Kualitas 4.0:Bagaimana Jaringan Sensor IoT Nirkabel Membentuk Kembali Manufaktur
Kontrol kualitas sangat penting di setiap industri, tetapi di bidang manufaktur, itu sangat penting. Permintaan pasar yang fluktuatif, bahan dan biaya produksi yang tinggi, di samping sifat kritis misi dari produk akhir, mendorong produsen untuk mengejar kualitas terbaik dan tingkat penolakan minimal. Dengan Internet of Things (IoT) yang secara bertahap mulai berkembang di industri manufaktur, manajemen kualitas adalah area dengan peluang transformasional.
Sekilas Tantangan Manajemen Kualitas
Manajemen kualitas yang efektif bergantung pada kemampuan untuk terus memantau dan mengontrol sejumlah parameter mesin dan proses yang memengaruhi kualitas produk. Untuk memastikan properti produk konsisten dan up-to-par, kalibrasi ulang peralatan terus dilakukan saat proses drift dan perubahan lain dalam lini produksi muncul. Namun, dengan semakin kompleksnya sistem perkakas dan proses manufaktur, banyak variabel proses dibiarkan tanpa pengawasan karena batas jaringan kabel yang besar.
Meskipun ideal untuk tugas otomatisasi dengan throughput tinggi dan sensitif terhadap waktu, komunikasi kabel tidak memiliki fleksibilitas dan keterjangkauan yang diperlukan untuk menangkap data telemetri pada skala dan di luar level alat berat. Biasanya, faktor-faktor seperti kondisi lingkungan, meskipun berpengaruh besar pada variabilitas kualitas, seringkali tidak dipelajari dan dikendalikan. Misalnya, dalam pembuatan mobil, suhu ruangan yang terlalu rendah dapat menurunkan kualitas komponen cetak 3D dengan menyebabkan komponen menjadi terlalu cepat dingin.
Terlebih lagi, dirancang pada abad terakhir, sebagian besar sistem industri berbasis kabel tidak dimaksudkan untuk pertukaran data di luar lantai pabrik. Ini menciptakan pulau data yang tidak terhubung yang tidak tersedia untuk meningkatkan efisiensi dan throughput produksi. Sebaliknya, pengoptimalan proses dan manajemen kualitas sering kali bergantung pada inspeksi pascaproduksi manual yang reaktif. Selain intervensi manusia yang mahal, hal ini menimbulkan variabilitas kualitas yang signifikan dan biaya terkait, sekaligus menyulitkan untuk melacak akar penyebab masalah kualitas.
Masuk ke Industri 4.0:Manajemen Kualitas Proaktif
Pencarian mendesak untuk meningkatkan visibilitas proses menunjukkan potensi luar biasa dari IoT dan mitranya, Industri 4.0, untuk manajemen kualitas proaktif.
Jaringan IoT nirkabel menangkap sejumlah besar titik data penting granular di sepanjang jalur produksi. Misalnya, tekanan, getaran, suhu dan kelembaban. Dengan potensi ribuan sensor yang dipasang di lokasi, data dikumpulkan sesering setiap 10 – 20 detik dan dikirim melalui stasiun pangkalan ke sistem backend pilihan pengguna, baik di lokasi maupun di cloud. Menggunakan platform IoT jarak jauh, semua data sensor digabungkan untuk pemantauan waktu nyata, wawasan yang dapat ditindaklanjuti, dan otomatisasi proses. Peringatan dapat segera dipicu ketika kondisi di luar spesifikasi di antara peralatan dan proses yang sedang berjalan muncul. Ini menawarkan kontrol yang belum pernah terjadi sebelumnya kepada produsen atas operasi dan output produk mereka. Di luar pemeriksaan kualitas akhir yang reaktif, data IoT memberdayakan pendekatan jaminan kualitas proaktif untuk mendiagnosis dan mencegah cacat jauh lebih awal dalam proses untuk hasil produksi puncak dan pengulangan. Ini juga mengarah pada pengurangan biaya dan pemborosan. Secara bersamaan, ini memberikan wawasan berharga untuk mencapai dan mempertahankan praktik terbaik.
Lima Aplikasi Unggulan untuk Manajemen Kualitas Proaktif:
1. Pemantauan Kondisi dan Pemeliharaan Prediktif
Sensor IoT menangkap dan mengomunikasikan metrik kesehatan dan operasional utama seperti tekanan, getaran, suhu, kelembaban, dan voltase berbagai mesin dan peralatan di seluruh kompleks industri (pemantauan kondisi). Selain menghasilkan gambaran mendalam tentang proses produksi dan kinerja aset saat ini, data besar ini mengalirkan model analitik daya untuk secara proaktif memprediksi masalah yang akan datang dan menjadwalkan inspeksi dan perbaikan berbasis permintaan (pemeliharaan prediktif). Misalnya, kelembaban tinggi di kotak roda gigi mengurangi kinerja komponen putar, yang mengakibatkan korosi, penurunan kualitas produk, atau bahkan kerusakan mesin. Getaran motor dan pompa yang berlebihan menunjukkan kemungkinan cacat pemasangan, ketidaksejajaran poros, dan keausan bantalan. Dengan pemeliharaan prediktif, kegagalan dapat dicegah sebelumnya, sehingga memaksimalkan pemanfaatan aset dan mengurangi kerugian yang mahal akibat waktu henti.
