Ipar 4.0 – A víziótól a valóságig

Vegyes valóság intelligens kezelési koncepciókban. (Fotó: OPTIMA packaging group GmbH) / Vegyes valóság okos működtetési koncepciókban. (Fotó: OPTIMA packaging group GmbH)

Állapotfigyelés valós idejű információkat szolgált az egyes gépekről vagy teljes sorozatokról. Előre meghatározott riasztási és hibahatárok alapján időben észlelhetők és kijavíthatók a eltérések. (Kép: Bosch Packaging Technology) / Az állapotfigyelés valós idejű információkat nyújt az egyes gépekről vagy teljes sorozatokról. A meghatározott riasztási és hibahatárok alapján korán felismerhetők és kiküszöbölhetők a eltérések. (Fotó: Bosch Packaging Technology)

A digitális átalakulás az összekapcsolt gyártási környezetek felé az Ipar 4.0 (I4.0) vagy az Internet of Things (IoT) értelmében egyre nagyobb lendületet vesz. Számos alkalmazás a termék- és folyamatfelügyelet, jelöléstechnika, csomagolás, logisztika, valamint karbantartás és javítás területeiről már ma is megmutatja, milyen optimalizációs potenciál rejlik ebben az internetes változásban.

Ezek a dolgok szenzorokat, RFID-chipeket (rádiófrekvenciás azonosítás), eszközöket, gépeket és berendezéseket jelentenek. Ezek a jövőben nemcsak önállóan, folyamatosan fognak információkat szolgáltatni minden fontos folyamat- és rendszerállapotról, hanem az interneten keresztül egymással kommunikálva korrigálhatnak és optimalizálhatnak a gyártási folyamatokba beavatkozva. Az interneten keresztüli kommunikáció alapja az Internet Protokoll (IP), amely egyértelműen azonosítható IP-címeket használ. A régi IPv4 internetprotokoll azonban csupán mintegy 4,3 milliárd IP-címet tudott biztosítani – és ezeket már 2012 elején elfogytak – PC-khez, notebookokhoz, tabletekhez és mobiltelefonokhoz. Ezért fejlesztették ki az új szabványt, az IPv6-ot, amely 3,4 x 10^38 IP-címet tartalmaz. Így már nem kell tartani az IP-címhiánytól. Az IPv6-ra való áttérés még folyamatban van. A kihívások tehát nem annyira a dolgok és azok címei, hanem inkább az általuk okozott adatáradattal kapcsolatosak, amikor egy nap milliárd szenzor küldhet ezrek számú adatot másodpercenként a központi számítógépeknek. Ezeket az adatokat valós időben kell értékelni vizualizációk és szimulációk céljából, valamint dokumentációs (nyomonkövethetőség) célokra tárolni.

A dolgok internetén tehát elsősorban az adatokról van szó. Pontosabban – az ezekből nyert információkról. És ez a szoftverek és algoritmusok területe. Ami már ma elérhető, az elég ok arra, hogy aktívan végrehajtsuk a transzformációt. A következő példák olyan alkalmazásokat mutatnak be, amelyek már rövid távon megtérülnek.

Paradigmaváltás a karbantartásban

A csapágyak, hajtóművek, szivattyúk vagy töltő- és adagolóberendezések hibái nem hirtelen fordulnak elő a valóságban, hanem hosszú ideje jeleznek előre a nem szokványos vibrációk, hőmérséklet-eltérések, vagy változott áramfelvételek, nyomáscsökkenés vagy hasonló jelek formájában. Ezeket a szenzorok által a Condition Monitoring keretében észlelt eltéréseket ma már a rendkívül összetett elemző- és szimulációs programoknak köszönhetően valós időben lehet értékelni, vizualizálni és folyamattechnikai összefüggésekbe helyezni. Ezek alapján a gép- és berendezésvezetők célzottan, de főként távolról is beavatkozhatnak a rendszerekbe. Például a berendezések mindig az optimális tartományban tartására, programváltoztatások végrehajtására vagy új alkalmazási- és vezérlőprogramok telepítésére. Továbbá a szimulációs eredmények alapján pontos előrejelzéseket lehet tenni a kritikus gépelemek várható hátralévő élettartamáról, ami teljesen új perspektívákat nyit a karbantartás számára.

Ez a megközelítés elmozdul a reaktív és a preventív karbantartás, valamint azok időszakos alkatrészcseréi irányából a jósolható, pontosan tervezhető karbantartási intézkedések – az ún. Predictive Maintenance felé. Ennek előnyei közé tartozik a gépek és berendezések magasabb rendelkezésre állása, jelentősen csökkent meghibásodási kockázatok, magasabb üzem- és gyártási biztonság, valamint lényegesen alacsonyabb karbantartási költségek.

A Predictive Maintenance emellett a fenntarthatóság egyik fontos eleme is. Míg az alkatrészek időszakos cseréje mindig is biztonságos megoldás volt, értékes hátralévő élettartamot pazarolt el drága alkatrészek esetében, mert nem álltak rendelkezésre pontos viselkedési adatok. Ma sokkal fejlettebb a tudás az anyagok viselkedéséről, a váltakozó terhelés alatti tartós igénybevételről és hasonlókról, mint 10 vagy akár 20 évvel ezelőtt. Egy másik szempont a ma elérhető, lényegesen nagyobb számítási teljesítmény, valamint az intelligensebb elemző-, FEM- (Finite Element Method) és szimulációs programok. Ezek segítségével magas pontossággal lehet meghatározni és előre jelezni a várható hátralévő élettartamot – és ebből a tudásból profitál a Predictive Maintenance.

Beszélgetés gépekkel

A gépek és berendezések egyre növekvő teljesítőképessége, rugalmassága és intelligenciája egyre összetettebb rendszerekhez vezet, ami a legmagasabb követelményeket támasztja az ember-gép interfészek (HMI, Human Machine Interface) fejlesztésében. Hardver szinten a HMI-k olyan végberendezéseket jelentenek, érintőképernyős funkciókkal, mint amilyeneket a legtöbben okostelefonjaikról vagy tableteikről ismernek. Ez lehetővé teszi, hogy a gépek és berendezések kezelésének megtanulása során a felhasználók az ismert tudásra építve tanuljanak, ami motiváló és jelentősen lerövidíti a betanulási időt.

Egy központi szempont a kezelőfelületek fejlesztése során, hogy a gépeket egyre inkább olyan felhasználók tudják biztonságosan kezelni, akik nem rendelkeznek speciális szakmai képzettséggel, és gyakran nem is megfelelő nyelvtudással. A hibák elkerülése érdekében a fejlesztők az intuitív grafikus elemekre helyezik a hangsúlyt a nyelv helyett. Szintén egyre népszerűbbek a fotorealisztikus 3D-CAD ábrázolások a gépekről, berendezésekről és alkatrészekről. Továbbá a HMI-nek meg kell felelnie a különböző felhasználói csoportok elvárásainak, attól függően, hogy milyen képzettséggel és jogosultságokkal rendelkeznek. A gépkezelők más kezelőfelületeket látnak, mint például a műszakvezetők, karbantartók vagy gyártási vezetők. Így minden felhasználó csak azokat az adatokat látja, amelyek feladataihoz, illetve az adott helyzethez relevánsak. Továbbá az információk a lényegre vannak szűkítve, ami áttekinthető megjelenést biztosít, és azonnali áttekintést nyújt a legfontosabb gépi paraméterekről és gyártási adatokról.

A mobilitás és a folytonosság további jellemzői a modern HMI-knek. A tendencia a mobil végberendezések felé mutat, amelyekről a gépek és berendezések ellenőrzése és kezelése a felhasználó jogosultságától függően bárhonnan elvégezhető. Ez különösen a szerviz és karbantartás területén takarít meg időt és utazási költségeket.

Virtuális világokban való munka

Szinte egyik témának sincs annyi visszhangja jelenleg az Internet of Things kapcsán, mint a virtuális vagy digitális iker. Technikai alapját erőteljes 3D-CAD, szimulációs és elemző programok, valamint virtuális 1:1 másolatok képezik valódi gép- és berendezésvezérlő programokról. Ezekre a szoftvereszközökre építve a teljes gyártási folyamatot, beleértve az alkatrészeket, gépeket, berendezéseket és azok vezérlését, virtuális modellben lehet megjeleníteni – minden fizikai adat felhasználásával, amely a szimulációkhoz szükséges. Emellett lehetőséget ad offline programozásra is. Ez mind a fejlesztőket, mind a működtetőket és karbantartókat egy univerzális eszközzé teszi a virtuális iker.

Ennek köszönhetően a valósághű szimulációk már a fejlesztési szakaszban felismerhetik a tervezési hibákat vagy gyenge pontokat anélkül, hogy bármilyen valódi alkatrészt előzetesen gyártanának. Ez vonatkozik a vezérlőprogramok programozására és optimalizálására is.

Az egyik legfontosabb alkalmazás a virtuális üzembe helyezés. Ez nemcsak egy virtuális próbafutás, hanem arra is szolgál, hogy a berendezésért felelős munkatársakat célzottan megismertesse a rendszer sajátosságaival és lehetőségeivel. Másképp fogalmazva: a digitális iker az ipari folyamatok, gépek és berendezések repülőgép-szimulátora. A valódi üzembe helyezés virtuális előzetes próbája többszörösen megtérül. Ha a rendszerben vagy a kezelői koncepcióban hibák vannak, azokat a megelőző szakaszban ki lehet javítani, anélkül, hogy valódi berendezési részek sérülnének. Az offline programozás lehetővé teszi a gyártási tervezők számára, hogy a működés közben virtuálisan módosításokat hajtsanak végre a rendszeren, és ezek hatását a ciklusidőkre értékeljék, vagy különböző üzemmódokat teszteljenek. A legfontosabb azonban az, hogy a virtuális ikerben összegyűjtött tapasztalati tudás sok szakértőtől egyesül, amit később más projektekben is felhasználhatnak.

Összefoglalva, az üzemeltetők és a felhasználók a kifinomult szimulációknak köszönhetően jelentősen rövidíthetik a projektek időtartamát, gyorsabb üzembe helyezéseket érhetnek el, és hatékonyabb fejlesztéseket végezhetnek hasonló rendszerek és folyamatok terén. Ez időt, erőforrást, energiát és munkaerőt takarít meg elsősorban.

Szabványosított interfészek kötelezőek

A szabványosítás továbbra is nagy kihívás, mivel a legtöbb gépgyártónak saját interfészei vannak. Azonban az integráció a legfontosabb jellemző az Internet of Things-ben. És ez az integráció elsősorban az adatok és információk vertikális és horizontális cseréjének folytonosságát követeli meg a gépek között. Ezért nyitott szabvány-protokollokat kell alkalmazni. A tendencia ezért az Open Source megoldások felé mutat, mivel ezek nem tulajdonosi rendszerek, és magas beruházási biztonságot, valamint függetlenséget kínálnak. Egy példa erre az OPC Unified Architecture (OPC UA), amely különböző gyártók gépeinek összekapcsolására szolgáló specifikációcsomag. Az OPC UA biztonságát hitelesítés, jogosultságkezelés, titkosítás és adat-integritás biztosítja.

Ezzel az OPC UA ideális egy biztonságos, megbízható és gyártófüggetlen adatátvitelhez a gyártási szintről a magasabb szintű gyártási tervező vagy ERP rendszerek felé.

Régi berendezések is lehetnek 4.0-képesek

Sok régebbi gép, berendezés, motor vagy kompresszor nincs felszerelve az Ipar 4.0-hoz szükséges szenzorokkal és kommunikációs technológiával – részben azért, mert nem is alkalmasak hálózatba kötött rendszerek működtetésére. Ez azonban nem jelenti azt, hogy ezek a berendezések elavultak lennének a digitális átalakulás szempontjából. Itt, mint egy belépő megoldás az Ipar 4.0-ba, okos szenzorokat lehet utólag felszerelni. Ezek rendszeresen mérik a gépek és berendezések fontos állapotparamétereit, és vezeték nélkül küldik az adatokat az értékeléshez az HMI-khez vagy az alkalmazottak okostelefonjaira vagy tableteire. Ezekkel és más egyszerű módszerekkel a vállalatok költséghatékonyan léphetnek be az Ipar 4.0 világába, és profitálhatnak a csökkentett állásidőkből, megnövelt gépüzemidőkből, alacsonyabb energiafogyasztásból és hasonlókból.

A 2017-es interpack kiállításon a VDMA Élelmiszeripari Gépek és Csomagológépek Szövetsége különleges bemutatót szervez az Ipar 4.0 témakörében. Ez a technológiai lounge a VDMA standján mutat példákat a csomagológépek és folyamattechnológia területéről származó megoldások alkalmazásaira, amelyek új lehetőségeket kínálnak a biztonság, nyomonkövethetőség, másolás- vagy plágiumvédelem, valamint az egyedi csomagolások területén.