Monitoring i diagnostyka drgań w branży automotive
Fabryki i zakłady produkcyjne z branży automotive nie zmarnowały czasu spowodowanego pandemicznym lockdownem i poświęciły go na wdrażanie nowoczesnych systemów z zakresu Przemysłu 4.0. Innowacyjne moduły kompatybilne z czujnikami zamontowanymi na liniach produkcyjnych mogą przesyłać kluczowe dane do wybranego miejsca w fabryce, zdalnego oprogramowania biznesowego, a nawet dowolnego miejsca na świecie. Korzyści są bezcenne, bo ocena uzyskanych danych w czasie rzeczywistym umożliwia między innymi oszczędność energii i zwiększenie wydajności całej produkcji.
Pękanie narzędzi, awarie przyrządów, kolizja elementów czy uszkodzenia łożysk. To tylko niektóre codzienne problemy w parkach maszynowych fabryk przemysłu motoryzacyjnego. Unikalne dotychczas rozwiązania Industry 4.0. zyskują w Polsce coraz większą popularność, a inspiracją do ich implementacji są inne europejskie zakłady produkcyjne. Monitorowanie procesu produkcyjnego oparte na diagnostyce drgań może zapobiec wielu komplikacjom. Wykrycie błędów w tym zakresie chroni przed uszkodzeniami, zarówno przedmiotu obrabianego, jak i samej maszyny. Diagnostyka permanentnych wibracji wykrywa bowiem nawet nieuchronne problemy i za pomocą komunikatu ostrzegawczego powiadamia pracowników odpowiedzialnych za konserwacje. Tego typu rozwiązania czwartej rewolucji przemysłowej zapewniają efektywne wykorzystanie wydajności maszyn i maksymalną ochronę całego parku fabrycznego.
Systemowa technologia
W praktyce takie zastosowania z sukcesem stosowane są już w zachodnich przedsiębiorstwach. W Skandynawii korzysta z nich między innymi szwedzki producent pojazdów Scania – jeden z największych na świecie producentów pojazdów użytkowych, komunikacji miejskiej oraz silników okrętowych i przemysłowych. Fabryka w Sztokholmie produkuje między innymi mocne silniki do ciężarówek i autobusów. Czujniki z gamy smart factory monitorują zautomatyzowaną produkcję, a monitorowanie drgań chroni wszystkie elementy.
– Aby mieć przegląd naszych linii produkcyjnych, używamy na przykład czujników przepływu i poziomu, a także zwykłych czujników indukcyjnych. Co więcej, dane z czujników mają dla nas bardzo dużą wartość. Pomagają nam, gdy podejmujemy wszelkiego rodzaju decyzje dotyczące opcji utrzymania. Dane są również bardzo przydatne do optymalizacji procesów – mówi Robert Bergkvist, inżynier automatyk ds. IT i automatyzacji w firmie Scania.
Inżynierowie dodają, że technologia systemu czujników zapobiega nieplanowanym przestojom w produkcji oraz stale monitoruje stan maszyn i instalacji. W przypadku przekroczenia jakichkolwiek wartości granicznych pracownicy otrzymają automatyczny komunikat. W sytuacjach krytycznych maszyna zostanie nawet automatycznie zatrzymana i wyłączona, aby uniknąć uszkodzeń.
Sieciowa diagnostyka
Scania w szwedzkiej fabryce używa niezliczonych obrabiarek. Poszczególne etapy procesu produkcyjnego są tam w pełni zautomatyzowane i realizowane na sterowanych komputerowo tokarkach i frezarkach. Aby spełnić wysokie standardy jakości produkowanych głowic, cylindrów czy wałów silników, obrabiarki muszą gwarantować bezbłędną i bezproblemową obróbkę detali.
Specjaliści wskazują, że wysoka prędkość obróbki i duże siły procesowe wymagają szybko reagujących systemów diagnostycznych, które natychmiast wykryją najdrobniejsze pęknięcia, uszkodzenia, kolizje lub awarie w procesie obróbki. To spowoduje wstrzymanie pracy maszyny. Strategia diagnostyki wibracyjnej okazuje się być idealnym rozwiązaniem ograniczającym uszkodzenia do minimum.
