Industry 4.0 при заваръчните технологии

МашиниСп. Инженеринг ревю - брой 3/2018 • 04.05.2018

Industry 4.0 при заваръчните технологии
Industry 4.0 при заваръчните технологии
Industry 4.0 при заваръчните технологии
Industry 4.0 при заваръчните технологии
Industry 4.0 при заваръчните технологии

Водеща концепция в новата производствена парадигма Industry 4.0 са автономно работещите интелигентни фабрики. При тях цялата необходима информация е достъпна в облака, а интелигентни софтуерни инструменти управляват производствените процеси и организират веригата за доставки. Цифровизацията на индустрията неминуемо оказва влияние и върху заваръчните методи и оборудване.

Адаптирането на процеса за приложения в умни фабрики включва дигитализиране на параметрите на заваряване, интегриране на микропроцесорни управления в заваръчните апарати, използване на софтуерни платформи и комуникационни интерфейси за персонализиране и конфигуриране на приложенията и т. н. Този преход е невъзможен без преодоляването и на някои сериозни предизвикателства като осигуряването на високоскоростни комуникации в самите заваръчни машини и между тях, между производствените мрежи и интернет, както и разработването на ефективни стратегии за киберсигурност и защита на данните. Не на последно място, навлизането на Industry 4.0 при заваръчните технологии ще стимулира все по-широкото приложение на виртуалното заваряване и ще осигури възможности за цифрово-информационно обезпечаване на физическото оборудване.

Цифровизация на заваръчния процес
За да стане възможна успешната трансформация на заваряването в интелигентна производствена технология, знанията и уменията на заваръчните специалисти трябва да бъдат дигитализирани така, че компютърните симулатори да могат да ги “изучат” и възпроизвеждат. Основен акцент се поставя върху умните алгоритми за вземане на решения, базирани на човешките реакции и поведение при заваряване. Заваръчната техника трябва да бъде оборудвана с микропроцесори и различни типове сензори за трансформиране на всякакъв вид информация, свързана със заваряването, в цифрови данни. Тук специален фокус е комуникацията между оператора и оборудването и обменът на данни с производствените мрежи, както и възможността за обработка на тези данни в реално време.

Подобно на останалите производствени процеси и технологии, които се дигитализират по пътя към Industry 4.0, и цифровизацията при заваряването е свързана с генериране на големи масиви данни. Те предполагат наличието на отворени мрежови архитектури с достатъчно памет за съхранение, както и осигуряване на стратегия за гарантиране на сигурността на данните.

Производителите на заваръчна техника постепенно изместват фокуса си към решения, ориентирани към цифровизацията на заваръчния процес. Основните тенденции в развитието на заваръчните системи за умни фабрики са възможностите за обмен и управление на информация в реално време, съхранението на големи обеми данни, системите за киберсигурност, интелигентните интерфейси човек-машина и др. Крайната цел на дигитализацията в производственото оборудване са автономно работещите системи. Но докато тази идея се реализира при заваряването, заварчикът остава ключов елемент в процеса. Ето защо обезпечаването на комуникацията между него и заваръчното оборудването е област на все повече технологични разработки в контекста на Industry 4.0.

Трансформация на заваръчните клетки
Експлоатацията на заваръчните клетки включва управлението на широк набор от параметри и използването на съответните консумативи и помощни средства в зависимост от конкретната задача. Автономните работни клетки за умни фабрики е необходимо да разполагат с необходимите цифровизирани знания и данни, за да могат да заваряват ефективно и прецизно в самостоятелен режим. Предвид обема и характера им, тези данни е подходящо да се съхраняват в облак, което изисква свързването на заваръчната клетка към високоскоростна мрежа за данни.

Така микропроцесорът на заваръчния апарат ще може да получи нужните входни данни съгласно приложението, например инструкции за избор на адекватна синергична крива. В случай на електродъгова заварка е възможно да е необходима информация за типа и размерите на основния метал, необходимите консумативи, защитния газ, геометрията на фугата, скоростта на заваряване и т. н. Директното зареждане на цифровизирани данни от облака в управлението на заваръчната клетка гарантира правилен избор на заваръчен процес и неговите параметри.

При конвенционалното заваряване заварчикът е този, който поема отговорност за избора на правилните настройки въз основа на своите опит и познания. Когато в бъдеще тази задача бъде поета от облака, въз основа на дигитализирания човешки опит могат да бъдат създадени високотехнологични интелигентни системи за управление на заваръчния процес, базирани например на невронни мрежи.

Цифровизацията на знанието е сред най-големите предизвикателства пред Industry 4.0. В този контекст често е трудно да се заложат количествени рамки и да се дефинира с точни цифри. Неточното цифрово описание обаче е в противоречие с традиционния подход за създаване на бази данни. Когато става въпрос за заваряване, това може да се окаже дори още по-сложно. Заваръчният процес зависи от комплексна комбинация от фактори: избор на материали, метод на заваряване, взаимодействия с топлинния източник, свойства на заваряваните възли и др.

Микропроцесорни захранващи източници
Заваръчните апарати, готови за Industry 4.0, са оборудвани с микропроцесор. В зависимост от приложенията на машината вграденият компютър трябва да разполага със съответната мощност. В случай на захранващ източник за заваряване GMAW (заваряване на газови метални дъги), широк набор от различни задачи трябва да бъдат изпълнени от компютъра: много бърза обработка на синергична крива; изпълнение на алгоритми за управление на параметрите за заваряване; измерване на заваръчните параметри и поне краткосрочното съхранение на данните; ограничение на заваръчната мощност по отношение на най-слабия инсталиран компонент; предоставяне на всички възможни мрежови функции за кабелни мрежи (напр. Ethernet), безжични мрежи (например Bluetooth) и комуникации в близкото поле (NFC). Компютърът е необходимо да извърши още самооткриване и самопроверка на инсталирани компоненти като заваръчна горелка, захранващо устройство, охлаждащо устройство и дисплей за управление.

В допълнение се изисква електромагнитната съвместимост на заваръчната машина, която е в края на силовото електронно устройство, да бъде гарантирана по всяко време. Компютърната електроника трябва да е пригодена да работи в сурова, мръсна и силно запрашена промишлена среда. За да се гарантира функционалността на една такава система, са необходими конструктивни концепции, които трябва да бъдат доказани посредством изчерпателни хардуерни тестове по време на работа на заваръчния захранващ източник.

Обмен на данни
Една от ключовите думи в Industry 4.0 е комуникацията, но колко бърза е “комуникацията” при заваряването? Модерните къси електродъгови процеси, като CMT например, работят при честота на отделяне на капчици до 150 Hz, което означава 1 капчица на всеки ~7 ms. За да се оптимизира преносът на капчици, е необходимо да се взаимодейства най-малко 50-100 пъти по време на един кратък цикъл на дъгата, който завършва с време за комуникация от около 30 ms от електрическата дъга до микропроцесора. Това включва измерването и цифровизацията на необходимите физически данни и прехвърлянето им към микропроцесора.

Такъв период е максимумът, който може да бъде планиран за обработка на данните и за управление на параметрите на заваръчните действия, извършвани от микропроцесора. Обработването на огромен набор и обем данни е допълнително предизвикателство. Тъй като тези данни не могат лесно да бъдат прехвърлени в реално време през мрежата към външен компютър за обработка, е необходимо компютърът да бъде достатъчно близо до процеса. За тази цел обменът на данни е препоръчително да бъде сегментиран на две: високоскоростна комуникация в рамките на източника на енергия и второ ниво на комуникация – трансфер на данни между енергийния източник и облака.

Параметри и съхранение на данни
За да са възможни автономно работещите заваръчни клетки в Industry 4.0, компютърната система трябва да може да избира, управлява и променя параметрите на заваряване. Управлението на параметрите изисква бърза реакция в реално време и налага използването на мощен компютър в близост до точката на заваряване. Изборът на адекватна синергична крива като функция на основния метал, дебелина на листа и заваръчна междина е повече или по-малко независим от реалната ситуация в цеха и в бъдеще ще може да се прави отдалечено в облака чрез съответната система за управление на знания при заваряване.

Съхранението на данни ще включва не само документиране, но и анализ на възможните сценарии и изводи при проблеми със заваръчните шевове и управление на износените детайли например. Към момента е трудно да се определят минимални параметри на цифровия сигнал, необходими за осигуряване на достатъчно информация по тези параметри. Налице е фиксирано изискване за запис на данни с висока резолюция за дълги периоди от време. Засега задължителната високоскоростна връзка между заваръчния източник и облака не може да бъде гарантирана и съхранението на данни трябва да се извършва на специални хардуерни средства, свързани и синхронизирани с източниците на захранване.

Сигурност на данните
В концепциите за Industry 4.0 и Internet of Things е заложено събирането, обработването и споделянето на големи масиви от данни. Това изисква отворени мрежи и общовалидни стандарти за комуникация, интерфейси и протоколи за трансфер на данни. Интеграцията на компютърни устройства и системи в заваръчните апарати, клетки и електрозахранващи устройства въвежда нова категория уязвимост на оборудването - от кибератаки. Ако източникът на енергия е интегриран в локална мрежа, това създава риск за сигурността на данните и системите в цялата мрежа.

Ето защо при трансформацията на заваръчния процес в интелигентна Industry 4.0 технология е добре да се предприемат съответните мерки за гарантиране сигурността на данните както на ниво производители, доставчици и интегратори на заваръчна техника и специализирани платформи за киберзащита, така и на ниво потребител. Предотвратяването на неоторизиран кибердостъп до заваръчната система е препоръчително да включва най-високо ниво на киберсигурност чрез осигуряване на комбинация от специализиран хардуерен ключ и интелигентен софтуер.

Идентификация на позицията на заваръчната горелка
Един от най-важните фактори за качеството на заварката е положението на заваръчната горелка спрямо заварявания детайл и ъглите на подстъп. Тъй като факелът обикновено е извит, тези ъгли е трудно да се поддържат постоянни по време на роботизирано заваряване по 3D траектории. Информацията за реалната позиция на горелката в заваръчната клетка в комбинация с разположението на подготвеното съединение и евентуалното наличие на хлабини, причинени от неправилно подравняване на детайлите, е необходима за разработване на стратегии за саморегулиране на операцията, които могат да бъдат изпълнявани чрез специални софтуерни инструменти.

Топографското изследване на компонента, който трябва да бъде заварен, може да се извърши чрез използване на видео-, лазерни или ултразвукови системи. Позицията на горелката е много по-трудна за цифровизация, тъй като електрическата дъга в голяма степен пречи на конвенционалните сензори поради лъчението си, температурата, яркостта и излъчването на изпарения при заваряване. Подход, подобен на GPS, едва ли би бил достоверен.

Благодарение на средствата за автоматизация все пак е възможно да се опише положението на горелката по време на заваряването. Данните за реалната скорост на заваряване, особено при къси или много извити шевове, е необходимо да бъдат своевременно изпращани към автоматизираното оборудване или робота. Закъсненията, дължащи се на ускоряването или забавянето на направляващата екипировка, често не се вземат под внимание при предварителните настройки.

Комуникация между заваръчната машина и оператора
За да се улесни комуникацията между оператора и заваръчната клетка по пътя към цялостното автоматизиране на оборудването, се осигуряват все повече възможности за обмен на информация – вградено многоезично управление, сензорни панели, гласов контрол и т. н. Тези комуникационни системи е необходимо да бъдат проектирани с оглед на тежката индустриална среда, за която са предназначени, което е допълнително техническо предизвикателство пред инженерите в областта.

Благодарение на най-новите технически постижения в областта на телекомуникациите и носимата електроника, смарт очилата и интелигентните заваръчни каски постепенно навлизат в практиката. Възможности като визуализация на параметрите на заваряване на защитното стъкло на каската и гласово управление, което взаимодейства със заваръчния захранващ източник, правят тези носими устройства отлични решения в ролята им на комуникационна платформа между оператора и заваръчната машина.

Заваръчните каски е препоръчително да бъдат безжично свързани с оборудването с оглед на качеството на комуникацията и оптималната безопасност. Най-новите разработки в областта на свързаните работни каски позволяват например самозатъмняване на стъклото при включена електрическа дъга посредством безжичен сигнал от заваръчния апарат. Това позволява много бърза реакция на стъклото, особено в случай на дъги с ниска интензивност.

Виртуално заваряване и адитивно производство
Преди автономната заваръчна клетка в Industry 4.0 среда да започне заваряване върху реален детайл, подлежи на проверка дали офлайн генерираният процес на заваряване е функционален, дали движението и позицията на горелката ще са в оптимално отстояние от детайла по време на цялото времетраене на операцията и т. н. Изключително важно е предварително да се симулира и валидира целият процес и да бъдат изчистени грешките и евентуалните проблеми посредством специални софтуерни инструменти. В този контекст съществуващите платформи за виртуално заваряване с цел обучение на програмисти на заваръчни роботи са солидна основа за разработването на функционални системи за виртуално заваряване за Industry 4.0 приложения.

Концепцията за Industry 4.0 включва производството на компоненти при поискване. Данните относно 3D дизайна на изделието могат да бъдат изпращани директно до автономната производствена клетка в умната фабрика, а процесът на производство да бъде незабавно иницииран. Необходимото изделие по поръчка може да бъде изцяло генерирано в интелигентни машинни клетки чрез технологии за адитивно производство. При тази технология процесите на лазерно, електронно-лъчево или електродъгово заваряване са основни и фундаменталното им познаване е задължително при проектирането на производствени клетки за такива приложения.

Все по-широк набор от 3D структури ще могат да се изграждат с прецизно наслагване на слоеве от разтопени метални пълнители под формата на прах или тел.
Процесът GMAW, особено CMT (Cold Metal Transfer) е мощен, много точен и с най-ниско разпръскване на капки метал, изпълняван с кратки дъги и базиран на високочестотно реверсивно телоподаване. Той позволява икономично адитивно производство на големи 3D геометрии.

Достижимата сложност на формата все пак е ограничена в сравнение с познатите процеси с прахообразно легло, но механичните свойства на адитивно произведените с GMAW компоненти са подобни на вече познатите ни резултати при конвенционалното адитивно производство на метални продукти. В допълнение, заваръчната технология е популярна и не е взискателна, а разходите за оборудване и консумативи са сравнително ниски. Всичко това са предпоставки за бъдещата ключова роля на интелигентното заваръчно оборудване в производствени приложения от типа “при поискване”.

Новият брой 3/2018

брой 3-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top