Aktuální vydání

celé číslo

04

2024

Průmyslové roboty a automatizace výrobních a montážních linek

celé číslo

Inteligentní pneumatika: brána k vyšší účinnosti a produktivitě

Otevřené a flexibilní systémy IIoT mohou přesně odhalit úniky a závady, zkrátit prostoje, zvýšit výkonnost a v konečném důsledku zlepšit hospodářský výsledek.

 

Výrobní závody, od potravinářství přes výrobu spotřebního zboží až po strojírenskou výrobu, se ve snaze zvýšit energetickou účinnost obracejí k tzv. chytré pneumatice (obr. 1). U systémů stlačeného vzduchu může zlepšení o pouhých několik procentních bodů znamenat měsíční úsporu desítek tisíc eur za energii.

Chytrá pneumatika však může nabídnout mnohem více než jen úspory energie. Shromažďováním provozních dat z dříve „neinteligentních“ ventilů, pneumatických pohonů a jednotek pro úpravu stlačeného vzduchu pomůže odhalit informace, které vedou ke zkrácení prostojů, zkrácení doby cyklu a zvýšení celkové produktivity.

 

Problémy reálného světa

V pneumatických zařízeních se opotřebovávají komponenty, což může vést k netěsnostem a únikům. Časem tyto úniky rostou a to vede k nadměrné spotřebě energie, vyšším provozním nákladům a větší uhlíkové stopě. Průměrný výrobní závod z důvodu úniků ročně vyplýtvá až 35 % stlačeného vzduchu. Úniky přispívají ke značným energetickým ztrátám, delším odstávkám strojů a dodatečným nákladům. Jsou-li náklady na výrobu stlačeného vzduchu 150 tisíc eur ročně, je možné odstraněním úniků ušetřit teoreticky více než 50 tisíc eur.

Pro mnoho provozovatelů může identifikace a řešení ztrát v systému stlačeného vzduchu ovlivnit také celkovou efektivitu zařízení (OEE – Overall Equipment Effectiveness), protože únik vzduchu je často známkou větších problémů se zařízením, které dříve či později povedou k jeho odstávce.

OEE se měří podle osvědčených postupů ve výrobním procesu. V podstatě jde o identifikaci podílu plánovaného výrobního času, který je skutečně produktivní. OEE lze určit pomocí těchto proměnných:

  • dostupnost, tj. doba provozuschopnosti stroje,
  • výkon, tj. jak rychle je stroj schopen pracovat,
  • kvalita, tj. poměr neshodných kusů.

Kdyby byl ukazatel OEE 100 %, šlo by o dokonalou výrobu: stroj by pracoval plnou rychlostí, bez prostojů a nevyráběl by žádné neshodné díly. Výsledek OEE 85 % je pokládán za prvotřídní a mnoho výrobců jej považuje za svůj dlouhodobý cíl.

Studie odborníků na pneumatické systémy společnosti Emerson ukazují, že OEE typické balicí linky dosahuje pouze 45 až 55 %. Dobrá zpráva: je zde dostatek příležitostí ke zlepšení. Je zřejmé, že systémy, které fungují na projektované kapacitě nebo blízko ní, jsou energeticky účinnější – a ziskovější – než ty, které tak nefungují. Je však nutné maximalizovat produktivitu až na úroveň jednotlivých strojů, aby bylo jasné, kde lze dosáhnout vyšší efektivity a snížení nákladů.

 

Příležitosti pro inteligentní pneumatiku

Průmyslový internet věcí (IIoT – Industrial Internet of Things) způsobuje revoluci ve výrobě, balení a souvisejících výrobních odvětvích a přináší digitální transformaci do provozů využívajících pneumatické pohony v podstatě jakékoliv velikosti. Tato transformace umožňuje provozovatelům zachycovat a zpracovávat data z pneumatických a dalších prvků stroje a odkrývat tak nové poznatky o výrobě.

Například optimalizace spotřeby stlačeného vzduchu je možná díky nepřetržitému monitorování průtoku vzduchu v systému, aby bylo možné zjistit úniky v reálném čase, přičemž lze zaznamenávat i další údaje, jako je tlak a teplota v přívodním potrubí.

Transformace hrubých dat z inteligentního pneumatického systému do podoby, která je využitelná, je klíčem ke zkrácení prostojů, snížení nákladů na energii, zkrácení doby cyklu a zvýšení celkové produktivity. Jak si ale může být uživatel jist, že jsou získaná data ze strojů použitelná? A jak může tato data použít ke zlepšení provozních činností v závodě a k rozhodování na vyšší úrovni?

 

Přímočaré přístupy

Inteligentního monitorování pneumatiky lze snadno dosáhnout na místní úrovni, bez nutnosti použít cloud, a to již od několika datových bodů. Použitím komponent, jako jsou snímač průtoku AF2 řady Aventics od firmy Emerson (obr. 2) pro měření průtoku vzduchu nebo přenosný analyzátor Aventics Smart Pneumatics Analyzer (SPA; obr. 3), dokáže systém identifikovat problémy na jakémkoliv stroji a podle toho vytvářet výstrahy, prezentovat je na přehledných ovládacích panelech nebo je zasílat uživatelům v reálném čase. I když provozovatel začne pracovat jen s několika jednotlivými díly, může získat užitečné informace i bez nutnosti náročné analýzy dat a velmi rychle dosáhnout snížení nákladů, zlepšení kvality výroby, zvýšení průchodnosti a v případě pneumatických systémů i snížení spotřeby energie.

 

Úspory na balicím stroji

V jednom z nedávných projektů spolupracovala firma Emerson s výrobcem balicích strojů na výkonném analytickém systému, který může pomoci zajistit zvýšení OEE u paletizačních a depaletizačních zařízení. Namísto složité analýzy souborů různých dat umožňuje analytické řešení založené na platformě PACEdge IIoT od firmy Emerson (viz text na rastru) přesně určit, které konkrétní pohony nebo ventilové rozvody jsou nevýkonné, a poskytnout vodítko k řešení předpokládaných problémů. Tato platforma, kterou lze snadno implementovat pro konkrétní zařízení, může také navrhovat prediktivní údržbu založenou na počtu cyklů nebo jiných parametrech, může analyzovat hlavní příčiny poruch a odstávek v reálném čase a vybavovat varování nebo kritické výstrahy. Data jsou shromažďována a vizualizována nezávisle na hlavní řídicí jednotce stroje, takže řešení je vhodné i pro starší řídicí jednotky nebo řídicí jednotky třetích stran.

Tím, že se uživatel zpočátku zaměří na několik strojů nebo na konkrétní problematické body, lze definovat rozsah projektu a snáze kvantifikovat výsledky. Zároveň je důležité zajistit, aby zvolené řešení pro monitorování systémů stlačeného vzduchu bylo škálovatelné a mohlo růst spolu s budoucími potřebami a očekáváními. Dodavatel s kompletním sortimentem pomůže uživateli vyhnout se hromadění různých zařízení, které z dlouhodobého hlediska zvyšuje náklady (obr. 4).

Provozovatelé by však měli být obezřetní při výběru partnerů nebo produktů, které by je mohly vázat na zařízení konkrétní značky, komunikační brány, cloudové služby či jiné omezené ekosystémy. Některá řešení mohou také vyžadovat značné časové a počáteční kapitálové investice. Je např. možné připojit pneumatické komponenty a další moduly k PLC, z něhož jsou data předávána prostřednictvím komunikační brány do cloudu, kde jsou analyzována a výsledky jsou vizualizovány. Přenos dat přes PLC ale může vyžadovat významné změny v jeho programu.

Pro výrobní provozy, které nechtějí nebo nemají infrastrukturu pro podporu cloudových scénářů, mohou vysoce flexibilní a bezpečné systémy, jaké nabízí firma Emerson, zajistit produktivitu a úsporu energie, aniž by vyžadovaly cloudové prostředí pro vizualizaci dat v reálném čase. Snímače, moduly sběru dat a edge zařízení se mohou k analytickému systému připojit přímo přes komunikační bránu, aniž by bylo nutné zatěžovat PLC. To je důležité, protože změna programu PLC může vyžadovat značné investice do času a zdrojů. Mnoho provozů dokonce nemusí být schopno vlastními silami změnit program svých PLC. Díky flexibilnějším možnostem, jako jsou ty, které nabízí firma Emerson, mohou být data i v takových provozech kontextualizována buď prostřednictvím cloudu, nebo v místním edge zařízení, bez ohledu na použitou řídicí jednotku. V aplikacích „na zelené louce“ může zákazník nahradit PLC univerzální řídicí jednotkou, jako je např. PACSystems RXi2 od společnosti Emerson, která kombinuje PLC a edge v jediném zařízení.

Na rozdíl od tradičních spotřebních zařízení IoT se průmyslová zařízení IIoT obvykle vyznačují velkou mírou vzájemné kompatibility – což je faktor, který je rozhodující pro zajištění hladké koexistence při používání open softwaru, jenž je snadno programovatelný a škálovatelný, jako je např. platforma PACEdge. Aplikace mohou být provozovány v cloudu, na hardwaru v prostorách firmy nebo integrovány do stávajících softwarových systémů. Příkladem protokolů, které se k tomu využívají, jsou OPC UA a MQTT. Například již zmíněný snímač průtoku řady AF2 je kompatibilní s OPC UA, což uživatelům umožňuje přímé připojení k systémům vyšší úrovně nebo k jiné bráně IIoT pro pokročilou analýzu.

Nejlepší dodavatelé techniky pro IIoT, ať už lokální, nebo cloudové, dokážou přizpůsobit své systémy stávající infrastruktuře provozovatele a následně mu umožní získávat informace o strojích prostřednictvím komunikačních bran nebo řídicích jednotek s využitím zmíněných otevřených protokolů. Kompetentní a flexibilní dodavatel zaujme ke každé implementaci IIoT konzultační přístup a věnuje čas tomu, aby plně porozuměl konkrétním potřebám provozovatele.

 

Hmatatelné přínosy

V minulosti nemělo smysl investovat do monitorování relativně levných pneumatických dílů – náklady na výměnu a související odstávku výroby byly brány jako běžná provozní záležitost. Nyní však informace změnily pravidla hry.

I jediný vadný pohon může způsobit větší problém, který ovlivňuje efektivitu celého systému. Při správném využití může chytrá pneumatika využívající IIoT pomoci výrobcům najít např. vadné pohony a navíc i propojit ostrůvky automatizace, „odemknout“ provozní data stroje a napomoci radikálně zvýšit OEE. Tam, kde se na výrobě jednoho výrobku podílí několik, možná i desítky strojů, může být dopad zásadní. Neúčinnost či snížená výkonnost jednoho stroje může způsobit kaskádový efekt v celém závodě. Díky propojení ostrůvků informací může typický provozovatel očekávat návratnost investic v několika podobách:

  • méně prostojů – chytrá pneumatika může pomoci lépe informovat týmy údržby a výroby o rostoucích problémech ve stroji měřením využití a doby cyklu, které se mění s opotřebením, a v kombinaci s indikátory cyklu mohou provozovatelé získat přehled o zbývající životnosti systému a pomocí prediktivní údržby zkrátit prostoje ve výrobě,
  • větší úspory – při menším počtu netěsností bude celý systém potřebovat méně energie, čímž se ušetří náklady na energii a zároveň se zmenší celková uhlíková stopa,
  • zvýšení produktivity – chytrá pneumatika může poskytovat upozornění a výstrahy, které informují o netěsnostech, anomáliích nebo překročení prahových hodnot během výrobního procesu, což může pomoci zajistit optimální hodnotu OEE a maximalizovat produktivitu.

Spolupráce s týmem, který dokáže zajistit ucelený přístup – od pneumatiky přes řízení stroje až po platformu pro podporu aplikací,  může pomoci provozovatelům jakékoliv velikosti optimalizovat jejich procesy a odhalit nové poznatky o výrobě. Znalosti, které umožňují předcházet neplánovaným odstávkám, snižovat náklady na energii, zkracovat dobu cyklu a zvyšovat celkovou produktivitu, lze získat díky inteligentní pneumatice a informacím, které může poskytnout systém, jako je platforma PACEdge.

 

Nils Beckmann, Product Marketing Manager pro integraci IIoT, Emerson

 

Detailní pohled na PACEdge IIoT

Platforma PACEdge™ IIoT od firmy Emerson kombinuje analytiku dat na úrovni edge, vizualizaci a pokročilý software pro podporu aplikací, což umožňuje koncovým uživatelům a výrobcům OEM zvýšit přehled o stavu a výkonnosti svých výrobních prostředků a strojů. PACEdge zjednodušuje vývoj, implementaci a administraci díky moderní sadě nástrojů s otevřeným zdrojovým kódem a intuitivnímu rozhraní, které pomáhá zvýšit rychlost a škálovatelnost projektů digitální transformace. V kombinaci s výkonnými produkty PACSystems™ pro edge computing od firmy Emerson mohou uživatelé využívat výhod jediného, bezproblémového řešení edge s otevřenou průmyslovou konektivitou, což zkracuje dobu vývoje a snižuje náklady.

Edge počítač PACSystems RXi2-BP, edge brána RXi2-LP a edge řídicí jednotka PACSystems RX3i CPL410 od firmy Emerson jsou podporovány a dostupné se softwarovým stackem PACEdge IIoT, který umožňuje realizovat širokou sadu aplikací pro potřeby zákazníků v oblasti programování, vizualizace a analýzy. Firma Emerson nedávno uvedla na trh také novou verzi inteligentního monitoru pneumatiky Aventics (SPM) založenou na systému PACEdge. Aventics SPM, využívající edge bránu RXi2-LP, má oproti předchozí verzi SPM několik výhod: větší výpočetní výkon a úložiště dat a možnost připojit k jednomu edge zařízení několik snímačů průtoku vzduchu nebo ventilových systémů. Nabízí rovněž pokročilejší vizualizaci dat v rámci zařízení.

 

Obr. 1. Výrobní závody, od potravinářství přes výrobu spotřebního zboží až po strojírenskou výrobu, se ve snaze zvýšit energetickou účinnost obracejí k tzv. chytré pneumatice

Obr. 2. Snímač průtoku AVENTICS™ AF2 poskytuje informace o průtoku vzduchu v reálném čase a zároveň zaznamenává údaje o tlaku a teplotě v přívodním potrubí

Obr. 3. S analyzátorem AVENTICS™ Smart Pneumatics Analyzer (SPA) mohou zákazníci snadno získávat data v reálném čase pro zlepšení OEE sledováním parametrů pneumatického systému

Obr. 4. Digitální transformace pro diskrétní a hybridní výrobu: inteligentní pneumatika v kombinaci

s otevřenou softwarovou platformou, která je programovatelná a škálovatelná, zajišťuje, že zvolené monitorovací řešení může růst spolu s budoucími potřebami a očekáváními

Obr. 5. Software SPA společnosti Emerson lze použít v kombinaci s inteligentním analyzátorem pneumatických systémů SPA, ale také se snímačem průtoku vzduchu Aventics AF2 s ethernetovým rozhraním; software poskytuje informace o průtoku vzduchu, tlaku, spotřebě a únicích vzduchu (včetně nákladů na spotřebu a úniky), popř. další informace