מועצם על ידי טכנולוגיית אוטומציה מתקדמת ביותר: המסע לקיימות

חיישנים מחוברים, רובוטיקה, כוננים אדפטיביים - עקרונות אוטומציה מתקדמים הם המפתח לייצור חסכוני-באנרגיה ויעיל-במשאבים. עבור משלבי מערכות ומפעילי מפעלים הם מעניקים מנוף רב-עוצמה לאופטימיזציה של התשתית והתהליכים שלהם במונחים של קיימות.

(מקור התמונה: AzmanJaka דרך Getty Images)

הביקוש לאנרגיה, השימוש בחומרי גלם, ובמיוחד באזורי מטרופולין - גודל הקרקע הנדרש הם הגורמים הקריטיים ביותר לייצור תעשייתי. מצד אחד, הם קובעים את היעילות הכלכלית של מפעלים; מצד שני, הם חיוניים עבור תפעול בר-קיימא.

באזורים רבים בעולם נעשים מאמצים עצומים להגביל את השימוש בדלקי מאובנים קונבנציונליים ולהחלפתם בחלופות מתחדשות. ההצלחות עד היום ניכרות בזכות המחויבות של הפוליטיקה, התעשייה והמגזר הפרטי. בגרמניה, למשל, שהיעד שלה הוא לפתח את האנרגיה המתחדשת למקור אנרגיה משמעותי במסגרת מהפכת האנרגיה שלה, חלקם בצריכת האנרגיה הכוללת הגיע בשנה רק לערך של קצת יותר מ-48%. לפי סוכנות הרשת הפדרלית של גרמניה, תעשיית הייצור אחראית ליותר מרבע מצריכת האנרגיה, וחלקה בביקוש לחשמל דומה. ייצור ועיבוד כימיקלים ומתכות הם המגזרים המובילים.

תעשיות ייצור אלו ורבות אחרות, כולל הנדסת חשמל ומכונות וכן ייצור מזון, מונעות על ידי ההתקדמות שנעשתה באוטומציה של מפעלים ותהליכים. בנוסף לאופטימיזציה של הפרודוקטיביות והעלויות, ההתמקדות עוברת יותר ויותר לפרמטרים המביאים לשיפור הקיימות של מוצרים ותהליכים: בהקשר של דיגיטיזציה ודרך הרעיון של Industry 4.0, הם מכוונים יותר ויותר להתייעלות אנרגטית, לניצול כלכלי של משאבים, להימנעות מפסולת ולטביעת-רגל פחמנית הקטנה ביותר האפשרית.

אופטימיזציה לטובת קיימות

טכנולוגיית אוטומציה מציעה מגוון של גישות שמשלבי מערכות בהנדסת מכונות ומפעלים, כמו גם חברות ייצור, יכולים להשתמש כדי למנף את האופטימיזציה של התשתית, המפעלים והתהליכים שלהם במונחים של קיימות. השימוש המקיף בחיישנים ושילובם באינטרנט של דברים תעשייתי (IIoT) פותח כאן מגוון רחב של אפשרויות באמצעות ניטור רציף של צריכת האנרגיה, פרמטרי סביבה או מלאי. בעזרת חיישנים מחוברים, חברות ייצור יכולות, למשל, לעקוב אחר הובלת סחורות בזמן-אמת, לנטר רמות מילוי או לתעד נתוני מצב של מכונות וכלים בקווי הייצור (איור 1).

איור 1: לקליטה וניתוח של נתוני מצב מכונות יש פוטנציאל עבור תהליכים יותר ברי-קיימא. (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

דוגמה מצוינת למשפחות מוצרי חיישנים התומכות באופן הוליסטי בגישת IIoT לייצור היא פורטפוליו Snap Signal‏ של הספק האמריקאי Banner Engineering. באופן כללי, האתגר של המשתמשים הוא קודם כל לזהות נתונים רלוונטיים, ובשלב הבא, לחלץ אותם מהציוד הקיים. אם מזוהה צורך לשלב טכנולוגיית חיישנים נוספת למדידת משתנים נוספים, כגון רעידות וטמפרטורה בדוחף, הדבר לא אמור לדרוש כל שינוי בארכיטקטורת הבקרה הקיימת. חשוב גם לבצע סטנדרטיזציה של התקשורת ולהמיר את כל נתוני החיישן והבקרה לפרוטוקול משותף. עבור מטרה זו, קו המוצרים Snap Signal (איור 2) מציע חיישנים חכמים, ממירי אותות, בקרים, מתאמי אותות ומודולי תקשורת אלחוטית, כמו גם טכנולוגיית חיבוריות קווית המאפשרת למהנדסי אוטומציה תחיבה-והפעלה כדי לפתור משימות אלו.

איור 2: תמיכה בגישת IIoT לייצור: חיישנים חכמים, ממירים ובקרים ממשפחת Snap Signal. (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

העיבוד והניתוח של נתוני חיישנים כאלה - המבוצעים או מרוכזים בענן או ישירות בשטח - מאפשרים להסיק מסקנות לגבי שגיאות ופוטנציאל האופטימיזציה בתהליכים או הצורך בתחזוקה. בדרך זו ניתן לצמצם את הפסדי האנרגיה ולמזער את השימוש במשאבים. מאידך, תחזוקה חזויה מאפשרת לתכנן את עבודות התחזוקה מראש ובכך לקצר את זמן ההשבתה, שבתורו מסייע להימנע מהוצאות נוספות על אנרגיה וחומרים.

טכנולוגיית הנעה חסכונית-באנרגיה

לגבי הביקוש לאנרגיה של מפעלי הייצור, לדוגמה, טכנולוגיית ההנעה משחקת תפקיד מרכזי. מערכות הנעה יעילות המצוידות בדוחפים בתדר משתנה (VFD) מתקדמים מסוגלות להתאים במדויק את מהירויות המנוע לדרישה האמיתית של המערכת תוך הפחתה משמעותית של צריכת ההספק, במיוחד ביישומי עומס משתנה. הנעה רגנרטיבית יכולה להפחית עוד יותר את הצריכה על ידי ניצול אנרגיית הבלימה. הם הופכים חשובים יותר ויותר במהלך מודולריזציה והגמשה של מפעלי ייצור, הנחשבים לאחד ממרכיבי הליבה של Industry 4.0. בקונספט של המפעל המודולרי, רכבים מונחים אוטומטית (AGV) ורובוטי סיוע ניידים ממלאים פונקציות תומכות, למשל בטיפול ובהרכבה. משקל נמוך וניצול אנרגיית הבלימה הם מאפיינים חיוניים כאן מכיוון שהם לא רק מבטיחים שימוש חסכוני באנרגיה וטביעת-רגל אקולוגית קטנה, אלא גם טווח ארוך עבור AGVs וקובוטים.

היצרנית הצרפתית Schneider Electric‏ נותנת מענה לפלח שוק זה של טכנולוגיית הנעה יעילה במיוחד עם ה-VFD הקומפקטי שלה Altivar ATV320‏. הוא מתאים עבור בקרת מנועים סינכרוניים ואסינכרוניים תלת-פאזיים בסגמנט ההספק מ-0.18 עד 15 קילוואט במהירויות משתנות. לפי היצרנית הוא משלב בטיחות משולבת עם מספר רב של פונקציות מוכנות-לשימוש שנועדו לתמוך ביעילות היישום. אלה כוללים מומנט ודיוק במהירות נמוכה, היענות הדינמית גבוהה הכוללת בקרת וקטור שטף ללא חיישן, ותחום תדרים מורחב עבור מנועים במהירות גבוהה. ה-ATV320‏ (איור 3) בולט במיוחד בעמידותו המשופרת בפני סביבות מזוהמות האופייניות לתהליכים תעשייתיים רבים, ועומד במפרטי דירוגי הגנה IP20 כמו גם IP6x. ה-VFD תוכנן להשתלב במלואו בתוך ארכיטקטורות מערכת שונות. הוא מצויד במחברי RJ45 עבור חיבוריות משולבת Modbus ו-CANopen. אפשרויות תקשורת אחרות כוללות Ethernet IP ו-Modbus TCP, Profinet, EtherCAT, DeviceNet ו-PowerLink.

איור 3: ה-Altivar ATV 320 VFD מיועד עבור בקרת מנועים סינכרוניים ואסינכרוניים תלת פאזיים במהירות משתנה. (מקור התמונה: Schneider Electric‏)

בקרה חכמה יותר

בחיפוש אחר שימוש יותר בר-קיימא באנרגיה ובמשאבים תעשייתיים, אופטימיזציה של טכנולוגיית הבקרה היא חלק בלתי-נמנע מהמשוואה. כשמדובר באיסוף, עיבוד וניתוח נתוני ייצור במפעלים אוטומטיים, בקרי קצה מתקדמים ביותר ממלאים כיום תפקיד מפתח. התקנים קומפקטיים ומדרגיים אלה מחוברים באמצעות Ethernet תעשייתי כדי ליישם פתרונות מבוססי ענן ומקומיים כאחד. פונקציות ייעודיות לאבחון וניהול אנרגיה מסייעות למהנדסי אוטומציה לנתח תהליכי ייצור, לזהות צווארי בקבוק וליזום אמצעי אופטימיזציה המבוססים על בקרים תעשייתיים כמו ה-Simatic S7-1200. אלגוריתמי בקרה מתקדמים כמו גם פונקציות תקשורת ובטיחות משולבות תורמים תרומה מכרעת לביצוע תהליך מדויק.

