Robotyzacja i automatyzacja - ebook

WPROWADZENIE

Robotyzacja i automatyzacja stanowisk pracy w dobie przemysłu 4.0 to procesy, które mają za zadanie zmianę postrzegania i funkcjonowania nowoczesnych („inteligentnych”) przedsiębiorstw. Wbrew pozorom procesy te nie oznaczają jedynie kompletnego automatyzowania stanowisk produkcyjnych i całkowitego usunięcia ludzi z procesu produkcyjnego. Ich celem jest wprowadzenie nowego porządku, w którym dzięki zastąpieniu na stanowiskach roboczych ludzi maszynami możliwe będzie wykorzystanie potencjału ludzkiego w inny sposób (m.in. przez zwiększenie zakresu współpracy człowieka z maszyną), tak aby człowiek miał jeszcze większy wpływ na wydajną pracę maszyn. Obserwując trendy robotyzacji (coroczne raporty Międzynarodowej Federacji Robotyki, ang. International Federation of Robotics – IFR), można założyć, iż w niedalekiej przyszłości roboty „opanują” wszystkie gałęzie przemysłu. Nie będą to typowe układy mechaniczne sterowane przy użyciu prostych programów sterujących, z jakimi mamy do czynienia obecnie, ale inteligentne maszyny wpięte do globalnych sieci komunikacyjnych, przy użyciu których możliwe będzie szybsze i efektywniejsze realizowanie zamówień klientów końcowych.

Powyższe założenia zostaną osiągnięte dzięki wdrażaniu nowych technologii, przetwarzaniu coraz większych ilości danych oraz digitalizacji produkcji (m.in. połączeniu urządzeń i systemów siecią Internet). Oprócz zmian w realizacji procesów produkcyjnych duże zmiany są przewidywane również w zarządzaniu produkcją. Rewolucja przemysłowa ma doprowadzić do odejścia od procesów liniowych oraz tradycyjnych sposobów zarządzania na rzecz procesów nieliniowych oraz rozbudowanej sieci zależności. Dzięki temu produkcja stanie się bardziej elastyczna, spersonalizowana i mniej kosztowna. Nowo tworzone linie produkcyjne będą złożone z autonomicznie działających systemów, których cechą będzie możliwość zmiany struktury oraz realizowanych funkcji. Wśród technologii, które będą wspierały zmiany, wyróżnia się chmurę obliczeniową, techniki przyrostowe, sztuczną inteligencję, roboty kolaboracyjne, wirtualną i rozszerzoną rzeczywistość oraz duże zbiory danych (ang. Big Data).

Wizja nowoczesnego przemysłu jest możliwa dzięki integracji systemów informatycznych IT (ang. Information Technology) z systemami produkcyjnymi OT (ang. Operational Technology). Integracja ta zakłada unifikację przemysłowych protokołów komunikacyjnych, a więc automatyzację przepływu danych i sygnałów sterujących pomiędzy maszynami, systemami informatycznymi, ludźmi oraz systemami zarządzającymi.

Technologia informatyczna w nowoczesnym przemyśle ma za zadanie zapewnienie sieciom komunikacyjnym dostępu do danych, aplikacji, zasobów Data Center i zapewnienie wszystkim tym zasobom bezpieczeństwa. Systemy operacyjne (OT) z kolei dotyczą bezpośrednio przemysłowych systemów sterowania. Są one wykorzystywane do monitorowania warunków pracy fizycznych maszyn i urządzeń (np. obrabiarek CNC, robotów, pomp), sterowania nimi oraz do kontroli procesów produkcyjnych.

Niestety „otwarcie się zasobów przedsiębiorstw na świat” niesie za sobą szereg zagrożeń, wśród których najważniejszym jest podatność systemów zarzadzania produkcją i systemów sterujących maszynami na cyberataki. Stąd bardzo ważną kwestią jest zapewnienie bezpieczeństwa realizacji procesów produkcyjnych oraz przepływu informacji. Cyberataki mogą być powodowane chęcią uzyskania korzyści majątkowych przez odziaływanie na procesy produkcyjne i generowanie strat przedsiębiorstwa. Jest to bardzo realne zagrożenie, zwłaszcza że w przedsiębiorstwach:

• istnieje dostęp do systemów sterowania maszyn i urządzeń wynikający z potrzeby ich programowania;

• stosuje się ogólnie dostępne biblioteki programowe przy opracowywaniu programów sterujących;

• stosowana jest unifikacja komunikacyjnych standardów informatycznych i przemysłowych;

• występuje pełna integracja systemów informatycznych przedsiębiorstwa z systemami przemysłowymi;

• do systemu informatycznego przedsiębiorstw produkcyjnych włączani są dostawcy oraz klienci;

• używane są technologie zdalnego monitorowania i obsługi maszyn oraz urządzeń.1. ROBOTYZACJA I AUTOMATYZACJA W DOBIE PRZEMYSŁU 4.0

1.1. Rewolucje przemysłowe

Występujące na świecie procesy zmian politycznych, technologicznych, gospodarczych, społecznych i kulturowych określane są mianem rewolucji, zwłaszcza jeśli zmiany te mają zasięg międzynarodowy lub globalny. Przykładem może być tutaj Wielka Rewolucja Francuska (lata 1789–1799), w wyniku której doszło we Francji do głębokich zmian polityczno-społecznych i obalenia monarchii Burbonów. Tego rodzaju gwałtowne zmiany są z reguły związane z niezadowoleniem społeczeństwa, które wynika najczęściej z trudnej sytuacji ekonomicznej państwa. Wymusza to konieczność wprowadzania kolejnych podatków i prowadzi do jeszcze większego niezadowolenia obywateli. W rezultacie następuje przełom, który zastępuje istniejący układ nowym ładem.

Rys. 1.1. Cztery rewolucje przemysłowe

Inaczej problem wygląda w przypadku gwałtownego rozwoju technologiczno-gospodarczego. Rozwój taki ma znaczący wpływ na uwarunkowania społeczne i kulturę, a dużo mniejszy lub znikomy na zmiany polityczne. „Kroki milowe” takich zmian nazywamy rewolucjami przemysłowymi. Zasadniczo można powiedzieć, iż wszystkie te kroki mają na celu wsparcie człowieka w procesie produkcyjnym. Niemal wszystkie publikacje związane z rozwojem technologiczno-gospodarczym wymieniają dzisiaj cztery duże rewolucje przemysłowe (rys. 1.1) :

• I rewolucję przemysłową (koniec XVIII w.) – związaną z wykorzystaniem wody i pary. Przełom technologiczny w tym przypadku wiązał się przede wszystkim z odciążeniem pracowników przez maszyny, choć nadal musieli oni wkładać wiele wysiłku w prawidłową i efektywną pracę maszyn. Sterowanie maszynami odbywało się mechanicznie, za pomocą krzywek.

• II rewolucję przemysłową (przełom XIX i XX w.) – spowodowaną powszechnym użytkowaniem elektryczności i wynalezieniem linii produkcyjnej z możliwością optymalizacji procesów produkcyjnych. Sterowanie maszynami odbywało się z użyciem kart perforowanych, a więc zwiększono elastyczność produkcji.

• III rewolucję przemysłową (lata 70. XX w.) – wynikłą z wykorzystania komputerów i wprowadzenia automatyzacji produkcji, a więc pojawienia się mechanizmów automatyki przemysłowej. Do sterowania maszynami zastosowano mikrokontrolery.

• IV rewolucję przemysłową (XXI w.) – związaną m.in. z przewodową i bezprzewodową wymianą danych pomiędzy maszynami oraz bliską współpracą człowieka z maszyną. Wprowadzenie standardów internetowych umożliwiło szybką wymianę dużej ilości danych, a użycie sztucznej inteligencji – łatwe dostosowanie produkcji do istniejących potrzeb.

Czwartą rewolucję przemysłową (Przemysł 4.0, ang. Industry 4.0) zapoczątkowała cyfryzacja, która jest obecna we wszystkich sferach naszego życia i jest konsekwencją zmieniających się potrzeb człowieka. Potrzeby te mają zasadniczy wpływ na rodzaj wytwarzanych dóbr i sposób ich produkcji. Przy czym myślą przewodnią jest tutaj zwiększenie wydajności produkcji, które jest motorem poszukiwania coraz bardziej zaawansowanych technologii (np. wirtualna i rozszerzona rzeczywistość, druk 3D) i systemów produkcyjnych (np. planowanie zasobów przedsiębiorstwa, ang. Enterprise Resource Planning – ERP, metoda elementów skończonych, ang. Manufacturing Execution System – MES, komputerowy system zarządzania utrzymaniem ruchu, ang. Computerised Maintenance Management System – CMMS, czy magazynowy system informatyczny, ang. Warehouse Management System – WMS).

1.2. Idea przemysłu 4.0

Termin Przemysł 4.0 (ang. Industry 4.0, niem. Industrie 4.0) po raz pierwszy oficjalnie pojawił się podczas spotkań branżowych i na prezentacjach dotyczących przyszłości przemysłu na Targach Hannover Messe w 2011 roku. Niemniej jednak początki posługiwania się tym terminem sięgają 2010 roku, kiedy to rząd niemiecki zlecił grupie roboczej reprezentantów niemieckiego biznesu, przemysłu i nauki sporządzenie raportu dotyczącego rozpoznania i analizy nadchodzących przełomowych zmian o strategicznym znaczeniu dla gospodarki Niemiec. Raport, przedstawiający rekomendacje dotyczące wdrożenia strategicznego programu „INDUSTRIE 4.0”, został opublikowany w 2013 roku. Potwierdzeniem istotności podjętych w Niemczech kwestii związanych z czwartą rewolucją przemysłową jest fakt, iż pozostałe kraje (zwłaszcza będące potęgami światowymi w produkcji dóbr) również traktują je priorytetowo. Przykładami mogą być programy: „Advanced Manufacturing” – program opracowany w Stanach Zjednoczonych, „Made in China 2025” – program Chiński, oraz „Smart Nation” – inicjatywa uruchomiona w Singapurze.

Przemysł 4.0 jest pojęciem bardzo ogólnym, które zawiera w sobie takie określenia jak: rozwój maszyn (zwłaszcza robotów i cobotów), szeroko rozumianą integrację maszyn i systemów oraz integrację technologii informatycznych (IT) z technologiami operacyjnymi (OT), personalizację wyrobów, a co za tym idzie krótkie serie produkcyjne, krótki cykl wytwarzania, zwiększony asortyment produktów, krótki cykl życia produktów, a przy tym wszystkim wysoką produktywność, elastyczność zmian asortymentu i precyzję jego wykonania. Co ważniejsze, Przemysł 4.0 dotyczy nie tylko technologii, ale też nowych sposobów pracy i roli ludzi w przemyśle.

Jak widać na rysunku 1.1, przepływ informacji z wykorzystaniem szerokopasmowych łączy internetowych jest realizowany w dwóch płaszczyznach:

• w poziomie: gdzie komunikacja jest realizowana pomiędzy maszynami realizującymi proces produkcji i systemem produkcyjnym przedsiębiorstwa;

• w pionie: gdzie komunikacja jest realizowana pomiędzy poszczególnymi komponentami i działem IT przedsiębiorstwa.

Rys. 1.2. Laboratorium Robotyki Wojskowej Akademii Technicznej – stanowisko zrobotyzowanego montażu z robotami firmy Mitsubishi Electric

Zastosowanie zunifikowanych technologii internetowych zarówno na niskim poziomie (poziom maszyn), jak i w komunikacji z systemami nadrzędnymi umożliwia pozyskanie i wykorzystanie informacji o produktach, procesie produkcji oraz stanie maszyn w dowolnym czasie, z dowolnego miejsca na kuli ziemskiej. Ma to szczególne znaczenie dla przedsiębiorstw posiadających fabryki i zakłady pracy rozlokowane w różnych częściach Europy, czy nawet świata. Wynika to z faktu, iż stosując koncepcję Przemysłu 4.0, przedsiębiorca ma informacje o cyklu życia produktu: od złożenia zamówienia i dostarczenia materiałów oraz komponentów dla realizowanej produkcji, poprzez wysyłki towarów do klientów, aż do usług posprzedażnych realizowanych przez dane przedsiębiorstwo. Dzięki wdrożeniu rozwiązań Przemysłu 4.0 można obniżać koszty produkcji i w sposób elastyczny reagować na preferencje i zapytania klientów, dostosowując elastycznie produkcję zindywidualizowanych wyrobów w krótkich seriach. W przypadku braku płynności dostaw materiałów i komponentów do zakładów/fabryk, wystąpienia awarii maszyn lub zatrzymania maszyn z powodu ich konserwacji lub napraw przedsiębiorca może łatwo przekierować przepływ materiałów i komponentów do innych zakładów oraz na bieżąco modyfikować plany produkcyjne poszczególnych linii produkcyjnych, a nawet pojedynczych maszyn.

Z uwagi na złożoność problematyki wdrożenie koncepcji Przemysłu 4.0 w przedsiębiorstwach nie jest prostym ani tanim zadaniem. Stąd problematyka ta jest podejmowana na różnych poziomach gospodarczych (makroekonomicznym i mikroekonomicznym). W Unii Europejskiej (UE) szczególną uwagę zwraca się na rozwój i transformację małych i średnich przedsiębiorstw (MŚP, ang. Small and Medium-Sized enterprises – SMEs). Przedsiębiorstwa takie stanowią 99% wszystkich przedsiębiorstw w UE , tabela 1.1.

Tabela 1.1. Kategorie przedsiębiorstw w UE

---------------------------- -------------------- ---------------------

Kategoria przedsiębiorstwa Liczba pracowników Obrót
Średnie < 250 ≤ 50
Małe < 50 ≤ 10
Mikro < 10 ≤ 2

---------------------------- -------------------- ---------------------

Definicja MŚP jest istotna z punktu widzenia dostępu do finansowania i unijnych programów wsparcia skierowanych specjalnie do tych przedsiębiorstw. W zakresie wsparcia w osiągnięciu poziomu Przemysłu 4.0 Europejskie Centrum Wspierania Zaawansowanej Produkcji dla takich podmiotów wyodrębniło 7 obszarów transformacji :

• Obszar 1 – zaawansowane technologie produkcyjne (ang. advanced manufacturing technologies). Podstawą transformacji jest wdrożenie najnowocześniejszych urządzeń produkcyjnych umożliwiających wytworzenie produktów mogących konkurować na rynku światowym z produktami konkurentów lub uzyskać przewagę nad konkurencją.

• Obszar 2 – cyfrowa fabryka (ang. digital factory). Podstawą transformacji jest wykorzystanie technologii cyfrowych przez wdrożenie elastycznej i bezpiecznej infrastruktury ICT (ang. Information and Communication Technologies) do przekształcenia projektu lub do rozwoju produktu/procesu w produkt/proces fizyczny, lub do utworzenia dodatkowych usług. Integralna kontrola cyfrowego przepływu informacji umożliwia symulację wirtualnych scenariuszy przed wdrożeniem. Cyfrowa fabryka gwarantuje poprawność danych w każdym momencie i we właściwym kontekście.

• Obszar 3 – eko fabryka (ang. eco factory). Podstawą transformacji jest zrównoważona produkcja, czyli taka, której system produkcyjny jest oparty na dostępności surowców i materiałów pomocniczych, wykorzystuje zasadę gospodarki obiegu zamkniętego, optymalizuje efektywność wykorzystania surowców, co prowadzi do radykalnego zmniejszenia zużycia energii i wykorzystania odnawialnych źródeł energii.

• Obszar 4 – kompleksowa realizacja oczekiwań klientów (ang. end-to-end customer focused engineering). Podstawą transformacji jest rozwój produktów oraz optymalizacja procesów produkcyjnych i usług z uwzględnieniem całego cyklu życia produktu (od koncepcji do utylizacji). Wysokiej jakości procesy produkcyjne i usługowe są wynikiem w pełni zintegrowanego, międzywydziałowego podejścia do projektowania wspieranego przez wykorzystanie wirtualnych modeli i narzędzi symulacyjnych.

• Obszar 5 – organizacja zorientowana na człowieka (ang. human-centred organisation). Podstawą transformacji jest angażowanie pracowników w przyszły rozwój firmy przez skupienie się na indywidualnym rozwoju pracowników. Ma to zapewnić samorealizację pracowników w zakresie posiadanych umiejętności, wiedzy i kompetencji. Dzięki indywidualnemu rozwojowi poszczególnych pracowników możliwe jest tworzenie interdyscyplinarnych grup mogących wprowadzać innowacyjne pomysły w procesie produkcyjnym.

• Obszar 6 – inteligentna produkcja (ang. smart manufacturing). Podstawą transformacji jest połączenie inteligentnego wykorzystania możliwości ludzi, inteligentnego wykorzystania technologii i wdrożenia (samo)uczącego się systemu produkcyjnego. Inteligentne jednostki produkcyjne skupiają się na zorientowanej na klienta jakości produktu, obsłudze, czasie dostawy i niezawodności. Celem jest osiągnięcie maksymalnej wydajności, elastyczności. Kluczowe wskaźniki efektywności (ang. Key Performance Indicators – KPI) produkcji są wykorzystywane jako podstawowe narzędzie monitorowania i wspierania produkcji, w tym utrzymywania wysokiego poziomu produktywności i elastyczności.

• Obszar 7 – otwarta fabryka (ang. value chain oriented open factory). Podstawą transformacji jest wdrożenie opartej na różnych formach współpracy i partnerstwa sieci zrzeszających m.in. firmy, uniwersytety i agencje rządowe. Tworzenie najbardziej złożonych rozwiązań, produktów i technologii oraz wprowadzanie w nich innowacyjnych modyfikacji jest możliwe tylko w przypadku interdyscyplinarnych zespołów. Stąd konieczne jest tworzenie samoorganizujących się sieci posiadających elastyczną zdolność do łączenia różnego typu umiejętności w zależności od bieżących potrzeb.

1.3. Technologie przemysłu 4.0 – przemysłowy Internet rzeczy

Menadżerów i inżynierów zajmujących się zarządzaniem produkcją, implementacją systemów sterowania w fabrykach oraz dostosowaniem istniejących rozwiązań przemysłowych do szybko zmieniających się wymagań konsumentów nurtują pytania:

• Jaką będą miały postać rozwiązania przemysłowe w najbliższej przyszłości?

• W jaki sposób będzie rozwijała się integracja maszyn?

• Jak wdrożyć rozwiązania umożliwiające śledzenie pełnego cyklu życia spersonalizowanych produktów?

