Procesy cyfrowej transformacji nie ominęły także segmentu laserów przemysłowych. Również i one mają do odegrania istotną rolę w inteligentnej fabryce, w której wszyscy uczestnicy procesów połączeni są ze sobą wspólną siecią i w jej ramach w sposób ciągły wymieniają między sobą informacje. Aby jednak wnieść znaczący wkład w urzeczywistnienie idei Przemysłu 4.0, lasery przemysłowe muszą dysponować możliwością komunikacji z innymi maszynami i urządzeniami, z systemami zarządzania i sterowania, a także – co niemniej istotne – z technikami serwisowymi.

Tego typu możliwość nie jest już dziś zarezerwowana wyłącznie dla w pełni zautomatyzowanych linii produkcyjnych w przemyśle motoryzacyjnym czy w produkcji półprzewodników, gdzie cyfryzacja pogłębia jedynie poziom automatyzacji procesów. W równym stopniu powinna być dostępna dla małych i średnich producentów kontraktowych, którzy co prawda dysponują tylko kilkoma laserami, ale podobnie jak duże firmy chcą usprawnić produkcję i obniżyć jej koszty przez cyfrowy nadzór i sterowanie procesami. Zarówno w jednym, jak i drugim przypadku laser przemysłowy musi oferować możliwość bezprzewodowej integracji z systemami i procesami cyfrowymi – tylko w ten sposób jego użytkownicy mogą czerpać maksimum korzyści z czwartej rewolucji przemysłowej. Ten wymóg natury technicznej wydaje się kluczowy: wszystko wskazuje bowiem na to, że szansę na przetrwanie na rynku będą w przyszłości miały tylko te lasery przemysłowe, które będą kompatybilne z procesami cyfrowymi.

Komunikacja M2M w standardzie OPC UA

Nie dziwi więc, że czołowi producenci laserów przemysłowych już od jakiegoś czasu dokładają wszelkich starań, aby dostosować oferowane systemy laserowe do potrzeb Przemysłu 4.0 i w ten sposób przygotować je na wdrożenie w inteligentnych fabrykach. Aby to osiągnąć, należy przede wszystkim umożliwić im realizację komunikacji w modelu M2M (Machine-to-Machine) w oparciu o protokół IP, tj. wyposażyć w funkcję automatycznej wymiany informacji między systemem laserowym a innymi maszynami i/lub układami sterowania.

To zaś wymaga spełnienia trzech podstawowych założeń: po pierwsze, należy przygotować semantyczne opisy danych lasera obsługiwane przez protokół IP i zrozumiałe dla innych maszyn i systemów sterowania, a tym samym możliwe do przetworzenia w owych systemach. Po drugie, trzeba zapewnić taką wymianę danych laserowych, która nie będzie stwarzała zagrożenia dla stabilności procesów, a więc nie będzie generowała opóźnień w trakcie przetwarzania ani ryzyka związanego z bezpieczeństwem danych. I po trzecie wreszcie, wymiana danych powinna być poprawna semantycznie, bezpieczna, a także niezależna od systemu operacyjnego i języka programowania. Wymóg ten wynika z faktu, że maszyny i systemy biorące w niej udział są z reguły heterogeniczne, a tym samym bazują na różnych OS i językach programowania.

W praktyce wymienione wymagania brzegowe można spełnić na kilka różnych sposobów. Jednak za jeden z najbardziej efektywnych w sektorze przemysłowym uznaje się obecnie uniwersalny standard wymiany danych OPC UA (Open Platform Communication Unified Architecture). OPC UA jest de facto zbiorem otwartych protokołów umożliwiających zarówno semantyczny opis danych maszynowych w sposób czytelny dla innych urządzeń, jak też bezpieczną wymianę danych. Protokoły te bez problemu współpracują ze wszystkimi popularnymi systemami operacyjnymi i językami programowania. Zintegrowane z nimi mechanizmy bezpieczeństwa zapewniają możliwość szyfrowania danych i kontroli dostępu, a tym samym minimalizują ryzyko nieautoryzowanego działań. Co więcej, standard OPC UA jest także wysoce skalowalny, dzięki czemu można go zastosować w aplikacjach różnych wielkości – od wbudowanych sterowników po kompletną infrastrukturę chmurową. Sprawdzi się więc zarówno w średnioseryjnej produkcji kontraktowej, jak i w obsłudze linii produkcji masowej.

Zalety te i szerokie upowszechnienie OPC UA sprawiają, że jest on także efektywnym sposobem na dostosowanie systemów laserowych do potrzeb inteligentnych fabryk. Interfejsy OPC UA umożliwiają bezprzewodową integrację laserów z każdą infrastrukturą procesową Przemysłu 4.0 bazującą na tym standardzie.

Architektura Przemysłu 4.0 stała się już niemal standardem wśród części producentów pojazdów i dostawców OEM. Równocześnie jest to grupa, która bardzo szeroko wykorzystuje lasery diodowe, m.in. do spawania, lutowania, hartowania i powlekania. Komunikacja w standardzie OPC UA jest już dziś wykorzystywana m.in. w fabryce karoserii Audi w Neckarsulm. Można ją jednak z powodzeniem zastosować także w każdym innym środowisku produkcyjnym pracującym ze standardem OPC UA.

System laserowy jako „rzecz”

W sieci opartej na OPC UA system laserowy funkcjonuje co do zasady jako pojedyncza, kompletna jednostka wyposażona w poszczególne podsystemy (sterowanie, optykę, chłodnicę). W takim modelu interfejsy OPC UA wykorzystywane są do jednokierunkowego transferu i odczytu danych z lasera i zintegrowanych z nim czujników. Rodzaj i ilość zbieranych danych zależą przy tym od zakresu wyposażenia danego systemu: mogą to być np. informacje o mocy lasera, temperaturze pracy, przepływie chłodziwa, punkcie rosy czy wilgotności powietrza. Lasery wyposażone fabrycznie w łączność OPC UA mogą dostarczać ponad 300 tego typu zmiennych, zaś lasery doposażone w interfejs OPC UA – ponad 150 zmiennych. Co więcej, zebrane parametry uzupełniane są o dodatkowe informacje, takie jak indywidualne ID, opis tekstowy, stempel czasu czy komunikat o stanie urządzenia. Dzięki temu wartości te można jednoznacznie zidentyfikować i przypisać zarówno geograficznie, jak i chronologicznie. Zaś komunikat o stanie dostarcza dodatkowo informacji o tym, czy mierzone wartości osiągnęły stan krytyczny.

Bezpieczną obsługę interfejsu OPC UA zapewnia szyfrowane połączenie służące jednocześnie do uwierzytelniania źródła laserowego w sieci. Z kolei do szyfrowania wiadomości wykorzystywany jest algorytm Basic256Sha256. Zarówno system laserowy (jako serwer OPC UA), jak i jednostka zbierająca i przetwarzająca dane (jako klient OPC UA) muszą się nawzajem uwierzytelnić w sieci za pomocą odpowiednich certyfikatów klucza publicznego.

Dane pozyskane za pośrednictwem interfejsu OPC UA można wykorzystać do analizy najróżniejszych zjawisk i procesów. Najbardziej widoczne korzyści przynoszą jednak w utrzymaniu ruchu. Swobodny dostęp do danych lasera przyczynia się bowiem do wzrostu przejrzystości realizowanych z jego wykorzystaniem procesów, a tym samym pozwala na tworzenie dużo efektywniejszych strategii przeglądów i konserwacji. O ile dotąd strategia taka bazowała głównie na okresowych przeglądach organizowanych w określonych interwałach lub po upływie wyznaczonej liczby godzin pracy, o tyle teraz można ją budować w sposób predykcyjny lub w zależności od stanu urządzenia. Wszystko dzięki danym zbieranym w czasie rzeczywistym, komunikatom o stanie lasera oraz wykorzystaniu sztucznej inteligencji. W modelu takim laser jest serwisowany jedynie wówczas, gdy wymaga tego jego stan lub gdy zbierane dane maszynowe sugerują, że stan ten pogorszy się w niedalekiej przyszłości.

Tego typu podejście umożliwia przeprowadzanie precyzyjnie ukierunkowanych zabiegów konserwacyjnych, a tym samym pozwala uniknąć nieprzewidzianych przestojów i przyczynia się do optymalizacji produkcji. Co więcej, zapewnia także zautomatyzowaną koordynację prac serwisowych: usługodawca otrzymuje bowiem automatyczne wezwanie serwisowe, niekiedy z wyszczególnionym terminem przeprowadzenia prac.

Nie tylko utrzymanie ruchu

Zalety interfejsów OPC UA wykraczają jednak daleko poza organizację prac serwisowych. Zebrane dane laserowe można bowiem wykorzystać do optymalizacji procesów także na wiele innych sposobów. Przykładowo, średnio- i długoterminowa analiza danych dotyczących temperatury, mocy i wilgotności pozwala określić idealne warunki, a tym samym i czas uruchomienia lasera. Dane maszynowe można także wykorzystać do natychmiastowej identyfikacji istotnych zakłóceń w pracy systemu, np. zagięcia lub sprzężenia światłowodu, aby jak najszybciej wyłączyć laser z użytkowania. 

Najważniejszą korzyścią z zastosowania interfejsów OPC UA jest jednak możliwość integracji systemu laserowego z architekturą Przemysłu 4.0 – niezależnie od branży, wielkości produkcji czy aplikacji. Możliwość ta stanowi dla użytkownika także swego rodzaju zabezpieczenie inwestycji: ma on bowiem pewność, że jego laser także w czasach digitalizacji może być użytkowany aż do końca jego cyklu życia.

Kompatybilność z architekturą Przemysłu 4.0 sprawia także, że lasery diodowe nie znikną z rynku. Bo parafrazując Billa Gatesa, można z dużą dozą prawdopodobieństwa stwierdzić, że w niedalekiej przyszłości pozostaną tylko dwa typy laserów przemysłowych: te, które są kompatybilne z Przemysłem 4.0 i te, których już nie ma na rynku.

Alexander Arndt i Victoria Sonnenberg
+ + +
* Dr Alexander Arndt jest menedżerem ds. cyfryzacji i projektowania procesów oraz asystentem zarządu w firmie Laserline.