Élvonalbeli automatizálási technikával felszerelve: a fenntartható utazás

Összekapcsolt érzékelők, robotika, alkalmazkodó vezérlések – a fejlett automatizálási elgondolások kulcsfontosságúak az energiatakarékos és hatékony termeléshez. Fentiek kiváló eszközt jelentenek a rendszer-összeépítők (vagy más néven rendszerintegrátorok) és a gyárak üzemeltetői számára infrastruktúrájuk és technológiáik fenntarthatósági szempontból történő optimalizálásához.

(Kép: AzmanJaka, a Getty Images képtárából)

Az ipari termelés legkritikusabb tényezői az energiaigény, a nyersanyagok felhasználása és – különösen a nagyvárosi területeken – a szükséges terület mérete. Ezek egyrészt meghatározzák a gyárak és üzemek gazdasági hatásfokát, másrészt a fenntartható működés szempontjából is kulcsfontosságúak.

A világ számos régiójában hatalmas erőfeszítéseket tesznek a hagyományos fosszilis tüzelőanyagok használatának korlátozására és megújuló alternatív energiaforrásokkal való helyettesítésére. Az eddigi sikerek jelentősek, köszönhetően a politika, az ipar és a magánszektor elkötelezettségének. Németországban például, amelynek célja, hogy az energiaforradalom keretében a megújuló energiaforrásokat fejlessze az elsődleges energiaforrássá, ezeknek az energiaforrásoknak a teljes energiafogyasztáson belüli részesedése tavaly már valamivel 48 százalék feletti értéket ért el. Az amerikai Szövetségi Hálózati Ügynökség szerint a feldolgozóipar használja fel az energiafogyasztás több mint negyedét, és a villamosenergia-igényből való részesedése is ehhez hasonló. A vezető ágazatok a vegyszerek és a fémek gyártása és feldolgozása.

Ezeket és számos más feldolgozó tevékenységet végző területet, beleértve a gép- és villamosipart, valamint az élelmiszergyártást is, a gyárak és technológiák automatizálása terén elért fejlődés hajtja. A termelékenység és a költségek optimalizálása mellett a hangsúly egyre inkább azokra a paraméterekre helyeződik át, amelyek a fenntarthatóságot jobban segítő termékeket és technológiákat eredményeznek. A digitalizációs környezetben és az Ipar 4.0 alapját jelentő elgondolást felhasználva egyre inkább a hatásfokot, az erőforrások gazdaságos felhasználását, a hulladék elkerülését és a lehető legkisebb karbonlábnyomot célozzák meg.

Optimalizálás a fenntarthatóság érdekében

Az automatizálási technika számos olyan megközelítést kínál, amelyet a gépipari és üzemfenntartó rendszer-összeépítők, valamint a gyártó vállalatok felhasználhatnak infrastruktúrájuknak, üzemeiknek és folyamataiknak a fenntarthatóságot segítő szempontok szerinti optimalizálására. Az érzékelők átfogó használata és az ipari dolgok internetébe (IIoT, Industrial Internet of Things) való beépítése a fogyasztás, a környezeti paraméterek és a készletek folyamatos figyelemmel kísérése révén számos lehetőséget nyit meg. Az összekapcsolt érzékelők segítségével a gyártó vállalatok például valós időben nyomon követhetik az áruk szállítását, figyelhetik a töltöttségi szinteket, és rögzíthetik a gyártósorokon használt gépek és szerszámok állapotadatait (1. ábra).

1. ábra: A gépek állapotadatainak rögzítése és elemzése a fenntarthatóságot jobban segítő folyamatokat tesz lehetővé (kép: Banner Engineering)

A termelésnek az ipari dolgok internete (IIoT) szemszögéből történő megközelítését holisztikusan (azaz a rendszer minden elemében) támogató érzékelő termékcsaládokra kiváló példa az amerikai Banner Engineering beszállító Snap Signal termékcsaládjának választéka. A felhasználók számára általában az a legnehezebb feladat, hogy először azonosítaniuk kell a lényeges adatokat, majd a következő lépésben ki kell nyerniük azokat a meglévő berendezésekből. Ha további érzékelőtechnika beépítése válik szükségessé további változók, például a rezgés és a hőmérséklet mérésére a vezérlőegységnél, ez nem igényli a meglévő szabályozási architektúra semmilyen megváltoztatását. Fontos továbbá a kommunikáció szabványosítása és az összes érzékelő- és vezérlőadat közös protokollra való átalakítása. Ehhez a Snap Signal termékcsalád (2. ábra) okosérzékelőket, jelátalakítókat, vezérlőegységeket, jelillesztőket és vezeték nélküli kommunikációs modulokat, valamint vezetékes csatlakozási technikát kínál, amelyekkel az automatizálási mérnökök csatlakoztatás után azonnal használható (plug and play) módon oldhatják meg ezeket a feladatokat.

