Obr. Autonómne vozidlo OTTO 1500 na prepravu ťažkého materiálu v skladoch, distribučných centrách a továrňach (Foto: Wikipedia)
Komponenty prediktívnej údržby
Aby sme dokázali „pridať“ prediktívnu údržbu na motor alebo robot, bude ich potrebné osadiť viacerými komponentmi. Podľa spoločnosti Texas Instruments by medzi nimi nemali chýbať:
Snímače
Snímače merajúce teplotu, vibrácie, hluk, napätia a prúd musia byť schopné komunikovať s nadradenými členmi, a to často z miesta, ktoré je ťažko dostupné alebo náročné z hľadiska okolitého prostredia. Káblové pripojenie napájania či komunikácie sa v takýchto prípadoch ukazuje ako nepraktické, takže snímače musia byť schopné komunikovať bezdrôtovo a spotrebúvať minimum energie z ich batérií alebo z obvodov získavajúcich energiu z okolia. Aby sa podarilo minimalizovať frekvenciu komunikácie a spotrebu, mohli by byť snímače vybavené funkciou rýchlej konverzie signálu a osadené mikročipmi a komunikáciou s ultranízkou spotrebou elektrickej energie. K takejto minimalizácii môžu prispieť aj funkcie nastavenia a uvádzania do prevádzky, kalibrácia snímača, zber, ukladanie, filtrovanie a predspracovanie údajov. Okrem toho, že sú tieto snímače malé, odolné, s nízkou spotrebou a vysoko funkčné, mnohé pokročilé riešenia môžu obsahovať aj viac snímačov v jednom vyhotovení, čo príde vhod v prípade stiesnených priestorov.
Komunikácia
Vzhľadom na to, že sú snímače ako súčasť prediktívnej údržby schopné posielať údaje v reálnom čase, vyžadujú rýchlu komunikáciu s minimálnym oneskorením, čo spĺňajú niekedy len priemyselné štandardy a normy. Na úrovni prevádzky možno použiť niekoľko komunikačných protokolov, takže komunikácia ako súčasť prediktívnej údržby by mohla byť kompatibilná s tými najrozšírenejšími štandardmi. Nevyžaduje sa, aby bola prediktívna údržba prepojená s celopodnikovou sieťou. Jej možnosti možno využiť v rámci paralelnej alebo druhej siete s prepojením na konkrétne dôležité miesta.
Brány
Mikroprocesorové riadiace jednotky zvyčajne presmerúvajú údaje zo snímačov do brán, a to priamo alebo cez zberné uzly. Brány naopak prenášajú informácie do zdrojov umiestnených v cloudoch, ktoré prichádzajúce údaje spracujú, analyzujú, ukladajú a vytvárajú rozhodnutia pre prediktívnu údržbu. Avšak komunikácia smerom do cloudu sa môže prerušiť, preto by mala byť brána vybavená schopnosťou lokálnych výpočtov, rozhodovania, posielania alarmov alebo aj inicializáciou vypnutia systému. Brány sú veľmi dobrými pomocníkmi aj pri rozsiahlych systémoch s veľkým počtom snímačov. Množstvo údajov posielaných do cloudu možno znížiť v prípade, ak brány dokážu predspracovať údaje, ktoré prijímajú ešte skôr, ako ich pošlú ďalej do cloudu. V niektorých typoch aplikácií by brány mohli vykonávať aj niektoré automatizačné a riadiace funkcie.
Zabezpečenie
Systémy, ktoré sú súčasťou prediktívnej údržby, musia byť rovnako bezpečné ako akákoľvek iná podniká sieť. Snímače, uzly zhromažďujúce údaje, brány a cloudové systémy musia byť úplne zabezpečené proti prienikom na úrovni hardvéru aj softvéru.
Spoľahlivosť
Priemyselné snímače sú často vystavené náročným podmienkam, ako sú napr. extrémna teplota či chlad, vibrácie, znečistenie, tuky, para, chemikálie a množstvo ďalších potenciálne zničujúcich podmienok. Aby dokázali snímače a súvisiace obvody zabezpečiť trvalú spoľahlivosť na úrovni prevádzky, musia byť určené na použitie v extrémnych podmienkach.
Ochrana
Štatisticky je dokázané, že aj tie najspoľahlivejšie snímače a integrované obvody budú časom vykazovať chyby. Návrh na úrovni systémov musí na to pamätať a predchádzať chybám, ktoré môžu spôsobiť ujmu na technológiách či ich operátoroch.
Presná, rýchla a bezpečná prevádzka – úloha snímačov
Autonómne vozidlá (AGV)
Všetky činnosti spojené s prevádzkou AGV prinášajú nové výzvy a s tým súvisiaci dopyt po vhodných riešeniach z hľadiska snímania a snímačov. Ochrana ľudí je najvyššou prioritou, nakoľko tieto rýchlo sa pohybujúce a často ťažké vozidlá brázdia prevádzkové haly. Nemenej dôležitou je aj ochrana samotných prepravovaných tovarov a produktov. AGV musí byť schopné identifikovať produkty a úložný priestor a zistiť aj veľkosť voľného úložného priestoru. Dôležitá je odolná komunikácia s riadiacimi a regulačnými sieťami.
Laserový merací systém môže poskytnúť rýchlu a presnú navigáciu využívajúcu údaje o obrysoch priestoru, detekciu odrazových značiek či kombináciu týchto dvoch prístupov. Do laserového navigačného systému možno zapracovať aj funkcie bezpečnosti a ochrany pred kolíziami. Údaje z inkrementálnych enkodérov inštalovaných na pohonných a riadiacich nápravách vozidla možno využiť na riadenie a obmedzenie jeho rýchlosti.
V časti nakládky možno zase použiť fotoelektrické snímače na riadenie podávacieho dopravníka a kontrolu, či je priestor nakládky prázdny a či sa AGV môže priblížiť bez zrážky. Zároveň tieto snímače môžu skontrolovať, či bol tovar umiestnený na AGV bez problémov. Produkty, ktoré AGV preváža, môžu byť vybavené značkami RFID, ktoré obsahujú informácie o položkách a ich balení na palete. Stanica vybavená čítačkou značiek RFID dokáže všetky údaje z AGV, ktoré cez ňu prechádzajú, zozbierať a poslať do riadiace počítače na uloženie.
Na vozíku umiestnený riadiaci systém dokáže zozbierať údaje zo všetkých snímačov a prostredníctvom priemyselnej bezdrôtovej WLAN ich preniesť do riadiaceho počítača. Prepojenie sa zjednoduší vďaka podpore najrozšírenejších komunikačných protokolov, napr. PROFIBUS, PROFIsafe, DeviceNet, DeviceNet Safety, AS-i, AS-i Safety at Work, CANopen či ethernet.
Roboty
Už sme v rámci seriálu hovorili o troch typoch robotov, ktoré možno v dnešných fabrikách nájsť – priemyselných, spolupracujúcich a logistických. Aby sa podarilo naplniť prísľub, ktorý ich nasadenie prináša z hľadiska vyššej produktivity a lepšej návratnosti investícií, musia všetky roboty vykonávať zložité úlohy veľmi presne a opakujúce sa úlohy veľmi rýchlo. Súčasťou tejto rovnice musí byť ešte aj bezpečnosť, čo je obzvlášť vypuklé pri spolupracujúcich robotoch, ktoré tesne alebo v malej vzdialenosti spolupracujú s človekom.
Roboty tiež môžu ušetriť investície na špecializovanejšie strojné zariadenia a efektívne dokončiť krátke výrobné cykly, a to často v aplikáciách, kde to v minulosti nebolo inak možné. Dôležité sú aj pokročilé možnosti komunikácie, umožňujúce výmenu údajov medzi robotmi a nadradenými sieťami riadenia, vďaka čomu sa roboty stanú súčasťou úplne prepojenej továrne. Priestoru, kde viac slobodne zdieľaných údajov prinesie lepšie riadenie a údržbu a zároveň dá výrobným zdrojom možnosť lepšie sa prispôsobiť meniacim sa požiadavkám vyrábaných produktov.
Nástup takých vyhotovení robotov, ktoré budú schopné zabezpečiť spomínanú vyššiu produktivitu, bezpečnosť a komunikáciu, bude závislý najmä od pokročilých riešení v oblasti integrovaných obvodov. Takéto riešenia musia poskytovať presné snímanie, vysokorýchlostnú konverziu signálu zo snímača, rýchly výpočtový výkon a spracovanie signálu kvôli reakcii v reálnom čase a vysokorýchlostnej komunikácii. Technológie integrovaných obvodov tiež obsahujú vysoko účinné napájacie obvody malých rozmerov potrebné na napájanie snímačov a výpočtových zariadení. Spoločnosť Texas Instruments opäť definovala potrebnú funkcionalitu integrovaných obvodov, ktoré sa v robotických aplikáciách využívajú:
- vysokoúčinné, vysokonapäťové napájacie zdroje s ochranou obvodov a nízkym vyžarovaním,
- určené pre široký rozsah teploty,
- podpora priemyselného ethernetu a iných často používaných priemyselných komunikačných štandardov
- jednoduché programovanie s cieľom lepšej prispôsobiteľnosti,
- rýchle a presne A/D a D/A prevodníky,
- zosilnená izolácia spĺňajúca náročné priemyselné bezpečnostné štandardy,
- zálohovanie a riadenie pri aplikáciách kritických na bezpečnosť pri kombinovaní s inými integrovanými obvodmi,
- malé rozmery, ktoré sú výhodné pri obmedzenom priestore, napr. v prípade mobilných logistických robotov alebo pri riadení motorov ramien robotov (a to nespomíname iné zariadenia v obmedzenom priestore ako snímače a kryty motorov),
- nízka spotreba elektrickej energie (dôležité pri zariadeniach napájaných batériami alebo zbierajúcich energiu z okolia, napr. logistických robotoch a snímačoch),
- komplexná podpora vrátane referenčných návrhov a vyhodnocovacích modulov (EVM), aby sa minimalizoval čas potrebný na návrh, takže vývojári sa môžu sústrediť na technológie s pridanou hodnotou.
Integrované obvody spĺňajúce požiadavky
Spoločnosť Texas Instruments (TI) ponúka integrované obvody a podporné služby pre všetky uvedené oblasti. Produkty obsahujú vstupy na snímače a výstupy na akčné členy a motory, ako aj komunikáciu v rámci celého tohto reťazca – od zariadení a pracovných staníc až po prevádzku alebo vyššie úrovne. Medzi vlastnosťami nechýba zosilnená izolácia, pričom obvody sú testované a kvalifikované na použitie v náročných priemyselných prostrediach. K reprezentantom patria aj nasledujúce kľúčové produkty a oblasti:
Procesor Sitara
Uvedený procesor slúži na prispôsobiteľný a rýchly návrh súčastí robotov a iných priemyselných zariadení. Je postavený na jadrách ARM® Cortex®-A, vďaka čomu poskytuje podporu rôznych periférií, prepojiteľnosť a jednotný softvér. Široké portfólio jedno- a viacjadrových zariadení ponúka rovnováhu z hľadiska integrácie, prepojiteľnosti a výkonu. Kompletne škálovateľná softvérová platforma poskytuje zjednotený softvérový prístup s cieľom zjednodušeného vývoja a prenosu programov medzi procesormi Sitara a rodinami digitálnych signálových procesorov (DSP) od TI. Kompatibilita aj na úrovni pinov v rámci rodín procesorov zjednodušuje modernizáciu hardvéru.
Snímanie priblíženia
Technológie snímania od TI možno využiť v rámci spolupracujúcich robotov na sofistikovanú detekciu blízkych objektov alebo ľudí, čo je základ ich bezpečnosti. Snímače TI sú schopné merať vzdialenosť cieľového objektu a detegovať ich prítomnosť. Z princípov snímania sa využíva ultrazvukové, magnetické, kapacitné, induktívne či ToF (Time-of-Flight). Pre systémy spracovania obrazu v kombinácii s robotom a iné náročnejšie aplikácie sú výhodné čipsety 3-D ToF od TI, vďaka ktorým sa dá dosiahnuť maximálna prispôsobiteľnosť z hľadiska požiadaviek zákazníka.
Napájanie GaN
Okrem širokého spektra riešení na riadenie spotreby energie v rámci spínacích a lineárnych regulátorov a spínacích riadiacich modulov a na monitorovanie elektrickej energie a iných zariadení podporujúcich správu energie ponúka TI aj tzv. moduly GaN, pohony a systémy riadenia poskytujúce vynikajúcu hustotu výkonu pre vysokonapäťové napájacie zdroje v rámci priemyselných systémov. Technológia GaN výrazne redukuje straty spínaním, čím umožňuje vyššiu rýchlosť spínania a zároveň minimalizáciu alebo odstránenie chladičov.
Priemyselné siete
Sieť navrhnutá na použitie v priemyselnom prostredí vyžaduje determinizmus a riadenie v reálnom čase. Medzi ethernetové protokoly, ktoré takéto vlastnosti majú, patria napr. EtherCAT, PROFINET, EtherNet/IP, PROFIBUS, Ethernet Powerlink, Sercos; všetky tieto protokoly podporuje aj subsystém PRU-ICSS v rámci mikroprocesorov Sitara.
Vývojové aktivity v rámci IIoT
Výrobcovia ponúkajú podporné prostriedky vrátane vývojových súprav, ktoré vývojárom pomáhajú rýchlo odlíšiť produkty a zapracovať pridanú hodnotu do ich projektov. Tu je niekoľko príkladov:
štartovacia súprava TI AM335x (EVM-SK) poskytuje stabilnú a cenovo dostupnú platformu na rýchle začatie hodnotenia ich procesorov Sitara™;
TI tiež ponúka EVM a rozsiahlo konfigurovateľnú kamerovú vývojársku súpravu (CDK);
TIDA-00913 je referenčný návrh a obsahuje príklady aplikácie štvorosového CNC smerovača postaveného na protokole Simple Open Real-Time Ethernet (SORTE) a jednotke Sitara PRU-ICSS;
vyhodnocovacia doska Analog Devi-ces EVAL-CN0303-SDPZ pre analyzátor vibrácií na báze MEMS s kompenzáciou frekvenčnej ozvy; obvod poskytuje riešenie s nízkou spotrebou vhodné na analýzu ložísk, monitorovanie motora a detekciu skratu; poskytuje 3-D lokalizáciu každého pixla na presné hĺbkové mapovanie pre danú aplikáciu podľa požiadaviek zákazníka.
Záver
Koncepty inteligentnej továrne, IIoT a Priemyslu 4.0 majú ešte stále nádych budúcnosti, avšak mnohé firmy ich už dnes nasadzujú a investujú nemalé prostriedky aj do budúcich riešení. Cieľom je vyššia produktivita, prispôsobiteľnosť a bezpečnosť, pričom veľkou mierou k tomu môžu prispieť AGV a roboty rôznych typov. Tieto zariadenia musia fungovať ako uzly podnikovej siete a súčasne vykonávať svoju úlohu rýchlo, presne, flexibilne, spoľahlivo a bezpečne. Uvedený seriál poukázal na možnosti vývojárov, ktorí môžu trvale zlepšovať tieto ukazovatele pri výkone AGV a robotov, a to prostredníctvom pokročilých integrovaných obvodov a podporných produktov. Rýchlejšie a lepšie riešenia možno vyvinúť pre oblasť snímania, spracovania signálu, lokálneho spracovania, riadenia spotreby energie a komunikácie. Inovatívne návrhy v súlade s prediktívnou údržbou dokážu predĺžiť životnosť komponentov, zlepšiť návrhy z hľadiska spoľahlivosti a varovať operátorov pred hroziacim poškodením komponentu alebo zariadenia ešte skôr, ako by to mohlo viesť k odstávke.
Diskusia o vašich nápadoch na začiatku projektu so spoločnosťou Farnell vás nič nestojí, ale môže vám ušetriť množstvo času a nákladov. Farnell ako Development Distributor disponuje odbornosťou, vďaka ktorej vám pomôže zrýchliť vývoj a výrobu vašich prototypov, a to všetko s podporou produktov, testovacích zariadení a služieb v oblasti vývoja, prispôsobených zákazníkom. Podpora pokračuje až do úrovne výroby – od dodávok pások a navíjačiek pre komponenty až po spotrebný tovar a náhradné diely potrebné pre údržbu.
Literatúra
[1] http://www.industryweek.com/technology/dawn-smart-factory?page=1
[2] http://www.autoblog.com/2015/07/21/audi-smart-factory-production-4-0
[3] http://www.just-auto.com/news/audi-adds-human-robot-cooperation-in-manufacturing_id155721.aspx
[4] http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1274020
[5] http://www.ti.com/lit/wp/sszy027/sszy027.pdf
[7] http://www.ti.com/lit/wp/slyy115/slyy115.pdf
[8] http://www.ti.com/tool/opt8241-cdk-evm
[9] http://www.ti.com/tool/tida-00913
[10] http://www.ti.com/tool/tidep0061
[11] TMDSSK3358 – Starter Evaluation Kit
[12] EVAL-CN0303-SDPZ – Evaluation Board
Zdroj: Smart Factories: Handling complexity with flexibility. Farnell element 14. [online]. Citované 4. 9. 2017. Dostupné na: http://uk.farnell.com/smart-factories-handling-complexity-with-flexibility.
Koniec seriálu.
-tog-