– Monitoring drgań jest kluczowy w automatyce przemysłowej, gdzie narzędzia poddawane są nieustannie ekstremalnym obciążeniom mechanicznym. Nawet pojedyncza drobna usterka może przełożyć się na poważne konsekwencje i dłuższy przestój produkcji. W rzeczywistości smart factory podzespoły komunikują się ze sobą automatycznie za pomocą cyfrowej technologii. Same zgłaszają potrzebę naprawy, sygnalizują konieczność konserwacji elementów czy wyczyszczenia ich. Efektem jest sprawna praca fabryki, ale co najważniejsze, gwarantowane są duże oszczędności i większe zyski – wylicza Krzysztof Smaga, inżynier ds. aplikacji z ifm electronic, firmy specjalizującej się w dostarczaniu innowacyjnych rozwiązań dla automatyki przemysłowej w tym dla branży automotive.
Wibrujący alarm
Centralnym elementem tego systemu w Scanii, która korzysta właśnie z rozwiązań dostarczanych przez ifm electronic, jest czuły i niezawodny czujnik drgań. Skandynawski producent wyposaża swoje obrabiarki w system automatycznego wykrywania usterek. Dzięki danym z czujników wydajność procesu można zwiększyć do maksimum, bez ryzyka wystąpienia krytycznych warunków maszyny, na przykład w postaci zbyt szybkiego wbijania dłuta tokarki w komponent.
– Monitorujemy drgania elementów silnika zanim się zepsują, aby móc je w porę wymienić. Co więcej, oprogramowanie diagnostyczne obrazuje nam ich stan. System komunikuje nam też, czy musimy na bieżąco dostosować i zmieniać jakieś parametry procesu – tłumaczy Robert Bergkvist. Dodatkowo do danego narzędzia można indywidualnie przypisać granice tolerancji, jak progi ostrzegawcze czy bariery wyłączenia. Wyjęcie głowicy z obrabianego przedmiotu zapobiegnie uszkodzeniu drogiego elementu.
Używany przez Scanię kompaktowy czujnik drgań VSA instalowany w otwór w obudowie głowicy silnika, stale wykrywa charakterystykę drgań podczas procesu obróbki. Profesjonaliści przekonują, że akcelerometr mikromechaniczny jest tak czuły, że wykryje nawet najmniejsze niewyważenie spowodowane brakiem zęba na głowicy frezarskiej, która sama ma rozmiar zaledwie milimetra. Zmiany sił skrawania, spowodowane na przykład tępym wiertłem lub zbyt dużą ilością opiłków, będą wykrywane i raportowane, bo w procesie zmieni się charakterystyka drgań.
Bezkolizyjna praca
W produkcji seryjnej dla przemysłu motoryzacyjnego cały proces frezowania, toczenia i wiercenia jest zwykle testowany za pomocą symulacji. Zwłaszcza podczas wytwarzania poszczególnych komponentów, błędy programowania mogą prowadzić do kolizji między narzędziem i częścią lub maszyną. Dlatego istotną funkcją monitorowania drgań jest wykrywanie potencjalnych kolizji. Ochronna diagnostyka wibracyjna monitoruje stan i zapisuje odpowiednie wartości.
– W fabrykach wyposażonych w system smart factory osoby zarządzające podejmują bezbłędne decyzje w oparciu o zawsze aktualne dane zbierane przez inteligentne technologie w czasie rzeczywistym. Bieżące wskaźniki pozwalają na tworzenie kompletnych raportów, maksymalnie elastycznie dopasowując krótkoterminowe plany działań do długofalowych strategii. Zaawansowane algorytmy mogą tworzyć plany produkcyjne przy optymalnym doborze dostępnych zasobów. To jest fundament funkcjonowania każdej współczesnej fabryki korzystającej z udogodnień automatyki przemysłowej. Zwłaszcza w dobie dynamicznych zmian rynkowych w czasach pandemii koronawirusa – podsumowuje Krzysztof Smaga.
Jeśli w procesie produkcji pojawią się odstępstwa od wskaźników referencyjnych, to odpowiednio skonfigurowany program wyświetli komunikat o błędzie. Gwarantuje to stałe monitorowanie stanu, zapewniając operatorom w parku maszyn dodatkowe bezpieczeństwo. Jednostka oceniająca analizuje sygnały z kilku czujników drgań i przesyła je bezpośrednio do układu sterowania maszyny. Zapewnia to łatwą i stabilną integrację. Wartości graniczne wykrywania drgań i kolizji można zapisać w sterowniku maszyny dla każdego narzędzia i cięcia osobno. Oddzielnie dane dotyczące wibracji zostaną zapisane w kontrolerze i będą dostarczane z regulowanymi wartościami tolerancji. Ich przekroczenie w trakcie procesu obróbki będzie interpretowane przez sztuczną inteligencję jako błąd i w zależności od amplitudy drgań przełoży się na komunikat ostrzegawczy lub zastopowanie procesu obróbki.
Wizualizacja dzięki oprogramowaniu
Pełny ogląd sytuacji w fabryce możliwy jest dzięki zastosowaniu oprogramowania, przekazującego dane z czujników w przejrzysty sposób. Sztandarowym przykładem może być oprogramowanie smartobserver, który wizualizuje i monitoruje stan maszyn i instalacji oraz przechowuje wszystkie dane w bazie. Następnie może je dalej udostępniać dla systemów wyższego poziomu. Całość, niezależnie od lokalizacji, umożliwia sterowanie kompleksowymi sieciami firmowymi.
Tego typu systemy zainstalowany jest we włoskich zakładach Iveco, światowego producenta ciężarówek i pojazdów użytkowych. To właśnie na północy Włoch w małym miasteczku Suzarra codziennie na linię montażową wjeżdża 250 samochodów dostawczych Daily. Operację przeprowadzono podczas trwania pracy, bez konieczności zatrzymywania produkcji. Nowy system, który można było dokładnie przetestować w pracy równoległej, szybko udowodnił swoją wartość. Nieuchronne dotychczas uszkodzenia w parku maszyn są teraz wykrywane na wczesnym etapie i mogą być eliminowane bez konieczności wdrażania okresu przestoju produkcyjnego.
Czujniki umożliwiają konserwację w oparciu o stan faktyczny. W fabryce nadwozie jest montowane za pomocą tłoczonych elementów stalowych i spawane przez roboty. Każda konstrukcja musi przejść przez rozbudowaną linię produkcyjną o długości 100 metrów. Nieoczekiwana awaria oznaczałaby postój w danym miejscu i zatrzymanie całej produkcji. Dlatego Iveco zainstalowało kompleksowe systemy diagnostyczne, zezwalające na warunkową konserwację w parku maszyn, co skutecznie zapobiega niezamierzonym stratom czasu i komponentów na ścisłym etapie produkcyjnym.
Wzorowa diagnostyka
Już wstępna analiza, pozwala określić, które części są najbardziej podatne na zużycie i mogą skutkować wywołaniem awarii. W szybki sposób można zdiagnozować na przykład potencjalny problem z łożyskami w przenośnikach i podnośnikach, które są narażone na intensywną pracę mechaniczną. To z kolei w prostej linii przekłada się na uniknięcie czasochłonnego zatrzymania produkcji. Jednocześnie można zaplanować maksymalny czas zużycia poszczególnych elementów parku maszyn i okresu sprawności całego systemu, po którym konserwacja będzie niezbędna. Da się to jednak robić w trakcie innych skomplikowanych procesów.
– Zdecydowaliśmy się na wdrożenie systemu na najważniejszej linii w hali produkcyjnej, gdzie produkowane są wszystkie wersje naszej furgonetki. Na tej linii produkcyjnej poszczególne panele boczne są transportowane do produkcji całego podwozia. To tutaj belki poprzeczne są mocowane, a na końcu mocowany jest dach. Transport na stanowiska spawalnicze odbywa się w pełni automatycznie, następnie różne typy karoserii są wysyłane do dalszego przetwarzania – mówi Amodio Cioffi, inżynier utrzymania ruchu robotów w fabryce WCM IVECO SPA. – Zawsze szukamy nowych technologii do ciągłego doskonalenia w celu zwiększenia wydajności i produktywności. Jeśli chodzi o konserwację, wdrożony system pozwolił nam na zmiany procesu konserwacji przy jednoczesnym utrzymaniu cyklu produkcyjnego, co oznaczało znaczne cięcie kosztów i duże oszczędności – dodaje Fabio Piccinelli z działu wsparcia fabrycznego WCM Iveco SPA.
Elementy sprzętowe i programowe umożliwiają bezpośrednie połączenie w sieć wszystkich podłączonych czujników i elementów wykonawczych z lokalnym serwerem za pośrednictwem sieci Ethernet. Za pomocą tego połączenia dane maszynowe, parametry procesu i dane diagnostyczne mogą być bezpośrednio odczytywane i przetwarzane przez dział IT. Łatwe w obsłudze oprogramowanie serwerowe umożliwia ocenę danych za pomocą kokpitów dostosowanych do konkretnego klienta. Korzystając z tych samych mechanizmów komunikacyjnych, można bezpośrednio łączyć maszyny i wymieniać dane związane z produkcją. Dedykowany program pozwala sprawdzić, czy i jakie dane czujnika przesyłane są na poziom sterowania procesem. Dodatkowo dostępne jest również przenoszenie raportów i analiz na wyższe poziomy.
Intuicyjne działanie
– Czujniki pomagają personelowi odpowiedzialnemu za konserwację parku maszyn na wykrywanie faktycznego stanu zużycia każdego elementu w czasie rzeczywistym. To zaś zapewnia wprowadzanie wszelkich niezbędnych prac konserwacyjnych, zanim wystąpią rzeczywiste szkody. Konserwacja oparta na tym systemie to jednak znacznie więcej niż tylko monitorowanie elementów mechanicznych. Wygenerowane na tym etapie z wyświetlacza parametrów dane mogą dodatkowo pokazywać wyraźny obraz całego zakładu produkcyjnego i samoistnie wysyłać wczesne ostrzeżenia i alarmy na przykład za pośrednictwem wiadomości e-mail – podkreśla Krzysztof Smaga, specjalista branży automotive w ifm electronic, produkującej proinnowacyjne systemy i czujniki dla przemysłu motoryzacyjnego.
Nie ma przeszkód, aby łączyć poszczególne systemy i rozwiązania . Zainstalowanie czujników drgań pozwala z kolei na szybką diagnostykę wszystkich mechanicznych części systemu. Przykładowo cylindryczny czujnik może być bezpośrednio przykręcony do obudowy za pomocą odpowiedniego łożyska lub koła zębatego. Jednostka stale analizuje charakterystykę drgań czy tików i gwarantuje wysyłanie wczesnych ostrzeżeń, na przykład przy wykryciu bezpośrednich uszkodzeń z powodu nieprawidłowego wyważenia.
Następny przykład działania smartobserver można oprzeć na monitorowaniu wody chłodzącej w uchwytach spawalniczych, gdzie możliwymi źródłami błędów są zatkane filtry lub wyciek. Przepływomierze do małych objętościowo przepływów mogą zbierać dane dotyczące przepływu i ciśnienia w rurach oraz centralnie nadzorować układ chłodzenia za pomocą systemu sprężonego powietrza. Nawet małe wycieki są wtedy momentalnie wykrywalne. Wszystkie czujniki konwertują dane i przesyłają zmierzone wartości cyfrowo za pośrednictwem IO-Link. Dzięki temu możliwe jest programowanie konkretnych punktów przełączania czujnika dla wczesnych ostrzeżeń i alarmowania bezpośrednio ze stanowiska monitorowania, nawet bez konieczności zbliżania się do czujnika.
