Styrket af banebrydende automatiseringsteknologi: Den bæredygtige rejse

Forbundne sensorer, robotteknologi, adaptive drev - avancerede automatiseringskoncepter er nøglen til energibesparende og ressourceeffektiv produktion. For systemintegratorer og anlægsoperatører er de en stærk løftestang til at optimere deres infrastruktur og processer med hensyn til bæredygtighed.

(Billedkilde: AzmanJaka via Getty Images)

Efterspørgslen efter energi, brugen af råmaterialer og - især i storbyområder - størrelsen af det nødvendige areal er de mest kritiske faktorer for industriel produktion. På den ene side bestemmer de fabrikkers og anlægs økonomiske effektivitet, og på den anden side er de afgørende for en bæredygtig drift.

I mange regioner i verden gøres der en enorm indsats for at begrænse brugen af konventionelle fossile brændstoffer og erstatte dem med vedvarende alternativer. De hidtidige succeser er betydelige takket være politikernes, industriens og den private sektors engagement. I Tyskland, for eksempel, hvor målet er at gøre vedvarende energi til den fremherskende energikilde inden for rammerne af landets energirevolution, nåede deres andel af det samlede energiforbrug sidste år en værdi på lige over 48 procent. Ifølge Federal Network Agency står fremstillingsindustrien for mere end en fjerdedel af energiforbruget, og dens andel af elektricitetsefterspørgslen er også sammenlignelig. Produktion og forarbejdning af kemikalier og metaller er de førende sektorer.

Disse og mange andre fremstillingsindustrier, herunder elektro- og maskinteknik samt fødevareproduktion, er drevet af de fremskridt, der er gjort inden for fabriks- og procesautomatisering. Ud over at optimere produktivitet og omkostninger skifter fokus mere og mere til parametre, der resulterer i forbedret bæredygtighed af produkter og processer: I forbindelse med digitaliseringen og gennem konceptet Industry 4.0 fokuserer de i stigende grad på energieffektivitet, økonomisk brug af ressourcer, undgåelse af affald og det mindst mulige CO2-fodaftryk.

Optimerer for bæredygtighed

Automatiseringsteknologi tilbyder en række tilgange, som systemintegratorer inden for maskin- og anlægsteknik samt produktionsvirksomheder kan bruge til at optimere deres infrastruktur, anlæg og processer med hensyn til bæredygtighed. Den omfattende brug af sensorer og deres integration i Industrial Internet of Things (IIoT) åbner op for en bred vifte af muligheder her ved hjælp af kontinuerlig overvågning af energiforbrug, miljøparametre eller lagerbeholdninger. Ved hjælp af forbundne sensorer kan produktionsvirksomheder f.eks. spore transport af varer i realtid, overvåge fyldningsniveauer eller registrere tilstandsdata for maskiner og værktøjer i produktionslinjer (figur 1).

Figur 1: Registrering og analyse af maskinernes tilstandsdata rummer potentiale for mere bæredygtige processer. (Billedkilde: Banner Engineering)

Et fremragende eksempel på sensorproduktfamilier, der holistisk understøtter IIoT-tilgangen til produktion, er Snap Signal-porteføljen fra den amerikanske leverandør Banner Engineering. Generelt er brugernes udfordring først at identificere relevante data og i næste trin at udtrække dem fra eksisterende udstyr. Hvis der identificeres et behov for at integrere yderligere sensorteknologi til måling af andre variabler, såsom vibrationer og temperatur i et drev, bør det ikke kræve nogen ændringer i den eksisterende kontrolarkitektur. Det er også vigtigt at standardisere kommunikationen og konvertere alle sensor- og styringsdata til en fælles protokol. Til dette formål tilbyder Snap Signal-produktlinjen (figur 2) intelligente sensorer, signalkonvertere, controllere, signaladaptere og trådløse kommunikationsmoduler samt kabeltilslutningsteknologi, der gør det muligt for automationsingeniører at løse disse opgaver ved hjælp af plug-and-play.

Figur 2: Understøtter IIoT-tilgangen til produktion: intelligente sensorer, omformere og controllere fra Snap Signal-familien. (Billedkilde: Banner Engineering)

Behandlingen og analysen af sådanne sensordata - der enten udføres centralt i en sky eller direkte i marken - gør det derefter muligt at drage konklusioner om fejl og optimeringspotentiale i processerne eller behovet for vedligeholdelse. På den måde kan energitab reduceres, og ressourceforbruget minimeres. På den anden side gør forudsigelig vedligeholdelse det muligt at planlægge servicearbejde på forhånd og dermed reducere nedetid, hvilket igen hjælper med at undgå yderligere udgifter til energi og materialer.

Energibesparende drevteknologi

Når det gælder produktionsanlæggenes energibehov, spiller drevteknologien for eksempel en stor rolle. Effektive drevsystemer udstyret med avancerede frekvensomformere (VFD'er) er for eksempel i stand til præcist at tilpasse motorhastighederne til systemets reelle behov, hvilket reducerer strømforbruget betydeligt, især ved applikationer med variabel belastning. Regenerative drev kan reducere forbruget yderligere ved at opsamle og genbruge bremseenergi. De bliver stadig vigtigere i forbindelse med modularisering og fleksibilisering af produktionsanlæg, som anses for at være en af kernekomponenterne i Industry 4.0. I konceptet med den modulopbyggede fabrik påtager AGV'er (Automated Guided Vehicles) og mobile assistancerobotter sig støttefunktioner, f.eks. i forbindelse med håndtering og montering. Lav vægt og rekuperation er vigtige egenskaber her, fordi de ikke kun sikrer økonomisk energiforbrug og et lille miljøaftryk, men også en lang rækkevidde for AGV'er og cobots.

Den franske producent Schneider Electric henvender sig til dette markedssegment for højeffektiv drevteknologi med sin kompakte VFD Altivar ATV320. Den er velegnet til styring af trefasede synkron- og asynkronmotorer i effektsegmentet fra 0,18 til 15 kW ved variable hastigheder. Ifølge leverandøren kombinerer den integreret sikkerhed med talrige funktioner, der er klar til brug, og som er designet til at understøtte applikationens effektivitet. Disse omfatter moment- og hastighedsnøjagtighed ved lav hastighed, høj dynamisk respons med fluxvektorstyring uden en sensor og et udvidet frekvensområde til højhastighedsmotorer. ATV320 (figur 3) er især kendt for sin forbedrede modstandsdygtighed over for forurenede atmosfærer, der er typiske for mange industrielle processer, og opfylder specifikationerne for IP20 samt IP6x-beskyttelsesgrad. VFD'en er designet til at kunne integreres fuldt ud i forskellige systemarkitekturer. Den er udstyret med RJ45-stik til integreret Modbus- og CANopen-tilslutning. Andre kommunikationsmuligheder omfatter Ethernet IP og Modbus TCP, Profinet, EtherCAT, DeviceNet og PowerLink.

Figur 3: Altivar ATV 320 VFD til styring af trefasede synkron- og asynkronmotorer ved variabel hastighed. (Billedkilde: Schneider Electric)

Smartere styring

I jagten på en mere bæredygtig brug af energi og industrielle ressourcer er optimering af styringsteknologi en uundgåelig del af ligningen. Når det handler om at indsamle, behandle og analysere produktionsdata i automatiserede anlæg, spiller avancerede edge-controllere i dag en nøglerolle. Disse enheder er kompakte, skalerbare og forbundet via Industrial Ethernet, og de kan bruges til at implementere både cloud-baserede og lokale løsninger. Dedikerede funktioner til diagnosticering og energistyring hjælper automationsingeniører med at analysere produktionsprocesser, identificere flaskehalse og iværksætte optimeringstiltag baseret på industrielle controllere som Simatic S7-1200. Avancerede kontrolalgoritmer samt integrerede kommunikations- og sikkerhedsfunktioner yder et afgørende bidrag til præcis procesudførelse.

Figur 4: Effektiv procesudførelse baseret på analyse af produktionsdata ved hjælp af Siemens Basic Controller, både cloud- og lokale løsninger kan implementeres. (Billedkilde: Siemens)

Effektiv med præcision

Robotter er små, smidige og ekstremt alsidige med deres kompakte letvægtsdesign og intelligente styringsteknologi, og de har en betydelig indvirkning på den bæredygtige brug af produktionsressourcer. De robuste og meget tilpasningsdygtige enheder fra den tyske producent KUKA's Agilus-familie er et fremragende eksempel på dette (figur 5). De leveres med en integreret energiforsyning og i flere varianter, nogle tilbydes som renrumsrobotter, andre til hygiejnekritiske applikationer eller potentielt eksplosive miljøer. Robotterne er designet til menneske-robot-samarbejde og muliggør meget effektive processer takket være deres meget præcise og gentagelsesnøjagtige bevægelsesstyring. For eksempel er de ideelle til at minimere behovet for omarbejde i bearbejdningsprocesser samt niveauet af kassationer.

Figur 5: KR Agilus i et projekt på universitetet i Reutlingen i Tyskland. Her arbejder de studerende sammen med industripartnere om at udvikle bæredygtige alternativer til engangsbestik af plast. (Billedkilde: KUKA Deutschland)

Brugen af sådanne kompakte og variable assistenter giver også mening for små og mellemstore virksomheder, som producenten dokumenterer i forskellige succeshistorier [4]. Blandt disse er et universitetsprojekt, hvor studerende på universitetet i Reutlingen i Tyskland forsker i genanvendelige alternativer til engangsbestik af plast. De støttes af den tyske sprøjtestøbningsekspert Gindele samt af KUKA og deres systempartner Robomotion. Al håndtering omkring sprøjtestøbning er dækket af en meget fleksibel robotcelle, hvis kerne er en Agilus kompaktrobot udstyret med en 3D-printet griber.

Ifølge databladet har KUKA Agilus KR6 R900-2, en seksakset robot, en maksimal rækkevidde på 901 mm og en nyttelast på 6,7 kg, og den opnår en gentagelsesnøjagtighed på ±0,02 mm i overensstemmelse med ISO 9283. Anvendelsesmulighederne spænder fra håndtering i forbindelse med andre maskiner over test- og måleteknologi og påføring af klæbestoffer eller tætningsmidler til montering, pick-and-place, emballering og idriftsættelse. Robotten fylder 208 mm x 208 mm, vejer ca. 54 kg, er IP56/67 og ESD-beskyttet (elektrostatisk afladning) samt egnet til montering på gulv, loft, væg og vinkel.

Digitale modeller, materialer og meget mere

Ud over de tilgange, der er vist her, kan ingeniører udnytte yderligere optimeringspotentiale ved at anvende bæredygtige materialer, cirkulære økonomiteknikker og den seneste udvikling inden for digitalisering. Målet med cirkulær økonomi er at undgå affald og restmaterialer og at genbruge og genanvende så mange råmaterialer, komponenter og emballagematerialer som muligt. Dens principper kan yde et afgørende bidrag til automatiserede anlæg, der fungerer mere bæredygtigt.

Koncepterne med den digitale tvilling og den digitale skygge er en lovende tilgange til at identificere optimeringspotentiale uden at teste på rigtige maskiner eller anlæg med et højt ressourceforbrug. Takket være den omfattende digitale repræsentation af virkelige produkter, anlæg eller processer - og af deres livscyklusser - kan vedligeholdelsesforanstaltninger iværksættes eller korrelationer etableres mellem udvikling, produktion og alle andre faser i værdikæden. Ingeniører kan således simulere opførsel, funktionalitet og kvalitet af virkelige objekter eller processer i detaljer - og forbedre deres bæredygtighed, for eksempel ved at eliminere behovet for fysiske prototyper.

Sammenfatning

Automatisering giver store fordele for proces- og produktionsteknik med hensyn til produktivitet og omkostninger. Det er derfor en afgørende økonomisk faktor. Men derudover er avancerede automatiseringskoncepter og -produkter også nøglen til at forbedre bæredygtigheden af industrielle processer. Fra prædiktiv vedligeholdelse til den modulære fabrik og menneske-robot-samarbejde - denne artikel giver sammen med udvalgte eksempler et indtryk af de mange muligheder.