Rola Przemysłu 4.0 w osiągnięciu bezemisyjności

Wiele organizacji, reprezentujących producentów, zadeklarowało osiągnięcie neutralności pod kątem emisji dwutlenku węgla do połowy obecnego wieku, jeśli nawet nie wcześniej. Idea mówi, by nie produkować gazów cieplarnianych, które nie byłyby skutecznie kompensowane w jakiś sposób. Jednym z rozwiązań jest przejście na procesy, które w ogóle nie powodują powstawania gazów cieplarnianych. Alternatywnie firmy mogą postarać się skompensować te emisje dla części procesów. Mogłoby to oznaczać np. implementację nowych metod zbierania dwutlenku węgla czy innych gazów bezpośrednio z atmosfery, albo nabywanie kredytów od organizacji, specjalizujących się w pozyskiwaniu węgla z CO2 i magazynowaniu go.

Wykorzystanie energii - od produkcji po dostawę

Cel, jakim jest uczynienie niemal dowolnego przemysłu neutralnym węglowo, nie jest łatwy do osiągnięcia i będzie wymagał uwagi na każdym etapie łańcucha dostaw. Firmy będą musiały być rozliczane z emitowania do atmosfery gazów cieplarnianych na każdym etapie łańcuchów dostaw i będą musiały znaleźć sposoby na zredukowanie lub całkowite wyeliminowanie emisji. Dobrym przykładem oszczędności będzie zużycie energii elektrycznej, która często stanowi znaczący komponent, składający się na łączne emisje gazów cieplarnianych w trakcie produkcji. Oczywiście nie da się całkowicie zrezygnować z poboru energii, ale oprócz jego ograniczenia, można również skierować się w stronę źródeł odnawialnych, które przyczynią się do osiągnięcia pożądanej neutralności.

O ile w ostatnich latach jednym z kluczowych trendów w produkcji była jej optymalizacja pod kątem minimalizacji ilości materiałów i gotowych wyrobów, przechowywanych w magazynach, (produkcja JIT – just-in-time), idea neutralności pod względem gazów cieplarnianych może odmienić sposoby kalkulacji maksymalnej efektywności. Jeśli zakład produkcyjny zbuduje własną, niemałą elektrownię wiatrową lub słoneczną, staje przed wyborem: czy korzystać z tej energii całkowicie samodzielnie, czy też odsprzedawać część do sieci przesyłowej. Jednakże w przypadku odsprzedaży do sieci, kluczowym problemem związanym z OZE jest fakt, że produkcja energii rzadko kiedy jest skorelowana z zapotrzebowaniem na nią. Może to prowadzić do sytuacji, w której nadmiaru energii nie da się sprzedać i musi być ona albo magazynowana, albo generatory muszą być tymczasowo wyłączone. Alternatywnie możliwe staje się okresowe przyspieszenie procesów produkcyjnych w fabryce, tak by samodzielnie wykorzystać nadmiar energii elektrycznej i tym samym zredukować całkowitą emisję. Takie podejście prawdopodobnie poskutkuje powstaniem nadmiarowej ilości półproduktów czy innych wyrobów, które trzeba będzie przechowywać w magazynach, zanim zostaną zużyte.

Rola chmury i obliczeń wykonywanych na krawędziach sieci

Działanie systemów sterujących kluczowymi procesami może zostać włączone w dużą pętlę, globalnie obliczającą optymalne działanie zakładu i korzystającą z dużej ilości mocy obliczeniowej, dostępnej obecnie w chmurze i z użyciem urządzeń umieszczanych na krawędziach sieci. Serwery chmurowe mogą z powodzeniem realizować algorytmy sztucznej inteligencji (AI – Artificial Intelligence) – operujące na modelach, które uczą się w jaki sposób prognozować zmiany w dostępności energii oraz planować z uwzględnieniem także pogody czy innych zmian warunków środowiskowych.

Konieczność stosowania wysokich temperatur w niektórych procesach, cechujących się większymi emisjami, może ograniczyć szybkość, z jaką systemy będą reagować i redukować całkowitą produkcję dwutlenku węgla. To znowu może prowadzić do ograniczeń w możliwości reagowania na zmiany w dostępności energii. W najgorszym wypadku, odpowiednie, precyzyjne monitorowanie zużycia energii na wszystkich etapach procesów pozwala zdobyć informacje potrzebne do planowania wykorzystania kredytów węglowych czy rozwiązań sprowadzających się do wychwytywania CO2 z atmosfery. Integratorzy systemów sterowania przemysłowego i operatorzy tych rozwiązań mogą stosować różnorodne strategie, osiągając gładką transformację z obecnych architektur do tych, w których w pełni korzysta się z zalet przetwarzania danych na krawędziach sieci.

Waga sterowania procesami we wdrożeniach

Jest wiele innych możliwości szybszego spełnienia idei neutralności pod kątem emisji. Dobry przykład można znaleźć w produkcji cementu. Reakcje chemiczne, zachodzące w samym środku procesów wytwarzania cementu, odpowiadają mniej więcej za połowę łącznej emisji z tego przemysłu. I o ile w skali globalnej, branża cementowa poprawiła swoją wydajność energetyczną, Międzynarodowa Agencja Energetyczna (International Energy Agency) podała w 2021 roku, że w niektórych regionach wytwórcy nie podjęli wystarczających starań. Badacze analizujący ten temat wskazali, że problemem jest mniej dokładne sterowanie warunkami reakcji chemicznych, zachodzących podczas produkcji. Bardziej precyzyjne kontrolowanie procesów powinno pomóc rozwiązać problem i dać nadzieję na redukcję ilości emitowanego dwutlenku węgla.

Niewątpliwie jest też wiele innych branż przemysłu, w których poprawione sterowanie procesami przyczyniłoby się do zwiększenia ogólnej sprawności działania i to w różnej skali. Dokładniejsza kontrola procesów może zredukować niepotrzebnie marnowane ciepło czy ilość powstających produktów ubocznych. Lepsze planowanie przemieszczania materiałów pozwoli zmniejszyć ilość energii zużywanej przez transport. Sięgnięcie po bardziej efektywne systemy sterowania sprowadza się tak naprawdę do indywidualnych aktuatorów i silników. Te ostatnie odpowiadają za około 70 procent całej energii, zużywanej w typowym zakładzie fabrycznym. Aż do niedawna powszechną praktyką było korzystanie ze względnie mało sprawnych, asynchronicznych silników na prąd przemienny, których popularność w aplikacjach przemysłowych wynikała z niskich kosztów zakupu i łatwości w utrzymaniu.

Nowsze technologie silników cechują się znacznie lepszą sprawnością elektryczną i minimalizują problemy, takie jak uślizg; mogą też być bardziej precyzyjnie sterowane. Zamiast utrzymywać silnik prądu przemiennego stale włączony, celem uzyskania od razu wysokiego momentu siły, gdy tylko będzie on potrzebny i zamiast podłączania silnika z użyciem skrzyni biegów, elektronicznie sterowany silnik synchroniczny może być zaprogramowany tak, by włączał się tylko w razie potrzeby i by pracował pod kontrolą dowolnego algorytmu, zapewniającego adekwatny moment siły i szybkość obrotową. Wykorzystanie elektronicznych sterowników i napędów silników, pochodzących od takich producentów jak Eaton czy Maxon, opłaca się nie tylko ze względu na zmniejszenie kosztów pochłanianej energii elektrycznej, ale też poprzez zredukowane zużycie i ograniczenie nagrzewania się sprzętu.

Komunikacja krótkiego i długiego zasięgu

Wiedza kiedy i jak uruchamiać maszynę jest kluczowa z punktu widzenia maksymalizacji efektywności wykorzystania energii i materiałów. To właśnie w tym obszarze technologie Przemysłu 4.0 mają największą wartość. Niezwykle ważnym elementem architektury Przemysłu 4.0 jest wykorzystanie systemów komunikacji na krótki i daleki dystans, celem wymiany informacji pomiędzy lokalnymi systemami sterowania. Systemy te pozwalają mieć pewność, że przenośniki są aktywne tylko wtedy, kiedy dany produkt faktycznie musi być przekazany z jednej lokalizacji do drugiej oraz że maszyny mogą zostać wyłączone w czasie, gdy nie ma czego przetwarzać. Co więcej, maszyny można przełączać w stan gotowości na krótką chwilę przed podaniem im komponentu do przetworzenia. Wiele rozmieszczonych na terenie zakładu czujników oraz odpowiednie platformy obliczeniowe odgrywają kluczowe role w odbieraniu danych ze środowiska produkcyjnego i podejmowaniu decyzji. Czasem wsparcie zapewniają zdalne serwery, bazując na tym co odczytywane jest ze wskazań na żywo.

Rosnąca popularność i liczba wdrożeń korzystających z bezprzewodowych protokołów komunikacyjnych, takich jak Bluetooth, Wi-Fi i LoRaWAN sprawiają, że coraz łatwiej jest rozmieszczać czujniki dokładnie tam, gdzie są najbardziej potrzebne. Prowadzi to do rozszerzenia liczby instrumentów powiązanych z maszynami, narzędziami i z systemami nimi zarządzającymi. Stosowanie takich czujników i wsparcia w postaci chmury wcale nie oznacza konieczności całkowitego przemodelowania systemów sterowania. W wielu przypadkach, dotąd używane sterowniki programowalne (PLC), zawiadujące pracą pojedynczych narzędzi, mogą wciąż sprawnie pracować przez lata. Jednakże można je rozszerzyć dodając do nich komputery przemysłowe, montowane w postaci modułów na szynę DIN, a więc w formie idealnej do łatwego doposażenia nimi zakładu. Zaawansowane sterowniki programowalne, takie jak np. firm Industrial Shields i Kunbus mogą pracować jako bardziej wydajne alternatywy wobec dotychczasowych PLC, o ile zdarzy się potrzeba zwiększenia stopnia wyrafinowania algorytmów sterujących.

Wykorzystanie Ethernetu i podobnych, wysoce-przepustowych interfejsów komunikacyjnych, a także serwerów pracujących na krawędziach sieci, pozwala na przyjmowanie danych z wielu PLC i systemów sterujących oraz używanie ich w zaawansowanych modelach, zapewniając ścisłą koordynację działań maszyn na terenie całego zakładu, aktywując i deaktywując systemy w locie, tak by żadna energia nie była marnowana.

Inteligentne czujniki: kluczowe komponenty

Powszechne użycie czujników sprzężonych z inteligentnymi systemami monitorowania daje okazję do upewnienia się, że maszyny działają z maksymalną wydajnością i przy minimalnych stratach. W momencie gdy system wykryje odchyłkę od standardowych warunków działania, np. w trakcie testów lub inspekcji, odpowiedni sprzęt może zostać wyłączony z użycia i szybko sprawdzony. Takie postępowanie pozwala uniknąć niepotrzebnego złomowania czy ponownej przeróbki materiałów, które wpłynęłyby negatywnie na raporty emisji gazów cieplarnianych oraz prowadziłyby do bezpośredniego zwiększenia kosztów firmy. Producenci mogą także skorzystać z konserwacji predykcyjnej, nie tylko by mieć pewność że maszyny i inne systemy mechaniczne pracują z pełną efektywnością, ale też by układać harmonogramy prac serwisowych w momentach, które najlepiej odpowiadają założonym celom – np. właśnie redukcji emisji CO2. Tradycyjnie decyzje na temat przestojów serwisowych maszyn były podyktowane klasycznymi wzorcami pracy. Jednakże program analizujący może teraz określać, jak wygląda ścieżka postępowania i harmonogramowania prac konserwacyjnych by zminimalizować koszt – np. w oparciu o dostępność energii z odnawialnych źródeł energii. Modele sztucznej inteligencji, bazujące na zbieranych danych z dotychczasowego okresu pracy, mogą wykorzystywać wiele wejść danych z systemów produkcyjnych by określić najlepszy scenariusz postępowania.

Łączne zastosowanie wielu rozwiązań

Pojedyncze zmiany czy usprawnienia mogą jedynie zmniejszyć ilość emitowanych gazów cieplarnianych w danej branży przemysłowej. Sięgając po rozwiązania Przemysłu 4.0, producenci mogą wykorzystywać różnorodne techniki, by usuwać źródła nadmiernych emisji dwutlenku węgla i eliminować powody marnowania energii. Każde z nich wpływają na cel, do którego dążymy – osiągnięcie działania bezemisyjnego. Dystrybutorzy komponentów elektronicznych, zapewniający wysoką jakość usług, tacy jak Farnell, odgrywają kluczową rolę w migracji sposobu działania firm w kierunku rozwiązań Przemysłu 4.0. Dystrybutorzy oferujący wsparcie techniczne mogą przeanalizować obecną w zakładzie infrastrukturę i doradzić firmie jaki sprzęt – jak choćby zaawansowane sterowniki programowalne, moduły czujnikowe, komputery przemysłowe i wiele innych podsystemów da się ze sobą połączyć by zacząć wdrażać skuteczny plan dojścia do zerowej emisji.

Ankur Tomar
Regional Solutions Marketing Manager w firmie Farnell