Průmyslová automatizace, odborné texty, recenze

V současné době se zvyšuje snaha o její automatizaci, což přináší řadu nesporných výhod jako nižší náklady, vyšší spolehlivost, možnost snadného zpracování, prezentace dat apod. Ukážeme si automatizaci mezioperační kontroly kvality od firmy Elekt Labs s.r.o, zejména se zaměřením na sběr dat z měřících přístrojů s rozhraním Digimatic.

Společnost Aerocan CZ se zabývá výrobou hliníkových pouzder. Mezi hlavní požadavky zákazníka patřilo:
- Automatický zápis naměřených hodnot do databáze.
- Možnost definování vlastní periody měření pro každý parametr a informaci pro operátora, že má provést měření.
- Možnost nastavení dovolených mezních hodnot měřených parametrů a informování operátora v případě jejich překročení.
- Plné nahrazení používaných papírových formulářů.

Výrobní proces v Aerocan CZ:

Společnost se zabývá výrobou hliníkových pouzder. Základní tvar pouzdra je válcový, mohou na něm být různé prolisy zlepšující jeho design. Pouzdra se nejčastěji využívají v kosmetickém průmyslu (deodoranty, …), v chemickém průmyslu (barvy, laky ve spreji, …) atd. Plněním pouzder se společnost nezabývá.

Výrobu hliníkových pouzder lze rozdělit do pěti výrobních fází. Mezi každou výrobní fází se nachází mezioperační zásobník umožňující jejich vzájemnou nezávislost.

Lisování – Výroba hliníkových pouzder začíná lisováním. Vstupním materiálem je kalota (tvarem se podobá větší kovové minci), ze které se vylisuje pouzdro. Vrchní část pouzdra se ořeže, jelikož zde stěna neodpovídá požadovaným normám. Nakonec pouzdra prochází odmašťovačkou, kde se odstraní všechna mastnota a nečistoty vzniklé při lisování. V pravidelných intervalech musí operátor odebrat několik vzorků, u kterých zkontroluje jejich rozměry (tloušťka dna, tloušťka stěny, celková délka, atd.), jestli odpovídají stanoveným normám pro tento typ pouzdra. Tomuto pracovišti se říká mezioperační kontrola kvality.

Vnitřní lakování – Jak již název napovídá, v této fázi se provádí vnitřní lakování pouzdra. Pouzdro následně prochází pecí, kde lak vytvrdne. Stejně jako předtím i zde se nachází mezioperační kontrola kvality. Kontroluje se tloušťka laku, hmotnost laku, kvalita laku, která se označuje jako porosita.

Tisk – Nejdříve se nanese na pouzdro základní barva. Po vytvrdnutí v peci se vytiskne samotný potisk (název výrobku, výrobce a další informace pro konečného spotřebitele). Nakonec po vytvrdnutí barvy v peci se nanese ochranný bezbarvý lak. I zde se nachází mezioperační kontrola kvality. Měří se hmotnost a tloušťka laku, kontrolují se barevné odstíny potisku.

Konifikace – Po celý výrobní proces mělo pouzdro jednoduchý válcový tvar. V této výrobní fázi se vytváří prolisy na pouzdrech zlepšující jejich design. Nakonec pouzdra prochází stahovacím lisem, který vytvoří hrdlo tak, aby na něj šlo později umístit víčko. Nachází se zde poslední pracoviště mezioperační kontroly kvality a přeměřují se požadované rozměry pouzdra (prolis dna, rovinnost hrdla se dnem, rozměry hrdla, atd.).

Balička – Vyrobená pouzdra se zde musí napaletovat a uložit do skladu před expedicí.

Klasická mezioperační kontrola kvality v Aerocan CZ:

Klasickou mezioperační kontrolou kvality je myšleno manuální provádění kontroly kvality operátorem, který zapisuje změřené rozměry pouzdra do výkazu v papírové formě.

Podle typu mezioperační kontroly kvality se používaly různé typy měřících přístrojů. Typicky to byly úchylkoměry, posuvky, váhy, porosimetry (měření kvality laku), apod. I když většina měřících přístrojů měla digitální komunikační rozhraní (typicky Digimatic, RS-232), nebylo využíváno. Operátoři museli ručně přepisovat změřené rozměry výrobku z displeje měřícího přístroje do výkazu. Toto řešení například znemožňovalo jednoduše zaznamenat rozdíl naměřených hodnot.

Každý operátor na mezioperační kontrole kvality měl předepsáno, za jakých podmínek musí odebrat vzorky z výrobní linky a odměřit požadované rozměry, například:

- V pravidelných intervalech.
- Po odstávce.
- Na začátku výroby zakázky.

Nejméně spolehlivým článkem ve výrobním procesu je člověk, což platí i pro operátory mezioperační kontroly kvality. Typické problémy spojené s manuálním odměřováním jsou shrnuty v následujících bodech:

-Falšování dat na straně operátora.
-Neprovedení předepsaného počtu měření.
-Neprovedení měření ve stanovený okamžik.
-Zaokrouhlování směrem k lepším hodnotám.
-Malá efektivita a ergonomie.

Realizace - sběr dat z měřících přístrojů:

V první části realizace se zaměřím na sběr dat z měřících přístrojů a v druhé části na signalizaci. Zadáním byl automatizovaný sběr dat z měřících přístrojů a jejich záznam do databáze informačního systému MASA (měřící a statistická aplikace). Abychom toho mohli docílit, bylo třeba nejdříve zjistit typy komunikačních rozhraní u používaných měřících přístrojů.

Na každém pracovišti mezioperační kontroly kvality se nachází několik různých měřících přístrojů. Pro odměřování rozměrů hliníkových pouzder se používá až 12 (v závislosti na pracovišti) měřících přístrojů jako jsou posuvky, úchylkoměry, mikrometry, výškoměry. Uvedené přístroje mají rozhraní Digimatic. Na některých pracovištích bývá přesná váha, měřící přístroj pro měření tloušťky laku nebo porosimetr (měření kvality laku). Tyto přístroje jsou s rozhraním RS-232.

Většina měřících přístrojů je tedy s rozhraním Digimatic, které nelze připojit napřímo bez dalších převodníků k PLC nebo PC. Existuje několik firem zabývajících se výrobou Digimatic multiplexerů. Hlavní rozdíly mezi produkty jednotlivých firem jsou zejména v počtu Digimatic portů, typicky jeden až osm. Některé umožňují připojení i jednoho až dvou měřících přístrojů s rozhraním RS-232. K počítači se nejčastěji připojují přes USB, či existují bezdrátové modely. Většinou jejich konstrukce neumožňuje použití v průmyslovém prostředí. 

Společnou vlastností většiny Digimatic multiplexerů je ovládání pomocí PC. Typický průběh odměření několika rozměrů výrobku je znázorněn na obrázku.
1) Operátor si vybere příslušný měřící přístroj pro změření rozměru výrobku.
2) Na PC operátor vybere měření rozměru 1 a změří jej.
3) Na PC operátor vybere měření rozměru 2 a změří jej.

Nevýhody:
- Vyšší nároky na obsluhu – operátor musí složitě manipulovat s PC, aby nastavil požadovaný měřený rozměr.
- Ovládací PC a měřicí přístroj nejsou umístěny v zorném poli operátora.
- Časová náročnost.

Realizace - Sběr dat z měřících přístrojů pomocí 8xDigimatic:

Na českém ani zahraničním trhu jsme nenašli model Digimatic multiplexeru, který by měl dostatek Digimatic portů, provedení bylo vhodné do průmyslu, umožňoval signalizaci operátorovi (výzvy k měření, překročení mezí, …). Z těchto důvodů jsme se rozhodli pro vývoj vlastního řešení. Výsledkem vývoje je datový koncentrátor 8xDigimatic a RGB ovládací panely.

Datový koncentrátor umožňuje připojit až osm měřících přístrojů s rozhraním Digimatic. Na některých pracovištích se nachází 12 měřících přístrojů, a proto jsme umožnili propojení až čtyř 8xDigimatic do série, čímž jsem získali až 32 portů s rozhraním Digimatic.

Místo počítače pro výběr měřeného rozměru výrobku jsme zvolili ovládací panel. Ovládací panel může mít až osm tlačítek, umožňuje tedy změřit až osm rozměrů výrobku příslušným měřicím přístrojem. Celkově lze připojit až osm ovládacích panelů k 8xDigimatic, jenž jsou přiřazeny k jednotlivým Digimatic portům. Vzhledem k rozměrům ovládacích panelů, je lze umístit do zorného pole operátora provádějícího měření a tím urychlit celý proces měření.

