Różne sposoby monitorowania maszyn i stanowisk pracy. Użyteczność i perspektywy na przyszłość

Kluczowym zagadnieniem, od którego należy wyjść myśląc o monitorowaniu maszyn i całych stanowisk, nie jest więc pytanie jakie maszyny można podłączyć, tylko po co w ogóle podłączać te maszyny?

Żeby uzyskać wiarygodne dane na poziomie systemów klas wyższych, należy zadbać przede wszystkim o jakość i wiarygodność danych z najniższego poziomu, czyli z poziomu maszynowego. To właśnie tutaj przepływają informacje o produkcie, o zleceniach czy o stanowiskach takich maszyn.

Dlatego decyzja o tym, czy podłączyć daną maszynę nie zależy tylko od rodzaju stanowiska produkcyjnego. Znacznie ważniejsze jest to, co chcemy osiągnąć dzięki zbieranym sygnałom. Czy potrzebujemy tylko uzyskać dane w czasie rzeczywistym? Czy chcemy uwiarygodnić już posiadane dane? Czy może ważne jest dla nas, żeby odciążyć osoby, które zajmują się ręcznym wprowadzaniem informacji, tak żeby mogły zająć się tylko produkcją? – to właściwe pytania, nad którymi warto się na początku zastanowić.

Sygnały elektryczne

Jednym z często proponowanych sposobów monitorowania urządzeń produkcyjnych jest zbieranie sygnałów z obwodów elektrycznych maszyn. To rozwiązanie ma taką zaletę, że nie ma potrzeby dokładania dodatkowych czujników do maszyn. Korzysta się z już istniejącej infrastruktury. Jest to możliwe dzięki wykorzystaniu styków pomocniczych przekaźników, co umożliwia równoległe wykorzystanie istniejących już sygnałów z maszyn. W ten sposób można zbierać dane np. przy użyciu koncentratorów danych, które zamieniają  informacje elektryczne (czy to dyskretne, czy analogowe) na dane w konkretnym protokole. Uzyskane w ten sposób informacje można przesłać dalej do systemu i w kolejnym kroku przetworzyć.

Bezpośrednia komunikacja z urządzeniem

W tym rozwiązaniu dane mogą być pobierane za pomocą systemów sterowników PLC. System monitoringu maszyn czy system MES powinny zawierać szereg driverów komunikacyjnych, które umożliwiają podłączenie się do sterowników różnych producentów PLC. Bardzo ważne jest tutaj, aby różnorodność urządzeń stosowanych w zakładach produkcyjnych, które nieraz pochodzą od różnych producentów, nie ograniczała w żaden sposób możliwości podłączenia.

Protokoły danych

Czasami mamy do czynienia z nowoczesnymi stanowiskami, które są przygotowane jako jedna całość — kompleksowe stanowisko, czy linia produkcyjna. W przypadku takich rozwiązań zdarza się, że ich producent przewidział już pewne oprogramowanie do zbierania lub przesyłania danych. Takie informacje ze stanowisk produkcyjnych nie muszą wcale pochodzić bezpośrednio z maszyn. Do ich zbierania możemy wykorzystać tak zwane pośredniczące źródło danych jak np.  API, chmurę czy kontrolery IoT, które już są w istniejącym rozwiązaniu danego producenta. Wtedy wystarczy tylko pobrać z nich dane i wykorzystać do dalszej analizy czy to historycznej, czy w czasie rzeczywistym.

Inne sposoby

Oprócz wymienionych istnieją jeszcze inne sposoby zbierania danych. Mogą być np.:

• Pliki płaskie CSV, czyli np. dane historyczne takie jak logi, alarmy. Stanowiska pracy bardzo często zapisują je na potrzeby własnych systemów.
• Dedykowane moduły I/O, pochodzące od producentów, którzy bardzo często przewidują możliwość dokupienia dodatków, przeznaczonych specjalnie do konkretnych, czasami wysoce scyfryzowanych, maszyn.
• Sygnały pośrednie jak np. analiza energetyczna,  gdzie na podstawie energii możemy wnioskować czy dana maszyna pracuje, czy nie pracuje oraz z jakim obciążeniem, a czasami nawet z jakim produktem pracuje.
• Czujniki bezprzewodowe do mierzenia drgań czy temperatury. Nie wymagają one zasilania zewnętrznego, więc odpada konieczność okablowania maszyny, co często bywa problematyczne, a czasem wręcz niemożliwe.
• Czujniki klasyczne, czyli optyczne, indukcyjne czy mechaniczne enkodery, pozwalające zebrać wiarygodne dane. Zawsze można dozbroić w nie maszynę jeśli sygnały, które już mamy, są niedostatecznie wiarygodne lub po prostu chcemy uzyskać jeszcze większą wiarygodność lub lepszy czas odpowiedzi.

Czasem okazuje się, że rzeczywistość maszyn, a oczekiwania użytkownika systemu, to dwa różne światy. Sygnały zbierane na poziomie urządzeń i stanowisk produkcyjnych, są potrzebne do uzyskania rzetelnych danych, które posłużą do podejmowania kluczowych dla przedsiębiorstwa decyzji. Konieczne jest więc dostarczenie ich do systemu klasy wyżej. Tylko, że system klasy wyżej oczekuje już gotowych danych, a nie surowych sygnałów.

Surowe sygnały z maszyn nieraz bywają zaszumione i wymagają filtracji. Innym problemem jest to, że mogą nieść ze sobą niekompletną lub nie do końca pewną informację. Rozwiązaniem może być połączenie kilku sygnałów. Np. jeden sygnał może nas informować, że maszyna jest włączona, natomiast drugi sygnał, elektryczny lub inny, może mówić o uruchomieniu wrzeciona, przez co też daje informację o pracy maszyny. Łącząc ze sobą dwa sygnały, otrzymujemy jeszcze bardziej wiarygodną informację.

Ale nie tylko wiarygodność ma tu znaczenie. Takie połączenie dwóch sygnałów pozwala czasem dostrzec nowy kontekst. Daje nam to dodatkową informację, nie zwiększając kosztów związanych choćby z podłączeniami do kolejnych sygnałów.

Dzięki wykorzystaniu platform, które umożliwiają modyfikowanie danych np. ich połączenie, wyskalowanie czy przetworzenie tak, żeby były one jak najbardziej użyteczne dla systemów klasy wyżej, możliwe jest tworzenie z nich nowych kontekstów. Bardzo często jest to niezbędna część układanki, która pozwala połączyć oczekiwania efektów końcowych użytkownika po stronie systemu z rzeczywistością maszyn.

Dlatego też niezależnie, czy wykorzystujemy w swoim przedsiębiorstwie system monitoringu maszyn, czy system klasy MES, bardzo ważne jest, żeby nie ograniczał on możliwości dalszej analizy i wykorzystania uzyskanych sygnałów w przeróżny sposób, a nie tylko w taki, do którego został początkowo wybrany.

DIP (z ang. Device Integration Platform) to platforma cyfryzacji, która pomaga obsłużyć warstwę logiczną sygnałów. Co więcej pozwala też przetwarzać uzyskane dane i stworzyć tzw. cyfrowego bliźniaka, czyli replikę danego systemu w ramach systemu monitoringu czy systemu MES.

Mając fizyczny zasób, możemy utworzyć cyfrowego bliźniaka pod względem nie tylko sygnałowym, ale również alarmowym, logicznym, historycznym czy energetycznym. Daje to jeszcze więcej możliwości do późniejszej analizy.

Jakie są korzyści z takiej magistrali integracji? Na początek jest to automatyzacja zbierania danych. To bardzo ważne, ponieważ im więcej danych zbieranych jest automatycznie, tym większą wiarygodność zyskujemy i więcej czasu oszczędzamy. Automatyczne zarejestrowanie dokładnego momentu wystąpienia danego zdarzenia, przekłada się na rzetelność danych. Możemy też odciążyć operatorów, co jest bardzo ważne, bo taki system nie ma dodawać pracownikom obowiązków, a wręcz przeciwnie — mają mieć ich mniej, żeby mogli skupić się na najważniejszych zadaniach.

DIP uwzględnia też inne korzyści i potrzeby cyfryzacji. Tworząc cyfrowego bliźniaka, daje nowe możliwości dowolnego przetwarzania danych sygnałowych, a także pozwala elastycznie adaptować się do zmian w zasobach produkcyjnych i rozwijać system o nowe funkcjonalności.

Wybierając sposób monitorowania maszyn, dobrze jest myśleć perspektywicznie i nie zamykać sobie kolejnych możliwości na samym początku drogi, bo może to pokazać tylko kolejne wąskie gardła lub potencjalne obszary do cyfryzacji, które chcielibyśmy osiągnąć.