Estudio de caso: Primeros pasos hacia la industria 4.0 en una pequeña planta de producción

Socio Noticias de la empresa, Conectores, General Deje un comentario

IIoT e Industria 4.0 son temas omnipresentes en las ferias de la industria actual y en los blogs. Muchos productos prometen ayudar a lograr la integración vertical del flujo de producción y datos y software empresarial como el ERP. Pero normalmente, también hay una pega: o bien consigues productos muy complejos con un precio similarmente impactante - o a pesar de IIoT's promesa de interoperabilidad total entre proveedores que se convertirá en bloqueado por el proveedorespecialmente si se consideran las soluciones de software que venden los vendedores de máquinas de producción junto con sus equipos.  

Para las empresas más pequeñas con recursos limitados y departamentos de TI pequeños o de una sola persona, esto es un dilema. Mientras que esas empresas dependen de la flexibilidad para competir con empresas más grandes y por lo tanto necesitan adoptar paradigmas como el de la Industria 4.0, normalmente viene con una enorme inversión y un muro de complejidad técnica aparentemente insuperable.  

En este estudio de caso, me gustaría mostrar cómo el Connecting Software Plataforma de integración Connect Bridge ayuda a llenar este vacío y proporciona un kit de herramientas fácil de usar para empezar a desarrollar rápidamente Soluciones de IIoT.  

Sobre el cliente y sus necesidades

El cliente es un pequeño proveedor de la industria que proporciona principalmente productos de chapa de acero inoxidable con lotes pequeños (hasta uno) y una compleja cartera de productos.  

Para poder competir con otros fabricantes en esta área, la fábrica necesita el avance tecnológico y la evolución constante del proceso de producción. Por lo tanto, el cliente ha comenzado a introducir la soldadura láser robótica en el proceso de produccións. Si bien la soldadura láser de estado sólido tiene muchas ventajas, como una menor distorsión, poca o ninguna posproducción de los cordones de soldadura, etc., también es un proceso difícil de implementar debido a su necesidad inherente de precisión y otros requisitos complejos.  

Otro desafío es integrar una solución de soldadura robótica de este tipo en la planificación de la producción, obteniendo los datos necesarios para el cálculo (posterior) de los costes, el control de calidad, etc.  

A pesar del auge de la robótica colaborativa y, por tanto, de la penetración de esas aplicaciones en la producción, hoy en día se utilizan sobre todo para tareas muy repetitivas con muy pocos cambios en los productos/procesos manejados. Por lo tanto, la elección de un software de planificación de la producción que satisfaga las necesidades de mi cliente es prácticamente inexistente, de ahí la necesidad de una solución personalizada que crezca con la continua adaptación del proceso de soldadura láser en su cadena de fabricación.  

Los requisitos en resumen: 

  • Adquisición de datos del sistema de soldadura robotizada (y sus componentes respectivamente) para fines de cálculo de costos (posteriores), control de calidad, planificación de la producción
  • La integración de estos datos en el entorno ERP personalizado del cliente
  • Proporcionar una herramienta de planificación de la producción para la soldadura robótica que esté abierta a futuras mejoras (por ejemplo, la programación fuera de línea)
  • Solución adaptable que crece con la empresa
  • Evitar la dependencia de los proveedores y mantener la complejidad y las necesidades de mantenimiento del ecosistema general de software lo más bajo posible

El entorno informático del cliente

El paisaje de la TI de los clientes es un paisaje natural y por lo tanto inherentemente complejo. En su base, utiliza un sistema ERP heredado que se amplía con aplicaciones PHP personalizadas basadas en la web e interfaces con otros productos de software (por ejemplo, CAD, CAM como software de anidamiento de láser, ...) y sistemas de clientes para el intercambio directo de datos. Todo esto dentro de un entorno mixto de servidor Windows/Linux y un grupo de clientes casi exclusivamente basado en Windows en un Directorio Activo. Los servicios de archivos se basan predominantemente en acciones de Windows y (en menor medida) en Dropbox.  

