Mechatroniczne sterowanie ruchem napędza aplikacje Przemysłu 4.0

Mechatroniczne sterowanie ruchem napędza aplikacje Przemysłu 4.0
Zdecentralizowane zespoły napędowe (w tym przypadku składające się z inteligentnych silników oraz przekładni g500 firmy Lenze), 
czyli typowe produkty dla aplikacji Przemysłu 4.0, zapewniają wyższą produktywność i niezawodność. (Źródło: Lenze)

Mechatroniczna konstrukcja maszyn pozwala na upraszczanie i usprawnianie realizowanych przez nie operacji, co z kolei przyczynia się do rozwoju koncepcji i aplikacji Przemysłu 4.0.

Nazywana przez niektórych kolejną rewolucją przemysłową, wdrażana koncepcja Przemysłu 4.0 oznacza przyjazne technologie pozwalające na poprawę sprawności, lepsze osiągi i dostępność wbudowanych w maszyny rozwiązań inteligentnych. Konstrukcja układów mechatronicznych i zaawansowana inżynieria techniczna to podstawowe filary rozwoju inicjatywy Przemysłu 4.0.

Droga do Przemysłu 4.0

Za sprawą pierwszej rewolucji przemysłowej powstały pierwsze fabryki oraz nastąpił rozwój mechanizacji produkcji w branży tekstylnej i innych gałęziach przemysłu. W jej ramach rozpowszechniono wykorzystanie węgla jako źródła energii oraz spopularyzowano użycie maszyn parowych. Druga rewolucja przyniosła nowe, szybsze technologie w branży produkcyjnej, włącznie z ruchomymi liniami montażowymi na potrzeby produkcji masowej. Cyfrowe rozwiązania, które pojawiły się w czasie trzeciej rewolucji przemysłowej, wraz z postępem w branży automatyki i robotyki, przyczyniły się do poprawy efektywności procesów wytwarzania.

Dokonująca się obecnie, a nazywana Przemysłem 4.0, czwarta rewolucja przemysłowa skupia się na cyfryzacji sygnałów i danych oraz zaawansowanej funkcjonalnie automatyce. Wprowadza pojęcie Internetu Rzeczy (IoT), umożliwiającego zastosowanie modułowych komponentów i zarządzanie poprzez komunikację cyfrową. Internet Rzeczy otwiera nowe możliwości, daje szanse na przyspieszenie pracy systemów, zwiększenie ich niezawodności oraz dokładności.

Co czyni Przemysł 4.0 tak niezwykłym? Możliwość komunikacji na zaawansowanym poziomie i analiza danych procesowych w czasie rzeczywistym w dowolnym miejscu na świecie. Koncepcja nabrała rozpędu wraz z możliwością podłączenia do platform komunikacyjnych IoT czujników oraz elementów wykonawczych. Już obecnie widać, że IoT znajdzie zastosowanie w przemyśle, oferując możliwości obniżenia kosztów operacyjnych, a także zwiększenia produktywności i szans na zdobywanie innych rynków lub szybki rozwój nowych produktów.

Według ankiety portalu Business Insider już ponad połowa menedżerów fabryk zaimplementowała systemy bazujące na technologii IoT lub ma zamiar to zrobić. Ponad 80% ankietowanych twierdzi, że adaptacja rozwiązań IoT ma kluczowe znaczenie dla rozwoju ich fabryki w przyszłości. W zakładach rozpowszechniły się wbudowana inteligencja i bezprzewodowe czujniki. Firma badawcza MarketsandMarkets uważa, że wartość rynku urządzeń IoT w 2020 r. osiągnie 151 mld dolarów.

Dlaczego Przemysł 4.0?

Ewolucja sposobów łączności w automatyce i robotyce stworzyła zapotrzebowanie na technologie typu bezpośredniej komunikacji maszyn – M2M oraz M2N. Rozwój maszyn mechatronicznych spowodował z kolei szybki rozwój koncepcji układów przeznaczonych dla nowoczesnych platform Przemysłu 4.0. Połączona automatyka i sterowanie kontrolują ważne podzespoły, a strategie zarządzania zasobami zwiększają wydajność, wydłużają efektywny czas pracy i trwałość maszyn.

Rozwiązania korzystające z chmury do akwizycji i przetwarzania danych pozwalają na wykonywanie w niej skomplikowanych czynności zarządzających, zbieranie danych, monitorowanie stanu i diagnozowanie maszyn – wszystko to, co kiedyś możliwe było tylko na terenie fabryki, przy wykorzystaniu przeznaczonych do tego zaawansowanych narzędzi.

Ewolucja łańcuchów dostaw i krótszevcykle produkcji wymagają sprawnych działań, aby zredukować czas poświęcony na rozwój maszyn i integrację systemów. Wraz ze wzrostem stopnia skomunikowania i połączeń sieciowych w systemach przemysłowych konstruktorzy maszyn i operatorzy potrzebują większej elastyczności i szybszych dostaw komponentów, by stworzyć inteligentne maszyny.

Przemysł 4.0 a mechatroniczne sterowanie ruchem

W odniesieniu do koncepcji Przemysłu 4.0 kluczowe jest zrozumienie roli funkcji i systemów sterowania w układach mechatronicznych. W branży wytwarzania, pakowania, w logistyce i w firmach dostarczających materiały automatyzacja i technologie cyfrowe są odpowiedzialne za wiele zadań – od poprawy efektywności operacyjnej i osiągów, aż po możliwość zmiany rozmiarów systemu.

Wysoka efektywność wytwarzania i montażu zależy od wydajnego sterowania ruchem. Ruch zapewniają z kolei wały napędowe, przekładnie, silniki lub serwomechanizmy. Automatyzacja to jednak kij o dwóch końcach – zwiększając produktywność, zwiększamy stopień komplikacji poprzez implementację programów sterujących kinematyką ruchu i systemów sterowania oraz platform integrujących z Internetem lub chmurą.

W większości fabryk systemy skomunikowane w trybie online działają już przez dekadę lub nieco dłużej. Napędy, sterowniki PLC i inny sprzęt musi zostać zrewidowany pod kątem protokołów i organizacji komunikacji, by zapewnić kompatybilność z nowszymi technologiami IoT.

Z mechatroniką prościej

Dzięki wykorzystaniu wielozadaniowej mechatroniki w strategiach połączenia technologii IT i technologii operacyjnych (OT), Przemysł 4.0 zyskuje na wartości. Inżynierowie mechatronicy tworzą lepsze maszyny – upraszczając ich konstrukcję, działanie i procedury wdrożenia. Samooptymalizacja maszyn oraz zaawansowane systemy silników i przekładni mogą sprawić, że wytwarzanie oraz dostawy produktów będą bardziej elastyczne, szybsze i wydajniejsze – dzięki konstruktorom urządzeń szybciej je wdrażającym, programującym i podłączającym.

Przykładowo, konwertery częstotliwości z zaawansowanymi funkcjami sterowania aktywnie wspierają połączenie nowych i już istniejących maszyn. Stworzone z wykorzystaniem parametrycznej technologii programowania, inteligentne napędy są w stanie przyspieszyć programowanie kinematyki maszyny od konceptu aż po samo wdrożenie, konfigurację i integrację. Parametryzacja umożliwia szybszą implementację, niż ma to miejsce w przypadku tradycyjnego programowania. Wdrożenie inteligentnego napędu online nie wymaga już specjalnych umiejętności. Te same zasady dotyczą parametryzacji inwertera podczas jego implementacji. W niektórych przypadkach sieć WiFi i przenośna pamięć to jedyne wymagane elementy do przeprowadzenia replikacji parametrów. Proces ten trwa zaledwie kilka minut.

Zmniejszenie liczby zmiennych upraszcza budowę maszyny i sterowanie jej ruchem. Integracja elektroniki i oprogramowania z mechaniką napędów sprawia, że powstaje jedna wspólna, inteligentna jednostka, pozwalająca na pracę w szerokim zakresie prędkości obrotowych, ze stałym momentem obrotowym odpowiednim dla pewnych zastosowań przemysłowych. Generując różne zmienne inwertera, prędkość silnika może być dowolnie zmieniana i zdalnie kontrolowana przez urządzenia mobilne.

Inteligentne silniki mogą łączyć tradycyjne technologie kontroli prędkości z technologiami Przemysłu 4.0 poprzez wprowadzanie uproszczeń wynikających z zastosowania silnika sterowanego napięciem zmieniającym się liniowo i zalet elektronicznych sterowników. Daje to użytkownikom zdalny dostęp do sterowania prędkością obrotową silnika. Modułowe rozwiązania napędów o wysokiej sprawności, zawierające silnik i przekładnię o zmiennej prędkości obrotowej, mogą często przynieść podobne lub nawet lepsze rezultaty.

Modułowość dotyczy również oprogramowania maszyn. Gotowe wzorce programów to praktyczne narzędzie dla inżynierów do tworzenia wyrafinowanych i złożonych programów sterowania ruchem, które są jednocześnie łatwo dostępne i zrozumiałe. Modułowe wzorce aplikacji oznaczają łatwe do sparametryzowania napędy. Bardzo wiele modułowych systemów automatyki przeznaczonych dla zcentralizowanych platform ze sterownikiem i platform zdecentralizowanych opartych na napędzie mechanicznym, wykorzystuje topologie automatyki oparte na standardach EtherCAT, PLC-open i innych.

Protokół Internet/Internet (IP), Transmission Control Protocol (TCP)/IP oraz otwarte architektury systemów komunikacji sieciowej są coraz częściej wykorzystywane w przemyśle, zastępując tradycyjne sieci obiektowe (fieldbus) w nowych zastosowaniach. Podłączenie silników i napędów daje możliwość komunikacji bezprzewodowej, komunikacji poziomu obiektowego i Ethernet, implementacji interfejsu wejść i wyjść (I/O), jak również stwarza możliwość podłączenia keypada, modułu USB lub modułu lokalnej sieci LAN. Możliwość wyboru opcji interfejsu upraszcza implementację urządzenia, ustawianie parametrów i podłączenie. Bezprzewodowy transfer danych, moduł I/O oraz rozwiązania typu plug-and-play pozwalają na transmisję danych w czasie rzeczywistym do sieci/chmury, w celu sterowania maszyną i analizy danych.

Programowanie w standardzie otwartym daje operatorowi kontrolę nad procesem i możliwość integracji zadań dla napędu, z użyciem tego samego sterownika. Środowisko otwartych standardów zwiększa możliwości podłączenia nowych punktów sygnałowych, w których możemy podłączyć się do sieci, co może być zaletą, ale też i wadą. Dlatego też we współczesnych rozwiązaniach automatyki przemysłowej funkcje sterowania i łączność muszą zostać ocenione pod kątem potencjalnych zagrożeń i środków zapobiegawczych. Platforma sterująca ze sterownikiem PLC, jako system bezpieczeństwa, wyposażona w moduł zarządzania prawami dostępu, może obsługiwać wielowarstwowe protokoły cyberbezpieczeństwa.

Istota Przemysłu 4.0

Wśród najważniejszych cech Przemysłu 4.0 znajdują się: zwiększenie produktywności i przeprowadzanie operacji z analizą danych dostępną dla autoryzowanych użytkowników, sterowanie produkcją oraz wykonywanie czynności utrzymania prewencyjnego z dowolnego miejsca na świecie. Wszystko to sprowadza się do wdrożenia skutecznych i zaawansowanych systemów sterowania w układach mechatronicznych. Na rynku dostępne są odpowiednie narzędzia do operowania inteligentnymi maszynami w jak najkrótszych interwałach czasowych.

Cechą współczesnego napędu jest wysoka wydajność energetyczna. Łatwość programowania i dostęp do czynności sterowania oznacza dla operatora lepszą produktywność, łatwość utrzymania i redukcję przestojów. Automatyzacja skupiająca się na ruchu maszyn wykorzystuje koncept ergonomicznego sterowania i organizacji przyjaznych użytkownikowi interfejsów obsługi, pozwalających na wizualizację procesu i wsparcie komunikacji sieciowej oraz łączności z urządzeniami IIoT, a także ich kontrolę.

Oczywiste jest, że znaczenie mechatroniki w erze Przemysłu 4.0 rośnie. Dokładne i skalowalne technologie napędów zapewniają lepszy przepływ danych, ich przejrzystość i kontrolę, z bezpiecznym przesyłem danych do sieci/chmury i z powrotem, co stwarza możliwość podejmowania decyzji w czasie rzeczywistym, diagnozowania i utrzymania oraz dokonywania analiz. Przemiana skomplikowanych systemów sterowania ruchem i automatyki na proste w użyciu platformy napędowe stanowi bodziec dynamizujący rozwój koncepcji Przemysłu 4.0.

Dog Burns jest dyrektorem sprzedaży i marketingu w firmie Lenze.