Systemy autokalibracji maszyn produkcyjnych dla procesów liniowych i gniazdowych

Nowoczesne skomputeryzowane systemy sterowania maszyn produkcyjnych wprowadzają proces automatyzacji na bardzo wysoki poziom. Nowym i mocno rozwijającym się trendem w tym obszarze są systemy autokalibracji maszyn produkcyjnych, które są szczególnie ważne dla procesów liniowych i gniazdowych. W tych procesach wytwarzania nawet niewielkie odchylenia zmiennych procesowych mogą znacząco wpłynąć na jakość finalnego produktu, a w przypadku części kosmetyków nawet spowodować ich uszkodzenia. Dzięki wprowadzeniu tego rodzaju rozwiązań Produkcja produkcyjne czy ciągi technologiczne mogą być kalibrowane automatycznie na podstawie wcześniej określonych i zapisanych w bazie danych parametrów produkcyjnych. Dodatkowym atutem jest czas przezbrojenia Produkcja produkcyjnej. W tym przypadku jego minimalizacja jest ważna ze względu na konieczność częstych przezbrojeń wynikających z produkcji krótkich serii wyrobu, a eliminacja ręcznych interwencji daje gwarancję powtarzalności przy minimalizacji ryzyka wynikającego z pośpiechu. Oczywiście, obecnie prawie każdy system wymaga akceptacji operatora, ale w najbliższym czasie prawdopodobnie to też ulegnie zmianie. W szczególności, że wszelkie procesy liniowe czy gniazdowe wymagają wysokiej jakości procesu produkcji oraz znaczącej elastyczności, a celem nadrzędnym jest duża efektywność, zachowanie jakości i powtarzalności produktów.

Kalibracja Produkcja przez operatora

Minimalizacja udziału operatora w zakresie parametryzacji Produkcja do produkcji jest oczywiście właściwym kierunkiem, jednak należy pamiętać, że kalibracja to proces dostosowania parametrów pracy Produkcja do pożądanych wartości, biorąc pod uwagę jakość surowców, półproduktów czy nawet warunki środowiskowe. W tym przypadku kalibrowanie czy raczej ustawianie Produkcja przez operatora może przynieść wiele korzyści wynikających ze znajomości Produkcja przez operatora. W tym miejscu warto zaznaczyć, iż operator bardzo często zna „swoją” maszynę i jest w stanie w krótkim czasie wykryć możliwe problemy związane z jej pracę. Może on również korygować niektóre parametry w celu dostosowania procesu do zmieniających się właściwości fizycznych surowców, a tym samym osiągnąć lepszą jakość produktu. Dzięki znajomości zachowania się Produkcja operator może utrzymać produktywność na oczekiwanym poziomie, pomimo dynamicznych warunków, a nawet w momencie wystąpienia awarii. Kolejnym czynnikiem, na który warto zwrócić uwagę w procesie automatyzacji jest bezpieczeństwo w miejscu pracy. Operator w trakcie procesu kalibracji może przeoczyć niektóre zagrożenia, ale na pewno jest w stanie przestrzegać zasad bezpieczeństwa, takich jak zabezpieczenie Produkcja (np. elementów ruchomych) przed regulacją ustawień czy wykryć i rozwiązać problemy bezpieczeństwa wynikające np. z poluzowania się śrub mocujących. A te zagadnienia już bezpośrednio wpływają na wydajność, dostępność, efektywność procesu produkcji. Podsumowując, kalibracja Produkcja realizowana przez operatora przynosi też korzyści, do których możemy zaliczyć zwiększenie wydajności produkcji, poprawę jakości produktów, zwiększenie elastyczności produkcji, minimalizację czasu przestoju Produkcja oraz poprawę bezpieczeństwa na miejscu pracy. Kalibracja Produkcja powinna być przeprowadzana regularnie przez operatora, który jest najlepiej zaznajomiony z maszyną i procesem produkcji oraz warunkami środowiskowymi i jakością surowców. Jest stanie podjąć właściwą decyzję biorąc pod uwagę wiele zmiennych czynników, których zmierzenie z użyciem czujników jest bardzo trudne lub kosztowne.

Kalibracja automatyczna

Automatyczna kalibracja czy zmiana nastaw w procesie produkcyjnym minimalizuje czas ich zmiany oraz gwarantuje zachowanie optymalnej jakości produkcji. Dzięki automatyzacji w tym obszarze można uniknąć ludzkich błędów i zminimalizować ryzyko produkcji wadliwych wyrobów. Automatyczny proces regulacji parametrów zezwala na błyskawiczne dostosowanie procesu wytwarzania do zmieniających się warunków a dodatkowo, możliwość rejestracji zachowania się Produkcja, zezwala na szczegółową analizę możliwych zagrożeń, jak i weryfikację procesu produkcyjnego. W tym miejscu warto wspomnieć, że automatyzacja to też rejestracja trendów, dzięki którym możemy śledzić i wprowadzać korekty w procesie nastawiania zmiennych Produkcja czy ciągu technologicznego. W takim układzie automatyczne dostosowanie wartości skraca czas przestoju linii, zwiększa wydajność oraz obniża koszty produkcji. Automatyzacja kalibracji ma również znaczący wpływ na elastyczność produkcji. Dzięki stosowaniu systemów baz danych z wartościami zmiennych procesowych można w sposób dynamiczny dostosować procesy produkcyjne do zmieniających się oczekiwań klienta. W rzeczywistości można osiągnąć optymalną jakość produktu, zachować jego powtarzalność, zminimalizować wpływ surowców na końcowy produkt czy zoptymalizować zużycie mediów, jak gaz, woda czy energia elektryczna. A powyższe są już znaczącym czynnikiem wpływającym bezpośrednio na konkurencyjność. Dodatkowo, należy zaznaczyć, iż ważnym modułem systemów autokalibracji maszyn – w ostatnim okresie – jest ich zdolność do uczenia maszynowego oraz implementacja systemów predykcyjnych. Mając na uwadze to, że maszyna jest w stanie samodzielnie uczyć się oraz regulować wartości nastaw do zmieniających się warunków, można wnioskować, że docelowo maszyna samodzielnie będzie w stanie reagować na zmiany w jakości surowców oraz procesach produkcyjnych i środowiskowych.

Właściwy proces określenia konieczności i zdolności automatycznej kalibracji

Określenie zdolności automatyzacji linii produkcyjnej w zakresie automatyzacji nastaw produkcyjnych rozpoczyna się w momencie, gdy zostanie wprowadzone systemowe planowanie produkcji. Ten mechanizm jest bazowym czynnikiem dla automatyki, a wszelkie kolejne elementy są jego pochodną. Wbrew pozorom, planowanie jest tak proste, jak określenie, czy linia produkcyjna lub stanowisko wytwarzania gniazdowego będzie bardziej wydajne w przypadku projektu stałego, programowalnego czy elastycznego.

W pierwszym kroku należy przeglądnąć konfigurację maszyn/ linii produkcyjnej, a dopiero następnie należy przeprowadzić proces analizy w zakresie węzłów komunikacyjnych, architektury rozwiązania, komponentów IT wraz ze wszelkim sprzętem sensorycznym czy sterującym, oczywiście również w zakresie Internetu rzeczy (IoT).

Pierwotnym czynnikiem jest dobra znajomość procesu produkcyjnego (wiedza operatora jest tutaj kluczowa), jak i wiedza techniczna o maszynie/ linii produkcyjnej – w tym zakresie służby techniczne są nieocenione. Na podstawie powyższych należy zbadać wydajność obecnego układu i wskazać tzw. wąskie gardła występujące nie tylko w zakresie produkcji, ale również przy dostawach komponentów do maszyn czy mediów. Bardzo cenne informacje najczęściej pochodzą od pracowników, którzy są na co dzień na produkcji. To oni mogą dostarczyć wielu innowacyjnych pomysłów na zwiększenie wydajności automatyzacji oraz miejscowe/ modułowe wprowadzenie systemów kalibracji. Mając już przeprowadzone powyższe analizy oraz zdobytą wiedzę o obszarach produkcyjnych, kolejnym krokiem jest rozpoczęcie szczegółowej analizy komponentów/ elementów Produkcja oraz samego procesu produkcyjnego – jego specyfikacji. Uzyskanie optymalizacji i właściwej stopy zwrotu z inwestycji w na tym etapie wiąże się z definicją/ specyfikacją procesu produkcji. Warto na tym etapie odpowiedzieć na poniższe pytania:

• Czy produkty są wytwarzane w jednostkach, partiach, w sposób ciągły lub w przepływie masowym?
• Czy stacje robocze/ gniazda produkcyjne działają synchronicznie czy asynchronicznie?
• Jaka jest metoda dostaw surowców/ półproduktów do gniazd produkcyjnych – jak działa logistyka wewnętrzna?
• Jaka jest łączna liczba potrzebnych stacji roboczych?
• Jaka jest dostępna powierzchnia produkcyjna i czy można relokować jakieś stanowiska produkcyjne – ten warunek dyktuje układ maszyn pomocniczych i podstawowych i logistykę komponentów między nimi — indeksowanie liniowe, obrotowe lub oba?

Po udzieleniu odpowiedzi na te pytania projekt rozwiązania – implementacji automatyki na linii produkcyjnej – zostanie zaliczony do jednej z trzech kategorii:

• automatyzacja klasyczna – zwana stałą lub twardą,
• programowalne procesy automatyzacji,
• elastyczna, parametryzowana automatyzacja.

Stała lub tzw. twarda automatyzacja

Jest to rozwiązanie, w którym stałe urządzenia automatyki przemysłowej produkują codziennie duże ilości tego samego produktu – produkcja seryjna. Proces produkcji to stała sekwencja operacji, która nie wymaga dostosowywania czy dodatkowej parametryzacji, minimalizowany jest proces kalibracji maszyn. Operacje są realizowane przez układ maszyn i przy zużyciu określonych komponentów/ materiałów czy surowców. Podczas produkcji rejestrowane są tylko kluczowe parametry wyrobu gotowego.

Główne zalety rozwiązania:

• Zazwyczaj stały system zarządzania oraz sterowania jest rozwiązaniem o niższych kosztach w porównaniu z układami – systemami programowalnymi i elastycznymi.
• Klasyczna automatyzacja zapewnia lepszą jakość produktu dzięki spójności i zachowaniu pełnej powtarzalności zarówno w zakresie materiałowym, jak i procesowym, a nawet maszynowym.
• Rozwiązanie, w którym są używane urządzenia o powtarzalnym algorytmie działania (niezmiennym procesie produkcyjnym) powodują, że procesy działają ze stałą wysoką prędkością, co znacząco zwiększa tempo produkcji. W przypadku korzystania ze sprzętu stacjonarnego zwrot z inwestycji jest dodatni ze względu na niższy koszt jednostkowy każdej sprzedanej sztuki.
• Implementacja – wdrożenie i uruchomienie tej automatyki jest szybkie i powtarzalne. Utrzymanie i serwis urządzeń nie jest skomplikowany i co najważniejsze występują w układzie powtarzające się czynności konserwacyjne. Bardzo często wszelkie czynności techniczne i operacyjne niezbędne do procesu produkcji są znane już na etapie wdrożenie rozwiązania.

Oprócz wielu zalet rozwiązanie posiada również wady, ponieważ  stała automatyzacja to stały układ Produkcja lub gniazd produkcyjnych, który jest nieelastyczny, więc zmiany projektowe (nawet w przypadku zmiany rodzaju wyrobu gotowego) są kosztowne i czasochłonne. Jakakolwiek przebudowa wymaga większych nakładów pracy, natomiast znaczące oszczędności występują przy odbudowie Produkcja/ ciągu technologicznego w sytuacji zużycia moralnego lub eksploatacyjnego.

Automatyzacja programowalna

Programowalna automatyzacja jest rozwiązaniem dla producenta, który oczekuje konfigurowalnej linii produkcyjnej do realizacji procesów seryjnych. System ten pozwala na rekonfigurację Produkcja lub przeprogramowanie dla różnych specyfikacji produktu, ale również posiada wielopoziomowy system kalibracji procesu wytwarzania – najczęściej poziom techniczny, dostępny dla zespołów inżynieryjnych oraz poziom operatorski dla obsługi Produkcja/ ciągu technologicznego. Komputerowe sterowanie numeryczne z zapewnieniem systemów automatycznego i powtarzalnego procesu parametryzacji (auto setup/ kalibracja) automatyzuje sterowanie maszyną za pomocą oprogramowania i jest przykładem automatyzacji programowalnej.

Zalety systemu:

• Ten system jest elastycznym rozwiązaniem w stosunku do automatyzacji klasycznej. Istnieją w nim procesy przewidujące wprowadzenie pewnych zmiennych czy rekonfiguracje wpływające na zmiany w procesach wytwórczych czy też w zakresie wyrobu końcowego.
• System może obsługiwać wiele procesów produkcyjnych, do realizacji których można wykorzystać podobne Produkcja lub jednostki produkcji etapowej. Można również założyć, iż w niektórych przypadkach poszczególne etapy produkcji mogą być rekonfigurowane. Standardowo takie procesy zmian parametrów odbywają się w pełni automatycznie na podstawie zarejestrowanych parametrów kalibracyjnych w bazie danych.

Niestety zasadniczą wadą jest, iż w przypadku zmiennych produktów – w szczególności przy produkcji niskonakładowej – ponowna rekonfiguracja oprogramowania systemowego i sprzętu będzie czasochłonna lub może wymagać prowadzenia procesów przygotowawczych i kalibracyjnych – często wprowadzania zmian zależnych od siebie. W przypadku urządzeń posiadających znaczące możliwości programowalne, początkowe koszty wdrożenia rozwiązania są wyższe niż w przypadku maszyn ogólnego – dedykowanego – przeznaczenia. Również koszt serwisu i wsparcia technicznego są znacząco złożone i wymagają wykwalifikowanego personelu technicznego jak i doświadczonych pracowników produkcyjnych. Znaczącym kosztem w tym rodzaju automatyzacji są szkolenia będące koniecznością dla skomplikowanych procesów parametryzacji/ kalibracji.

Elastyczna lub miękka automatyzacja

Ewaluacja programowalnej automatyzacji, nowoczesne technologie pozwalają na jeszcze większą elastyczność w prowadzeniu procesów produkcyjnych z uwzględnieniem produkcji niewielkich partii wyrobów i z zachowaniem minimalnej ilości czasu związanego z kalibracją/ wprowadzaniem nowych parametrów procesowych. W przypadku tego rodzaju rozwiązania podstawowymi urządzeniami są rozwiązania z zakresu IIoT (industrial internet of things) oraz wszelkie urządzenia o elastycznej formie pracy / programowania jak coboty, roboty czy inne rodzaje manipulatorów o wielu stopniach swobody i z możliwością zabudowy różnych elementów wykonawczych, np. chwytaki z automatycznym procesem przezbrojenia.

Zalety procesu automatyzacji:

• Małe partie produkcyjne wymagają tylko minimalnego czasu przestoju Produkcja.
• Ciągła produkcja jest udoskonalana przez sekwencyjne dostosowywanie zaprogramowanych zmiennych parametrów kalibracyjnych dla produktu.

Niestety ten system wymaga poniesienia znaczących kosztów w zakresie początkowej inwestycji. Należy do procesu wdrożenia włączyć komponenty, które pozwalają na szybkie zmiany, takie jak roboty, które wymagają w szerszym stopniu układów pomiarowych (IoT) oraz urządzeń PLC – sterowników logicznych, systemów rejestracji, jak i autonomicznych urządzeń wykonawczych – roboty mobilne, układy sieci neuronowych z możliwością uczenia czy też systemy analizy i predykcji zdarzeń.

Dodatkowo, wszelkie kwestie związane z obsługą lub zmianami systemowymi, a nawet parametryzacją wymagają wykorzystania wykwalifikowanych jednostek inżynierskich, w tym nawet do wymiany części zużywających się czy korekty w zakresie programowania i konserwacji.

Wprowadzając automatyzację zawierającą systemy autokalibracji w obszarze produkcji i przy zachowaniu otwartości na innowacyjność i na nowe technologie automatyki (Industrial 4.0) zawsze warto zwrócić uwagę na poprawność zachowania kierunku rozwoju organizacji oraz optymalizacji budżetu inwestycyjnego.

Automatyzacja, w szczególności zachowująca pełną elastyczność nie musi być implementowana w formie „wszystko albo nic”, należy ją realizować etapowo, z zachowaniem otwartych systemów automatyki przemysłowej i ustandaryzowanych interfejsów komunikacyjnych. W szczególności należy położyć duży nacisk na łatwość procesów konfiguracyjnych – kalibracyjnych, które bardzo często muszą być wykonywane codziennie lub przy każdej zmianie zlecenia produkcyjnego. To te procesy mogą powodować, iż dane wdrożenie będzie mniej lub bardziej rentowne. Z pomocą tutaj przychodzi nowa technologia IIoT oraz rozwiązania w formie cyberfizycznych procesów/ platform produkcyjnych i logistycznych. Warto też wspomnieć, iż zrozumienie i chęć wdrożenia koncepcji IIoT nie oznacza w żadnej mierze, że trzeba zaczynać od szerokiej wymiany ciągów technologicznych – aktualizacji parku maszynowego. Zawężenie potrzeb i powolne rozpoczęcie pomoże w zarządzaniu programowaniem i testowaniem. Dodatkowo, etapowe podejście do procesu umożliwi pracownikom przyswojenie i zaakceptowanie nowych technologii produkcji.

Artykuł został opublikowany w kwartalniku "Świat Przemysłu Kosmetycznego" 2/2023