Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Radarové snímače polohy zvyšují úroveň automatizace a efektivitu výroby

Odborníci Fraunhoferova ústavu pro aplikovanou fyziku pevných látek IAF (Institut für Angewandte Festkörperphysik) v nedávné době vyvinuli kompaktní radarová měřicí zařízení s velkým rozlišením umožňující výrazně zvýšit efektivitu různých průmyslových procesů. Vybrané výsledky jejich vývojové činnosti byly prezentovány na veletrhu Hannover Messe 2019. 

Mezi zařízeními umožňujícími automatizovat výrobní a logistické procesy a tím vytvářet předpoklady pro efektivní tvorbu hodnot v celém výrobním a dodavatelském řetězci jsou na jednom z předních míst snímače provozních veličin. Snímače polohy na bázi radaru, dobře zavedené např. v oboru měření polohy hladiny při řízení spojitých technologických procesů, hrají doposud v ostatních oborech průmyslu podřadnou roli. Přitom jsou v porovnání s optickými snímači necitlivé na podmínky špatné viditelnosti a v porovnání s rentgenovými snímači jsou zdravotně zcela neškodné.

Radarové snímače pro průmysl vyvinuté ve Fraunhoferově ústavu IAF se sídlem ve Freiburgu pracují s elektromagnetickým vlněním v pásmu milimetrových vln, které snadno pronikají mnoha nekovovými materiály, jako např. plasty, lepenkou, dřevem a textiliemi, a také prostředím obsahujícím zaclánějící prach, kouř či mlhu. Umožňují přesně měřit polohu, vzdálenosti, odstupy a rychlost i opticky nesnadno viditelných, nebo dokonce i z pohledu pozorovatele zcela zakrytých objektů. Odborníci z ústavu IAF využívají tyto vlastnosti milimetrových vln při vývoji radarových modulů s vysokým rozlišením určených k využití v průmyslu. Na letošním veletrhu Hannover Messe představili odborníci z Fraunhoferovy společnosti kompaktní radar pracující v pásmu W (75 až 110 GHz), který např. dovoluje bezdotykově překontrolovat úplnost zboží zabaleného v přepravním obalu. Špatně zkompletované dodávky zboží lze tudíž ještě před odesláním vytřídit a minimalizovat tak počet reklamací a případů vracení zásilek. 

Velmi přesné i při špatné viditelnosti

Dosud se k detekci přítomnosti objektů ve výrobním procesu většinou používají optické a laserové snímače. Jejich nedostatkem je, že při špatné viditelnosti selhávají a přes optické bariéry jimi měřit vůbec nelze. Radar pracující ve frekvenčním pásmu W oproti tomu umožňuje měřit ve velkém rozsahu vzdáleností bez ohledu na optické bariéry, a to s přesností lepší než 1 mm (obr. 1).

Radarová technika vyvinutá ve Fraunhoferově ústavu IAF nabízí vedle detekce přítomnosti objektů ještě mnoho dalších funkcí: „Naše radarové snímače lze použít všude, kde se požaduje bezdotyková detekce předmětů z různých materiálů nebo velmi přesné měření vzdálenosti při ztížených podmínkách, jako např. v prostředích se zvýšenou teplotou nebo při zhoršené viditelnosti,“ vysvětluje Christian Zech, vědecký pracovník ve Fraunhoferově ústavu IAF (obr. 2). V současnosti pracují odborníci ústavu IAF na několika projektech přizpůsobení jejich radarové techniky určitým specifickým požadavkům průmyslu. 

Bezpečnější spolupráce člověka s robotem

Projektový tým Christiana Zecha např. pracuje v rámci sdruženého projektu s označením RoKoRa (Sichere Mensch – Roboter – Kollaboration mit Hilfe Hochauflösender Radare) na využití radarové techniky ke zvýšení bezpečnosti při přímé spolupráci člověka s robotem.

Do budoucna se očekává, že lidé a roboty budou spolu ve výrobním prostředí stále častěji spolupracovat přímo a v malém prostoru (obr. 3). Přitom musí být v kterémkoliv okamžiku nejen zaručena bezpečnost člověka, ale k dosažení maximální účinnosti výrobního procesu také umožněn pokud možno nepřerušovaný volný pohyb robotu. V novém uspořádání společných pracovišť s vyšší úrovní bezpečnosti projektový tým spoléhá na použití kompaktních radarových snímačů s velkým rozlišením, které sledují prostor, v němž probíhá spolupráce, vypočítávají dynamickou ochrannou zónu a přizpůsobují rychlost či směr pohybu robotu aktuální situaci. Robot tak může přizpůsobovat svoje vlastní pohyby současným činnostem člověka, aniž by přitom musel svoji činnost zpomalit či přerušit, což garantuje bezpečnou a současně efektivní spolupráci. „S takovým radarovým bezpečnostním zařízením lze vždy použít maximální možnou rychlost pohybu robotu při minimálním odstupu od člověka. S nárůstem rychlosti pohybů robotu roste celková efektivita spolupráce člověka s robotem při současném zvýšení bezpečnosti,“ zdůrazňuje Christian Zech, vedoucí projektu RoKoRa.

Sdružený projekt RoKoRa je řešen v letech 2017 až 2020 za finanční podpory spolkového ministerstva pro vzdělávání BMBF částkou zhruba 2,3 milionu eur. Řízením a koordinací projektu je pověřen Fraunhoferův ústav IAF. Podrobnější informace o projektu RoKoRa jsou na webové stránce https://www.iaf.fraunhofer.de/de/forscher/elektronische-schaltungen/Hochfrequenz

Úspora energie v hutním průmyslu

Hutní průmysl je odvětví charakteristické velmi značnou energetickou a materiálovou náročností. Hutnictví, reprezentované zejména výrobou železa a oceli, využije až 40 % energie spotřebovávané v průmyslu jako celku. K udržení konkurenceschopnosti na mezinárodní úrovni je v hutnictví třeba zvýšit energetickou účinnost stávajících výrobních zařízení s cílem výrazně zmenšit jednotkovou spotřebu energie. Za tím účelem vyvíjí multidisciplinární konsorcium za účasti Fraunhoferova ústavu IAF v rámci projektu RAD-Energy měřicí zařízení na bázi radaru pro válcovny zatepla. Vedle spolehlivého a velmi přesného zjišťování vzdáleností a polohy odvalků při výrobě ploché oceli umožní vyvíjené radarové snímače bezdotykově přesně měřit jejich délky a rychlosti pohybu. „Ve válcovnách železa a oceli jsou drsné provozní podmínky. Velmi vysoké teploty, prach, velká vlhkost vzduchu a přítomnost vodní páry znesnadňují až znemožňují použití optických měřicích zařízení. Radarové snímače vzdálenosti s velkým rozlišením přesně kontrolují rozměry zhotovovaných polotovarů i finálních výrobků a další provozní veličiny, což umožňuje zmenšit četnost a zkrátit doby trvání výpadků a zvýšit výnosy při současné úspoře vstupních surovin a energie,“ vysvětluje Benjamin Baumann, vedoucí projektu RAD-Energy ve Fraunhoferově ústavu IAF.

Sdružený projekt RAD-Energy (celým názvem Steigerung der Energieeffizienz im Warmwalzwerk durch revolutionäre Hochpräzisions­radar-Messtechnologie) je řešen v letech 2017 až 2020 za finanční podpory spolkového ministerstva pro hospodářství a energie BMWi. Práce na projektu řídí a koordinuje společnost Asinco GmbH z Duisburgu (www.asinco.de) a jedním z hlavních partnerů projektu je Fraunhoferův ústav IAF. Podrobnější informace o projektu RAD-Energy lze nalézt na adrese https://www.iaf.fraunhofer.de/de/ forscher/elektronische-schaltungen/ Hochfrequenz. 

Větrné elektrárny s dlouhou dobou provozního života

Radarová technika na bázi milimetrových vln umí ovšem více než jen přesně změřit rozměry materiálu, dokonce umožňuje do materiálu vniknout a např. zjistit jeho vnitřní defekty a jejich přesnou polohu.

Tým zkušených odborníků z Fraunhoferova ústavu IAF vyvíjí v rámci projektu InFaRo inovační radarovou metodu pro kontrolu rotorových listů větrných elektráren, která zjistí vady materiálu již v průběhu jejich výroby. Nová metoda nejenom přispívá rozhodujícím způsobem ke zvýšení kvality, ale také přímo snižuje náklady na výrobu, instalaci a provoz větrných elektráren, které jsou z těchto pohledů s každou novou generací náročnější. Rotorové listy, vyrobené z kompozitního materiálu v sendvičovém provedení jako duté těleso, jsou při provozu elektrárny zatěžovány mimořádně velkými silami. Nárůst délky rotorových listů ze 40 m (v roce 2006) na více než 80 m (v roce 2014) vedl k výraznému zvýšení požadavků na odolnost materiálu, a tudíž na jeho kvalitu. Trhliny a nehomogenity v materiálu rotorového listu nejen že mohou způsobit významné materiální škody na zařízení a výpadky výkonu větrných elektráren, ale mohou i ohrozit lidské životy. „Vyvíjíme inovační měřicí zařízení na principech radarové techniky a termografie, které nám umožní detekovat sebemenší vady v materiá­lu, jako jsou např. delaminace, trhliny nebo vzduchové bubliny, již během výroby rotorového listu. Tím se dosáhne zvýšení bezpečnosti a účinnosti větrných elektráren při současném snížení nákladů,“ uvádí Dominik Meier, výzkumný pracovník a vedoucí projektu InFaRo ve Fraunhoferově ústavu IAF. Bezprostřední kontrola povede k výraznému zvýšení kvality rotorových listů. Větrné elektrárny budou déle v činném provozu a doby trvání výpadků v důsledku mechanických defektů se zkrátí na minimum.

Sdružený projekt InFaRo (celým názvem Innovative Prüfmethodik für Rotorblätter von Windenergieanlagen) je řešen v letech 2016 až 2020 za finanční podpory spolkového ministerstva BMWi. Práce na projektu řídí a koordinuje firma Composcan GmbH a jedním z hlavních partnerů projektu je Fraunhoferův ústav IAF. Další informace o projektu InFaRo lze nalézt na stránce https://www.iaf.fraunhofer.de/de/ forscher/elektronische-schaltungen/Hochfrequenz. 

Závěr

Prezentace Fraunhoferova ústavu IAF na veletrhu Hannover Messe 2019 vzbudily značnou pozornost odborných a kompetentních návštěvníků a potvrdily vysokou odbornost a velké zkušenosti jeho pracovníků v oboru využití radarové techniky v průmyslových výrobních zařízeních. Podrobnější informace o současných i perspektivních aktivitách ústavu lze nalézt na stránce https://www.iaf.fraunhofer.de/de/medien/pressemitteilungen/HannoverMesse2019.htm.

[Radarsensoren steigern Effizienz in Produktion und Automation. Pressemitteilung Fraunhofer IAF, 19. 3. 2019.]

 

Ing. Karel Kabeš

Obr. 1. Kompaktní radar pracující v pásmu W umožňuje přesně měřit vzdálenosti, odstupy a rychlosti i opticky těžko viditelných, nebo dokonce pohledu pozorovatele skrytých objektů (foto: Fraunhofer IAF)

Obr. 2. Radarové snímače vzdálenosti velmi účinně napomáhají při automatizaci výrobních a logistických procesů (foto: ipopba/Fotolia.com)

Obr. 3. Radarové snímače zvyšují bezpečnost při přímé spolupráci člověka a robotu (foto: goodluz/Fotolia.com)