Качество 4.0:как беспроводные сенсорные сети IoT меняют производство

Контроль качества является основополагающим в любой отрасли, но в производстве он чрезвычайно важен. Неустойчивый рыночный спрос, высокие материальные и производственные затраты, а также критическая природа конечной продукции заставляют производителей стремиться только к первоклассному качеству и минимальному проценту брака. Поскольку Интернет вещей (IoT) постепенно распространяется в обрабатывающей промышленности, управление качеством представляет собой область, открывающую возможности для преобразований.

Краткий обзор проблемы управления качеством

Эффективное управление качеством зависит от способности постоянно отслеживать и контролировать множество параметров машин и процессов, влияющих на качество продукции. Чтобы гарантировать постоянство и соответствие свойств продукта, постоянно выполняется повторная калибровка оборудования по мере возникновения отклонений в технологическом процессе и других изменений в производственной линии. Тем не менее, с ростом сложности систем инструментов и производственных процессов многие переменные процесса остаются без внимания из-за ограничений громоздких проводных сетей.

Несмотря на то, что проводная связь идеально подходит для высокопроизводительных и срочных задач автоматизации, она не обладает гибкостью и доступностью, необходимыми для сбора данных телеметрии в масштабе и за пределами машинного уровня. Как правило, такие факторы, как условия окружающей среды, несмотря на их большое влияние на изменчивость качества, часто не изучаются и не контролируются. Например, в автомобилестроении неблагоприятно низкая комнатная температура может снизить качество компонентов, напечатанных на 3D-принтере, из-за их слишком быстрого охлаждения.

Более того, разработанные в прошлом веке, большинство промышленных систем с проводным управлением не предназначены для обмена данными за пределами заводского цеха. Это создает несвязанные островки данных, недоступные для повышения эффективности производства и пропускной способности. Вместо этого оптимизация процессов и управление качеством часто зависят от реактивной ручной проверки после производства. Помимо дорогостоящего вмешательства человека, это приводит к значительной изменчивости качества и связанным с этим затратам, а также затрудняет отслеживание основной причины проблем с качеством.

Вход в Индустрию 4.0:проактивное управление качеством

Насущный поиск улучшенной прозрачности процесса говорит об огромном потенциале Интернета вещей и его аналога, Индустрии 4.0, для упреждающего управления качеством.

Беспроводные сети IoT собирают большое количество детализированных критических точек данных по всей производственной линии. Например, давление, вибрация, температура и влажность. Поскольку на объекте могут быть установлены тысячи датчиков, данные собираются каждые 10–20 секунд и отправляются через базовую станцию ​​в предпочтительную серверную систему пользователя, будь то локально или в облаке. Используя удаленную платформу IoT, все данные датчиков консолидируются для мониторинга в реальном времени, получения действенной информации и автоматизации процессов. Оповещения могут быть запущены немедленно, когда возникают какие-либо нестандартные условия среди работающего оборудования и процессов. Это дает производителям беспрецедентный контроль над своими операциями и выпуском продукции. Помимо реактивной проверки качества в конце цикла, данные Интернета вещей позволяют использовать упреждающий подход к обеспечению качества для диагностики и предотвращения дефектов на более ранних этапах процесса для достижения максимальной производительности и повторяемости. Это также приводит к снижению затрат и отходов. В то же время он предоставляет ценную информацию для достижения и применения передового опыта.

Пять ведущих приложений для упреждающего управления качеством:

<сильный>1. Мониторинг состояния и профилактическое обслуживание

Датчики Интернета вещей собирают и передают ключевые показатели состояния и эксплуатации, такие как давление, вибрация, температура, влажность и напряжение многочисленных машин и оборудования во всем отраслевом комплексе (мониторинг состояния). Помимо создания детальной картины текущих производственных процессов и производительности активов, эти массивные потоки данных позволяют использовать аналитические модели для упреждающего прогнозирования надвигающейся проблемы и планирования проверки и ремонта в зависимости от потребности (прогностическое обслуживание). Например, высокая влажность в редукторе снижает производительность вращающихся компонентов, что приводит к коррозии, ухудшению качества продукции или даже поломке машины. Чрезмерная вибрация двигателей и насосов свидетельствует о возможных дефектах монтажа, смещении валов и износе подшипников. Благодаря профилактическому обслуживанию сбои можно предотвратить заблаговременно, тем самым максимально используя ресурсы и сокращая дорогостоящие потери из-за простоев.

<сильный>2. Мониторинг окружающей среды

Окружающие условия могут играть важную роль в управлении производством и качеством. С помощью датчиков окружающей среды, которые измеряют температуру, влажность и качество воздуха, операторы предприятия могут удаленно контролировать оптимальные условия окружающей среды для различных общезаводских процессов и управлять ими из своего командного центра. Например, поддержание идеального перепада давления воздуха предотвращает проникновение пыли в производственную зону, тем самым обеспечивая качество продукции в фармацевтической и микроэлектронной промышленности. Процессы склеивания и окраски в автомобилестроении можно улучшить за счет оптимального уровня влажности. Точно так же точный контроль температуры на объектах обработки и хранения может обеспечить безопасность продуктов в пищевой промышленности.

<сильный>3. Отслеживание активов и управление ими

Датчики IoT, прикрепленные к отдельным активам, таким как инструменты, машины и транспортные средства, собирают и сообщают подробную информацию о текущих условиях, а также о том, где и как они используются. Имея целостную картину межсайтовых активов в режиме реального времени, операторы могут быстро выявлять малоиспользуемое оборудование, диагностировать надвигающиеся проблемы и узкие места, а также легко мобилизовывать инструменты и детали. В конечном счете, применение Интернета вещей для управления активами позволяет организациям оптимизировать операции по техническому обслуживанию и срок службы активов, устраняя подверженные ошибкам ручные записи и избыточные заказы.

<сильный>4. Удаленный мониторинг трубопроводов и резервуаров

Резервуары и трубопроводы являются критически важными активами во многих перерабатывающих отраслях. Перелив или утечка химических продуктов и газов приводит не только к производственным потерям, но и наносит серьезный ущерб окружающей среде и угрожает общественной безопасности. Внедряя датчики уровня, вибрации, скорости потока и давления, предприятия могут круглосуточно следить за структурным состоянием своих широко распространенных резервуаров и трубопроводов, одновременно сокращая количество ручных проверок. Оповещения выдаются о потенциальных разливах, утечках или разрывах, которые могут привести к бедствиям. Оповещения о низком уровне материала в резервуарах также могут быть выданы для своевременного пополнения для повышения производительности.

<сильный>5. Управление объектами

Интернет вещей обеспечивает цифровое управление и защиту критически важных производственных объектов. Лифты с поддержкой Интернета вещей, детекторы дыма, пожарная сигнализация и другие ресурсы объекта на всей фабрике могут периодически отправлять данные о состоянии своих батарей или «активном» состоянии. Это помогает производителям сократить трудоемкие ручные проверки и в то же время иметь возможность быстро реагировать на любые проблемы, которые могут привести к прерыванию производственной линии.

Перспективное беспроводное подключение для качества 4.0

Поскольку сбор данных представляет собой неотъемлемую проблему в большинстве промышленных сред, развертывание IoT часто может показаться чрезвычайно сложным, дорогим и пугающим. Прогнозируется, что к 2025 году будет 36,8 млрд активных устройств IIoT по сравнению с 17,7 млрд сегодня. Поскольку все больше компаний стремятся извлечь выгоду из новых приложений IoT, важно учитывать долгосрочную надежность, интегрируемость и управляемость коммуникационной сети, поскольку она масштабируется для размещения тысяч подключенных конечных точек. На самом деле все сводится к выбору правильного подключения к Интернету вещей для правильного бизнес-кейса.

