Versnel Industrie 4.0-adoptie met LIMS Edge-apparaten: Verhoog productie en concurrentiekracht

Termen als slimme fabriek, Industrie 4.0 en Industrial Internet of Things (IIoT) zijn onontkoombare buzzwords geworden, gebruikt door elke ontwikkelaar van productiegerelateerde apparatuur en software. Veel discussies over slimme fabrieken beginnen met voorspellers die visies delen over hoe de mondiale productieindustrie getransformeerd zal worden.

Deze beschrijvingen werpen vaak opkomende technologieën als additieve productie, 3D visuele simulatie en cobots op een hoop. Al dit kan onbereikbaar lijken voor de gemiddelde job shop - en veel te duur om zelfs te overwegen. Wie heeft het echt nodig?

Die populaire industriebrede visie op slimme productie is, ongewild, misleidend - vergelijkbaar met het beantwoorden van de vraag "Wat is een motorvoertuig?" door het interstate snelwegsysteem te beschrijven. In beide gevallen is het kernidee veel eenvoudiger - en het antwoord op de vraag wie slimme productie echt nodig heeft, is nadrukkelijk: de gemiddelde job shop - en elke fabrikant die in de toekomst concurrentiekrachtig wil blijven.

De termen definiëren

Een nuttige manier om de slimme fabriek te begrijpen, is te beginnen met een relatief simpele technologie: de goedkope elektronische sensor. In de pre-sensorwereld programmeert de machineoperator een CNC-draaibank of freesmachine om een onderdeel te frezen en de machine doet haar best om de instructies te volgen en metaal te verwijderen. De communicatie is éénrichtings, van de operator naar de machine.

Voldeed de machine nauwkeurig aan de opdrag? Behalve een duidelijke ramp zoals een crash, zal de fabrikant het niet weten tenzij hij het onderdeel inspecteert na afloop van de operatie - wat tijd en geld kost.

Kom de sensor. Moderne sensors strategisch geplaatst in het bewerkingscentrum kunnen tweerichtingscommunicatie mogelijk maken. De sensors laten de machine informatie over zijn eigen status en de status van de operatie vastleggen of communiceren tijdens het werk. Trillingsmeting, temperatuursvariatie, motorstroomanalyse en andere factoren kunnen via een netwerk gedeeld worden voor monitoring en analyse. De status van de machine, en hoe die status de operatie beïnvloedt, kan snel - zelfs in realtime - beoordeeld worden.

Waar de sensor de machine ontmoet, is waar de band de weg raakt in de IIoT. Nieuwe productieapparatuur is doorgaans uitgerust met geschikte sensors, maar ze kunnen tegen relatief lage kosten in oudere apparatuur geïnstalleerd worden.

Sensor-ingeschakelde machines hebben veel te zeggen - meer dan een gebruiker misschien weet wat mee te doen. Maar analysesoftware kan de data verwerken en gebruiken om de operatie te verbeteren, de machine te onderhouden, het productontwerp te verbeteren - zelfs het ontwerp van de bewerkingsapparatuur zelf.

Dezezelfde tweerichtingscommunicatiebenadering is opgeschaald om slimme productiecellen te maken, met automatisering en meerdere machines. Zoom verder uit en beeld je een heel faciliteit die op deze manier genetwerkt is, met productiedata toegankelijk en bruikbaar over voorheen gescheiden silo's heen - vergelijkbaar met de manier waarop ERP-data (Enterprise Resource Planning) dat is geworden.

Die verleidelijke visie van een productiefaciliteit waarin de apparatuur data kan delen met mensen en andere apparatuur om snellere, hogekwaliteit, continu verbeterende productie van onderdelen en producten mogelijk te maken - is de slimme fabriek.

Maar het kan beginnen met het ophalen van sensorgestuurde data van een enkele machine en het gebruiken om de operatie te verbeteren.

Instappen in slimme productie met LIMS

"Industrie 4.0 gaat eigenlijk om hoe je data kunt gebruiken om je bedrijf beter te runnen," zei Larry Megan. "En als je de data niet hebt, dan heb je geen startpunt."

Megan is vicepresident van Advanced Manufacturing International (AMI), Clearwater, Florida, een non-profit met als missie kleine tot middelgrote fabrikanten (SMMs) te helpen op deze reis te komen - de "digitale transformatie", zoals het bekend is.

"De problemen die fabrikanten proberen op te lossen, zijn dezelfde problemen waar mensen al 100 jaar mee worstelen," wees hij erop: "'Hoe verhoog ik efficiëntie? Hoe vermindere ik energieverbruik? Hoe maximaliseer ik doorvoer? Hoe pak ik kwaliteitsproblemen aan?' Wat veranderd is, is dat we nu technologie hebben om snel de data zichtbaar te maken die de antwoorden kan leveren, zodat het gebruikt kan worden als sprongplank voor betere beslissingen."

Megan en AMI's werk met SMMs omvat vaak het aanbevelen van een apparaat ontwikkeld door LECS Energy genaamd de LIMS Appliance.

LIMS, wat staat voor Low Investment Manufacturing System, is een onopvallend klein doosje bestaande uit een computer met proprietaire Solution Engine software, een I/O (input/output) hub, en een 110-V voedingsbron die in een standaard stopcontact past. Wanneer het aan de rand van een stuk productieapparatuur aangesloten wordt, wordt het een eenvoudige oplossing voor het verzamelen en delen van complexe sensorgestuurde data. (AMI zal live demonstraties van het LIMS-systeem geven op HOUSTEX, EASTEC, SOUTHTEC en WESTEC in oktober en november. AMI is de exclusieve distributeur van de LIMS-box.)

"Voor veel fabrikanten, vooral in de discrete onderdelenruimte - automotive, aerospace en anderen - voelen we dat de LIMS-oplossing een geweldig onboarding-punt is," zei Megan. "Het is ontworpen voor fabrikanten die een CNC of andere machine gebruiken maar geen zicht hebben op de productiviteit van die individuele machine, of breder, wat er op de shopfloor aan de hand is. De LIMS-oplossing is een lage kosten, gemakkelijke manier voor mensen om data uit hun processen te halen en in een formaat te krijgen dat bruikbaar is. En dan kunnen ze beginnen betere beslissingen te nemen ermee."

In de woorden van de primaire ontwikkelaar van het apparaat, Nat Frampton van LECS Energy: "LIMS was ontworpen om operators en ingenieurs in staat te stellen hun proces aan te raken, om te analyseren en een nieuw begrip van hun proces op te bouwen - om die data te verzamelen, historisch naar te kijken, de data te laten interacteren of naar databases te verplaatsen, en uiteindelijk de resultaten van die analyse te krijgen en hun proces te verbeteren."

Volgens Frampton is LIMS een product van 20 jaar ontwikkeling, oorspronkelijk ontworpen rond de productie van explosieven voor het Amerikaanse leger. Een sleuteldoel vanaf het begin was dat gebruikers zonder gespecialiseerde programmeervaardheden het konden installeren en bedienen.

"Als je je eigen operatie begrijpt, als je met je apparatuur kunt werken, heb je al alle computervaardigheden die je nodig hebt om dit toestel te configureren," zei Frampton.

De LIMS-toepassingsstroom

LIMS is in staat tot een verbazingwekkende reeks taken, maar kan vereenvoudigd worden tot een vijfstaps toepassingsstroom. De eerste stap is het verbinden van het systeem met een gegeven stuk productieapparatuur. Hoe die verbinding werkt hangt af van de apparatuur waarmee verbonden wordt en de netwerkopstelling van de shop - als die er een heeft. LIMS is ontworpen om op de meest efficiënte manier te verbinden, afhankelijk van die variabelen.

"LIMS is gebaseerd op open standaarden," zei Frampton. "Dus als het verbindt met een relatief nieuwe machine die een standaard dataprotocol gebruikt zoals MT Connect, dan is het heel gemakkelijk voor iedereen om de data van het netwerk te pakken en naar een database te verplaatsen. Echter, als de machine geen standaard dataprotocollen gebruikt, maar de data beschikbaar is op de lokale PLC [programmable logic controller] die de machine runt, dan kunnen we typischerwijs, als het relatief nieuw is, de data van de PLC halen. We begrijpen de PLC-protocollen en hebben drivers die dat kunnen."

Het LIMS-apparaat "spreekt" meer dan 50 verschillende industriële protocollen, wees hij erop. "Weet gewoon: als je een stuk apparatuur hebt dat 'spreekt', kunnen we er waarschijnlijk mee praten."

En zoals vermeld, als geen van die dingen werkt, kunnen sensors aan de productiemachine toegevoegd en aangesloten worden op het LIMS-apparaat, zei Megan.

"We hebben gevallen gehad waar we sensors toevoegden om bepaalde typen analyses mogelijk te maken - temperatuur, vochtigheid in de shop, die dingen. Die kunnen als typische bedrade signalen aangesloten worden zoals die naar een PLC of iets anders zouden gaan," zei hij.

Ongeacht hoe de verbinding gemaakt wordt, is het voordeel dat "nu ga je alles door één systeem laten lopen zodat je alles timestamped krijgt. Alles zal consistent in tijd zijn. Je kunt het in een standaard database neerleggen en de data goed georganiseerd, in context en op één plek hebben die je kunt gebruiken."

Vlaktrekken, opslaan en analyseren

Eenmaal de verbindingen gemaakt en data kan vloeien naar de LIMS, is de tweede stap het filteren van de data om ruis te reduceren en het signaal te versterken. "De data die van de apparatuur binnenkomt is niet altijd perfect," zei Frampton. "Het kan ruisvol zijn." Daarom bevat het Solution Engine-programma een eenvoudige analyse-engine die het vlaktrekt. Bijvoorbeeld, "misschien heb je een stroom die binnenkomt en je wilt die integreren in kilowattuur, zodat je weet wat je CO2-voetafdruk is voor een bepaald onderdeel." Het filteren zal een helderder, nauwkeuriger dataset mogelijk maken. Deze initiële datafiltering verschilt van de complexere analyses die mogelijk zijn zodra het systeem langer geleden geïnstalleerd is om data over een langere periode vast te leggen en op te slaan.

De derde stap is het verzamelen van de data en opslaan in de database naar keuze van de gebruiker, wat lokaal of in de cloud kan zijn.

"Geen cloud vereist," stelde Frampton. De gebruiker kan kiezen om bijvoorbeeld een SQL-database op te zetten, "en je zou die database in de cloud kunnen zetten als je wilt - maar je hoeft niet. Je kunt het gewoon lokaal op het LIMS-apparaat opslaan," merkte hij op. Het LIMS-apparaat heeft standaard 16 gigabyte opslag.

Een ander punt dat het systeem van anderen onderscheidt: "Eén van de dingen die we niet doen, is data-gebruik monitoren en je berekenen voor elke keer dat je wat data opslaat of je tag-limieten geven of zo. De data is van jou," zei Frampton.

De vierde stap is rapportgeneratie en analyse uit de data. Omdat de meeste machineoperators niet per se experts zijn op databases, is LIMS ontworpen om data-verzameling en opslag zo makkelijk te maken als een muisklik.

"Als je geen database-jockey bent of ongemakkelijk bent met databases, maak je je geen zorgen," zei Frampton. "Je kunt gewoon rechtsklikken op die data en het naar MS Excel exporteren. Ik ben mechanisch ingenieur van opleiding, dus ik heb altijd gezorgd dat onze tools rechtstreeks naar Excel gaan."

Echter, als de gebruiker wel Azure of Google Cloud of een ander cloud-gebaseerd systeem heeft, "kunnen we die data nemen en direct naar tabellen in Azure verplaatsen zodat je het in Power BI kunt zien" of andere dergelijke programma's of formaten, zei hij. "We kunnen ook naar machine learning kijken en resultaten terugkrijgen."

De data aan het werk zetten

De vijfde en laatste stap is de reden waarom het systeem überhaupt geïnstalleerd wordt - het gebruik van de verzamelde informatie om het proces te verbeteren.

"Eenmaal je hebt uitgevonden hoe je het proces kunt verbeteren, is het belangrijkste om het te kunnen controleren - om er iets aan te doen," legde Frampton uit.

De gewenste actie kan aanvankelijk relatief simpel zijn, zoals het zichtbaar maken van een relevante informatie met de spoed van een rood-geel-groen lichtstapel. In de tijd kan de verzamelde data de gebruiker echter in staat stellen veel meer te doen.

"We positioneren LIMS als instap punt voor digitale transformatie," zei Megan. "Het begint typisch met het idee van data verzamelen en gewoon eenvoudige visualisatie kunnen doen. Eenmaal je dat hebt, kun je na verloop van tijd meer geavanceerde dingen ermee gaan doen. Je kunt jezelf op de rijpgraadscurve omhoog werken - van basisanalyses uiteindelijk naar geavanceerdere oplossingen als AI.

"Maar het is best om simpel te beginnen - en LIMS is een geweldig startpunt," concludeerde hij.