Τι είναι ένα Automation System βιομηχανικού αυτοματισμού;

Όταν μια γραμμή σταματά, το ζήτημα σπάνια είναι θεωρητικό. Συνήθως είναι άμεσο: ποια συσκευή απέτυχε, τι ελέγχει τη διαδικασία και πόσο γρήγορα μπορεί να επανέλθει η παραγωγή σε λειτουργία; Αυτό είναι το πραγματικό πλαίσιο πίσω από την ερώτηση τι είναι ένα βιομηχανικό σύστημα αυτοματισμού. Δεν είναι απλώς ένας όρος για τα σύγχρονα εργοστάσια. Είναι ο συνδεδεμένος εξοπλισμός και η λογική ελέγχου που λειτουργούν τις μηχανές, μετακινούν υλικά, παρακολουθούν τις συνθήκες και διατηρούν σταθερή την παραγωγή με λιγότερη χειροκίνητη παρέμβαση.

Τι είναι ένα βιομηχανικό σύστημα αυτοματισμού στην πράξη;

Ένα βιομηχανικό σύστημα αυτοματισμού είναι ένα συντονισμένο σύνολο εξαρτημάτων ελέγχου, λογισμικού, αισθητήρων, ενεργοποιητών, συσκευών ισχύος και διεπαφών χειριστή που χρησιμοποιούνται για την αυτοματοποίηση βιομηχανικών διαδικασιών. Με απλά λόγια, λέει στον εξοπλισμό τι να κάνει, ελέγχει αν το έκανε και προσαρμόζει την απόδοσή του με βάση τις συνθήκες σε πραγματικό χρόνο.

Σε μια εγκατάσταση που λειτουργεί, το σύστημα μπορεί να ελέγχει έναν μεταφορικό ιμάντα, μια μηχανή συσκευασίας, ένα συγκρότημα αντλιών, ένα ρομποτικό κελί, μια διαδικασία ανάμιξης ή μια ολόκληρη γραμμή παραγωγής. Συχνά περιλαμβάνει PLC, HMI, ρυθμιστές στροφών, αισθητήρες, ρελέ, επαφείς, τροφοδοτικά, εξοπλισμό βιομηχανικής δικτύωσης, κινητήρες, βαλβίδες και συσκευές ασφαλείας. Κάθε εξάρτημα έχει τον δικό του ρόλο, όμως η αξία προκύπτει από τον τρόπο με τον οποίο όλα αυτά τα μέρη συνεργάζονται.

Γι’ αυτό ο βιομηχανικός αυτοματισμός αφορά λιγότερο ένα μεμονωμένο προϊόν και περισσότερο την αρχιτεκτονική ελέγχου πίσω από τη διαδικασία. Αν ένας αισθητήρας ανιχνεύσει την παρουσία προϊόντος, το PLC χρησιμοποιεί αυτή την είσοδο για να ενεργοποιήσει έναν εκκινητή κινητήρα, να μετακινήσει έναν πνευματικό κύλινδρο ή να ενημερώσει μια οθόνη HMI. Το σύστημα αυτοματισμού επιτρέπει να λαμβάνονται αυτές οι αποφάσεις με επαναλαμβανόμενο και σταθερό τρόπο.

Τα βασικά μέρη ενός βιομηχανικού συστήματος αυτοματισμού

Τα περισσότερα συστήματα βασίζονται σε έναν ελεγκτή. Στη διακριτή παραγωγή, αυτός ο ελεγκτής είναι συχνά ένα PLC. Σε περιβάλλοντα διεργασιών, μπορεί να αποτελεί μέρος ενός DCS ή να είναι συνδεδεμένος με μια πλατφόρμα SCADA. Ο ελεγκτής λαμβάνει εισόδους από συσκευές πεδίου, εκτελεί την προγραμματισμένη λογική και στέλνει εξόδους στον εξοπλισμό πεδίου.

Οι αισθητήρες παρέχουν τις εισόδους. Σε αυτούς μπορεί να περιλαμβάνονται φωτοηλεκτρικοί αισθητήρες, διακόπτες εγγύτητας, μεταδότες πίεσης, τερματικοί διακόπτες, κωδικοποιητές, θερμοζεύγη και παροχόμετρα. Ενημερώνουν το σύστημα για όσα συμβαίνουν στο επίπεδο της μηχανής ή της διεργασίας.

Οι έξοδοι μετατρέπουν τη λογική σε δράση. Αυτό μπορεί να σημαίνει την ενεργοποίηση ενός ρελέ, την εκκίνηση ενός κινητήρα, το άνοιγμα μιας βαλβίδας, την κίνηση ενός σερβοκινητήρα ή την αλλαγή της ταχύτητας μιας αντλίας μέσω ενός VFD. Το σύστημα είναι χρήσιμο μόνο στον βαθμό που μπορεί να επηρεάζει τη διαδικασία και όχι απλώς να την παρατηρεί.

Οι διεπαφές χειριστή βρίσκονται ανάμεσα στους ανθρώπους και τις μηχανές. Τα HMI παρέχουν στους τεχνικούς και τους χειριστές έναν τρόπο να βλέπουν συναγερμούς, να αλλάζουν σημεία ρύθμισης, να εκκινούν ή να σταματούν εξοπλισμό και να διαγιγνώσκουν βλάβες. Σε μεγαλύτερες εγκαταστάσεις, το λογισμικό SCADA μπορεί να παρέχει εποπτεία σε επίπεδο εργοστασίου, ιστορικές τάσεις και απομακρυσμένη παρακολούθηση.

Η ισχύς και η επικοινωνία είναι εξίσου σημαντικές με τη λογική ελέγχου. Τα τροφοδοτικά, η προστασία κυκλωμάτων, ο ηλεκτρολογικός εξοπλισμός, οι μεταγωγείς δικτύου, οι μονάδες Industrial Ethernet και οι κάρτες επικοινωνίας διατηρούν τις συσκευές τροφοδοτούμενες και συνδεδεμένες. Όταν αυτά τα υποστηρικτικά εξαρτήματα παρουσιάζουν βλάβη, ολόκληρο το σύστημα αυτοματισμού μπορεί να γίνει ασταθές, ακόμη και αν ο κύριος ελεγκτής εξακολουθεί να λειτουργεί.

Πώς λειτουργεί πραγματικά ένα σύστημα αυτοματισμού

Μια τυπική ακολουθία αυτοματισμού ακολουθεί ένα απλό μοτίβο: ανίχνευση, απόφαση, ενέργεια, επαλήθευση. Ένας αισθητήρας ανιχνεύει μια συνθήκη, ο ελεγκτής αξιολογεί αυτή τη συνθήκη σε σχέση με την προγραμματισμένη λογική, μια συσκευή εξόδου ανταποκρίνεται και μια άλλη είσοδος επιβεβαιώνει ότι η ενέργεια πραγματοποιήθηκε όπως αναμενόταν.

Ας πάρουμε το βασικό παράδειγμα ενός μεταφορικού ιμάντα. Ένα φωτοκύτταρο ανιχνεύει ότι ένα χαρτοκιβώτιο εισέρχεται σε μια ζώνη. Το PLC ελέγχει αν η επόμενη ζώνη είναι ελεύθερη. Αν είναι, ο ρυθμιστής παραμένει ενεργός και το χαρτοκιβώτιο προχωρά. Αν η επόμενη ζώνη είναι μπλοκαρισμένη, το PLC σταματά τον κινητήρα και περιμένει. Ένα HMI μπορεί να εμφανίζει την κατάσταση, ενώ μια φωτεινή στήλη ειδοποιεί τον χειριστή αν ο μεταφορικός ιμάντας παραμείνει μπλοκαρισμένος για υπερβολικά μεγάλο διάστημα.

Η ίδια δομή επεκτείνεται σε μεγαλύτερη κλίμακα. Σε ένα ρομποτικό κελί, το σύστημα μπορεί να συντονίζει αλληλασφαλίσεις ασφαλείας, την κίνηση του ρομπότ, την παρουσία εξαρτημάτων, την υπολογιστική όραση και τα εργαλεία άκρου βραχίονα. Σε ένα εργοστάσιο διεργασιών, μπορεί να διαχειρίζεται την πίεση, τη θερμοκρασία και την παροχή σε πολλούς βρόχους. Η βασική αρχή παραμένει ίδια: οι είσοδοι τροφοδοτούν τη λογική, η λογική οδηγεί τις εξόδους και η ανάδραση διατηρεί τη διαδικασία υπό έλεγχο.

Κύριοι τύποι βιομηχανικών συστημάτων αυτοματισμού

Δεν χρειάζεται κάθε λειτουργία το ίδιο επίπεδο ελέγχου. Το κατάλληλο σύστημα εξαρτάται από τη διαδικασία, τον όγκο παραγωγής, τη συχνότητα αλλαγών, τις απαιτήσεις ασφαλείας και τον προϋπολογισμό.

Ο σταθερός αυτοματισμός έχει σχεδιαστεί για παραγωγή μεγάλου όγκου και επαναλαμβανόμενες διαδικασίες. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι οι ειδικές γραμμές όπου η διαδικασία σπάνια αλλάζει. Προσφέρει ταχύτητα και σταθερότητα, αλλά είναι λιγότερο ευέλικτος όταν αλλάζουν οι απαιτήσεις του προϊόντος.

Ο προγραμματιζόμενος αυτοματισμός είναι συνηθισμένος στην παραγωγή κατά παρτίδες ή σε εξοπλισμό που πρέπει να διαχειρίζεται πολλαπλές συνταγές ή ακολουθίες. Τα συστήματα που βασίζονται σε PLC εντάσσονται σε αυτή την κατηγορία. Μπορούν να επαναπρογραμματιστούν, όμως οι αλλαγές εξακολουθούν να απαιτούν χρόνο μηχανικής και δοκιμές.

Ο ευέλικτος αυτοματισμός υποστηρίζει συχνότερες αλλαγές προϊόντων με μικρότερο χρόνο διακοπής μεταξύ των παραγωγικών κύκλων. Παρατηρείται συχνά σε προηγμένα περιβάλλοντα παραγωγής που χρησιμοποιούν ρομποτική, ολοκληρωμένο έλεγχο κίνησης και παραγωγή βάσει συνταγών.

Ο ολοκληρωμένος αυτοματισμός συνδέει μεταξύ τους πολλαπλές μηχανές και υποσυστήματα. Αντί για ένα απομονωμένο κελί μηχανής, το εργοστάσιο λειτουργεί ως ένα συνδεδεμένο περιβάλλον όπου δεδομένα, έλεγχος και πληροφορίες κατάστασης μετακινούνται μεταξύ γραμμών, τμημάτων ή εγκαταστάσεων.

Για πολλές εγκαταστάσεις, το σύστημα δεν ανήκει αποκλειστικά σε έναν τύπο. Τα παλαιότερα εργοστάσια συχνά λειτουργούν με συνδυασμό παλαιών PLC, νεότερων ρυθμιστών, αυτόνομων HMI, ενσύρματων ελέγχων και μερικής δικτυακής ολοκλήρωσης. Αυτό είναι φυσιολογικό. Ο αυτοματισμός στον πραγματικό κόσμο συχνά δημιουργείται σε επίπεδα με την πάροδο του χρόνου.

Γιατί ο βιομηχανικός αυτοματισμός έχει σημασία στο εργοστάσιο

Το πιο προφανές όφελος είναι η σταθερότητα. Τα αυτοματοποιημένα συστήματα εκτελούν επανειλημμένα την ίδια λογική χωρίς να βασίζονται σε χειροκίνητο χρονισμό, μνήμη ή κρίση για κάθε κύκλο. Αυτό βοηθά στη μείωση των διακυμάνσεων στην ποιότητα, την απόδοση και τη λειτουργία των μηχανών.

Ο αυτοματισμός βελτιώνει επίσης την παραγωγικότητα όταν εφαρμόζεται σωστά. Οι μηχανές μπορούν να εκτελούν κύκλους ταχύτερα, να συντονίζονται καλύτερα μεταξύ των σταθμών και να λειτουργούν με λιγότερες διακοπές που προκαλούνται από χειροκίνητο χειρισμό. Αυτό δεν σημαίνει ότι κάθε διαδικασία πρέπει να αυτοματοποιηθεί πλήρως. Σε ορισμένες λειτουργίες, η πρόσθετη πολυπλοκότητα δεν αξίζει το όφελος. Όμως όπου έχουν σημασία ο χρόνος κύκλου, η επαναληψιμότητα και οι περιορισμοί εργατικού δυναμικού, ο αυτοματισμός συνήθως αποσβένεται.

Η ασφάλεια είναι ένας ακόμη σημαντικός λόγος για τον οποίο οι εγκαταστάσεις επενδύουν στον αυτοματισμό. Τα ρελέ ασφαλείας, οι αλληλασφαλίσεις, τα φωτοκύτταρα ασφαλείας, τα κυκλώματα διακοπής έκτακτης ανάγκης και τα επιτηρούμενα συστήματα ελέγχου μειώνουν την έκθεση σε επικίνδυνες κινήσεις και μη ασφαλείς συνθήκες. Ο καλός αυτοματισμός δεν αντικαθιστά τις διαδικασίες ασφαλείας, αλλά μπορεί να δυσκολεύει την εκτέλεση μη ασφαλών ενεργειών.

Έπειτα υπάρχει η διαθεσιμότητα. Ένα καλά συντηρημένο σύστημα αυτοματισμού επιταχύνει την αντιμετώπιση προβλημάτων, επειδή οι βλάβες μπορούν να απομονωθούν σε συγκεκριμένες συσκευές, σήματα ή σημεία επικοινωνίας. Οι κωδικοί βλάβης, το ιστορικό συναγερμών και οι ενδείξεις κατάστασης βοηθούν τις ομάδες συντήρησης να εντοπίσουν αν το πρόβλημα αφορά ένα χαλασμένο τροφοδοτικό, έναν κατεστραμμένο αισθητήρα, μια βλάβη HMI ή ένα πρόβλημα I/O.

Πού δημιουργούν προβλήματα τα συστήματα αυτοματισμού

Ο βιομηχανικός αυτοματισμός δεν είναι αυτομάτως αποδοτικός μόνο και μόνο επειδή είναι αυτοματοποιημένος. Συστήματα με ανεπαρκή τεκμηρίωση, παρωχημένα συστήματα ελέγχου, μη υποστηριζόμενο λογισμικό και μη διαθέσιμα ανταλλακτικά δημιουργούν σοβαρό κίνδυνο για τη συντήρηση.

Αυτή είναι μια συνηθισμένη πρόκληση σε εγκαταστάσεις που λειτουργούν με παλαιωμένο εξοπλισμό. Μια μηχανή μπορεί να είναι ακόμη μηχανικά αξιόπιστη, αλλά αν το εγκατεστημένο PLC, ο ρυθμιστής, ο ενισχυτής σερβοκινητήρα ή το HMI έχει καταργηθεί, ακόμη και μια μικρή βλάβη μπορεί να οδηγήσει σε παρατεταμένο χρόνο διακοπής. Σε αυτές τις περιπτώσεις, το ερώτημα δεν είναι αν ο αυτοματισμός είναι χρήσιμος. Το ερώτημα είναι αν το εργοστάσιο μπορεί ακόμη να υποστηρίξει την εγκατεστημένη πλατφόρμα αυτοματισμού.

Υπάρχει επίσης ένας συμβιβασμός μεταξύ προηγμένων δυνατοτήτων και ευκολίας συντήρησης. Τα ιδιαίτερα ολοκληρωμένα συστήματα μπορούν να προσφέρουν περισσότερο έλεγχο και περισσότερα δεδομένα, αλλά μπορεί να είναι δυσκολότερη η αντιμετώπιση προβλημάτων χωρίς το κατάλληλο προσωπικό, την τεκμηρίωση και το απόθεμα ανταλλακτικών. Ένας απλούστερος ενσύρματος πίνακας ελέγχου μπορεί να είναι λιγότερο αποδοτικός, αλλά ευκολότερο να διατηρηθεί σε λειτουργία σε ορισμένα περιβάλλοντα.

Γι’ αυτό έχει σημασία ο σχεδιασμός για ολόκληρο τον κύκλο ζωής. Οι εγκαταστάσεις πρέπει να γνωρίζουν ποια εξαρτήματα είναι κρίσιμα, ποια έχουν καταργηθεί, τι μπορεί να επισκευαστεί και τι πρέπει να υπάρχει σε απόθεμα. Για τις ομάδες συντήρησης και τους αγοραστές, το σύστημα αυτοματισμού είναι τόσο αξιόπιστο όσο η αλυσίδα προμήθειας ανταλλακτικών που το υποστηρίζει.

Τι πρέπει να εξετάζουν οι αγοραστές και οι ομάδες συντήρησης

Αν αξιολογείτε ένα υφιστάμενο βιομηχανικό σύστημα αυτοματισμού, ξεκινήστε με τον εγκατεστημένο εξοπλισμό. Καταγράψτε την οικογένεια PLC, το μοντέλο HMI, τους τύπους ρυθμιστών, τις μονάδες I/O, τις κάρτες επικοινωνίας και τις βασικές συσκευές πεδίου. Είναι δύσκολο να υποστηρίξετε ένα σύστημα αν δεν είναι σαφείς οι ακριβείς κωδικοί των εξαρτημάτων.

Στη συνέχεια, εξετάστε τα σημεία αστοχίας και τον κίνδυνο μεγάλου χρόνου παράδοσης. Εξαρτήματα όπως τροφοδοτικά, πίνακες χειριστή, σερβοκινητήριοι ρυθμιστές και μονάδες εισόδου συχνά προκαλούν επείγοντα χρόνο διακοπής όταν παρουσιάζουν βλάβη. Αν έχουν καταργηθεί, η στρατηγική αντικατάστασης γίνεται εξίσου σημαντική με τον σχεδιασμό του συστήματος.

Η συμβατότητα είναι ένα ακόμη ζήτημα. Ένα νεότερο υποκατάστατο δεν αποτελεί πάντα άμεση αντικατάσταση. Η τοποθέτηση, το υλικολογισμικό, οι επικοινωνίες, η διαχείριση μνήμης και οι εκδόσεις λογισμικού επηρεάζουν όλα το αν ένα εξάρτημα μπορεί να αντικατασταθεί γρήγορα ή αν απαιτείται επανασχεδιασμός.

Για τις λειτουργίες που υποστηρίζουν παλαιό εξοπλισμό, η πρόσβαση σε νέο, μεταχειρισμένο και καταργημένο απόθεμα μπορεί να κάνει τη διαφορά μεταξύ μιας σύντομης διακοπής και μιας παρατεταμένης διακοπής λειτουργίας. Σε αυτό το σημείο εντάσσονται οι προμηθευτές που επικεντρώνονται στα βιομηχανικά συστήματα ελέγχου και στην υποστήριξη ολόκληρου του κύκλου ζωής, συμπεριλαμβανομένων εταιρειών όπως η Used Industrial Parts.

Τι πραγματικά ρωτά κάποιος όταν λέει «τι είναι ένα βιομηχανικό σύστημα αυτοματισμού»;

Οι περισσότεροι που κάνουν αυτή την ερώτηση δεν αναζητούν έναν ορισμό από εγχειρίδιο. Θέλουν να κατανοήσουν τι ελέγχει τη μηχανή τους, γιατί τόσα πολλά εξαρτήματα είναι συνδεδεμένα σε μία διαδικασία και τι διακυβεύεται όταν μια συσκευή παρουσιάσει βλάβη.

Η πρακτική απάντηση είναι απλή. Ένα βιομηχανικό σύστημα αυτοματισμού είναι η ραχοκοκαλιά ελέγχου των σύγχρονων μηχανημάτων και της παραγωγής. Συνδυάζει ηλεκτρικές, μηχανικές και λειτουργίες λογισμικού, ανίχνευσης και χειριστή σε μία ενιαία διαδικασία που μπορεί να λειτουργεί με ασφάλεια, συνέπεια και σε μεγάλη κλίμακα.

Αν είστε υπεύθυνοι για τη διαθεσιμότητα, η καλύτερη ερώτηση δεν είναι μόνο τι είναι. Είναι αν το τρέχον σύστημά σας είναι τεκμηριωμένο, υποστηρίξιμο και υποστηρίζεται από ανταλλακτικά που μπορείτε πραγματικά να προμηθευτείτε όταν η παραγωγή δεν μπορεί να περιμένει.