Quando è iniziata l'era dell'automazione, i produttori volevano utilizzare la robotica in ogni fase del processo. Questo desiderio ha migliorato la produttività e la produzione, ma i processi produttivi non davano ancora risultati coerenti. Mentre gli ingegneri riflettevano sul perché l'automazione non avesse raggiunto l'azzeramento dei difetti, i responsabili della produzione erano impegnati a gestire e pianificare orari, inventario, manutenzione e costi energetici, di solito con dati statistici codificati a mano nelle risorse di calcolo.
L'Industrial Internet of Things (IIoT) ha offerto soluzioni, inaugurando l'Industria 4.0, per ottimizzare le operazioni con informazioni digitali, elaborazione delle informazioni e controllo in rete. Le "things" (cose) nello IIoT sono generalmente i sensori incorporati nelle apparecchiature o aggiunti in vari punti del flusso di processo. Sono uno dei quattro pilastri fondamentali che consentono l'ottimizzazione delle operazioni associate all'Industria 4.0.
Acquisizione di informazioni grazie ai sensori
Implementati su scala, i sensori forniscono informazioni alla capacità di elaborazione in modo da poter utilizzare nuovi dati utili per migliorare molte aree operative. Svolgono un ruolo fondamentale per gli aspetti seguenti:
Aumento della flessibilità e della reattività: le informazioni dei sensori creano la consapevolezza immediata necessaria per ottimizzare l'uso dei processi Just-in-Time, garantendo al contempo che la forza lavoro sia ben informata sui cambiamenti e sui requisiti in tutti i punti operativi.
Riduzione dei tempi di inattività delle apparecchiature: i sensori possono consentire alle apparecchiature di auto-monitorarsi per prevedere i requisiti di manutenzione e auto-calibrarsi per ridurre i costi di installazione, configurazione e manutenzione.
Aumento della resa: i sensori possono "esaminare" i prodotti non solo alla fine dell'operazione di produzione per contribuire alla garanzia di qualità, ma anche durante tutto il flusso del processo per assicurare il controllo della qualità. Inoltre, possono garantire che venga utilizzata solo la quantità di materiale necessaria per i vari processi, riducendo così al minimo gli sprechi.
Dimostrazione della conformità: i dati dei sensori creano una traccia verificabile che può essere utilizzata per dimostrare la conformità a varie normative relative alle buone pratiche di produzione (GMP) e a vari standard.
Sviluppo di nuovi processi e strutture di costo: l'analisi dei dati storici dei sensori può aiutare a capire come ottimizzare ulteriormente i processi. Può anche fornire informazioni sui costi a livello di processo e di materiale, aiutando a sviluppare processi più efficienti o ad adeguare i costi unitari.
Tipi di sensori
Ci sono molti tipi di sensori che offrono i vantaggi descritti in precedenza. Di seguito sono riportati alcuni dei sensori più comuni nel settore produttivo.
- • I sensori di flusso misurano la velocità di flusso di un fluido fornito attraverso un tubo a una camera di processo, ad esempio una saldatrice a rifusione
- • I sensori di forza o le celle di carico misurano la forza applicata su uno o più assi per garantire, ad esempio, una presa sicura da parte dei bracci robotici e la misurazione del riempimento dei contenitori di materiale
- • I sensori di umidità sono utilizzati quando è necessario controllare i livelli di umidità, ad esempio nelle camere bianche o nei depositi
- • I sensori di immagine che fanno parte di sistemi di telecamere industriali sono utilizzati per l'ispezione, il controllo dei processi, la gestione dei flussi di lavoro, i sistemi di guida dei robot e le applicazioni di tracciabilità
- • I sensori di livello forniscono misure in tempo reale della quantità di materiale in serbatoi, bidoni e contenitori
- • I sensori di posizione, angolari o lineari, rilevano la distanza percorsa e sono utilizzati nella robotica e nei trasportatori per favorire il posizionamento dei componenti, l'ispezione, l'imballaggio e lo smistamento
- • I sensori di prossimità misurano la vicinanza degli oggetti per la manipolazione da parte dei robot o anche la vicinanza dei lavoratori alle attrezzature per motivi di sicurezza
- • I sensori di temperatura, compresi quelli a infrarossi, aiutano a rilevare le temperature critiche del processo e le condizioni della macchina
Per monitorare o prevedere lo stato di salute delle apparecchiature si possono utilizzare altri sensori, ad esempio accelerometri, contatori di particelle, misuratori di corrente o di potenza, sensori di vibrazioni e microfoni a ultrasuoni. La fabbrica intelligente è quindi piena di dispositivi informativi che generano dati spesso a intervalli di millisecondi.
Intelligenza distribuita con i sensori intelligenti
La costante generazione di dati nelle operazioni ottimizzate basate sui sensori richiede che le informazioni siano differenziate e classificata in base alla priorità, in modo che i parametri di controllo del processo e le misure essenziali per la sicurezza siano elaborati in tempo reale o quasi, mentre il resto viene analizzato in una finestra temporale più lunga. Inoltre, spostare tutti i dati attraverso una rete Ethernet industriale o 5G verso il datacenter, in cui una singola stazione di processo può produrre 10-30 punti dati ogni pochi millisecondi, è spesso impraticabile.
I sensori intelligenti affrontano questo problema incorporando risorse di calcolo, algoritmi di apprendimento automatico (ML) e intelligenza artificiale (IA). Le informazioni che richiedono un'azione immediata possono quindi essere elaborate rapidamente nel nodo di sensori, mentre i dati che beneficiano di un'analisi più approfondita in combinazione con le condizioni di upstream e downstream possono essere gestiti nel datacenter o in un cloud ibrido. Inoltre, l'IA incorporata può fornire ai sensori informazioni sulle proprie prestazioni, riducendo così i casi di dati corrotti e segnalando i danni prima che si verifichi un guasto al sensore.
Implementazione dei circuiti di feedback
La combinazione di sensori avanzati e moduli di sensori con risorse di elaborazione integrate consente di trasformare i dati non elaborati in decisioni e azioni intelligenti in tempo reale. Ciò consente un maggior controllo sui processi, sfruttando le informazioni acquisite sulle variazioni di processo rispetto alle incongruenze di produzione menzionate in precedenza.
Il feedback relativo al processo downstream e all'upstream delle informazioni sulle apparecchiature per apportare modifiche tempestive alla produzione può migliorare significativamente la resa (Figura 1).
Figura 1: diagramma a blocchi che rappresenta il potenziale dei circuiti di feedback automatizzati tra la litografia a monte e i processi di incisione a valle per ridurre la variazione delle dimensioni critiche (CD).
I cicli di feedback illustrati nella Figura 1 possono essere adattati a quasi tutti i processi produttivi. Ad esempio, quando si popolano i circuiti stampati (PCB), i produttori di solito collocano le telecamere industriali nei sistemi di ispezione ottica automatizzati (AOI) prima e dopo il processo di saldatura per rifusione. L'AOI prima della rifusione rileva gli errori di deposito della pasta saldante e di posizionamento del dispositivo, mentre l'AOI del forno dopo la rifusione convalida l'esito positivo delle correzioni.
Tali cicli di feedback, se automatizzati, eliminano le incertezze dovute a lievi variazioni delle condizioni di produzione, ad esempio la temperatura e l'umidità, o delle condizioni di processo dovute a piccoli cambiamenti del materiale, dei gas di processo o della pressione. Il risultato non è solo la costanza della produzione, bensì anche la capacità di migliorare l'ottimizzazione dei processi e di apportare modifiche migliori e più rapide alle ricette di produzione che cambiano.
Guardare avanti verso la Qualità 4.0
La verifica e il controllo della qualità (QC) sono sempre stati parte integrante della produzione, ma mai come ora le aziende si aspettano che la produzione intelligente, abilitata dai sensori e dall'IA, sia priva di difetti. Anche se è un'idea relativa alla gestione della qualità meno in voga rispetto a quando è stata introdotta a metà degli anni '60, ora sta vivendo una rinascita grazie all'Iniziativa Zero Difetti che si basa sulle informazioni digitalizzate assicurate dai sensori intelligenti.
Oltre a ciò, la Qualità 4.0 sta portando avanti questi primi tentativi di eliminazione dei difetti basati sulle scorecard, espandendo i sistemi di circuiti di feedback al di là del piano di produzione immediata, fino alla gestione dell'inventario e del sito, e persino ai siti produttivi dei partner, monitorando i materiali e i prodotti durante il loro ciclo di vita.
L'obiettivo dell'assenza di difetti è ambizioso, ma sembra sempre più facilmente raggiungibile grazie a Qualità 4.0. Il suo quadro di riferimento si basa sui sensori intelligenti di Industria 4.0.
Chiedi subito al rappresentante Arrow più vicino come puoi utilizzare i sensori per ottimizzare le tue operazioni.