Szeroko znane dziś pojęcie Przemysłowego Internetu rzeczy (ang. Industrial Internet of Things – IIoT) stanowi jakby odłam Internetu rzeczy (ang. Internet of Things – IoT ) i odnosi się do wykorzystania zaawansowanych technologii, stosowania wydajnej architektury systemowej oraz sposobu rozwiązywania problemów w przemyśle.

IIoT ma w szczególności związek ze wzrostem elastyczności produkcji, a więc z wdrażaniem w przemyśle coraz inteligentniejszych czujników (zwłaszcza systemów wizyjnych), wydajnych układów wykonawczych, coraz mniejszych i wydajniejszych układów sterowania, stosowania zaawansowanych algorytmów sterownia (wykorzystujących elementy sztucznej inteligencji oraz głębokiego uczenia) oraz z unifikacją wydajnych i bezpiecznych przemysłowych protokołów komunikacyjnych .

Można stwierdzić, iż wszechobecne dzisiaj pojęcie Przemysł 4.0 w pełni łączy się z pojęciem przemysłowego Internetu rzeczy. I chociaż pojęcie to odnosi się również do nowych sposobów pracy i roli ludzi w przemyśle, przede wszystkim utożsamiamy je z integracją inteligentnych maszyn, systemów oraz wprowadzaniem zmian w procesach produkcyjnych mających na celu zwiększanie wydajności wytwarzania oraz wprowadzanie możliwości elastycznych zmian asortymentu .

Związek Przemysłu 4.0 z przemysłowym Internetem rzeczy wyraża się przez (rys. 1.3):

• wytwarzanie przyrostowe (ang. Advanced Manufacturing), które dziś coraz szerzej znajduje swoje zastosowanie w przemyśle;

Rys. 1.3. Technologie Przemysłu 4.0

• integrację systemów związaną z unifikacją przemysłowych protokołów komunikacyjnych;

• przemysłowy Internet rzeczy – bezpośrednio wiąże się z rozbudowaną i zunifikowaną integracją systemów (zwłaszcza sterowania) w zakładzie produkcyjnym.

• przetwarzanie danych w chmurze;

• analizę dużych zbiorów danych (Big Data);

• technologie, które pozwalają na przeniesienie do wirtualnej rzeczywistości (rozszerzona i wirtualna rzeczywistość );

• cyberbezpieczeństwo.

1.3.1. Wytwarzanie przyrostowe

Do niedawna technologia wytwarzania przyrostowego (ang. advanced manufacturing) była postrzegana jako narzędzie do szybkiego przygotowania wyłącznie modeli i prototypów. Obecnie, z uwagi na szybki rozwój technologii materiałowej oraz rozwiązań systemowych, jest stosowana do wytwarzania gotowych wyrobów . Do wytwarzania przyrostowego zalicza się między innymi produkcję z wykorzystaniem drukarek 3D określanych jako urządzenia addytywne i technologie druku (np. drukarki uniwersalne i typu RepRap oraz stosowane w druku 3D technologie, np. FDM/FFF, SLA i SLS (rys. 1.4)). Drukarki 3D umożliwiają wytwarzanie fizycznych obiektów trójwymiarowych z wcześniej przygotowanych wzorców cyfrowych przez nakładanie na siebie cienkich warstw materiału.

Do grona urządzeń standardowych (gotowych do użycia maszyn) dołączyły tzw. drukarki RepRap – czyli samoreplikujące się maszyny. Użytkownicy standardowych (komercyjnych) drukarek 3D zwykle nie mają możliwości dokonywania w nich modyfikacji konstrukcyjnych. Natomiast powstałe w projekcie Open Source drukarki typu RepRap taką możliwość mają. Drukarki RepRap można w bardzo łatwy sposób rozbudować, zmodyfikować oraz można regulować ich parametry robocze. Ich dużą zaletą jest możliwość drukowania obiektów 3D wykonanych z różnych materiałów (plastiku, czekolady, cukru, pasty lutowniczej).

Rys. 1.4. Ogólny widok pracowni druku 3D (Wojskowa Akademia Techniczna)

Chociaż początki technologii drukowania 3D sięgają lat 80. XX wieku to dopiero szybki rozwój materiałów pozwolił na zrozumienie ogromnych możliwości tej technologii.

Technologia FDM/FFF

Najbardziej rozpowszechnioną technologią drukowania 3D jest FDM (ang. Fused Depositon Modeling), ale ponieważ firma Stratasys zarejestrowała znak towarowy dla tego oznaczenia, technologia ta jest znana również jako FFF (ang. Fused Filament Fabrication). Drukowanie w technologii FDM/FFF polega na użyciu stopionego materiału, który jest najczęściej dostarczany do drukarki w postaci rozgrzanego filamentu (rys. 1.5). Materiał ten (w postaci drutu) jest umieszczany w pojemniku, z którego pobiera go drukarka. Należy zdawać sobie sprawę, że technologia drukowania 3D jest bardzo podobna do technologii drukowania atramentowego. Podobnie do głowicy drukującej atramentem, która wstrzykuje bardzo małą ilość atramentu na papier, głowica drukarki 3D umieszcza płynny materiał na warstwie podkładowej warstwa po warstwie, tworząc trójwymiarowy model fizyczny.

Rys. 1.5. Widok drukarki 3D SPIRE firmy MONKEYFAB do druku technologii FDM: a) drukarka podczas pracy, b) ogólny widok drukarki

Technologia drukowania 3D FDM/FFF jest najtańszą technologią drukowania tego rodzaju, co jest głównym powodem, dla którego jest ona tak szeroko rozpowszechniona. Wadą tej technologii jest długi czas drukowania, duże zróżnicowanie jakości druku, które zależy od modelu drukarki i użytego materiału, oraz ograniczenia technologiczne (np. przed położeniem kolejnej warstwy stopiony materiał musi się najpierw utwardzić, a w przypadku bardziej złożonych modeli należy stosować podpory do drukowania).

Najpopularniejszymi materiałami do druku FDM są ABS, PLA i PETG – polimery o różnych temperaturach topnienia i różnych właściwościach finalnego wyrobu.

Przykładem drukarki pracującej w technologii FDM (warstwowego nakładania stopionego materiału) jest Zortrax M200 Plus (rys. 1.6). Zainstalowany w drukarce podgrzewany stół roboczy mogący osiągać temperaturę wynoszącą nawet 105°C daje możliwość drukowania trójwymiarowych obiektów z filamentu, dla których spełnione muszą być specyficzne warunki termiczne podłoża, na które taki materiał zostanie nałożony. Poziomowanie platformy jest procesem automatycznym; polega na pomiarze wysokości punktów stołu roboczego, a zainstalowany wewnątrz drukarki czujnik końca filamentu służy do kontrolowania ilości dostępnego materiału.

Rys. 1.6. Ogólny widok drukarki Zortrax M200 Plus; 1 – szpule z materiałem do druku (ABS i PLA), 2 – drukarka

Technologia ABS

ABS to kopolimer akrylonitrylo-butadieno-styrenowy otrzymywany z ropy naftowej. Mechaniczne właściwości materiału sprawiają, że jest on popularny w przemyśle. Wyrabiane są z niego obudowy, przyciski i uchwyty zwłaszcza w przemyśle motoryzacyjnym, AGD i RTV. Materiał cechuje się dużą twardością, odpornością na uderzenia i ścieranie oraz dobrą tolerancją wysokich temperatur (od –20 do 80°C). Nie jest jednak odporny na UV; kruszeje po długim czasie wystawienia na światło słoneczne. Cechuje się też mniejszą sztywnością niż PLA.

Technologia PLA

PLA to polimer biodegradowalny (tzw. zielony plastik) wywodzący się z naturalnych składników takich jak skrobia kukurydziana czy trzcina cukrowa. Materiał nie wydziela tak szkodliwych oparów podczas procesu drukowania jak inne tworzywa sztuczne, co sprawia, że jest coraz częściej stosowany (rys. 1.7).

Rys. 1.7. Widok drukarki 3D (Original Prusa i3) podczas druku materiałem w technologii PLA oraz widok szpul z materiałem

Wśród jego zalet należy wyróżnić:

• możliwość druku obiektów o dużych rozmiarach – zachowuje dużą dokładność wymiarową (minimalny skurcz materiału);

• brak konieczności stosowania podgrzewanych stołów;

• dobrą wytrzymałość (choć mniejszą niż ABS);

• stosunkowo niską temperaturę druku (180–220°C),

• jest nierozpuszczalny.

Wady to:

• możliwość powstawania odkształceń pod wpływem wysokich temperatur;

• ograniczona elastyczność.

Technologia PETG

PETG jest pochodną materiału PET i jest kopolimerem poli(tereftalanu etylenu), który wykorzystywany jest jako tworzywo do produkcji plastikowych opakowań, z glikolem etylenowym. Dzięki połączeniu tych dwóch substancji powstał materiał do druku 3D o innych właściwościach, różniących go od zwykłego PET. Wśród filamentów PET zawierają się ABS i PLA, natomiast PETG łączy ich najbardziej pożądane cechy:

• wytrzymałość,

• elastyczność,

• niewielki skurcz materiału,

• bardzo dobrą dokładność wymiarową wydruków.

Cechą wspólną materiałów PET i PETG jest to, że podlegają one recyklingowi. Natomiast z punktu widzenia zastosowania do druku lepszym materiałem jest PETG. Umożliwia on drukowanie 3D w temperaturze ok. 240°C z wykorzystaniem niskobudżetowych drukarek 3D. Podczas druku nie jest wytwarzana zbyt duża ilość lotnych związków organicznych. Jego wadą jest kruchość, co sprawia, że wydruki z PETG mogą łatwo pęknąć pod wpływem siły mechanicznej.

Technologia SLA / DLP / UV LCD

W zastosowaniach przemysłowych druku 3D wykorzystuje się również stereo-litografię (ang. Stereolithography – SLA lub STL), która jest procesem addytywnej produkcji elementów prototypowych. Technologia SLA bazuje na utwardzaniu żywicy za pomocą wiązki lasera punkt po punkcie. Była ona pierwszą wynalezioną technologią, przez co jest stosunkowo powolna. Technologia ta jest oparta na procesie fotopolimeryzacji. Polega on na utwardzeniu materiału (składającego się z monomerów – związków chemicznych o małej masie cząsteczkowej) będącego początkowo w postaci ciekłej bądź półciekłej. W obecności fotoinicjatora, który rozpada się pod wpływem światła UV lub widzialnego, zachodzi polimeryzacja – wytworzenie się cząstek o większej masie cząsteczkowej (polimer). W procesie druku stosowane są różnego rodzaju żywice o odmiennych właściwościach, dobierane zależnie od przeznaczenia.

Technika stereo litografii zapewnia wysoką precyzję i powtarzalność przy dobrej jakości powierzchni oraz – w odróżnieniu od tańszej obróbki skrawaniem – możliwość tworzenia skomplikowanych struktur wewnętrznych drukowanych przedmiotów. Główną wadą technologii jest fakt, że żywice przed utwardzeniem cechuje wysoka toksyczność. Problem stanowi również skomplikowany proces post processingu – gotowy wydruk musi zostać oczyszczony z resztek niezestalonej żywicy, a następnie poddany suszeniu i naświetlaniu lampami UV. Wadami są również kosztowność procesu (wysokie ceny urządzeń i substancji chemicznych), jego powolność, ograniczone wymiary uzyskiwanych części oraz brak możliwości doboru materiału, z którego zostanie wykonany element (otrzymany w tym procesie plastik ma zwykle niską wytrzymałość mechaniczną i może wymagać ręcznej obróbki końcowej w celu uzyskania gładkich form).

Aby uzyskać obiekt o większej złożoności lub bardziej wyrafinowanych kształtach, stosuje się tzw. suporty (podstawy), które podtrzymują konstrukcję. Właściwe pozycjonowanie obiektu w przestrzeni roboczej i dobór podstaw skutkuje zmniejszeniem kosztu wytworzenia obiektu 3D.

Kolejnym sposobem drukowania 3D przy użyciu żywic światło utwardzalnych jest opracowana przed około 20 laty technika DLP (ang. Digital Light Processing). W tym przypadku używa się projektora cyfrowego, którego ważnym elementem jest optyczny półprzewodnik oraz cyfrowe urządzenie mikroskopowe. Układ scalony DLP jest prawdopodobnie najbardziej zaawansowanym urządzeniem optycznym na świecie, zawierającym dwa miliony maleńkich mikroskopów, które są osadzone obok siebie. Każdy mikroskop ma rozmiar około jednej piątej ludzkiego włosa. Może wyświetlać w pełni cyfrowy obraz na ekranie lub innej powierzchni. Zaawansowane urządzenia elektroniczne DLP wraz urządzeniami peryferyjnymi stanowią technologię optycznego przetwarzania danych. Druk 3D DLP ma wysoką rozdzielczość, nawet 50 μm. Ponieważ materiały, z których wykonane są te półprzewodnikowe mikroskopy, nie tolerują światła UV, do utwardzania jest wykorzystywane światło o długości fali 405 nm. Główną zaletą technologii DLP jest możliwość druku obiektów o małych rozmiarach i wysokiej precyzji, stąd jest ona stosowana w jubilerstwie (przy produkcji biżuterii) i w stomatologii.

Wymienione technologie (SLA i DLP) to jedne z najstarszych technik druku 3D wykorzystujące do druku żywice. Z reguły drukarki SLA pracują ze stałą precyzją, ale im więcej realizują wydruków na platformie roboczej, tym dłużej to trwa. Z kolei drukarki typu DLP charakteryzuje stała prędkość, ale precyzja druku zmniejsza się wraz ze zwiększeniem obszaru roboczego. Rozwiązaniem wydają się być dużo tańsze drukarki pracujące w technologii UV LCD, które zapewnią dużą szybkość i wysoką precyzję we wszystkich wariantach. W tej metodzie jako źródło obrazu stosowany jest umieszczony w podstawie drukarki wyświetlacz ciekłokrystaliczny. Technologia LCD jest tania i ma dobrą rozdzielczość. Jednak ekran LCD ma krótką żywotność i wymaga regularnej wymiany. Dodatkowo natężenie światła podczas drukowania 3D na LCD jest niewielkie, ponieważ tylko 10% światła może przenikać z ekranu LCD, a 90% światła jest pochłaniane przez ekran LCD. Urządzenia tego typu znalazły zastosowanie w produkcji biżuterii i w stomatologii. Przykładem drukarki pracującej w tej technologii jest Zortrax Inkspire (rys. 1.8) z rozdzielczością w osiach x-y ok. 50 × 50 μm oraz minimalną wysokością drukowanej warstwy 25 μm. Dużą zaletą drukarki jest duża prędkość druku 3D bez względu na to, ile przestrzeni roboczej jest w użyciu, oraz możliwość utwardzania podpór przez dodatkowego naświetlanie UV (pozwala to na ich łatwe usuwanie).

Rys. 1.8. Urządzenia druku 3D UV LCD; 1 – pojemnik z żywicą, 2 – drukarka Zortrax Inkspire, 3 – myjka ultradźwiękowa, 4 – komora utwardzająca

Technologie spiekania proszków (SLS / DMLS / SLM)

W technologii SLS do spiekania kolejnych warstw sproszkowanego tworzywa wykorzystywany jest laser, a zwarta struktura drukowanego obiektu jest uzyskiwana dzięki wytworzeniu wysokiej temperatury. Technologia druku w tym przypadku polega na naniesieniu odpowiedniej ilości proszku, który wiązka lasera stapia w wybranych obszarach. Po obniżeniu dna pojemnika z proszkiem o grubość warstwy nanoszona i wyrównywana jest kolejna warstwa proszku, stapiana w wybranych miejscach przez promień lasera – etapy procesu są powtarzane.

Jak wspomniano, metoda polega na spiekaniu sproszkowanego materiału. Jako materiał najczęściej wykorzystywane są tworzywa sztuczne – poliamidy SLS lub metale DMLS/SLM. Struktury metalowe otrzymywane tym sposobem dorównują wytrzymałością i trwałością produktom uzyskiwanym klasycznymi metodami wytwarzania. Ponadto technologia druku 3D umożliwia znacznie łatwiejsze wytworzenie złożonych geometrycznie elementów (np. części maszyn). Technologia spiekania proszków znalazła szerokie zastosowanie w branży motoryzacyjnej, medycynie oraz przemyśle lotniczym i kosmicznym. Niestety technologia selektywnego spiekania proszków jest kilkadziesiąt razy droższa niż technologie opisane wcześniej. Wynika to głównie z zastosowania kosztownych laserów o dużej mocy wyposażonych w system przepływu ochronnego gazu.

Przykładem drukarki działającej w technologii SLS (selektywnego spiekania laserem) jest Sinterit Lisa (rys. 1.9). Proszek jest najpierw ładowany na stół podający i rozprowadzany warstwowo na platformie roboczej. Następnie komora budowania jest podgrzewana, aby proszek osiągnął odpowiednią temperaturę. Dopiero podgrzany proszek jest naświetlany promieniem lasera i spiekany, tworząc wydruk 3D. Drukarka Sinterit Lisa umożliwia drukowanie z różnego rodzaju materiałów (np. mocnego PA12, materiałów elastycznych i półplastycznych, TPE).

Rys. 1.9. Widok drukarki SLS Sinterit Lisa oraz wydruki z drukarki

1.3.2. Integracja systemów IT i OT

Integracja systemów IT (ang. Information Technology) i OT (ang. Operational Technology) jest możliwa dzięki unifikacji przemysłowych protokołów komunikacyjnych, a więc automatyzacji przepływu danych i sygnałów sterujących pomiędzy maszynami, systemami informatycznymi, ludźmi i systemami zarządzającymi (rys. 1.10) .

Rys. 1.10. Zestawienie technologii informacyjnej z technologią operacyjną

Technologia informatyczna IT jest wykorzystywana przede wszystkim do zapewnienia sieci komunikacyjnych oraz dostępu do danych i aplikacji. Zapewnia zasoby Data Center i zabezpiecza je z punktu widzenia bezpieczeństwa informatycznego. Dzisiaj trudno wyobrazić sobie przedsiębiorstwo bez nowoczesnych systemów IT, które w przemyśle służą do planowania logistyki, zarządzania relacjami z klientami i wspomagają podejmowanie kluczowych decyzji dotyczących sposobu działania oraz kierunków rozwoju przedsiębiorstwa.

Przykładami nowoczesnych systemów informatycznych przedsiębiorstw są (rys. 1.11):

• system informatyczny do zarządzania procesami produkcyjnymi MES (ang. Manufacturing Execution System) – umożliwia monitoring produkcji, dostęp do danych z produkcji w czasie rzeczywistym, wykrywanie przestojów czy awarii;

• system informatyczny do zarządzania magazynem wysokiego składowania WMS (ang. Warehouse Management System) – umożliwia przyjęcia, wydania oraz sprawne składowanie materiałów i surowców;

• WCS (ang. Warehouse Control System) – system integrujący automatykę magazynową (przenośniki, magazyny automatyczne, mini-load itd.) z systemem magazynowym WMS;

• system informatyczny zarządzający pracami planistycznymi dla produkcji APS (ang. Advanced Planning and Scheduling) – zapewnia szybkie reagowanie na zmieniające się warunki produkcji;

• system informatyczny ERP (ang. Enterprise Resource Planning) do zarządzania zasobami przedsiębiorstwa w tym finansami, raportowaniem, sprzedażą, dostawcami itd.; z uwagi na specjalistyczne systemy produkcyjne systemy ERP są zintegrowane z innymi systemami produkcyjnymi jak MES, APS itd.;

• system informatyczny CRM (ang. Customer Relationship Management) do zarządzania relacjami z klientami, kampaniami reklamowymi, systemami mailingowymi, narzędziami social media, historią kontaktu klienta z firmą, etc.

• system PLM (ang. Product Life Cycle Management) do zarządzania cyklem życia produktów, od etapu projektowania, przez produkcje i zmiany, po utrzymanie;

• system CMMS (ang. Computerised Maintenance Management Systems) do zarządzania utrzymaniem ruchu w firmach produkcyjnych;

• system EAM (ang. Enterprise Asset Management) do zarządzania cyklem życia fizycznych produktów i wyposażenia zakładu (jak maszyny czy urządzenia): często powiązany lub będący częścią systemu CMMS.

Rys. 1.11. Schemat dwukierunkowego przepływu informacji w zintegrowanym systemie informatycznym wspomagającym zarządzanie produkcją

Systemy operacyjne (OT) dotyczą bezpośrednio przemysłowych systemów sterowania i są wykorzystywane do monitorowania warunków pracy fizycznych maszyn i urządzeń (np. obrabiarek CNC, robotów, pomp), sterowania nimi oraz do kontroli procesów produkcyjnych.

Systemy te obejmują:

• programowalne sterowniki logiczne PLC (ang. Programmable Logic Controller) – swobodnie programowalne, uniwersalne urządzenia mikroprocesorowe przeznaczone do sterowania pracą maszyny, urządzenia technologicznego lub do zarządzania gniazdem produkcyjnym; dzięki modułowej budowie (np. moduły komunikacyjne, wejściowe/wyjściowe analogowe i cyfrowe) mogą być w łatwy sposób dostosowane do potrzeb danego rozwiązania;

• systemy nadzoru i akwizycji danych SCADA (ang. Supervisory Control and Data Acquisition) – służą do nadzorowania przebiegu procesu technologicznego lub produkcyjnego. Ich główne funkcje obejmują zbieranie aktualnych danych (pomiarów), ich wizualizację, sterowanie procesem, alarmowanie oraz archiwizację danych. Zasadniczym komponentem systemu SCADA jest baza danych, w której są przechowywane bieżące informacje o stanie urządzeń biorących udział w nadzorowanym procesie technologicznym. W bazie tej są także zapisywane informacje o wszystkich istotnych zdarzeniach zachodzących w urządzeniach, zarówno typowych, jak i alarmowych (np. fakt włączenia lub wyłączenia urządzenia, wykonania sterowania urządzeniem, przekroczenia przez nadzorowane parametry zadanych progów ostrzegawczych i alarmowych) oraz informacje archiwalne;

• rozproszone systemy sterowania DCS (ang. Distributed Control System) – odpowiadają za sterowanie i wizualizację procesu przemysłowego wyposażonego we wspólną bazę danych dla sterowania i wizualizacji. Wspólna baza punktów (tagów) daje jednoznaczne określenie w systemie DCS. Oznacza to, że przypisana do danego czujnika nazwa będzie jego identyfikatorem zarówno w programie sterującym, jak i wizualizacji. Systemy te powstały w odpowiedzi na potrzebę komputerowego „zarządzania” pracą i nastawami regulatorów analogowych w czasie rzeczywistym;

• system komputerowego sterowania numerycznego CNC (ang. Computerized Numerical Control) – obejmuje mikroprocesor (komputer) wraz z pamięcią i tzw. program obsługujący do kierowania pracą komputera zewnętrznego. Jest kojarzony z maszynami do obróbki skrawaniem, takimi jak tokarki, szlifierki czy frezarki. Systemy CNC zalicza się do systemów swobodnie programowalnych o różnych konfiguracjach i różnych możliwościach stosowanego oprogramowania. Można w nich wyróżnić: układy CNC Manual programowane metodą nauczania, układy adaptacyjne AC realizujące zadania układu automatycznej regulacji, układy sterowania otwartego OEM/OSA.

Analizując przedstawione przykłady, można dostrzec różnice między systemami IT i OT m.in. w zastosowanym oprogramowaniu i stawianych im wymaganiom. Z punktu widzenia bezpieczeństwa przedsiębiorstwa systemy IT mają zabezpieczać przed cyberatakami ważne dla przedsiębiorcy dane, natomiast systemy OT są w szczególności odpowiedzialne za zapewnienie wydajności produkcji, a więc mają przeciwdziałać cyberatakom, które mogą doprowadzić do awarii lub uszkodzenia urządzeń, zagrożenia życia i zdrowia pracowników.

W ramach przemysłowego Internetu rzeczy konieczne staje się połączenie tych dwóch światów – wymaga to działań w postaci modernizacji osprzętu oraz zmian procedur. W celu zapewnienia elastyczności instalacji systemy informatyczne muszą pracować w ramach tych samych sieci, wykorzystując te same serwery co systemy operacyjne. To natomiast stawia nowe wymogi odnośnie do komponentów sieciowych wykorzystywanych do transmisji danych. Powstają nowe standardy, które wprowadzane stopniowo, pozwolą zespoić ze sobą te dwie grupy rozwiązań. Przykładem może być np. technologia Time Sensitive Networking, opracowywana w ramach IEEE przez firmy takie jak Cisco i Intel, która umożliwia synchronizację pracy urządzeń podpiętych do jednej, klasycznej sieci Ethernet, bez konieczności stosowania jej przemysłowych odpowiedników. Dzięki wykorzystaniu routerów ethernetowych opartych na nowym standardzie możliwa jest transmisja danych w sieciach przemysłowych (OT), które łączą się z sieciami biurowymi (IT).

1.3.3. Przemysłowy Internet rzeczy

Szeroko stosowane dziś pojęcie Internetu rzeczy (ang. Internet of Things – IoT) obejmuje globalną sieć fizycznych obiektów, systemów, platform i aplikacji. IoT obejmuje również pojęcie M2M (ang. Machine to Machine), czyli zdolność maszyn, urządzeń, obiektów i aplikacji do komunikowania się on-line z ludźmi i ze sobą nawzajem w celu usprawnienia procesów zarządzania zasobami (rys. 1.12). Innymi słowy, Internet rzeczy to określenie oznaczające sytuację, w której urządzenia elektroniczne (np. telefony, zegarki, pralki, lodówki) podpięte do wspólnej sieci mogą wymieniać ze sobą dane bez pośrednictwa człowieka dzięki uniwersalnym protokołom komunikacyjnym. Osiągnięcie pełnego współdziałania w sieci, dostęp do wszystkich urządzeń oraz zarządzanie nimi z dowolnego miejsca jest możliwe dzięki systemowi ich indywidualnej identyfikacji.

Wśród korzyści płynących z zastosowania technologii M2M są wyróżniane:

• zdalne zarządzanie i diagnostyka maszyn i urządzeń;

• przepływ informacji bez opóźnień, w czasie rzeczywistym;

• dowolność lokalizacji maszyn i urządzeń;

Rys. 1.12. Linia sortowania i pakowania produktów jako przykład systemu wymieniającego dane o maszynach, produktach i zasobach

• usprawnienie procesu wymiany informacji;

• oszczędność czasu;

• zwiększenie efektywności przez automatyzację zadań.

Przemysłowy Internet rzeczy IIoT (ang. Industrial Internet of Things) bezpośrednio wiąże się z rozbudowaną i zunifikowaną integracją systemów (zwłaszcza sterowania) w zakładzie produkcyjnym. W pojęciu tym zawarta jest komunikacja (przewodowa i bezprzewodowa) pomiędzy maszynami produkcyjnymi (również różnego typu, różnych producentów i różnych generacji), urządzeniami operatorów oraz systemami sterowania i zarządzania, z których korzystają pracownicy Industrial Automation and Control Systems (IACS.

Technologia komunikacji typu M2M to podstawa sieciowych systemów wymiany danych w aplikacjach przemysłowych, wnosząca do nich nową jakość i zwiększająca ich efektywność.

Zastosowanie technologii komunikacyjnej M2M w nowoczesnych aplikacjach produkcji przemysłowej umożliwia dwukierunkowy przepływ danych i informacji na poziomie:

• czujników, gdzie kluczowe dane procesowe są pozyskiwane, przetwarzane i przekazywane do systemów nadrzędnych;

• sterowników PLC i systemów SCADA, gdzie realizowane są algorytmy sterowania na najniższym poziomie oraz monitorowanie przebiegiem procesów;

• systemów planowania i zarządzania zasobami przedsiębiorstwa, gdzie monitorowane i nadzorowane są dane strategiczne;

• planowania dostaw i odbiorów, gdzie przetwarzane są informacje związane z danymi logistycznymi.

Przy integracji na poziomie IIoT nie wystarczają połączenia kablowe wykorzystujące proste protokoły komunikacyjne (np. połączenia szeregowe RS232, RS422). Z jednej strony protokoły takie mogą ograniczać szybkość przepływu danych, a z drugiej urządzenia pracujące na tej samej linii produkcyjnej mogą być wyposażone w różne typy komunikacji. Założeniem technologii M2M jest pełna integracja konkretnej produkcji zrealizowanej przez odpowiednio skonfigurowane różnego typu maszyny, urządzenia, transportery i systemy. Integracja ta jest możliwa przez rozpoznanie wszystkich komponentów realizujących proces oraz automatyczne ich skomunikowanie bez dodatkowego konfigurowania i programowania. Producenci tradycyjnych komponentów linii produkcyjnych oferują dziś ich „inteligentne” odpowiedniki, co znacznie przyspiesza proces integracji i zwiększa obszar ich rozproszenia. Ponadto „zaszyta” w urządzeniach inteligencja umożliwia niskopoziomowe przetwarzanie danych i sterowanie urządzeniami wykonawczymi na niskim poziomie (bez koniczności używania np. sterowników PLC), co znacznie przyspiesza pracę tych urządzeń, a tym samym realizację całego procesu przemysłowego. Takie lokalne sterowanie może być wykorzystane np. do obsługi i sterowania elementami bezpieczeństwa (kurtyny świetlne, drzwi bezpieczeństwa itp.), bez konieczności posiłkowania się komunikacją magistralową.

Znaczny postęp w sferze komunikacji oferują technologie serwerów OPC. Serwer OPC to oprogramowanie, które udostępnia dane w tym standardzie dowolnym klientom OPC. Najważniejszym zadaniem serwera jest dbanie, aby dane procesowe były aktualne oraz aby klienci mieli do nich swobodny dostęp. Serwery OPC oferują elastyczne rozwiązania dostarczania danych procesowych, oparte na różnego typu algorytmach (np. algorytm optymalnego przesyłania, algorytm skanowania adaptacyjnego, wielokanałowa transmisja).

Standardy OPC bazują na platformach programowych i sprzętowych o otwartej architekturze typu klient-serwer, zapewniając tym samym pełną integrację i interoperacyjność sprzętu oraz oprogramowania pochodzących od różnych producentów. Oznacza to, że podczas instalacji można m.in. wybrać system operacyjny (np. Windows, Linux) w zależności od preferencji odbiorcy końcowego. Oprogramowanie OPC można zintegrować ze wszystkimi źródłami danych (m.in. z bazami danych, graficznymi interfejsami użytkowników), przechwytując dane i interpretując na format zgodny ze standardami platformy OPC. Każdy klient OPC może wyświetlić te dane lub wysłać na ich podstawie komunikat czy komendę. W ten sposób systemy sieciowe związane z najniższymi warstwami topologii sieci przemysłowych stopniowo ewoluują w kierunku systemów z komunikacją lokalną opartą na architekturze OPC.