Индустриални измервателни технологии в Industry 4.0

Измервателна техникаСп. Инженеринг ревю - брой 7/2017 • 03.11.2017

Индустриални измервателни технологии в Industry 4.0
Индустриални измервателни технологии в Industry 4.0

Бъдещето на промишленото производство е значително повлияно от концепцията за Industry 4.0. Днес индустриалните измервателни технологии са изправени пред предизвикателството да се адаптират към принципите на тази нова производствена парадигма, за да отговарят на най-актуалните тенденции и приложения в метрологията.

Данните, събирани с помощта на съвременните измервателни средства, представляват основен компонент на кибер-физичните производствени системи (CPPS). Тези системи се стремят да елиминират традиционните ограничения пред производствените процеси и да покрият завишените изисквания по отношение на производителността и възможностите за свързаност, заложени в концепцията за Industry 4.0.

Новите производствени системи и измервател-ните технологии
Кибер-физичната система (CPS) е система, която осъществява връзка между реални (физически) обекти и процеси с виртуални такива чрез отворени, частично глобализирани информационни мрежи, които могат да бъдат свързани помежду си по всяко време.

Кибер-физичните производствени системи (CPPS) са CPS, интегрирани в производството чрез вграден софтуер, който може да събира и обработва данни в реално време и на тази база селективно да се намесва в процесите. CPPS взимат предвид продукта, производствената сфера и производствената система, и взаимодействат както с физическия свят, така и с дигиталния чрез мултимодални интерфейси.

Сензорите, които често се използват за измервателни цели, служат и за свързване между виртуалния и реалния свят. Актуалният статус на даден обект или процес се трансферира в кибер реалността под формата на реални данни, за да се извлече информация за обекта/процеса. Тази информация се съхранява в специализирана база данни и в последствие може да се използва като основа за изграждане на модели, които да бъдат адаптирани (в идеалния случай чрез самооптимизация) към реалните ситуации.

По този начин съответните сензорни системи осигуряват необходимата информация от реалния свят, за да може във виртуалния свят процесът да се планира и контролира с помощта на създадения модел. Следователно интеграцията между сензорите и измервателните технологии е ключов елемент за успешното имплементиране на CPPS системи, дори при сложни производствени процеси.

Правилното разчитане на събраните от измерванията данни става все по-важно в разпределеното и максимално автоматизирано съвременно производство. Системата също така трябва да може да реагира адекватно на излишни и противоречиви данни. Тази адекватност е важна част от изискванията за т. нар. устойчиво производство (resilient production) или устойчива фабрика (resilient factory) – спомагателни концепции, които се обсъждат все по-задълбочено в контекста на Industry 4.0.

Пътна карта на производствената метрология
През 2011 г. германска група от експерти в областта на научните изследвания и промишлеността изготви прогнозна оценка за бъдещото развитие на метрологията в промишленото производство. Този анализ бе публикуван под формата на пътна карта със заглавие “Производствена метрология 2020”.

Пътната карта обобщава предизвикателствата и тенденциите при производствената метрология в четири аспекта: бързина, точност, надеждност и гъвкавост. В последствие авторският колектив добавя и пети ключов аспект в развитието на съвременните индустриални измервателни технологии – холистичен подход.

Идеята е да се подчертае значението на по-сложните системи за измерване, които комуникират с виртуалния свят не само с цел постигане на цялостно отчитане на характеристиките на даден продукт, но и за да подобрят точността и надеждността на измерванията, както и за да разнообразят тяхното приложение. В контекста на концепцията за Industry 4.0 важността на самата метрология и нейната дигитална интеграция в производството става все по-значима.

Бързина
Скоростта играе решаваща роля в производството. Това важи в особена степен за измервателните технологии, чиято роля до голяма степен се състои в това да предоставят информацията, необходима за извършване на необходимите проверки за съответствие и за управление на процесите. Бързото предоставяне на тази информация от една страна е постижимо чрез по-бързи измервателни техники.

От друга страна, интеграцията на измервателните технологии в производствените процеси, особено чрез автоматизация, може да допринесе за по-бързото получаване на резултатите от измерванията.

През последните години с помощта на средствата за индустриална автоматизация метрологията става интегрална част от множество производствени приложения в редица области. Базата за внедряване на надеждни средства за управление на производствени процеси се формира от свързването на измервателните системи чрез информационните технологии от една страна и производствените системи от друга. 

Информацията за отклоненията и производните коригиращи стойности се предава към производствените процеси чрез тези връзки. Нарастващият стремеж към опростяване и стандартизация на технологиите, които стоят в основата на тези връзки в областта на информационните технологии (например свързването чрез компютърни мрежи), води до все повече нови разработки в областта на производствената интеграция на метрологията и до значително разширяване на приложните й области.

Точност
Подобренията в точността на основните измервателни уреди (сензори, преобразуватели) и тяхното калибриране оказват съществено влияние върху по-нататъшното развитие на измервателните техники.

Подобрения в точността могат да бъдат постигнати чрез специфични промени в производствената среда, като например използването на по-прецизни измервателни устройства, подобряване на условията на средата или извършване на повторни измервания на параметрите на тези условия с цел коригиращи действия.

Точността може да бъде подобрена и на институционално ниво от метрологичните институти чрез въвеждане на нови стандарти или чрез разработване на нови и по-ефективни методи за измерване и, следователно, калибриране на съответните трансферни стандарти към по-малки допустими отклонения в измерванията.

Онлайн събирането и обработката на текущи и основно на предварително обработени данни от измервания стават все по-популярни. Целта е имплементирането на интелигентни измервателни системи, които преди започване на оперативния цикъл например проверяват онлайн софтуера за оценка, геометричните отклонения на измервателното устройство или условията на заобикалящата среда и по този начин свеждат до минимум факторите, които допринасят за неточности в измерването.

В бъдеще мрежово свързаните цифрови измервателни системи вероятно ще могат да извършват самостоятелно валидиране и дори самокалибриране, тъй като всички по-сложни дигитални системи ще комуникират директно с кибер реалността.

Надеждност
В производствената метрология, както и в метрологията като цяло, точността на резултатите от измерването се описва количествено чрез определяне на грешката в измерването. От позитивна гледна точка този параметър отразява сигурността и надеждността на резултата от измерването. Неточността в измерването играе основна роля при оценката на съответствие, а именно, дали резултатът от измерването, включително неговата неопределеност, не надвишава или не спада под определените граници по спецификация.

В производството често се използват опростени процедури с различни нива на детайлност, което може да доведе до различни резултати при практическото прилагане на методите за измерване. Въпреки това, колкото по-прецизно се дефинират допустимите неточности при измерванията, толкова по-качествена е информацията, която те носят.

В бъдеще прилагането на стандарти за калибриране при проследяването на процесите за измерване и електронния трансфер на съответните данни ще изисква използването на цифрови сертификати за калибриране. Поради нарастващия дял на софтуера в измервателните системи, темата за надеждността на софтуера в контекста на надеждността на резултатите от измерванията също е сред ключовите дискусионни въпроси по отношение на концепцията Industry 4.0.

Гъвкавост
Разнообразието от измервателни системи, използвани в производството, продължава да расте, а заедно с това – и способността им да се адаптират към различни измервателни приложения, провеждани при различни условия. Метрологията става все по-гъвкава чрез комбиниране на отделни измервателни техники и технологии. В по-тесен смисъл това може да означава например комбинация от различни сензори в еднокоординатна измервателна машина. Комбинирането на различни сензори в една система е често срещано при микроскопията, особено при електронните микроскопи.

Като цяло терминът “мултисензорна измервателна система” илюстрира различни системи за измерване, които работят заедно. Тук става въпрос не просто за оборудване на дадено устройство с множество сензори, а за подходяща селекция или комбинация на резултатите от различни видове сензори. Това е първата стъпка по посока виртуализирането на сензорните системи.

Свързвайки сензорите към процесния модел, виртуализацията намира нови възможности за измерване на процесни променливи. Гъвкавостта на измервателните системи се подпомага и от нарастващата модуларизация на сензорните системи. В допълнение към съществуващия физически чувствителен елемент, сензорите често имат допълнителни компоненти, които им позволяват да служат като интерфейси в CPPS системите. Интегрирането на допълнителна функционалност в измервателния сензор е именно това, което го превръща в интелигентен сензор.

Холистичен подход
В контекста на производствената метрология холистична оценка на продуктите означава, че съответните качествени характеристики са събрани, за да формират обща база за оценка на качеството. Този цялостен подход се разглежда като средство за внедряване на концепцията за CPPS системи в модерното производство.

Целта на измервателните технологии вече не е да получават и обработват отделни стойности от измервания, както и характеристики на продукта поотделно. Както при виртуалните сензори, основата за цялостния подход е в наличието на модели на продукта, на производството и на механизмите на действие, както и на измервателните техники.

Моделите имат задачата да поставят получените резултати от измерванията в контекст, свързан със съответните характеристики на продукта. Те образуват връзката между продукта и неговите характеристики от една страна, и резултатите от измерванията от друга, като по този начин позволяват данните от измерванията да се интерпретират в контекста на качеството на продукта.

Това консолидиране на всички информационни елементи – резултатите от различните измервателни системи, включването на допълнителни информационни източници, като геометрични модели, материални закони или характеристики на измервателните методи – може да се опише като мултиинформационно сливане, своеобразно разширяване на концепцията за мултисензорни технологии.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top