Bezprzewodowo – bezpieczniej i efektywniej

Dzięki instalacji sześciu modułów radiowych Ethernet z przełączaniem częstotliwości duży koncern motoryzacyjny uniknął kłopotliwych przestojów i oszczędza rocznie kilkaset tysięcy USD.

W zakładach hiszpańskiego koncernu Gestamp Automoción (dostawcy komponentów dla firm samochodowych) zlokalizowanych w McCalla w stanie Alabama (USA), wszystko jest ogromne. Podłoga to olbrzymie betonowe pole, na którym umieszczono dwie, ważące po 2 000 ton prasy wielostopniowe. Sufity hal produkcyjnych są tak wysokie, że umieszczone tam lampy oświetleniowe wydają się być przyciemnione.
W tej olbrzymiej przestrzeni praktycznie nic nie można usłyszeć, poza wszechogarniającym hukiem młotów pras uderzających w połacie metalu i kształtujących je w części samochodowe. I tylko raz na jakiś czas… zalega nagła cisza.
– Słuchajcie wszyscy, zadzwońcie do swoich żon i powiedzcie im, że tej nocy wrócicie późno – mówi pracownikom w takich sytuacjach Mike Mullins, kierownik utrzymania ruchu. – Trzeba powtórnie uruchomić nasze prasy. Nieważne, jak długo będziemy pracować, musimy sprostać stawianym nam wymaganiom. To będzie nas dużo kosztować.
I tak wyglądało to przez wiele lat. Firma dysponuje ponad 70 prasami wielostopniowymi i 100 prasami wielotaktowymi, ale to właśnie dwie prasy wielostopniowe w zakładach w McCalla przysporzyły największych problemów. Przynajmniej w jednej czwartej okablowanie sieciowe dla układów sterujących tymi maszynami (wbudowanych w maszyny) ulegało uszkodzeniom. To bardzo frustrowało załogę i powodowało dodatkowe koszty utrzymania.
Szacowanie strat
W 56 centrach produkcyjnych, rozmieszczonych w 17 krajach świata, koncern Gestamp Automoción wytwarza części metalowe dla większości wiodących firm samochodowych świata, w tym: Mercedes-Benz, Porsche, Bentley i BMW oraz Ford, GM, Nissan i Suzuki. Dwie prasy wytwarzają w ciągu godziny 1 800 części. Każde nieprzewidziane zdarzenie powoduje co najmniej dwugodzinną przerwę w ich pracy.
– Kabel koncentryczny RG-6, którego używamy, kosztuje 180 USD za metr – mówi Mike Mullins. – Przy awariach, które powtarzały się bardzo często, musieliśmy wymieniać około 50 metrów kabla. Łatwo więc wyliczyć, że sama wymiana kabla kosztowała każdorazowo około 9 000 USD, bez uwzględniania strat w produkcji związanych z przestojem.
Straty te oszacowano kiedyś na średnią kwotę 2 500 USD za godzinę przestoju pras. Pamiętać przy tym trzeba, że wymiana kabli i ponowne uruchomienie zajmuje zwykle klika godzin. Ostatecznie średnie koszty nieprzewidzianej awarii w zakładach Gestamp Automoción oszacowano na poziomie 14 500 dolarów plus koszty 1 500 do 2 400 elementów metalowych, które w tym czasie nie zostaną wyprodukowane.
– Warto zauważyć, że sytuacje takie zdarzały się w naszych zakładach co dwa, trzy miesiące – podkreśla Mullins.
Szukając rozwiązania wspomnianych problemów, przystąpiono najpierw do dokładnej analizy aplikacji, którą stanowią dwie prasy. Każda ma jeden bijak, dwie matryce i płyty matrycowe. Te ostatnie to duże, ruchome, metalowe platformy, w których zamontowane są matryce, określające kształt tłoczonych elementów. Tu matryce są wielkości niewielkiej ciężarówki typu pick-up.
Podczas procesu tłoczenia metalowe połacie kładzione są na płytach matrycowych nad umieszczonymi w nich matrycami kształtowymi. Bijak uderza w nie z siłą 800 do 1 400 ton, wygniatając metal pomiędzy powierzchnią swoją i matrycy. Podczas tłoczenia na jednej płycie matrycowej druga jest załadowywana nową połacią metalową.
Kwestią problematyczną było umieszczenie na bijaku kabla sieciowego, biegnącego w wąskim korytku. Należy pamiętać, że bijak podlega dużym wibracjom. Kabel położony był w rowku zaginającym się pod bardzo ostrym kątem, co przy częstych wibracjach doprowadzało do jego zerwania i opisanych wcześniej przestojów maszyn.
A może sieć bezprzewodowa?  
Inżynierowie Gestamp Automoción mieli świadomość, że w tym wypadku konieczne jest zastosowanie bardziej niezawodnego rozwiązania, które pozwoli pokonać fizyczne przeszkody istniejące na prasie. Padło pytanie: a może warto pomyśleć o sieci bezprzewodowej? Podstawowym problemem pozostawała kwestia, czy system bezprzewodowy będzie wystarczająco skuteczny przy tak trudnym i wymagającym środowisku pracy? Bezprzewodowe moduły We/Wy musiałyby być zamontowane w trudno dostępnych miejscach pod płytami matrycowymi.