Беспроводные приборы не обязательно являются чем-то новым для производства, но важные требования к радиусу действия, мощности и простоте интеграции ограничивают жизнеспособные варианты. Например, для приложений промышленного мониторинга может потребоваться отправка миллионов сообщений в день с тысяч датчиков. Для этого требуется масштабируемое и энергоэффективное решение, позволяющее избежать частой замены и утилизации батарей, что может быстро увеличить общую стоимость владения. Точно так же обширные, структурно плотные промышленные объекты требуют надежной беспроводной связи, которая может передаваться на большие расстояния и преодолевать физические препятствия. Традиционная конструкция производственных помещений также создает проблемы. Беспроводные решения должны иметь возможность интеграции с устаревшим оборудованием, таким как ПЛК, для устранения разрозненных хранилищ данных и предоставления доступа к ранее недоступной информации.

Устаревшие беспроводные технологии не могут соответствовать требованиям к дальности, мощности и стоимости сенсорных сетей IoT. Традиционная сотовая связь (например, 3G, LTE и т. д.) и беспроводные локальные сети (Wi-Fi) слишком дороги и энергоемки для передачи небольших объемов данных от большого количества сенсорных устройств. Другие решения, такие как Bluetooth, Zigbee и Z-Wave, имеют очень ограниченный физический диапазон; и даже несмотря на то, что многие из них используют ячеистую топологию для расширения своего покрытия, многоскачковая ретрансляция потребляет много энергии и влечет за собой сложное планирование сети и управление ею. Таким образом, ячеистые сети в лучшем случае подходят для приложений среднего радиуса действия.

Глобальные сети с низким энергопотреблением (LPWAN) уникальны тем, что они преодолевают эти ловушки и предоставляют эффективное, доступное и простое в развертывании решение для крупномасштабных сетей IoT. Привлекательность LPWAN обусловлена ​​двумя ее характерными особенностями:большим радиусом действия и низким энергопотреблением. В то время как Wi-Fi и Bluetooth могут обмениваться данными только на десятки или сотни метров в лучшем случае, LPWAN может передавать сигналы на расстояние до 15 км в сельской местности и до 5 км в городских районах с плотной застройкой. Кроме того, облегченные протоколы с оптимизированным энергопотреблением снижают стоимость приемопередатчика и обеспечивают очень длительное время автономной работы сенсорных узлов.

Однако важно отметить, что качество обслуживания зависит от технологии LPWAN. Это в основном связано с двумя причинами:их работой в безлицензионном спектре и использованием простой асинхронной связи, обычно чистой ALOHA (узел получает доступ к каналу и отправляет сообщение всякий раз, когда есть данные для отправки). Принося значительный выигрыш в мощности, нескоординированные передачи в асинхронных сетях значительно увеличивают вероятность коллизий пакетов и потери данных. Поскольку развертывание беспроводных сетей IoT и радиотрафик в безлицензионных диапазонах частот ниже ГГц быстро растут, устаревшие сети LPWAN могут столкнуться с серьезными проблемами качества обслуживания (QoS) и масштабируемости, вызванными помехами в совмещенном канале. В то же время стандартизация и надежная поддержка мобильности являются другими важными факторами, которые нельзя упускать из виду.

Подведение итогов

Способность выявлять скрытые закономерности, предсказывать будущие проблемы, прогнозировать использование и затраты, а также получать информацию из данных датчиков IoT навсегда изменит промышленный процесс. В то время как сектор уже некоторое время внедряет коммуникационные технологии, новые беспроводные соединения, такие как LPWAN, помогают предоставлять гораздо больше точек данных в режиме онлайн по гораздо более низкой цене. В условиях усложняющихся отраслевых проблем внедрение Интернета вещей может стать поворотным моментом, позволяющим вывести управление качеством и операционную эффективность на новый уровень и остаться на вершине конкуренции.

Эта статья была написана Вольфгангом Тиме, директором по продукту, BehrTech (Северный Йорк, Онтарио, Канада). Для получения дополнительной информации свяжитесь с г-ном Тиме по адресу [email protected] или посетите здесь внешняя ссылка fa-sm"> .