Con una migración en curso hacia Microsoft Windows 10 y Office 365, temas como la implementación de SharePoint o OneDrive en los procesos informáticos de la empresa pueden ser de interés.   

En general, la estrategia de los clientes es reducir la complejidad de su infraestructura informática tratando de disminuir la cantidad de las diferentes tecnologías utilizadas (pilas LAMP, AD, Windows, O365, sistemas heredados, etc.), aumentando así la manejabilidad y reduciendo los costos de mantenimiento de todo el ecosistema.

El entorno de producción

La maquinaria de producción suele tener un período de uso inherentemente largo. Por lo tanto, no todas las máquinas están equipadas para aplicaciones de la Industria 4.0 o proporcionan una funcionalidad muy limitada en esta área. Por lo tanto, este documento se centra únicamente en la aplicación de soldadura robotizada y sus necesidades de integración. 

El sistema de soldadura es una solución llave en mano de un conocido fabricante alemán que consiste en una fuente láser de estado sólido, un robot con mesa giratoria, un cabezal de mecanizado con un sistema de cámaras, una celda de protección necesaria para aplicaciones láser de alta potencia, sistemas de control y sistemas auxiliares (aspiración, recogida de polvo, refrigeración).  

Los componentes de este sistema se comunican a través de una variedad de interconexiones industriales estándar (IOs digitales, Profinet, EtherCat(ethernet estándar). Según las especificaciones del proveedor, sólo una interfaz de ethernet estándar está expuesta a la infraestructura de la red del cliente. Esta interfaz está conectada al sistema PLC general de los vendedores de máquinas y ofrece sólo un acceso muy limitado a los datos y al sistema de control de las máquinas. Ofrece una interfaz OPC UA con muy pocos puntos de datos (menos de 10) disponibles. Y sólo se pueblan si la fábrica utiliza el software de planificación de la producción del vendedor de la máquina que se ejecuta en el PLC de la máquina. Por lo tanto, esta interfaz demostró no ser muy útil para mi cliente ahora. Esta situación podría cambiar. Sin embargo, como esta interfaz OPC UA expuesta es un trabajo en curso, probablemente obtendrá más características útiles con futuras actualizaciones. 

Pero como muchos de los subcomponentes de las máquinas utilizan el Ethernet estándar como método de comunicación, es posible un mayor acceso. Dentro de las redes internas de las máquinas, se puede acceder a los PLC del robot, la fuente de láser y el sistema de cámaras de los cabezales de soldadura. Pero sin más modificaciones, no todos ellos ofrecen las herramientas necesarias para proporcionar un fácil acceso al OPC UA.  

Los primeros pasos

Como primer paso, el objetivo era adquirir datos directamente de los componentes de la máquina.  

El control directo de estos sistemas a través del Connect Bridge (CB) no es un objetivo, ya que podría violar el principio de punto único de control necesario para la seguridad de la máquina.  CB proporciona una interfaz fácil de usar para el estándar OPC UA que es cada vez más común en los PLC y máquinas de hoy en día. Si bien esta norma puede utilizarse para establecer una comunicación en tiempo real y, por lo tanto, sustituir las funciones que actualmente llevan a cabo los sistemas industriales de autobuses de campo, en nuestro escenario, las capacidades en tiempo real no son necesarias. Aunque los SDK están disponibles para la integración directa de la pila de UA OPC en la aplicación de mi cliente, suelen ser intrincados y por lo tanto contradicen el objetivo de reducir la complejidad.  

Por lo tanto, la elección recayó en el Connect Bridge con sus ventajas de fácil configuración, SQL sin problemas interfaz basada en la OPC UA, sino también a otros servicios locales y basados en la nube, y un precio extremadamente competitivo

Frecuencia de la encuesta de datos

En esta fábrica, la nueva tecnología está pasando por el proceso de adaptación, por lo que el sistema de soldadura robotizada sólo funciona en un único turno y la máquina no está funcionando constantemente ni siquiera durante las horas de trabajo. Por lo tanto, los datos adquiridos en este momento pueden ser útiles, pero también podrían resultar poco fiables para su uso futuro o con fines predictivos. Esto se basa en la experiencia del cliente con los datos recogidos de otras máquinas de producción, por ejemplo, máquinas de corte por láser. Ciertos factores -si el operario de la máquina estaba presente cuando terminó un ciclo de producción, cuando se activó la adquisición de datos- demostraron que incluso los datos aparentemente muy precisos podían pintar una imagen equivocada, y que la granularidad fina no siempre es necesaria para juzgar la eficiencia del proceso de producción. 

Así, una frecuencia de sondeo bastante baja de 30 segundos se utiliza actualmente para la adquisición de datos.  

En este primer paso, el cliente quiere sondear los datos de estos 3 componentes principales:  

  • la fuente de láser, 
  • el PLC del robot,
  • el sistema de cámaras. 

Sin embargo, en este momento sólo se puede conectar la fuente de láser, con el PLC del robot y el sistema de cámaras no disponible por sus razones.  

Por qué el PLC del robot no puede conectarse

El PLC del robot es accesible vía ethernet pero funciona con una interfaz OPC heredada. Debido a las restricciones de software de su fabricante, no puede ejecutar OPC UA. Una interfaz OPC - OPC UA podría salvar esta situación, pero sin la luz verde del fabricante de la máquina en cuanto a la compatibilidad, la instalación de dicho software no parecía factible. Por el momentoEl cliente está desarrollando una solución alternativa: las IO digitales del PLC del robot se conectarán a través de un PC industrial para obtener información precisa (por ejemplo, cuándo se inició o terminó un proceso de producción) y para activar una ventana de adquisición de datos más estrecha.  

Por qué la cámara no puede conectarse

El sistema de cámaras está conectado al PLC de toda la máquina y parece que no es accesible para los clientes externos. Dado que la visión sería útil para fines de control de calidad y documentación de procesos, se está evaluando actualmente el uso de un sistema de cámaras externo adicional para resolver este problema.

OPC UA para la fuente de láser

Esto deja la fuente de láser. Afortunadamente, este sistema está equipado con un controlador de última generación que incorpora una sofisticada interfaz OPC UA con varios niveles de acceso: acceso anónimo con capacidad de lectura limitada, sólo lectura, lectura y escritura. Como ya se ha mencionado, el acceso de lectura y escritura estaba fuera de discusión por razones de seguridad de la máquina. Por lo tanto, se optó por el acceso de sólo lectura.  

Esta interfaz ofrece una gran cantidad de datos:  

  • El estado general del sistema de láser
  • Los períodos de operación, la energía utilizada, ...
  • Mensajes de error y mantenimiento

Con el CB, el cliente desarrolló un servicio de Windows en C# para sondear periódicamente los datos y compilarlos en varias tablas de bases de datos SQL para su uso futuro. Las tablas pueden proporcionar información como datos generales, uso del equipo, tablas de mantenimiento/mensajes de error producidos por la fuente láser.  

¿Pero cómo aplicar estos datos? 

Una gran pregunta: cómo usar los datos de la máquina

La primera idea valiosa es la compilación del mensaje de registro de la máquinas. La experiencia de mi cliente en el pasado fue que no todas las máquinas mantienen sus archivos de registro a través de reinicios. Además, los operadores de las máquinas no siempre informan con precisión de los fallos y errores a sus supervisores. Esto puede dar lugar a paradas de la máquina más largas de lo necesario cuando se produce una avería grave. Si la máquina estaba funcionando en este día en absoluto - es una pregunta importante. 

Para facilitar el acceso de la dirección técnica de la empresa, esos informes diarios se generan como archivos PDF y se almacenan en un buzón compartido, en caso de que sea necesario abrir una llamada de asistencia al proveedor de la máquina.  

Por supuesto, esto es actualmente sólo una aplicación muy limitada de la inmensa capacidad del CB. Los siguientes pasos que el cliente está desarrollando son:  

  • Conexión al PLC del robot (a través de IOs digitales si no es posible de otra manera) para obtener un tiempo preciso de arranque y parada de los ciclos de producción. 

En conjunto con el sistema de hojas de tiempo de la compañía, esto permitirá un mejor entendimiento de cuánto tiempo está la máquina en realidad en producción y cuánto tiempo se utiliza para la enseñanza (programación de robots) y/o la carga/descarga/mantenimiento; 

  • Acceso al sistema de cámaras: como la soldadura láser es un proceso de soldadura diferente, los clientes de mi cliente deben certificar este método de producción antes de que se entreguen los productos reales. Estos procesos se lograrán mucho más fácilmente si se puede entregar una documentación completa del proceso de soldadura de forma constante y automática. 

Además, con la reducción prevista de la complejidad y los servicios utilizados, es inminente el paso de Dropbox-Shared a OneDrive, una vez que se haya implantado en todos los clientes interesados. El cliente también está interesado en el posible análisis de datos para el mantenimiento predictivo. 

Conclusión

Como se ha escrito anteriormente, este proyecto se encuentra en su fase inicial y todavía está lejos de ser una solución completamente funcional del IIoT. Pero con poco esfuerzo inicial, se podría desarrollar un demostrador útil para el cliente aprovechando el las poderosas habilidades del Connect Bridge. Como desarrollador, me ayudó a evitar la necesidad de entrar en los detalles de otra pila de conexiones (como el OPC UA o el Dropbox API). Y para mi cliente proporcionó una pila de comunicación centralizada para aplicaciones futuras que también tiene un precio muy competitivo en comparación con las soluciones de otros proveedores que a veces presentan complicadas configuraciones de licencia con licencias basadas en el número de dispositivos a los que accede su herramienta e incluso el número de puntos de datos adquiridos. 

Abreviaturas utilizadas

CB - el Connect Bridge plataforma de integración

PLC - Controlador lógico programable 
Por lo general, se trata de un sistema informático en tiempo real con una potencia de procesamiento relativamente baja (en comparación con los dispositivos de PC estándar) con interfaces de bus de campo industrial y OI digitales utilizadas para controlar la maquinaria. 

IIoT - la Internet industrial de las cosas 

OPC UA - OPC Arquitectura Unificada 

CAD - Diseño Asistido por Computadora 

CAM - Manufactura Asistida por Computadora 

Antecedentes

Este estudio de caso analiza la aplicación del protocolo OPC UA para recopilar datos actualizados de las máquinas en una pequeña instalación de producción en Austria. Un Conector OPC UA construido sobre la Plataforma de integración Connect Bridge por Connecting Software se utilizaba para extraer los datos de las máquinas en cuadros de informes para el mantenimiento oportuno del equipo en la instalación de producción. La plataforma de integración acepta consultas SQL sencillas de Crear, Leer, Actualizar y Borrar (CRUD) a través de controladores estándar ODBC, JDBC y Web Services. Estas consultas son de then translated a la API estándar calls native al sistema de destino. Una serie de conectores preconstruidos permiten entregar estos datos a los sistemas ERP, MES, CRM, DMS, etc. para su posterior explotación. 

Sobre el autor

Richard Majer, Fundador de flupo Systemtechnik e.U. especializado en tecnología de la información industrial y de automatización para las PYMES. Antes de fundar su propia empresa, Richard trabajó en un instituto de I+D para aplicaciones láser de alta potencia (adquiriendo experiencia en tecnología láser, simulaciones FEM, robótica industrial, programación de PLC, sistemas de bus de campo industrial), y tiene más de 10 años de experiencia en TI general, centrándose en el desarrollo de software en entornos de PYMES (interfaces entre diferentes productos de software, aplicaciones de planificación de la producción). Tiene Máster licenciado en Matemáticas por la Universidad de Viena 

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