De industrie staat voor grote uitdagingen. De belangrijkste is het voldoen aan de milieu- en duurzaamheidseisen. De tweede uitdaging ligt op het vlak van de vergrijzing. Autonome productie kan helpen. Daar is echter volop nieuwe meet- en regeltechniek voor nodig.
Veel bedrijven in de industriële sector kampen met een tekort aan technisch personeel. Ervaren krachten gaan met pensioen en laten het bedrijf achter zonder hun ’Fingerspitzengefühl’. De volgende generatie moet die eerst weer opbouwen. De vraag is of men daarvoor voldoende tijd krijgt. De vraagstukken vragen nu om een oplossing. Inzet van geavanceerde, direct toepasbare technologie kan een oplossing bieden, te beginnen op het onderste niveau in de productiesector, met sensoren die de vitale meet- en regeltaken voor hun rekening nemen.
Op de recente PPA-dag (Productie Proces Automatisering) van FHI lieten diverse aanbieders van industriële automatiseringsoplossingen zien dat meer IT, toegepast in de operationele omgeving, kan leiden tot een grotere productie met minder uitval. Het oeroude adagio van ’meten is weten’ stelt de plant manager in staat om op basis van actuele data de capaciteit beter te plannen en de productiemachines effectiever te monitoren. Voorspellend onderhoud is niet langer een belofte, maar een realiteit.
Inzet van slimme sensoren is niet alleen maar voorbehouden aan kapitaalkrachtige ondernemingen. De toename van elektronische componenten in de sensoriek deed de prijzen dalen en de toepassingsmogelijkheden verruimen. Productiemanagers krijgen langs die weg veel meer data tot hun beschikking, die gestructureerd en geaggregeerd hun weg weten te vinden naar het hoger niveau van een onderneming. Daarmee krijgt de besluitvorming een enorme kwaliteitsimpuls, waardoor bedrijven efficiënter en duurzamer produceren.
Duurzaam waterstof tanken bij Resato
Duurzaamheid is de kurk waarop het Resato uit Assen drijft. Roelof Jan Boer, directeur van de waterstofdivisie, mocht aan de in groten getale aanwezige deelnemers op de PPA-dag uitleggen hoe zijn bedrijf op basis van een in meer dan 30 jaar opgebouwde expertise in industriële hogedruktoepassingen bouwt aan een netwerk van waterstofvulstations in Europa. Oplevering van het eerste station in Den Haag vond plaats in 2018. Sindsdien is er intensief ontwikkeld aan de technologie. De vulstations kenmerken zich door een modulaire opbouw met diverse meet- en regel componenten, gevoed vanuit ruim 200 sensoren per installatie. De sensoren leveren via IoT-toepassingen over gestandaardiseerde netwerkprotocollen (OPC UA en MQTT) veel data, die zich uitstekend lenen voor uitgebreide analyses over het gebruik en functioneren van de installaties in het veld. Aan de hand van die analyses is Resato in staat om de productlijn voortdurend aan te passen en te verbeteren. Volgens Boer is er sprake van een win-win situatie, want ook zijn klanten, de exploitanten van de vulstations, gebruiken die data ten behoeve van de analyses voor hun bedrijfsvoering.
Sensoren zijn onmisbare instrumenten voor productieorganisaties die streven naar autonome operaties. De ABB-presentatie op de PPA-dag definieert vijf stadia waarin het groeiproces van automatisering zich kan voltrekken op weg naar volledige autonomie. Bij ARCLevel 1 is er sprake van assistentie van operators en supervisors, terwijl bij ARC Level5 de OT in de productieomgeving volledig zelfsturend functioneert zonder menselijke interventies. Op het traject van fase 1 naar 5 worden onder meer kunstmatige intelligentie (AI) en machine learning-componenten geïntroduceerd. Die dragen bij aan de kwaliteit van de geïntegreerde analyses van de door sensoren geleverde data over het productieproces. ABB kan diverse voorbeelden aandragen van partijen die een volwassen centraal dataplatform hebben ingericht en daarmee in hun - zeg maar - autonomie-volwassenheid zijn gegroeid naar ARC Level3. Beduidend minder royaal zijn ze met voorbeelden van bedrijven die zijn gegroeid naar Level4 en Level5. Niet vreemd, gelet op de gangbare richtlijnen omtrent uni-directioneel dataverkeer en netwerksegmentatie.
SPE-standaard voor minder sensorenbekabeling
Productie-organisaties laten zich meestal schetsen als een piramide met aan de top de door IT beheerde managementsystemen zoals ERP-toepassingen. Daaronder komen de MES-systemen (Manufacturing Executive Systems), die zowel data kunnen uitwisselen met de transactiegedreven ERP-functionaliteit als met de deterministische (real-time) PLC-oplossingen aan de OT-kant. Op dat niveau steken sensoren de kop op. Jumo levert exemplaren die zijn gebaseerd op de Single Pair Ethernet (SPE) connectiestandaard. De standaard impliceert reductie van bekabeling, omdat de verbinding met de sensoren loop via één paar draden, inclusief een voeding (Power over Dataline: PoDL). Daarmee zijn overdrachtssnelheden te realiseren van 10 Mbits/s en hoger en is data-overdracht met apparaten binnen een bereik van 1000 meter te realiseren. SPE leent zich voor diverse communicatieprotocollen, waaronder MQTT, Modbus en http. Voor de procesautomatisering laat de Jumo-oplossing zich inzetten voor veldinstrumentatie zoals flow-sensoren, niveausensoren, druksensoren, temperatuursensoren, loggers en schakelaars. Bij toepassing in gebouwen zijn ze bruikbaar voor de automatisering van liften, beveiligings-, alsmede brandcontroles en HVAC-regeling. In de fabrieksautomatisering vinden we SPE-technologie terug bij sensoren, kleppen, encoders, motorstarters en robotica.
De voordelen van de SPE, ondersteund door een twintigtal bekende leveranciers van industriële automatiseringscomponenten, waaronder Draka, Southwire, Weidmüller, Phoenix Contact, Sick, R&M Hilscher, Wago, Legrand, zijn:
- op ethernet gebaseerde communicatie van sensor naar de cloud
- verhoging van installatie efficiency
- verlaging van onderhoudskosten
- mogelijkheden voor diagnose op afstand en beschikbaarheid van veel data.
De sensorenreeks van het Zwitserse Hamilton vinden we voornamelijk terug in de chemie-, biotechsector, de waterbranche en de voedingsmiddelenindustrie (brouwerijen). In de chemie gaat het vooral om de meting van elektrische geleidbaarheid (conductiviteit) en zuurgraad (pH) en opgeloste zuurstof (DO). Daarnaast leveren de Zwitsers in de biotech-sector ook nog sensoren voor celdichtheidsmetingen (VCD en TCD) en CO2. Bij de pH Arc-reeks sensoren is intelligentie toegevoegd waarmee de relatie tussen sensor en transmitter wordt geherdefinieerd.
Zuurgraadmeting geldt als arbeidsintensief en dus duur. De Arc-sensoren dragen volgens de fabrikant bij aan operationele procesverbetering en aan kostenreductie. Op de PPA-dag toonde Hamilton een demonstratie opstelling van een toepassing bij chemietoeleverancier Nobian (voormalige zoutdivisie AkzoNobel). De onderneming levert onder meer hoog zuiver zout, chlooralkali, chloormethanen en waterstof. In een omgeving met zout en water ligt corrosie altijd op de loer. Om die reden controleert men continu de aanwezige leidingen in de productielocatie op oxidatie met behulp van Hamilton-sensoren. De met telemetrie verbonden sensoren bevinden zich in een oprolbare behuizing en laten zich controleren en kalibreren via een smartphone. Ook de frequent uit te voeren reiniging van de sensoren (spoelen) geschiedt op afstand zonder manuele handelingen van een operator.
AI in OT-domein vraagt om dynamische servercapaciteit
Functioneel zijn sensoren in de afgelopen jaren verder verrijkt door de koppeling met processorchips op hetzelfde printplaatje. Zo ontstond een vorm van edge computing met alle mogelijkheden voor meer intelligentie aan de applicatie ‘front-end’. Veel processing-kracht daar resulteert in snellere beschikbaarheid van voorbewerkte (gestructureerde) data op centraal niveau. De doorlooptijd van applicaties is ermee gediend.
Toch kent het succes van dit soort toepassingen door het real-time karakter van de OT-omgeving ook een keerzijde. Des te meer slimme sensoren, des te groter de behoefte aan centrale servercapaciteit. Zo zijn AI-applicaties (kunstmatige intelligentie) eigenlijk al niet meer zonder servers met speciale, zeer krachtige GPU-chips (van bijvoorbeeld Nvidia) te draaien. De industriële automatisering wordt geconfronteerd met hetzelfde verschijnsel waar de IT-wereld al langer mee worstelt: hoe kunnen we de gestegen ’workload’ op een economisch verantwoorde manier verwerken, gegeven de gewenste responsetijden, de schaalbaarheid, flexibiliteit en economische haalbaarheid via virtualisatietechnieken (VMware)? De cloud leek het ei van Columbus. Maar cloud providers berekenen de kosten van gereserveerde processorcapaciteit gewoon door. Heb je te weinig ingekocht, dan wordt het flink bijbetalen, tenzij je een serverless-contract hebt dat voorziet in dynamische toewijzing van systeembronnen op aanvraag. Maar ook dit model is natuurlijk niet gratis.
PPA-dag exposant Advantech liet tenslotte de presentatie geven door partner Salz Automation. Die toonden hoe in de afgelopen decennia de computer hardware is gewijzigd ten faveure van de software die erop moet draaien. Ook de industriële automatisering moet zich daarop voorbereiden. Die wordt gedreven vanuit de push van de IT-technologie en vanuit de OT-eisen, ingegeven door concurrentie. Real-time (RT) verwerking blijft een vereiste.
Salz’s expertise ligt op het vlak van: RT-Linux als besturingssysteem voor de centrale servers; virtuele runtime omgevingen met EtherCat; aansluiting van 1 tot 5 motion controllers; meten van doorloopsnelheden en jitter(signaal verstoring); monitoren van processorgedrag bij het parallel draaien van toegevoegde applicaties. Software, veilig verpakt in schaalbare containers (Docker, Kubernetes), moet het hardware-technisch beter behapbaar maken. Volgens de Salz-deskundige zal dat model van software ’deployment’ in het OT-domein ongetwijfeld gaan toenemen.
Lees meer over ontwikkelingen op het gebied van sensoren voor meten en regelen in nr 1 van het magazine AutomationNL.