Ogni arresto di produzione non pianificato, anche di singole macchine, genera uno sforzo aggiuntivo, costi più alti e una minore uscita. Il monitoraggio delle migliori condizioni possibili, continuo e basato su dati, è una base essenziale per la massima disponibilità di macchine e impianti.
Monitoraggio della macchina
Uno use case essenziale qui è il monitoraggio continuo della macchina. L’obiettivo è quello di utilizzare dati pertinenti come corrente, temperatura o vibrazioni per rilevare anomalie nel funzionamento in corso in una fase iniziale, idealmente per poter classificare tali anomalie e rilevare in anticipo eventuali errori. Questo spesso coinvolge segni di usura, che vengono rilevati precocemente e in modo affidabile utilizzando analisi basate sull’apprendimento automatico. Ciò consente di progettare interventi di assistenza e manutenzione in tempo utile, per una disponibilità massima ad un costo minimo.
Monitoraggio del processo
Un altro use case essenziale è il monitoraggio di processo continuo. L’obiettivo è quello di rilevare in una fase precoce eventuali deviazioni dai parametri di processo e, se necessario, poter intervenire nel processo. Costruendo la soluzione di controllo esistente e i dati solitamente già disponibili, viene utilizzata una soluzione di apprendimento automatico basata su modelli per rilevare anomalie e classificarle il più possibile. Quando l’automazione basata su regole raggiunge i suoi limiti, ML attiva approfondimenti completamente nuovi su stati di processo precedentemente sconosciuti. Con il risultato di poter intervenire nel processo prima e in modo più mirato.
Sulla base di condizioni continue di monitoraggio di macchine e impianti, nascono vari casi d’uso con l’obiettivo di garantire la massima disponibilità di impianti, che a sua volta è la chiave per la produzione economica. In definitiva, le condizioni di un impianto sono note continuamente, il che si traduce nella massima sicurezza per le persone responsabili del processo. Inoltre, errori o anomalie nei dati della macchina possono essere rilevati in una fase precoce e le misure necessarie possono essere avviate prima che si verifichi il malfunzionamento effettivo o addirittura il guasto del sistema.
Un esempio applicativo è il monitoraggio automatico di nastri trasportatori ad alta velocità in intralogistica. Un’attività è monitorare e prevedere l’allungamento degli elementi della catena del trasportatore, a seconda dei vari fattori che influenzano la velocità, il caricamento, il tempo di esecuzione o la temperatura. Ciò comporta l’identificazione precoce di singole aree della catena danneggiate. Consente inoltre di illustrare o mettere in sicurezza le conoscenze dei tecnici del servizio in merito alle condizioni del sistema e, quindi, anche di trasformare il sistema in un monitoraggio continuo basato su dati. I vantaggi specifici del monitoraggio automatizzato consistono in una riduzione dei costi di servizio e manutenzione, nonché in una disponibilità più elevata e quindi in una produttività del sistema. Con uno sguardo ai nuovi modelli commerciali, ad esempio, è possibile la vendita di disponibilità in forma di accordi nuovi o ampliati sul livello di servizio (SLA). Dopotutto, tali servizi IIoT comportano nuove funzioni percepibili per i clienti finali e una fedeltà dei clienti proporzionalmente maggiore.
Un’altra applicazione è il monitoraggio automatizzato dei ventilatori in un capannone di produzione galvanica. Nella produzione galvanica, lo sfiato è un processo critico per la produzione. Ad esempio, viene prodotto gas ossidrico, che comporta un pericolo di esplosione a concentrazioni critiche. Le sostanze acide possono anche portare alla corrosione delle attrezzature. Sussiste poi una responsabilità nel settore della salute e della sicurezza sul lavoro e della salute dei lavoratori. L’attività è quella di monitorare continuamente le ventole utilizzando sensori intelligenti e analisi dei dati basate su ML. Il percorso da seguire va dalla manutenzione preventiva, basata sulle regole, a quella basata sulle condizioni. Ciò si traduce in una riduzione al minimo dei downtime di produzione non previsti e dei costi di manutenzione. Il primo vantaggio di questa soluzione end-to-end per applicazioni brownfield è un monitoraggio continuo e automatizzato delle condizioni. Questa è la base per ridurre o minimizzare l’ispezione, la manutenzione e la riparazione. In questo caso specifico, è stato possibile passare da un controllo mensile dei ventilatori con passaggio sul tetto galvanico ad un controllo semestrale. È stato possibile ridurre i downtime non pianificati e aumentare la disponibilità dell’impianto. Uno use case IoT con vantaggi specifici.
Sulla base dei dati di processo e della loro valutazione mediante tecnologie di ML, in molti casi è possibile trarre conclusioni sulla qualità dei prodotti fabbricati. Sulla base di parametri di processo scelti, possono essere riconosciuti modelli basati su ML assegnabili ad uno stato di processo specifico. In questo modo, ad esempio, è possibile monitorare gli intervalli di tolleranza e viene riconosciuto in una fase iniziale quando le tolleranze sono o saranno fuori linea nel senso di una previsione.
L'analisi intelligente dei dati consente a Grenzebach di ottenere una garanzia di qualità in tempo reale e una manutenzione predittiva della macchina per i suoi innovativi sistemi di saldatura a livelli di attrito. Gli specialisti di ingegneria meccanica e impiantistica contribuiscono così a portare la produzione in serie 24 ore su 24, 7 giorni su 7 ad un nuovo livello.
Un perno di attrito rotante è l’utensile centrale con saldatura ad agitazione (FSW), l’innovativo processo di saldatura a giunti che Grenzebach ha sviluppato per metalli leggeri, come l’alluminio e le sue leghe. Attraverso l’attrito e la pressione, il perno genera il calore di processo necessario a rendere il metallo malleabile, il quale viene poi agitato lungo il punto di contatto dall’azione rotazionale del perno di frizione. Senza la necessità di aggiungere filo di saldatura o gas inerte, questo crea un giunto rigido caratterizzato dalla sua stabilità a lungo termine e dalla sua resistenza alla distorsione. Un requisito per questo risultato è che il perno di frizione si comporti come previsto. Per ottenere il corretto grado di deformazione del metallo sono indispensabili forze accurate di trazione e di pressione. Finora, il controllo di qualità veniva effettuato dall’operatore della macchina che ispezionava visivamente la saldatura dopo il processo FSW, una procedura lunga il cui successo dipendeva fortemente anche dal know-how personale dell’utente.
Monitoraggio in tempo reale durante il processo di saldatura
Il Dr. Carlos Paiz Gatica, sviluppatore di tecnologie, spiega come funziona il rilevamento delle anomalie: il confronto tra il modello di riferimento il processo in corso consente una valutazione della qualità in tempo reale. Da sempre all’avanguardia nel settore dell’Industria 4.0, Grenzebach utilizza oggi processi intelligenti di analisi dei dati che attivano previsioni precise. E, per questo scopo, usano una soluzione personalizzata di Industrial Analytics di Weidmüller.
Il nostro software di analitica, che è stato personalizzato per soddisfare le esigenze di Grenzebach, confronta le forze registrate sui sensori durante il processo di saldatura con un record di dati di riferimento ideale. Non appena il sistema rileva una deviazione che si trova al di fuori dei parametri definiti, l’operatore della macchina viene avvisato e immediatamente sa che qualcosa non va con il processo di saldatura. Pertanto, l’ispezione manuale di ciascun giunto di saldatura non è più necessario
Per determinare il modello di riferimento, Weidmüller ha collaborato con gli ingegneri di Grenzebach, al fine di valutare la rilevanza dei set di dati di diverse centinaia di giunti di saldatura e di valutarli utilizzando metodi di analisi dei dati intelligenti. Un elemento significativo delle analisi è stato fornito dal know-how proveniente da Grenzebach. Il software Weidmüller può essere in grado di prevedere un guasto con un certo grado di probabilità ma, per farlo, questo deve sempre essere stato classificato in precedenza. Solo Grenzebach può determinare se un’anomalia debba essere classificata come errore critico o meno.
Qualità del prodotto e disponibilità dell’offerta
Oltre ad effettuare controlli qualità sui giunti di saldatura, il software di analisi registra anche i parametri di processo di ogni parte prodotta, producendo in tal modo una documentazione completa. Si tratta di un vantaggio significativo, non solo dal punto di vista giuridico, ma anche in termini di tracciabilità e riproducibilità. Il sistema avverte inoltre in modo tempestivo qualora fosse consigliabile sostituire il perno di saldatura. Grazie a questa informazione, l’operatore della macchina può progettare la manutenzione programmata in modo tale da evitare qualsiasi downtime.
“Accanto alla riduzione al minimo dei rifiuti che possono derivare da una rottura dell’utensile, un fattore importante, particolarmente in ingegneria meccanica e impiantistica, è la disponibilità delle macchine”, sottolinea Kress.
Gli specialisti high-tech Grenzebach individuano altri vantaggi nel loro modello di business in corso: “Innanzitutto, possiamo offrire ai nostri clienti un controllo di qualità molto accurato e quantificabile, oltre a fornire loro la previsione su un possibile downtime di attrezzature, il che consente un risparmio di risorse e costi. Allo stesso tempo, siamo in grado di implementare servizi basati sui dati e di sfruttare in modo efficace la qualità del prodotto o la disponibilità delle attrezzature come argomentazioni di vendita”, spiega Michael Sieren, Sales Manager di FSW da Grenzebach.
Il monitoraggio delle condizioni determina direttamente il concreto vantaggio di ottimizzare il servizio e la manutenzione di macchine e sistemi. In futuro, assistenza e manutenzione non saranno più preventivi o reattivi ma basati sulle condizioni. In quanto produttore di macchine, da ciò possono essere sviluppati nuovi modelli di business, ad esempio l’offerta di nuovi accordi sul livello di servizio (SLA) basati sull’informazione precoce sulle condizioni della macchina e su tempi di reazione proporzionalmente più veloci o come servizio preventivo prima che si verifichi un guasto. L’operatore può identificare la necessità di assistenza e manutenzione già in una fase iniziale utilizzando la funzione di analitica integrata. Ciò consente di progettare le operazioni necessarie in una fase iniziale, minimizzare i downtime non pianificati, ridurre i costi del personale e ottimizzare la gestione dei pezzi di ricambio.
Per scoprire errori e anomalie operative prima che si verifichino, il produttore di compressori Boge implementa il software Weidmüller per la manutenzione predittiva.
Il progetto congiunto con Weidmüller per la manutenzione predittiva dei compressori è stato avviato ad ottobre 2016. “Per prima cosa abbiamo condotto uno studio di fattibilità per stabilire se il software di Weidmüller fosse adatto ad identificare errori rilevanti”, spiega Georg Jager, capo del team di turbomacchine da Boge. “Ora è chiaro che stati anomali e modelli di errore vengono rilevati con affidabilità assoluta grazie alla soluzione di analitica personalizzata”, continua Jager. Prima che ciò fosse possibile, gli specialisti di Weidmüller avevano condotto un’elaborata analisi dei dati. Sulla base dei risultati, è stata sviluppata una soluzione di analitica individuale per i requisiti del nuovo prodotto di eccellenza di Boge, il turbocompressore ad alta velocità (HST). L’attività è stata formulata chiaramente: quali dati sono rilevanti per prevedere danni specifici al compressore?
Selezione e valutazione dei dati mirate
Il turbocompressore ad alta velocità (HST) di Boge opera assolutamente senza olio e imposta definisce nuovi standard nella produzione di aria compressa senza olio. Alla creazione del compressore, l’obiettivo era raggiungere la massima efficienza in termini di funzionamento e manutenzione. I compressori sono azionati da un motore a magneti permanente ad alta densità di energia. Una caratteristica speciale del compressore HST di BOGE è un albero di trasmissione integrato supportato da aria: il prerequisito per velocità estremamente elevate oltre le 100.000 rotazioni. L’albero aziona una ventola in titanio che, insieme ad una speciale costruzione della custodia assicura una produzione estremamente efficace di aria compressa. Tutti i dati provenivano da componenti della tecnologia di misurazione già presenti nel compressore, quindi non è stato necessario aggiornare la tecnologia dei sensori.
Per poter valutare i valori determinati, gli scienziati dei dati del team di Weidmüller per l’analitica industriale hanno esaminato tutti i dati utilizzando metodi statistici, valutato la qualità effettiva dei dati e deciso in merito alla loro pertinenza insieme a Boge. A questo punto era necessario un know-how specifico sul sistema ad aria compressa; la valutazione comprendeva un’ampia esperienza operativa basata su tutte le macchine del settore. Gli esperti di Weidmüller hanno poi riordinato radicalmente i dati e alla fine sono rimaste molte meno fonti di dati. Il team doveva anche acquisire esperienza sul modo in cui i valori di misura si correlavano tra loro.
Durante le valutazioni è emerso chiaramente che non è il singolo valore ad essere importante, ma il modello dei dati. Questo crea un modello di normalità complesso che può essere utilizzato per prevedere con precisione l’evento di danneggiamento se i valori sono diversi dal modello appreso in un certo modo. È altresì importante che questo sistema apprenda continuamente. Cambia con ogni nuovo messaggio di errore novità e in base al feedback dell’operatore. La soluzione di analisi è progettata per imparare da situazioni sconosciute, in modo che le previsioni calcolate diventino sempre più accurate durante il periodo di operazione del compressore.
Prevedere (e prevenire) potenziali danni al minuto esatto
L’utente beneficia di un software altamente efficace, che fornisce informazioni su quanti minuti o quante ore ci vorranno prima che si verifichi un problema tecnico sulla macchina. L’uso continuato del compressore determina quindi se il valore resiste o meno. Se lo scenario di utilizzo cambia e la macchina non subisce danni, la durata residua visualizzata viene prolungata.
Senza pensieri con selectair
In ogni caso, un danno significativo alla tecnologia può essere evitato se gli utenti reagiscono in tempo utile e organizzano una visita di servizio o un intervallo di manutenzione. Questo è il punto fondamentale per BOGE, in quanto l’intero pacchetto di servizio dello specialista di aria compressa si basa sul principio di “priorità alla sicurezza”. Viene fatto ogni sforzo per garantire che la macchina rimanga ferma il meno possibile e il più brevemente possibile durante il suo ciclo di vita. Non sono più necessari investimenti in sistemi ridondanti. “Per poter conseguire questo obiettivo, stiamo compiendo passi innovativi e svolgendo un lavoro pionieristico nell’area dei servizi”, spiega Georg Jager di BOGE. Il risultato è il concetto di servizio selectcair di Boge. Oltre al software di analitica, questo include il monitoraggio remoto dello stato dell’aria di Boge, integrato in fabbrica in tutte le macchine, così come il “recupero di 24 ore”. In questo modo, Boge garantisce che una macchina possa essere rimessa in funzione al più tardi dopo 24 ore in caso di fermo. “In questo caso, la manutenzione preventiva è importante perché consente di progettare le chiamate di servizio anche prima. La macchina viene spenta solo per il breve periodo di manutenzione, rendendo i downtime inutilmente lunghi un ricordo del passato. Siamo convinti che questa tecnologia prevarrà nel mercato dell’aria compressa e definirà nuovi parametri di riferimento.”
BOGE - Leader di mercato nel settore dei compressori
Con oltre 110 anni di esperienza, Boge Kompressoren Otto Boge GmbH & Co. KG è uno dei più antichi produttori di compressori e sistemi ad aria compressa in Germania. L’azienda costruisce compressori a pistone, a vite, a scorro e turbo, utilizzati principalmente nella tecnologia medica e nell’industria alimentare e farmaceutica. Sono utilizzati anche nel mercato chiave dell’automotive e nel settore meccanico.
L’azienda di famiglia, attiva a livello internazionale, impiega 850 persone, di cui circa 490 nella sede centrale di Bielefeld, e fornisce i suoi prodotti e sistemi in più di 120 paesi in tutto il mondo.