Casestudie: Eerste stappen op weg naar Industrie 4.0 in een kleine productiefaciliteit

Partner Bedrijfsnieuws, Connectoren, Algemeen Laat een reactie achter

IIoT en Industry 4.0 zijn alomtegenwoordige onderwerpen in de industriebeurzen en blogposts van vandaag. Veel producten beloven u te helpen bij de verticale integratie van productiestroom en gegevens en bedrijfssoftware zoals ERP. Maar meestal zit er ook een addertje onder het gras: of u krijgt zeer complexe producten met een even schokkend prijskaartje - of ondanks IIoT's belofte van volledige cross-vendor interoperabiliteit zult u vendor-lockedvooral als men rekening houdt met software-oplossingen die door verkopers van productiemachines in combinatie met hun apparatuur worden verkocht.  

Voor kleinere bedrijven met beperkte middelen en kleine of eenpersoons IT-afdelingen is dit een dilemma. Hoewel dergelijke bedrijven afhankelijk zijn van flexibiliteit om te kunnen concurreren met grotere ondernemingen en dus paradigma's zoals Industrie 4.0 moeten invoeren, gaat dit meestal gepaard met een enorme investering en een muur van schijnbaar onoverkomelijke technische complexiteit.  

In deze casestudy wil ik laten zien hoe Connecting Software's Connect Bridge integratieplatform helpt deze leemte op te vullen en biedt een eenvoudig te gebruiken toolkit om snel te beginnen met het ontwikkelen van aangepaste IIoT-oplossingen.  

Over de klant en zijn eisen

De klant is een kleine industriële leverancier die voornamelijk roestvrijstalen plaatwerkproducten levert met kleine batchgroottes (tot één) en een complexe productportefeuille.  

Om op dit gebied met andere fabrikanten te kunnen concurreren, heeft de fabriek technologische vooruitgang en een voortdurende evolutie van het produktieproces nodig. Daarom is de klant begonnen met invoering van gerobotiseerd laserlassen in het productieprocess. Hoewel het laserlassen in vaste toestand vele voordelen biedt, zoals minder vervorming, weinig of geen nabewerking van lasnaden, enz., is het ook een uitdagend proces om uit te voeren wegens de inherente behoefte aan nauwkeurigheid en andere complexe vereisten.  

Een andere uitdaging is de integratie van een dergelijke robotlasoplossing in de productieplanning, het verkrijgen van de nodige gegevens voor (na)calculatie van kosten, kwaliteitscontrole, enz.  

Ondanks de opkomst van collaboratieve robotica en het doordringen van dergelijke toepassingen in de productie, worden zij vandaag meestal gebruikt voor sterk repetitieve taken met zeer weinig verandering in de behandelde producten/processen. Daarom is de keuze voor productieplanningssoftware die aan de behoeften van mijn cliënt voldoet zo goed als onbestaande, zodat er behoefte is aan een oplossing op maat die meegroeit met de voortdurende aanpassing van het laserlasproces in zijn productieketen.  

De eisen in het kort: 

  • gegevensverzameling van het robotlassysteem (en de onderdelen daarvan) ten behoeve van (nacalculatie van) kosten, kwaliteitscontrole, productieplanning
  • Integratie van deze gegevens in de aangepaste ERP-omgeving van de klant
  • een productieplanningsinstrument voor robotlassen aan te bieden dat openstaat voor toekomstige verbeteringen (bv. offline programmering)
  • Aanpasbare oplossing die meegroeit met het bedrijf
  • Vermijd vendor lock-in en houd de complexiteit en onderhoudsbehoeften van het totale software-ecosysteem zo laag mogelijk

De IT-omgeving van de klant

Het IT-landschap van de klant is natuurlijk gegroeid en daarom inherent complex. De basis wordt gevormd door een verouderd ERP-systeem dat wordt uitgebreid met op maat gemaakte webgebaseerde PHP-toepassingen en interfaces met andere softwareproducten (bv. CAD, CAM zoals lasernestingsoftware, ...) en klantsystemen voor directe gegevensuitwisseling. Dit alles binnen een gemengde Windows/Linux-serveromgeving en een bijna uitsluitend op Windows gebaseerde clientpool in een Active Directory. Bestandsdiensten zijn voornamelijk gebaseerd op Windows shares en (in mindere mate) op Dropbox.  