Typický průběh odměření několika rozměrů výrobku je opět znázorněn na obrázku.
1) Záblesky oranžové barvy u tlačítek ovládacího panelu signalizuje operátorovi, že je třeba
provést měření rozměrů: Rozměr 1 a Rozměr 2.
2) Na ovládacím panelu operátor vybere měření Rozměru 1, které se rozsvítí bíle.
3) Operátor si vybere příslušný měřicí přístroj a odměří Rozměr 1 výrobku. Podsvětlení tlačítka
zhasne.
4) Na ovládacím panelu operátor vybere měření Rozměru 2, které se rozsvítí bíle.
5) Operátor stejným měřicím přístrojem odměří Rozměr 2. Podsvětlení tlačítka zhasne.
6) Změřené hodnoty jsou automaticky odeslány na server. 

Výše byl popsán jednoduchý příklad, kde se odměřila pouze jedna hodnota příslušného rozměru. Ve skutečnosti operátoři často provádí více než jedno měření např. měření tloušťky stěny po 120°. V tomto případě je odměření každé hodnoty signalizováno pohasnutím podsvícení příslušného tlačítka na ovládacím panelu. V případě, že se naměřená hodnota nachází mimo nastavené technologické meze, bude tlačítko blikat červenou barvou.

Pracoviště konifikace a mezioperační kontroly výroby:

Na obrázku je zachyceno současné provedení pracoviště mezioperační kontroly kvality na konifikaci v Aerocan CZ. Po příchodu na pracoviště se nejdříve musí operátor přihlásit pomocí osobní čipové karty. Čtečka čipových karet je umístěna na dvířkách rozvaděče. Na obrázku jsou vidět čtečky dvě, protože pracoviště je společné pro dvě linky. Na terminálu realizovaném pomocí průmyslového počítače se zobrazuje aktuální přihlášený operátor, informace o právě vyráběné zakázce, počet vyrobených kusů, zmetkovitost, odměřené hodnoty rozměrů výrobků, nastavené meze a další informace z průběhu výroby na příslušné lince. 

Systém MASA umožňuje zákazníkovi nakonfigurovat události, při kterých je vyžadováno provést odebrání a změření několika vzorků hliníkových pouzder např. Přestavba stroje, přechod linky ze stavu „Stop“ do stavu „Run“, v pravidelných intervalech v průběhu výroby, atd.

Operátor je upozorněn na tuto skutečnost blikající žlutou barvou na semaforu. Konkrétní měření, které má provést, je signalizováno blikajícím podsvětlením tlačítek na ovládacích panelech. Operátor změří požadované rozměry výrobku. Ty se okamžitě vypíší na obrazovku terminálu a odešlou do systému MASA. Naměřené hodnoty tedy okamžitě nevidí jen operátor, ale i kdokoliv jiný, kdo má přístup do systému. Naměřené hodnoty si tak může přehledně přes webové rozhraní zobrazit v grafu, provést statistické výpočty apod. Pokud změřená hodnota neodpovídá nastaveným mezím, pak je tato skutečnost operátorovi signalizována blikáním červené barvy na semaforu a na ovládacím panelu.

Hlavní přínosy pro Aerocan CZ:

Automatizace mezioperační kontroly kvality umožňuje okamžitý přístup k naměřeným datům s možností statistického vyhodnocení i dlouhodobé sledování výrobního procesu. Celý proces měření se stal méně závislým na samotných operátorech a tím se omezilo falšování dat z jejich strany. Dále jsou operátoři pomocí světelné signalizace upozorněni, kdy mají provést měření, případně na překročení mezí. V konečném důsledku došlo ke zlepšení technologické kázně a snížení počtu reklamací. 

Závěr: 

Mezi hlavní cíle při realizaci mezioperační kontroly kvality patřilo nahrazení původních papírových průvodek a automatizovaný zápis hodnot naměřených hodnot do databáze systému MASA. Během dvou let byla zavedena nová pracoviště mezioperační kontroly kvality na všech výrobních linkách. V současné době probíhá připojení nově postavené linky.

Při realizaci automatizace mezioperační kontroly kvality jsme se setkali s mnoha problémy, při jejichž řešení jsme museli přijít s vlastním řešením ať už po softwarové nebo hardwarové stránce. Stěžejním problémem bylo připojení měřících přístrojů s rozhraním Digimatic. Vyvinuli jsme vlastní Digimatic multiplexer 8xDigimatic, jenž umožnil realizovat všechny požadované funkce.  

zpracoval Jaroslav Blažek

Doplňující odkazy:

Další informace na Elekt Labs s.r.o: http://www.elektlabs.cz/

Kontakt Milan Kořínek, Elekt Labs s.r.o. : http://www.elektlabs.cz/contacts.aspx