Estudo de caso: Primeiros Passos para a Indústria 4.0 em uma Pequena Unidade de Produção

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IIoT e Indústria 4.0 são tópicos omnipresentes nas feiras e posts de blogs da indústria atual. Muitos produtos prometem ajudá-lo a alcançar a integração vertical do fluxo de produção e dados e software empresarial como o ERP. Mas normalmente, também há um senão: ou você recebe produtos muito complexos com uma etiqueta de preço igualmente chocante - ou apesar de IIoT's promessa de interoperabilidade total entre fornecedores que você vai transformar trancado pelo fornecedorA nossa empresa tem uma vasta gama de produtos, especialmente se considerarmos as soluções de software que são vendidas pelos fornecedores de máquinas de produção em conjunto com os seus equipamentos.  

Para empresas menores com recursos limitados e departamentos de TI pequenos ou unipessoais, este é um dilema. Enquanto tais empresas dependem da flexibilidade para competir com empresas maiores e, portanto, precisam adotar paradigmas como o Industry 4.0, geralmente vem com um enorme investimento e um muro de complexidade técnica aparentemente intransponível.  

Neste estudo de caso, eu gostaria de mostrar como o Connecting Software Plataforma de integração Connect Bridge ajuda a preencher esta lacuna e fornece um kit de ferramentas fácil de usar para começar a desenvolver rapidamente Soluções IIoT.  

Sobre o cliente e as suas necessidades

O cliente é um pequeno fornecedor da indústria que fornece principalmente produtos de chapa de aço inoxidável com lotes pequenos (até um) e uma carteira de produtos complexa.  

Para poder competir com outros fabricantes nesta área, a fábrica necessita de avanço tecnológico e constante evolução do processo de produção. Por isso, o cliente começou a introduzir a soldadura robótica a laser no processo de produçãos. Embora a soldagem a laser de estado sólido tenha muitas vantagens, tais como menor distorção, pouca ou nenhuma pós-produção de costuras de soldagem, etc., é também um processo desafiador de implementar devido à sua necessidade inerente de precisão e outros requisitos complexos.  

Outro desafio é integrar uma solução de soldadura robotizada deste tipo no planeamento da produção, obtendo os dados necessários para o cálculo (pós) dos custos, controlo de qualidade, etc.  

Apesar do aumento da robótica colaborativa e, portanto, da permeação de tais aplicações na produção, hoje em dia elas são utilizadas principalmente para tarefas altamente repetitivas com muito poucas mudanças nos produtos/processos manuseados. Portanto, a escolha de um software de planejamento de produção que atenda às necessidades do meu cliente é praticamente inexistente, portanto, a necessidade de uma solução personalizada que cresce com a contínua adaptação do processo de soldagem a laser em sua cadeia de produção.  

Os requisitos em resumo: 

  • Aquisição de dados do sistema de soldagem robotizado (e seus componentes, respectivamente) para fins de cálculo (pós) de custos, controle de qualidade, planejamento da produção
  • Integração destes dados no ambiente ERP personalizado do cliente
  • Fornecer uma ferramenta de planejamento de produção para soldagem robótica que esteja aberta para futuras melhorias (por exemplo, programação offline)
  • Solução adaptável que cresce com a empresa
  • Evite o bloqueio de fornecedores e mantenha a complexidade e as necessidades de manutenção do ecossistema geral do software tão baixo quanto possível

O ambiente de TI do cliente

O cenário de TI dos clientes é um cenário naturalmente crescido e, portanto, inerentemente complexo. Na sua base, utiliza um sistema ERP antigo que é estendido por aplicações web PHP personalizadas e interfaces para outros produtos de software (por exemplo, CAD, CAM como software de aninhamento a laser, ...) e sistemas de clientes para troca directa de dados. Tudo isso dentro de um ambiente de servidor Windows/Linux misto e um pool de clientes quase exclusivamente baseado em Windows em um Active Directory. Os serviços de arquivo são baseados predominantemente em compartilhamentos do Windows e (em menor extensão) no Dropbox.  

Com uma migração contínua para o Microsoft Windows 10 e Office 365, tópicos como a implementação do SharePoint ou OneDrive nos processos de TI da empresa podem ser de interesse.   

Em geral, a estratégia do cliente é reduzir a complexidade da sua infra-estrutura de TI, tentando reduzir a quantidade de diferentes tecnologias utilizadas (pilhas LAMP, AD, Windows, O365, sistemas legados, etc.), aumentando assim a capacidade de gestão e reduzindo os custos de manutenção de todo o ecossistema.

O ambiente de produção

As máquinas de produção têm normalmente um período de utilização intrinsecamente longo. Portanto, nem todas as máquinas estão equipadas para aplicações do Industry 4.0 ou oferecem funcionalidade muito limitada nesta área. Este artigo concentra-se, portanto, apenas na aplicação de soldadura robotizada e nas suas necessidades de integração. 

O sistema de soldagem é uma solução chave-na-mão de um conhecido fabricante alemão que consiste em uma fonte laser de estado sólido, um robô com mesa rotativa, uma cabeça de usinagem com sistema de câmera, célula de proteção necessária para aplicações com laser de alta potência, sistemas de controle e sistemas auxiliares (sucção, coleta de poeira, refrigeração).  

Os componentes deste sistema comunicam através de uma variedade de interconexões industriais padrão (IOs digitais, Profinet, EtherCatethernet padrão). Pelas especificações do fornecedor, apenas uma interface ethernet padrão é exposta em relação à infra-estrutura de rede do cliente. Esta interface está ligada ao sistema PLC global dos fornecedores de máquinas e oferece apenas um acesso muito limitado aos dados das máquinas e ao sistema de controlo. Ele oferece uma interface OPC UA com muito poucos datapoints (abaixo de 10) disponíveis. E eles só são preenchidos se a fábrica usar o software de planejamento de produção do fornecedor da máquina rodando no CLP da máquina. Portanto, esta interface provou não ser muito útil para o meu cliente agora. Esta situação pode mudar. No entanto, como esta interface OPC UA exposta é um trabalho em andamento, ela provavelmente terá mais recursos úteis com futuras atualizações. 

Mas como muitos dos subcomponentes das máquinas utilizam a ethernet padrão como método de comunicação, é possível mais acesso. Dentro das redes internas das máquinas, os PLCs do robô, a fonte laser e o sistema de câmera das cabeças de solda são alcançáveis. Mas sem mais modificações, nem todos eles oferecem as ferramentas necessárias para proporcionar um acesso fácil ao OPC UA.  

Os primeiros passos

Como primeiro passo, o objetivo era adquirir dados diretamente dos componentes da máquina.  

O controle direto destes sistemas através do Connect Bridge (CB) não é um alvo, pois poderia potencialmente violar o princípio do ponto único de controle necessário para a segurança da máquina.  O CB fornece uma interface fácil de usar com o padrão OPC UA que é cada vez mais comum nos PLCs e máquinas atuais. Embora este padrão possa ser usado para estabelecer comunicação em tempo real e, portanto, substituir funções atualmente implementadas por sistemas de ônibus industriais, em nosso cenário, capacidades em tempo real não são necessárias. Embora os SDKs estejam disponíveis para integração direta da pilha OPC UA na aplicação do meu cliente, eles geralmente são intrincados e, portanto, contradizem o objetivo de reduzir a complexidade.  

Portanto, a escolha recaiu sobre a Connect Bridge com as suas vantagens de configuração fácil, SQL sem complicações interface baseada não só para OPC UA, mas também para outros serviços locais e baseados nas nuvens, e etiqueta de preço extremamente competitiva

Frequência das pesquisas de dados

Nesta fábrica, a nova tecnologia está a passar pelo processo de adaptação, pelo que o sistema de soldadura robotizado só funciona num único turno e a máquina não funciona constantemente, mesmo durante as horas de trabalho. Portanto, os dados adquiridos neste ponto podem ser úteis, mas também podem não ser confiáveis para uso futuro ou para fins preditivos. Isto é baseado na experiência do cliente com dados colhidos de outras máquinas de produção, por exemplo, máquinas de corte a laser. Certos fatores - se o operador da máquina estava presente quando um ciclo de produção terminou, quando a aquisição de dados foi acionada - provaram que mesmo dados aparentemente altamente precisos poderiam pintar um quadro errado, e que nem sempre é necessária uma granularidade fina para julgar a eficiência do processo de produção. 

Assim, uma frequência de sondagem bastante baixa de 30 segundos é actualmente utilizado para a aquisição de dados.  

Neste primeiro passo, o cliente quer pesquisar os dados destes 3 componentes principais:  

  • a fonte laser, 
  • o PLC do robô,
  • o sistema de câmaras. 

No entanto, neste momento apenas a fonte laser pode ser conectada, com o PLC do robô e o sistema de câmera indisponível por suas razões.  

Porque é que o PLC robô não consegue ligar

O PLC robô é acessível via ethernet, mas executa uma interface OPC antiga. Devido a restrições de software de seu fabricante, ele não pode rodar OPC UA. Uma interface OPC - OPC UA pode ser capaz de salvar esta situação, mas sem luz verde do fabricante da máquina em termos de compatibilidade, a instalação de tal software não parecia viável. Neste momentoO cliente está desenvolvendo uma alternativa de trabalho: as IOs digitais do PLC do robô serão conectadas através de um PC industrial para obter informações precisas (por exemplo, quando um processo de produção foi iniciado ou terminado) e para acionar uma janela de aquisição de dados mais apertada.  

Porque é que a câmara não consegue ligar

O sistema de câmera está ligado ao PLC da máquina inteira e parece não ser acessível por clientes externos. Uma vez que a visão seria útil para fins de controle de qualidade e documentação do processo, o uso de um sistema de câmera adicional, externo, está sendo avaliado atualmente para resolver este problema.

OPC UA para a fonte laser

Isto deixa a fonte laser. Felizmente, este sistema está equipado com um controlador de última geração que incorpora uma sofisticada interface OPC UA com vários níveis de acesso: acesso anônimo com capacidades limitadas de leitura, somente leitura, leitura e escrita. Como mencionado anteriormente, o acesso de leitura-e-escrita estava fora de questão por razões de segurança da máquina. Portanto, optou-se por um acesso apenas leitura.  

Esta interface oferece uma infinidade de dados:  

  • Estado geral do sistema laser
  • Períodos de operação, potência utilizada, ...
  • Mensagens de erro e manutenção

Com o CB, o cliente desenvolveu um serviço Windows no C# para pesquisar periodicamente os dados e compilá-los em várias tabelas de banco de dados SQL para uso futuro. As tabelas podem fornecer informações como dados gerais, uso do equipamento, tabelas para mensagens de manutenção/erro produzidas pela fonte laser.  

Mas como aplicar estes dados? 

Uma grande questão: como usar os dados da máquina

A primeira visão valiosa é a compilação da mensagem de registo da máquinas. A experiência do meu cliente no passado foi que nem todas as máquinas guardam os seus ficheiros de registo através de reinicializações. Além disso, os operadores de máquinas nem sempre reportam com precisão as avarias e erros aos seus supervisores. Isto pode resultar em tempos de parada de máquina mais longos do que o necessário quando ocorre uma avaria grave. Se a máquina estivesse a funcionar neste dia. - é uma questão importante. 

Para fácil acesso pela gerência técnica da empresa, tais relatórios diários são gerados como arquivos PDF e armazenados em um Dropbox compartilhado, caso uma chamada de suporte ao fornecedor da máquina precise ser aberta.  

É claro que, actualmente, esta é apenas uma aplicação muito limitada da imensa capacidade da CB. Os próximos passos que o cliente está desenvolvendo são:  

  • Conexão ao PLC do robô (via IOs digitais se não for possível de outra forma) para obter o tempo exato de início/parada dos ciclos de produção. 

Em conjunto com o sistema de timesheet da empresa, isto permitirá uma melhor compreensão do tempo que a máquina está na verdade, em produção e quanto tempo é utilizado para o ensino (programação de robôs) e/ou carga/descarga/manutenção; 

  • Acesso ao sistema de câmeras: como a soldagem a laser é um processo de soldagem diferente, os clientes do meu cliente precisam certificar este método de produção antes que qualquer produto real seja entregue. Tais processos serão realizados muito mais facilmente se a documentação completa do processo de soldagem puder ser entregue de forma constante e automática. 

Além disso, com a redução prevista da complexidade e dos serviços utilizados, é iminente uma mudança do Dropbox-Shared para o OneDrive, uma vez que esta mudança seja implementada em todos os clientes envolvidos. O cliente também está interessado em possíveis análises de dados para manutenção preditiva. 

Conclusão

Como escrito acima, este projecto está na sua fase inicial e ainda muito longe de ser uma solução IIoT totalmente funcional. Mas com pouco esforço inicial, um demonstrador útil para o cliente poderia ser desenvolvido alavancando o habilidades poderosas do Connect Bridge. Como desenvolvedor, ajudou-me ao evitar a necessidade de entrar nos detalhes de mais uma pilha de ligações (como o OPC UA ou o Dropbox API). E para o meu cliente, ele forneceu uma pilha de comunicação centralizada para aplicações futuras que também têm preços muito competitivos em comparação com soluções de outros fornecedores que por vezes apresentam configurações de licenciamento complicadas com licenças baseadas no número de dispositivos acedidos pela sua ferramenta e até mesmo no número de pontos de dados adquiridos. 

Abreviaturas utilizadas

CB - o Connect Bridge plataforma de integração

CLP - Controlador lógico programável 
Geralmente um sistema de computador com capacidade de processamento em tempo real com um poder de processamento relativamente baixo (em comparação com os dispositivos padrão de PC) com interfaces de barramento de campo industrial e IOs digitais usados para controlar máquinas. 

IIoT - a Internet Industrial das Coisas 

OPC UA - Arquitetura Unificada OPC 

CAD - Desenho Assistido por Computador 

CAM - Fabricação Assistida por Computador 

Antecedentes

Este estudo de caso analisa a aplicação do protocolo OPC UA para coleta de dados atualizados de máquinas em uma pequena unidade de produção na Áustria. Um conector OPC UA construído sobre o Plataforma de integração Connect Bridge por Connecting Software foi usado para puxar os dados da máquina para as tabelas de relatórios para manutenção oportuna do equipamento nas instalações de produção. A plataforma de integração aceita consultas SQL simples Create, Read, Update and Delete (CRUD) através de drivers ODBC, JDBC e Web Services padrão. Estas consultas são then translated para a API padrão calls native para o sistema alvo. Vários conectores pré-construídos permitem entregar estes dados aos sistemas ERP, MES, CRM, DMS, etc., para posterior exploração. 

Sobre o autor

Richard Majer, Fundador da flupo Systemtechnik e.U. especializada em TI industrial e tecnologia de automação para PMEs. Antes de começar sua própria empresa, Richard trabalhou em um instituto de P&D para aplicações laser de alta potência (ganhando experiência em tecnologia laser, simulações FEM, robótica industrial, programação PLC, sistemas de barramento de campo industrial), e tem mais de 10 anos de experiência em TI em geral com foco no desenvolvimento de software em ambientes SME (interfaces entre diferentes produtos de software, aplicações de planejamento de produção). Ele possui Mestrado Licenciatura em Matemática pela Universidade de Viena 

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