Industry 4.0 технологии за чисти стаи

АвтоматизацияСп. Инженеринг ревю - брой 2/2020 • 01.04.2020

Технологиите за чисти помещения, които са част от много производства във фармацевтичния, космическия, хранително-вкусовия сектор, електрониката, микроелектрониката и други сектори на съвременната промишленост, се развиват в паралел с водещите тенденции в глобалната индустрия в процеса й на преход към Industry 4.0. Стремежът към дигитализация, повишаване степента на автоматизация и интегриране на функции за интелигентна работа и свързаност определя развитието на системите и решенията за чисти стаи. Същевременно към тях се запазват високите изисквания за санитарен контрол и стриктните ограничения за броя на частиците във въздуха в контролираната среда.

Внедряване на решения за Industry 4.0

Еволюцията на конвенционалното и фрагментарно производствено оборудване в свързани и интелигентни кибер-физични системи създава нова парадигма на автоматизацията, базирана на почти неизчерпаемия информационен ресурс, който тези системи са способни да генерират. Фокусът е върху повишена гъвкавост, проследимост, адаптируемост и ефективност на производствените платформи в дигитализираните фабрики от фармацевтичната индустрия, електрониката и други отрасли, в които се използват чисти стаи. Хоризонталната и вертикалната системна интеграция в такива приложения включва внедряването на технологии като Internet of Things, добавена реалност, изкуствен интелект, симулация, анализ на данни, облачни изчисления, киберсигурност и комбинирането им с високотехнологични средства за автоматизация, мониторинг и управление на производството.

Според експертите в областта един холистичен подход към внедряване на решения за Industry 4.0 в производствата, и в частност – в чистите стаи, би включвал няколко отделни етапа, чиято цялостна реализация цели да осигури оптимална интеграция между оборудването, системите за управление и технологичните процеси. Дигитализирането на чистите помещения, следвайки по-мащабния модел на цифровизация на цели предприятия и производства, започва с компютризация, при която се внедряват различни информационни технологии. На втория етап се установява свързаност и оперативна съвместимост между отделните системи. Следват мерки за осигуряване на видимост и прозрачност на производството в чистото помещение с цел възможност за проследяване на различните събития и причините за тяхното възникване. Като следваща фаза специалистите посочват обезпечаването на прогнозен капацитет, а на финалния етап се постига приспособимост и възможност за автономна реакция на самоуправляващите се системи.

Концепцията за Industry 4.0 в чисти стаи обхваща предимно средствата за автоматизация, но се простира и до системите за контрол, мониторинг и управление на параметрите на средата. Сред иновативните приложения в сегмента са превантивните тестове за цялост на филтрите за въздушни частици. Всяко нарушаване на целостта им може да доведе до повишаване концентрацията на частици във въздуха над допустимите за съответния клас чисто помещение нива, което да се окаже критично в редица приложения във фармацевтичната, химическата индустрия, полупроводниковото и електронното производство и др. За целта цялата филтърна система се сканира регулярно посредством измервателен сензор, който отчита и най-малките промени в концентрацията на частици. Важна част от процеса са стационарните датчици, които обикновено се прокарват ръчно от служител по цялата площ на филтъра с постоянна скорост и на относително еднакво разстояние от него. Този процес обаче крие рискове от допускане на множество неточности. Ето защо във все повече чисти стаи, базирани на Industry 4.0, се въвеждат роботизирани тестове на филтърните системи. При тях процесът е изцяло автоматизиран, повторяем и подлежи на компютърен контрол. Резултатите от измерването са по-бързи, точни и надеждни в сравнение с ръчния процес.

 

Контрол, мониторинг и управление параметрите на средата

Чистите стаи подлежат на стриктна класификация според допустимия брой частици във въздуха и тяхното приложение. В зависимост от съответния клас в чистото помещение функционират различни системи за контрол, мониторинг и управление на параметрите на средата – температура, влажност, чистота на въздуха и т. н. Благодарение на безпроблемното им функциониране се постига желаното качество на продукцията, като същевременно се цели спазването на стриктни норми за безопасност на персонала. За да се гарантира съответствие с необходимите производствени стандарти, в модерните чисти стаи се инсталират автоматични врати, блокировки, системи за контрол на достъпа, процедури за взаимодействие между вратите и автоматизираните управляеми транспортни средства (AGV), средствата за комуникация и т. н. Всички тези системи могат да са взаимосвързани, осигурявайки единен поток от данни за технологичните процеси и навременна информация за всякакви отклонения от допустимите норми във връзка с производството и сигурността на операторите.

Една цялостна платформа за управление на средата, базирана на принципите на Industry 4.0, е способна да свързва и координира отделните системи посредством технологии като IIoT, Ethernet и други индустриални комуникационни протоколи. Възможна е и лесна интеграция с решения за сградна автоматизация, както и със SCADA системи. На база такава интеграция могат централизирано да бъдат събирани, съхранявани, обработвани и анализирани данни за оборудването и процесите в чистото помещение, осигурявайки единен информационен поток.

Този цялостен подход предполага отворен код и универсална оперативна съвместимост между отделните системи и компоненти, функциониращи като интелигентни модули в многослойна и лесно мащабируема платформа за управление. Отвореният характер на платформата позволява към базовите модули да бъдат добавяни различни функционални единици според приложението. Модулният дизайн прави възможно и оптимизирането на разходите за инсталация, експлоатация и поддръжка.
Взаимодействието между отделните модули обикновено се осигурява от съответния човеко-машинен интерфейс, който позволява прецизна настройка на отделните интегрирани системи, задаване на различни параметри, режими и сценарии на работа, както и управление на платформата локално и отдалечено посредством преносим операторски панел или друго мобилно устройство.

Данните, събрани от отделните полеви устройства – сензори, датчици, проби и измервателни прибори, могат в реално време да се изпращат към уеб-базиран или облачен сървър. Достъпът до него обикновено се осъществява чрез софтуерен клиент и потребителски акаунт, а в резултат е възможен непрекъснат мониторинг на контролираните параметри и производствените условия в чистото помещение. Данните, съхранявани на сървъра, могат да бъдат споделени с BMS система за сграден мениджмънт чрез Modbus интерфейс или облачен портал. Сигурността на информацията се гарантира посредством протоколи за криптиране.

Всяка съвременна чиста стая се отличава със специфични потребности по отношение контрола на параметрите на средата в зависимост от класа и приложението си. Тези специфики се отразяват в архитектурата на системите за управление. Различните функции се изпълняват от различни модули, които могат както да работят автономно, така и във връзка с останалите функционални единици и с основния сървър. Сред тях могат да са операторски панел със сензорен екран, четец за контрол на достъпа, умен контролер за врати, блокировка и други терминални устройства, проектирани специално за приложения в чисти помещения. Движенията в чистата стая могат да бъдат наблюдавани с помощта на интелигентна видеокамера с комплексни алгоритми за обработка на изображения и видеозаписи.

Събирането на данни от сензорите в чистите стаи, базирани на Industry 4.0 методологии, се извършва посредством интелигентен входно-изходен (I/O) интерфейс, който може да конвертира цифровите входове и изходи на системата да изпращат данни през TCP или Wi-Fi. I/O контролерът може да издава и аудиосигнали с цел локално известяване за различни събития.

 

Роботизирани системи за чисти стаи

За приложения в чисти стаи се произвеждат специален клас съвместими роботи, които обикновено разполагат с възможности за автономна навигация. Те представляват по-съвременна и високотехнологична алтернатива не само на конвейерните системи и автономните превозни средства в транспортирането на материали и компоненти в чисти помещения, но все по-често и на човека, замествайки го в редица прецизни и отговорни дейности.

Внедряването на Industry 4.0 технологии в чисти стаи прави възможно тяхното почти безкрайно персонализиране не само в обхвата на наличните класове, но и според конкретен процес или продукт, който към момента се произвежда в тях. За да е възможна подобна гъвкавост, са необходими прецизни системи за управление, както и условия за обезпечаване повторяемостта на операциите и тяхното преконфигуриране с малки вариации в работните параметри. За тази цел все повече производства с такъв профил внедряват роботи в чистите си стаи. Пример е автомобилната индустрия, където в такива помещения се произвеждат дифузори, миниатюрни и високоточни електромеханични компоненти, системи за пренос на флуиди в клапанната техника, както и ламинирани елементи за вграждане при инжекционното формоване на полимерни изделия. В някои от тези приложения се използват колаборативни роботи, които асистират на операторите в изпълнението на различни задачи, а в други дейностите са изцяло автоматизирани и се извършват от различни типове роботи.

Един конвенционален робот би могъл да се окаже източник на сравнително по-малко замърсяване в чистата стая в сравнение с неекипиран човек. Въпреки всичко обикновените роботи, подобно на други механизирани системи, могат да станат причина за отделянето на микроскопични частици от транспортните ленти, малки количества компресиран газ от пневматичните системи или прахови частици при движението на крайните изпълнителни устройства (манипулаторите).

Специализираните роботизирани системи за чисти помещения са изработени от различен клас материали и са с особен дизайн, недопускащ подобни явления. Широко приложение такива роботи намират например в производството на полупроводникова техника, където миниатюризацията на компонентите създава сериозни предизвикателства пред ръчния монтаж.

Роботите за чисти стаи се сертифицират според конкретния клас или стандарт, на чиито изисквания отговарят в зависимост от допустимите норми за броя на частиците във въздуха. Така се дефинират отделни продуктови сегменти, съответстващи на различни отрасли и производства според максималния брой частици, които роботът е възможно да генерира при движението си. На пазара се предлагат версии за електронната и полупроводниковата промишленост, за сектора на биотехнологиите, за фармацевтичната и медицинската индустрия, хранително-вкусовия, химическия и автомобилния отрасъл и т. н.

 

Инсталация и въвеждане в експлоатация

Сертификатът за работа в даден клас чисто помещение не е единственият фактор, с който производствените компании е необходимо да се съобразят, когато инвестират в роботизирани системи за чисти стаи. Инсталацията и позиционирането на робота също могат да повлияят ефективността му в контролираната среда. В производството на полупроводникови подложки например роботизираното рамо е препоръчително да бъде монтирано отдолу, за да се избегне попадането на каквото и да било замърсяване от робота върху чувствителния полупроводников елемент. Когато самият производствен процес налага роботът да бъде монтиран отгоре, е необходимо да бъде закупен такъв с много по-висок стандарт за чистота.

Важно изискване е функционалният обхват, както и класът на робота да бъдат съобразени с конкретното приложение. Не е необходимо за производства с по-ниски санитарни изисквания да се инвестира в скъпи системи с твърде висок клас на чистота. Полупроводниковата техника по традиция се произвежда в чисти помещения от най-висок клас, но производството на течнокристални дисплеи и твърди дискове например обикновено не налага закупуването на прекалено скъпи роботи с толкова стриктни спецификации по отношение на хигиенния дизайн.

Важен момент преди успешното въвеждане в експлоатация на роботите за чисти стаи е тяхната първоначална доставка и позициониране в чистото помещение. Специален протокол определя необходимите процедури по опаковане и последващо разопаковане на робота. Отделните опаковъчни слоеве постепенно се премахват в съответните междинни помещения, преди да се въведе самият робот в окончателното му местоположение. На всеки етап се преминава и през щателно почистване с помощта на смукателна система. Така се избягва всякакво внасяне на външно замърсяване в чистата стая.

 

Носими технологии

Обширните възможности на Четвъртата индустриална революция позволява интегрирането на интелигентни технологии не само в оборудването и системите за автоматизация и управление, но дори и в предпазното облекло на персонала. Стандартният костюм за чисти стаи може да бъде заменен с интелигентен аналог с интегрирани сензори, които следят биомеханиката на оператора в реално време и осъществяват мониторинг на различни променливи като типове движения, посока, скорост, жизнени показатели (сърдечен пулс, честота на вдишване и издишване, ниво на изпотяване и т. н.). Сравняването на получените от мониторинга биометрични данни чрез специален софтуер с базови шаблони би могло да регистрира различни отклонения, индикиращи евентуална неувереност на оператора при извършването на дадена операция и потенциален риск за сигурността. Такъв костюм би могъл да долови и предстоящо влошаване в здравословното състояние на служителите, дори преди те сами да го усетят.

Отклоненията от допустимите биомеханични показатели пък могат да са сигнал за риск от нараняване поради неподходяща посока, скорост на движение или друга промяна в установения протокол. Освен това подобни сценарии биха могли да се считат и за потенциален източник на замърсяване.

Макар умното облекло за чисти стаи все още да не е сред най-масовите решения в сегмента, въвеждането на такива технологии в по-масова експлоатация със сигурност предстои поради многото функционални опции, които предлагат. Свързването на интегрираните в облеклото сензори и друга електроника с платформите за цялостно управление на чисти стаи и отчитането на показателите им в реално време би могло значително да разшири възможностите за повишаване на ефективността, сигурността, гъвкавостта и персонализацията на различните приложения.

 

AI-базирани инструменти

Алгоритми на базата на изкуствен интелект (AI) и машинно самообучение все по-масово биват интегрирани в софтуерните продукти, роботиката и други съвременни технологии, които намират приложение в чистите помещения. С помощта на AI-опосредствани технологии могат да бъдат създадени мултифункционални виртуални асистенти на персонала, както и напълно автономни системи за управление на производството с повишена ефективност.

Оборудването на изкуствения интелект с допълнителни “сетива” – системи за машинно зрение, камери, сензори за температура, относителна влажност, диференциално налягане, броячи за частици и други подобни технологии, може да способства за оптимален контрол и мониторинг на средата.

С течение на работата си в чистото помещение една такава система може непрекъснато да се усъвършенства, събирайки огромни масиви данни от всички възможни източници във и извън чистата стая. Изкуственият интелект би могъл да анализира различни сценарии с повишаване нивата на частици във въздуха и да разгадававъзможните причини за тях, като се обучава бързо и лесно да идентифицира и локализира проблеми от различен тип в реална среда.

В базата данни на системата могат да бъдат зададени данни за различните класове чисти стаи и съответните изисквания към тях, както и за разликите между отделните стандарти. Така една и съща AI-базирана платформа може да се използва в различни чисти помещения в едно производствено предприятие, както и при преконфигуриране на една чиста стая за друго производствено приложение с различни работни условия и изисквания към параметрите на контролираната среда.

 

Top