Systemy automatyki przemysłowej – z czego się składają i jak dobrać rozwiązania do zakładu produkcyjnego?

Ich skuteczność zależy nie tyle od liczby zastosowanych urządzeń, ile od tego, czy poszczególne elementy zostały właściwie dobrane do procesu. Innych czujników wymaga szybka linia pakująca, innych stanowisko montażowe, a jeszcze innych aplikacja, w której trzeba bezpiecznie oddzielić operatora od robota.

Czym są systemy automatyki przemysłowej?

System automatyki przemysłowej to zespół urządzeń i oprogramowania służących do monitorowania, sterowania i nadzorowania procesu technologicznego lub pracy maszyny. Obejmuje zarówno elementy zbierające informacje z procesu, jak i urządzenia wykonawcze, system sterowania, komunikację, interfejs operatora oraz rozwiązania odpowiedzialne za bezpieczeństwo.

W praktyce system może realizować bardzo proste zadanie – np. wykrywać obecność produktu na transporterze – albo zarządzać wieloetapową linią, w której trzeba synchronizować pracę wielu maszyn.

Typowy układ automatyki obejmuje:

• czujniki i systemy detekcji,

• sterowanie procesem,

• urządzenia wykonawcze i napędy,

• komunikację przemysłową,

• sygnalizację i interfejs operatora,

• systemy bezpieczeństwa maszyn,

• systemy identyfikacji i kontroli produkcji,

• narzędzia umożliwiające diagnostykę oraz analizę danych.

Właśnie dlatego projektowanie automatyki powinno zaczynać się od procesu, a nie od wyboru konkretnego urządzenia.

Czujniki – skąd system wie, co dzieje się na linii?

Sterowanie jest możliwe tylko wtedy, gdy system otrzymuje wiarygodne informacje z maszyny. Jedną z podstawowych warstw automatyki stanowią więc czujniki przemysłowe.

Czujniki indukcyjne mogą wykrywać metalowe elementy bez kontaktu mechanicznego. Fotoelektryczne sprawdzają się przy wykrywaniu produktów znajdujących się w pewnej odległości, również bardzo małych, nieregularnych czy poruszających się z dużą prędkością. W konkretnych procesach wykorzystuje się też czujniki kontrastu, koloru, położenia czy systemy pomiarowe.

Dobrym przykładem są miniaturowe czujniki fotoelektryczne S3N, które mogą pracować z częstotliwością do 40 kHz i występują w wariantach przeznaczonych m.in. do wykrywania obiektów transparentnych, jasnych, ciemnych czy błyszczących. Wybrane wersje obsługują również IO-Link, dzięki czemu czujnik nie musi dostarczać wyłącznie prostego sygnału „jest/nie ma” – może stać się źródłem dodatkowych danych diagnostycznych i konfiguracyjnych.

Z kolei czujniki indukcyjne serii AK1/AK6 pozwalają wykrywać elementy metalowe bez fizycznego kontaktu z obiektem i dostępne są m.in. z wyjściami PNP lub NPN.

Dobierając czujnik, trzeba więc uwzględnić nie tylko zakres detekcji. Znaczenie mają również rodzaj obiektu, materiał, kolor, prędkość procesu, warunki środowiskowe, częstotliwość przełączania, sposób montażu oraz wymagany interfejs komunikacyjny.

Dlaczego komunikacja przemysłowa jest tak ważna?

Jeszcze kilkanaście lat temu wiele urządzeń przekazywało do sterownika wyłącznie prosty sygnał binarny. Dzisiaj systemy automatyki przemysłowej coraz częściej wymagają znacznie większej ilości informacji.

Przykładem jest IO-Link. Dzięki cyfrowej komunikacji można nie tylko odczytać stan urządzenia, lecz również przesyłać parametry procesowe i diagnostyczne czy zdalnie konfigurować kompatybilne urządzenia.

W innych zastosowaniach spotyka się m.in. RS-485 oraz przemysłowe rozwiązania oparte na Ethernet.

Znaczenie dobrze zaprojektowanej komunikacji widać szczególnie przy modernizacji linii. Jeśli urządzenia mogą przekazywać bardziej szczegółowe dane, łatwiej określić, czy problemem jest brak produktu, zabrudzony czujnik, przekroczenie parametru czy rzeczywista awaria.

Przykładowo kurtyny pomiarowe ReeR MICRON mogą mierzyć, zliczać oraz wykrywać położenie lub kształt obiektów. W zależności od wersji przekazują dane poprzez wyjścia analogowe, RS-485 albo IO-Link i mogą komunikować się ze sterownikiem PLC lub komputerem.

To dobrze pokazuje zmianę zachodzącą w automatyce: urządzenie przestaje być wyłącznie czujnikiem, a staje się źródłem informacji o procesie.

Automatyka przemysłowa musi uwzględniać bezpieczeństwo maszyny

System sterowania produkcją i system bezpieczeństwa pełnią inne funkcje. Maszyna może pracować prawidłowo technologicznie, a mimo tego nie zapewniać odpowiedniej ochrony człowieka.

Dlatego systemy automatyki przemysłowej powinny być projektowane z uwzględnieniem oceny ryzyka i wymaganych funkcji bezpieczeństwa.

ISO 13849-1:2023 określa metodologię projektowania i integracji związanych z bezpieczeństwem części systemów sterowania realizujących funkcje bezpieczeństwa. Norma obejmuje również projektowanie odpowiedniego oprogramowania.

W zależności od maszyny zastosowanie mogą znaleźć m.in.:

• kurtyny i bariery bezpieczeństwa,

• skanery laserowe,

• przyciski zatrzymania awaryjnego,

• wyłączniki bezpieczeństwa,

• rygle,

• maty i listwy naciskowe,

• wygrodzenia,

• moduły i programowalne sterowniki bezpieczeństwa.

Na przykład kurtyny ReeR EOS4 tworzą optyczną barierę pozwalającą wykrywać naruszenie chronionej przestrzeni. Rodzina obejmuje warianty różniące się m.in. zasięgiem, sposobem restartu i możliwościami łączenia urządzeń.

Jeżeli trzeba natomiast chronić większy lub nieregularny obszar, rozwiązaniem może być skaner bezpieczeństwa. Laser Sentinel Enhanced SLS pozwala tworzyć pole ochronne do 5,5 m i pole ostrzegawcze do 40 m, a jego zastosowania obejmują m.in. stanowiska pracy, cele zrobotyzowane i autonomiczne pojazdy AGV.

Nie chodzi więc o znalezienie „najlepszego” zabezpieczenia. Trzeba dobrać technologię do sposobu, w jaki człowiek może znaleźć się w obszarze zagrożenia.

Moduł czy sterownik bezpieczeństwa?

W prostej maszynie wystarczający może być dedykowany moduł realizujący określoną funkcję – np. kontrolę E-STOP lub wyłącznika osłony.

W bardziej rozbudowanym systemie pojawia się jednak kilkanaście czujników bezpieczeństwa, kilka drzwi, kurtyny, skaner oraz różne strefy maszyny. Wtedy stosowanie oddzielnych modułów dla każdej funkcji może komplikować okablowanie i diagnostykę.

Programowalny sterownik ReeR MOSAIC może obsługiwać m.in. kurtyny, fotokomórki, skanery, przyciski E-STOP, wyłączniki RFID, czujniki, maty bezpieczeństwa czy urządzenia do kontroli prędkości. Maksymalna konfiguracja systemu pozwala obsłużyć do 128 wejść oraz 16 par wyjść OSSD i rozbudować układ o kolejne moduły.

W tym przypadku najważniejsza jest skalowalność: wraz ze wzrostem liczby funkcji bezpieczeństwa można rozbudować system bez tworzenia dużej liczby niezależnych obwodów.

Sygnalizacja przemysłowa – operator musi wiedzieć, co dzieje się z maszyną

Dane dostępne w sterowniku niewiele dają, jeśli operator nie otrzyma odpowiedniej informacji w momencie wystąpienia problemu.

Dlatego ważnym elementem systemów automatyki są urządzenia sygnalizacyjne. Kolumny świetlne mogą informować np. o prawidłowej pracy, oczekiwaniu na materiał, przezbrojeniu albo awarii. Sygnalizacja akustyczna może ostrzec personel o zdarzeniu wymagającym natychmiastowej reakcji.

Modułowe kolumny WERMA KombiSIGN 72 umożliwiają zastosowanie różnych elementów świetlnych i efektów sygnalizacji, natomiast kompaktowe rozwiązania, takie jak seria Kompakt 37, dobrze sprawdzają się tam, gdzie w maszynie dostępna przestrzeń jest ograniczona.

Dobrze zaprojektowana sygnalizacja nie powinna jednak sprowadzać się do zasady „czerwone oznacza awarię”. Operator musi rozumieć, jaki stan maszyny sygnalizowany jest przez konkretny komunikat i jak powinien na niego zareagować.

Jak systemy automatyki przemysłowej zwiększają efektywność produkcji?

Automatyzacja nie zawsze oznacza zwiększenie maksymalnej prędkości maszyny. Często większy efekt daje ograniczenie drobnych problemów, które każdego dnia pochłaniają po kilka lub kilkanaście minut.

Może to być:

• niewłaściwie ustawiony detal,

• częste zatrzymania wynikające z zabrudzenia czujnika,

• błędna identyfikacja produktu,

• długi czas szukania przyczyny alarmu,

• ręczne przezbrojenie wymagające wielu czynności,

• brak informacji, która maszyna blokuje całą linię.

Jeżeli automatyka potrafi precyzyjnie wskazać źródło problemu, czas reakcji służb utrzymania ruchu może być znacznie krótszy.

Z tego powodu przy projektowaniu nowego układu warto odpowiedzieć nie tylko na pytanie „co maszyna ma robić?”, ale również: „jak system ma pomóc, kiedy maszyna przestanie działać prawidłowo?”

To ważna różnica pomiędzy układem, który po prostu automatyzuje ruch, a systemem zaprojektowanym z myślą o realnej eksploatacji.

Jak dobrać system automatyki przemysłowej?

Nie istnieje uniwersalna konfiguracja odpowiednia dla wszystkich zakładów. Dobór powinien rozpocząć się od analizy procesu.

1. Określ dokładnie, co ma zostać zautomatyzowane

„Automatyzacja stanowiska” jest zbyt ogólnym wymaganiem. Należy ustalić konkretne operacje: wykrywanie produktu, pozycjonowanie, zliczanie, kontrolę jakości, transport, zabezpieczenie strefy czy sygnalizację stanu maszyny. Im dokładniej opisany proces, tym mniejsze ryzyko przewymiarowania lub niedoszacowania systemu.

2. Zdefiniuj wymagane dane wejściowe

Trzeba ustalić, co system musi wiedzieć, aby poprawnie podejmować decyzje. Czy wystarczy informacja o obecności obiektu? Czy trzeba znać jego pozycję? Rozmiar? Kolor? Kierunek ruchu? A może wymagany jest pomiar analogowy?

To właśnie na tym etapie powinien następować dobór czujników.

3. Zadbaj o komunikację i możliwość diagnostyki

Przy nowej inwestycji warto patrzeć kilka lat do przodu. Urządzenie przekazujące wyłącznie sygnał dwustanowy może być dziś wystarczające, ale później ograniczyć możliwości diagnostyczne. Tam, gdzie jest to uzasadnione, warto rozważyć czujniki i urządzenia wspierające cyfrową komunikację, np. IO-Link.

4. Oddziel sterowanie procesem od funkcji bezpieczeństwa

Zwykły czujnik obecności produktu i kurtyna bezpieczeństwa mogą korzystać z podobnych zjawisk fizycznych, ale pełnią całkowicie inne zadania. Elementy realizujące funkcje bezpieczeństwa muszą zostać dobrane na podstawie analizy zagrożeń i wymaganego poziomu bezpieczeństwa, a nie tylko parametrów takich jak zasięg czy cena.

5. Uwzględnij warunki przemysłowe

Pył, wilgoć, olej, drgania, temperatura, światło otoczenia czy agresywne środki czyszczące mogą znacząco wpływać na działanie urządzeń. Dlatego parametry takie jak stopień ochrony IP, materiał obudowy czy zakres temperatur nie są dodatkiem do specyfikacji – w wielu aplikacjach decydują o niezawodności całej instalacji.

6. Projektuj system z myślą o serwisie

W dobrze zaprojektowanej maszynie elektryk lub automatyk powinien szybko znaleźć przyczynę problemu. Czytelna diagnostyka, jednoznaczna sygnalizacja, odpowiednio opisane urządzenia i dostęp do danych mogą ograniczyć czas postoju znacznie bardziej niż zastosowanie kolejnego, bardziej zaawansowanego komponentu.