2. ábra: A termelés az ipari dolgok internete (IIoT) szemszögéből történő megközelítésének támogatása: okosérzékelők, átalakítók és vezérlőegységek a Snap Signal termékcsaládból (kép: Banner Engineering)

Az ilyen érzékelőadatok feldolgozása és elemzése – akár központosítva a felhőben, akár közvetlenül a helyszínen – lehetővé teszi a technológiák hibáira és optimalizálási lehetőségeire, illetve a karbantartás szükségességére vonatkozó következtetések levonását. Így csökkenthető az energiaveszteség, és minimalizálható az erőforrás-felhasználás. Másrészt a megelőző karbantartás lehetővé teszi a szervizmunkák előzetes megtervezését és ezáltal az állásidő csökkentését, ami viszont segít elkerülni az energiára és anyagokra fordított pluszkiadásokat.

Energiatakarékos szabályozástechnika

A termelőüzemek energiaigényében például jelentős szerepet játszik a szabályozástechnika. A frekvenciaváltókkal (VFD, variable frequency drive) felszerelt fejlett és jó hatásfokú szabályozórendszerek képesek például a motor fordulatszámát pontosan a rendszer valós igényeihez igazítani, ami jelentősen csökkenti a fogyasztást, különösen a változó terhelésű készülékek esetén. A visszatápláló hajtások képesek még tovább csökkenteni a fogyasztást a fékenergia visszanyerésével és újrafelhasználásával. Ezek egyre fontosabbá válnak a gyártóüzemek modulrendszerűvé és rugalmasabbá tétele során, amit az Ipar 4.0 egyik központi elemének tekintünk. A modulrendszerű gyárra vonatkozó elgondolásban az automata irányított járművek (AGV, automated guided vehicle) és a helyváltoztató segítőrobotok támogató funkciókat látnak el, például az anyagmozgatásban és az összeszerelésben. A kis tömeg és a visszatáplálásos energia-visszanyerés itt alapvető jellemzők, mert nemcsak gazdaságos energiafelhasználást és kis ökológiai lábnyomot tesznek lehetővé, hanem az automata irányított járművek és a kobotok (együttműködő robot, az angol cooperative robot kifejezés összevonásából) nagy hatótávolságát is.

A Schneider Electric nevű francia gyártó a kis méretű Altivar ATV320 frekvenciaváltóval a jó hatásfokú vezérlőtechnikának ezt a piaci szegmensét célozza meg. Ez a készülék a 0,18 kW és 15 kW közötti teljesítménytartományba eső háromfázisú szinkron- és aszinkronmotorok változó fordulatszámokon történő szabályozására alkalmas. A gyártó szerint a készülék a beépített biztonságot a hatásfokot javító számos azonnal használható funkcióval ötvözi. Ezek közé tartozik a nyomaték és a fordulatszám pontossága kis fordulatszámokon, az érzékelő nélküli fluxusvektoros szabályozással megvalósított nagy dinamikus válasz, valamint a megnövelt frekvenciatartomány, hogy a készüléket nagy fordulatszámú villanymotorokhoz is használni lehessen. Az ATV320 (3. ábra) különösen figyelemre méltó a számos ipari folyamatra jellemző szennyezett levegővel szembeni nagyobb ellenálló képessége miatt, és megfelel az IP20, valamint az IP6x védelmi fokozat követelményeinek. A frekvenciaváltót úgy tervezték, hogy teljes mértékben be lehessen építeni a különböző rendszerarchitektúrákba. A beépített Modbus- és CANopen-csatlakoztathatósághoz RJ45-ös csatlakozókkal van ellátva. Egyéb kommunikációs lehetőségek: Ethernet IP és Modbus TCP, Profinet, EtherCAT, DeviceNet és PowerLink.

3. ábra: Az Altivar ATV 320 frekvenciaváltó háromfázisú szinkron- és aszinkronmotorok változó fordulatszámokon történő szabályozására használható (kép: Schneider Electric)

Intelligensebb szabályozás

Az energiának és az ipari erőforrásoknak a fenntarthatóságot jobban segítő felhasználására való törekvés során a szabályozástechnika optimalizálása az egyenlet elkerülhetetlen része. Az automatizált üzemekben a termelési adatok gyűjtése, feldolgozása és elemzése során a legkorszerűbb helyi szabályozóegységek ma már kulcsszerepet játszanak. Ezekkel a kis méretű, méretezhető és ipari Etherneten keresztül csatlakoztatható eszközökkel felhőalapú és helyi megoldások egyaránt megvalósíthatók. A diagnosztikára és energiagazdálkodásra szánt funkciók segítik az automatizálási mérnököket a gyártási folyamatok elemzésében, a szűk keresztmetszetek azonosításában és az olyan ipari szabályozóegységeken alapuló optimalizálási intézkedések kezdeményezésében, mint a Simatic S7-1200. A fejlett szabályozóalgoritmusok, valamint a beépített kommunikációs és biztonsági funkciók döntően járulnak hozzá a folyamat pontos végrehajtásához.

4. ábra: A gyártási adatok elemzésén alapuló hatékony folyamatvégrehajtás a Siemens Basic Controller segítségével felhőalapú és helyi megoldásokkal egyaránt megvalósítható (kép: Siemens)

A pontosságban rejlő hatékonyság

A mozgékony és rendkívül sokoldalú robotok kis méretükkel, könnyű kialakításukkal és intelligens szabályozástechnikájukkal jelentős hatással vannak a termelési erőforrások fenntarthatóságot elősegítő felhasználására. Kiváló példák erre a KUKA nevű német gyártó Agilus termékcsaládjának strapabíró és rendkívül alkalmazkodóképes eszközei (5. ábra). Beépített áramellátásuk van, és többféle változatban kaphatóak, egyesek pormentes helyiségbe való robotként, mások higiéniailag kritikus felhasználási területekre vagy robbanásveszélyes környezetekbe. Az ember–robot együttműködésre tervezett robotok nagyon precíz és pontos ismétlődőmozgás-szabályozásuknak köszönhetően rendkívül hatékony folyamatokat tesznek lehetővé. Ideálisak például a gépi forgácsolási folyamatok során az újramegmunkálások szükségességének és a selejt mennyiségének minimálisra csökkentésére.

5. ábra: A KR Agilus a németországi Reutlingeni Egyetem egyik projektjében. Itt a diákok ipari partnerekkel dolgoznak együtt az eldobható műanyag evőeszközök fenntarthatóságot segítő alternatíváinak kifejlesztésén (kép: KUKA Deutschland)

Az ilyen kis méretű és átalakítható segítőrobotok használata a kis- és közepes vállalkozások számára is észszerű, amint azt a gyártó különböző sikertörténetekben dokumentálja [4]. Ezek közé tartozik egy egyetemi projekt, amelynek keretében a németországi Reutlingeni Egyetem hallgatói az eldobható műanyag evőeszközök újrafelhasználható alternatíváit kutatják. Ebben a német Gindele fröccsöntési szakértő cég, valamint a KUKA és rendszerpartnerük, a Robomotion támogatja őket. A fröccsöntés körüli összes anyagmozgatást egy rendkívül rugalmas robotcella végzi, amelynek lelke egy 3D-nyomtatott robotkézzel felszerelt kis méretű Agilus robot.

Az adatlapja szerint a KUKA Agilus KR6 R900-2 hattengelyű robotnak 901 mm a legnagyobb kinyúlása (munkavégzési távolsága) és 6,7 kg a hasznos teherbírása, és az ISO 9283 szabvány szerint ±0,02 mm-es helyzetismétlési pontosságot ér el. Lehetséges felhasználási területei a más gépekkel együttműködve történő anyagmozgatástól kezdve a teszt- és méréstechnikán és a ragasztó- vagy tömítőanyagok felhordásán át az összeszerelésig, a felszedési és elhelyzési műveletekig, a csomagolásig és a csomag-összeállításig (idegen szóval komissiózásig) terjednek. A robot 208 mm × 208 mm alapterületű, körülbelül 54 kg tömegű, IP56/67 védettségű és elektrosztatikuskisülés-védett, valamint padlóra, mennyezetre, falra és szögben történő felszerelésre is alkalmas.

Digitális modellek, anyagok és egyéb jellemzők

Az itt bemutatott megoldásokon túl a mérnökök további optimalizálási lehetőségeket használhatnak ki a fenntarthatóságot segítő anyagoknak, a körforgásos gazdaság technikáinak és a digitalizáció legújabb fejlesztéseinek felhasználásával. A körforgásos gazdaság célja a hulladék és a maradékanyagok elkerülése, valamint minél több nyersanyag, alkatrész és csomagolóanyag újrahasznosítása és újrafelhasználása. Alapelvei döntően járulhatnak hozzá az automatizált üzemeknek a fenntarthatóságot jobban segítő működéséhez.

A digitális iker és a digitális árnyék elgondolás ígéretes módszert jelent az optimalizálási lehetőségek azonosítására, anélkül, hogy valódi gépeken vagy üzemekben, nagy erőforrás-ráfordítással kellene tesztelni. A valós termékek, üzemek vagy folyamatok – és azok életciklusa – átfogó digitális ábrázolásának köszönhetően karbantartási intézkedéseket lehet kezdeményezni, illetve összefüggéseket lehet felállítani a fejlesztés, a gyártás és az értéklánc minden más szakasza között. A mérnökök így részletesen szimulálhatják a valós tárgyak vagy folyamatok viselkedését, működését, funkcióit és minőségét, és javíthatják azok fenntarthatóságot segítő jellemzőit, például a fizikai prototípusok szükségességének kiküszöbölésével.

Összegzés

Az automatizálás a termelékenység és a költségek szempontjából jelentős előnyökkel jár a folyamat- és gyártástechnológia terén. Ez tehát kulcsfontosságú gazdasági tényező. Ezen túlmenően azonban a fejlett automatizálási elgondolások és termékek kulcsfontosságúak az ipari folyamatok fenntarthatóságot segítő jellegének javításában is. Ez a cikk, valamint a kiválasztott példák ízelítőt adnak a sokrétű lehetőségekről a megelőző karbantartástól a modulrendszerű gyárig és az ember–robot együttműködésig.