Обещание автоматизации следующего уровня

Понимать реалии и избегать ловушек

Край. Облако. Цифровой двойник. ИИ. АР. ВР. Коботы. Когда-то они были модными словечками. Теперь они становятся техническими реалиями на средних и крупных производственных предприятиях в Северной Америке. Сроки внедрения будут различаться в зависимости от отрасли, но недавнее исследование показало, что 76 % производителей разрабатывают инициативу по созданию умных заводов.

При правильной реализации эти инициативы преобразят наши заводы, сделав производство всего, от полуфабрикатов до авиалайнеров, более эффективным, последовательным и взаимосвязанным. Автоматизация обеспечивает уровень точности и производительности, превышающий возможности человека, даже в средах, которые считаются небезопасными для человека.

Ключевая фраза выше — «при правильной реализации». Есть проблемы и потенциальные подводные камни. Инженеры-технологи поговорили с несколькими отраслевыми экспертами, чтобы узнать их мнение о том, где мы находимся сегодня, как может выглядеть завтра и что может заставить нас споткнуться.

Улучшения зависят от отрасли

Отвечая на вопрос о текущем уровне автоматизации на производственных предприятиях, наши эксперты не решались делать общие выводы о производстве в целом, предпочитая вместо этого высказывать наблюдения о конкретных отраслях промышленности.

Например, автомобилестроение и аэрокосмическая промышленность в значительной степени автоматизированы, по словам Клода Динсмура, генерального менеджера по разработке продуктов FANUC America Corp., Рочестер-Хиллз, штат Мичиган. и упростили, чтобы люди не могли сделать шаг назад и сделать это сегодня», — сказал Динсмур.

Дэвид Суика, президент компании Fastems LLC, Уэст-Честер, штат Огайо, считает, что средства автоматизации широко внедряются на уровне машин или ячеек. «Преобладает автоматизация конкретных машин или даже ячеек или линий», — сказал Суйка. «Но большинство из них — островки автоматизации. Возможность увидеть фабрику в цифровом формате, чтобы можно было визуализировать реальную производительность, все еще в будущем».

По словам Энди Джозефа, директора по разработке продуктов, и Джона Литла, менеджера по разработке приложений для Promess Inc., Брайтон, штат Мичиган, степень автоматизации процессов сборки меньше, чем на стороне механической обработки. «Мы много работаем в автомобилестроении, и автоматизация сборки деталей представляет собой смешанный пакет», — сказал Литл. «С другой стороны, — добавил Джозеф, — более мелкие производители изучают технологии автоматизации, которые в автомобилестроении используются годами. Мы наблюдаем большой переход от гидравлики к сервоприводам, которые могут стать частью стратегии автоматизации будущего».

В Praemo, Китченер, Онтарио, руководители видят две области автоматизации с очень разными траекториями. Энди Хендерсон, главный технический директор, сказал, что физическая автоматизация (автоматизация физических и повторяющихся задач) происходит в течение последних 30-40 лет, и примеры есть практически на каждом производственном предприятии. С другой стороны, автоматизация принятия решений (автоматизация мыслительных процессов и инсайтов человека) — явление совершенно новое. «Сегодня определенные машины могут принимать рутинные и повторяющиеся решения, — сказал Алекс Келли, директор по архитектуре решений, — но их способности учиться на предыдущих событиях, чтобы адаптироваться к новым обстоятельствам, пока нет. Это следующий уровень — выполнение действий с данными, собранными автоматически».

Средства инноваций в области автоматизации

Какие новейшие технологии заложили основу для автоматизации следующего уровня?

«Принятие стандартов подключения и обмена данными, которые работают в рамках инициатив «Индустрия 4.0» и «Промышленный Интернет вещей» (IIoT), является фундаментальным и необходимым», — сказал Артур Гугулски, региональный менеджер ЧПУ на Среднем Западе, Fagor Automation Corp., Элк-Гроув-Виллидж, Иллинойс. «Это помогает производителям и поставщикам использовать открытые коммуникационные протоколы и стандарты».

«Например, в производстве пресс-форм и штампов мы видим гибкие производственные системы, которые сокращают время с семи недель до семи дней», — сказал Дэн Земан, менеджер по автоматизации MC Machinery Systems, Элк-Гроув-Виллидж, Иллинойс, дочерней компании Мицубиси. «Ключевой технологией, обеспечивающей это, является программное обеспечение для управления работой, которое координирует роботов и машины, обрабатывая программы, данные и дистанционно запуская машину, чтобы обеспечить длительную работу без присмотра. Еще одна вещь, которая имеет решающее значение для автоматизации следующего уровня, — это технологии, связанные с инструментами на поддонах, приспособлениями и зажимами. При укладке на поддоны можно использовать робота, который легко и точно берет инструмент и помещает его в патрон. Вы можете перейти от фрезерования к инспекции и затем к электроэрозионной обработке грузил в одном непрерывном процессе, когда робот перемещает [заготовку] от машины к машине. Операцию можно планировать, приоритизировать и отслеживать с помощью управляющего программного обеспечения для эффективной последовательности нескольких шагов».

Производитель робототехники FANUC рассматривает несколько ключевых технологий, которые повышают производительность человека, а не заменяют его. По словам Динсмура, «некоторые из захватывающих технологий включают машинное зрение (трехмерное зрение), тактильное и силовое восприятие, а также управление силой и силой, которые необходимы для коботов (коллаборативных роботов, которые работают в непосредственной близости от людей). Также большое значение имеет технология моделирования на этапе проектирования, которая помогает нам создать виртуальное решение, прежде чем внедрять его в сталь. С помощью моделирования производители могут сократить время проектирования и безопасно оценить до дюжины «кандидатов на проектирование», чтобы найти лучшее решение для автоматизации».

По словам Пола Бориса, исполнительного вице-президента Praemo, если мы думаем об автоматизации следующего уровня как об оборудовании машин, чтобы они могли принимать решения от своего имени, для этого требуется уровень интеллекта самой машины. «Чтобы воспользоваться преимуществами различных алгоритмов и методов их развертывания, мы в значительной степени полагаемся на искусственный интеллект (ИИ)», — сказал он. «Искусственный интеллект — это основа, на которой основано множество других важных для нас технологий».

Одна из наиболее интересных технологий, которую видит Promess, — это LiDAR (Light Detection and Ranging). «Его основной характеристикой является высокое пространственное разрешение при измерении трехмерных объектов», — сказал Джозеф. «LiDAR можно использовать в различных производственных сценариях, включая безопасность оператора, роботизированную обработку деталей, системы управления и машинное обучение для оптимизации процессов сборки».

Земан сказал, что следующее достижение MC Machinery находится в области дизайна. «Ручное черчение уступило место тому, чтобы делать все на ПК и рисовать на бумаге. Плоттеры теперь исчезли, поскольку все становится электронным. В конце концов, вместо того, чтобы нажимать кнопку «Печать», мы нажмем кнопку «Создать», и дизайн сразу пойдет в производство».

Пограничные вычисления и многое другое

Другие новые технологии, упомянутые нашими экспертами, включают периферийные вычисления (обработка в источнике для увеличения скорости передачи и времени отклика при одновременном снижении нагрузки на полосу пропускания предприятия); нативная интеграция с облаком; технологии прогнозирования/предотвращения отказов активов; дополненная реальность (AR) для сборки и обслуживания; и виртуальная реальность (VR) для обучения и моделирования.

«Чтобы достичь следующего уровня автоматизации, несколько вещей должны происходить одновременно», — сказал Суика из Fastems. «Технология VR будет большим преимуществом, поскольку она позволяет многогранно взглянуть на вашу фабрику в цифровом виде. На самом деле, видение фабрики в цифровом формате (то есть цифрового двойника) приведет к повышению производительности. Цифровая видимость позволяет менеджерам и инженерам мгновенно видеть, какие машины не только включены, но и какие машины режут, что является истинным показателем операционной эффективности. Он также показывает потоки между машинами — где возникают помехи или проблемы».

С программным обеспечением тенденция состоит в том, чтобы продолжать добавлять возможности. «Это нормально, — отметил Динсмур из FANUC, — пока это не добавляет уровней к общей архитектуре. Интегрируя больше функций в нашего робота, мы фактически сокращаем количество необходимых уровней программного и аппаратного обеспечения. Чтобы это происходило в больших масштабах, необходимы открытые протоколы».

По словам Земана из MC Machinery, преимущества автоматизации заключаются в объединении нескольких этапов процесса вверх и вниз по течению. «Эта информация должна передаваться беспрепятственно», — сказал он. Он рассказал о совместных усилиях производителей, которые используют открытые стандарты для сбора данных и передачи файлов. «Конечным результатом является то, что клиент может легко интегрировать CAD/CAM, измерительную систему, фрезерный и электроэрозионный станок и получать превосходные результаты», — сказал Земан.

Литл из Promess упомянул об успехах, достигнутых в межмашинной связи с помощью связи на открытой платформе с унифицированной архитектурой (OPC UA) и технологий Fieldbus для распределенного управления в реальном времени. «Нашим клиентам нужны решения, которые позволяют выполнять интеграцию и перепрограммирование внутри компании, — сказал он. «Машинные библиотеки, которые предоставляют строительные блоки, не требующие особых знаний в области программирования, и такие вещи, как Open PLC, делают это реальностью. Однако я должен добавить, что здесь мы находимся в самом начале пути».

Suica оценивает проблему с островами автоматизации как существование «маленьких кусочков программного обеспечения, которые не взаимодействуют друг с другом». Он приравнивает это к тому, что вы сидите вечером перед телевизором и имеете перед собой четыре разных пульта — один для ресивера, один для цифрового видеорегистратора, один для телевизора и еще один для потокового устройства. «Точно так же, как вам нужен универсальный пульт дома, вашей фабрике нужен универсальный способ сбора данных и использования их для выполнения задачи», — сказал он. «Это становится проще с каждым днем ​​благодаря открытым платформам, архитектурам и базам данных, но это все еще необходимо планировать».

Производители, надеющиеся внедрить в будущем аналитический механизм на основе ИИ, могут начать уже сегодня, открывая ценную информацию без необходимости специальной подготовки всех существующих данных. Хендерсон из Praemo объяснил, что при использовании традиционных подходов необходимо найти, очистить, классифицировать и согласовать ключевые данные, чтобы они стали основой для принятия решений.

«К сожалению, даже в рамках одной компании вы обнаружите, что каждая производственная площадка занимается своим делом — разные базы данных, разные ERP-системы, разные теги, разные имена», — сказал он. «Вместо того, чтобы ждать завершения стандартизации данных, мы подключаемся к данным в том виде, в каком они существуют, и там, где они существуют, сегодня. Начните быстро и получите несколько маленьких побед. Это не только ускоряет начало работы, но и помогает компаниям решать кадровые и культурные проблемы, которые часто сопровождают крупномасштабные проекты автоматизации, без неотъемлемых рисков и опасений».

Усовершенствованная робототехника стала проще

Роботы следующего поколения не только намного проще программировать, но и проще в использовании благодаря таким возможностям, как распознавание голоса и изображений, для воссоздания сложных человеческих задач. Коллаборативные роботы стали новой и быстроразвивающейся технологией, способной удовлетворить потребность в автоматизации и гибкости производства. Они могут помочь работникам выполнять утомительные задачи и повысить безопасность на рабочем месте.

По словам Динсмура из FANUC, передовые разработки робототехники в его компании сосредоточены на ответе на вопрос:«Как может выглядеть завтрашний день?» Новые технологии, такие как зрение, управление мощностью и усилием, искусственный интеллект и машинное обучение, являются частью палитры дизайна. «Наша цель состоит в том, чтобы сделать робота более простым в применении и более простым в программировании или эксплуатации без специальных навыков», — сказал он. «Подобно работе со смартфоном, обладающим потрясающими возможностями, которые в основном прозрачны для пользователя, улучшения охвата, скорости и полезной нагрузки являются постоянным приоритетом».

FANUC встраивает в своих роботов устройства, совместимые с IIoT, в течение последних пяти-семи лет, чтобы обеспечить удаленный мониторинг для достижения цели нулевого простоя. «У нас есть магазины, работающие круглосуточно и без выходных, — сказал Динсмур, — так что мы видим реальность».

Пролить свет на Lights-Out

У наших экспертов разные взгляды на необходимость обеспечения работы без отключения света. Как выразился Борис из Praemo:«Lights-out — это хорошая концепция, к которой должны стремиться все производители, но она должна оставаться в действительности. Это наиболее выгодно для завода, производящего стандартную, воспроизводимую продукцию. Всякий раз, когда вы вносите в уравнение вариативность с помощью настройки или других факторов, отключение света становится гораздо менее достижимым. Мы считаем, что важно использовать интеллектуальные функции, анализируя данные с машин и процессов по мере возникновения сложностей, предупреждая команды до того, как возникающие проблемы приведут к снижению производительности или качества. Так что, возможно, целью должна быть интеллектуальная помощь, а не полная оперативная автономия».

Suica сказал, что у Fastems есть несколько клиентов, которые постоянно работают без света (90 или более часов в неделю). «Для этого необходимо, чтобы произошло несколько вещей. Во-первых, машины и оборудование должны быть надежными», — сказал он. «Тогда это процесс выявления самых слабых звеньев и их устранения. На одних заводах слабым звеном является оснастка, на других — удаление стружки. Все, что блокирует машину, должно быть устранено. Но независимо от того, добьетесь ли вы успеха или нет, выявление и устранение слабых звеньев всегда приведет к повышению производительности».

Гугульский из Fagor привел список «типичных» запросов от клиентов, которые стремятся к отключению света. «Такие вещи, как двухканальные 10-осевые системы; обнаружение столкновений; безопасность машины; стеклянные абсолютные весы; термопары для динамической температурной компенсации; тангенциальное управление; сложное зондирование; трансформация биения; обнаружение движения; и функции для изменения программ «на лету» — все это требования для автоматической обработки с ЧПУ», — сказал он. «Это выполнимо, но сложно. Мы продемонстрировали возможность взаимодействия с различными компонентами процесса автоматизации, включая считыватели штрих-кодов, термопары для измерения температуры, системы безопасности с камерами, радиоуправляемые датчики и первоклассные CAM-системы для пятиосевой обработки. программирование деталей».

Господа из Promess слышат меньше разговоров об отключении света от своих клиентов по сборке. «Почти всегда требуется человеческое взаимодействие, — сказал Джозеф. «На самом деле коботы были разработаны для взаимодействия с людьми». По словам Литла, «наши клиенты нуждаются в гибких сборочных системах, позволяющих делать больше на одной станции. Многие заводы хотят, чтобы наш пресс стал шестой осью для робота, еще одним приложением на конце руки».

Земан из MC Machinery добавил:«Для оперативных операций с квалифицированными процессами, например, в аэрокосмической и медицинской промышленности, мы активно стараемся работать с нашими клиентами на ранних этапах процесса разработки, чтобы гарантировать, что преимущества автоматизации могут быть включены в процесс. процесс. Запуск первой статьи должен включать автоматизацию, так как ее нельзя легко добавить позже».

Дальнейшие шаги

Инициатива «Индустрия 4.0» требует базовой оцифровки. Без оцифровки каждого шага операционная эффективность остается на столе.

«Одна из первых вещей, которую мы рекомендуем, — это аудит автоматизации для изучения всех областей процесса на заводе», — сказал Динсмур из FANUC. «Может быть клиент с очень конкретными идеями о том, что должно быть автоматизировано, и, проводя обход, мы находим дополнительные возможности, которые имеют высокую ценность и легко достижимы. Для завода, который только начинает автоматизацию, эти ранние и легкие победы являются лучшими. Успехи подпитывают друг друга, а экономическая окупаемость часто помогает финансировать следующую возможность».

По словам Хендерсона, один из способов, с помощью которого Praemo проверяет почву на потенциальных клиентах, заключается в том, чтобы быстро начать работу со статическим набором исторических данных. «Используя статические данные, наш механизм Razor может анализировать и предоставлять информацию руководству завода без прерывания существующего производства. Мы все пришли из операционной, поэтому мы делаем акцент на практике. По нашему опыту мы знаем, что искусственный интеллект и машинное обучение упростят, ускорят и снизят стоимость производства».

Техническая осуществимость и экономическая целесообразность являются необходимыми предпосылками для автоматизации машины или линии. Тем не менее, по словам Джозефа Промесса, они далеко не единственные факторы. «Помимо очевидных технических проблем, остается ключевой момент:если вы смотрите на автоматизацию сегодня и у вас есть вопросы, с кем вы хотите работать? Кто будет рядом, чтобы поддержать вас в вашем путешествии?»