כיצד I/O‏ רב-פרוטוקולים מרחוק מפשט את בקרת המכונה ותומך ב-OEE?

פישוט בקרת מכונה באמצעות I/O‏ מרחוק מתחיל ברצפת הייצור, ממשיך דרך רשת הבקרה, ובסופו של דבר מגיע לארון הבקרה ולענן. קונסולידציה היא שיקול מרכזי וניתן לתמוך בו באמצעות בלוקי I/O‏ רבי-פרוטוקולים.

פרוטוקולים שונים, כגון Ethernet, IO-Link ו-Modbus RTU, מותאמים עבור יישומים ספציפיים. במקום להעביר כבלים בודדים עבור כל מכונה, חיישן ומפעיל חזרה לבקר מרכזי, מערכות I/O‏ רבות-פרוטוקולים מרוחקות משתמשות בכבל רשת יחיד כדי לאסוף נתונים ממספר התקני שטח המשתמשים בפרוטוקולים שונים. קונסולידציה זו מפחיתה משמעותית את החיווט, מורידה עלויות ומשפרת את גמישות המערכת, יכולת המידרוג והתחזוקה.

אגרגציית נתונים הנתמכת על ידי קונסולידציה נדרשת גם כדי לפשט את יישום חישובי יעילות הציוד הכוללת (OEE). OEE הוא מדד מקיף ליעילות תהליך ייצור המשלב זמינות, ביצועים ואיכות. OEE מספק נתונים חיוניים לקבלת החלטות מושכלות ומונעות-נתונים כדי לייעל את תהליכי הייצור, מה שמוביל להפחתת עלויות, עלייה בתפוקה, שיפור באיכות המוצר ושיפור הרווחיות.

מאמר זה סוקר כיצד בלוקים רבי-פרוטוקולים של Banner Engineering‏ תומכים בחיבוריות I/O‏ מרחוק וב-OEE בכל הרשתות התעשייתיות, החל ממכונות, חיישנים והתקני שטח אחרים ברצפת המפעל, ועד לארונות בקרה ולענן.

השימוש במדדי OEE יכול לספק תובנות ברורות ומבוססות-נתונים לגבי ביצועי המפעל. זה יכול להוביל לשיפור הפרודוקטיביות, הפחתת העלויות, שיפור האיכות וקבלת החלטות כוללת מושכלת יותר.

OEE מבוסס על משוואה אלגנטית בעלת השלכות רבות-עוצמה (איור 1).

• הזמינות מודדת את אחוז זמן הייצור המתוכנן עם הזמן בו הציוד פועל = זמן ריצה בפועל / זמן ייצור מתוכנן. אם מכונה הייתה מתוכננת לפעול במשך 24 שעות (1440 דקות) אך פעלה רק במשך 20 שעות (1200 דקות) עקב הפסקות פעילות לא מתוכננות, הזמינות תהיה 1200/1440 = 83.3%.
• ביצועים מודדים את מהירות הייצור בפועל בהשוואה לקצב המקסימלי = (זמן מחזור מקסימלי x סך הכל המיוצר) / זמן ריצה. אם למכונה יש זמן מחזור מקסימלי של יחידה אחת לדקה ו-1200 דקות זמן ריצה, והיא ייצרה רק 1000 יחידות, הביצועים יהיו (דקה אחת/יחידה x 1000 יחידות) / 1200 דקות = 83.3%
• איכות מודדת את אחוז היחידות הטובות = יחידות טובות / סך היחידות המיוצרות. לדוגמה, אם מכונה ייצרה 1000 יחידות, אך 20 נגרטו או נזקקו לעיבוד-חוזר, האיכות תהיה 980 / 1000 = 98%
• OEE‏= 83.3% (זמינות) × 83.3% (ביצועים) × 98% (איכות) = 68.0%

איור 1: המתמטיקה העומדת בבסיס OEE היא פשוטה, אך ההשלכות של OEE הן עמוקות ורחבות. (מקור התמונה: Banner Engineering)

אתגרים במימוש OEE ברצפת הייצור

השגת הנתונים הדרושים למימוש OEE יכולה להיות מאתגרת. איסוף נתונים מדויקים בזמן-אמת מכל המכונות הוא אתגר עיקרי. זה יכול להיות נכון במיוחד עבור מכונות ישנות יותר ואיי אוטומציה.

הזנת נתונים ידנית לא רק מאטה את איסוף הנתונים, אלא גם עלולה לגרום לשגיאות ואי דיוקים בהזנת הנתונים, כגון סיווג שגוי של זמן השבתה ופגמים, מה שמוביל למדידות OEE שגויות או מעוותות.

נתונים מדויקים ומקיפים ובזמן הם המפתח למימוש יעיל של תוכניות OEE. זה משתרע מעבר לרצפת המפעל וכולל אינטגרציה עם מערכות קיימות, כגון תכנון משאבי ארגון (ERP) או מערכות ניהול תחזוקה ממוחשבות (CMMS‏), תוכניות תחזוקה חזויה ומערכות מתקדמות אחרות של Industry 4.0. פתרונות I/O‏ מרחוק, במיוחד כאלה הכוללים יכולות עיבוד קצה, יכולים להיות כלי בעל ערך עבור מימוש OEE.

