Role CNC a PLC v závodech budoucnosti

Koncepce automatizace se mění v souvislosti s tím, jak se stále více začíná prosazovat Průmysl 4.0 a průmyslový internet věcí (Industrial Internet of Things – IIoT). Automatizace zahrnuje koncepty, jako jsou nulové prostoje, zvýšená přesnost, vysoké rychlosti, vysoká účinnost a proaktivní údržba. Tuto funkčnost zajišťují digitální programovatelné systémy, které byly vyvíjeny a zdokonalovány v průběhu několika desetiletí.

Například systémy CNC (Computer Numerical Control) usnadňují automatizaci obráběcích strojů prostřednictvím počítačů, které vykonávají předem naprogramované sekvence. „Koncepce CNC byla vypracována v padesátých a šedesátých letech minulého století jako logické pokračování počítačem podporované výroby (Computer Aided Manufacturing – CAM) a automatizace na bázi traceru,“ uvedl Ian Baird, manažer CNC aplikací divize Factory Automation společnosti Fanuc. „K jejímu vzniku přispěl vývoj v oblasti počítačů a servosystémů; výrobcům pomáhala tato koncepce plnit jejich stále rostoucí požadavky na opakovatelnost a vysoce přesnou výrobu. Dnes CNC tvoří pět hlavních součástí – sekvencer, interpolátor, servokontroléry, logický řídicí prvek a operátorské řídicí rozhraní – a je synonymem přesnosti a řízení.“

Dvacet let po uvedení CNC na trh byla vyvinuta levnější a jednodušší forma počítačem podporovaného řízení: programovatelný automat (Programmable Logic Controller – PLC).

„Koncepce PLC byla vyvinuta v osmdesátých letech minulého století, aby nahradila řídicí systémy s reléovou logikou, které byly často nákladově neefektivní, málo flexibilní a nesnadno použitelné, protože pro výkon svých klíčových funkcí využívaly hardware. PLC má funkci vstupů a výstupů a lze jej programovat k vykonávání sekvenčních operací, ke zpracování dat nebo k jednoduchému řízení os.“

Nicméně smyslem PLC nikdy nebylo nahradit CNC. „Obě řešení slouží velmi odlišným účelům a trhům a každé z nich má své výhody a nevýhody. Proto by bylo pro každého v průmyslu omezující říct, že ,investoval do CNC a už nemá žádný prostor pro PLC‘, protože jde o dva zcela odlišné systémy řízení,“ pokračoval Baird.

Řízení CNC je spojováno s automatizací poněkud více, protože jeho použití sahá nad rámec jednoduchého algoritmu vstupu/výstupu (I/O). Moderní řízení CNC je flexibilním, digitálně řízeným systémem, který má sloužit potřebám výrobce bez nutnosti přeprogramování celého systému.

„Většina moderních systémů CNC již obsahuje uživatelská rozhraní se zabudovanými obrazovkami pro obsluhu, údržbu a diagnostiku. Z tohoto důvodu je CNC populární u těch, kteří chtějí mít nad svými stroji plnou kontrolu, protože po nepříliš náročném zaškolení už můžete fungovat zcela samostatně,“ připomněl Baird.

Flexibilita předurčuje CNC k použití pro složité víceosé obrábění v téměř jakémkoli odvětví. „Možnost použití CNC je omezena pouze vaší fantazií. Jakákoli aplikace, která vyžaduje přesné polohování, potřebuje CNC, ať už jde o výrobu dílů pro náramkové hodinky, lékařská zařízení nebo reaktivní plazmové leptání.“ 

Jednoduché řídicí úkony

Řízení PLC je podle Bairda vhodné pro jednoduché řídicí úkony. „Pokud máte aplikaci, která nepotřebuje vysokou míru přesnosti nebo flexibilní polohování, jako je dopravník se střídavým motorem, pak je často nejlepší volbou PLC. Je levnější než řízení CNC, který je vhodnější pro složitější aplikace.“

Baird však tvrdí, že s jednoduchostí PLC jsou spojeny určité nevýhody. „Řízení PLC chybí flexibilita, kterou poskytuje CNC. Pokud potřebujete program třeba jen malinko změnit, musíte řídicí prvek zcela přeprogramovat. Navíc nenabízí přesnost CNC a je proto nejvhodnější jako levné řešení pro základní úkony.“ Mnoho výrobců navzdory nízké ceně PLC volí podle Bairda raději řízení CNC, částečně z důvodu nižších celkových nákladů na vlastnictví. „Je zajímavé pozorovat, jak se mnoho konstruktérů obrací na CNC poté, co investovali do řízení PLC, většinou z důvodu flexibility, spolehlivosti a nákladů. Počáteční náklady na CNC jsou vyšší než u PLC, ale návratnost investice může být v dlouhodobém horizontu vyšší, protože CNC poskytuje vyšší spolehlivost a větší možnosti řízení. Návrhářům systémů rovněž poskytuje flexibilitu určit si, jak velkou míru kontroly nad stroji chtějí uživatelům svěřit.“

Dlouhodobá nákladová efektivita řízení CNC je dána pokročilými funkcemi uživatelského programování, které může minimalizovat odstávky a řídit spotřebu energie nebo výkon stroje.

Mnoho systémů CNC je vybaveno umělou inteligencí pro konturové řízení. To znamená, že stroj lze řídit tak, aby běžel v rámci určitého pracovního zatížení, nebo adaptivně řídit, aby stroj pracoval přes noc. Například jej lze naprogramovat tak, aby pracoval pouze na 80% zatížení a umožnil firmě šetřit energii. Systémy CNC jsou rovněž vybaveny funkcemi pro energetickou úspornost, jako jsou moduly pro energetické sazby.

Mají také bezpečnostní funkce, jež jsou důležité při kolaborativních operacích s lidskou obsluhou. „Systémy CNC jsou vybaveny digitálními algoritmy, které se starají o polohování,“ sdělil Baird. „Tento digitální systém tvoří dvě části – reálný systém digitálních dat a pozorovací digitální systém. Pozorovatel běží jako ,ideál‘ a poskytuje stroji parametry, s nimiž by měl běžet. Reálná část i pozorovatel jsou řízeny stejným příkazem, takže by měly fungovat naprosto stejným způsobem. Pokud se reálný systém setká s narušením, jako je neočekávané zatížení, způsobí to odchýlení dat reálného systému od dat pozorovatele. Stroj to vyhodnotí jako kolizi a bude reagovat dvěma možnými způsoby. Pokud se pohybuje pomalu, zastaví se, a pokud se pohybuje rychle, provede ,vektorový ústup‘, kdy se odtáhnou pohybující se obráběcí součásti, aby nedošlo k poškození. U špičkových strojů může být rovněž začleněna technologie 3D, která zastaví pohyb pětiosého stroje mimo předem nastavený pracovní rozsah,“ doplnil Baird.

Pro výrobce usilující o automatizaci procesů jsou důležitým hlediskem také nulové prostoje. Neplánované odstávky jsou drahé a mohou výrobu zastavit na dny, týdny nebo i měsíce. Nezjištěná závada může způsobit nevratné škody na strojním zařízení a může být nebezpečná pro pracovníky. 

Minimalizace odstávek

„I když je nerealistické očekávat od závodů, že budou běžet 24 hodin denně a 7 dnů v týdnu, můžeme usilovat o minimalizaci odstávek způsobovaných drobnými závadami nebo chybami,“ konstatoval Baird. A zde přichází ke slovu koncept prediktivní údržby, který podle Bairda usnadňuje technologie CNC. „Prediktivní údržba nám umožňuje odhalit potenciální problémy, ještě než nastanou, a podniknout příslušné kroky, než se situace stane vážnou. Dosahujeme toho využitím automatizační technologie, která kontroluje stroj jako určitý hlídač.“

Znamená to, že CNC se stane jediným nástrojem závodů budoucnosti? Baird si to nemyslí, PLC stále bude hrát zásadní roli. „Nejlepším příkladem, který to dokazuje, je výrobní linka. CNC může řídit ramena robotu, nástroje, frézování a broušení, ale PLC ovládá pás, který produkt nebo materiál převáží z jedné části linky na další. Složitost CNC se na takové úkoly nehodí a byla by zbytečná. Jako součást základní výrobní úrovně, kde se jednoduché a složité úkony provádějí souběžně, systémy CNC a PLC dokonale spolupracují.“

Protože si CNC i PLC udrží své místo v arzenálu výrobního závodu, je nyní důležité zaměřit se na to, jak je rozvíjet. „Průmyslové řídicí systémy (Industrial Control Systems – ICS) se budou nadále vyvíjet, což se projeví zejména ve formě specializace na konkrétní průmyslová odvětví,“ naznačil vývoj Baird. „Rovněž třetí strany budou rozvíjet koncepci otevřeného rozhraní pro integraci internetu věcí (IoT) do průmyslového závodu. S tím přijdou inteligentní stroje a sběr dat a jejich analýza v rozsáhlém měřítku, což nám pomůže identifikovat další možnosti zdokonalování procesů.“

I když zatím není jasné, jakou roli budou hrát systémy CNC a PLC v závodech v budoucnosti, budou jeho součástí, i kdyby ne vždy pracovaly společně. 

Suzanne Gillová, redaktorka časopisu Control Engineering Europe. Společnost Fanuc poskytla doplňkové informace pro tento článek, který byl původně publikován 15. října 2017 v internetové verzi časopisu Control Engineering Europe. Upravil Chris Vavra, redaktor časopisu Control Engineering, CFE Media, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript..