Systemy pomiarowe i układy rejestracyjne wykorzystywane w cyber-fizycznych platformach. Transport wewnętrzny jako zagadnienie w fabryce przyszłości

Dzięki tym nowoczesnym narzędziom łańcuchy dostaw przybrały formę w pełni elastycznych procesów przepływu materiału, bazujących na ogromnej ilości danych pozyskiwanych automatycznie w czasie rzeczywistym z różnych źródeł danych. Poprzednie opracowania w zakresie rozwiązań cyberfizycznych (ostatnie wydania ŚPK) jednoznacznie definiowały platformę cyberfizyczną oraz jej komponenty powiązane ze strefą produkcji, niniejsze opracowanie ma na celu przybliżenie obszarów związanych ze źródłami danych dla procesu transportu wewnętrznego i zewnętrznego. Na początku należy zaznaczyć, że monitorowanie procesu logistycznego w czasie rzeczywistym wymaga niezawodnej sieci sensorów, zintegrowanej z protokołami i aplikacjami oraz procesami. Architektura monitorowania – infrastruktura pomiarowa oraz jakość rejestrowanych danych jest kwestią krytyczną dla platform cyberfizycznych czy układów uczenia maszynowego. Jedynie wysoka jakość danych może zapewnić zwiększenie precyzji i szybkości działania łańcucha dostaw w zakresie automatycznego zarządzania magazynami czy optymalizacji tras dostaw, jak i redukcji ich kosztów. Oprócz odpowiedniego przygotowania urządzeń pomiarowych, należy pamiętać o inwestycji w odpowiednią infrastrukturę IT, obwody systemu komunikacyjnego, bazy danych, oprogramowanie analityczne oraz specjalistyczne szkolenie pracowników, w szczególności służb technicznych odpowiedzialnych za niezawodne działania infrastruktury. Bardzo ważną kwestią jest także obniżenie kosztów związanych z minimalizacją liczby kolizji lub uszkodzeń towarów (a nawet budynków) w trakcie procesu logistycznego. Nadzorowanie transportu wewnętrznego to nie tylko dostawy „Just in time”, ale również bezpieczeństwo, a nawet znaczne zmniejszenie liczby pojazdów transportowych poprzez poprawę efektywności ich wykorzystania. Warto również wspomnieć, że w przypadku produkcji kosmetyków czy leków bardzo często pojawiają się ograniczenia związane z ilością dostępnego miejsca w strefie produkcji, nie wspominając już o rejonach kompletacji i pakowania. Optymalizacja transportu w tych rejonach zakładu zawsze przynosi wymierne korzyści.

Sieć sensorów do nadzoru nad transportem wewnętrznym

Właściwe zarządzanie łańcuchem dostaw wymaga między innymi dokładnego lokalizowania i śledzenia w czasie rzeczywistym wózków czy innych urządzeń transportowych, a także przewożonych ładunków. Jest to możliwe między innymi dzięki systemom RTLS (ang. Real Time Localisation System), które umożliwiają namierzanie i monitorowanie przepływu produktów i półproduktów na wszystkich etapach produkcji, obróbki, magazynowania i często też częściowo dystrybucji. Zewnętrzny transport może być obecnie monitorowany za pomocą systemów GPS (ang. Global Positioning Systems), które oferują pewne możliwości RTLS. Jednak sygnały GPS nie przenikają przez większości materiałów budowlanych, co uniemożliwia dostęp do lokalizacji pojazdów czy obiektów znajdujących się wewnątrz hal produkcyjnych. Zamiast tego stosuje się systemy pozycjonowania wewnątrz budynków IPS (ang. Indoor Positioning Systems), które udostępniają szereg rozwiązań opartych na lokalizacji w tym RTLS.

Technologie cyfrowego śledzenia obejmują algorytmy, które obliczają pozycję pojazdów za pomocą danych pochodzących z punktów odniesienia (nazywanych również kotwicami lokalizacyjnymi), które wykrywają sygnały z markerów zamontowanych na poruszających się obiektach. Algorytmy te różnią się jakością i dokładnością wykrywania położenia oraz częstotliwością aktualizacji lokalizacji. Ponadto każda technologia wymusza wprowadzenie dedykowanych metod analizy wyników, co może wiązać się z większymi kosztami. Poniżej przedstawiona jest krótka charakterystyka wybranych technologii radiowych. Istotnym atutem przedstawionych rozwiązań jest możliwość wykorzystania najnowocześniejszych technologii lokalizacyjnych opracowanych na bazie triangulacji radiowej. Zarówno UWB, WiFi czy BLE może bazować na właściwych pomiarach, odpowiednich zapisach czy algorytmach definiujących właściwe położenie obiektu. Inne technologie, takie jak kody kreskowe, zostały pominięte z powodu konkretnych ograniczeń lub potrzeby instalacji drogiej infrastruktury.

Wybrane technologie radiowe

• RFID (tagi RFID) – jedna ze starszych technologii opartych o specjalizowane tagi (znaczniki) rfid będące pasywnymi lub aktywnymi urządzeniami, które są montowane na obiektach śledzonych. W przypadku tagów pasywnych, położenie obiektu jest określane na podstawie jego „odczytu” przez punkty kontrolne – głowice – anteny – czytniki rfid. Każdy czytnik jest zainstalowany na stałe w określonej strefie, a jego antena emituje falę radiową wzbudzającą pasywne tagi. Dla znaczników pasywnych posiadających zintegrowany mikrochip z anteną, emitowana fala radiowa jest generatorem impulsu elektrycznego zasilającego chip. Po wzbudzeniu, znacznik wysyła informację o swoim numerze, na podstawie którego identyfikowany jest konkretny obiekt. Do aplikacji lokalizacyjnej przesyłany jest numer czytnika oraz numer odczytanego znacznika. System wymaga instalacji wielu punktów odczytu w szczególności w środowisku przemysłowym, gdzie znajduje się dużo urządzeń zakłócających pracę systemu. Tag aktywny natomiast zezwala na śledzenie obiektów w szerszym spektrum zasięgu, jednak wymaga źródła zasilania o określonej wydajności. Takie rozwiązanie wiąże się z potrzebą częstego serwisu znaczników. Z tego też względu stosowane są raczej rozwiązania pasywne w zakresie rejestracji pojazdów, pojemników, produktów, palet w danej strefie lub ich przejazdu przez określone miejsce – np.: bramy.​
•  
• UWB – nowoczesna technologia – ultraszerokopasmowych sygnałów radiowych – umożliwiająca bardzo dokładną lokalizację – do kilku centymetrów, pod warunkiem, że tag jest „widziany” przez kilka odbiorników jednocześnie. Większa dokładność lokalizacji jest możliwa dzięki rejestracji dwóch podstawowych informacji: kąta propagacji sygnału (AoA – Angle of Arrival) oraz różnic czasowych propagacji sygnału (TDoA – Time-Difference-of-Arrival). Rozwiązanie to, ze względu na znaczącą przepustowość interfejsu komunikacyjnego, wykazuje dużą odporność na zakłócenia wynikające z jednoczesnej pracy wielu znaczników. Ograniczeniami tej technologii jest poprawność pracy w otwartych pomieszczeniach oraz praca taga radiowego na baterii, która się zużywa w ciągu kilku dni lub nawet godzin. Alternatywą jest zasilanie znacznika ze stałych źródeł prądu – akumulator pojazdu. Obecnie ta technologia jest dość kosztowna – tagi radiowe są drogie i wymagają częstej obsługi ze względu na szybkie zużycie baterii. Kolejnym zastrzeżeniem jest praca szerokopasmowa systemu, która może generować dużo zaburzeń pola elektromagnetycznego, w szczególności w środowisku produkcyjnym, w którym będą pojawiać się zjawiska odbicia fali radiowej.
•  
• WiFi – technologia oparta o wykorzystanie parametru sygnału RSSI (ang. Received Signal Strength Indication) do lokalizacji obiektów w oparciu o sieć radiową zbudowaną w standardzie 802.11. Niestety, w celu poprawnej lokalizacji, wymagana jest odpowiednio duża liczba punktów dostępowych (ang. Access Point, AP) oraz bardzo dokładne określenie położenia każdego punktu AP. Zastosowana technika pomiarowa w znaczący sposób dyskwalifikuje tę technologię do określania położenia obiektów poruszających się. W szczególności, obszar hali produkcyjnej jest problemem ze względu na to, iż część stref jest otwartych, a w części stref są znaczące zakłócenia czy przeszkody – występuje tutaj zjawisko tłumienia oraz odbicia fali radiowej. W takim przypadku poprawne wyliczenie położenia obiektu jest bardzo trudne i mogą się pojawić duże przekłamania w określeniu pozycji obiektu. Najczęściej tego rodzaju rozwiązania stosuje się w budynkach, gdzie wydzielone strefy posiadają punkty dostępowe, a określenie położenia sprowadza się do definicji strefy. Dużą zaletą tego rozwiązania jest to, że w procesie lokalizacji (w przypadku gdy strefowa dokładność położenia jest wystarczająca) można wykorzystać istniejącą sieć radiową, dzięki czemu można znacząco obniżyć koszty instalacji.
•  
• BLE – najnowsza technologia radiowa oparta o rozwiązania Bluetooth Low Energy. Budowa rozwiązania gwarantuje odczyt lokalizacji obiektu z dokładnością do 2 – 3 metrów. Nowa specyfikacja standardu BT5.1 definiuje rozwiązanie, gdzie dokładność lokalizacji jest poniżej 1 metra pod warunkiem „widzenia” się nadajnika i kilku odbiorników – większa liczba widocznych odbiorników zwiększa dokładność lokalizacji. Rozwiązanie to opiera się o podobną zasadę działania jak UWB (AoA oraz TDoA). Komponenty systemu są tanie, a zasilanie bateryjne tagów wystarcza na kilka lat ciągłego użytkowania. Rozwiązanie dobrze spisuje się w większości środowisk, nie mają znaczenia przeszkody czy obecność ludzi. Oczywiście występuje zjawisko tłumienia i odbicia, ale ze względu na charakterystykę emitowanego przez tag sygnału nie obniża to jakości odczytu. Dodatkowo, ze względu na wysoką przepustowość kanałów komunikacyjnych, ta technologia pozwala na umieszczenie dodatkowych czujników wewnątrz taga (temperatura, wilgotność, światło, inne), dzięki którym może być tworzona mapa środowiskowa zakładu w celu ich użycia w systemie BMS (ang. Bulding Management Systems).

Każda z przedstawionych technologii wymaga instalacji specjalnych anten, sieci o odpowiedniej wydajności oraz opracowania specjalistycznych algorytmów, dzięki którym można rejestrować określone parametry (wyjątkiem jest technologia RFID): AoA oraz TDoA (ewentualnie RSSI dla wersji WiFi). Na podstawie pozyskanych wartości, system RTLS określa położenie obiektów z wykorzystaniem metody triangulacji.

Dobór rozwiązania w danym zakładzie produkcyjnym – procesie logistycznym – najlepiej określić na podstawie metody doboru, np.: STEM-DPR (aSTEp Method for Discrete Decision Making Problems under Risk). Badania z wykorzystaniem metody STEM-DPR w warunkach przemysłowych pokazują, iż technologia BLE jest odpowiednia dla potrzeb nowoczesnej platformy cyberfizycznej. Technologia BLE zapewnia zadowalającą precyzję w określaniu lokalizacji pojazdów przy zachowaniu minimalnego ryzyka związanego z kosztami inwestycyjnymi oraz częstotliwością koniecznych przeglądów technicznych. Dodatkowym czynnikiem wskazującym, że technologia BLE jest właściwym rozwiązaniem dla systemów analizy danych jest możliwość ciągłego rozwoju systemu nie tylko w zakresie samej technologii czy algorytmów, ale również ze względu na liczbę nadzorowanych obiektów. Technologia ta jest coraz częściej wykorzystywana w mobilnych układach pomiarowych w zakresie czujników drgań, temperatury, wilgotności czy poziomu doświetlenia hali. Mając na uwadze, że mobilne moduły pomiarowe mogą również posiadać dodatkowe czujniki – przedstawione powyżej – można je również wykorzystać jako uzupełniające systemy pomiarowe w zakresie drgań (akcelerator trójosiowy) czy pomiarów warunków środowiskowych w zakładzie produkcyjnym – co jest szczególnie ważne w przypadku firm produkujących kosmetyki czy farmaceutyki.

Informacje i dane dodatkowe

Rozwiązanie oparte na BLE oraz zastosowanie wyposażenia uzupełniającego w formie dodatkowych czujników pozwoli na uzyskanie kolejnych funkcjonalności takich jak:

● Rejestracja warunków środowiskowych na terenie zakładu dla systemu BMS oraz rejestracja drgań pojazdu. Takie dualne podejście pozwala na określenie czy pojazd się porusza, a przy definicji progowych wartości przeciążenia można nawet stwierdzić czy pojazd nie miał kolizji. Natomiast dane zebrane podczas postoju mogą posłużyć do stworzenia mapy temperaturowo-wilgotnościowej danej strefy (dłuższe postoje pozwalają dokładniej określić temperaturę w pobliżu miejsca postoju). To rozwiązanie ze względu na swoją prostotę i niski koszt wdrożenia bardzo dobrze sprawdza się w transporcie, między innymi do nadzorowania jego warunków np.: czy wózek widłowy z produktami nie był narażony na działanie czynników zewnętrznych – światło słoneczne, mróz, itp.

● Optymalizacja pracy pojazdów – rejestracja przeciążeń występujących podczas transportu materiałów pozwala określić wykorzystanie poszczególnych pojazdów, a w konsekwencji poprawić efektywność floty. Można zidentyfikować najbardziej i najmniej wydajne procesy realizowane przez pojazdy i na tej podstawie opracować algorytmy optymalizujące trasy. Już samo określenie stopnia użycia wózków oraz rejestracja ich tras może generować oszczędności poprzez ograniczenie floty do niezbędnego minimum czy wskazanie miejsc kolizyjnych lub obszarów o zbyt dużym natężeniu ruchu.

Pomoc w zarządzaniu warunkami środowiskowymi podczas produkcji kosmetyków i leków

Wprowadzenie do platformy cyberfizycznej modułu – systemu zarządzania warunkami środowiskowymi w hali – zezwala na optymalizację pracy innych układów, takich jak system grzewczy czy klimatyzacja. Optymalne warunki produkcji są kluczowe nie tylko w procesie produkcji kosmetyków, ale również podczas ich pakowania czy znakowania. Przykładowo, gdy wilgotność powietrza jest zbyt niska, produkty mogą uwalniać wilgoć do otoczenia, co w konsekwencji może prowadzić do obniżenia ich jakości. Także stosowany do pakowania papier może zbierać ładunek elektrostatyczny, co może powodować zaburzenie pracy kartoniarek czy maszyn „insertujących” instrukcje obsługi.

Bardzo często, ze względu na koszty, nie są implementowane klasyczne systemy zarządzania warunkami środowiskowymi. Dzięki użyciu mobilnych układów pomiarowych pracujących w technologii BLE można stworzyć model cyfrowy zakładu z właściwym ujęciem określonych stref, kluczowych w produkcji wyrobów, a wykorzystanie mobilności rozwiązania zezwala na przenoszenie układów pomiarowych w różne / szczególne strefy.

Platforma cyberfizyczna – rejestracja zmiennych procesowych jest kluczowa

Przy obecnej (dużej) wydajności maszyn produkcyjnych, tylko automatyczne monitorowanie pracy maszyn i ciągła rejestracja parametrów surowców i mediów może zagwarantować prawidłowy przebieg produkcji. Jednak właściwe cyfrowe mapowanie procesów technologicznych, jest możliwe tylko wtedy, gdy na platformie odpowiednio zdefiniowane zostaną parametry, które należy odczytywać i rejestrować podczas procesu wytwórczego. Główne obszary, które podlegają rejestracji i analizie, to:

• Linia technologiczna – konkretne sekcje i moduły Produkcja produkcyjnej. Wibracje elementów Produkcja, prędkość liniowa lub prędkość obrotowa układu napędowego mogą być wykorzystane jako dane wejściowe dla metod uczenia maszynowego, aby dostosować parametry technologiczne do najlepszego przeprowadzenia procesu produkcyjnego. Warto także rejestrować wszystkie przerwy w pracy i awarie wraz z ich przyczynami, jak i przeprowadzone prace konserwacyjne oraz ich wynik. Kluczowa jest także klasyfikacja przyczyny postoju Produkcja – np. awaria, kalibracja, mikrostop – oraz, o ile to możliwe, podanie szczegółowej definicji danego zatrzymania. Dzięki temu można opracować odpowiednią strategię pracy maszyn produkcyjnych, można prognozować zużycie maszyn. Przewidywanie koniecznych usług i planowanie możliwych przestojów jest nieodzowną częścią nowoczesnych systemów CBM (ang. Conditioned – Based Maintenance – warunkowa konserwacja maszyn). W przeciwieństwie do TBM (ang. Time-Based Maintenance), gdzie kontrole i usługi są przeprowadzane na podstawie wcześniej zaplanowanych interwałów czasowych, CBM jest przeprowadzane po zauważeniu pogorszenia stanu Produkcja lub pojedynczych urządzeń. To rozwiązanie przedłuża czas między usługami i w niektórych przypadkach zmniejsza ryzyko awarii. Wszystkie opisane mechanizmy rejestracji, analizy i diagnostyki wykorzystują wszelkie technologie IIoT.

• Hala produkcyjna – warunki środowiskowe (temperatura, kurz, wilgotność, lotne związki chemiczne) są tak samo ważne dla procesu produkcyjnego, jak same parametry procesu. Szczególnie ważne jest pylenie, które może wynikać z jakości stosowanych opakowań – papier, tworzywo sztuczne, winyl, a także z prędkości produkcji, szorstkości elementów ślizgowych. Niezależnie od przyczyny, zwykle niekorzystnie wpływa ono na jakość produktu (zanieczyszczenie). W szczególnych przypadkach zbyt duże pylenie, czy uwalnianie się lotnych związków chemicznych, może powodować zagrożenie pożarowe lub problemy z działaniem niektórych urządzeń linii technologicznej.
• Materiały surowe – poprawne parametry surowców gwarantują powtarzalność procesu produkcyjnego i odpowiednią jakość wyrobów gotowych.
• Źródła energii – źródła energii o określonych parametrach zapewniają ciągłe dostarczanie energii do procesu produkcyjnego. Modelowanie cyfrowe maszyn produkcyjnych i procesów produkcyjnych pokazuje, że jakość dostarczanego medium jest bardzo ważna dla efektywności produkcji i jakości gotowych produktów. Opracowanie odpowiednich algorytmów jest kluczem do optymalizacji ilości zużywanego medium w zależności od rodzaju produkowanego produktu i warunków zewnętrznych.

Opracowanie cyfrowych modeli maszyn linii produkcyjnej wraz z mechanizmem rejestracji powyższych parametrów pozwoli na wskazanie możliwości zarówno odzysku energii, jak i zmniejszenie jej zużycia. Oczekuje się również, że proces cyfryzacji zredukuje czas kalibracji Produkcja produkcyjnej (proces wprowadzania parametrów i nastaw) poprzez wcześniejsze zdefiniowanie współczynników produkcji (autosetup). Z kolei automatyczny model raportowania usterek i mechanizm przeglądu zapobiegawczego powinny poprawić efektywność i poziom wykorzystania linii produkcyjnej oraz zminimalizować zużycie usług komunalnych i surowców.

Klucz do sukcesu – intralogistyka

Wracając do wewnętrznych procesów logistycznych, również modele cyfrowe ciągów technologicznych mają zasadnicze znaczenie dla zwiększenia efektywności procesów produkcyjnych. Dzięki nim można odpowiednio i z wyprzedzeniem planować zlecenia transportowe, jak i optymalizować bufory przyprodukcyjne. Dodatkowo, wprowadzając do procesu autonomiczne roboty lub pojazdy, które są zdolne do przemieszczania się i wykonywania zadań samodzielnie (bez udziału człowieka), można uzyskać znaczącą poprawę tych procesów oraz ich całodobową obsługę. Należy mieć na uwadze, iż właściwe zarządzanie transportem wewnętrznym za pomocą algorytmów sztucznej inteligencji pozwala na optymalizację trasy i czasu przemieszczenia produktów (szczególnie, gdy wózki pracują w systemie flotowym – a nawet jako układ hybrydowy). To z kolei prowadzi do zwiększenia wydajności procesów produkcyjnych. Właściwe opracowanie platformy cyberfizycznej powinno swoimi algorytmami oraz systemami gromadzenia danych, obejmować klasyczne urządzenia transportu wewnętrznego, takie jak transportery, taśmy, regały automatyczne, wózki widłowe czy AGV (ang. Automatic Guided Vehicles). Każde z tych urządzeń jest w stanie zwiększyć efektywność transportu wewnętrznego, ale wymaga odpowiedniego zaprogramowania i integracji z systemem zarządzania intra-logistyką.

Podsumowując, transport wewnętrzny w systemach cyberfizycznych stanowi kluczowy element procesu produkcyjnego i logistycznego. Pozwala na zwiększenie wydajności, poprawę bezpieczeństwa, a także oszczędność kosztów w zakładach produkcyjnych i centrach logistycznych. Mając również na uwadze, że transportowane produkty mogą wymagać specjalnych warunków środowiskowych, transport wewnętrzny w systemach cyberfizycznych będzie także gwarantem jakości surowców, półproduktów czy wyrobów gotowych.

Artykuł został opublikowany w kwartalniku "Świat Przemysłu Kosmetycznego" 1/2023