Systemy kontroli w przemyśle

Kontrola przebiegu procesów produkcyjnych w przedsiębiorstwie może przyjmować różne formy. System kontroli jakości, bieżąca weryfikacja wartości wielkości nieelektrycznych, kontrola zużycia mediów, wizualizacja przebiegu procesów, systemy monitoringu i zarządzania produkcją, systemy kontroli dostępu to tylko niektóre z przykładów stosowanych form kontroli. Wszystkie z wymienionych usprawniają przebieg procesu technologicznego, gwarantują wysoką powtarzalność oraz dokładność, redukują ryzyko wyprodukowania wadliwych produktów oraz pozwalają na wczesne wykrywanie zużywania się elementów linii produkcyjnych.

Kontrola jakości

Postępująca automatyzacja sprawia, że systemy kontrolne bazują najczęściej na komponentach i systemach automatyki. Zdolności oceny jakości przez systemy komputerowe z dedykowanym oprogramowaniem są dużo wyższe niż człowieka. Główną ich zaletą jest duża wydajność wynikająca z szybszego przetwarzania informacji z otoczenia. Zautomatyzowane systemy kontroli jakości zapewniają lepszą dokładność i powtarzalność. System komputerowy może przetworzyć obraz z większego wycinka przestrzeni niż człowiek, jest to analiza wielowątkowa, jednocześnie kontrolująca wiele wielkości fizycznych, charakteryzująca się stabilnością zapamiętanego wzorca i niską zawodnością. Im więcej punktów kontroli przebiegu procesu, tym mniejsze ryzyko wykrycia defektu dopiero na końcu linii produkcyjnej.

Systemy kontroli jakości są powszechnie stosowane w branży spożywczej. Służą do sprawdzania wymiarów, koloru, kształtu, masy i czystości produktu, obecności i rozmieszczenia niezbędnych etykiet i nadruków, szczelności opakowań. Za ich pomocą można sprawdzać jakość wypieku, dojrzałość owoców i warzyw, czystość pakowanych do torebek artykułów sypkich, jak mąka, ryż, kasza czy cukier. Inną branżą korzystającą chętnie z zalet wynikających z kontroli jakości jest branża elektroniczna. Sprawdzanie poprawności wykonania płytek elektronicznych, które stanowią główny element różnych urządzeń i przedmiotów codziennego użytku polega na weryfikowaniu komplementarności użytych elementów, sprawdzaniu poprawności montażu poszczególnych elementów oraz przebiegu i obecności poszczególnych ścieżek.

Innym przykładem branży, w której powszechnie stosuje się systemy kontroli jakości jest branża motoryzacyjna. Badane jest rozmieszczenie i kompletność wszystkich użytych komponentów, poprawność montażu i zachowania odpowiednich wymiarów, jakość powłoki lakierniczej, zbieżność kolorów składanych elementów. Szczególnie chętnie z systemów kontroli jakości korzystają również przedstawiciele branży pakowania i opakowań. Kontrola jakości dotyczy wymiarów, kształtu oraz koloru opakowania, szczelności zamknięcia za pomocą zgrzewu lub zakrętki, kompletności wypełnienia, prawidłowości rozmieszczenia produktów w opakowaniu, poprawności rozmieszczenia nadruków i etykiet – wszystkie wymienione znajdują zastosowanie zarówno w przypadku opakowań jednostkowych, jak i zbiorczych.

Kamery

Systemy kontroli jakości bazują często na czujnikach wizyjnych i kamerach. Kamery to urządzenia bardziej zaawansowane od czujników. Służą do zbierania danych z otoczenia, umożliwiając kontrolę wybranego wycinka przestrzeni. Do ich zalet należy możliwość pozyskiwania danych z wielu punktów oraz jednoczesne badanie kilku cech, a nie tylko wybranych właściwości fizycznych obiektów znajdujących się w danym obszarze przestrzeni. Analiza pozyskanego z użyciem kamery obrazu może być wielowątkowa.

Dobierając kamerę do konkretnego zastosowania należy zwrócić uwagę na rozdzielczość ekranu, szybkość przetwarzania wyrażaną w klatkach na sekundę, przekątną matrycy oraz zastosowany typ przetwornika. Większą elastyczność zapewniają przetworniki CMOS, które umożliwiają odczytanie stanu dowolnego elementu światłoczułego w każdym momencie dzięki wyposażeniu w indywidualny wzmacniacz oraz rejestr odczytu. Lepsze funkcjonowanie w słabych warunkach oświetleniowych zapewniają przetworniki CCD. Istotna jest funkcjonalność oraz intuicyjność dedykowanego oprogramowania, które ma określone zasoby biblioteczne, gotowe filtry i szablony. Przykładami takich programów są: Adaptive Vision Studio (C&C Partners), Common Vision Blox (Stemmer Imaging), SIMATIC Visionscape (Siemens), Cognex Vision Pro (Cognex), BVS-Cocpit (Balluff), ifm Vision Assistant (ifm electronic).

Lepszą jakość obrazu wycinka przestrzeni gwarantują oświetlacze. Ze względu na konstrukcję można wyróżnić oświetlacze pierścieniowe, liniowe, punktowe, współosiowe, doświetlające od spodu. O klasyfikacji urządzeń decyduje rodzaj emitowanego światła. W ten sposób wyróżnia się oświetlacze LED, fluorescencyjne, strukturalne, halogenowe oraz z lampą żarzeniową. Oświetlacze mogą pracować w trybie ciągłym lub zsynchronizowanym z kamerą.

Jako przykład kamer przeznaczonych do zastosowań w kontrolnych systemach wizyjnych może posłużyć seria CORSIGHT (C&C Partners) zawierająca modele z przetwornikami CMOS i CCD w wersji monochromatycznej i kolorowej, z oświetlaczami pierścieniowymi i dostępnym szerokim wachlarzem obsługiwanych interfejsów komunikacyjnych. Inne przykłady urządzeń dostępnych na rynku to między innymi:

• seria IDS uEye (Optosoft), przystosowana do skanowania obszaru w trójwymiarowej przestrzeni seria 3D-A5000 (Cognex),
• seria kamer 3D O3D3xx (ifm electronic) ze zintegrowanym doświetlaniem oraz odlewaną ciśnieniowo, aluminiową obudową, ze wzmocnionym szkłem obiektywu i wyświetlaczem.

Czujniki wizyjne

Oferta czujników wizyjnych jest bardzo szeroka. Najprostsze modele zwykle realizują jedno nieskomplikowane zadanie. Bardziej zaawansowane są wyposażane w oświetlacze, wyświetlacze, panele, możliwa jest ich parametryzacja oraz jednoczesne badanie kliku cech kontrolowanego obiektu.

Wśród czujników wizyjnych można wyróżnić czujniki koloru, które emitują światło i porównują współrzędne chromatyczne promieniowania z przyjętymi wcześniej wzorcami, czujniki skali szarości – analizujące wiązkę odbitą nadawanego światła podczerwonego, czujniki kontrastu – korzystające ze współczynnika odbicia promieniowania oraz czujniki luminescencji, które odnajdują niewidoczne dla oka znaczniki dzięki emisji światła ultrafioletowego.

Do wielozadaniowych czujników wizyjnych należy seria BVS E firmy Balluff. Wspomniane czujniki umożliwiają wykrywanie konturów, jasności i szarości, równoczesną kontrolę położenia i kompletności elementów, pozwalają na dowolną pozycję obrotu detalu.

W ofercie firmy Festo można znaleźć wielozadaniowy czujnik wizyjny SBSI z czytnikiem kodów kreskowych jedno- i dwuwymiarowych. Zintegrowany oświetlacz umożliwia rozpoznawanie kolorów i wykrywanie obiektów w badanym wycinku przestrzeni.

Firma Stoltronic prezentuje w swoim portfolio czujnik wizyjny CS 50, który jest wyposażony w zintegrowane narzędzia do zliczania, lokalizowania, pomiaru i kontroli obecności oraz opcjonalne oświetlacze w kolorze białym lub czerwonym. Czujnik charakteryzuje się stosunkowo niewielkimi wymiarami oraz dużą wydajnością.

Firma Panasonic oferuje czujnik koloru i kontrastu LX-100 umożliwiający detekcję zmiany odcieni i wykrywanie znaków. Firma Stemmer Imaging proponuje aluminiowe czujniki przemieszczenia Gocator 1300, pozwalające na analizę chropowatości oraz pomiar wysokości i długości. Natomiast firma .steute bateryjne czujniki serii RF 96 LT dedykowane do weryfikowania ułożenia oraz kompletności elementów i detekcji konturów.

Przykładem czujnika dedykowanego do określonych zastosowań jest czujnik kontroli jakości arkuszy BIS510P-F201A-60, który znajduje się w ofercie firmy Pepperl + Fuchs. Umożliwia ocenę poprawności ułożenia arkuszy oraz monitorowania ich kolejności w procesie poligraficznym. Ocena ta jest realizowana przez porównywanie obrazów lub odczyt kodów kreskowych. Odpowiednie filtry umożliwiają osiągnięcie wysokiej niezawodności przy pracy z powierzchniami odblaskowymi i zintegrowanym naświetleniem.

Z kolei firma Turck proponuje serię czujników iVu przeznaczonych do kontrolowania jakości wykonania plastikowych i szklanych pojemników. Ich parametryzacji można dokonać bez użycia komputera za pomocą przenośnego wyświetlacza. Dzięki temu można uniknąć ryzyka nieautoryzowanej ingerencji w sposób działania komponentu.

Wielkości nieelektryczne

Kontrolę nad prawidłowym przebiegiem procesu produkcyjnego można sprawować, stosując pomiary wielkości nieelektrycznych. Weryfikowanie wartości przepływu, poziomu, ciśnienia, temperatury lub masy jest możliwe dzięki zastosowaniu dedykowanych czujników.

Badanie przepływu pozwala na weryfikowanie poprawności działania systemów dozujących, chłodzących i transportowych. Sprawdzanie na bieżąco przepływu może zapobiec pozbawieniu chłodzenia urządzeń i maszyn, które potrzebują go do niezawodnej pracy. Postać badanego przepływu w przekroju rurociągu jest doskonałym wskaźnikiem prawidłowości działania poprzedzających komponentów linii technologicznych. Zbyt mały lub nieoczekiwanie duży przepływ może wskazywać na uszkodzenie jednego z urządzeń wchodzących w skład linii. Zatrzymanie procesu może zapobiec większej awarii, długiemu przestojowi oraz powstaniu wadliwej serii produktowej. Podczas doboru przepływomierza należy zwrócić uwagę na akceptowaly rodzaj badanego medium, maksymalne wartości dopuszczalnego przepływu oraz temperaturę badanego medium. Istotny jest również dobór sposobu transmisji danych w ramach układu sterowania, stopień ochrony, materiał obudowy urządzenia, używana metoda pomiarowa. Przykładowe serie komponentów do pomiaru przepływu to: seria aluminiowych czujników SFAM (Festo) do azotu i powietrza o maksymalnym dopuszczalnym przepływie wynoszącym 1500 l/min, seria 212 Huba Control (AP Automatyka) stosująca metodę pomiaru wirową Vortex, dedykowana do badania przepływu wody z opcjonalną możliwością kontroli jej temperatury, seria PINOS IO2 (Jumo) mierząca przepływ metodą kalometryczną i temperaturę wody, stalowe komponenty serii DYNAvel (Introl) badające przepływ materiałów sypkich.

Do kontroli prawidłowości przebiegu procesu produkcyjnego mogą również służyć czujniki poziomu. Są wykorzystywane do sprawdzania napełnienia cieczami i materiałami sypkimi zbiorników magazynujących i buforowych. Bieżąca weryfikacja poziomu może sterować pracą urządzeń współpracujących – przykładowo zbyt niski stan surowca w zbiorniku buforowym może wymagać uruchomienia systemu transportowego odpowiedzialnego za dostarczenie surowca z miejsca magazynowania do zbiornika. Nieoczekiwany wzrost lub spadek poziomu cieczy lub materiału sypkiego może świadczyć o wystąpieniu usterki. Sprawdzanie poziomu umożliwia predykcję awarii. Do przykładowych komponentów mierzących poziom należą:

• seria Mobrey MSP900 (Emerson) ze zintegrowanym pomiarem temperatury, mierząca poziom metodą ultradźwiękową,
• seria LFP Inox (Sick) korzystająca z technologii falowodowej,
• seria FLR (Wika) o konstrukcji opartej na pływaku z układem magnetycznym.

Funkcje kontrolne pełni również monitorowanie ciśnienia i temperatury. Wymienione wielkości nieelektryczne są wskaźnikiem prawidłowego trybu pracy podzespołów i urządzeń. Zarejestrowane odchylenie od wartości referencyjnych może wskazywać odpowiednio na rozszczelnienie lub przegrzanie elementów systemu, w obu przypadkach jest to sytuacja niebezpieczna. Często monitorowany proces do prawidłowego działania potrzebuje odpowiedniego ciśnienia lub temperatury. Ich niezapewnienie może spowodować wytwarzanie wadliwych produktów. Przykładowo temperatura jest niezwykle ważna w branży spożywczej. Jej nieodpowiednia wartość może prowadzić do zepsucia surowców. Z kolei nieprawidłowa wartość ciśnienia gazów może uniemożliwiać prawidłowy przebieg procesu cięcia termicznego, a zbyt niskie ciśnienie panujące wewnątrz zbiornika może świadczyć o jego rozszczelnieniu i o potencjalnym niebezpieczeństwie.

Przykładowymi seriami czujników ciśnienia są:

• dedykowana dla mediów agresywnych chemicznie seria Ceraphire (Endress + Hauser) z membraną ceramiczną, bazująca na pojemnościowej metodzie pomiaru,
• korzystająca z piezorezystancyjnej metody pomiaru seria BSP (Balluff) dedykowana dla próżni,
• SDE5 (Festo) dla powietrza,
• dTrans p30 (Jumo) dla cieczy oraz gazów.

Przykładowe serie komponentów do pomiaru temperatury dostępne na rynku automatyki to:

• czujniki ze stali nierdzewnej FI9 (Introl) do pomiaru temperatury ciekłych metali, cieczy i gazów,
• bezkontaktowe czujniki ze stali nierdzewnej T-Gage (Turck) oraz BTS (Balluff),
• pirometr stacjonarny Pyro NFC (Limatherm Sensor) pozwalający na konfigurację i odczyt pozyskiwanych danych za pomocą NFC,
• przenośne pirometry Fluke VT04 (Eltron) oraz VIR50 (Extech) z wbudowaną kamerą,
• przenośne kamery termowizyjne T1020 (Flir Systems) z możliwością nagrania filmu radiometrycznego,
• Ti450 SF6 (Fluke) umożliwiają detekcję wycieków gazów,
• KT 145 (Sonel) oraz 885 kit (Testo) umożliwiające detekcję miejsc zagrożonych pleśnią, dzięki wbudowanemu termohigrometrowi.

Kolejną wielkością nieelektryczną, której pomiar może pełnić funkcję kontrolną, jest masa. Pomiar masy znajduje zastosowanie w realizacji zadań transportu, pakowania, dozowania i paletyzowania. Wyznacznikiem prawidłowej pracy maszyn i urządzeń może być zarejestrowanie prawidłowej wartości masy surowca lub produktu na danym etapie procesu produkcyjnego. Przykładowo pomiar masy surowców w mieszalniku, masy paczki lub pojemnika napełnionego produktem wskazuje na prawidłowość działania systemu dozującego surowiec lub produkt, pomiar masy palety przygotowanej do wysyłki jest wyznacznikiem prawidłowego działania systemów paletyzujących.

Kontrola zużycia mediów

Jednym ze sposobów oceny prawidłowości działania linii produkcyjnej jest kontrola zużycia mediów. Na podstawie obliczeń i obserwacji można oszacować spodziewane zużycie mediów na każdym etapie produkcji. Jeżeli odczyt jest rażąco różny od oszacowanych wartości, może to świadczyć o istnieniu zatoru lub wycieku, pojawieniu się niespodziewanego problemu w ciągu linii technologicznej. Dzięki takiemu działaniu można szybko i precyzyjnie zlokalizować miejsce zaistnienia awarii, która może jeszcze w danym momencie nie wykazywać bezpośrednich objawów. Systemy obsługujące zużycie mediów mogą w takim przypadku zaalarmować operatora o wystąpieniu nieprawidłowości, tym samym zapobiec narażeniu na większe straty środków i czasu.

Kontrola zużycia mediów pozwala również na dokładniejsze obliczenie ponoszonych kosztów produkcji oraz ewentualne znalezienie sposobu na ograniczenie bieżących wydatków. Dzięki systemom kontrolującym zużycie mediów można pozyskać wiedzę na temat dokładnego zapotrzebowania na poszczególne rodzaje mediów na danym etapie produkcji konkretnego półproduktu lub produktu. Istotne jest również pozyskiwanie, archiwizacja i analiza danych dotyczących rozkładu zużycia mediów. Coraz częściej okazuje się, że szacowanie jest niewystarczającym środkiem. Dane historyczne pozwalają dokonywać pomocnych porównań. Ważnym aspektem jest również kontrola zużycia mediów związana z bieżącym utrzymaniem zakładu.

Kontrola zużycia energii w zakładzie może wykazać nieoptymalne dobranie taryfy, zły dobór mocy umownej, brak wiedzy o stratach energii, niską efektywność wybranych maszyn i urządzeń oraz generowanie mocy biernej. Ocena efektywności linii produkcyjnej może wykazać konieczność jej przezbrojenia, optymalizacji procesu lub wymiany maszyn wchodzących w jej skład.

Do kontroli zużycia wody można zastosować przepływomierz elektromagnetyczny Picomag (Endress + Hauser) umożliwiający pomiar całkowitej objętości, aktualnego przepływu, aktualnej temperatury cieczy oraz prezentację graficznych symboli alarmów. Wskazany przepływomierz obsługuje Bluetooth oraz IO-Link.

Innym przykładem jest ultradźwiękowy przetwornik przepływu flowIQ 2100 (Kamstrup) zliczający całkowitą objętość, prezentujący bieżące kody alarmów oraz obsługujący Wireless M-Bus, Wired M-Bus oraz Sigfox. Zużycie ciepła można też kontrolować ultradźwiękowymi przetwornikami przepływu MULTICAL 603 (Kamstrup), SensorStar 2U (Ecomess) i Invonic H (Apator).

Wizualizacja

Formą kontroli przebiegu procesu produkcyjnego jest wizualizacja. Jest ona powiązana z możliwością oddziaływania na parametry procesowe i ustawienia systemowe. Zapewnia bieżące monitorowanie stanu danego systemu automatyki. Dobór konkretnego rozwiązania jest uzależniony od obszaru, który ma być wizualizowany.

Najprostszą formą wizualizacji są panele dotykowe o różnych wielkościach i rodzajach ekranów. Na rynku można znaleźć wiele modeli takich paneli. Przykładowymi urządzeniami z ekranami rezystancyjnymi są: panel WOP-200K (Advantech), Magnelis GTO (Schneider Electric), Simatic KP Comfort (Siemens), Kineco Green GH (WObit). Przykładami paneli z ekranami pojemnościowymi są panel TP 6185 – WHPS
(Phoenix Contact) oraz TX 700 FB (Turck).

Rozwiązaniem kompaktowym są komputery, w których jednostka centralna jest zintegrowana z ekranem. Przykładowe komputery panelowe to seria PPC-3170 (CSI), seria Delta 8XX (Elmatic). Panele i komputery panelowe to propozycje dedykowane do wizualizowania i sterowania konkretnymi sekcjami linii technologicznych, w których niezbędna jest częsta i cykliczna ingerencja operatora w działanie systemu, np. w celu dostarczania surowców lub odbioru gotowych elementów.

Służby utrzymania ruchu korzystają najczęściej z systemów typu SCADA, które zapewniają kontrolę nad całym procesem technologicznym oraz możliwość szybkiego lokalizowania usterek i miejsc, w których wymagana jest interwencja obsługi. Istotna jest czytelność i intuicyjność wizualizacji, które mają wpływ na czas ewentualnego przestoju. Wizualizacja powinna być przejrzysta, estetyczna i funkcjonalna. Systemy SCADA zbierają na bieżąco dane procesowe, wizualizują je, sterują na ich bazie procesem, alarmują w razie wystąpienia niepożądanych sytuacji, archiwizują dane wykorzystywane w późniejszym czasie do optymalizowania procesów produkcyjnych oraz dokonywania analiz.

Na rynku obecnych jest wiele propozycji systemów typu SCADA. Przykładowymi są:

• zenon Supervisor (COPA DATA) zapewniający obsługę 300 protokołów komunikacyjnych oraz przeładowywanie danych bez konieczności restartu,
• oprogramowanie Visu+ 2 (Phoenix Contact) zapewniające rejestrację danych w połączeniu z zewnętrznymi bazami danych oraz bezpieczne szyfrowanie,
• system Asix 2022 (Askom) zgodny z technologią HTML5 ze skalowalną licencją,
• system MicroSCADA Pro (ABB) dedykowany dla monitorowania i sterowania jakości energii w stacjach przesyłowych,
• oprogramowanie MaestroImperium (Sabur) oparte na technologii .NET, umożliwia kontrolę nadzorczą,
• oprogramowanie iFIX 2023 (VIX Automation) z bezpłatną, przemysłową bazą danych i rozszerzonym alarmowaniem i raportowaniem,
• oprogramowanie AVEVA Plant (Schneider Electric),
• system CoMeta (MetaSoft),
• oprogramowanie SIMATIC WinCC OA (Siemens).

Zarządzanie produkcją

W zakładach produkcyjnych zastosowanie znajdują również bardziej zaawansowane systemy informatyczne MES. Umożliwiają one analizę przebiegu procesów technologicznych, wizualizację oraz monitorowanie pracy danego systemu automatyki. Umiejętne zestawienie pozyskanych danych z planami produkcyjnymi oraz aktualnymi potrzebami pozwala na zwiększanie wydajności. Pozyskane dane mogą służyć tworzeniu bieżących raportów lub raportów opartych na danych historycznych.

Szerszy zakres kontroli zapewniają systemy ERP. Systemy te integrują wszystkie obszary działalności przedsiębiorstwa. Dzięki gromadzeniu informacji o stanach magazynowych, klientach oraz danych produkcyjnych w jednej bazie danych zdecydowanie łatwiejsze staje się kompleksowe zarządzanie produkcją.

Podsumowanie

Systemy kontroli w przemyśle mogą przyjmować różne formy, monitorować wiele czynników. Mogą wzajemnie się uzupełniać i weryfikować jednocześnie na wielu płaszczyznach. Każdy element kontrolny w przedsiębiorstwie zwiększa niezawodność i opłacalność realizowanego procesu produkcyjnego. Należy jednak pamiętać, że oprócz sposobu pozyskania informacji ważny jest sposób ich wykorzystania. Nowoczesne metody pozyskiwania informacji na temat stanu poszczególnych systemów składowych linii produkcyjnej umożliwiają bieżącą ocenę i porównywanie do wzorców, badanie występujących odchyłek, ewentualne korygowanie nastaw, wykrywanie błędów grubych, które wymuszają konieczność przerwania produkcji. Ponadto ułatwiają diagnostykę występujących pro-
blemów.

źródło: Automatyka 7-8/2024