Elastyczna automatyka w twojej fabryce

Zaawansowane technologie opracowane specjalnie dla potrzeb automatyki przemysłowej sprawiają, że coraz łatwiej jest konstruować i implementować automatykę tzw. elastyczną. Przedsiębiorstwa dostrzegają liczne korzyści ze stosowania tej technologii i podejścia w nowych zastosowaniach.

Wykorzystanie elastycznej automatyki jest bardzo ważne w przypadku firm rozwijających się, produkujących różne rodzaje produktów oraz dążących do minimalizowania ryzyka przestojów związanych z przezbrojeniami linii. Pojawienie się zaawansowanych technologii przemysłowych i ogólna ewolucja automatyki na przestrzeni ubiegłego stulecia to zjawiska bezprecedensowe. W tym czasie również automatyka przeszła koncepcyjną przemianę ze „stałej” na bardziej „elastyczną” (rys. 1).

Stała automatyka zaprojektowana jest w celu wytwarzania jednego produktu w sposób powtarzalny i efektywny. Ten pomysł sprawdzał się w przeszłości w fabrykach, które często produkowały tylko jeden lub niewiele rodzajów produktów w dużych ilościach. Ten typ automatyki jest korzystny, ponieważ inwestycja w sprzęt jest mniejsza niż w przypadku systemów elastycznych. Wydajność takiego systemu jest również wyższa, jeśli fabryka produkuje tylko jeden produkt. Jednakże modułowość nie jest zwykle cechą takich systemów, co oznacza, że przezbrojenie maszyn do obsługi różnych produktów jest często niepraktyczne z punktu widzenia finansowego i trudne do wykonania również technicznie.

Rys. 1. Automatyzacja przebyła drogę od automatyki stałej, zaprojektowanej do obsługi jednego produktu, ku bardziej uniwersalnej formie, zdolnej do wsparcia ciągłej produkcji różnych wyrobów. Źródło: Parker Hannifin

Większe możliwości konfiguracji

Wyższy poziom automatyzacji – automatykę programowalną – zaprojektowano tak, by umożliwić konfigurację systemu po jego implementacji. Między innymi możliwość pisania nowego kodu w celu przeprowadzania operacji, które wymagają wykonywanych manualnie mechanicznych przezbrojeń. Problem polega na tym, że proces przezbrojenia jest zwykle czasochłonny i wymusza zatrzymanie linii na jakiś czas w celu wymiany narzędzi i wprowadzenia zmian programowych.

Bardziej nowoczesnym podejściem jest automatyka elastyczna, zwana miękką, gdzie operator maszyny wykorzystuje mieszankę sterowania i automatyki mechanicznej, która w niewidoczny dla operatora sposób zmienia jeden proces w drugi, zasadniczo za naciśnięciem przycisku. Pozwala to producentom na wytwarzanie różnego rodzaju produktów na jednej maszynie, odpowiednio zaprojektowanej w celu adaptacji do nowej generacji produktów. Elastyczne wyposażenie wykorzystuje automatykę elektromechaniczną z funkcją sterowania położeniem dla szybkich i powtarzalnych przezbrojeń produkcji. Pozwala to na wytwarzanie bez przestojów różnorodnych produktów.

Jeżeli tylko system będzie przeznaczony do wytwarzania produktów różnorodnych, wówczas automatyka stała staje się nieefektywna kosztowo. I odwrotnie, automatyka elastyczna jest bardziej efektywna w przypadku zwiększania się różnorodności produktów oraz staje się optymalnym rozwiązaniem w momencie wytwarzania produktów umiarkowanej różnorodności.

Wpływ czynników zewnętrznych

Szybka ewolucja w dziedzinie dostępu do danych z maszyny i zarządzania danymi tworzy nieskończone możliwości dla automatyki elastycznej. Świat stał się znacznie mniejszy i funkcjonuje szybciej niż dziesięć lat temu. Stały napływ drobnych i bardziej znaczących informacji jest wykorzystywany przez maszyny i ludzi z nimi współpracujących. Nie należy jednak przeceniać wpływu robotyki na przemysł. Czynniki te przyczyniły się do stworzenia warunków ułatwiających prosperowanie automatyki elastycznej.

Przemysłowy Internet Rzeczy (IIoT) również odgrywa ważną rolę w elastycznej automatyce. IIoT to sieć urządzeń elektrycznych z wbudowanym oprogramowaniem i czujnikami, zapewniającymi nieprzerwany strumień informacji, który może zostać użyty w celu ulepszenia automatyki elastycznej. Czujniki zbierające te informacje są dostępne dla każdego urządzenia (lub osoby), również na drodze komunikacji bezprzewodowej. Dzięki temu możliwe jest w fabryce dokonywanie korekt w czasie rzeczywistym, maksymalizując sprawność.

Przemysł 4.0, europejska inicjatywa mająca na celu przekonanie producentów do tworzenia inteligentnych fabryk, które w zasadzie mogą myśleć i reagować samodzielnie na zaistniałe czynniki w fabryce, jest jednym z czynników przyczyniających się do postępu technologii elastycznej automatyki. Przemysł 4.0 skupia się na rozwoju inteligentnych fabryk, gdzie zautomatyzowany sprzęt jest zaprogramowany do pracy autonomicznej i wymaga minimalnej kontroli przez człowieka czy jego interwencji.

Roboty współpracujące, zaprojektowane do szybkich zmian ich zastosowania oraz mechaniczne podzespoły automatyki również wpływają na sposób konstruowania elastycznej automatyki. Jak sugeruje ich nazwa, roboty współpracujące pracują wraz z ludźmi, wykonując wiele rodzajów zadań w sposób niezagrażający ludziom. Na przykład robot współpracujący może wyjmować część z prasy i wykonywać końcową obróbkę, która byłaby normalnie wykonywana przez pracownika. Taki układ wymaga mniejszego poziomu zabezpieczeń.

Wiele uwagi poświęca się również maksymalizacji wydajności i ograniczaniu przestojów sprzętu przemysłowego na tle rozwoju produkcji w stronę mocno zróżnicowanej, niskoseryjnej produkcji.

Wszystkie wymienione czynniki łączą się, tworząc środowisko wspierające rozwój automatyki elastycznej.

Rys. 2. Wykres przedstawia zależności trzech filozofii automatyki i ich rentowności. 
Oś pozioma pokazuje poziom zróżnicowania produktów, od niskiego do wysokiego. 
Oś pionowa przedstawia rentowność. Źródło: Parker Hannifin

Wykorzystanie obecnej technologii

Oprócz obecnych osiągnięć, które wyznaczyły drogę rozwoju automatyki elastycznej, ciągły rozwój technologii dla istniejącej automatyki również tworzy nowe możliwości. Na przykład programowalne sterowniki do automatyki (PAC) łączą w sobie funkcje obsługi ruchu i sterowanie maszyną na jednej platformie. Kontrolery te są zaprojektowane, by wspierać ogólne sterowanie maszyną i zarządzaniem skoordynowanym ruchem poprzez sterowanie serwomechanizmami.

W porównaniu z układami siłowników hydraulicznych, siłowniki elektromechaniczne pozwalają na bardziej uniwersalny sposób pozycjonowania, by sprostać wymogom produkcji produktów o nowych rozmiarach i zmianom procesów. Możliwe jest tworzenie specjalnych profili ruchu w celu spełnienia wymagań poszczególnych produktów na linii produkcyjnej. System musi być w stanie zmieniać ustawienia między produktami szybko i bez przerw. By tego dokonać, układy sterowania siłownikami muszą mieć możliwość podejmowania wielu decyzji w obrębie przestrzeni roboczej.

Ponieważ konstruktorzy maszyn są zmuszeni do rozwiązywania problemów związanych z konkretnymi aplikacjami maszyn, dużego znaczenia nabiera rozmiar elementów i modułów obsługi konkretnych funkcji sterowania. W przeszłości podobne problemy rozwiązywano przez dobór odpowiedniej rodziny podzespołów z jednej maszyny do kolejnej, z uwzględnieniem wprowadzenia zmian w szybkości jej działania, zmian udźwigu lub nośności. Ważny jest również wybór niezawodnych podzespołów, co pozwala na uniknięcie przedwczesnych awarii.

Sięgaj dalej

Znamy więc różnorodność wyzwań stojących przed konstruktorami maszyn podczas projektowania automatyki elastycznej. Co zatem mogą zrobić producenci komponentów elektromechanicznych i mechanicznych, by wesprzeć ich przy tych wyzwaniach? Przynajmniej częściową odpowiedzią na to pytanie jest projektowanie skalowalnych i konfigurowalnych platform produktów, by spełnić wymagania dla różnych potencjalnych zastosowań.

Skalowalne platformy mechaniczne są zaprojektowane z uwzględnieniem potrzeb różnorodności aplikacji, takich jak szybkość, zasięg ramienia, zmiany obciążenia lub chwilowego obciążenia, udźwig i precyzja. Kilka platform wyposażonych w elementy automatyki, jak przegubowe ramię robota, może zapewnić taki poziom uniwersalności. Tradycyjne ramię robota jest zaprojektowane do stałego przytwierdzenia i wykonywania jednej czynności.

Jednakże wraz z pojawieniem się robotów współpracujących zmiana aplikacji, a nawet zadania realizowanego przez robota, jest znacznie łatwiejsza. Liniowe platformy transportujące mogą być wyposażone w jedną oś ruchomą lub wiele osi ruchomych, oferując odpowiedni sposób elastyczności.

Jednoosiowe platformy są tradycyjnie już opłacalne, ale obecnie nawet wieloosiowe platformy (zwykle pracujące w konfiguracji współrzędnych kartezjańskich lub systemie gantry) są również coraz bardziej opłacalne w instalacji i eksploatacji. Liniowe platformy umożliwiają zwykle przenoszenie cięższych ładunków z większą precyzją, ale zajmują więcej miejsca niż ramiona robotów (rys. 3).

Ekrany dotykowe, takie jak interfejs HMI, pomagają w sterowaniu procesem i umożliwiają zmianę obsługi jednego procesu na inny w czasie działania maszyny. Ekrany takich interfejsów mogą być przeprogramowane do obsługi specjalnych przycisków i alarmów, pozwalając jednocześnie operatorowi na wgląd w zmiany systemu i wybór procesów przezbrajających maszynę w celu dostosowania jej do produkcji innych produktów lub realizacji innych procesów. Obsługa i sterowanie przez HMI upraszcza ustawienia skoku i ruchu, co umożliwia dostosowanie maszyny do różnych rozmiarów produktów.

Rys. 3. Nawet wieloosiowe platformy (zwykle pracujące w konfiguracji współrzędnych kartezjańskich lub systemie gantry) są coraz bardziej opłacalne. Liniowe platformy umożliwiają zwykle przenoszenie cięższych ładunków z większą precyzją, ale zajmują więcej miejsca niż ramiona robotów. Źródło: Parker Hannifin

Mniej przestojów

Bez wątpienia w najbliższej przyszłości czeka nas jeszcze więcej technologicznych przełomów, które przybliżą nas do wykorzystania automatyki elastycznej w coraz większej liczbie aplikacji. Inne technologie, które jeszcze nie zostały wykorzystane, odegrają ważną rolę w odejściu od automatyki stałej i programowalnej. Wszystkie te technologie, wraz z ciągle rosnącym przepływem informacji i coraz gorzej tolerowanymi przestojami, staną się podstawą rozwoju automatyki elastycznej.


Jeremy Miller jest menedżerem produktu w firmie Parker Hannifin Corp.