Ne nadarmo se říká, že na počátku vývoje každého úspěšného produktu musí být vize, která svým naplněním dosáhne daleko za hranice své doby. Toto platí i v případě systémů pro záznam a analýzu provozních dat společnosti Iba.
Píší se 80. léta 20. století a Horst Anhaus pracuje jako automatizační inženýr ve společnosti Siemens AG v Erlangenu. Programuje a uvádí do provozu digitální řídicí systémy pro složité výrobní procesy ve válcovnách. Jedinými podpůrnými nástroji, které měl tehdy k dispozici pro tvorbu, odladění a optimalizaci řídicích algoritmů, byly paměťový multimetr, osciloskop a v lepším případě také inkoustový zapisovač.
Zde vzniká jeho vize – poskytnout v blízké budoucnosti nejen vývojovým inženýrům, ale i provozním technikům, pracovníkům údržby, kontroly kvality a dalším výkonný diagnostický nástroj, který bude založen na principu počítačem podporovaného záznamu procesních dat a poskytne možnost zpracování či vyhodnocování zaznamenaných dat v reálném čase a v grafické formě.
Horst Anhaus zakládá společnost Ingenieurbüro Anhaus, zkráceně Iba. Pod jeho vedením byly následně vyvinuty hardwarové i softwarové produkty pro přesný a deterministický záznam i analýzu naměřených hodnot z automatizovaných procesů. Dlouho předtím, než vznikl termín „průmysl 4.0“, Horst Anhaus a jeho tým odhalili možnosti shromažďování informací na základě záznamu signálů i kamerových dat. Společnost Iba v současnosti patří k jedněm z předních dodavatelů edgeových systémů pro digitální sběr dat v reálném čase v průmyslových provozech a v systémech distribuce energie.
O tom, že vize Horsta Anhause byla správná, a cesta, kterou se vydal, úspěšná, svědčí nejen více než 30 000 instalací systémů iba po celém světě, ale také prodejní a poradenská zastoupení ve dvaceti zemích na všech kontinentech. Od roku 2022 toto zastoupení funguje i pro ČR a SR, a sice prostřednictvím společnosti Compas automatizace ve Žďáru nad Sázavou.
Poslání systémů iba – komplexně a přehledně
Za posledních patnáct let se systémy iba staly etalonem v mnoha průmyslových odvětvích. Je to dáno nejen množstvím dostupných komunikačních rozhraní pro různé automatizační systémy (obr. 1), ale i v podstatě neomezeným dalším zpracováním provozních i kamerových dat, jejich sdílením dalším systémům a všem útvarům ve výrobním závodě. Se systémy iba nejenže uživatel získá provozní data z jakýchkoliv technologických procesů, ale může s nimi dělat téměř cokoliv.
Systémy pro sběr a analýzu dat ze strojů ve výrobních závodech jsou navrženy tak, aby byly škálovatelné, a tudíž kdykoliv rozšířitelné. Systémy iba se budou s narůstajícími požadavky uživatelů rozšiřovat, ale přitom si stále vystačí s veškerou běžně používanou průmyslovou řídicí technikou bez nutnosti úprav softwaru v řídicích systémech.
Systémy iba jsou schopné digitálně dokumentovat celý výrobní řetězec a nahlížet na něj v souvislostech, které dříve zůstávaly skryty. Veškeré výsledky záznamu provozních dat jsou kdykoliv k dispozici v datovém fondu, který pomáhá optimalizovat funkce výrobních systémů. S moderními nástroji pro analýzu dat jsou rychle a efektivně nalezeny příčiny zejména velmi sporadických poruch, čímž se trvale zlepšuje dostupnost výrobních zařízení.
Se systémem iba získají uživatelé nejen maximální přehled o procesech, ale také téměř neomezené možnosti jejich optimalizace, protože vždy mají k dispozici jejich kompletní obraz.
Přínosem systémů iba je transparentnost v průmyslu a výrobě i distribuci energie.
ibaPDA – základní škálovatelný software pro záznam procesních dat
Základním produktem systému iba je ibaPDA (Process Data Acquisition; obr. 2). Jde o mimořádně výkonný software určený pro PC k získávání a zaznamenávání různých provozních dat v automatizovaných technických procesech. Představuje jeden z nejuniverzálnějších systémů, který získává procesní data s velkým rozlišením (takt od 25 μs, 1 000 kHz, 150 A, 1 000 V). Připojení k provoznímu zařízení s funkcí autodetekce zdrojů signálů pro snadnou konfiguraci, architektura klient–server a variabilní možnosti nahrávání jsou jen některé z přesvědčivých funkcí.
Přehled nejdůležitějších vlastností ibaPDA:
- systém s velkou konektivitou pro získávání procesních dat ve vysokém rozlišení v taktu od 25 μs,
- efektivní získávání dat z řídicích systémů různých výrobců a generací zařízení,
- událostmi spouštěné nebo nepřetržité ukládání dat do datových souborů měřených hodnot nebo do databáze ibaHD Server,
- možnost záznamu do několika datových souborů současně,
- další typy datových úložišť a výstupních kanálů pro přenos dat mimo systém iba,
- získávání popisných doplňkových informací prostřednictvím textových dat,
- individuálně konfigurovatelné online displeje s architekturou klient–server,
- interní zpracování a monitorování signálů a výstup aktuálních zpráv a alarmů,
- bezplatný výkonný analytický nástroj ibaAnalyzer pro využití dat údržbou, výrobou, pracovníky kvality, technology, datovými analytiky a mnoha dalšími.
ibaCapture – synchronní záznam i analýza kamerových a procesních dat a signálů
Systém záznamu videa ibaCapture (obr. 3) zaznamenává data z fyzických i virtuálních (záznam HMI obrazovky s činností operátora) kamer synchronně s naměřenými hodnotami – buď nepřetržitě, nebo jako záznam spouštěný událostmi. Důležité události lze automaticky ukládat jako statické snímky. Přesná synchronizace a současné zobrazení zaznamenaných signálových dat a vizuálních informací nabízejí zcela novou kvalitu analýzy procesů. Integrovanou součástí ibaCapture může být i rozpoznávání obsahu obrazu.
Přehled klíčových vlastností ibaCapture:
- synchronní záznam videa s provozními daty a signály v ibaPDA,
- nepřetržité a událostmi spouštěné nahrávání,
- integrace obrazů HMI a obrazů z ibaVision jako virtuální kamery,
- ochrana důležitých videozáznamů proti vymazání,
- snímání z až 64 kamer (analogové, IP, GigE nebo virtuální) a online vizualizace,
- prohlížení a analýza videosekvence a signálů pomocí ibaAnalyzeru,
- zobrazení živého obrazu jako náhrada za systém CCTV,
- přepínání rozvržení zobrazení spouštěné událostí (např. automatické zpomalené přehrání záznamu operátorovi).
ibaAnalyzer – výkonný analytický software, flexibilní a bezplatný
Centrální komponentou pro analýzu dat v systémech iba je ibaAnalyzer (obr. 4). Nabízí široký soubor funkcí pro výpočty či vyhodnocování dat, přitom je jeho ovládání nesmírně intuitivní. ibaAnalyzer je licencován zdarma a jsou k dispozici doplňkové produkty pro vylepšení analytických funkcí.
Přehled nejdůležitějších vlastností ibaAnalyzeru:
- kompletní off-line analýza, intuitivní uživatelské rozhraní,
- možnost snadno kombinovat data z různých zdrojů měření se synchronními kamerovými daty,
- k dispozici široká sada matematických a technických výpočtových funkcí pro generování odvozených signálů nebo hodnot KPI,
- integrovaná analýza pomocí FFT (rychlá Fourierova transformace),
- značky a intervaly pro přímou interaktivní analýzu,
- další komponenty jako integrovaný editor reportů, ruční i automatizované generování reportů, export surových i zpracovaných dat v různých formátech do různých systémů, automatizace výpočtů.
ibaAnalyzer je bezplatně k využití libovolnému počtu uživatelů v závodě. Analyzovat a zpracovávat zaznamenaná data tak mohou pracovníci údržby i kvality, provozní inženýři, energetici aj.
ibaCMC, ibaCMU S – hardware a software pro monitorování stavu zařízení, vše dokonale sladěné
Preventivní údržbou pomocí sledování stavu zařízení lze dosáhnout významných úspor. To je důvod, proč sledování stavu zařízení – condition monitoring – nabývá v posledních několika letech stále více na významu, zvláště ve velkých průmyslových závodech. První náznaky nadcházejících poškození lze detekovat získáním a analýzou vibrací mechanických součástí dříve, než by tato poškození mohla vést k prostojům závodu a souvisejícím ztrátám ve výrobě.
Řešení sledování stavu zařízení od Iba, s Condition Monitoring Center ibaCMC a Condition Monitoring Unit ibaCMU S, nabízí výkonné funkce pro sledování opotřebení strojů a vibrací vyvolaných procesem, stejně jako možnost vzájemně korelovat získaná data. Hardware ibaCMU S byl vyvinut speciálně pro aplikace sledování stavu zařízení. Umožňuje lokální zpracování vibrací a signálů z procesu pro stanovení charakteristických hodnot pro úrovně poškození. Modulární systém iba dovoluje zpracovat až 32 vibračních signálů. S procesem se propojuje pomocí integrovaného rozhraní ibaNet FO nebo prostřednictvím Ethernetu protokoly TCP/IP. ibaCMU S se konfiguruje za použití Condition Monitoring Center ibaCMC definováním jednotlivých součástí stroje.
Přehled klíčových vlastností ibaCMC
Optimální plánování údržbářských prací. Pro dosažení maximální produktivity potřebují průmyslové závody vysokou úroveň dostupnosti. Proto je třeba předcházet prostojům, zejména neplánovaným. Změny způsobené opotřebením zařízení obvykle vedou k mechanickým vibracím. Pomocí měření vibrací detekují systémy monitorování stavu známky opotřebení v rané fázi procesu a umožňují optimální plánování údržbářských prací.
Vibrační chování v komplexních průmyslových provozech. Pomocí měření vibrací lze opotřebení celkem spolehlivě předvídat jen u jednoduchých součástí bez výraznějších vnějších vlivů na vibrační chování. Ve složitých procesech a zařízeních je vibrační chování ovlivňováno mnoha vnějšími faktory, jako je měnící se zatížení během provozu nebo zpracování různých druhů materiálů. Pouze současným sledováním všech procesů a kvalitativních dat lze spolehlivě detekovat poškození strojních součástí.
Další vlastnosti:
- backendové analýzy a konfigurace pro ibaCMU,
- komfortní databázová analýza trendů,
- webová desktopová aplikace,
- rozsáhlá knihovna modelů vibrací mechanických součástí,
- modul alarmů a hlášení (odesílaných e-mailem),
- modul výpočtu virtuálních trendů,
- podpora několika trendů, zoomování, automatické načítání,
- konfigurace, trendy charakteristických hodnot a zobrazení surových dat: hierarchická konfigurace systému s indikací stavu, dlouhodobé trendy vypočtených charakteristických hodnot a zobrazení surových dat a výsledků podrobných analýz.
Od roku 2022 poskytuje společnost Compas automatizace výhradní obchodní zastoupení Iba AG pro ČR a SR. Pro celé spektrum systémů iba zajišťuje odborné konzultace, poradenství i dodávky a servis. Více se zájemci dozvědí na www.compas.cz/optimalizace-prumyslovych-procesu a www.iba-ag.com/en/products a také ve stánku společnosti na MSV v Brně (F 018).
Josef Dušek,
Compas automatizace s. r. o.
Stanovení optimální doby pro výměnu převodovky
Jde o jeden z příkladů úspěšné implementace systému sledování stavu zařízení (condition monitoring) v praxi.
Komplexní strojní zařízení bylo vybaveno systémem sledování stavu opotřebení. Již v prvním roce po instalaci byly některé případy poškození opotřebením správně diagnostikovány a příslušné komponenty vyměněny během plánovaných odstávek. V létě 2017 systém hlásil první známky opotřebení na velmi kritické jednotce. Zatímco konvenční systémy zmíněný druh poškození nezjistí, tento pokročilý systém včasnou detekci a přesné sledování stavu opotřebení umožňuje.
Salzgitter Flachstahl, největší ocelářská dceřiná společnost koncernu Salzgitter Group, je jedním z předních evropských výrobců oceli. Při výrobě vysoce kvalitních ocelových produktů v závodě spoléhají na nejmodernější výrobní techniku pro válcování i další zpracování oceli.
Provozují např. mohutnou hlavní převodovku (42 mł) válcovací stolice, která má jmenovité zatížení 14 MW a jmenovité otáčky 32 min–1. Systémy monitorování stavu využívají měření vibrací k detekci opotřebení v rané fázi. Měření zrychlení vibrací však poskytuje spolehlivé výsledky pouze při rychlostech nad 60 ot/min. Převodovka v Salzgitteru zůstává téměř z 50 % pod touto hranicí, ale pouze při vlastním válcování.
Systém s těmito specifikacemi je problematický pro jakýkoliv systém sledování stavu zařízení. Pro spolehlivý provoz je zásadní zpracování provozních dat. Skutečnost, že relevantní informace jsou distribuovány výhradně do různých provozních režimů, představuje pro konvenční systémy problém. Systém iba však umožňuje shromažďovat data pro různé provozní podmínky, oddělit je od sebe a také samostatně alarmovat. Konkrétně to znamená, že tento systém správně posuzuje jak situace s malou rychlostí a velkou zátěží, tak situace s vyššími rychlostmi, ale bez zátěže. Všechny charakteristické hodnoty jsou použity samostatně pro každý provozní režim.
V převodovce byly instalovány pouze čtyři snímače vibrací: po jednom snímači na horním, dolním, hnacím a výstupním konci hlavní hřídele, se dvěma snímači namontovanými na vodicích ložiskách, které měří v radiálním i axiálním směru. Počet snímačů však nezávisí na počtu sledovaných součástí, ale spíše na rozměrech převodovky, protože vibrace se nemohou materiálem nerušeně šířit. Zde instalovaná monitorovací jednotka se liší od komerčně dostupných systémů tím, že komunikuje přímo se systémem záznamu dat ibaPDA. To je nezbytné, protože bez provozních dat by bylo velmi obtížné rozlišit chování zařízení mezi válcováním a kalibrací.
Systém iba zaznamenal první známky opotřebení převodovky v létě 2017, tedy necelé dva roky před konečnou výměnou převodovky. To bylo zpočátku překvapující, neboť převodovka je navržena na životnost hodně přes dvacet let, ale v době, kdy byly zjištěny první známky opotřebení, byla v provozu necelých šest let. Proto byla provedena srovnávací měření komerčně dostupným systémem. Opotřebení na ložisku rychloběžné hnací hřídele bylo tímto systémem také detekováno a rovněž hodnoceno jako „znatelné“, ale ne „kritické“. Tento systém však nedokázal detekovat mnohem kritičtější opotřebení ložiska pomalu se otáčející výstupní hřídele. V systému iba však byly známky opotřebení jasně viditelné a neustále přibývaly.
U jiných výrobních jednotek by pravděpodobně padlo rozhodnutí o výměně při příští plánované odstávce. Výměna této převodovky by však při plánované odstávce trvala deset pracovních dnů. Naproti tomu porucha převodovky při výrobě by znamenala mnohem delší neplánované odstávky, protože by bylo nutné nejprve obstarat potřebné náhradní díly a vybavení. Aktuální stav byl hodnocen na týdenních poradách a posudek na zbývající životnost byl průběžně aktualizován. „Znovu a znovu jsme stav konzultovali s odborníky z naší sítě specialistů na vibrace. Aktivně nás podporovali při určování správné doby pro výměnu,“ říká Günter Spreitzhofer, aplikační inženýr iba, a dodává: „V říjnu 2017 jsme se společně rozhodli, že pokračování provozu do května 2018 je prozatím možné.“
O sedm měsíců později bylo zřejmé, že opotřebení postupuje sice trvale, ale velmi pomalu. Proto bylo v květnu 2018 rozhodnuto o odložení výměny o dalších šest měsíců. V září 2018 všichni zainteresovaní experti došli k závěru, že převodovku bude určitě nutné vyměnit při příští odstávce. Převodovka byla následně v dílně zkontrolována, zda je skutečně poškozená. Při demontáži ale ložisko prasklo a bylo také patrné poškození vnitřního kroužku ložiska hnací hřídele. Čas pro výměnu byl tedy perfektně zvolen. Základem tohoto úspěchu je výkonný systém monitorování stavu zařízení, který poskytuje spolehlivé a včasné alarmy díky zohlednění relevantních provozních dat v kombinaci s odbornými znalostmi zkušených specialistů v oblasti vibrační diagnostiky a plánování údržby.
Günter Spreitzhofer a Herwig Eichler, ředitel pobočky Iba Österreich, se shodují: „Projekt ve firmě Salzgitter je ukázkovým příkladem dokonalé strategie údržby. Všechny zainteresované strany pracují ruku v ruce a komunikace mezi mechanickou údržbou a zainteresovanými odborníky na vibrace je příkladná. Pouze za těchto podmínek může systém monitorování stavu využít své silné stránky a poskytnout optimální užitek.“
Obr. 1. V systémech iba jsou k dispozici komunikační rozhraní pro většinu významných průmyslových řídicích systémů, datových sběrnic a komunikačních protokolů
Obr. 2. ibaPDA – základní škálovatelný software pro záznam provozních dat
Obr. 3. ibaCapture – synchronní záznam i analýza kamerových a provozních dat a signálů
Obr. 4. ibaAnalyzer – výkonný analytický software, flexibilní a bezplatný
Obr. 5. ibaCMC – systém pro monitorování stavu zařízení, příklad z podniku Salzgitter Flachstahl (1: červen 2017 – výstraha defektu klece na základě obálkové analýzy, viditelná pouze během kalibrace, 2: duben 2018 – snížení úrovně výstrahy na základě obálkové analýzy a mírné zvýšení úrovně varování na základě FFT, 3: červenec 2018 – výrazné zvýšení úrovně výstrahy na základě obálkové analýzy a mírné zvýšení úrovně výstrahy na základě FFT, 4: FFT spektrum leden 2017 – bez známek opotřebení, 5: FFT spektrum červen 2017 – bez známek opotřebení, 6: FFT spektrum duben 2018 – rozpoznatelné frekvence defektů valivých prvků, 7: FFT spektrum listopad 2018 – frekvence defektů klece a valivých prvků se nadále zvyšují)