Сензорите в умната фабрика

АвтоматизацияСп. Инженеринг ревю - брой 4/2021 • 24.06.2021

  • Благодарение на значително по-ниската си себестойност в сравнение с предшествениците си, нискоенергийните сензори от последно поколение позволяват масова интеграция в различни типове полеви системи и устройства

  • Последните достижения при сензорните технологии осигуряват на производителите невиждани досега възможности по отношение събирането и управлението на данни

  • Освен с разширени възможности, умните датчици се отличават с по-компактни габарити и повишена гъвкавост, които им помагат да превърнат тежките и тромави производствени машини в свързани и адаптивни високотехнологични платформи

 

Еволюцията на промишленото производство в хода на четвъртата индустриална революция завинаги трансформира начина, по който възприемаме заводите. От конвенционални физически обекти, помещаващи механично оборудване, техника и съоръжения, те се превръщат в “живи” екосистеми от свързани и комуникиращи помежду си интелигентни машини и процеси. Умните производствени бази, изградени върху концепцията за Industry 4.0, сливат в едно физическите и кибертехнологиите, задавайки нови стандарти по отношение на производителността, ефективността и качеството. Всичко това става възможно благодарение на сензорните решения от ново поколение, които се отличават с все по-достъпни цени и богат набор от възможности. Така в епохата на Internet of Things, когато почти всяко традиционно устройство може да придобие интелигентна функционалност с помощта на съответните вградени сензори, производствените процеси стават по-управляеми, адаптивни и прозрачни.

 

Трансформацията Industry 4.0

Адаптивността е сред ключовите предимства на дигиталните фабрики пред традиционните цехове и заводи. Тя се корени във възможността на производствената екосистема да реагира в реално време на всякакви промени от външната и вътрешната среда, непрекъснато преориентирайки процесите и ресурсите към оптимална ефективност. Благодарение на значително по-ниската си себестойност в сравнение с предшествениците си, нискоенергийните сензори от последно поколение позволяват масова интеграция в различни типове полеви системи и устройства. Така става възможно генерирането, събирането и обработката на гигантски масиви от данни за работата на производственото оборудване.

В ядрото на мащабни и иновативни технологични парадигми като IoT и Big Data реално се намират именно сензорите – миниатюрни устройства с фундаменталното значение на основни градивни единици на дигиталното производство. Интелигентната свързаност, която IoT осигурява на полевите устройства и системи, прави възможно събирането на информация за производствените процеси и активи, нейния анализ и инициирането на информирани действия с опция за адаптиране в реално време към променящите се и/или нарастващи нужди на предприятието – нови пазари, продукти, клиентски потребности и т. н. Технологичните процеси и оборудване са с висока степен на автоматизация и дигитализация, а комуникацията между отделните елементи на производствената мрежа се случва с минимална човешка намеса. Физическата действителност е свързана с виртуалната реалност с помощта на облачно базирани IoT платформи, които осигуряват изключителна гъвкавост и управляемост на производствените системи.

За да са налице възможности за оптимална производителност и ефективност, IoT архитектурата трябва да позволява работа с различни безжични протоколи и да дава възможност за лесно мащабиране и разширяване чрез добавяне на нови сензорни устройства, например чрез универсални USB портове.

 

Специфики на умните фабрики

В основата на интелигентните заводи се намират технологиите, които позволяват генериране и събиране на данни. Сред тях са умните сензори, измервателни прибори, двигатели, роботизирани системи и други типове системи и устройства, ангажирани с мониторинг и проследяване на работата на производствените машини и линии. За разлика от традиционните фабрики, интелигентните заводи могат да усвояват информация от различни физически и виртуални активи, както и от персонала си, с цел да оптимизират поддръжката, инвентаризацията, цифровизацията и други технологични аспекти на производството.

Съгласно общата дефиниция, една умна фабрика се отличава с четири основни характеристики – свързаност и сензорни технологии, универсална оперативна съвместимост, висока степен на процесна интеграция и виртуални технологии. Сензорите имат функцията автоматично да се организират, обучават и поддържат информационни бази с цел анализ на поведението и свойствата на производствените активи и системи. Интелигентните сензори разполагат с възможности да вземат автономни решения, на чиято база да се инициират промени в работната среда.

Оперативната съвместимост между различните технологии и устройства в производствената мрежа позволява тяхното свободно свързване и лесно координиране благодарение на високата гъвкавост по отношение на протоколите за конфигурация.

Роботите и базираните на изкуствен интелект технологии, от своя страна, създават възможности за висока степен на интеграция между процесите, която позволява значително оптимизиране на производствената ефективност. Техниките за виртуална реалност пък улесняват взаимодействието между човека и машините, като виртуализират самите производствени процеси и активи с помощта на компютърни платформи, обработка на сигнали, интелигентни алгоритми, прогнозиране, моделиране, симулация, анимация и мултимедийни технологии.

 

Ключови сензорни технологии

Интелигентните фабрики са съставени от умни машини, устройства и контролно оборудване, които осъществяват мониторинг на съществени параметри на технологичните процеси. В тях е налице устойчива и прецизна колаборация между отделните технически системи, а изграждането на свързана полева инфраструктура задава нови изисквания по отношение на надеждността и точността на сензорите.

Наред с тях базови елементи на интелигентната заводска архитектура, са задвижващите механизми, изпълнителните устройства, контролерите и управляващите контури. Сензорните технологии имат ключова роля за функционирането на цялата производствена платформа, тъй като събират и подават прецизни данни към оборудването и процесите с цел оптимално продуктово качество. Сензорите могат да бъдат активни или пасивни, електрически, оптоелектрически или електронни устройства, изградени от чувствителни материали, които следят за наличието на конкретен обект или функция в работната зона.

В голяма част от случаите даден физически стимул се преобразува в електрически сигнал, който в последствие може да бъде оценен и анализиран, и на база резултатите да се взимат решения по отношение на технологичните операции. Последните достижения при сензорните технологии осигуряват на производителите невиждани досега възможности по отношение събирането и управлението на данни.

Няколко основни вида сензори се използват успешно при управлението на промишлени процеси в интелигентните фабрики. Сред тях са сензори за температура, влажност, позиция, различни продуктови параметри и т. н. Те намират приложение в широк кръг от дейности, включително преместване/транспортиране на части, компоненти и изделия, управление на роботизирани процеси и механична обработка, управление на работната среда, контрол на микроклимата и т. н.

 

“Конвенционални” сензори в умните фабрики

Тъй като температурата директно влияе върху свойствата на материалите и качеството на продуктите, тя е един от критичните параметри, които се измерват и управляват в индустриалното производство. Температурните сензори могат да измерват топлинните характеристики на газове, течности и твърди субстанции. През последните години на пазара се налагат модели, специално разработени за работа в агресивни среди с наличие на електрически смущения, химикали, риск от механични взаимодействия и т.н. Най-общо използваните в дигиталните фабрики решения от този тип могат да бъдат подразделени на два типа: нискотемпературни (с диапазон на отчитане от -100 до +400°C, при които чувствителните елементи най-често са фосфор, полупроводници или течни кристали) и високотемпературни (с работен обхват от +500 до +2000°C, базирани на излъчването на абсолютно черно тяло).

Сензорите за налягане имат способността да улавят изменения в налягането и да ги трансформират в електрически сигнал, като приложеното налягане определя количествения фактор на сигнала. Те измерват големината на сила в газова или течна среда. Обикновено това са електромеханични устройства, които изпращат контролни сигнали към съответните средства за визуализация. Такива системи могат да бъдат използвани и за регистриране на атмосферни промени. Например барометричните датчици за налягане са способни да доловят изменения в атмосферните условия, които служат като база за изготвяне на прогнози или дефинирането на тенденции и модели. Друг пример са вакуумните сензори, които се използват в среди, в които налягането във ваккуум е по-ниско от атмосферното. Тази разлика може да бъде трудно доловима посредством някои механични методи.

Сензорите за позиция са проектирани за регистриране на пространственото местоположение на клапани, врати, дросели и други механични елементи. Обикновено са оборудвани с технологии за проследяване на локация с цел прецизното определяне на позицията на инструменти, обработвани изделия и др. Датчиците за движение (които инициират действия като осветяване с прожектор при долавянето на движение например) и сензорите за близост (които констатират кога даден обект е навлязъл в работната зона на датчика) изпълняват функции, подобни на сензорите за позиция и са често използвани в различни приложения в съвременните умни фабрики.

