Wbudowane algorytmy projektują szybsze i dokładniejsze urządzenia przemysłowe i medyczne
W dzisiejszych czasach coraz większa liczba urządzeń wykorzystywanych do wykonywania rutynowych zadań lub do wytwarzania powszechnie używanych produktów to zaskakująco złożone systemy, często wyposażone w skomplikowane mechanizmy sterowane komputerowo, określane ogólnym mianem systemów cyberfizycznych. Wdrażanie zmian i usprawnień oczekiwanych przez klientów wymaga w wielu przypadkach rozwoju technologicznego całego łańcucha systemów, co z kolei przekłada się na konieczność stosowania zaawansowanych metod identyfikacji poszczególnych sposobów działania na coraz głębszych poziomach, aż do czystej fizyki. Na szczęście w obecnych czasach powstają narzędzia oferujące możliwość samodzielnej oceny i analizy maszyn przemysłowych w celu wyszukiwania możliwych usprawnień.
Elementy składowe sercem inżynierii systemów opartej na modelach
Uczestnicy finansowanego przez Unię Europejską projektu I-MECH opracowali ramy pozwalające na zastosowanie zaawansowanych rozwiązań w zakresie sterowania w środowisku przemysłowym. Podejście, na którego wykorzystanie zdecydował się zespół, jest powszechnie określane nazwą inżynierii systemów opartej na modelach. W ramach projektu powstało 11 elementów składowych, które służą między innymi do monitorowania procesów przemysłowych i sterowania ich przebiegiem, dzięki czemu możliwe jest znalezienie stopniowych usprawnień. Jeden z przykładów zastosowania nowego rozwiązania dotyczył błędów zdarzających się w produkcji urządzeń elektronicznych. „Inżynierowie mogą zastosować zaawansowane algorytmy, które z czasem uczą się, jakie zakłócenia powodują błędy w działaniu i produkcji”, wyjaśnia koordynator projektu Arend-Jan Beltman. „Algorytm wykrywa powtarzalne problemy i zaczyna je korygować dzięki wewnętrznej logice sterowania”.
Trzy warstwy zapewnią interoperacyjność
W celu ograniczenia złożoności systemów cyberfizycznych uczestnicy projektu I-MECH określili trzy warstwy produkcji przemysłowej, w których można zastosować tego rodzaju algorytmy. Niektóre z elementów składowych opracowanych przez zespół koncentrują się na pojedynczej warstwie, natomiast inne sprawdzą się doskonale w każdej z nich. Pierwsza i najbardziej podstawowa warstwa, nazywana warstwą fizyczną, odpowiada za interakcje z systemem. Elementy składowe działające w tej warstwie pełnią funkcję czujników bądź siłowników. W ramach swoich prac zespół opracował szereg szybkich czujników, w tym kilka rozwiązań bezprzewodowych. Kolejną warstwą jest przemysłowa magistrala komunikacyjna, która łączy wszystkie dane wejściowe spływające z warstwy fizycznej. Działające w tej warstwie algorytmy sterują dokładnymi ruchami maszyny. Trzecia warstwa – warstwa systemów – odgrywa rolę kontenera algorytmów sprzężonych z funkcjami systemu oraz sterowanych przez operatorów zakładowych systemów zarządzania. Wbudowane inteligentne funkcje pozwalają na automatyczną kalibrację systemów oraz przewidywanie potrzeb maszyn w zakresie konserwacji. Tego rodzaju podejście oparte na warstwach umożliwia współpracę inżynierom posiadającym różne doświadczenie oraz zróżnicowane zakresy wiedzy. Inżynierowie zajmujący się trzecią warstwą mogą pracować z modelem warstwy drugiej, natomiast osoby zajmujące się magistralą mogą korzystać z modelu warstwy fizycznej. Takie podejście sprzyja budowaniu interoperacyjności.
Skuteczne wdrożenia pilotażowe
Zespół skupiony wokół projektu wdrożył swoje elementy składowe w pięciu zakładach pilotażowych wykorzystujących maszyny opracowane przez partnerów konsorcjum. Algorytmy znalazły zastosowanie między innymi w przenośniku materiału, czyli elemencie wykorzystywanym przez wielkoformatowe maszyny drukarskie działające w technologii druku atramentowego, a także obróbce 12-calowych wafli krzemowych wykorzystywanych w produkcji półprzewodników. Pozostałe przypadki zastosowań obejmują maszynę pakującą herbatę do torebek, frezarkę CNC oraz robota wykorzystywanego w ochronie zdrowia, wykonującego zdjęcia rentgenowskie pacjentów leżących na stole. Wszystkie maszyny testowe zostały usprawnione zgodnie ze wskazaniami wdrożonych algorytmów. Celem zespołu jest udostępnienie wszystkich elementów składowych oraz całego zestawu narzędzi klientom przemysłowym, którzy będą mogli wybrać wyłącznie interesujące ich rozwiązania zaspokajające określone potrzeby. Jak zauważa Beltman: „We wrześniu 2020 roku firma Sioux Technologies, kluczowy partner projektu I-MECH, złożyła ostateczny wniosek dotyczący kolejnego projektu, który skupi się na rozwoju dotychczasowych elementów składowych dzięki zastosowaniu technologii sztucznej inteligencji, bazując na osiągnięciach inicjatywy I-MECH”. Mówiąc dokładniej, w ramach nowego projektu powstanie czwarta warstwa, która pozwoli na orkiestrację wielu systemów w tej samej fabryce. Stosowanie inteligentnych systemów przemysłowych służących do projektowania i doskonalenia nowatorskich rozwiązań przełoży się na wzrost wydajności produkcji oraz jej błyskawiczny rozwój.
Słowa kluczowe
I-MECH, elementy składowe, przemysłowy, produkcja, systemy produkcyjne, systemy cyberfizyczne, inżynieria systemów oparta na modelach