פתרונות I/O‏ מרחוק

רכזות I/O‏ מרוחקות ממקמות מודולי I/O‏ קרוב יותר להתקני השטח, כגון חיישנים ומפעילים, על ידי חיבורם לבקר באמצעות אפיק רשת יחיד. זה מפחית את עלויות החיווט, מפשט את האינטגרציה ומשפר את הזמינות הגבוהה יותר.

התקני רשת עיקריים עבור תמיכה בפתרונות I/O‏ רבי-פרוטוקולים מרחוק כוללים בלוקי Ethernet רבי-פרוטוקולים, מאסטרים IO-Link, רכזות IO-Link ובלוקי I/O‏ של Modbus RTU ועוד (איור 2).

איור 2: דוגמאות לתצורות I/O‏ מרחוק רבות הזמינות מ-Banner Engineering. (מקור התמונה: Banner Engineering)

לכמה מהתקני I/O‏ מרוחקים אלה יש דירוג IP67 לשימוש בסביבות תעשייתיות מאתגרות, והמאסטרים והבקרים כוללים עיבוד קצה ואחסון נתונים היכולים לפשט את האינטגרציה ביישומי OEE. הדוגמאות כוללות:

• ארבע נקודות-חיבור Modbus ראשיות עצמאיות ב-DXMR90-X1‏ יכולות לשמש לחיבור מספר התקנים ולהמרת נתוני Modbus לפרוטוקולי Ethernet תעשייתיים נפוצים כמו EtherNet/IP ו-PROFINET.
• ניתן לתמוך בעד ארבעה התקני IO-Link, כגון חיישנים, רכזות ותאורה, באמצעות פונקציות ה-DXMR90-4K‏ כמאסטר וכבקר הכולל המרת פרוטוקול מובנית לתקשורת עם מגוון רחב של מערכות בקרה תעשייתיות, כולל EtherNet/IP, PROFINET, Modbus/TCP ו-Modbus RTU. עבור יישומים עם עד שמונה התקני IO-Link, המתכננים יכולים לפנות ל-DXMR110-8K‏, המציע את אותן יכולות המרת פרוטוקול.
• ניתן לתמוך גם ב-I/Os דיסקרטיים בעלי שמונה נקודות-חיבור באמצעות ה-R95C-8B21-MQ‏ הממיר אותות בדידים מחיישנים והתקנים מחוברים לפרוטוקול Modbus.

גם ממירים לחיבור חיישנים הם קריטיים. ניתן לחבר חיישנים מהדורות הקודמים עם יציאת זרם אנלוגית של 4-20 מיליאמפר לרשת IO-Link באמצעות ממיר מובנה S15C-I-KQ‏. חיישנים המייצרים יציאות NPN או PNP בדידות יכולים להשתמש בממיר בתוך-הקו S15C-B22-MQ‏ עבור חיבור לרשת Modbus.

ניתן להשתמש ברכזות כדי לאחד אותות ברצפת המפעל. ה-R90C-4B21-KQ‏ הוא רכזת IO-Link נפרדת בעלת 4 נקודות-חיבור היכולה לחבר התקנים נפרדים שאינם IO-Link למערכת IO-Link, ולאחד ולשדר את האותות שלהם ל-IO-Link Master. יש לו דירוגי IP של IP65, IP67 ו-IP68.

רכזות IO-Link בתוך-ארון

רכזות IO-Link מובנות מציעות כלי רב עוצמה וחסכוני נוסף עבור מימוש OEE, שיפור איסוף נתונים, מזעור זמן השבתה ופישוט תחזוקה. על ידי ריכוז מספר חיישנים בדידים ואנלוגיים, הרכזות מייעלות את החיווט ומאפשרות גישה ישירה בזמן-אמת לנתוני ביצועים ואבחון מפורטים הנדרשים ליישום OEE.

כאשר נדרשים רכזות IO-Link בתוך-ארון, המתכננים יכולים לפנות לסדרת IC70 של Banner. רכזות אלו מפשטות את שילובם של חיישנים ומפעילים בודדים במערכת בקרה, ומבטלות את הצורך במודולי I/O‏ נוספים.

אופני שיהוי משולבים וניטור נקודות-חיבור יכולים ליישם פונקציות לוגיות בסיסיות מבלי להסתמך על בקר לוגיקה ניתן-לתכנות (PLC) של המערכת, ובכך להאיץ את ההתקנה ולפשט את התכנות. נורות LED‏ לחיווי הסטטוס תומכות באבחון בזמן-אמת, ומבטיחות פתרון בעיות מהיר ומדויק הממזער את זמן ההשבתה.

דגם IC70-16P-K‏ (איור 3) מיועד עבור התקני PNP, בעוד שדגם IC70-16N-K‏ מיועד עבור התקני NPN. לשניהם יש 16 ערוצים, דירוג סביבתי IP20 המתאים לשימוש בארונות בקרה, וניתן להרכיבם על פס DIN סטנדרטי של 35 מ"מ.

איור 3: רכזת IO-Link מותקנת בתוך-ארון זו מדורגת ל-IP20 ויכולה לחבר עד 16 התקני PNP. (מקור התמונה: Banner Engineering)

חיבוריות אלחוטית ו-OEE

חיבורים אלחוטיים לארון הבקרה ולענן יכולים להיות קריטיים בעת מימוש OEE. על ידי ביטול המגבלות של מערכות קוויות, חיבוריות אלחוטית יכולה לשפר את הגמישות התפעולית, את המדרגיות ואת היעילות.

Banner‏ מציעה פתרונות I/O‏ אלחוטיים התואמים למגוון פרוטוקולי אוטומציה, כולל Modbus/TCP, Modbus RTU ו-EtherNet/IP עבור תקשורת בין בקרים, HMI או מערכות אחסון מקומיות אחרות. בקרי אלחוט אלה יכולים להתממשק עם נקודות-חיבור טוריות מקומיות, נקודות-חיבור I/O‏ מקומיות והתקני רדיו ISM מקומיים, ולחבר אותם לאינטרנט באמצעות חיבור סלולרי או חיבור רשת Ethernet קווי.

בקרי DXM700-B1‏ ו-DXM1200-B2R1‏ מציעים שניהם תקשורת אלחוטית באמצעות שער אלחוט Sure Cross DX80‏ של Banner או רדיו MultiHop עם תחומי ISM של 900 מגה-הרץ או 2.4 גיגה-הרץ הזמינים עבור תקשורת לטווחים ארוכים. יש להם יציאות תקשורת RS-485, Ethernet ו-USB סטנדרטים בתעשייה.

שניהם כוללים בקר לוגיקה פנימי עם כללי פעולה ותכנות ScriptBasic המסוגל לפתח פתרונות פשוטים או מורכבים לעיבוד, רישום ובקרה של נתונים אל/ממספר התקני רדיו אלחוטי וחיישנים. הם כוללים גם מסכי LDC משולבים ניתנים-לתכנות, ונורות חיווי LED (איור 4).

איור 4: בקר DXM1200-B2 (משמאל) ובקר DXM700-B1 (מימין). (מקור התמונה: Banner Engineering)

שני הבקרים יכולים להתחבר לשירותי ענן, כגון פתרונות נתונים מחוברים (CDS) של Banner, עבור צפייה וניתוח נתונים, ולהשתמש במעבד M7 במהירות 300 מגה-הרץ עם זיכרון מובנה של MB‏ 16‏. הם יכולים לשלוח התראות באימייל ובהודעות טקסט, לתמוך ברישום נתונים לכרטיס microSD חיצוני (עד 8GB), ושניהם פועלים על אותו ספק-כוח של _DC‏V‏ 12‏ עד _DC‏V‏ 30‏.

ההבדלים העיקריים טמונים בסביבות היישומים שלהם. ל-DXM700‏ יש מארז בדירוג IP20, המעניק הגנה בינונית עבור התקנות פנימיות, ומשתמש בהרכבה על מסילת DIN. ל-DXM1200‏ מארז בעל דירוג IP67, המעניק הגנה חסונה מפני אבק ומים, הוא מתאים עבור תנאי חוץ קשים, ומאפשר התקנה על פאנל או קיר.

יש להם גם חיבורי Ethernet שונים. ל-DXM700 יש שקע RJ45 והוא משתמש בכבל Ethernet סטנדרטי. ל-DXM1200 יש מחבר M12 (קוד D) חזק יותר, ברמה תעשייתית, שנועד לעמוד ברעידות ובמאמצי סביבה.

סיכום

בקרים ומאסטרים I/O‏ רבי-פרוטוקולים מרחוק של Banner Engineering, ובמיוחד סדרת DXMR הקווית ופתרונות DXM האלחוטיים, כוללים יכולות עיבוד קצה המאפשרות להם לאחד ולעבד נתונים באופן מקומי, דבר חיוני עבור מימוש OEE ויישומי אינטרנט של דברים תעשייתי (IIoT) אחרים. Banner‏ מציעה גם ממירי פרוטוקול מובנים ורכזות IO-Link מובנות המפשטים את החיווט, מאפשרים הגדרת תצורה וניטור מרחוק ומפחיתים עלויות. הם מאפשרים שילוב יעיל של התקנים מדורות קודמים ומודרניים כאחד.

קריאה מומלצת:

1. כיצד לתכנן ולפרוס במהירות מערכות ראייה ממוחשבת חכמות
2. כיצד לתכנן רשת שכבת-על (Overlay‏) מודולרית עבור אופטימיזציה של עיבוד נתונים Industry 4.0‏ ב-IIoT‏
3. אופטימיזציה של ארכיטקטורות תקשורת Industry 4.0 באמצעות רכזות I/O‏ וממירים רבי-פרוטוקולים
4. שימוש בבקרי PLC‏ Cybersecure‏ עם אבטחת סייבר משולבת עבור אוטומציה תעשייתית במהירות גבוהה
5. כיצד ניטור רב-חיישנים של נכסים יכול לשפר את הביצועים במפעלים ובלוגיסטיקה של Industry 4.0 ובמרכזי נתונים