Met een voortdurende migratie naar Microsoft Windows 10 en Office 365, kunnen onderwerpen zoals de implementatie van SharePoint of OneDrive in de IT-processen van het bedrijf interessant zijn.   

In het algemeen bestaat de strategie van de klant erin de complexiteit van zijn IT-infrastructuur te verminderen door te proberen het aantal verschillende gebruikte technologieën (LAMP-stacks, AD, Windows, O365, legacysystemen, enz.) te verminderen, en zo de beheersbaarheid te vergroten en de onderhoudskosten van het hele ecosysteem te verlagen.

De productieomgeving

Productiemachines hebben meestal een inherent lange gebruiksperiode. Daarom zijn niet alle machines uitgerust voor Industrie 4.0-toepassingen of bieden ze zeer beperkte functionaliteit op dit gebied. Dit document richt zich daarom uitsluitend op de toepassing van robotlassen en de integratiebehoeften daarvan. 

Het lassysteem is een kant-en-klare oplossing van een bekende Duitse fabrikant, bestaande uit een vaste-stoflaserbron, een robot met draai-kieptafel, een bewerkingskop met camerasysteem, een beschermingscel die nodig is voor lasertoepassingen met een hoog vermogen, besturingssystemen en hulpsystemen (afzuiging, stofopvang, koeling).  

De componenten van dit systeem communiceren via een reeks standaard industriële interconnecties (digitale IO's, Profinet, EtherCat(standaard ethernet). Volgens de specificaties van de leverancier is slechts één standaard ethernetinterface blootgesteld aan de netwerkinfrastructuur van de klant. Deze interface is verbonden met het algemene PLC-systeem van de machineleverancier en biedt slechts zeer beperkte toegang tot de gegevens en het besturingssysteem van de machine. Het biedt een OPC UA interface met slechts zeer weinig datapunten (minder dan 10) beschikbaar. En die worden alleen ingevuld als de fabriek de productieplanningssoftware van de machineleverancier gebruikt die op de PLC van de machine draait. Daarom bleek deze interface nu niet al te nuttig voor mijn klant. Deze situatie zou kunnen veranderen. Aangezien deze OPC UA interface echter een werk-in-uitvoering is, zal hij waarschijnlijk meer nuttige functies krijgen met toekomstige updates. 

Maar aangezien veel van de subcomponenten van de machine standaard ethernet gebruiken als communicatiemethode, is meer toegang mogelijk. Binnen de interne netwerken van de machines zijn de PLC's van de robot, de laserbron en het camerasysteem van de laskop bereikbaar. Maar zonder verdere aanpassing bieden ze niet allemaal de nodige tools om gemakkelijk OPC UA-toegang te bieden.  

De eerste stappen

Als eerste stap was het de bedoeling rechtstreeks gegevens te verkrijgen van de componenten van de machine.  

Rechtstreekse besturing van deze systemen via de Connect Bridge (CB) is geen doel, omdat dit in strijd zou kunnen zijn met het beginsel van één controlepunt, dat noodzakelijk is voor de veiligheid van de machine.  CB biedt een gebruiksvriendelijke interface voor de OPC UA standaard die steeds vaker wordt toegepast in hedendaagse PLC's en machines. Hoewel deze standaard kan worden gebruikt om real-time communicatie tot stand te brengen en zo functies te vervangen die momenteel door industriële veldbussystemen worden geïmplementeerd, zijn real-time mogelijkheden in ons scenario niet noodzakelijk. Hoewel SDK's beschikbaar zijn voor directe integratie van de OPC UA stack in de toepassing van mijn klant, zijn deze meestal ingewikkeld en dus in tegenspraak met de doelstelling van vermindering van de complexiteit.  

