Strona Główna > Lista Artykułów Aktualności > Rola systemów CNC i sterowników PLC w fabryce przyszłości

 

www.controlengineering.pl 2018-01-23

Rola systemów CNC i sterowników PLC w fabryce przyszłości

Rola systemów CNC i sterowników PLC w fabryce przyszłości

Wraz z rozwojem i zaawansowaniem automatyki produkcyjnej, przemysłowe sterowniki i systemy sterowania stają się coraz bardziej złożone, ale też bardziej efektywne; będzie to miało wpływ na zmianę roli i znaczenia systemów sterowania numerycznego (CNC) i programowalnych sterowników logicznych (PLCs) w fabryce przyszłości.  

Koncepcja automatyki zmienia się wraz z postępującą implementacją technologii Przemysłu 4.0 oraz Internetu rzeczy (IIoT). Współczesna automatyka przemysłowa obejmuje takie zagadnienia jak zerowy czas przestoju, zwiększona precyzja, wydajność oraz konserwacja profilaktyczna. Wdrażane są one przy pomocy zaawansowanych, cyfrowych, programowalnych systemów, opracowywanych i udoskonalanych na przestrzeni ostatnich dekad. 

Systemy sterowania numerycznego (CNC), na przykład, pozwalają na zautomatyzowanie maszyn przez komputery wykonujące zaprogramowane sekwencje. - CNC powstały w latach 50-tych i 60-tych i wywodzą się z komputerowego wspomagania wytwarzania (CAM) i automatyzacji z wykorzystaniem wskaźników, znaczników – stwierdza Ian Baird, kierownik aplikacji CNC w Dziale Automatyki Zakładowej firmy Fanuc. - Wraz z rozwojem komputeryzacji i serwonapędów, systemy te umożliwiły producentom spełnienie rosnących wymagań w zakresie powtarzalnej, wysoce precyzyjnej produkcji. 

- Obecnie na CNC składa się pięć głównych komponentów: sekwenser, interpolator, serwo regulatory, sterownik logiczny oraz interfejs operatorski, które odpowiadają za precyzję i sekwencje sterowania. Dwadzieścia lat po wprowadzeniu pierwszych układów CNC opracowano tańszy i prostszy sposób sterowania komputerowego: programowalny sterownik logiczny (PLC).

- PLC opracowano w latach 80-tych XX w. w celu zastąpienia przekaźnikowych systemów sterowania logicznego. Systemy te były kosztowne, nieelastyczne i trudniejsze w użyciu, ponieważ ich podstawowe funkcje realizowane były w oparciu o rozwiązania sprzętowe. PLC posiadają moduły wejść i wyjść, dla których można zaprogramować funkcje pozwalające na wykonywanie sekwencji operacji, przetwarzanie danych lub po prostu sterowanie ruchem osi napędów. 

Sterowniki PLC nie miały jednak nigdy zastąpić układów CNC. - Oba te rozwiązania służą różnym celom w różnych branżach, ze wszystkimi swoimi zaletami i wadami. Każdy, kto twierdzi, że inwestuje wyłącznie w CNC i wyklucza zastosowanie PLC, ogranicza tym samym możliwości swoich aplikacji, gdyż są to zupełnie różne systemy sterowania - twierdzi ponadto Ian Baird.

Systemy CNC są bardziej związane z automatyką, ponieważ ich zastosowanie wykracza daleko poza prosty algorytm obsługi sygnałów wejść/wyjść (I/O). Nowoczesny układ CNC to w rzeczywistości elastyczny sterowany cyfrowo system zaprojektowany tak, by spełniać określone wymagania producenta, bez konieczności przeprogramowywania całego systemu. 

- Większość nowoczesnych CNC posiada także interfejs użytkownika z wbudowanymi ekranami obsługi, konserwacji i diagnostyki. Z tego względu CNC są popularne w aplikacjach, gdzie pojawia się konieczność zapewnienia pełnej kontroli nad maszyną, ponieważ funkcje, jakie oferują, umożliwiają samodzielną pracę z układem już po krótkim szkoleniu – przyznaje Ian Baird. - Elastyczność CNC umożliwia organizację kompleksowego i wieloosiowego układu maszynowego w niemal każdej branży przemysłu. Możliwości aplikacyjne CNC ogranicza w zasadzie jedynie wyobraźnia. Każde zastosowanie związane z precyzyjnym sterowaniem ruchem wymaga użycia CNC, niezależnie od tego, czy jest to produkcja części do zegarków lub sprzętu medycznego, czy też reaktywne trawienie plazmowe. 

Proste zadania dla układów sterowania

Sterowniki PLC, według Iana Bairda, sprawdzają się przy prostszych zadaniach dla układów sterowania. - Jeśli mamy do czynienia z aplikacją niewymagającą wysokiego poziomu dokładności lub elastycznego sterowania ruchem, np, przenośnik z silnikiem prądu zmiennego (AC), wówczas najlepszym rozwiązaniem będzie właśnie sterownik PLC. Jest on tańszy niż układ CNC, w który niewątpliwie lepiej zainwestować w przypadku o wiele bardziej złożonych zastosowań. 

Ian Baird twierdzi jednak także, że prostota PLC niesie ze sobą szereg wad. - Sterownik PLC nie dysponuje elastycznością typową dla systemu CNC. W przypadku konieczności nawet niewielkiej zmiany programu, wymagane jest całkowite jego przeprogramowanie. PLC nie oferuje ponadto wysokiej precyzji systemu charakterystycznej dla układów CNC, a w związku z tym najlepiej nadaje się do budowania tańszych systemów sterowania, dedykowanych dla prostych zadań. Według Bairda pomimo niewielkiej ceny sterowników PLC, wielu producentów wybiera jednak CNC, biorąc pod uwagę niższe całkowite koszty ich zakupu i eksploatacji. - Co ciekawe, wielu projektantów po zainwestowaniu w PLC, zastępuje je CNC, głównie ze względu na elastyczność, niezawodność i koszt ogólny. Wstępna cena CNC jest wyższa niż sterownika PLC, jednak zwrot z inwestycji w dłuższym czasie jest wyższy, ze względu na większą niezawodność i możliwości organizacji funkcji sterowania. Układ CNC daje ponadto projektantom większa swobodę w określaniu zakresu kontroli, jaką użytkownik będzie ostatecznie miał nad maszyną. 

Długoterminowa efektywność kosztowa systemów CNC wynika z zaawansowanych funkcji programowanych przez użytkownika, które pozwalają na minimalizację czas przestoju oraz monitorują i umożliwiają ograniczenie zużycia energii lub podniesienie wydajności maszyny. 

Wiele systemów CNC wyposażonych jest w funkcje sterowania korzystające z mechanizmów sztucznej inteligencji. Oznacza to możliwość sterowania pracą maszyny z zadaniem określonego obciążenia lub inteligentne, adaptacyjne sterowanie pracą maszyny w zdaniach wykonywanych w ciągu nocy. Na przykład maszynę można zaprogramować na pracę z 80% obciążeniem, co pozwoli na bardziej ekonomiczne zużycie energii w przedsiębiorstwie. Układy CNC wyposażone są ponadto w funkcje z obszaru poprawy efektywności energetycznej takie jak energetyczne moduły ładowania.

Układy CNC wyposażone są także w funkcje bezpieczeństwa, które pozwalają na współpracę maszyny z człowiekiem. - CNC pracują z algorytmem cyfrowym śledzącym i zarządzającym ruchem maszyn - stwierdza Ian Baird. - Jest to zwykle dwuczęściowy system cyfrowy: system obsługi rzeczywistych danych cyfrowych i system obserwatora cyfrowego. Ten ostatni udostępniania maszynie „idealne” parametry eksploatacyjne, zgodnie z którymi powinna pracować. System danych rzeczywistych i system obserwatora sterowane są tymi samymi rozkazami, a zatem powinny działać dokładnie w taki sam sposób. 

W przypadku, gdy system rzeczywisty wykryje zakłócenie w postaci np. niespodziewanego obciążenia, spowoduje to odchylenie danych rzeczywistych od danych obserwatora. Maszyna odczyta to jako konflikt i zareaguje na jeden z dwóch sposobów. Jeśli porusza się powoli, zatrzyma się, a jeśli porusza się szybko wykona operację wycofania kierunkowego (vectored back-off), w trakcie której wykona ruch zwrotny wszystkich poruszających się elementów maszyny, aby nie dopuścić do ich uszkodzenia. Najbardziej technicznie zaawansowane maszyny wyposażone mogą być ponadto w technologię 3D, która pozwala na zatrzymanie ruchu/wycofanie maszyny w pięciu osiach, poza zadany obszar roboczy.

Zerowy czas przestoju to również istotny aspekt do rozważenia przez producentów dążących do zautomatyzowania procesów. Nieplanowane przestoje to wysokie koszty, a ponadto mogą one powodować zatrzymanie produkcji na całe dnie, tygodnie lub miesiące. Niewykryty błąd, może spowodować nieodwracalne uszkodzenia sprzętu i stanowić zagrożenie dla pracowników. 

Minimalizacja czasu przestoju

- Jakkolwiek marzenie, by zakład pracował bez jakichkolwiek zakłóceń w reżimie 24/7 jest nierealne, w praktyce dąży się do zminimalizowania przestojów spowodowanych mniejszymi błędami lub awariami - twierdzi Ian Baird. Tutaj właśnie wkracza pojęcie konserwacji predykcyjnej, która, jak wyjaśnia ekspert, możliwa jest dzięki technologii CNC. - Konserwacja predykcyjna pozwala nam na wykrycie potencjalnych problemów zanim zdążą się one pojawić oraz na podjęcie stosownych działań zapobiegających pogłębianiu się tych już zaistniałych. W tym celu stosujemy technologię automatyki, działającą na zasadzie „strażnika” stanu maszyny. 

Czy to oznacza, że CNC będzie jedynym narzędziem w fabryce przyszłości? Ian Baird nie jest co do tego przekonany. Uważa on, że PLC nadal będą odgrywały kluczową rolę. - Najlepszym tego przykładem jest linia produkcyjna. Systemy CNC mogą sterować ramionami robotów, oprzyrządowaniem, frezowaniem i szlifowaniem, ale to sterownik PLC napędza taśmę transportująca produkt lub materiał z jednego stanowiska linii do kolejnego. Kompleksowość CNC nie znajduje zastosowania w takich prostych zastosowaniach i byłaby w tym przypadku zbędna. W obrębie zakładu, gdzie jednocześnie zachodzą procesy proste i złożone, CNC i PLC idealnie współgrają razem.

Ponieważ zarówno CNC jak i PLC znajdują znaczące miejsce w łańcuchu produkcyjnym, warto teraz przyjrzeć się sposobowi, w jaki można je rozwijać. - Przemysłowe systemy sterowania (ICS) będą w dalszym ciągu ewoluować, głównie w stronę wyspecjalizowania, dostosowując się do wymagań konkretnej branży - wyjaśnia dalej Baird.

Koncepcja otwartego interfejsu używana będzie także przez inne podmioty, w celu połączenia fabryki z Internetem Rzeczy (IoT). Umożliwi to wykorzystanie inteligentnych maszyn, gromadzenie danych oraz analizę na szeroką skalę danych np. parametrów roboczych maszyn i urządzeń, co pomoże opracować kolejne innowacje technologiczne. 

Chociaż nie wiemy jeszcze dokładnie, jakie role odgrywać będą układy CNC i sterowniki PLC w fabryce przyszłości, jedno jest pewne: będą one stanowić jej część, nawet jeśli nie zawsze idealnie z sobą współpracują.  

Autorka: Suzanne Gill, wydawca, Control Engineering Europe.



www.controlengineering.pl
Na podstawie: www.controlengineering.pl

Zapraszamy do skomentowania artykułu

Treść opini 
Popis 

Pozostałe artykuły z tej kategorii