Styrket av banebrytende automasjonsteknologi: Den bærekraftige reisen

Tilkoblede sensorer, robotikk, adaptive drivere – avanserte automasjonskonsepter er en viktig faktor i energibesparende og ressurseffektiv produksjon. De gir systemintegratorer og anleggsoperatører et kraftig verktøy når det gjelder å optimalisere infrastrukturen og prosessene med tanke på bærekraft.

(Bildekilde: AzmanJaka via Getty Images)

Etterspørselen etter energi, bruken av råvarer og – spesielt i storbyområder – størrelsen på landområdet som kreves, er de viktigste faktorene for industriproduksjon. På den ene siden bestemmer de den økonomiske effektiviteten til fabrikker og anlegg, og på den andre siden er de avgjørende for bærekraftig drift.

I mange regioner i verden gjøres det en enorm innsats for å begrense bruken av konvensjonelle fossile brensler og erstatte dem med fornybare alternativer. Suksessene til dags dato er betydelige takket være engasjementet til de politiske, industrielle og private sektorene. I Tyskland, for eksempel, som har som mål å gjøre fornybare energikilder til den mest vanlige energikilden innenfor rammeverket for energirevolusjon, nådde andelen av det totale energiforbruket en verdi på litt over 48 prosent i fjor. Ifølge Federal Network Agency står fabrikkindustrien for mer enn en fjerdedel av energiforbruket, der andelen av strømetterspørselen også er sammenlignbar. Produksjon og bearbeiding av kjemikalier og metaller er de ledende sektorene.

Disse og mange andre fabrikkindustrier, deriblant elektro- og maskinteknikk og matproduksjon, drives av fremgangen som er gjort innen fabrikk- og prosessautomasjon. I tillegg til å optimalisere produktivitet og kostnader, skifter fokuset mer og mer til parametere som resulterer i forbedret bærekraft for produkter og prosesser: I sammenheng med digitalisering og gjennom Industri 4.0-konseptet, fokuserer de i økende grad på energieffektivitet, økonomisk bruk av ressurser, kraftig reduksjon av avfall og minst mulig karbonavtrykk.

Optimalisere for bærekraft

Automasjonsteknologi tilbyr en rekke tilnærminger som systemintegratorer i maskin- og anleggsteknikk og produksjonsbedrifter kan bruke for å dra nytte av optimaliseringen av infrastrukturen, anleggene og prosessene sine når det gjelder bærekraft. Den omfattende bruken av sensorer og integreringen av disse i det industrielle tingenes Internett (IIoT – Industrial Internet of Things), åpner opp for et bredt spekter av muligheter her ved hjelp av kontinuerlig overvåking av energiforbruk, miljøparametere eller beholdninger. Ved hjelp av tilkoblede sensorer kan produksjonsbedrifter for eksempel spore transport av varer i sanntid, overvåke fyllingsnivåer eller registrere tilstandsdata for maskiner og verktøy i produksjonslinjer (figur 1).

Figur 1: Innhenting og analyse av tilstandsdata for maskiner kan potensielt tilby mer bærekraftige prosesser. (Bildekilde: Banner Engineering)

Et utmerket eksempel på sensorproduktfamilier som helhetlig støtter IIoT-tilnærmingen til produksjon, er Snap Signal-sortimentet fra den amerikanske leverandøren Banner Engineering. Vanligvis er brukernes utfordring å først identifisere relevante data, og i neste trinn trekke dem ut fra eksisterende utstyr. Hvis det viser seg å være behov om å integrere ekstra sensorteknologi for å måle flere variabler, for eksempel for vibrasjoner og temperatur ved en stasjon, skal ikke dette kreve at det gjøres noen endringer i den eksisterende styringsarkitekturen. Det er også viktig å standardisere kommunikasjon og konvertere alle sensor- og styringsdata til en vanlig protokoll. For dette formålet tilbyr Snap Signal-produktlinjen (figur 2) smarte sensorer, signalomformere, styringer, signaladaptere og trådløse kommunikasjonsmoduler, samt kablet tilkoblingsteknologi som gjør det mulig for automasjonsteknikere å benytte plug-and-play til å løse disse oppgavene.

Figur 2: Støtte for IIoT-tilnærmingen til produksjon: smarte sensorer, omformere og styringer fra Snap Signal-familien. (Bildekilde: Banner Engineering)

Behandlingen og analysen av slike sensordata – utført enten sentralisert i en sky eller direkte ute i felten – gjør det så mulig å trekke konklusjoner om feil- og optimaliseringspotensial i prosessene eller om behovet for vedlikehold. På denne måten kan energitap reduseres og bruken av ressurser minimeres. På den annen side gjør forebyggende vedlikehold det mulig å planlegge servicearbeid på forhånd, og dermed redusere nedetid, noe som igjen bidrar til å unngå ekstra utgifter rundt energi- og materialbruk.

Energibesparende drivverksteknologi

Når det for eksempel gjelder energibehovet til produksjonsanlegg, spiller drivteknologi en stor rolle. Effektive drivsystemer utstyrt med avanserte frekvensomformere (VFD – variable frequency drive), for eksempel, kan nøyaktig samsvare motorhastigheter til det virkelige behovet til et system, noe som reduserer strømforbruket betydelig, spesielt i konstruksjoner med variabel belastning. Regenerative drivverk kan ytterligere redusere forbruket ved å fange opp og gjenbruke bremseenergi. De blir stadig viktigere under stadig økende modularisering og fleksibilisering av produksjonsanlegg, som regnes som en av kjernekomponentene i Industri 4.0. I konseptet for den modulære fabrikken, tar automatiserte veiledede kjøretøy (AGV – automated guided vehicle) og mobile assistanseroboter på seg støttefunksjoner, for eksempel innen håndtering og montering. Lav vekt og rekuperasjon er viktige funksjoner her, fordi de sikrer ikke bare økonomisk energibruk og et lite miljøfotavtrykk, men også lang rekkevidde for AGV-er og samarbeidsroboter (cobot).

Den franske produsenten Schneider Electric håndterer dette markedssegmentet med svært effektiv drivteknologi, med sin kompakte VFD Altivar ATV320. Den er egnet for styring av trefasede synkrone og asynkrone motorer i strømsegmentet, som spenner fra 0,18 til 15 kW ved variable hastigheter. Ifølge leverandøren kombinerer den integrert sikkerhet med mange bruksferdige funksjoner som er utformet for å støtte konstruksjonseffektiviteten. Disse inkluderer lavhastighets dreiemoment og hastighetsnøyaktighet, høy dynamisk respons med fluksvektorstyring uten noen sensor, og et utvidet frekvensområde for høyhastighetsmotorer. ATV320 (figur 3) er særlig bemerkelsesverdig for sin forbedrede motstand mot forurenset atmosfære, som er typisk for mange industrielle prosesser, og den oppfyller spesifikasjoner for IP20- og IP6x-beskyttelsesgradene. VFD er utviklet for å være fullstendig integrert i ulike systemarkitekturer. Den er utstyrt med RJ45-kontakter for integrert Modbus- og CANopen-konnektivitet. Andre kommunikasjonsalternativer inkluderer Ethernet IP og Modbus TCP, PROFINET, EtherCAT, DeviceNet og PowerLink.

Figur 3: Altivar ATV 320 VFD for styring av trefasede synkrone og asynkrone motorer ved variable hastigheter. (Bildekilde: Schneider Electric)

Smartere styring

I jakten på en mer bærekraftig bruk av energi og industrielle ressurser, er optimalisering av styringsteknologi en uunngåelig del av ligningen. Når det gjelder innsamling, prosessering og analyse av produksjonsdata i automatiserte anlegg, spiller toppmoderne inngangspunktstyringer (edge-styringer) en svært viktig rolle i dag. Disse enhetene er kompakte, skalerbare og tilkoblet via industrielt Ethernet, og de kan brukes til å implementere både skybaserte og lokale løsninger. Dedikerte funksjoner for diagnostikk og energistyring hjelper automasjonsteknikere med å analysere produksjonsprosesser, identifisere flaskehalser og sette i gang optimaliseringstiltak basert på industrielle styringer, for eksempel Simatic S7-1200. Avanserte styringsalgoritmer og integrerte kommunikasjons- og sikkerhetsfunksjoner gir et utslagsgivende bidrag til nøyaktig prosessutførelse.

Figur 4: Med effektiv prosessutførelse basert på analyse av produksjonsdata som bruker Siemens Basic Controller, kan både skybaserte og lokale løsninger implementeres. (Bildekilde: Siemens)

Effektiv med presisjon

Roboter er små, smidige og ekstremt allsidige, og med sin kompakte, lette utforming og intelligente styringsteknologi har de en stor innvirkning på bærekraftig bruk av produksjonsressurser. De robuste og svært tilpasningsdyktige enhetene fra den tyske produsenten KUKA sin Agilus-familie, er et fremragende eksempel på dette (figur 5). De leveres med en integrert energiforsyning, og i flere varianter, der noen tilbys som renromsroboter og andre for hygienekritiske bruksområder eller potensielt eksplosive miljøer. Robotene er utviklet for menneske-robot-samarbeid og muliggjør svært effektive prosesser takket være deres svært presise og repeterende nøyaktige bevegelsesstyring. For eksempel er de ideelle for å minimere behovet for bearbeiding i maskinprosesser, samt minimere antallet vrakede produkter.

Figur 5: KR Agilus i et prosjekt hos University of Reutlingen/Tyskland. Her jobber studentene med industripartnere for å utvikle bærekraftige alternativer til engangsbestikk i plast. (Bildekilde: KUKA Deutschland)

Bruken av slike kompakte og variable assistenter er også fornuftig for små og mellomstore bedrifter, slik produsenten dokumenterer i ulike suksesshistorier [4]. Disse inkluderer et universitetsprosjekt der studenter på Universitetet i Reutlingen/Tyskland forsker på gjenbrukbare alternativer til engangsbestikk i plast. De støttes av den tyske sprøytestøpingseksperten Gindele, samt av KUKA og deres systempartner Robomotion. All håndtering rundt sprøytestøping er dekket av en svært fleksibel robotcelle, der kjernen er en kompakt Agilus-robot utstyrt med en 3D-printet griper.

I henhold til databladet har den seksaksede roboten KUKA Agilus KR6 R900-2 en maksimal rekkevidde på 901 mm og en nyttelast på 6,7 kg, og den oppnår en positur-repeterbarhet på ±0,02 mm i henhold til ISO 9283. Mulig bruk spenner fra styring i samarbeid med andre maskiner, gjennom test- og måleteknologi, og påføring av lim eller tetningsmidler, til montering, plukking og plassering, pakking og kommisjonering. Roboten har et fotavtrykk på 208 mm x 208 mm, veier ca. 54 kg, er IP56/67- og ESD-beskyttet (ESD – elektrostatisk utladning), og er egnet for gulv-, tak-, vegg- og vinkelmontering.

Digitale modeller, materialer med mer

Utover tilnærmingene som vises her, kan teknikere dra nytte av ytterligere optimaliseringspotensial ved å ta i bruk bærekraftige materialer, sirkulære økonomiteknikker og den nyeste utviklingen innen digitalisering. Målet med sirkulær økonomi er å unngå avfall og restmaterialer og å resirkulere og gjenbruke så mange råvarer, komponenter og emballasjematerialer som mulig. Prinsippene kan gi et utslagsgivende bidrag til automatiserte anlegg som er virksomme på en mer bærekraftig måte.

Konseptene om den digital tvilling og den digitale skygge er lovende tilnærminger når det gjelder å identifisere optimaliseringspotensial uten å teste på virkelige maskiner eller anlegg med store ressursutgifter. Takket være den omfattende digitale representasjonen av virkelige produkter, anlegg eller prosesser – og av deres livssykluser – kan vedlikeholdstiltak initieres eller korrelasjoner etableres mellom utvikling, produksjon og alle andre stadier av verdikjeden. Teknikere kan dermed simulere gangen, funksjonaliteten og kvaliteten til virkelige objekter eller prosesser i detalj – og forbedre bærekraften til disse, for eksempel ved å eliminere behovet for fysiske prototyper.

Sammendrag

Automasjon har store fordeler for prosess- og produksjonsteknikk med tanke på produktivitet og kostnader. Det er derfor en avgjørende økonomisk faktor. Utover dette vil imidlertid avanserte automasjonskonsepter og produkter også være nøkkelen til å forbedre bærekraften til industrielle prosesser. Denne artikkelen, sammen med utvalgte eksempler, gir et inntrykk av manifoldmulighetene – fra forebyggende vedlikehold til den modulære fabrikken og menneske-robot-samarbeid.