Modernizacja maszyn i kwestia bezpieczeństwa

Wiele technik z dziedziny sterowania i automatyki wciąż spełnia swoje zadania bardzo dobrze, pomimo faktu że lata pierwszej młodości mają już za sobą, a na ryku zdążyło pojawić się kilka generacji bardziej zaawansowanych rozwiązań. Jeśli system jest sprawny, to skąd można wiedzieć, że należy go już zmodernizować, aby zwiększyć wydajność i podnieść bezpieczeństwo?
Systemy sterowania (sprzęt i programy) wielu maszyn pracują przez 10, 20, a nawet więcej lat, „dożywając” czasów, w których nie ma już dla nich tanich części zamiennych czy ścieżek migracji. Dostawcy automatyki bardzo starali się, żeby dobrze obsłużyć bazę kiedyś zainstalowanych systemów. Jednak w wielu przypadkach przychodzi pora, gdy urządzenia produkcyjne należy wymienić, ponieważ one całe albo ich elementy stały się przestarzałe, zaś na rynku są łatwo dostępne bardziej wydajne i sprawne, a wymiana gwarantuje bezpieczeństwo i niezawodność.
 Czy zawsze warto wymienić? A gdyby można było dla starszych maszyn zmniejszyć o połowę liczbę błędów, skrócić czas cyklu działania do 75%, zredukować koszty o 10% i przez to zaoszczędzić kilkadziesiąt tysięcy złotych? 
Oto pięć przykładów modernizacji i kilka wskazówek z dziedziny bezpieczeństwa, przykładów dowodzących, że nie zawsze warto.  
Zmniejszenie liczby błędów o połowę
W firmie Stellex Monitor Aerospace Inc. wykonano modernizacje pięciu (z dziesięciu) frezarek bramowych sterowanych numerycznie dla Cincinnati Milacron. Były one używane do produkcji różnych zespołów z tytanu i aluminium dla przemysłu lotniczego i astronautycznego, takich jak: wzmacniane wręgi, zastrzały i podwozia samolotów. Elementy i zespoły do modernizacji maszyn (wyprodukowanych w roku 1978) dostarczyła firma Siemens Machine Tool Busines

Przeprowadzona przez firmę Siemens modernizacja serii 20-letnich obrabiarek bramowych, służących do produkcji zespołów konstrukcyjnych dla przemysłu lotniczego i astronautycznego. Klient, Stellex Monitor donosi o zwiększeniu wydajności w porównaniu do wydajności nowych urządzeń, które można kupić.

5–wrzecionowe frezarki bramowe były pierwotnie wyposażone w układ sterowania „Big Blue” firmy Acramatic, obecnie mają silniki krokowe i napędy firmy Siemens. Oprogramowanie: model Sinumerik 840D CNCs, pracujący pod systemem operacyjnym Microsoft Windows XP, pozwala na przestrzenne pozycjonowanie (z kompensacją luzów) wszystkich 5-ciu wrzecion frezarskich oraz sterowanie przebiegiem frezowania przy bezpośrednim sprzęgnięciu systemu z obrabiarką. Gary Kahrau, wiceprezes Stellex Monitor mówi, że w rezultacie osiągnięto redukcję czasu ustawiania, lepsze wykończenie powierzchni części, zmniejszoną liczbę zabiegów obróbki wykończeniowej oraz zdecydowaną poprawę ogólnej wydajności maszyn. 

System numerycznego sterowania maszynami Sinumerik 840D firmy Siemens (po prawej stronie) zastąpił duże, niebieskie, oparte na panelach systemy sterowania firmy Acramatic Big Blue — (poniżej)

Oprócz dostarczenia części do modernizacji Siemens zaoferował również programy do analizowania działania maszyny, które:
1) zbierają najważniejsze dane o wydajności maszyn w czasie jej pracy,
2) zapewniają zoptymalizowaną parametryzację sterowania numerycznego i napędów wspomagających, 
3) weryfikują poprawność działania maszyny. 
G. Kahrau mówi, że te analizy, testy pracy śrub tocznych, testy przyspieszania i zwalniania, dwukierunkowa kompensacja luzów oraz inne procedury programowe stanowiły klucz do sukcesu zastosowanego rozwiązania.
– Precyzja działania naszych maszyn jest teraz wyższa, niż wtedy, kiedy maszyny były nowe, a oprócz tego pięciowrzecionowa brama nigdy nie pracowała tak dobrze jak teraz, a liczba błędów w pozycjonowaniu frezów została dosłownie zredukowana o połowę – mówi G. Kahrau. 
Zmodernizowana tokarka produkuje więcej


 

Góra: Tokarki Acme Gridley przygotowane do wyposażenia w nowy system sterowania w Baldor Electric. Dół: gotowa tokarka po modernizacji potrafi produkować więcej silników

Firma Baldor Electric podniosła wydajność swoich obrabiarek oraz ich funkcjonalność przez wyposażenie ich we własnej produkcji sprzęt wspomagający sterowanie ruchem. John Mazurkiewicz, szef produkcji silników w firmie Baldor mówi, że firmie spodobały się tokarki numerycznie sterowane, ponieważ starsze, specjalizowane tokarki z napędem pasowym i hydraulicznie sterowanym posuwem były powolne, trudne w ustawianiu i nie pozwalały na szybką wymianę zużytych narzędzi. Oprócz tego przejście z jednej prędkości na inną (przez przesunięcie pasa), również było kłopotliwe. 
Koszt nowej tokarki sterowanej numerycznie wyniósłby 100 000 USD lub więcej, dlatego firma Baldor zaczęła rozważać modernizację tokarek (firmy Acme Gridley), które wycofano z użycia i w zasadzie planowano ich złomowanie. Wbudowano im nowe sterowanie posuwem: silniki krokowe i toczne (kulkowe) orazśruby pociągowe z nakrętkami – zastąpiły one stare elementy hydrauliczne. Poza innymi korzyściami dało to firmie Baldor możliwość obróbki elementów o średnicy do 300 mm. Uzyskane w ten sposób oszczędności (w porównaniu z kosztem zakupu nowej) przekroczyły 30 000 USD dla każdej tokarki. 
– Obecnie maszynę można łatwo przestawić z produkcji jednej części na drugą – mówi J. Mazurkiewicz. – Trwa to zaledwie kilka sekund. Nie ma potrzeby edytowania programów kodu G, ponieważ program umożliwia konfigurację pracy oraz prezentację (danych i warunków) poprzez elektroniczne dotykowe ekrany. Operator musi tylko wybrać parametry ustawienia na ekranie (interfejsu użytkownika) HMI, wprowadzić długość toczonej części, grubość wióra oraz prędkość wrzeciona tokarki, a dla każdego z tych parametrów jest osobny przycisk (na aktywnym ekranie dotykowym interfejsu).
 – Podstawowym zabezpieczeniem jest to, że liczba błędów została ograniczona do minimum, ponieważ program sprawdza „zakres” wejść dla każdego parametru – mówi dalej J. Mazurkiewicz. – Na przykład system nie przyjmie zbyt małych lub zbyt dużych wartości długości ani też nadmiernych prędkości wrzeciona; również wejścia dla głębokości skrawania są utrzymywane w dopuszczalnym zakresie. Czas trwania cyklu produkcyjnego na zmodernizowanej maszynie jest teraz cztery razy krótszy, wynosi bowiem około 8 s, w porównaniu do 30–35 s potrzebnych poprzednio.  
10% kosztów nowego
– Modernizacje w przemyśle półprzewodnikowym przekładają się na odnowiony sprzęt, którego koszt wynosi zaledwie 10% nowego systemu – tak relacjonuje P. C. Lindsey, prezes Micro Processing Technology Inc., firmy z grupy National Instruments (NI). – W miejsce starego, opatentowanego systemu sterowania klient otrzymuje nowy system sterowania oparty na komputerze osobistym. System ten może zostać przeniesiony na inne jednostki PC, poprzez zastosowanie powszechnie dostępnych, standardowych modułów elektronicznych, co sprawia, że nigdy nie stanie się przestarzały. LabView, produkt firmy National Instruments używa języka programowania CompactRIO, z programowalną matrycą FPGA (field programmable gate array). To nam pozwala na bezpośrednie wykonywanie sterowania w czasie przebiegu procesu, bez potrzeby projektowania specjalnych obwodów. Upraszcza również okablowanie systemu i eliminuje potrzebę stosowania specjalizowanej karty interfejsowej PC. 
MPT Inc. wykonało projekt modernizacji razem z firmą Analogee Corp. Urządzenia produkcyjne to fotorezystancyjny prowadnik o nazwie „System One”, wyprodukowany przez Matrix Integrated Systems Inc. (MISI). 
P. C. Lindsey mówi, że firma MISI przestała już istnieć, ale kilkaset wyprodukowanych przez nią systemów ciągle funkcjonuje. Komputerowe sterowanie takim systemem oraz monitorowanie jego stanu wymaga: 8 wejść analogowych, 5 analogowych wyjść, 73 dwustanowych We/Wy oraz portu transmisyjnego RS-232. MPT wykorzystuje trzy karty NI do gromadzenia danych i sterowania. Analogee Corp. zaprojektowała kartę do PC oraz zmiany okablowania systemu, zaś MPT napisała i umieściła w LabView progr

 

Modernizacja systemu sterowania oparta na sterowniku model 90-30 GE Fanuc zapewnia firmie Plus Mark obcinanie wstęgi papieru na rolce z dokładnością 2,5 mm zamiast poprzednich 5,5 cm

użytkowy. Personel Analogee przetestował istniejące urządzenia wykonawcze i czujniki.  
 P. C. Lindsey mówi: – W terenie pracuje 20 systemów wyposażonych w nowe sterowanie. Kilka z nich używa się od ponad dwóch lat. Koszt zestawu modernizacyjnego wraz z instalacją wynosi 40 000 USD. Jedną z podstawowych przyczyn konieczności wykonania modernizacji okazał się fakt, że nie było już części zamiennych do starego systemu sterowania. Solidnym rozwiązaniem po rozsądnej cenie jest wyposażenie starego sprzętu w nowy system sterowania.  
Za dużo na rolce? Wystarczy modernizacja 
Czasami potrzeba wykonania modernizacji starego systemu wyłania się powoli. 
Firma Plus Mark, oddział American Greetings, producent opakowań na prezenty gwiazdkowe, ma 30-letnie maszyny, które pracują równie dobrze, jak nowe: szybko, z dużą dokładnością; a wszystko dzięki modernizacji układów sterujących. Ze względu na niemożność dokładnego ustawiania momentu odcięcia taśmy firma Plus Mark nawijała średnio dodatkowo ponad 5 cm długości papieru do opakowania na każdą kartonową rolkę wyrobu. Biorąc pod uwagę produkcję 70 milionów rolek rocznie, firma traciła rocznie ponad 3,5 tysiąca kilometrów papierowej taśmy – czyli wstęgę o długości równej odległości z Los Angeles do Nowego Jorku. Dodatkowe starty były też powodowane koniecznością cogodzinnej ręcznej kontroli rolek przez operatorów. 
Długość wstęgi na rolce była ustawiana na maszynie za pomocą bezstopniowej przekładni pasowej dla rolek krótszych, zaś dla dłuższych używano sprzęgła i hamulca włączanych odpowiednio przez licznik długości wstęgi papieru. Ręczne ustawianie przekładni było niedokładne, zaś sterowane licznikiem sprzęgło i hamulec pozwalały na ustawianie ze skokiem 1 cal (2,54 cm). Przy tym dokładność zmieniała się w zależnie od temperatury oraz stopnia zużycia sprzęgła i hamulca. – Aby obniżyć straty i zredukować czas przestojów firma Plus Mark miała do wyboru zmodernizowanie sterowania maszyną lub też zakup nowych maszyn – mówi Tom Dubois, inżynier pracujący dla Plus Mark. – Konkurencja właśnie kupiła nowe maszyny. 
Jim Jones, prezes firmy Automation Insights, jednocześnie specjalista integrowania systemów, zaprojektował i wdrożył modernizację układu sterowania pracą maszyny w swoim zakładzie. Koszt przedsięwzięcia wyniósł 10% kosztów nowej maszyny. Nowy układ sterowania mierzy każdą rolkę i przedstawia operatorowi cyfrowy odczyt długości. Długość rolki można ustawiać wybierając wartość zadaną ze stopniowaniem co 2,5 mm. Firma Automation Insight wykonała modernizację ponad 50-ciu maszyn w zakładzie Plus Mark, wykorzystując do tego celu sterownik (PLC) model 90-30 produkcji GE Fanuc, wystarczający do sterowania wszystkimi maszynami – regulując ich momenty obrotowe, prędkości nawijania oraz wybór chwili odcięcia wstęgi. 
– Stary system sterowania wymagał naprężania cięgien sprzęgła i hamulca dwa razy w tygodniu oraz remontu lub naprawiania przekładni bezstopniowej raz na rok – mówi Danny Garber, główny mechanik w firmie Plus Mark. – System ułatwia konserwacje i naprawy poprzez uproszczenie ich obsługiwania. 
– Precyzja cięcia na wymiar została powiększona o 70% – mówi T. Dubois. – Ogólnie rzecz biorąc, zredukowaliśmy koszty konserwacji o połowę, zwiększając przy tym o 40% czas pracy maszyn. Teraz pracujemy szybciej, niż pozwoliłyby na to nowe maszyny.  
Skuteczna wymiana
Jeśli części zamienne urządzenia kosztują więcej niż nowy system sterowania, przeszkodą w wymianie układu sterowania może być tylko wysiłek niezbędny do wykonania modernizacji. Jeff Buehler, jeden z kierowników firmy Bosch Rexroth Controls, pracujący dla firmy Daimler Chrysler, wybrał sposób modernizacji polegający na zastosowaniu pełnego zestawu zespołów od popularnych i niezawodnych systemów sterowania stosowanych w wielu obrabiarkach. Zdecydował się na zestaw Bosch Rexroth TK1 i chociaż, jak mówi: – Zestaw nie jest w pełni rozwiązaniem typu „włącz i pracuj”, ale niewiele mu do tego brakuje. Wymagane jest tylko pewne przeprogramowanie, zaś ustawienie całości można wykonać w przeciągu 48 godzin. 
Nowy zestaw układu sterującego kosztuje o 10 000 USD mniej, niż kosztowałaby wymiana poprzedniego układu oraz silnika.
Dla sprawdzenia trafności swojej koncepcji J. Buehler zainstalował za darmo pierwszy zestaw w zakładzie mechanizmów napędowych DaimlerChrysler w Kokomo. Zestaw zamontowany został na obrabiarce produkcji firmy R&B wybranej z linii automatycznej i steruje poziomą frezarką wycinającą rowki w płycie. System pracuje bez zakłóceń od kwietnia 2004 r., a przeprowadzone w zakładzie szkolenie dla operatorów i personelu UR trwało zaledwie około godziny. 
– W samym rejonie miasta Detroit pracuje około 10 000 układów sterowania (takich jak zastąpiony) pochodzących z lat 70-tych i 80-tych, a produkowanych przez firmy Bosch Rexroth i Trans01 (z procesorem Rexroth Indramat 6502) – mówi J. Buehler. – Wyjaśnialiśmy klientom, że koszt wymiany zużytych części maszyn zwiększa się coraz bardziej, co oznacza, że wzrastają koszty ich utrzymania i naprawiania. Maszyny te są „dojrzałe” i wyszły poza główny nurt produkcyjny, a ich całkowita wymiana może być bardzo kosztowna. W zestawie TK1 zastosowaliśmy sprawdzone zespoły i zamontowaliśmy je na istniejących podstawach dla uniknięcia kosztów produkowania nowych elementów montażowych, co w przypadku modernizacji jest często konieczne.  ce
Artykuł pod redakcją 
Józefa Czarnula
 Bezpieczeństwo powinno wspomagać wszystkie działania modernizacyjne
 Bezpieczeństwo pozostaje jednym z podstawowych zagadnień wszystkich działań związanych z modernizacją, szczególnie w USA, gdzie regulacje dotyczące bezpieczeństwa skupiają się na szacowaniu ryzyka związanego z już zainstalowanymi maszynami, zamiast narzucania sposobów ich konstruowania. 
 Prezes firmy Fox Controls Inc., Sam Boytor dostrzegł potrzebę zwrócenia większej uwagi na bezpieczeństwo przeprowadzanych modernizacji, kiedy 15 lat temu rozpoczął sprzedawanie urządzeń zabezpieczających. Obecnie jest on specjalistą od systemów zabezpieczeń i wykładowcą w tej dziedzinie. Docenił skalę potrzeb i jego firma zajęła się wyłącznie zabezpieczaniem maszyn. S. Boytor jest zaangażowany w pracę jedenastu komitetów ANSI B11 (sponsorowanych przez Association For Manufacturing Technology), jest przewodniczącym podkomitetu TR4, zajmującego się bezpiecznymi sterownikami, a co miesiąc spotyka się z, odpowiedzialnymi za bezpieczeństwo, dyrektorami firm, takich jak: John Deere, General Motors, Toyota i Chrysler oraz z producentami urządzeń do systemów zabezpieczających. 
— Produkowanie niebezpiecznych urządzeń w Stanach Zjednoczonych nie jest nielegalne — mówi S. Boytor. — Powinno być, ale nie jest. Jednak w momencie, w którym niebezpieczna maszyna trafia na produkcję, OSHA (odpowiednik Państwowej Inspekcji Sanitarnej) może przystąpić do działania. 
W Europie dyrektywy z zakresu bezpieczeństwa narzucają sposób budowania maszyn, a organy egzekwujące prawo mogą nałożyć karę na producenta lub użytkownika. W USA o poziomie zabezpieczeń decyduje oszacowanie zagrożeń, jakie stwarza maszyna; oszacowanie zagrożeń oparte nastandardach dotyczących sposobu funkcjonowania. Na podstawie szacunku zagrożenia wydaje się decyzje o zabezpieczeniach, jakie muszą zostać zastosowane w konkretnym przypadku po zainstalowaniu maszyny, ale przed dopuszczeniem jej do użytkowania. 
 A co robią producenci w dziedzinie bezpieczeństwa maszyn? — Bardzo mało — mówi S. Boytor. — Potrzeby są jednak ogromne. Prawie wszystkie zabezpieczenia są wykonywane poprzez dodawanie do nich niezbędnych zespołów i elementów lub przerabianie samych maszyn. Przeprowadzamy kampanie w firmach, takich jak: Alcoa, Anheuser-Busch oraz John Deere, wprowadzając rozwiązania do stosowania na jednej linii. Co ułatwia powielenie tego w innych zakładach w kraju. Duże firmy same wprowadzają w swoich zakładach zmiany i osiągają zgodność ze standardami. Jest to zadanie trudne i mamy tu do czynienia z typową „krzywą uczenia się” (na początku duży wysiłek i małe efekty, a sukces odnosi się dopiero w miarę upływu czasu), jednak mając już wdrożony standard, uzyskiwanie środków budżetowych na następne wymagane zmiany staje się łatwiejsze. 
 — W niektórych przypadkach odpowiedzialnym za bezpieczeństwo jest dział personalny — dodaje S. Boytor — ponieważ właśnie ten dział często zajmuje się dystrybucją osobistych środków ochrony. 
Bezpieczeństwo maszyn to zupełnie inna kwestia. Eksperci zajmujący się zabezpieczaniem maszyn, mający doświadczenie z pracy przy produkcji, mogą uchronić siebie i innych przed odniesieniem obrażeń. Każdy oszacowuje jakieś formy zagrożenia, ale zazwyczaj nie jest to udokumentowane ani też oparte na oszacowaniu wszystkich form zagrożenia, które dopiero umożliwią likwidację zagrożenia. Generalna klauzula OSHA mówi, że istnieje potrzeba wdrożenia procedury, która ustala kolejność działań: na pierwszym miejscu zabezpieczanie maszyn osłonami, na drugim zabezpieczanie za pomocą urządzeń, na trzecim przez odpowiednie oznaczenia, a na czwartym przez szkolenia. 
Biorąc udział w około 10 000 przypadków oceny zagrożeń, na przestrzeni 10 lat, Sam Boytor rozwiał kilka mitów dotyczących oszacowania zagrożenia, dokumentacji lub sposobu zabezpieczania maszyn.  
 Bezpieczeństwo maszyn: koszty i korzyści 
 Jaki koszt zabezpieczeń można uznać za wystarczający? Czy 64 000 dolarów, czy może 64 miliony? Trzeba brać pod uwagę uszkodzenia urządzeń i utratę produkcji, ale też procesy sądowe, dobre imię firmy czy inne konsekwencje obrażeń lub nawet utraty życia. Istnieje wiele sposobów zabezpieczania począwszy od projektowania maszyn i urządzeń, przez wyposażanie w systemy sterowania, stosowanie osłon, blokowanie dostępu, wyczuwanie wtargnięcia aż do awaryjnego, natychmiastowego zatrzymania urządzenia czy maszyny. 
— Zabezpieczanie opłaca się — mówił J. B. Titus, odpowiedzialny za sprawy bezpieczeństwa w firmie Siemens, podczas prezentacji wygłoszonej na forum Międzynarodowych Targów Opakowań. — Włączenie problematyki bezpieczeństwa w systemy automatycznej regulacji może zapewnić niezawodność zastosowanych mechanizmów zabezpieczających, obniżyć ogólne koszty wszystkich działań, jednak pod warunkiem że wszystko jest wykonane poprawnie i starannie.
  Takie właśnie postępowanie pozwoliło firmie Pearson opracować system nazwany Packaging System Case Erector, który umożliwił zredukowanie czasu montażu maszyny pakującej z 368 do 96 godzin, co stanowi 70%-ową oszczędność czasu. Problematyka bezpieczeństwa wbudowana w system automatyki pozwoliła innej firmie zajmującej się konstruowaniem maszyn na uzyskanie oszczędności wynoszących 126 000 USD na jedną maszynę poprzez zredukowanie liczby paneli, sprzętu i czasu projektowania, a to skutkowało niższymi kosztami u użytkowników. J. B. Titus wyjaśnia: — Aby wygenerować oszczędności konieczne było zrozumienie obowiązujących przepisów i normoraz wytycznych OSHA.