ขับเคลื่อนโดยเทคโนโลยีระบบอัตโนมัติล้ำสมัย: การเดินทางที่ยั่งยืน

เซ็นเซอร์ที่เชื่อมต่อ วิทยาการหุ่นยนต์ ไดรฟ์แบบปรับได้ – แนวคิดระบบอัตโนมัติขั้นสูงเป็นกุญแจสำคัญในการผลิตที่ประหยัดพลังงานและประหยัดทรัพยากร สำหรับผู้รวมระบบและผู้ควบคุมโรงงาน ระบบมีคันโยกที่ทรงพลังสำหรับการปรับโครงสร้างพื้นฐานและกระบวนการให้เหมาะสมในแง่ของความยั่งยืน

(ที่มาของภาพ: AzmanJaka ผ่าน Getty Images)

ความต้องการพลังงาน การใช้วัตถุดิบ และโดยเฉพาะในเขตเมืองใหญ่ ขนาดของที่ดินที่ต้องการเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุดในการผลิตทางอุตสาหกรรม ในอีกด้านหนึ่ง พวกเขากำหนดประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจของโรงงานและโรงผลิตในทางกลับกัน สิ่งเหล่านี้มีความสำคัญต่อการดำเนินงานอย่างยั่งยืน

ในหลายภูมิภาคของโลก มีความพยายามอย่างมากในการจำกัดการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลแบบดั้งเดิมและแทนที่ด้วยพลังงานทดแทน ความสำเร็จในปัจจุบันมีมากจากความมุ่งมั่นของการเมือง ภาคอุตสาหกรรม และภาคเอกชน ตัวอย่างเช่น ในประเทศเยอรมนี ซึ่งมีเป้าหมายที่จะพัฒนาพลังงานหมุนเวียนให้เป็นแหล่งพลังงานที่แพร่หลายภายใต้กรอบของการปฏิวัติพลังงาน ส่วนแบ่งของการใช้พลังงานทั้งหมดมีมูลค่าสูงกว่า 48 เปอร์เซ็นต์ในปีที่แล้ว จากข้อมูลของ Federal Network Agency อุตสาหกรรมการผลิตคิดเป็นสัดส่วนมากกว่าหนึ่งในสี่ของการใช้พลังงาน ส่วนแบ่งความต้องการใช้ไฟฟ้าก็เทียบเคียงได้เช่นกัน การผลิตและการแปรรูปเคมีภัณฑ์และโลหะเป็นภาคส่วนชั้นนำ

อุตสาหกรรมการผลิตเหล่านี้และอุตสาหกรรมอื่นๆ อีกมากมาย รวมถึงวิศวกรรมไฟฟ้าและเครื่องกล ตลอดจนการผลิตอาหาร ได้รับแรงผลักดันจากความก้าวหน้าในโรงงานและกระบวนการอัตโนมัติ นอกจากการเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตและต้นทุนแล้ว การมุ่งเน้นยังเปลี่ยนไปสู่พารามิเตอร์ที่ส่งผลให้ผลิตภัณฑ์และกระบวนการมีความยั่งยืนยิ่งขึ้น: ในบริบทของการแปลงเป็นดิจิทัลและผ่านแนวคิดของอุตสาหกรรม 4.0 พวกเขากำหนดเป้าหมายการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น การใช้ทรัพยากรอย่างประหยัด การหลีกเลี่ยงของเสีย และการปล่อยคาร์บอนให้น้อยที่สุด

เพิ่มประสิทธิภาพเพื่อความยั่งยืน

เทคโนโลยีการทำงานอัตโนมัตินำเสนอแนวทางที่หลากหลายซึ่งผู้ประกอบระบบในวิศวกรรมเครื่องกลและโรงงาน รวมถึงบริษัทผู้ผลิต สามารถใช้เพื่อใช้ประโยชน์จากการปรับโครงสร้างพื้นฐาน โรงงาน และกระบวนการให้เหมาะสมในแง่ของความยั่งยืน การใช้เซ็นเซอร์อย่างครอบคลุมและการผสานรวมเข้ากับ Industrial Internet of Things (IIoT) ทำให้เกิดความเป็นไปได้มากมาย โดยวิธีการตรวจสอบการใช้พลังงาน พารามิเตอร์ด้านสิ่งแวดล้อม หรือสินค้าคงคลังอย่างต่อเนื่อง ด้วยความช่วยเหลือของเซ็นเซอร์ที่เชื่อมต่อ บริษัทผู้ผลิตสามารถติดตามการขนส่งสินค้าแบบเรียลไทม์ ตรวจสอบระดับการบรรจุ หรือบันทึกข้อมูลสภาพของเครื่องจักรและเครื่องมือในสายการผลิตได้ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: การบันทึกและวิเคราะห์ข้อมูลสภาพของเครื่องจักรถือเป็นศักยภาพสำหรับกระบวนการที่ยั่งยืนมากขึ้น (ที่มาของภาพ: Banner Engineering)

ตัวอย่างที่ยอดเยี่ยมของตระกูลผลิตภัณฑ์เซ็นเซอร์ที่รองรับแนวทาง IIoT ในการผลิตแบบองค์รวมคือผลิตภัณฑ์ Snap Signal จากผู้ผลิต Banner Engineering ในสหรัฐอเมริกา โดยทั่วไป ความท้าทายของผู้ใช้คือการระบุข้อมูลที่เกี่ยวข้องก่อน และในขั้นต่อไป ให้ดึงข้อมูลจากอุปกรณ์ที่มีอยู่ หากจำเป็นต้องผสานรวมเทคโนโลยีเซ็นเซอร์เพิ่มเติมสำหรับการวัดค่าตัวแปรเพิ่มเติม เช่น การสั่นสะเทือนและอุณหภูมิในไดรฟ์ สิ่งนี้ก็ไม่จำเป็นต้องมีการเปลี่ยนแปลงใดๆ กับสถาปัตยกรรมการควบคุมที่มีอยู่ สิ่งสำคัญคือต้องสร้างมาตรฐานการสื่อสารและแปลงเซ็นเซอร์และข้อมูลการควบคุมทั้งหมดให้เป็นโปรโตคอลทั่วไป สำหรับจุดประสงค์นี้ สายผลิตภัณฑ์ Snap Signal (รูปที่ 2) นำเสนอเซ็นเซอร์อัจฉริยะ ตัวแปลงสัญญาณ ตัวควบคุม อะแดปเตอร์สัญญาณ และโมดูลการสื่อสารไร้สาย รวมถึงเทคโนโลยีการเชื่อมต่อแบบใช้สายที่ช่วยให้วิศวกรระบบอัตโนมัติสามารถเสียบปลั๊กและเล่นเพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ .

รูปที่ 2: รองรับแนวทาง IIoT ในการผลิต: เซ็นเซอร์อัจฉริยะ คอนเวอร์เตอร์ และตัวควบคุมจากตระกูล Snap Signal (แหล่งที่มารูปภาพ: Banner Engineering)

การประมวลผลและการวิเคราะห์ข้อมูลเซ็นเซอร์ดังกล่าว – ดำเนินการแบบรวมศูนย์ในระบบคลาวด์หรือโดยตรงในภาคสนาม – จากนั้นทำให้สามารถสรุปผลเกี่ยวกับข้อผิดพลาดและศักยภาพในการเพิ่มประสิทธิภาพในกระบวนการหรือความจำเป็นในการบำรุงรักษา ด้วยวิธีนี้ ทำให้สามารถลดการสูญเสียพลังงานและลดการใช้ทรัพยากรได้ ในทางกลับกัน การบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ทำให้สามารถวางแผนงานบริการล่วงหน้าได้ และลดเวลาหยุดทำงาน ซึ่งจะช่วยหลีกเลี่ยงค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมสำหรับพลังงานและวัสดุ

เทคโนโลยีไดรฟ์ประหยัดพลังงาน

ตัวอย่างเช่น สำหรับความต้องการพลังงานของโรงงานผลิต เทคโนโลยีไดรฟ์มีบทบาทสำคัญ ตัวอย่างเช่น ระบบขับเคลื่อนที่มีประสิทธิภาพซึ่งติดตั้งไดรฟ์ความถี่แปรผันขั้นสูง (VFDs) สามารถจับคู่ความเร็วมอเตอร์กับความต้องการที่แท้จริงของระบบได้อย่างแม่นยำ ซึ่งช่วยลดการใช้พลังงานได้อย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานโหลดแบบแปรผัน ระบบขับเคลื่อนแบบใหม่สามารถลดการใช้เชื้อเพลิงลงได้อีกโดยการดักจับและนำพลังงานเบรกกลับมาใช้ใหม่ สิ่งเหล่านี้มีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ ในกระบวนการสร้างโมดูลาร์และความยืดหยุ่นของโรงงานผลิต ซึ่งถือเป็นหนึ่งในองค์ประกอบหลักของอุตสาหกรรม 4.0 ในแนวคิดของโรงงานโมดูลาร์ รถนำทางอัตโนมัติ (AGV) และหุ่นยนต์ช่วยเหลือเคลื่อนที่ทำหน้าที่สนับสนุน เช่น ในการจัดการและการประกอบ น้ำหนักเบาและการพักฟื้นเป็นคุณสมบัติที่จำเป็นสำหรับที่นี่ เพราะไม่เพียงรับประกันการใช้พลังงานอย่างประหยัดและรอยเท้านิเวศขนาดเล็กเท่านั้น แต่ยังใช้งานได้ยาวนานสำหรับ AGV และโคบอทอีกด้วย

ผู้ผลิตชาวฝรั่งเศส Schneider Electric กำลังตอบสนองกลุ่มตลาดนี้ของเทคโนโลยีไดรฟ์ที่มีประสิทธิภาพสูงด้วย VFD ขนาดกะทัดรัด Altivar ATV320 เหมาะสำหรับการควบคุมมอเตอร์ซิงโครนัสและอะซิงโครนัสสามเฟสในส่วนพลังงานตั้งแต่ 0.18 ถึง 15 กิโลวัตต์ที่ความเร็วตัวแปร ตามที่ซัพพลายเออร์ได้รวมเอาความปลอดภัยในตัวเข้ากับฟังก์ชันพร้อมใช้งานมากมายที่ออกแบบมาเพื่อรองรับประสิทธิภาพของการใช้งาน ซึ่งรวมถึงแรงบิดความเร็วต่ำและความแม่นยำของความเร็ว การตอบสนองไดนามิกสูงพร้อมการควบคุมเวกเตอร์ฟลักซ์โดยไม่ต้องใช้เซ็นเซอร์ และช่วงความถี่ที่ขยายสำหรับมอเตอร์ความเร็วสูง ATV320 (รูปที่ 3) มีความโดดเด่นเป็นพิเศษในด้านความต้านทานที่ดีขึ้นต่อบรรยากาศที่เป็นมลพิษซึ่งเป็นปกติของกระบวนการทางอุตสาหกรรมจำนวนมาก และตรงตามข้อกำหนดระดับการป้องกัน IP20 และ IP6x VFD ได้รับการออกแบบให้รวมเข้ากับสถาปัตยกรรมระบบต่างๆ มีคอนเน็กเตอร์ RJ45 สำหรับการเชื่อมต่อ Modbus และ CANopen ในตัว ตัวเลือกการสื่อสารอื่นๆ ได้แก่ Ethernet IP และ Modbus TCP, Profinet, EtherCAT, DeviceNet และ PowerLink

รูปที่ 3: Altivar ATV 320 VFD สำหรับควบคุมมอเตอร์ซิงโครนัสและอะซิงโครนัสสามเฟสที่ความเร็วตัวแปร (แหล่งที่มารูปภาพ: Schneider Electric)

การควบคุมที่ชาญฉลาดยิ่งขึ้น

ในการแสวงหาการใช้พลังงานและทรัพยากรอุตสาหกรรมอย่างยั่งยืนมากขึ้น การปรับเทคโนโลยีการควบคุมให้เหมาะสมนั้นเป็นส่วนหนึ่งของสมการที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ เมื่อพูดถึงการรวบรวม ประมวลผล และวิเคราะห์ข้อมูลการผลิตในโรงงานอัตโนมัติ ตัวควบคุมขอบที่ทันสมัยมีบทบาทสำคัญในปัจจุบัน อุปกรณ์เหล่านี้มีขนาดกะทัดรัด ปรับขนาดได้ และเชื่อมต่อผ่าน Industrial Ethernet สามารถใช้ได้ทั้งโซลูชันบนคลาวด์และในเครื่อง ฟังก์ชันเฉพาะสำหรับการวินิจฉัยและการจัดการพลังงานช่วยให้วิศวกรระบบอัตโนมัติวิเคราะห์กระบวนการผลิต ระบุปัญหาคอขวด และเริ่มมาตรการเพิ่มประสิทธิภาพตามตัวควบคุมอุตสาหกรรม เช่น Simatic S7-1200 อัลกอริทึมการควบคุมขั้นสูงรวมถึงฟังก์ชั่นการสื่อสารและความปลอดภัยแบบบูรณาการมีส่วนสำคัญในการดำเนินกระบวนการอย่างแม่นยำ

