül minden egységnek együtt kell működnie az ipari környezetben. Vegyük például a kőolaj-finomítókat: ezek a rendszerek akár fél Celsius-fok pontossággal is képesek fenntartani az adott hőmérsékletet, még akkor is, ha az üzem egész területén több mint 5000 bemeneti/kimeneti pontot kezelnek. Ezek a rendszerek kifinomult vezérlési módszereket alkalmaznak összetett folyamatok, például katalitikus krakkelés kezelésére, miközben folyamatos üzem mellett közel tökéletes, kb. 99,8%-os rendelkezésre állást biztosítanak. A legújabb DCS verziók okos karbantartási funkciókkal vannak felszerelve, amelyek valóságban előre jelezhetik a berendezések meghibásodását. Az ilyen modern rendszereket használó üzemek körülbelül 57%-kal kevesebb váratlan leállást jelentenek az idősebb rendszerekhez képest, ami óriási különbséget jelent a biztonság és a termelési hatékonyság szempontjából.
A programozható automatizálási vezérlők ötvözik a hagyományos PLC-k megbízható szabályozási funkcióit a szokványos számítógépek komoly számítási teljesítményével, így kiválóan alkalmasak összetett feladatok kezelésére. Gondoljon például az adaptív csomagolóvonalakra, amelyeknek egyszerre több mint 15 különböző terméktípust kell kezelniük. Ezek a rendszerek képesek futtatni egyszerű relés logikai programokat (ladder logic) és fejlett programozási nyelveket is, például C++-t. Ez a kettős képesség lehetővé teszi a gyártók számára, hogy összekapcsolják őket kifinomult gépi látásrendszerekkel, amelyek másodpercenként 120 képet vizsgálnak meg hibák után kutatva. Egy tavalyi kutatás szerint, amikor a vállalatok PAC-technológiát alkalmaznak az élelmiszer-feldolgozó műveleteikben, általában körülbelül 22 százalékos növekedést tapasztalnak a teljes berendezéshasznosításban (OEE) köszönhetően a valós idejű minőségellenőrzés javulásának.
Egy speciális vegyipari cég kötegelt gyártási ciklusai majdnem egyharmaddal rövidültek, amikor lecserélték régi relés rendszereiket olyan modern PAC-okra, melyek már gyárilag beépített SQL-adatbázissal rendelkeztek. Ez a változtatás kiváltotta a 18 időigényes, kézi adatbeviteli feladatot, és biztosította, hogy minden szigorú FDA-szabályozásnak (kifejezetten a 11. résznek) megfeleljenek, biztonságos, digitális, később nem módosítható nyilvántartások segítségével. Eközben egy folyamatosan működő horganyzó üzemben az építészek sikerrel biztosították a zavartalan üzemmenetet napi szinten 99,95%-os mértékben, még akkor is, amikor napról napra hatalmas mennyiségeket dolgoztak fel. Ezt úgy érték el, hogy tartalék irányítórendszereket szereltek fel, különleges bemeneti/kimeneti modulokkal, melyeket üzem közben lehetett cserélni anélkül, hogy le kellett volna állítani a termelést – figyelemre méltó teljesítmény annak fényében, hogy naponta körülbelül 1200 tonnát dolgoznak fel.
Az hatékony automatizálás megfelelően konfigurált bemeneti/kimeneti (I/O) rendszereken és megbízható kommunikációs protokollokon alapul, amelyek zökkenőmentes interakciót biztosítanak a szenzorok, aktuátorok és vezérlők között dinamikus környezetekben.
Amikor ipari rendszerekkel dolgoznak, a tervezőknek ismerniük kell a különbséget azok között a bináris eszközök között, amelyek egyszerűen csak be- és kikapcsolnak valamit, illetve a változó tartományú eszközök között, amelyek folyamatos adatfolyamokat kezelnek. Vegyük például a diszkrét I/O-t, amely alapvetően egyszerű igen/nem jeleket kezel, mint például végállás-kapcsolókból vagy nyomógombokból származó jeleket. Másrészről az analóg I/O folyamatos mérésekkel dolgozik, mint például hőmérsékleti értékek vagy nyomásszintek az idő függvényében. Ezek sokkal finomabb mintavételezési rátát igényelnek ahhoz, hogy a tényleges jel megtartható legyen fontos részletek elvesztése nélkül. A legtöbb tapasztalt mérnök azt javasolja, hogy a rendszertervezés során kb. 25 extra I/O pontot hagyjanak ki. Miért? Mert senki sem tudhatja pontosan, milyen változások következhetnek be a jövőben, amikor a folyamatokat frissítik vagy később bővítik.
Az I/O szekrények vezérlőszobák közvetlen közelébe telepítése segít csökkenteni az elektromos zavarokat, bár ez a felállás gyakran rengeteg, mindenfelé futó hosszú kábellel jár. Amikor a gyártók elosztott I/O modulokat szerelnek be a tényleges berendezések közelébe, jelentős mennyiségű kábelvezetést takaríthatnak meg. Egyes jelentések szerint nagy ipari létesítményekben hatvan és nyolcvan százalék közötti megtakarítás érhető el. Egyre több vállalat fordul most IP67 minősítésű távoli I/O állomások felé, amelyek közvetlenül a gyártógépekhez csatlakoztathatók. Ezek a rendszerek kiválóan alkalmasak valós idejű adatok rögzítésére érzékelőkből, még akkor is, ha a gyártóhelyiség körülményei meglehetősen nehézzé válnak.
Az Ethernet/IP modern telepítéseket vezet 100 Mbps sávszélességgel és natív kompatibilitással az IIoT platformokkal szemben. A Modbus TCP továbbra is széles körben használt a régi berendezések új hálózatokba való integrálásához. Az ipari irányelvek e protokollokat hangsúlyozzák a SCADA és MES felügyelő rendszerekkel való zökkenőmentes csatlakoztatásuk miatt.
Sok gyár vegyes gyártóktól származó, évtizedekre visszamenő berendezéseket üzemeltet. A protokollátalakítók hidat építenek a régebbi RS-485/Modbus RTU eszközök és az Ethernet-alapú hálózatok közé. A meglévő fieldbusz topológiák leképezése a tervezés során megelőzi a költséges újrakonfigurálást, miközben az OPC UA a többprotokollás környezetek egységesítésének elsődleges megoldásává válik.
Amikor az IIoT rendszerek peremszámítási képességekkel kerülnek párosításra, jelentősen csökkentik az adatok késleltetését – a Ponemon Institute kutatása szerint körülbelül 70%-os mértékben. Ez azt jelenti, hogy a gépek valójában helyben dolgozzák fel az információkat, anélkül, hogy a felhőtől érkező válaszokra kellene várniuk. Ahogy ezek a hálózatok kiterjednek a gyártósíkokon, a skálázható IIoT-keretrendszerek gond nélkül kezelik a növekedést, miközben betartják az ISO 55000-as keretrendszerében meghatározott szabályozási előírásokat. Vegyük például a WoT Interoperabilitási Réteget. A smart gyárakban végzett gyakorlati tesztek azt mutatják, hogy ez különböző protokollokat kb. 98% esetben sikeresen összekapcsol, bár az utolsó néhány százalékpont elérése gyakran speciális finomhangolást igényel, amely a konkrét üzemfeltételektől és a régi berendezések kompatibilitási problémáitól függ.
A moduláris tervezés 30%-kal gyorsabb rendszerfrissítéseket tesz lehetővé, mint a fix architektúrák, a 2024-es gyártási benchmarkok alapján. A digitális ikertechnológia lehetővé teszi a mérnökök számára, hogy szimulálják a termelési bővítéseket a fizikai változtatások előtt. Az első szintű beszállítók 40%-os költségcsökkentést jeleztek a komponensalapú rendszerek használatakor, amelyek fokozatos IIoT-fejlesztéseket támogatnak.
A modern programozási platformok univerzális kommunikációs illesztőprogramokon keresztül 99%-os kompatibilitást érnek el a régi rendszerekkel – ami kritikus fontosságú vegyes gyártócégeknél. A legújabb szoftvercsomagok natívan integrálódnak az HMI és MES rendszerekbe, így 50%-kal csökkentve az integrációs időt az autóipari alkalmazásokban (Ponemon 2023).
A gondolat előtt járó gyártók automatizálási költségvetésük 25%-át olyan protokolltól független infrastruktúrára fordítják, amely elismeri, hogy a kommunikációs szabványok 3–5 évente fejlődnek (Ponemon 2024). A WoT Interoperabilitási Réteg 85%-kal gyorsabb eszközök csatlakoztatását tette lehetővé a szemantikai szabványosítás révén, így nélkülözhetetlenné vált a visszafelé kompatibilitás fenntartásában az új IIoT-érzékelők és beavatkozók alkalmazása során.
Az automatizálási vezérlőberendezések folyamatfigyelést, döntéshozatalt és rendszerbeállítást végeznek, biztosítva ezzel az optimális termelési minőséget és hatékonyságot.
A PLC-k ideálisak diszkrét, nagysebességű feladatokhoz, míg a DCS-ek nagy léptékű, folyamatos folyamatokhoz alkalmasak, amelyek egész létesítményre kiterjedő koordinációt igényelnek.
A kompatibilitás és integráció biztosítása megelőzi a költséges újrakonfigurálást, és lehetővé teszi a különböző gyártóktól származó berendezések zavartalan együttműködését.
Az IIoT-integráció növeli az adatfeldolgozási sebességet helyszínen, csökkentve ezzel a késleltetéseket, és kibővíti a méretezhető keretrendszereket a hálózati növekedés kezelésére.
Copyright © 2024 by Shenzhen QIDA electronic CO.,ltd
EN