Az ipar 4.0 szerepe a „nettó zéró kibocsátás” elérésében
A globális szén-dioxid-kibocsátás 2019-ben érte el 36,7 milliárd tonnás csúcsértékét. A gazdasági növekedés hatására a kibocsátás 60 százalékkal magasabb volt, mint 1990-ben, és egyre nagyobb a nyomás a kibocsátás ellenőrzés alá vonása érdekében.
Az ipar vezető szerepet játszhat ebben, mivel a gyártási folyamatok során keletkező szén-dioxid a teljes globális kibocsátás jelentős hányadát teszi ki. Példaként említhetjük, hogy részben a hatalmas mennyiségeknek köszönhetően csak a betongyártás az éves szén-dioxid-kibocsátás 8 százalékáért felelős.
Számos, az ipari termelőket képviselő szervezet vállalta, hogy az évszázad közepére a nettó zéró százalékos üzemmód megvalósítására törekszik. Ennek értelmében vállalja, hogy a termelése során nem keletkezik olyan üvegházhatású gázkibocsátás, amelyet nem kompenzál valamilyen módon, illetve olyan eljárásokra tér át, amelyek eleve nem termelnek üvegházhatású gázokat. Ez a vállalás magában foglalja a szén-dioxid és más üvegházhatású gázok megkötésére vagy felhasználására szolgáló új módszerek bevezetését közvetlenül vagy a szén-dioxid megkötésére szakosodott szervezetektől történő szén-dioxid-kibocsátási egységek megvásárlásával.
Energiafelhasználás a termeléstől az ellátásig
Szinte bármely iparág energiafelhasználási céljait nehéz lesz elérni nettó zéró kibocsátás mellett, és az ellátási lánc minden egyes részétől figyelmet és fegyelmet követel. A szervezeteknek nyomon kell követniük, és felelősséget kell vállalniuk a lánc bármely lépése által a légkörbe kibocsátott üvegházhatású gázokért, és módot kell találniuk a kibocsátás csökkentésére vagy akár teljes megszüntetésére. Egyértelműek a megtakarítási lehetőségek, nem utolsósorban az energiafogyasztás terén, amely gyakran a gyártással keletkező üvegházhatású gázkibocsátás fő összetevője. Amennyiben az elkerülhetetlen energiafogyasztást át lehet terelni megújuló forrásokra, könnyebben el lehet jutni a nettó zéró kibocsátáshoz.
Bár az utóbbi években az ipari termelés egyik fő témája a just-in-time (JIT) ellátási menedzsment volt, a nettó zéró-s elszámolás megváltoztathatja a maximális hatékonyság számítását. Ha egy gyártóüzem nagy – szél- vagy napenergián alapuló – öntermelő kapacitást telepít, választhat, hogy az energiát teljes egészében felhasználja-e, vagy egy részét eladja a közhálózatnak. Az energia hálózatba történő eladáskor azonban a megújuló energiaforrások előállításának egyik fő problémája, hogy az energiatermelés ritkán korrelál a kereslettel. Ez olyan helyzetekhez vezethet, amikor a felesleges energiát nem lehet eladni a hálózatüzemeltetőknek, és/vagy tárolni kell, vagy a termeléseknek ideiglenesen le kell állniuk. Alternatív megoldásként szolgál, ha a nagy mennyiségű energiát igénylő folyamatokat az energiafelesleg idején felgyorsítják, a további folyamatban lévő munkáért cserébe csökkenthető a teljes szén-dioxid-kibocsátás.
A felhő és az edge computing szerepe
A kulcsfontosságú folyamatok vezérlőrendszereinek működése egy nagy méretű visszacsatolási hurokba illeszthető, amely kihasználja a felhő- és a peremhálózati számítástechnika révén ma már elérhető nagy mennyiségű számítási teljesítményt. A felhőszervereken olyan mesterséges intelligencia (MI) modellek futtathatók, amelyek megtanulják, hogyan lehet a legjobban megtervezni az energiaváltozásokat, és hogyan lehet reagálni az időjárási és egyéb környezeti változásokra.
Az, hogy néhány gyártási folyamathoz magas hőmérsékletre van szükség, behatárolhatja, hogy a rendszer milyen gyorsan tud reagálni, hogy változtasson az összkibocsátáson, ami korlátozhatja az energiaellátás változásaira való reakcióképességet. A felhasznált energiaszerkezet pontról-pontra történő szoros nyomon követése értékes információkat nyújt a szén-dioxid-kibocsátási egységek és a szén-dioxid-leválasztási megoldások tervezéséhez. Az ipari vezérlés integrátorai és üzemeltetői különböző stratégiákat alkalmazhatnak annak érdekében, hogy a meglévő architektúrákról zökkenőmentes átmenetet biztosítsanak a peremhálózati számítástechnika minden előnyét kihasználó környezetekbe.
A folyamatszabályozás jelentősége az alkalmazásokban
Számos más lehetőség is van arra, hogy gyorsabban eljussunk a nettó zéró kibocsátáshoz. A cementgyártás az egyik példa erre. A cementgyártási folyamat középpontjában áll a gyártásból származó összes kibocsátás mintegy feléért felelős kémiai reakció. Bár a cementipar világszerte javította energiahatékonyságát, a Nemzetközi Energiaügynökség 2021-ben arról számolt be, hogy egyes területeken a gyártók nem követik. Az eltérés forrását vizsgáló kutatók arra mutattak rá, hogy a probléma a cement kulcsfontosságú alkotóelemeinek előállítása során a reakciókörülmények rosszabb ellenőrzésében rejlik. A pontosabb folyamatszabályozás megoldaná a problémát, és lehetőséget biztosítana a szén-dioxid-kibocsátás csökkentésére.
Kétségtelenül számos más iparág van, ahol a jobb folyamatirányítás különböző léptékben javítja az általános energiahatékonyságot. A folyamatok szigorúbb ellenőrzése csökkentheti a felesleges hulladékhőt vagy melléktermékeket. Az anyagmozgások jobb előrejelzése csökkenti a szállítás által felhasznált energiát. A hatékonyabb vezérlések alkalmazása az egyes működtetőelemekig és motorokig terjed. A motorok a technológiai üzemek teljes energiafogyasztásának mintegy 70 százalékát teszik ki. Eddig az ipari termelésben általában viszonylag alacsony hatásfokú aszinkron váltakozó áramú motorokat használtak, mivel ezek alacsonyabb tőkeköltséggel rendelkeznek, és könnyen karbantarthatók.
Az újabb motortechnológiák sokkal magasabb szintű vezérlést és jóval nagyobb elektromos hatékonyságot kínálnak az olyan problémák csökkentésével, mint a csúszás. Ahelyett, hogy egy váltakozó áramú motort a nagy nyomaték fenntartása érdekében akkor forgatnának, amikor arra szükség van, és egy sebességváltón keresztül kapcsolnának be; egy elektronikusan vezérelt szinkronmotor úgy programozható, hogy csak akkor induljon el, amikor szükséges, és azt szolgáltassa, amit a vezérlő algoritmus a megfelelő nyomaték és fordulatszám alapján határoz meg. Az olyan gyártóktól, mint az Eaton és a Maxon származó elektronikus vezérlők és motorhajtások használata nemcsak az alacsonyabb villamosenergia-fogyasztásban, hanem a kisebb kopásban és hőben is megtérül.
A rövid és a nagy hatótávolságú kommunikáció
Az energia- és anyaghatékonyság maximalizálásának kulcsfontosságú eleme, hogy tudható, mikor és hogyan kell működtetni a gépeket. Itt kerülnek előtérbe az Ipar 4.0 technológiák. Az Ipar 4.0 architektúra kulcsfontosságú eleme a rövid és a nagy hatótávolságú kommunikáció, amely lehetővé teszi a helyi vezérlőrendszerek számára az információcserét. Ezek a rendszerek képesek biztosítani, hogy a szállítószalagok csak akkor legyenek aktívak, ha a terméket egyik helyről a másikra kell szállítani, és hogy a szerszámgépek le tudjanak kapcsolni, ha az alkatrészeket nem kell feldolgozni, és készenléti állapotba kerüljenek, ha egy új alkatrészt akarnak a gyártósorba szállítani. A széles körben elosztott érzékelők és számítástechnikai platformok kulcsszerepet játszanak abban, hogy a termelési környezet egészéből adatokat nyerjenek, és – néha távoli szerverek támogatásával – valós időben hozott döntéseket hozzanak az észlelt adatok alapján.
Az olyan vezeték nélküli protokollok, mint a Bluetooth, a WiFi és a LoRaWAN egyre szélesebb körű használata megkönnyíti az érzékelők telepítését ott, ahol a legnagyobb szükség van rájuk, és növeli a meglévő szerszámgépek és az azokat kezelő rendszerek műszerezettségét. Az érzékelőknek és a felhőalapú támogatásnak a beépítése nem igényli a vezérlőrendszerek teljes átalakítását. Sok esetben az egyes szerszámgépeket kezelő programozható logikai vezérlők (PLC-k) sokáig alkalmasak lehetnek. Ezeket azonban ki lehet egészíteni DIN-sínes modulokként megvalósított ipari számítógépekkel, hogy könnyebben beépíthetők legyenek a gyári környezetbe. Az olyan fejlett PLC-k, mint amilyeneket az Industrial Shields és a Kunbus szállít, a meglévő PLC-k nagyobb teljesítményű továbbfejlesztéseként működhetnek, ha a vezérlő algoritmusokat kifinomultabbá kell tenni.
Az ethernet és hasonló nagy sávszélességű csatlakozási lehetőségek használatával az edge szerverek képesek számos PLC és vezérlőrendszer bemeneteit fogadni, és fejlett modellekbe integrálni – biztosítva a gyár egész területén a szoros koordinációt, a rendszerek menet közbeni aktiválását és deaktiválását –, hogy ne menjen felesleges energia kárba.
Intelligens érzékelők – kritikus összetevők
Az intelligens felügyeleti rendszerekkel összekapcsolt érzékelők (sensors coupled to smart monitoring systems) széles körű használata lehetőséget nyújt arra, hogy a gépek maximális hatékonysággal működjenek, és minimálisra csökkentsék a pazarlást. Ha a rendszerek a tesztelés és ellenőrzés során a normál üzemi paraméterektől való eltérést észlelnek, a felelős berendezés „kivonható a forgalomból” és gyorsan ellenőrizhető. Így elkerülhető a selejtezés és az utómunka, amely egyébként negatívan befolyásolná a kibocsátási jelentéseket, valamint közvetlen költségeket okozna a vállalkozásnak. A gyártók a prediktív karbantartás előnyeit nemcsak a szerszámgépek és más mechanikai rendszerek csúcshatékonyságának biztosítása érdekében használhatják, hanem a karbantartást olyan időszakokra ütemezhetik, amelyek a legjobban megfelelnek az olyan célkitűzéseknek, mint például a szén-dioxid-kibocsátás. Hagyományosan a gépek leállításáról szóló döntést a munkarendek határozták meg. Egy elemző program azonban most már megállapíthatja, hogy a legalacsonyabb költségű út az, ha a karbantartást olyan időpontra ütemezik, amikor az alacsony szén-dioxid-kibocsátású energiaforrások kevésbé állnak rendelkezésre, mint máskor. A tapasztalatokon alapuló mesterségesintelligencia-modellek a gyári rendszerekből származó számos bemeneti adatot felhasználva határozhatják meg, hogy mi a legjobb cselekvési irány.
Összegezve
Az egyes változtatások vagy korszerűsítések csak korlátozott mértékben járulhatnak hozzá az ipar üvegházhatást okozó gázkibocsátásának csökkentéséhez. Az Ipar 4.0 megvalósításával a gyártók számos különböző technikát alkalmazhatnak a szén-dioxid-kibocsátás és az energiafelhasználás többletforrásainak megszüntetésére, amelyek mindegyike együttesen olyan célt szolgál, amely megvalósíthatóvá teszi a nettó zéró-s működést. A magas szintű szolgáltatást nyújtó elektronikai alkatrész-forgalmazók, mint például a Farnell, kulcsszerepet játszanak a vállalkozásoknak az Ipar 4.0-ra való áttérésében (migrating a business to Industry 4.0.). A műszaki támogatást nyújtó forgalmazók figyelembe vehetik a már meglévő infrastruktúrát, és tanácsot adhatnak a vállalkozásoknak az olyan hardverek – mint a fejlett PLC-k, érzékelőmodulok, ipari számítógépek és számos más olyan alrendszer – beszerzésével kapcsolatban, amelyeket össze kell kapcsolni a hatékony nettó zéró kibocsátási terv létrehozásához.
Szerző: Ankur Tomar, műszaki marketing menedzser – Farnell
Farnell element14
Ingyenesen hívható telefonszám: 06 80 016 413
Műszaki támogatás e-mailben: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
http://hu.farnell.com
www.element14.com