Daarom viel de keuze op de Connect Bridge met zijn voordelen van eenvoudige installatie, probleemloze SQL gebaseerde interface, niet alleen met OPC UA, maar ook met andere lokale en cloud-gebaseerde diensten, en uiterst concurrerend prijskaartje

Frequentie van gegevenspeiling

In deze fabriek doorloopt de nieuwe technologie het aanpassingsproces, zodat het robotlassysteem slechts in één ploegendienst werkt en de machine zelfs tijdens de werkuren niet constant draait. Daarom kunnen de op dit moment verkregen gegevens nuttig zijn, maar ook onbetrouwbaar blijken voor toekomstig gebruik of voor voorspellende doeleinden. Dit is gebaseerd op de ervaring van de klant met gegevens die zijn verzameld van andere productiemachines, bv. lasersnijmachines. Bepaalde factoren - of de machinebediener aanwezig was toen een productiecyclus eindigde, wanneer de gegevensverzameling in gang werd gezet - bewezen dat zelfs schijnbaar zeer nauwkeurige gegevens een verkeerd beeld kunnen schetsen, en dat fijnkorreligheid niet altijd noodzakelijk is om de efficiëntie van het productieproces te beoordelen. 

Zo, een vrij lage peilingfrequentie van 30 seconden wordt momenteel gebruikt voor data-acquisitie.  

In deze eerste stap wil de klant gegevens van deze 3 hoofdcomponenten verzamelen:  

  • de laserbron, 
  • de PLC van de robot,
  • het camerasysteem. 

Op dit moment kan echter alleen de laserbron worden aangesloten, terwijl de PLC van de robot en het camerasysteem om hun redenen niet beschikbaar zijn.  

Waarom de robot PLC geen verbinding kan maken

De PLC van de robot is toegankelijk via ethernet, maar draait op een verouderde OPC-interface. Vanwege softwarebeperkingen van de fabrikant kan deze geen OPC UA uitvoeren. Een OPC - OPC UA interface zou deze situatie kunnen redden, maar zonder groen licht van de fabrikant van de machine in termen van compatibiliteit, leek de installatie van dergelijke software niet haalbaar. Op dit momentontwikkelt de klant een work-around: de digitale IO's van de PLC van de robot zullen via een industriële PC worden aangesloten om nauwkeurige informatie te verkrijgen (bv. wanneer een productieproces werd gestart of beëindigd) en om een strakker venster voor gegevensverwerving te activeren.  

Waarom kan de camera geen verbinding maken

Het camerasysteem is gekoppeld aan de PLC van de gehele machine en lijkt niet toegankelijk te zijn voor externe klanten. Aangezien visie nuttig zou zijn voor kwaliteitscontroledoeleinden en procesdocumentatie, wordt het gebruik van een extra, extern camerasysteem momenteel geëvalueerd om dit probleem op te lossen.

OPC UA voor de laserbron

Dan blijft de laserbron over. Gelukkig is dit systeem uitgerust met een ultramoderne controller met een geavanceerde OPC UA-interface met verschillende toegangsniveaus: anonieme toegang met beperkte leesmogelijkheden, read-only, read-and-write. Zoals eerder vermeld, was lees-en-schrijftoegang uit den boze om redenen van machineveiligheid. Daarom werd gekozen voor alleen-lezen-toegang.  

Deze interface biedt een overvloed aan gegevens:  

  • Algemene toestand van het lasersysteem
  • Werkingsduur, gebruikte stroom, ...
  • Fout- en onderhoudsmeldingen

Met de CB ontwikkelde de klant een Windows service in C# om periodiek de gegevens op te vragen en deze te compileren in verschillende SQL database tabellen voor toekomstig gebruik. De tabellen kunnen informatie verschaffen zoals algemene gegevens, gebruik van apparatuur, tabellen voor onderhoud/foutmeldingen die door de laserbron worden geproduceerd.  

Maar hoe moeten we deze gegevens toepassen? 

Een grote vraag: hoe machinegegevens te gebruiken

Het eerste waardevolle inzicht is de compilatie van machine log berichts. De ervaring van mijn klant in het verleden was dat niet alle machines hun logbestanden bijhouden als ze opnieuw worden opgestart. Ook melden machinebedieners storingen en fouten niet altijd nauwkeurig aan hun supervisors. Dit kan resulteren in langer dan noodzakelijke machinestilstand wanneer zich een ernstige storing voordoet. Als de machine op deze dag al draaide - is een belangrijke vraag. 

Voor gemakkelijke toegang door het technisch management van het bedrijf, worden dergelijke dagelijkse rapporten gegenereerd als PDF-bestanden en opgeslagen in een gedeelde Dropbox, voor het geval er een ondersteuningsgesprek met de leverancier van de machine moet worden geopend.  

Uiteraard is dit momenteel slechts een zeer beperkte toepassing van de immense mogelijkheden van CB. De volgende stappen die de klant aan het ontwikkelen is, zijn:  

  • Verbinding met de PLC van de robot (via digitale IO's indien niet anders mogelijk) om nauwkeurige start/stop-timing van productiecycli te verkrijgen. 

In combinatie met het timesheetsysteem van het bedrijf zal dit een beter inzicht geven in hoeveel tijd de machine eigenlijk in productie en hoeveel tijd wordt gebruikt voor onderwijs (robotprogrammering) en/of laden/lossen/onderhoud; 

  • Toegang tot het camerasysteem: aangezien laserlassen een ander lasproces is, moeten de klanten van mijn cliënt deze productiemethode certificeren voordat er echte producten worden geleverd. Dergelijke processen kunnen veel gemakkelijker worden verwezenlijkt als voortdurend en automatisch volledige documentatie van het lasproces kan worden geleverd. 

Met de geplande vermindering van de complexiteit en de gebruikte diensten is bovendien een overstap van Dropbox-Shared naar OneDrive op handen, zodra dit bij alle betrokken klanten is uitgerold. De klant is ook geïnteresseerd in mogelijke gegevensanalyse voor voorspellend onderhoud. 

Conclusie

Zoals hierboven geschreven, bevindt dit project zich in de beginfase en is het nog ver verwijderd van een volledig functionele IIoT-oplossing. Maar met weinig initiële inspanning zou een bruikbare demonstrator voor de klant kunnen worden ontwikkeld door gebruik te maken van de krachtige mogelijkheden van de Connect Bridge. Als een ontwikkelaar, het hielp me door te vermijden dat ik in de details moest treden van nog een verbindingsstapel (zoals OPC UA of de Dropbox API). En voor mijn klant leverde het een gecentraliseerde communicatiestapel voor toekomstige toepassingen die bovendien zeer concurrerend geprijsd is in vergelijking met oplossingen van andere leveranciers die soms ingewikkelde licentieconfiguraties hebben met licenties die gebaseerd zijn op het aantal apparaten waartoe het instrument toegang heeft en zelfs het aantal verkregen gegevenspunten. 

Gebruikte afkortingen

CB - de Connect Bridge integratieplatform

PLC - Programmeerbare logische controller 
Over het algemeen een real time geschikt computersysteem met een relatief laag verwerkingsvermogen (vergeleken met standaard PC-apparatuur) met industriële veldbusinterfaces en digitale IO's dat wordt gebruikt om machines te besturen. 

IIoT - het industriële internet van dingen 

OPC UA - OPC Unified Architecture 

CAD - Computer Aided Design 

CAM - Computer Aided Manufacturing 

Achtergrond

Deze casestudie analyseert de toepassing van het OPC UA protocol voor het verzamelen van actuele machinegegevens in een kleine productiefaciliteit in Oostenrijk. Een OPC UA aansluiting gebouwd op de Connect Bridge integratieplatform door Connecting Software werd gebruikt om machinegegevens op te halen in rapporteringstabellen voor tijdig onderhoud van de uitrusting in de productiefaciliteit. Het integratieplatform accepteert eenvoudige Create, Read, Update en Delete (CRUD) SQL-query's via standaard ODBC-, JDBC- en Web Services-drivers. Deze query's worden vervolgens vertaald naar standaard API-aanroepen die eigen zijn aan het doelsysteem. Een aantal vooraf gebouwde connectoren maken het mogelijk om deze gegevens te leveren aan ERP-, MES-, CRM-, DMS-systemen, enz. voor verder gebruik. 

Over de auteur

Richard Majer, Oprichter van flupo Systemtechnik e.U. gespecialiseerd in industriële IT en automatiseringstechnologie voor KMO's. Voordat hij zijn eigen bedrijf startte, werkte Richard in een R&D-instituut voor high-power lasertoepassingen (waar hij ervaring opdeed in lasertechnologie, FEM-simulaties, industriële robotica, PLC-programmering, industriële veldbussystemen), en heeft hij meer dan 10 jaar ervaring in algemene IT met een focus op softwareontwikkeling in KMO-omgevingen (interfaces tussen verschillende softwareproducten, toepassingen voor productieplanning). Hij is houder van Master's graad in wiskunde aan de universiteit van Wenen 

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *