Автоматизація в Індустрії 4.0

У часи примхливих ринків й індивідуальних виробів аж до штучної партії, швидка зміна партії стала ключовим критерієм . Необхідна гнучкість забезпечується насамперед модульним виробничим інтелектом безпосередньо на польовому рівні, наприклад, у вигляді пневмоостровів або транспортних систем з інтегрованим керуванням.

У дослідницькому проєкті Індустрії 4.0 SmartFactory компанія Festo зробила значний внесок у те, щоб поєднання гнучких, модульних та мережевих модулів машин від різних виробників стали реальністю. Це вже впроваджено на технологічному заводі Festo, і було доведено, зокрема, що час налагодження мережевих ліній збирання можна скоротити з кількох годин до 13 секунд. Ви також можете керувати впровадженням нових технологій та виробничих процесів за півдоби. І навіть переміщення всієї системи займає вже не три тижні, а лише три дні.

Важливо! Навіть існуючі системи залишаються прибутковими з відповідними модернізованими компонентами в Індустрії 4.0. На цей час виробники та користувачі мають самі визначити специфікації машинних інтерфейсів для власних процесів; відповідні стандарти чи рекомендації Об’єднання німецьких машинобудівних фабрик (VDMA) все ще знаходяться на стадії розробки..

Витрати на електроенергію самі собою не зменшаться. Ключем до ефективного виробництва є керування власними ресурсами та енергією, що є можливим лише в мережевих системах. Нашим яскравим прикладом є виробнича будівля компанії Festo на технологічному заводі в Шарнхаузені: завдяки гарній ізоляції, рекуперації тепла, виробленню стисненого повітря, орієнтованого на потреби тощо, це місце відповідає найвищим енергетичним стандартам.

Але перш за все, мережева сенсорна система реєструє споживання всіх машин. Програми M2M (від машини до машини) взаємодіють незалежно через OPC UA із системою керування виробництвом (MES), яка налаштована на оптимальну синхронізацію й уникає піків енергії. Необхідні давачі та невеликий контролер були модернізовані до існуючих систем, включно з електричним терміналом CPX та нашим модулем енергоефективності MSE6-E2M. Це вимагало інвестицій приблизно 3 000–5000 євро на машину. Позитивним є те, що завод може заощадити для цього близько 3 ГВт·год енергії, що призводить до рентабельності інвестицій менше трьох років. В інших проєктах клієнтів підтримка нашої служби енергозбереження Festo Energy Saving навіть призвела до економії до 60 %. З новими системами найбільший потенціал полягає в економічній конструкції.

Основною перевагою Індустрії 4.0 є прогнозне техобслуговування, яке зводить до мінімуму незаплановані простої. У пілотному проєкті Festo гаджети iPad були ключовим елементом: сервісні колеги можуть не лише відображати повідомлення про помилки системи на своїх планшетах, але й усі інструкції з ремонту, плани та переліки деталей і запчастин. За потреби вони можуть проконсультуватися з експертами в чаті, завантажити попередні замовлення на ремонт та переглянути онлайн-магазин запчастин. Це також відразу дає зрозуміти, які повідомлення про помилки все ще відкриті та якому співробітнику вони призначені, і з яким пріоритетом.

У майбутньому сфера обслуговування може бути ще більше розширена, аж до зв'язку в режимі реального часу з портфелем замовлень та підтримки AR (доповненої реальності). Пілотний проєкт був настільки успішним, що зараз ми впроваджуємо цю систему на всіх заводах Festo. Загальна ефективність обладнання (OEE) на виробничих потужностях значно зросла, співробітники стали більш мотивовані, а окупність інвестицій становить менше шести місяців.

Ви також можете використовувати цю мобільну програму з ремонту AX Smartenance (розумне обслуговування) на своєму заводі як цифрового менеджера з технічного обслуговування.