Датчиците за сила са предназначени да преобразуват приложения опън, натиск и т. н. в електрически сигнал, който отразява тяхната големина. Впоследствие сигналът се изпраща към индикатор, контролер или компютър, който информира оператора за хода на развитие на технологичните процеси. В интелигентните фабрики се използва голямо разнообразие от сензори за сила, като типът им зависи от вида на измерваната величина.

Сензорите за поток/дебит измерват движението на газове, течности или твърди тела в тръбни системи или тръбопроводи. Те се използват широко в т. нар. процесни индустрии и позволяват коригиране на работата на технологичното оборудване с цел постигане на оптимална производителност и ефективност. Датчиците за дебит могат да бъдат електронни (с ултразвукова технология за измерване на дебита) или електромеханични.

 

Интелигентни сензорни технологии

Наред с останалите технологични иновации, свързани с навлизането на четвъртата индустриална революция в съвременната производствена практика, интелигентните сензори намират все по-широко и разнообразно приложение в дигиталните фабрики. Интеграцията на изчислителни процеси и IoT решения в индустриалните операции позволява надграждане на конвенционалните сензори с интелигентни функции и превръщането им в умни системи, способни да извършват комплексни изчисления със събраните големи обеми данни. Освен с разширени възможности, умните датчици се отличават с по-компактни габарити и повишена гъвкавост, които им помагат да превърнат тежките и тромави производствени машини в свързани и адаптивни високотехнологични платформи. Сред предимствата им са: функции за кондициониране на сигнали, вградени алгоритми и цифрови интерфейси, както и възможности за самодиагностика и самокалибриране в реално време. Благодарение на това цифровизираните производствени системи могат незабавно и автоматично да се преориентират към моментните работни условия.

Интелигентните сензори за умни фабрики от ново поколение са специално разработени като градивни компоненти за IoT платформи, предназначени да преобразуват информация в реално време в дигитализирани данни, които могат да бъдат изпратени към съответния гейтуей/шлюз. Благодарение на всичко това умните датчици могат да прогнозират и проследяват в реално време различни сценарии, както и незабавно и автоматично да предприемат необходимите коригиращи действия.

Сложните многопластови операции като събиране на сурови данни, регулиране на чувствителност, филтриране, регистриране на движение, анализ и комуникация са сред основните функции на интелигентните сензори.

Безжичните сензорни мрежи (WSN) например са сред приложенията на тази технология. При тях всеки възел е свързан с един или повече сензори или сензорни хъбове, създавайки своеобразна комуникационна архитектура. В резултат информацията от различните датчици може да бъде комбинирана с цел да се направят изводи по отношение на съществуващ проблем – например данните от сензорите за температура и налягане да бъдат използвани в откриването на причината за авария на механичното оборудване.

 

Калибриране и самодиагностика

Способността на един сензор да определи нормалната си функция се дефинира като функция за калибриране. То е възможно в много сценарии, като за отделните типове сензори се използват различни технологии. Датчиците с електрически изход например извършват калибриране на базата на известна референтна стойност на нивото на напрежението. Динамометричните датчици, които намират приложение в различни системи за измерване на тегло, могат да настроят изходния си сигнал към нулева стойност, когато не се прилага сила. Други типове сензори пък търсят базовата стойност за самокалибриране в библиотеки/таблици с предварително зададени варианти. Това обаче обикновено изисква голям капацитет по отношение на паметта за съхранение, за да е възможно запазването на точки за коригиране при наличието на огромни обеми събрани данни по време на работните процеси. В много случаи се предпочитат варианти с метод на интерполация, при който калибрирането се извършва на базата на малка матрица с корекционни точки.

Интелигентните сензори могат да се самодиагностицират чрез улавянето на вътрешни сигнали за наличието на проблеми от различен произход. Различаването на отклоненията в нормално измерваните стойности и неизправностите в работата на датчика може да се окаже предизвикателство за някои модели. Най-често то се преодолява посредством запаметяване на множество измерени стойности около предефинирания праг и отчитане на минималните и максималните стойности на измерваната величина.

 

ЕКСКЛУЗИВНО

Top