Naadloze integratie van QC-meetgegevens in productiesystemen voor verbeterde OEE

Het Internet of Things (IoT) — en in bredere zin de Vierde Industriële Revolutie (Industrie 4.0) — is de alomtegenwoordige nieuwe paradigma in de productie van vandaag, met een diepgaande impact op de manier waarop producenten opereren of plannen te opereren. Het verbeteren van de Overall Equipment Effectiveness (OEE) is een belangrijke nieuwe IoT-vereiste, en het optimaliseren van OEE vereist accurate, up-to-date gegevens in de hele organisatie, inclusief meet- en testgegevens verzameld vanuit zowel kwaliteitslaboraatoria als direct vanaf de shopfloor.

Belang van snelle, accurate dataverzameling

Het verhogen van de snelheid, het volume en de nauwkeurigheid van meet- en inspectiegegevens is cruciaal, omdat het krachtige inzichten biedt die essentieel zijn voor het verbeteren van efficiëntie en het consistent produceren van kwalitatieve onderdelen. Wat betreft het verkrijgen van precisiemeetgegevens voor kwaliteitscontrole, is draadloze en mobiele ophaaltechnologie de helderste weg naar deze voordelen.

Eisen aan draadloze dataverzamelingssystemen

Draadloze dataverzamelingssystemen moeten mobiel, robuust versleuteld en beveiligd zijn, en geschikt voor diverse behoeften — van onbeperkte afstanden en meetinstrumentcompatibiliteit tot gebruiksgemak en praktische integratie in geautomatiseerde productieprocessen. De beste systemen verhogen de productiviteit spectaculair, elimineren fouten, bieden volledige documentatie en automatiseren het dataverzamelingsproces, of het nu gaat om één werknemer of een heel bedrijf met een geïntegreerd kwaliteitssysteem.

Waarom accurate meetgegevens essentieel zijn

Er zijn veel redenen waarom fabricanten accurate, tijdige en complete meet- en inspectiegegevens nodig hebben. OEE, Lean en Six Sigma-initiatieven vereisen betrouwbare gegevens om de beste kwaliteitscontrolepraktijken te ondersteunen. Fabrikanten — met name in branches als medische, biomedische, luchtvaart en defensie — moeten vaak voldoen aan regelgevende eisen en traceerbare, betrouwbare documentatie leveren voor kritieke onderdelen.

Veelvoorkomende beperkingen van traditionele dataverzamelingssystemen

Mogelijkheid op menselijke fouten en vertraging

Systemen die werknemers vragen handmatig sleutelmetingen bij te houden, vereisen extreme aandacht voor detail, honderden keren per shift — wat moeilijk en onrealistisch is om consistent te doen. Opleiding is een ander punt: werknemers hebben mogelijk niet de achtergrond om gegevens volledig te begrijpen en nauwkeurig te verzamelen en over te schrijven. Omgekeerde cijfers, verplaatste decimalen en dergelijke problemen komen veel voor. Bovendien moet een werknemer productiewerk stilleggen om metingen vast te leggen, wat de algehele productiviteit verlaagt.

Digitale beveiligingsproblemen

Onbeveiligde netwerken die meetgegevens overdragen, kunnen hackers toegang geven tot bredere bedrijfsdata. Zonder juiste beveiligingsmaatregelen vormt de overdracht van meetgegevens een serieus beveiligingsrisico.

Schalbaarheidsproblemen

Bedrijfsgroei en diversificatie kunnen meer kwaliteitscontroleprocessen vereisen, verspreid over één of meerdere locaties. Als een systeem niet schaalbaar is, is het opzetten van afzonderlijke processen tijdrovend, omslachtig en leidt tot verwarring, onnauwkeurigheden en vertraagde communicatie. Erger nog: productafkeuringen, falen en juridische implicaties bij klanten kunnen het gevolg zijn.

Onvolledige analyse door steekproefstrategie

Een steekproefstrategie kan nooit het complete plaatje bieden dat 100% meting van elk geproduceerd onderdeel wel geeft. Deze structuur, gebruikelijk in traditionele QC-processen, kan leiden tot onvermogen om driftende productietoleranties te voorspellen en identificeren. Bovendien is deze strategie geen optie voor branches als medische of militaire die 100% onderdeelinspectie en traceerbare documentatie vereisen.

Verhoogde kans op afkeuring

Elk afgekeurd onderdeel vertegenwoordigt verlies van geld, tijd en middelen. Zonder het volledige inzicht van 100% meting lopen fabrikanten extra kosten en risico op beschadigde klantrelaties. Als een te-afkeuren onderdeel bij een klant komt — vooral eentje met strikte standaarden — kunnen de gevolgen ernstig, zo niet catastrofaal zijn.

Nieuwe systemen verbeteren, moderniseren en stroomlijnen dataverzameling

Een onderliggend principe is om fabrikanten in staat te stellen grote hoeveelheden meetgegevens accurate en consistent te verkrijgen voor Industrie 4.0-vereisten. Hedendaagse draadloze meetdataverzamelingssystemen moeten compleet, schaalbaar, veilig en robuust zijn. Dat betekent fundamentele voordelen door automatisering, gebruiksgemak, gestroomlijnde schaalbaarheid, robuuste dataversleuteling en -beveiliging, en onbeperkte afstanden en onbelemmerd gebruik voor transmissie. Het resultaat: verhoogde productiviteit, verminderde fouten, volledige documentatie en een betrouwbaar, geautomatiseerd dataverzamelingsproces.

De systemen werken op de nieuwste draadloze netwerktechnologie die korte golflengtes gebruikt om smartphones, computers en draadloze apparaten te verbinden. Dit mogelijk veel hogere snelheid, grotere bandbreedte en groter bereik voor hogere datadoorvoer. Zo'n systeem biedt cruciale voordelen:

Automatisering

Als werknemers herhaaldelijk werk moeten stilleggen om een meting te noteren, lijdt de productiviteit. Handmatige processen introduceren fouten in de database, wat nauwkeurigheid ondermijnt en fouten voortzet. Met de nieuwste systemen stuurt één druk op de knop meetgegevens door — ten minste vier keer sneller dan opschrijven en intypen.

Automatisering is gemaximaliseerd door het hele QC-meetdataverzamelingsproces, wat de proces efficiëntie en nauwkeurigheid verbetert. Functies als automatische tijdstempels bieden cruciale context voor elk datapunt, vereist voor traceerbaarheid en naleving van specificaties. Een bevestigingsbericht naar het meetinstrument is ook nuttig.

Snelheid

Hoge datavolumes worden zonder vertraging verwerkt, zelfs bij volle capaciteit, dankzij hogere bitrates en een ultra-lage latentie van minder dan 50 ms reistijd.

Gebruiksgemak

Het invoeren van een nieuw meetdataverzamelingsproces kan weerstand oproepen. Management twijfelt over tastbare voordelen; operators vrezen het onbekende. Gebruiksgemak is daarom prioriteit, zodat operators snel vertrouwen winnen en het proces geoptimaliseerd is. Dit strekt zich uit tot de mobiele app, die de noodzaak voor grotere hardware zoals laptops in het veld elimineert.

Veiligheid

Een nieuwe netwerktopologie kan worden geconfigureerd voor eenvoudige tot complexe situaties, met gedistribueerde remote gateways. De modulare structuur maakt uitbreiding of inkrimping eenvoudig zonder nieuw systeem. Data wordt overgedragen van meetinstrumenten met ingebouwde radios of externe end nodes naar gateways, en werkt op Android™, iOS® en Windows® platforms (laptops, desktops, thin clients, servers). Repeaters en bridges verbinden direct met PLC's en andere automatiseringsequipment voor realtime dataverzameling of remote machinebediening.

Voor draadloze meting is het productief om meetinstrumenten met ingebouwde radios te gebruiken. Compatibiliteit met een breed scala aan merken elektronische precisie-instrumenten is voordelig. Rugzak-radios breiden functionaliteit uit, zijn onopvallend en eenvoudig te bevestigen. Gebruikers kunnen meerdere gateways gebruiken als centrale of gedistribueerde verzamelpunten, in tegenstelling tot conventionele systemen met één gateway. Compacte gateways en repeaters passen in een handpalm.

Toepassingen zijn uiteenlopend: van automotive en landbouw tot 100% meting in sterk gereguleerde sectoren als defensie, luchtvaart, medische, energie en meer.

Schaalbaarheid

De nieuwste systemen zijn ontworpen om betrouwbaar en nauwkeurig precisiemeetgegevens te verzamelen in een uitgebreid bereik van toepassingen en afstanden. Van één of enkele instrumenten over korte afstanden, tot configuraties met tientallen instrumenten honderden meters uit elkaar in een grote fabriek of over kilometers in meerdere faciliteiten — vergrote afstanden en eisen worden gemakkelijk aangeboden als behoeften evolueren.

In de eenvoudigste toepassing — een Portable Scheme — draait een draadloze app op een mobiel apparaat. Deze setup kan één draadloos meetinstrument met ingebouwde radio hebben dat data tot 10 meter overbrengt naar het mobiele apparaat. Afhankelijk van het apparaat kunnen 5 tot 8 instrumenten verbinden met de app voor transmissie tot 10 meter. Gebruikers kunnen ook data tot 10 meter van één of meer instrumenten naar een laptop of PC met USB-gateway sturen (Figuur 1).

In een Typical Scheme ondersteunt een computer of laptop het systeem voor 20 meetinstrumenten over een afstand tot 60 meter. Deze setup bevat één USB-gateway en rugzak-end-nodes op de instrumenten verhogen het bereik van 10 naar 60 meter (Figuur 2).

In een Large Factory Scheme gebruiken 20 instrumenten een bridge en remote gateway om het totale transmissiebereik uit te breiden tot honderden meters (Figuur 3). In een Enterprise Scheme kan de transmissie tot meer dan 1,6 km worden uitgebreid. Met remote gateways, bridges en repeaters kunnen meer dan 100 instrumenten worden geïntegreerd. Elke remote gateway faciliteert 20 instrumenten. Voor nog grotere afstanden kunnen Yagi Long Range Antennas worden toegevoegd (Figuur 4).

Robuuste dataversleuteling en -beveiliging

Databeveiliging is top-prioriteit voor alle fabrikanten, inclusief defensie. Hoewel QC-meetgegevens op zich misschien niet waardevol lijken voor hackers, kunnen cybercriminelen de netwerken misbruiken om bredere toegang te krijgen tot digitale infrastructuur. Systemen lossen dit op met een hoogbeveiligde draadloze platform. Getransporteerde data wordt versleuteld met een gelaagde benadering die elke buitenstaande toegang — passief of actief — voorkomt.

Daarnaast verbindt de mobiele app niet met het besturingssysteem van de smartphone of tablet, wat onbedoelde toegang op een kritiek punt beperkt. Goede beveiliging omvat ook het frequenter adresseren van opkomende kwetsbaarheden in radiotransmissie, waar uw leverancier toe gewijd moet zijn.

Onbeperkte afstanden en onbelemmerd gebruik

Het benutten van remote gateways, bridges en repeaters biedt een efficiënt en betrouwbaar transmissiekader. Systeemstructuren kunnen zo minimaal zijn als een rugzak- of ingebouwde radio met een mobiel apparaat met de app, of bridges, gateways en repeaters gebruiken om bereiken in grote fabrieken te verlengen.

De software gebruikt een draadloos netwerk om informatie van meerdere meetinstrumenten te verzamelen. Het netwerk steunt op de ingebouwde draadloze technologie of end nodes van de instrumenten om data te verzamelen en terug te sturen naar de PC. Het systeem kan ook signalen uitzenden om transmissies te verifiëren en data op te vragen. Hardwarecomponenten: USB-gateway, Remote Gateway, Bridge Extenders en End Nodes. De End Node is een zender/ontvanger die aan een meetinstrument wordt bevestigd. De USB-gateway is een zender/ontvanger aan een PC. De Remote Gateway is vergelijkbaar maar verlengt het bereik via een Bridge extender. De Remote Gateway heeft hetzelfde bereik als de USB-gateway maar kan ver van de PC worden geplaatst.

Ongeacht de gekozen architectuur, is het resultaat een betrouwbare, accurate en snelle oplossing voor het verzamelen van QC-meetgegevens vanaf elk operationeel punt waar dataverzameling nodig is.

Praktijkgerichtheid

Het is efficiënt om oplaadbare end nodes en draadloze meetinstrumenten te gebruiken, wat batterijvervanging en kosten elimineert. Overweeg ook IP67-bescherming voor harde shop-omgevingen. De mogelijkheid om aan te sluiten op bestaande SPC, MRP en ERP-programma's is een ander voordeel.

Overige details en mogelijkheden

• Bedrijfsafstand van gateways of mobiel apparaat: tot 10 meter voor draadloze meetinstrumenten.
• Bedrijfsafstand van gateways: tot 61 meter voor rugzak-end-nodes.
• Eén gateway-systeem beheert tot 20 meetinstrumenten, voornamelijk schuifmaatstokken, micrometers en indicatoren.
• Extra remote gateways breiden het aantal ondersteunde instrumenten uit in stappen van 20; een repeater verhoogt het bereik tot kilometers.
• End Node Radios kunnen tot 10 metingen opslaan als het hoofdsysteem down of bezet is.
• Uitzendbereik: tot 610 meter tussen remote gateways en bridge.
• Virtuele multiplexers nemen veel invoeren (instrumentdata) en delen ze via één virtuele COM-poort voor SPC-software en andere pakketten.
• Remote toegang via LAN naar de dataverzamelingsserver via remote client software.
• Optionele antennetypes voor diverse implementaties.

Leverancierskennis, service en support zijn cruciaal bij het kiezen van een draadloos meetdataverzamelingssysteem. Diepe ervaring gecombineerd met QC-expertise draagt veel bij aan een succesvolle implementatie.

Dit artikel is geschreven door Jeff Wilkinson, Director R&D en General Manager – Advanced Technology Division bij L.S. Starrett Company (Athol, MA). Voor meer informatie, bezoek hier.