Індустрія 4.0 – це насамперед практичне застосування. На нашому вебсайті Технологічний завод у Шарнхаузені ми виробляємо наші клапани, клапанні термінали, друковані плати та модулі на мережевих лініях збирання: гнучко, енергоефективно та високопродуктивно.

Відповідно до теорії обмежень (TOC) E. M. Goldratta , кожен операційний ланцюг створення продукції має вузьке місце. Перед ним усе застряє, за ним виробництво часто працює вхолосту. Це вузьке місце потрібно знайти й усунути, щоб наступне вузьке місце стало видимим і його можна було усунути.

Ми розширили цю ітераційну процедуру TOC на технологічному заводі в Шарнхаузені та перетворили її в організацію, орієнтовану на вузьке місце (EOO). Зокрема, йдеться про тривалість виробничого циклу та ефективність постачання. Відповідними ключовими показниками є пропускна здатність, запаси й експлуатаційні витрати. Практична реалізація полягає в послідовній побудові мережі Індустрії 4.0, за допомогою якої всі задіяні отримують необхідні дані з онлайн MES на екран - незалежно від того, чи це окремий ПК, планшет або смартфон.

Це чудово працює як для нас, так і для наших партнерів із проєкту: наприклад, у металообробці замовлення на основі потреб у EOO скоротило час виробничого циклу на 56 % на заводі та на 90 % в окремих підрозділах обслуговування.

Потокове виробництво значно гнучкіше, ніж серійне виробництво. Час виробничого циклу зменшений, якість відповідна, а потреба в просторі також мала. Перш за все, цілі потоки можуть бути розроблені так, що проміжне зберігання значною мірою виключається, а виробництво можна контролювати набагато гнучкіше.

Конкретно, ми впровадили такі системи Heijunka як частину організації, орієнтованої на вузькі місця (EOO), використовуючи повний технологічний ланцюжок від розпилювання до видалення задирок, свердління та фрезерування до фінішної обробки і обробки поверхні. З технічного боку використовуються інтелектуальні рішення для обробки даних від Festo, а також М2М-зв'язок (машина з машиною) через OPC UA. Це забезпечує постійну синхронізацію робочих даних / KPI машин. У разі несправності всю лінію можна відповідно відрегулювати, щоб вона не штовхала перед собою хвилі матеріалу, які довелося б обробляти у вихідні або під час дорогих нічних змін.

У сценаріях «цифрових двійників» Індустрії 4.0 унікальні машиночитані ідентифікації є надзвичайно важливими. У компанії Festo це вже є: ключ виробу — це або QR-код, чи код матриці даних, або літерно-цифровий одинадцятизначний код, який безпомилково ідентифікує кожен виріб. Це забезпечує надійний доступ до таких даних, як-от позначення типу, серійний номер, версія тощо. Поки що все знайоме. Але ключ виробу може зробити навіть більше: наприклад, він автоматично викликає правильну документацію користувача та дані CAD. А це значно спрощує замовлення комплектуючих і запчастин. Інтегрований ідентифікаційний код дає змогу персоналу з ремонту чи машинобудівникам розміщувати правильне замовлення безпосередньо під час роботи — ефективно та гарантовано безпомилково, навіть для складних клапанних терміналів та підсистем із сотнями окремих деталей.

Ключ виробу від компанії Festo навіть готовий до роботи в хмарній системі: для систем, які Ви (пере)налаштовуєте за допомогою програми та керуєте через платформи промислового Інтернету речей (IIoT), ключ виробу працює як код доступу. Це означає, що Ви можете легко отримати найновішу прошивку, оновлення та послуги з програмного забезпечення Festo App World і завжди залишатися в безпеці.

Квиткові системи вже дуже корисні, але інтелектуальні рішення, розроблені для потокового виробництва та процесів організації, орієнтованої на вузьке місце (EOO), ще кращі.

По-перше, це означає, що обслуговуючий персонал є дійсно мобільним і має всі необхідні експлуатаційні та машинні дані, доступні в режимі реального часу на своїх планшетах навіть під час перебування в дорозі. Програма спрямовує їх до відповідного місця, перш ніж воно стане вузьким. Це означає, що ви можете заощадити собі час, необхідний для поїздки з центрального офісу технічного обслуговування до конкретної машини - у великих компаніях це означає кілька робочих годин на тиждень. До того ж замовлення можуть бути визначені пріоритетами відповідно до критеріїв ефективності, як-от використання потужностей, статус замовлення та важливість машини. І ще, мобільне технічне обслуговування дає змогу персоналу з ремонту дійсно діяти: в ідеалі Ви можете негайно й автоматично ініціювати замовлення на запчастини онлайн, використовуючи ключ виробу.

Приклад людино-машинного інтерфейсу (HMI) на основі людей:ProGlove виглядає як звичайна робоча рукавичка, за винятком того, що в неї інтегровано сканер штрихового коду на тильному боці. Співробітники логістики активують цей сканер за допомогою вбудованих датчиків великого пальця, щоб вони автоматично та в цифровому вигляді записували, що вони обробляють під час завантаження та розвантаження за одну операцію. Вони також мають вільні обидві руки. Це швидше, а також чудово працює на збиральних та ручних робочих місцях.

На нашому технологічному заводі в Шарнхаузені ми вже в значній мірі впровадили цей розумний галузевий принцип і позначили та закодували пристрої збирання так, щоб співробітники автоматично захоплювали потрібні деталі — легко, швидко та безпомилково. У такий спосіб водночас створюється справжній «цифровий двійник» виробничих процесів. Це, зі свого боку, дає змогу гнучко, точно й ефективно керувати обсягами виробництва та потоками матеріалів за потреби.

Для того, щоб машинні та виробничі дані мережевої промисловості були корисними, вони повинні бути об'єднані, консолідовані та керовані. Шлюз IoT CPX бере на себе це завдання. Залежно від складності, від 10 до 31 компонента та модулів взаємодіють у режимі реального часу на рівні цеху через безпечний інтерфейс OPC UA. Шлюз перетворює потоки даних у протокол AMQP (MQTT й інші за запитом) і в такий спосіб робить їх так само безпечно придатними для хмарової системи. Це означає, що всі можливості Індустрії 4.0 і сучасного аналізу даних відкриті, від розумного обслуговування до повних цифрових двійників.

Ми вже надали нашому шлюзу IoT попередньо налаштовані інформаційні панелі, які можна індивідуально налаштувати на екрані: віджети зі світловими індикаторами та діаграмами для профілактичного обслуговування та контролю використання. Це відразу готове до використання в кіберфізичних системах, як-от модуль енергоефективності MSE6-E2M, система переміщення YXMx або наш термінал Motion Terminal VTEM.

На практиці це призводить до двох речей: моніторинг стану «під ключ» з автоматичними попередженнями та надійною діагностикою помилок у режимі реального часу, а також широкі можливості для аналізу бізнес-даних у хмаровій системі Festo Cloud: аналіз тенденцій, системи дочасного попередження та параметри керування для збільшення ефективності загальної системи на основі надійних ключових показників ефективності.

Основа кожної системи експертної підтримки, кожне обґрунтоване бізнес-рішення, кожна ефективна оптимізація процесу — надійні ключові показники. Ось чому вся інформація зі шлюзів IoT об’єднується в хмаровій системі Festo Cloud і готується до інтелектуального аналізу даних — чи то у вигляді інтуїтивно зрозумілих інформаційних панелей, чи як складних довгострокових оцінок.

Вирішальним для майбутнього успіху буде те, як промислові компанії справляються зі своїми власними обсягами даних. На рівні хмарової системи вже доступні широкі можливості для контролю й оптимізації Індустрії 4.0. Хмарова система Festo Cloud уже робить безпосередній внесок у скорочення простоїв, покращення використання потужностей та підвищення загальної продуктивності. Й останнє, але не менш важливе: виробничі підприємства, а також виробники машин і систем уже працюють над новими моделями бізнесу та доходів, які є результатом подальшої обробки та підготовки машинних даних у хмаровій системі.

Індустрія 4.0 — це набагато більше, ніж давачі, які пересилають машинні дані в хмарову систему. Справжні кіберфізичні системи також ідуть протилежним шляхом, виносять інтелект керування на польовий рівень і навіть роблять пневматику цифровою: наш термінал Motion Terminal VTEM легко розширює існуючі системи за допомогою функцій Індустрії 4.0. Окремі клапани керуються за допомогою програми та вільно програмуються через WebConfig: рівень тиску, дроселювання, функція розподільника, діагностика витоків тощо. Термінал Motion Terminal VTEM надає розробникам машин і систем значно більшу гнучкість та полегшує налаштування пневматичних схем. Він виконує функції, які раніше вимагали понад 50 різних виробів або позицій. Однак, насамперед, це означає оцифрування системи стисненого повітря: за допомогою термінала Motion Terminal VTEM Ви можете просто змінити функції клапана за допомогою програмного забезпечення, без зміни обладнання.

Automation Markup Language (AML) зарекомендувала себе як формат обміну даними спеціально для різнорідних середовищ розробки та незалежного від виробника інжинірингу. Хоча мова на основі XML історично походить з автомобільної промисловості, консорціум розробників сформулював її як загальний «цифровий засіб». Компанія Festo сама є активним членом правління асоціації AutomationML і разом з іншими відомими фахівцями та науково-дослідними інститутами бере участь у розробці, стандартизації та подальшому поширенні стандарту, особливо під час реалізації «розумних інструментів» у проєкті ENTOC (Engineering Tool Chain for Efficient and Iterative Development of Smart Factories).

AutomationML не є власним форматом, але розроблений, щоб бути нейтральним і розширюваним. Насправді, ситуація для конструкторів у машинобудуванні значно краща завдяки AML, ніж у будинковій автоматизації, наприклад, де розробникам доводиться боротися з великою кількістю проблем із інтерфейсами та системними несправностями. AML дає змогу обмінюватися даними планування заводу та надійною документацією, але також охоплює, наприклад, упровадження моделювання заводів у виробничих системах.

Відкритий консорціум Асоціації німецьких виробників електротехніки та електроніки (ZVEI) уже розробив модель еталонної архітектури для Індустрії 4.0 (RAMI 4.0) як частину Plattform Industrie 4.0 за підтримкою BMWi та визначив основні характеристики компонента Індустрії 4.0. Зокрема, проєкт співпраці з відкритим кодом openAAS (open Asset Administration Shell) наразі стосується «відкритої оболонки керування» для таких компонентів. Основою протоколу є OPC UA (універсальна архітектура), яка вже використовується у всіх виробах, сумісних із Індустрією 4.0 від компанії Festo.

З практичної точки зору завдання полягає в тому, щоб описати компонент Індустрії 4.0 як інкапсульовану систему з інтерфейсами й у такий спосіб створити цифрове зображення — основу всіх концепцій цифрових двійників й основу кожної колаборації з M2M (від машини до машини). Компанія Festo бере значну участь у цьому розвитку, і перші пілотні впровадження вже були успішними.

Великі дані є предметом спільного дослідницького проєкту, що фінансується BMBF, який триває до середини 2019 року. Завдання — розробити методи, як компанії можуть будувати нові бізнес-моделі на основі обсягів даних, згенерованих Індустрією 4.0.

У BigDieMo компанія Festo спеціально відповідає за розробку комплекту з методами й інструментами для структурованого проєктування сервісів на основі даних. Водночас ми можемо спиратися на власний досвід роботи на технологічному заводі в Шарнхаузені, а також на результати експериментальних систем у клієнтів. Технічне обслуговування завжди було центральним інженерним критерієм для кожного промислового компонента від компанії Festo, тому ми приділяли цьому особливу увагу не тільки з часу можливостей прогнозного технічного обслуговування.