Modulární automatizace zvyšuje nejen produktivitu výroby

Modulární automatizace zvyšuje nejen produktivitu výroby

V minulosti bylo hledání způsobů, jak zvýšit produktivitu výroby, spojeno s uplatněním automatizace strojů a výrobních linek. V současné době se hledají způsoby, jak zefektivnit samotnou automatizaci výrobních procesů. To vede k nutnosti uplatnit automatizaci nejen ve výrobě, ale už při návrhu a projektování zařízení a výrobních linek. Klíčem ke zvýšení produktivity je integrace, komunikace a modulární architektura automatizovaných systémů.

Pohled výrobců zařízení

Kromě základního cíle realizovat zařízení, které spolehlivě a hospodárně vykonává zadané výrobní postupy a procesy, musí výrobce brát v úvahu ještě minimálně dva další požadavky. První požadavek je rychlá instalace a druhý bezproblémové uvedení do provozu a s tím úzce spojená velká dostupnost zařízení pro výrobu během celé doby jeho života. A to vše bez překročení časových termínů a rozpočtu! Jak toho má výrobce zařízení dosáhnout, když přitom musí současně snižovat svoje náklady, např. zvyšováním své vlastní produktivity?

V následujících pěti kapitolách bude popsáno pět způsobů, jak uvedeného cíle dosáhnout (obr. 1). Jsou založeny především na zkušenostech z automobilového průmyslu.

Přesná definice požadavků
U velkých projektů se často projevuje rozpor mezi snahou snižovat investiční náklady a maximalizovat zisk. Maximálního zisku je možné dosáhnout zvýšením dostupnosti zařízení pro výrobu a snížením nákladů na provoz a údržbu.

Pro tento účel jsou vhodné analýzy založené na výpočtu celkových nákladů (TCO, Total Cost of Ownership). Dokážou odhalit, že použití levnějších komponent nemusí být výhodné, je-li spojeno s vyššími náklady na uvedení do provozu, vlastní provoz a údržbu. Tyto náklady se výrazně projeví především tehdy, je-li nutné projekt měnit nebo přizpůsobovat. To znamená, že již zcela na začátku je nutné přesně stanovit všechny, i budoucí, požadavky na zařízení a určit jeho kritická místa.

To není snadné, protože kdo je schopen přesně předvídat budoucnost? Bude plánovaný výrobek na trhu úspěšný? Nebo bude muset být změněn a s tím bude spojena i změna v jeho výrobním procesu? Jsou plánované objemy výroby odhadnuty správně? Tyto otázky, a ještě mnoho dalších, mají vliv na výběr automatizačních prostředků, které mají sloužit po celou dobu života projektovaného výrobního zařízení.

Modulární systémy
Vhodně navržená modulární struktura zařízení může podstatně usnadnit odhalení jeho kritických míst. Co je v oblasti strojírenské konstrukce samozřejmé díky již dávno vžitému používání mechanických komponent a subsystémů, zdaleka není běžné v automatizaci: je-li nutné k řídicímu systému připojit další vstup nebo výstup, jednoduše se připojí na nejbližší volný kanál, při programování se používá množství různých nestandardních „vychytávek„, změny v systému nejsou řádně zdokumentovány – to vše značně ztěžuje odhalování a lokalizaci kritických míst a zvyšuje náklady na údržbu a dodatečné úpravy systému. Modularizace struktury systému musí začít už při jeho návrhu, a musí být důsledně udržena až do konce. Je to otázka kvality celého projektu. Jsou-li použity moduly, a to jak hardwarové, tak softwarové, s jasně definovanými funkcemi a rozhraními, systém to výrazně zjednoduší. Takové zařízení má větší provozní dostupnost a snadněji se udržuje (obr. 2).

Na modulární strukturu se tedy musí myslet už od samého začátku. Platí to i v případě, že výsledkem bude specializované, jedinečné zařízení. Příkladem z automobilového průmyslu může být výroba karoserií na zakázku podle požadavků zákazníků. V současné době je zde výroba rozdělena do jednotlivých výrobních buněk (např. pro výrobu výklopných zadních dveří). Při výrobě se vyskytuje mnoho operací, které jsou pro všechny díly společné – např. lepení, svařování, nýtování. Pracoviště, kde jsou tyto operace vykonávány, jsou obvykle řízena samostatnými řídicími systémy, připojenými na centrální řídicí systém celého provozu. Na každém z těchto pracovišť je třeba zajistit manipulaci s materiálem – přísun dílů, zakládání do přípravků a dopravu k dalšímu pracovišti. To obstarávají dělníci nebo roboty. Funkce všech strojů a pracovišť na sebe musí navazovat – celý provoz se musí skládat z modulů s jasně určenými funkcemi. Vlivem zjednodušení celého výrobního systému důslednou modularizací byly uspořeny značné náklady (až 20 %) spojené s uvedením systému do provozu a s jeho adaptací na individuální požadavky zákazníků.

Ve výrobních podnicích je důležitým faktorem bezpečnost práce. Také decentralizované bezpečnostní funkce musejí být navrženy jako modulární, tj. spojené s daným zařízením nebo pracovištěm, s možností integrovat je s předchozím a následujícím členem systému.

V modulární automatizaci je řídicí systém zařízení odpovědný za jeho propojení s okolím. To znamená, že se stará o komunikaci mezi moduly (zařízeními), o některé funkce a o přípravu dat pro vizualizaci a statistické vyhodnocení. Řídicí systém modulu je navržen tak, že modul může své funkce plnit i samostatně a potřebuje k tomu zadat jen minimum parametrů (např. číslo modulu).

Použití otevřených standardů
Použití otevřených standardů je podmínkou pro růst produktivity. V automatizaci jde především o systémy založené na PC (obr. 3), Ethernet a standardizované provozní sběrnice.

Výhody otevřených standardů jsou očividné a přesvědčivé. Nové generaci techniků již jsou tyto standardy důvěrně známy – tato skutečnost mimo jiné šetří náklady na školení pracovníků. Otevřené standardy kromě toho přinášejí dlouhodobé zajištění investic. Je však také nutné uvažovat o nevýhodách otevřených standardů: o nákladech na zaručení bezpečnosti (ochrana proti počítačovým virům) a na zajištění kontroly přístupu. Na tyto položky se při tvorbě rozpočtu a odhadu nákladů na údržbu často zapomíná.

Pružná instalace
Náklady na instalaci automatizovaných systémů jsou často podhodnocovány. Problémy začínají vlastně už ve fázi konstrukce, jestliže spolu jednotlivé komponenty správně nebo vůbec nespolupracují a je třeba pro ně vytvářet specializovaná rozhraní.

Instalace v průmyslovém prostředí je v mnoha ohledech specifická. Například při komunikaci mezi motorem a elektronikou pohonu se může nepříznivě projevit vliv rušení. Instalace musí být navržena s ohledem na pracovní podmínky, v nichž bude pracovat, a v nich musí být i testována.

V praxi se používají dva základní přístupy k instalaci automatizačních prostředků. V rámci jednoho stroje je možné použít předem připravené kabely se standardními konektory. V průmyslové automatizaci se jako standard prosazují konektory M12. Kabely většinou montuje již dodavatel stroje. Ovšem mezi stroji a moduly je nutné použít jinou instalaci. Ta musí být jednoduchá, spolehlivá, rychlá a odolná proti nepříznivým provozním podmínkám. Jako nejlepší řešení se v poslední době často jeví použití kabelů s plastovými světlovody. Tento způsob přenosu dat začali již před několika lety používat někteří významní výrobci v oblasti automobilového průmyslu, aby tak vyřešili problémy s EMC, a dnes se prosazuje i v jiných odvětvích průmyslu pro svou robustnost a jednoduchost.

Standardizace
Automatizované systémy musí být snadno řiditelné a udržovatelné, schopné změn a rozšíření a musí zaručovat návratnost vložených investic i v dlouhodobém výhledu. K tomu přispívá vše, co již bylo napsáno v předchozích čtyřech bodech. Nezbytná je však ještě další, pátá podmínka: standardizace. Právě ta umožňuje realizovat vše, o čem se tu již psalo: jasně stanovit požadavky a vytvořit modulární strukturu systému s jednoduchou a pružnou instalací. Hranice mezi standardizovaným a nestandardizovaným systémem často bývá i hranicí mezi efektivním a ztrátovým řešením.

Zvláště to platí pro softwarové moduly. Je nutné optimálně integrovat návrhové systémy CAD, programovací nástroje, vizualizaci a nástroje pro podporu údržby zařízení. K tomu jsou zřejmě vhodné produkty firmy Microsoft. Jejich použití však není bez obtíží. Microsoft svoje produkty neustále vyvíjí a vývojový cyklus těchto produktů bývá mnohem kratší než doba života řídicího systému. Žádný operátor by nebyl nadšen představou muset svůj systém každé dva nebo tři roky modernizovat jen proto, že vývoj softwaru, ale i hardwaru kontinuálně pokračuje. Operátoři požadují stabilitu a bezproblémovou kompatibilitu jejich provozních systémů s dalšími podnikovými systémy. Toho je možné dosáhnout jen standardizací.

Závěr

Pět cest růstu produktivity práce při návrhu, oživení a údržbě automatizované výroby popsaných v předloženém příspěvku přináší mj. tyto výhody:

• zkrácení doby konstrukce zařízení a uvedení do provozu,
• vytvoření mechatronických komponent, které jsou schopny pracovat autonomně,
• snadné změny druhu výroby a výrobní kapacity bez komplikovaného programování.

Dipl.-Ing. Thorsten Behr,
vedoucí divize techniky pro automobilový průmysl,
Phoenix Contact GmbH & Co. KG

Překlad: Gustav Holub