รูปที่ 4: การดำเนินการตามกระบวนการที่มีประสิทธิภาพตามการวิเคราะห์ข้อมูลการผลิตโดยใช้ อุปกรณ์ควบคุมพื้นฐาน Siemens สามารถนำไปใช้ได้ทั้งโซลูชันบนคลาวด์และในเครื่อง (แหล่งที่มารูปภาพ: ซีเมนส์)

มีประสิทธิภาพด้วยความแม่นยำ

ขนาดเล็ก คล่องตัว และอเนกประสงค์อย่างยิ่ง ด้วยการออกแบบที่กะทัดรัด น้ำหนักเบา และเทคโนโลยีการควบคุมอัจฉริยะ หุ่นยนต์มีผลกระทบอย่างมากต่อการใช้ทรัพยากรการผลิตอย่างยั่งยืน อุปกรณ์ที่แข็งแกร่งและปรับเปลี่ยนได้หลากหลายของผู้ผลิตสัญชาติเยอรมันแบรนด์ KUKA ตระกูล Agilus เป็นตัวอย่างที่โดดเด่นในเรื่องนี้ (ภาพที่ 5) พวกมันมาพร้อมกับแหล่งจ่ายพลังงานในตัวและมีหลายรุ่น บางรุ่นมีจำหน่ายเป็นหุ่นยนต์คลีนรูม และรุ่นอื่นๆ สำหรับการใช้งานที่มีความสำคัญต่อสุขอนามัยหรือสภาพแวดล้อมที่อาจเกิดการระเบิดได้ ออกแบบมาสำหรับการทำงานร่วมกันระหว่างมนุษย์กับหุ่นยนต์ หุ่นยนต์ช่วยให้กระบวนการมีประสิทธิภาพสูงด้วยการควบคุมการเคลื่อนไหวที่แม่นยำและแม่นยำซ้ำๆ ตัวอย่างเช่น เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการลดความจำเป็นในการทำงานซ้ำในกระบวนการตัดเฉือน ตลอดจนระดับของการคัดแยก

รูปที่ 5: KR Agilus ในโครงการที่มหาวิทยาลัยรอยทลิงเงน/เยอรมนี ที่นี่ นักเรียนทำงานร่วมกับพันธมิตรในอุตสาหกรรมในการพัฒนาทางเลือกที่ยั่งยืนแทนการใช้ช้อนส้อมพลาสติกแบบใช้แล้วทิ้ง (แหล่งที่มารูปภาพ: KUKA Deutschland)

การใช้ผู้ช่วยที่มีขนาดกะทัดรัดและปรับเปลี่ยนได้ยังมีความสมเหตุสมผลสำหรับบริษัทขนาดเล็กและขนาดกลาง เนื่องจากผู้ผลิตจัดทำเอกสารในเรื่องราวความสำเร็จต่างๆ [4] ซึ่งรวมถึงโครงการของมหาวิทยาลัยที่นักศึกษามหาวิทยาลัยรอยทลิงเงน/เยอรมนี กำลังค้นคว้าทางเลือกที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้แทนช้อนส้อมพลาสติกแบบใช้แล้วทิ้ง พวกเขาได้รับการสนับสนุนโดยผู้เชี่ยวชาญด้านการฉีดขึ้นรูปชาวเยอรมัน Gindele เช่นเดียวกับ KUKA และ Robomotion ซึ่งเป็นพันธมิตรระบบของพวกเขา การจัดการทั้งหมดเกี่ยวกับการฉีดขึ้นรูปนั้นครอบคลุมโดยเซลล์หุ่นยนต์ที่มีความยืดหยุ่นสูง ซึ่งแกนหลักคือหุ่นยนต์ขนาดกะทัดรัด Agilus ที่ติดตั้งกริปเปอร์ที่พิมพ์ 3 มิติ

