Výrobci jednoúčelových i sériově vyráběných strojů čelí stále podobnému zadání: dodat zařízení rychleji, v mnoha variantách a s vyšší úrovní flexibility.
Současně se zvyšuje tlak na prostorovou úspornost, energetickou efektivitu, dostupnost provozních dat a rychlou servisní odezvu.
Zákazník dnes neočekává pouze stroj, který bude plnit definovanou technologickou funkci. Požaduje také transparentní informace o jeho stavu, snadnou možnost rozšíření, rychlé uvedení do provozu a minimalizaci neplánovaných odstávek. Tyto požadavky se přitom promítají do každé fáze životního cyklu zařízení – od prvního elektrického schématu přes výrobu a montáž až po servis v provozních podmínkách.
Tradiční koncepce, v níž jsou řídicí, napájecí a komunikační prvky soustředěny v centrálním rozvaděči, proto naráží na své limity. Alternativou je decentralizovaná automatizace, která přesouvá vybrané funkce přímo do bezprostřední blízkosti stroje. Jedním z příkladů tohoto přístupu je systém Vario-X společnosti Murrelektronik.
Limity klasické centralizované koncepce
Centralizovaný rozvaděč má v automatizaci stále své místo. U rozsáhlých zařízení nebo aplikací s přísnými požadavky na prostředí, bezpečnost či servisní standardy může být vhodným řešením. Pro řadu moderních strojů však přináší zbytečnou konstrukční i montážní složitost.
Jedním z nejviditelnějších problémů je rozsáhlá kabeláž mezi rozvaděčem a jednotlivými snímači, akčními členy a pohony. S rostoucí velikostí stroje se prodlužují kabelové trasy, přibývají kabelové průchodky, svorkovnice a další prvky potřebné pro distribuci signálů a napájení. Kabeláž zároveň komplikuje montáž, označování a následné hledání poruch.
Centralizované řešení může být méně pružné také při změnách konstrukce. Přidání další funkce nebo technologického modulu často znamená zásah do rozvaděče, doplnění svorek a úpravu schémat. Změna se následně promítá do výroby kabelových svazků, instalace i oživování.
„U klasické koncepce se velká část složitosti soustředí do rozvaděče a do kabelového propojení mezi ním a strojem. S každou další funkcí roste nejen počet komponent, ale také počet míst, kde může při montáži nebo uvádění do provozu vzniknout chyba,“ uvádí David Hanák, systémový konzultant společnosti Murrelektronik.
Kromě pracnosti tak roste i počet potenciálních chybových míst. Nesprávně zapojený vodič, uvolněná svorka nebo chybně označený kabel mohou prodloužit uvedení stroje do provozu a zkomplikovat servisní zásah.
Princip decentralizované automatizace
Decentralizovaná automatizace vychází z jiné filozofie. Řídicí, komunikační, napájecí a I/O funkce nejsou soustředěny výhradně v jednom centrálním rozvaděči, ale jsou rozmístěny podle funkčních celků přímo na stroji.
Snímače a akční členy se tak připojují k modulům, které jsou umístěny v jejich bezprostřední blízkosti. Místo individuálního vedení každého signálu až do rozvaděče se využívají standardizované komunikační a napájecí spoje. Instalace je díky tomu kratší, přehlednější a lépe přizpůsobitelná konstrukci stroje.
Zásadní roli hraje modularita. Jednotlivé části systému lze navrhnout jako funkční celky, předmontovat je a následně spojit prostřednictvím konektorových připojení. To omezuje potřebu svorkovnic, DIN lišt a průchodů do centrálního rozvaděče. V některých aplikacích lze díky krytí průmyslových komponent umístit automatizační prvky přímo na stroj bez dalšího rozvaděče.
Decentralizace tedy neznamená pouze „přesunutí elektroniky ven z rozvaděče“. Jde o změnu způsobu návrhu celého stroje – od elektrického schématu přes mechanické uspořádání až po servisní koncepci.
Vario-X jako systém pro konstrukci stroje
Vario-X je koncipován jako otevřená, modulární a škálovatelná platforma pro decentralizovanou automatizaci. Její prvky lze kombinovat podle požadavků konkrétního zařízení a umístit přímo do jeho funkčních částí.
Základem je decentralizovaný automatizační systém Vario-X, který funguje jako řídicí jednotka stroje, případně jako součást nadřazené řídicí struktury nebo Edge řešení. Vario-X využívá výkonné průmyslové IPC řízení s programovacím prostředím CODESYS V3 a podporuje komunikaci s dalšími zařízeními a systémy. Pro připojení pohonů a periferních modulů může využívat EtherCAT, zatímco prostřednictvím rozhraní PROFINET nebo EtherNet/IP lze systém začlenit do nadřazené sítě.
Dalšími prvky platformy jsou:
- I/O moduly a I/O huby pro připojení senzorů a akčních členů,
- IO-Link mastery pro inteligentní snímače a další zařízení,
- moduly pro distribuci a řízení napájení,
- prvky pro připojení pohonů,
- komunikační a síťové komponenty,
- rozhraní pro sběr provozních dat a komunikaci s cloudovými nebo podnikovými systémy.
Významnou vlastností je možnost přivést funkce přímo do místa jejich použití. Snímače, ventily, signalizační prvky nebo pohony tak nemusí být individuálně vedeny až k centrálnímu rozvaděči. Komunikace a napájení mohou být distribuovány prostřednictvím standardizovaných konektorových spojů.
U napájení pohonů Vario-X využívá například 48V napájecí systém s výkonem až 3,6 kW. Připojení pohonů je řešeno prostřednictvím rychlospojek MQ15 DC a hybridních kabelů, které mohou přenášet napájení i potřebné signály. Pro bezpečné odpojení pohonů lze využít funkci STO.
„Vario-X vnímáme jako systémovou platformu pro konstrukci stroje, nikoli pouze jako soubor jednotlivých modulů. Smyslem je propojit řízení, napájení, komunikaci i diagnostiku tak, aby vznikl funkční celek, který lze navrhovat a rozšiřovat po modulech,“ říká David Hanák.
Dopad na projektování a konstrukci
Decentralizovaný přístup mění práci konstruktéra již v úvodní fázi projektu. Místo návrhu rozsáhlého centrálního rozvaděče a individuálního zapojení všech zařízení lze stroj rozdělit na funkční moduly.
Každý modul může obsahovat vlastní skupinu senzorů, akčních členů, pohonů nebo bezpečnostních prvků. Elektrické schéma se díky tomu více podobá logické mapě stroje: popisuje funkční celky a jejich standardizovaná propojení, nikoli desítky či stovky jednotlivých vodičů vedených napříč zařízením. To přináší několik praktických efektů:
- menší rozsah individuálního zapojování,
- jednodušší přehled o jednotlivých funkcích stroje,
- snazší standardizaci opakujících se modulů,
- lepší připravenost na různé varianty zařízení,
- jednodušší rozšiřování v budoucnu.
Modularita je důležitá zejména u výrobců, kteří dodávají stroje v několika velikostech nebo konfiguracích. Základní automatizační architektura může zůstat stejná, zatímco jednotlivé moduly se doplní nebo nahradí podle konkrétní varianty.
Konstrukční tým tak může pracovat s knihovnou standardizovaných řešení. To omezuje počet nově navrhovaných komponent a usnadňuje přenos zkušeností mezi projekty. Při vhodném zapojení do vývojového procesu může decentralizovaná architektura podpořit také tvorbu digitálního dvojčete stroje a propojení provozních technologií s podnikovými IT systémy.
Dopad na výrobu a montáž
Jedním z nejrychleji viditelných přínosů decentralizované koncepce je změna montážního procesu. Namísto rozsáhlého ručního zapojování jednotlivých vodičů se využívají předmontované kabely, moduly a konektorová připojení.
Nemusíte řešit každý vodič samostatně. Připojujete definované konektory podle standardizovaného zapojení. Tím se zkracuje doba instalace a snižuje riziko záměny vodičů nebo nesprávného zapojení svorek.
Předmontáž funkčních celků navíc umožňuje rozdělit výrobu stroje na paralelní činnosti. Jednotlivé moduly mohou být připraveny a otestovány samostatně, zatímco probíhá mechanická montáž další části zařízení. Výsledkem je lepší využití výrobních kapacit a kratší průchod stroje výrobou.
Menší množství kabeláže přináší také prostorovou úsporu. Stroj může být kompaktnější a konstrukce nemusí vytvářet tolik prostoru pro kabelové svazky, svorkovnice a kabelové průchodky.
„Konektorové připojení má význam nejen pro rychlost montáže. Stejně důležitá je opakovatelnost. Pokud je modul navržený a zapojený standardně, lze jej opakovaně vyrábět, předmontovat a kontrolovat stejným způsobem,“ vysvětluje David Hanák.
Při uvádění do provozu se pak zmenšuje rozsah hledání chyb v zapojení. Pokud jsou komponenty správně parametrizovány a komunikují prostřednictvím definovaných rozhraní, lze systém oživovat po jednotlivých funkčních částech.
Dopad na provoz a servis
Decentralizovaná automatizace mění také způsob diagnostiky a údržby. Informace o stavu nejsou dostupné pouze na úrovni centrálního řízení, ale také přímo u jednotlivých modulů a připojených zařízení.
Lokální LED indikace může obsluze nebo servisnímu technikovi rychle ukázat stav napájení, komunikace nebo konkrétního kanálu. Diagnostika prostřednictvím sběrnice pak umožňuje získat podrobnější informace o jednotlivých modulech a zařízeních.
U I/O a IO-Link komponent lze sledovat například:
- výpadek nebo podpětí napájení,
- zkrat na výstupu,
- přetížení,
- stav konkrétního kanálu,
- stav připojeného snímače nebo akčního členu,
- komunikační chyby a další provozní události.
Servisní zásah se tím může zaměřit přímo na vadný funkční celek. Namísto kontroly celé kabelové trasy od stroje k rozvaděči lze identifikovat konkrétní modul nebo kanál a vadnou komponentu vyměnit.
„Pro servis je podstatné, aby diagnostika odpovídala fyzickému uspořádání stroje. Když je modul umístěný přímo u technologie a zároveň poskytuje lokální i systémovou diagnostiku, technik rychleji zjistí, zda je problém v napájení, komunikaci, snímači nebo akčním členu,“ říká David Hanák.
Dostupnost provozních dat má význam i mimo řešení aktuálních poruch. Data z řídicího systému a senzorů lze využít pro sledování výkonu stroje, vyhodnocování nebo plánování údržby. V kombinaci s edge zpracováním a cloudovými aplikacemi vzniká základ pro prediktivní údržbu, při níž se servisní zásah plánuje podle skutečného stavu zařízení, nikoli podle pevného časového intervalu.
Ekonomické posouzení: rozhodují celkové náklady
Při porovnávání centralizované a decentralizované koncepce není vhodné sledovat pouze pořizovací cenu jednotlivých komponent. Rozhodující mohou být celkové náklady životního cyklu stroje, například:
- čas potřebný na projektování,
- výrobu rozvaděče,
- nákup a kompletaci svorkovnic a dalších instalačních prvků,
- výrobu kabelových svazků,
- montáž a kontrolu zapojení,
- uvádění do provozu,
- odstranění chyb při oživování,
- servisní zásahy a dobu odstávky,
- budoucí rozšiřování stroje.
Decentralizovaná koncepce může v některých případech znamenat jinou strukturu pořizovacích nákladů. Úspora se však může projevit v montážní práci, kratším oživování, menším počtu komponent, omezení kabeláže a rychlejším servisu.
Ekonomický přínos je proto nutné posuzovat v kontextu konkrétní aplikace. Čím je stroj modulárnější, prostorově rozsáhlejší nebo častěji variantovaný, tím větší význam může mít zjednodušení instalace a možnost opakovaně využívat standardizované funkční celky.
Důležitým faktorem je také hodnota dostupnosti stroje. Pokud lokální diagnostika zkrátí hledání poruchy a výměna modulu nevyžaduje rozsáhlé rozebírání kabeláže, může být výsledná úspora výrazně vyšší než rozdíl v ceně samotných komponent.
Závěr: od rozvaděče ke stroji
Vario-X představuje změnu koncepce výroby strojních zařízení. Automatizace se již nemusí navrhovat jako centrální systém uzavřený v rozvaděči, ke kterému jsou jednotlivé části stroje připojeny dlouhými kabelovými trasami. Řídicí, napájecí, komunikační a diagnostické funkce lze rozdělit do modulů a umístit přímo tam, kde jsou ve výrobním procesu potřebné.
Tento přístup podporuje standardizaci, modularitu a rychlejší dodávky. Zjednodušuje projektování, omezuje pracnost montáže, snižuje počet potenciálních chyb
a zlepšuje servisní dostupnost. Současně vytváří infrastrukturu pro efektivnější práci s provozními daty a pro další rozvoj směrem k prediktivní údržbě a propojení výrobních zařízení s IT systémy.
„Decentralizace není pouze otázkou toho, zda bude rozvaděč větší, nebo menší. Jde o to, jak celý stroj navrhnout tak, aby byl modulární, rychle sestavitelný, snadno diagnostikovatelný a připravený na další změny,“ uzavírá David Hanák.
Odklon od centralizované architektury není samoúčelným technologickým trendem. Pro výrobce strojů může být nástrojem, jak reagovat na tlak na kratší dodací lhůty, vyšší variantnost i dostupnost výrobních dat. Vario-X v tomto pojetí není jen novou automatizační platformou, ale také prostředkem ke změně způsobu, jakým se stroj konstruuje, vyrábí a udržuje.
Murrelektronik CZ, spol. s r.o.
Průmyslová 762, 333 01 Stod
Tel.: +420 377 597 961
E-mail: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.
www.murrelektronik.cz