איור 4: עם ביצוע תהליכים יעיל המבוסס על ניתוח נתוני ייצור באמצעות הבקר הבסיסי של Siemens‏, ניתן ליישם פתרונות גם בענן וגם מקומיים. (מקור התמונה: Siemens‏)

יעילות הודות לדיוק

קטנים, זריזים וורסאטיליים ביותר, ועם התכן הקומפקטי וקל-המשקל שלהם וטכנולוגיית הבקרה החכמה שלהם, לרובוטים יש השפעה משמעותית על שימוש בר-קיימא במשאבי הייצור. ההתקנים החסונים ובעלי יכולת הסתגלות גבוהה של משפחת Agilus של היצרן הגרמני KUKA‏ הם דוגמה יוצאת-דופן לכך (איור 5). הם מגיעים עם הספקת אנרגיה משולבת ובכמה גרסות, חלקם מוצעים כרובוטים עבור חדרים-נקיים, אחרים עבור יישומים קריטיים-להיגיינה או סביבות העלולות להיות נפיצות. מתוכננים עבור שיתוף פעולה אדם-רובוט, הרובוטים מאפשרים תהליכים יעילים ביותר הודות לבקרת תנועה מדויקת חוזרת ונשנית. לדוגמה, הם אידיאליים עבור מזעור הצורך בעיבוד חוזר בתהליכי עיבוד שבבי כמו גם בהפחתת רמת הדחיות.

איור 5: KR Agilus בפרויקט באוניברסיטת רויטלינגן/גרמניה. כאן הסטודנטים עובדים עם שותפים בתעשייה על פיתוח חלופות בנות-קיימא לסכו"ם חד-פעמי מפלסטיק. (מקור התמונה: KUKA Deutschland)

השימוש בעזרים קומפקטיים ומשתנים כאלה הוא הגיוני גם עבור חברות קטנות ובינוניות, כפי שהיצרן מתעד בסיפורי הצלחה שונים [4]. אלה כוללים פרויקט אוניברסיטאי שבו סטודנטים באוניברסיטת רויטלינגן/גרמניה חוקרים חלופות לשימוש חוזר לסכו"ם חד-פעמי מפלסטיק. הם נתמכים על ידי מומחה ההזרקה הגרמני Gindele וכן על ידי KUKA ושותפתם למערכת Robomotion. כל הטיפול סביב היציקה בהזרקה מכוסה על ידי תא רובוטי גמיש במיוחד, שהליבה שלו היא הרובוט הקומפקטי Agilus המצויד בתופסן מודפס-3D‏.

לפי גיליון הנתונים, הרובוט בעל שישה צירים Agilus KR6 R900-2‏ של KUKA הוא בעל טווח הגעה מקסימלי של 901 מ"מ ומטען של 6.7 ק"ג והוא משיג עקביות תוצאות של ±0.02 מ"מ בהתאם לתקן ISO 9283‏. השימוש האפשרי נע בין טיפול בשילוב עם מכונות אחרות, דרך טכנולוגיית בדיקות ומדידות, מריחה של דבקים או חומרי איטום, ועד להרכבה, Pick-and-Place, אריזה והקצאה. הרובוט תופס חתימת-שטח של 208 מ"מ x‏ 208 מ"מ, שוקל כ-54 ק"ג, מוגן IP56/67 ומוגן ESD (פריקה אלקטרוסטטית), וכמו כן מתאים עבור הרכבה על רצפה, תקרה, קיר ובזווית.

מודלים דיגיטליים, חומרים ועוד

מעבר לגישות המוצגות כאן, המהנדסים יכולים למנף פוטנציאל אופטימיזציה נוסף על ידי יישום חומרים ברי-קיימא, טכניקות כלכלה מעגלית והפיתוחים האחרונים בתחום הדיגיטיזציה. מטרת הכלכלה המעגלית היא להימנע מפסולת ושאריות חומרים ולמחזר ולעשות שימוש-חוזר בכמה שיותר חומרי גלם, רכיבים וחומרי אריזה. העקרונות שלה יכולים לתרום תרומה מכרעת למפעלים אוטומטיים לפעול בצורה יותר ברת-קיימא.

המושגים של תאום דיגיטלי וצל דיגיטלי הם גישות מבטיחות לזיהוי פוטנציאל אופטימיזציה ללא בדיקה במכונות או מפעלים אמיתיים עם הוצאה גבוהה של משאבים. הודות לייצוג הדיגיטלי המקיף של מוצרים, מפעלים או תהליכים אמיתיים - ושל מחזורי החיים שלהם - ניתן ליזום אמצעי תחזוקה או לבסס מתאמים בין הפיתוח, הייצור וכל שאר השלבים בשרשרת הערך. כך יכולים המהנדסים לדמות את ההתנהגות, הפונקציונליות והאיכות של אובייקטים או תהליכים אמיתיים בפירוט - ולשפר את הקיימות שלהם, למשל על ידי ביטול הצורך באבות טיפוס פיזיים.

סיכום

לאוטומציה יש יתרונות גדולים עבור הנדסת תהליכים וייצור במונחים של פרודוקטיביות ועלויות. לכן זהו גורם כלכלי חיוני. עם זאת, מעבר לכך, תפיסות ומוצרי אוטומציה מתקדמים הם גם המפתח לשיפור הקיימות של תהליכים תעשייתיים. מתחזוקה מנבאת ועד למפעל המודולרי ולשיתוף פעולה אדם-רובוט - מאמר זה, יחד עם דוגמאות נבחרות, מעניק התרשמות ממגוון של אפשרויות.