ตามเอกสารข้อมูล KUKAAgilus KR6 R900-2 หุ่นยนต์ 6 แกนมีระยะเอื้อมสูงสุด 901 mm และน้ำหนักบรรทุก 6.7 kg และมีความสามารถในการทำซ้ำท่าได้ ±0.02 mm ตามมาตรฐาน ISO 9283 การใช้งานที่เป็นไปได้มีตั้งแต่การจัดการร่วมกับเครื่องจักรอื่นๆ ผ่านเทคโนโลยีการทดสอบและการวัด และการใช้กาวหรือยาแนว ไปจนถึงการประกอบ หยิบและวาง บรรจุภัณฑ์ และการทดสอบการใช้งาน หุ่นยนต์มีขนาด 208 มม. x 208 มม. น้ำหนักประมาณ 54 กก. มีการป้องกัน IP56/67 และ ESD (การคายประจุไฟฟ้าสถิต) รวมทั้งเหมาะสำหรับการติดตั้งบนพื้น เพดาน ผนัง และมุม

โมเดล วัสดุ และอุปกรณ์ดิจิทัลอื่นๆ

นอกเหนือจากแนวทางที่แสดงไว้ที่นี่แล้ว วิศวกรยังสามารถใช้ศักยภาพในการเพิ่มประสิทธิภาพเพิ่มเติมได้โดยการใช้วัสดุที่ยั่งยืน เทคนิคเศรษฐกิจหมุนเวียน และการพัฒนาล่าสุดในด้านการแปลงเป็นดิจิทัล เป้าหมายของเศรษฐกิจหมุนเวียนคือการหลีกเลี่ยงของเสียและวัสดุที่เหลือใช้ และรีไซเคิลและนำวัตถุดิบ ส่วนประกอบ และวัสดุบรรจุภัณฑ์กลับมาใช้ใหม่ให้ได้มากที่สุด หลักการของมันสามารถมีส่วนสำคัญอย่างยิ่งต่อโรงงานระบบอัตโนมัติให้ทำงานได้อย่างยั่งยืนมากขึ้น

แนวคิดของ แฝดดิจิตอล และเงาดิจิทัลเป็นแนวทางที่มีแนวโน้มในการระบุศักยภาพในการเพิ่มประสิทธิภาพโดยไม่ต้องทดสอบกับเครื่องจักรหรือโรงงานจริงที่มีการใช้ทรัพยากรสูง ด้วยการแสดงดิจิทัลที่ครอบคลุมของผลิตภัณฑ์ เครื่องจักร หรือกระบวนการจริง และวงจรชีวิต มาตรการบำรุงรักษาสามารถเริ่มต้นหรือสร้างความสัมพันธ์ระหว่างการพัฒนา การผลิต และขั้นตอนอื่นๆ ทั้งหมดของห่วงโซ่คุณค่า วิศวกรจึงสามารถจำลองลักษณะการทำงาน ฟังก์ชันการทำงาน และคุณภาพของวัตถุหรือกระบวนการจริงโดยละเอียด และปรับปรุงความยั่งยืน ตัวอย่างเช่น โดยขจัดความจำเป็นในการสร้างต้นแบบทางกายภาพ

สรุป

ระบบอัตโนมัติถือเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญสำหรับวิศวกรรมกระบวนการและการผลิตในแง่ของผลผลิตและต้นทุน จึงเป็นปัจจัยสำคัญทางเศรษฐกิจ นอกเหนือจากนี้ แนวคิดและผลิตภัณฑ์ระบบอัตโนมัติขั้นสูงยังเป็นกุญแจสำคัญในการปรับปรุงความยั่งยืนของกระบวนการทางอุตสาหกรรม ตั้งแต่การบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ไปจนถึงโรงงานโมดูลาร์และการทำงานร่วมกันระหว่างมนุษย์และหุ่นยนต์ บทความนี้ พร้อมด้วยตัวอย่างที่คัดเลือกมา แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ที่หลากหลาย