– Mieliśmy tu do czynienia z wyjątkową aplikacją, gdzie poruszają się duże bloki stalowe – podkreśla Mike Mullins. – Potrzebowaliśmy zatem modułów radiowych, które będą w stanie komunikować się poprzez platformy stalowe o grubości około 30 centymetrów. 
Sterowanie maszyn realizowane jest przez programowalne sterowniki automatyki PAC Rockwell Automation. Ponieważ znalezienie odpowiednich modułów radiowych, które mogłyby transmitować fale przez płyty stalowe nie było kwestią oczywistą. Mike Mullins zwrócił się o pomoc do przedstawicieli Rockwell Automation. Zasugerowali oni instalację sześciu modułów radiowych Ethernet z przełączaniem częstotliwości (model RLX-FHE) firmy ProSoft Technology, partnera Rockwell Automation.
– Jeżeli bezpośrednia komunikacja po linii prostej jest utrudniona, sygnał odbija się od przeszkody szukając innych modułów sieciowych tak, aby wytworzyć inną ścieżkę transmisji – mówi Kevin Zamzow z ProSoft Technology. – Ponieważ powstaje wiele sygnałów odbitych, docierają one różnymi ścieżkami do odbiornika, który musi mieć zdolność ich rozróżnienia.
Zadanie to ułatwiają moduły z przełączaniem częstotliwości w wąskim paśmie, które są znacznie bardziej odporne na interferencje sygnałowe niż standardowe techniki komunikacji bezprzewodowej – szybsze, ale też o szerszym paśmie transmisyjnym, jak np. standard 802.11.
Niepodważalne prawa fizyki:czy i jak je ominąć?   
Zastępując przewodowy system sterowania wymieniono cztery moduły komunikacyjne Flex I/O ControlNet Allen-Bradley – po jednym na każdy bijak – na adaptery standardu EtherNet/IP i moduły radiowe ProSoft Technology. Każdy ze sterowników PAC wyposażono w karty ethernetowe 1756-ENBT i moduły komunikacji radiowej. Sprawę ułatwił fakt, że EtherNet/IP opracowano jako standard niezależny od medium transmisyjnego.
– Jedną z podstawowych zalet sieci automatyki przemysłowej opartych na standardzie Ethernet jest bardzo szeroka oferta w zakresie korzystania z połączeń bezprzewodowych oraz łatwość rozbudowy – zauważa Harry Forbes z Grupy Doradczej ARC. – Sprawdza się ona doskonale w zastosowaniach przy złożonych procesach produkcyjnych.
Obawy Mike’a Mullinsa, związane z zakłócaniem transmisji radiowej przez matrycowe płyty stalowe, nie do końca sprawdziły się. W przypadku, gdy transmisja bezpośrednio przez płytę ulega np. zerwaniu, system sam poszukuje innej ścieżki komunikacyjnej, przez moduły pośrednie.
Ta specyficzna aplikacja dla systemów radiowych pokazuje, że prawa fizyczne są niepodważalne, jednakże przeszkody przez nie stawiane mogą być ominięte przy zastosowaniu odpowiednich narzędzi i technologii, tuodpowiedniego rozwiązania dla sieci bezprzewodowej.
Po dwóch latach od uruchomienia systemu w zakładach Gestamp Automoción ich pracownicy nie ustają w pochwałach. Podkreślają, że skuteczność działania nowego systemu przerosła ich oczekiwania. Dzięki komunikacji bezprzewodowej z przełączaniem częstotliwości udało się wyeliminować tak częste poprzednio przestoje. Przekłada się to bezpośrednio na oszczędność 174 000 USD rocznie.
Adrienne Lutovsky ProSoft Technology 
Artykuł pod redakcją dra inż. Andrzeja Ożadowicza, adiunkta w Katedrze Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie