Цифрови технологии и развитие на индустриалната пневматика

АвтоматизацияСп. Инженеринг ревю - брой 7/2018 • 05.11.2018

Цифрови технологии и развитие на индустриалната пневматика
Цифрови технологии и развитие на индустриалната пневматика
Цифрови технологии и развитие на индустриалната пневматика
Цифрови технологии и развитие на индустриалната пневматика

Иновациите са в основата на развитието на съвременните индустриални пневматични системи. Усилията на разработчиците и производителите на пневматична техника в контекста на нарастващата дигитализация в промишлеността са насочени към увеличаване на производителността, оптимизиране на модулния дизайн на компонентите и мехатронните системи, подобряване на устойчивостта и ефективността.

Модерните цифрови производства с висока степен на автоматизация са базирани на концепции като Industry 4.0 и Internet of Things с възможности за отворена комуникация между киберфизични системи, които са способни да функционират автономно. Пневматичните и вакуумни технологии играят ключова роля в интелигентните фабрики, тъй като са във физически контакт с индустриалните процеси, компонентите и детайлите, събират и анализират големи обеми данни и разполагат с функции за мониторинг на състоянието и енергийната ефективност на машините и оборудването.

Експертите очакват ускорено възприемане на IIoT/Industry 4.0 технологиите във все повече индустрии през следващите години. Що се отнася до сегмента пневматична техника, този процес протича сравнително бавно, смятат анализаторите от консултантската агенция Frost & Sullivan. Като основна причина за това маркетинговите проучвания в областта посочват липсата на ясна стратегия сред производителите и недостатъчна информираност за потенциалните ползи сред потребителите.

Съвременните пневматични системи се отличават с високи нива на интелигентност, особено вследствие на разширеното използване на програмируема логика. Тенденцията да се интегрират все повече електронни компоненти в пневматичната техника непрекъснато нараства през последното десетилетие, отбелязват специалистите. Благодарение на това пазарът на пневматични технологии регистрира траен ръст през последните години, дори след период на сериозна рецесия. Прогнозите на Frost & Sullivan предвиждат значително пазарно насищане през следващото десетилетие и нови възможности за растеж, сред които водеща роля ще играе именно дигитализацията на индустрията.

Потенциал за технологични подобрения
Пневматиката ще продължи да бъде предпочитана технология за широка гама промишлени приложения и в цифровите производства благодарение на високата й степен на безопасност в рискови сценарии и опасни среди, опростеният й принцип и доказаната й надеждност, смятат експертите. Продължава да е налице и сериозен потенциал за подобрение в редица отношения, като енергийната ефективност например, особено в сравнение с хидравличните и електрически системи. Енергийната ефективност е ключово изискване от страна на крайните клиенти, не само поради глобалния натиск върху енергийното потребление в индустрията, но и с цел оптимизиране на енергийните разходи, които представляват значителен дял от оперативните разходи при пневматичното оборудване. Макар всички базови компоненти на пневматичните системи – компресори, клапани, изпълнителни механизми, регулатори на въздушни филтри, блокове за смазване и фитинги, да се считат за продукти за масово потребление, IIoT и Industry 4.0 оказват основно влияние върху технологичното развитие и дизайна при вентилите и задвижките. По данни на Frost & Sullivan, тези два продуктови сегмента са водещи двигатели на пазарния ръст при пневматичната техника и повлияват моделите на проектиране и закупуване, както и схемите на доставка на останалите видове пневматични компоненти.

Интегрирането на иновативни технологии в пневматиката в контекста на нарастващата дигитализация на индустриалното производство води до съществени ползи в две основни направления – поддръжка и производителност. Пневматичните вентили контролират въздушния поток в системата, а намаляването на консумацията на въздух е един от най-важните приоритети за производителите на оригинално оборудване и крайните потребители в стремежа им да намалят потреблението на енергия. Подобряването на възможностите за управление при пневматичните задвижвания е друго основно изискване на крайните потребители, сочат анкетите в областта. Добавянето на сензори в системата прави възможно събирането на данни за ключови експлоатационни характеристики като скорост, сила, консумация на въздух и продължителност на работния цикъл. Тази информация може да помогне за идентифицирането и отстраняването на редица проблеми във връзка с ефективността и цялостно подобряване на производителността. В допълнение, анализирането на данните с цел изготвяне на профили на ефективността, показателни за влошена производителност, могат да помогнат на крайния потребител прогнозно да открива различни повреди при компонентите.

Възможности и предизвикателства
Въпреки правителствените стимули в глобален план и широкото възприемане на Industry 4.0 и Internet of Things от големите компании производители на индустриално оборудване, процесът по практическото въвеждане на технологиите на четвъртата индустриална революция във фабриките е свързан с множество предизвикателства. Сред тях са потребността от сериозни капиталовложения в интелигентни технологии, завишените системни и архитектурни изисквания във връзка с големите обеми данни, както и кибер рисковете за сигурността на информацията и неприкосновеността на индустриалните системи.

За доставчиците на пневматично оборудване предизвикателствата, свързани с възприемането на дигиталната производствена парадигма, са насочени основно към цените на компонентите. Клиентите (както производителите на оригинално оборудване, така и крайните потребители) са чувствителни по отношение на цената и убеждаването им да инвестират в интелигентни технологии без напълно да разбират потенциалните ползи от тях може да се окаже трудно, отбелязват пазарните анализатори.

Средната продължителност на жизнения цикъл на една индустриална машина днес е около 15 години. Съвременните клапани и задвижващи механизми са лесно заменяеми и широката наличност на по-евтини алтернативи от производители на нискобюджетна техника се оказва забавящ навлизането на дигиталните технологии в пневматиката фактор. Друга пречка е нежеланието на много потребители да променят производствените си системи и процеси. Сред резервите им по отношение на новата производствена парадигма са липсата на установени глобални технически стандарти, въпросите във връзка със собствеността на данните, както и имплементирането на нови технологии в по-старо, съществуващо оборудване.

Нагласите сред крайните потребители на пневматична техника по посока Industry 4.0 и Internet of Things могат да се подразделят условно в три групи. Първата група включва потребители, които очакват първо техните конкуренти или други популярни компании да въведат новите технологии, а те да се възползват впоследствие от доказалите се и работещи решения. Втората категория обхваща предимно средни предприятия, които следват успешните модели на най-големите компании в бранша и се интересуват от внедряване на подобни решения в собствените си производства. Третата група се състои от големи корпорации със сериозни бюджети за научноизследователска и развойна дейност, които имат възможност да тестват и възприемат IIoT/Industry 4.0 концепции в някои от производствените си съоръжения и да увеличават в последствие мащаба на използване на дадено решение до други фирмени локации по света. По-голяма част от потребителите на пневматична техника в глобален план понастоящем попадат в първите две категории.

Пазарни прогнози
Макар статистиките да сочат сравнително бавен темп на възприемане на дигиталните технологии в индустриалната пневматика към момента, експертите прогнозират значително ускоряване на процеса през следващите 5 до 10 години. През този период се очаква да се засили тенденцията към завръщане на изнесените производствени мощности към развити региони като Северна Америка и Европа. Същевременно, увеличаването на разходите за труд в нововъзникващите региони бавно ще елиминира печалбите от производствените разходи. В допълнение, намаленото време и разходи за доставки допълнително стимулират връщането на производството в родните страни на компаниите. Автоматизацията и средствата на новата дигитална производствена парадигма правят възможно поддържането на конкурентни пазарни позиции в глобален план, произвеждайки на място в Европа или Северна Америка. Налице са нарастващи правителствени стимули към увеличаване на производствения капацитет в тези региони. Промяната на потребителските модели обаче се оказва най-сериозен двигател на инвестициите в средства за автоматизация, показват данните от проучванията. В същото време възприемането на IIoT/Industry 4.0 концепции улеснява разкриването на нови производствени линии в съществуващите бази с популяризирането на модулните и скалируеми решения.

Анализаторите от Frost & Sullivan са убедени, че макроикономическата тенденция към връщане на производствени мощности у дома, нарастващите изисквания към оптимизирана енергийна консумация и подобрена оперативна ефективност, в комбинация с непрекъснатата разработка на индустриални стандарти във връзка с IIoT и Industry 4.0, в крайна сметка ще доведат до масовото навлизане на дигитални технологии не само при големите производители на пневматична техника, но и при средните и малки предприятия в бранша.

Предпоставка за основополагащата връзка между индустриалната пневматика и промишлената дигитализация е фактът, че този отрасъл от години произвежда базови компоненти, продукти и технологии за цифровизиране на производството. Мехатронните системи с широки комуникационни възможности на практика са пряк предшественик на кибер-физичните системи, които са в основата на четвъртата индустриална революция. В допълнение, генерирането и събирането на ценни данни за производствените процеси създава условия за тяхното цифровизиране и за интелигентно управление на информацията в производството. А пневматичните системи, в ролята си на свързващо звено между физическите елементи на индустриалното оборудване и средствата за автоматизация, разполагат с широки възможности за мониторинг на състоянието и прогнозен мониторинг. На практика, модерните технологии при пневматичните компоненти в много случаи са ключът към превръщането на индустриалните продукти в “Industry-4.0-ready” решения (“готови” за новия производствен ред).

Основна тенденция при средствата за автоматизация и софтуерните технологии за управление на производствени системи през последните години е събирането и анализирането на релевантна информация от производствените системи. Постепенно управлението на фабриките и заводите, както и на тяхната продукция, се изнася в облачна среда благодарение на възможностите на дигиталните технологии. Така се налагат нови бизнес модели, услуги и концепции.

Дигитални двойници
Една от множеството ползи във връзка с цифровизацията на производството е възможността за генериране на дигитален “двойник” или цифров “близнак” на всеки физически компонент или устройство. Съвременните проектантски екипи в глобалните производствени компании обикновено използват единна платформа за данни за дизайн и симулация. Виртуалното моделиране на дизайна спомага за възпроизвеждане на формата на компонента, а симулационното моделиране – на неговата функция. При цифровото проектиране непрекъсната оптимизация и директното производство (чрез адитивни методи) стават напълно възможни на практика.

Основното предимство на дигиталните близнаци в индустриалната пневматика е свързано със системния дизайн. Производителите на пневматична техника могат да предложат на своите системни инженери и клиенти посредством интернет портали и мобилни приложения възможността сами да конфигурират и симулират цели пневматични системи.

Инструментите за конфигуриране са насочени предимно към оптимизиране на проектирането и икономия на инженерни разходи, както и улесняване на поръчките и доставките. С цел получаване на цялостен дигитален двойник на дадена система клиентите могат да се възползват от техническа документация, CAD модели, изчислителни функции и инструменти за симулация, E-CAD макроси (запаметени серии от команди за автоматизиране на даден процес) и интегрирани механизми за управление в стандартизирани формати.

Функционална интеграция
Мехатронната интеграция и микроконтролерните (embedded) системи са сред основните сфери на разработване и въвеждане на иновации при индустриалната пневматика през последните две десетилетия. Съвременните решения разполагат с комплексни софтуерни платформи за конфигуриране и параметризиране на вградени устройства – директно на място посредством мобилни устройства. Т. нар. embedded системи са предшественици на кибер-физичните (CPS) системи, които функционират като гръбнак на дигитализацията и интелигентните фабрики. За да функционират като същински CPS, те трябва да бъдат надградени с някои допълнителни възможности. Тези системи трябва да разполагат със своя собствена “идентичност” или IP адрес, за да е възможно уникалното им идентифициране в глобалната мрежа. За всеки физически обект или устройство трябва да е налице цялостен дигитален двойник (в локална или облачна архитектура). Необходимо е още в системата да бъдат интегрирани интелигентни сензори за събиране на релевантна информация за производствените процеси. Системата трябва да може да предлага и свои собствени услуги в мрежата например прекалибриране на сензор или превантивна поддръжка на дадено устройство.

Възможностите на embedded системите водят до функционална интеграция в полевите устройства. В света на индустриалната пневматика това обикновено означава вграждането на компилация от различни функции в едно модулно устройство, което допреди се е предлагало под формата на отделни продукти. Истинските ползи от тази функционална интеграция се постигат чрез добавянето на софтуерни функционални модули, в ролята им на носители на нови функции, което доскоро беше възможно само в най-високите йерархични нива на системите за автоматизация.

Роля на релевантната производствена информация
Всички нови възможности на дигиталните фабрики са базирани на данни. Индустриалните производствени процеси могат да бъдат оптимизирани посредством интерпретирането и анализирането на данни за технологичните процеси и изграждането на взаимовръзки с данни за съседни процеси (търговски, логистични или технически). В основата на тези нови модели е т. нар. релевантна информация (valuable data), отсята от големите обеми данни чрез специални алгоритми и инструменти и носеща конкретно съдържание, свързано с ефективността, производителността и тенденциите на работа на системата.

Пневматичната техника е в благоприятна позиция за дигитализиране, тъй като полевите устройства в тази сфера могат да бъдат директно свързани към технологичните процеси и разполагат с вградена интелигентна функционалност за интерпретиране на данни, както и с широки комуникационни възможности.
Днес в индустриалното производство данните са основен ресурс и икономически актив. Те са в основата на нови бизнес модели като например заплащането за единичен компонент или за единична услуга. Предизвикателствата на дигиталната фабрика са свързани с широка потребност от събиране и обработка на данни. Ето защо именно в тази сфера са съсредоточени усилията на разработчиците на пневматична техника за редица приложения. Необходими са специфични алгоритми за всяко приложение, инструменти за хронологичен анализ на тенденциите, статистически и стандартни математически функции, които в стандартизиран и удобен формат да бъдат предлагани на крайните потребители на пневматични технологии. Така те биха могли оптимално да персонализират и оптимизират своята система в условията на дигитален производствен ред и да се възползват максимално от релевантната информация за нейната ефективност и производителност.

Новият брой 7/2018

брой 7-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top