W centrum nowoczesnych instalacji przemysłowych leży automatyzacja, która łączy różne komponenty, takie jak czujniki, sterowniki i siłowniki, aby linie produkcyjne działały bez zarzutu. Statystyki potwierdzają ten stan rzeczy — według badań przeprowadzonych w zeszłym roku przez ARC Advisory, wiele fabryk odnotowuje około 40% spadek błędów po przejściu z ręcznej pracy na systemy zautomatyzowane. Weźmy regulację temperatury w dużych reaktorach chemicznych lub płynną współpracę ramion robotów — te systemy potrafią utrzymywać tolerancje z dokładnością do jednej tysięcznej milimetra. A teraz rozwiązania stają się jeszcze inteligentniejsze: najważniejsi producenci zaczynają wbudowywać narzędzia predykcyjne oparte na sztucznej inteligencji bezpośrednio w swoje jednostki sterujące, dzięki czemu zakłady mogą natychmiastowo przetwarzać informacje i dostosowywać procesy operacyjne na bieżąco, bez konieczności oczekiwania na analizy zewnętrzne.
Era automatyzacji przemysłowej naprawdę rozpoczęła się w latach 60., kiedy staromodne przekaźniki elektromechaniczne nie robiły nic innego, jak tylko włączały i wyłączały urządzenia. W latach 90. programowalne sterowniki logiczne, znane jako PLC, stały się powszechne w fabrykach produkujących wyroby sztukowe. Te małe pracoholki potrafiły obsłużyć około 1000 punktów wejścia/wyjścia każdej sekundy. Obecnie nowoczesne inteligentne sterowniki osiągnęły ogromny postęp. Potrafią komunikować się z Przemysłowym Internetem Rzeczy, przetwarzając jednocześnie 15 milionów instrukcji na sekundę, zużywając przy tym o 30% mniej energii niż ich starsze odpowiedniki. Nie możemy również zapominać o modułach obliczeń brzegowych. Te maszyny pozwalają urządzeniom myśleć samodzielnie bezpośrednio w miejscu działania, zmniejszając zależność od odległych serwerów chmurowych o prawie połowę w kluczowych operacjach, takich jak produkcja półprzewodników, według raportu Deloitte sprzed minionego roku.
Nowoczesne systemy wykonują trzy podstawowe funkcje:
Takie kompleksowe podejście zapewnia czas działania na poziomie 99,95% na liniach spawalniczych w przemyśle motoryzacyjnym oraz poziom wad poniżej 0,1% w pakowaniu produktów farmaceutycznych (Badanie Benchmarkowe McKinsey 2023 na temat Produkcji). W miarę rozwoju aparatury sterującej procesami, systemy te coraz częściej samodzielnie diagnozują potrzeby konserwacyjne, przewidując awarie silników nawet 800 godzin pracy przed ich wystąpieniem.
Wybór odpowiedniego sterownika oznacza najpierw przeanalizowanie kilku czynników. Czas reakcji ma duże znaczenie w zastosowaniach takich jak szybkie operacje pick-and-place, gdzie ±10 ms może decydować o sukcesie. Istotne są również wymagania dotyczące precyzji. Prace związane z przemysłem półprzewodnikowym często wymagają tolerancji poniżej jednego milimetra. Nie można także zapominać o skalowalności. Większość ekspertów zaleca pozostawienie dodatkowej pojemności w zakresie 30–50 procent na potrzeby rozwoju działalności. Zgodnie z danymi branżowymi z ubiegłego roku, ponad połowa przerw w produkcji w warunkach mieszanych procesów produkcyjnych wynika właśnie ze stosowania sterowników nieodpowiadających rzeczywistym potrzebom maszyn. To szczególnie podkreśla, jak ważne jest dopasowanie specyfikacji technicznej do rzeczywistych warunków panujących na hali produkcyjnej, aby zapewnić ciągłość pracy i uniknąć nieoczekiwanych przestojów.
Sterowniki programowalne (PLC) są wszędzie tam, gdzie liczą się ułamki sekundy, np. na liniach montażowych, które muszą reagować w milisekundach. Te sterowniki zapewniają płynną pracę maszyn do zakręcania kapsli, obsługujących około 400 butelek na minutę, nie wspominając już o nadzwyczaj precyzyjnych robotach spawalniczych, które co raz trafiają z dokładnością 0,05 mm. Co czyni je tak popularnymi? Otóż programowanie w języku drabinkowym znacznie ułatwia konfigurację pasów transportowych pracujących synchronicznie oraz instalowanie kluczowych blokad bezpieczeństwa na całym terenie hali produkcyjnej. Specjaliści z branży zwracają uwagę na ciekawy fakt wynikający ze statystyk najnowszego wydania Process Control Handbook – w porównaniu do zwykłych systemów komputerowych, PLC skracają czas uruchomienia linii o około 40% w zakładach produkujących samochody. Taka efektywność wyjaśnia, dlaczego pozostają pierwszym wyborem mimo pojawiania się nowoczesnych technologii.
Systemy rozproszonego sterowania (DCS) szczególnie dobrze sprawdzają się w środowiskach przemysłowych, gdzie wszystko musi działać zgodnie i obejmować całą instalację. Weźmy na przykład rafinerie ropy naftowej – te systemy potrafią utrzymać stabilną temperaturę z dokładnością do pół stopnia Celsjusza, nawet gdy zarządzają ponad 5000 punktami wejść/wyjść na terenie całej zakładu. Systemy te wykorzystują zaawansowane metody sterowania, aby radzić sobie z złożonymi procesami, takimi jak kraking katalityczny, jednocześnie zapewniając niemal doskonałą dostępność wynoszącą około 99,8% podczas ciągłej pracy. Najnowsze wersje systemów DCS są wyposażone w inteligentne funkcje konserwacji, które rzeczywiście przewidują awarie sprzętu zanim do nich dojdzie. Zakłady korzystające z tych nowoczesnych systemów odnotowują o około 57% mniej nagłych wyłączeń w porównaniu ze starszymi rozwiązaniami, co ma ogromny wpływ zarówno na bezpieczeństwo, jak i efektywność produkcji.
Programowalne sterowniki automatyki łączą niezawodne funkcje sterowania tradycyjnych sterowników PLC z dużą mocą obliczeniową standardowych komputerów PC, co czyni je idealnym rozwiązaniem do wykonywania skomplikowanych zadań. Wystarczy pomyśleć o elastycznych liniach pakujących, które muszą jednocześnie obsługiwać ponad 15 różnych typów produktów. Te systemy potrafią uruchamiać zarówno programowanie w języku drabinkowym, jak i zaawansowane języki programowania, takie jak C++. Ta podwójna możliwość umożliwia producentom łączenie ich z zaawansowanymi systemami wizyjnymi maszyn, które wykrywają wady z imponującą szybkością 120 obrazów na sekundę. Wyniki badań z zeszłego roku wskazują, że gdy przedsiębiorstwa wdrażają technologię PAC w procesach przetwórstwa żywności, zwykle odnotowują wzrost Ogólnej Efektywności Maszyn (OEE) o około 22 procent dzięki lepszemu monitorowaniu jakości w czasie rzeczywistym.
Jedna firma chemiczna specjalistyczna zauważyła skrócenie cykli produkcji partii o prawie jedną trzecią po wymianie starych systemów przekaźnikowych na nowoczesne sterowniki PAC wyposażone w fabrycznie wbudowane bazy danych SQL. Ta zmiana wyeliminowała 18 uciążliwych zadań związanych z ręcznym wprowadzaniem danych i zapewniła zgodność ze ścisłymi przepisami FDA (konkretnie część 11) dzięki bezpiecznym cyfrowym rejestróm, których nie można później modyfikować. Tymczasem w hucie stali, prowadzącej ciągłe operacje ocynkowania, inżynierowie osiągnęli nieprzerwaną pracę systemu w 99,95% czasu, mimo codziennego przetwarzania ogromnych objętości. Udało im się to dzięki instalacji rezerwowych systemów sterowania z specjalnymi modułami wejścia/wyjścia, które można wymieniać na bieżąco bez zatrzymywania produkcji – co jest imponujące, biorąc pod uwagę, że każdego dnia przetwarzają około 1200 ton stali.
Skuteczna automatyzacja opiera się na prawidłowo skonfigurowanych systemach wejścia/wyjścia (I/O) oraz niezawodnych protokołach komunikacyjnych, które zapewniają płynną interakcję między czujnikami, siłownikami i kontrolerami w dynamicznych środowiskach.
Podczas pracy z systemami przemysłowymi projektanci muszą rozróżniać urządzenia binarne, które jedynie włączają i wyłączają elementy, od tych działających w zakresie zmiennym, które obsługują ciągłe strumienie danych. Weźmy na przykład wejścia/wyjścia dyskretne – one zasadniczo mają do czynienia z prostymi sygnałami tak/nie pochodzącymi z elementów takich jak wyłączniki krańcowe czy przyciski. Z drugiej strony, wejścia/wyjścia analogowe pracują z ciągłymi pomiarami, takimi jak odczyty temperatury czy poziomu ciśnienia w czasie. Wymagają one znacznie dokładniejszych częstotliwości próbkowania, aby zachować oryginalny sygnał bez utraty istotnych szczegółów. Większość doświadczonych inżynierów zaleca pozostawienie około 25 dodatkowych punktów I/O w projekcie systemu. Dlaczego? Ponieważ nikt nie może dokładnie przewidzieć, jakie zmiany mogą się pojawić w przyszłości, gdy procesy zostaną zaktualizowane lub poszerzone.
Umieszczanie szaf I/O bezpośrednio obok pomieszczeń kontrolnych pomaga zmniejszyć zakłócenia elektryczne, choć taka konfiguracja często wiąże się z dużą liczbą długich przewodów biegnących wszędzie. Gdy producenci instalują rozproszone moduły I/O bliżej rzeczywistego sprzętu, mogą zaoszczędzić ogromną ilość miejsca na okablowanie. Niektóre raporty wskazują oszczędności od sześćdziesięciu do osiemdziesięciu procent w dużych zakładach przemysłowych. Wiele firm korzysta obecnie z zdalnych stacji I/O o stopniu ochrony IP67, które można montować bezpośrednio na maszynach produkcyjnych. Takie rozwiązania doskonale sprawdzają się przy zbieraniu danych w czasie rzeczywistym z czujników, nawet w trudnych warunkach panujących na hali produkcyjnej.
Ethernet/IP prowadzi nowoczesne instalacje z przepustowością 100 Mbps i natywną kompatybilnością z platformami IIoT. Modbus TCP nadal jest powszechnie stosowany do integrowania starszych urządzeń w nowych sieciach. Wytyczne branżowe podkreślają te protokoły ze względu na ich płynną łączność z systemami nadrzędnymi, takimi jak SCADA i MES.
Wiele zakładów pracuje na sprzęcie różnych producentów, pochodzącym z różnych dziesięcioleci. Konwertery protokołów łączą starsze urządzenia RS-485/Modbus RTU z sieciami opartymi na Ethernetie. Mapowanie istniejących topologii fieldbus podczas planowania zapobiega kosztownej rekonfiguracji, a OPC UA staje się preferowanym rozwiązaniem do ujednolicenia środowisk wieloprotokołowych.
Gdy systemy IIoT są łączone z możliwościami przetwarzania brzegowego, znacząco skracają opóźnienia danych — badania Instytutu Ponemon wskazują redukcję rzędu 70%. Oznacza to, że maszyny mogą przetwarzać informacje bezpośrednio na miejscu, zamiast czekać na odpowiedzi z chmury. W miarę jak te sieci się rozrastają na hale produkcyjne, skalowalne struktury IIoT radzą sobie z tym wzrostem bez większego wysiłku, jednocześnie pozostając w granicach regulacyjnych ustalonych przez organizacje standardów, takie jak ISO, poprzez ich ramy 55000. Weźmy na przykład Warstwę Interoperacyjności WoT. Testy w realnych warunkach przeprowadzone w inteligentnych fabrykach pokazują, że pomyślnie łączy różne protokoły około 98% czasu, choć osiągnięcie tych ostatnich kilku procent często wymaga drobnej kalibracji dostosowanej do konkretnych warunków zakładu oraz problemów kompatybilności z przestarzałym sprzętem.
Projekty modułowe pozwalają na 30% szybsze aktualizacje systemów niż architektury stałe, według danych z benchmarków produkcyjnych z 2024 roku. Technologia cyfrowego bliźniaka umożliwia inżynierom symulowanie rozbudowy produkcji przed wprowadzeniem fizycznych zmian. Dostawcy pierwszego szczebla deklarują o 40% niższe koszty przebudowy przy stosowaniu systemów opartych na komponentach, wspierających stopniowe modernizacje IIoT.
Nowoczesne platformy programistyczne osiągają 99% kompatybilności z systemami starszych generacji dzięki uniwersalnym sterownikom komunikacyjnym – kluczowe w zakładach z urządzeniami różnych producentów. Najnowsze pakiety oprogramowania integrują się natywnie z HMI i MES, skracając czas integracji o 50% w zastosowaniach motoryzacyjnych (Ponemon 2023).
Nowoczesni producenci przeznaczają 25% swoich budżetów na automatyzację na infrastrukturę niezależną od protokołu, uznając, że standardy komunikacyjne zmieniają się co 3–5 lat (Ponemon 2024). Warstwa interoperacyjności WoT umożliwiła o 85% szybsze wdrażanie urządzeń dzięki standaryzacji semantycznej, co okazuje się kluczowe dla zapewnienia zgodności wstecznej podczas wdrażania nowych czujników i siłowników IIoT.
Urządzenia sterowania automatyki wykonują monitorowanie procesów, podejmowanie decyzji oraz regulację systemu, co zapewnia optymalną jakość i efektywność produkcji.
PLC są idealne do zadań dyskretnych wymagających wysokiej szybkości działania, podczas gdy DCS nadają się lepiej do dużych, ciągłych procesów wymagających koordynacji na poziomie całego zakładu.
Zapewnienie zgodności i integracji zapobiega kosztownej rekonfiguracji oraz umożliwia płynną współpracę urządzeń od różnych producentów.
Integracja IIoT zwiększa szybkość przetwarzania danych w miejscu ich powstawania, zmniejszając opóźnienia i umożliwiając skalowanie struktur zarządzania rozwojem sieci.
Prawa autorskie © 2024 Shenzhen QIDA electronic CO.,ltd
EN