2. Pemantauan Lingkungan
Kondisi lingkungan dapat memainkan peran penting dalam produksi dan manajemen kualitas. Dengan bantuan sensor lingkungan yang mengukur suhu, kelembaban, dan kualitas udara, operator pabrik dapat memantau dan mengontrol lingkungan optimal dari jarak jauh untuk berbagai proses di seluruh pabrik dari pusat komando mereka. Misalnya, mempertahankan perbedaan tekanan udara yang ideal, mencegah infiltrasi debu di area manufaktur, sehingga mengamankan kualitas produk di industri farmasi dan mikroelektronika. Proses perekatan dan pengecatan pada produksi otomotif dapat ditingkatkan dengan tingkat kelembapan yang optimal. Demikian juga, pemantauan suhu yang akurat dari fasilitas pemrosesan dan penyimpanan dapat memastikan keamanan produk di industri makanan.
3. Pelacakan dan Pengelolaan Aset
Sensor IoT yang melekat pada aset individu seperti alat, mesin, dan kendaraan, menangkap dan melaporkan informasi terperinci tentang kondisi saat ini, serta di mana dan bagaimana mereka digunakan. Dengan memiliki gambaran real-time yang holistik tentang aset lintas lokasi, operator dapat dengan cepat menentukan peralatan yang kurang dimanfaatkan, mendiagnosis masalah dan hambatan yang akan datang, serta memobilisasi alat dan suku cadang dengan mudah. Pada akhirnya, penerapan IoT untuk manajemen aset memungkinkan organisasi untuk mengoptimalkan aktivitas pemeliharaan dan masa manfaat aset, sekaligus menghilangkan catatan manual yang rawan kesalahan dan pesanan yang berlebihan.
4. Pemantauan Pipa dan Tangki Jarak Jauh
Tangki dan saluran pipa adalah aset penting di banyak industri proses. Luapan atau kebocoran produk kimia dan gas tidak hanya menyebabkan kerugian produksi tetapi juga menyebabkan kerusakan serius pada lingkungan dan mengancam keselamatan publik. Dengan menerapkan sensor level, getaran, laju aliran, dan tekanan, bisnis dapat mengawasi kesehatan struktural tangki dan saluran pipa yang didistribusikan secara luas sepanjang waktu, sekaligus mengurangi pemeriksaan manual. Peringatan dikeluarkan tentang potensi tumpahan, kebocoran, atau pecah yang dapat menyebabkan bencana. Peringatan tentang tingkat material yang rendah dalam tangki juga dapat dikeluarkan untuk pengisian ulang yang tepat waktu guna meningkatkan produktivitas.
5. Manajemen Fasilitas
IoT memungkinkan manajemen digital dan perlindungan fasilitas pabrik penting. Lift berkemampuan IoT, pendeteksi asap, alarm kebakaran, dan sumber daya fasilitas lainnya di seluruh pabrik dapat secara berkala mengirim data tentang kesehatan baterai atau status "hidup". Ini membantu produsen mengurangi inspeksi manual yang memakan waktu, sekaligus dapat dengan cepat menanggapi masalah apa pun yang dapat mengganggu jalur produksi.
Konektivitas Nirkabel Masa Depan untuk Kualitas 4.0
Dengan akuisisi data sebagai tantangan yang melekat di sebagian besar lingkungan industri, penerapan IoT sering kali tampak sangat kompleks, mahal, dan menakutkan. Diperkirakan akan ada 36,8 miliar perangkat IIoT aktif pada tahun 2025, naik dari 17,7 miliar saat ini. Karena semakin banyak perusahaan yang ingin memanfaatkan aplikasi IoT baru, penting untuk mempertimbangkan keandalan jangka panjang, keterpaduan, dan pengelolaan jaringan komunikasi karena skalanya untuk mengakomodasi ribuan titik akhir yang terhubung. Kenyataannya, semuanya bermuara pada pemilihan konektivitas IoT yang tepat untuk kasus bisnis yang tepat.
Instrumentasi nirkabel tidak selalu baru untuk manufaktur, tetapi persyaratan penting dalam hal jangkauan, daya, dan kemudahan integrasi membatasi opsi yang layak. Misalnya, aplikasi pemantauan industri dapat memerlukan jutaan pesan per hari untuk dikirim dari ribuan sensor. Ini menuntut solusi yang sangat terukur dan hemat daya untuk menghindari penggantian dan pembuangan baterai yang sering yang dapat dengan cepat meningkatkan total biaya kepemilikan. Demikian pula, fasilitas industri yang luas dan padat secara struktural memerlukan komunikasi nirkabel yang andal yang dapat menempuh jarak jauh dan mengatasi hambatan fisik. Desain tradisional fasilitas manufaktur juga menciptakan tantangan. Solusi nirkabel harus dapat berintegrasi dengan peralatan lama seperti PLC untuk memecah silo data dan menyediakan akses ke informasi yang sebelumnya tidak dapat diakses.
Teknologi nirkabel lama tidak dapat mengikuti persyaratan jangkauan, daya, dan biaya di jaringan sensor IoT. Konektivitas seluler tradisional (misalnya 3G, LTE, dll.) dan jaringan area lokal nirkabel (Wi-Fi) terlalu mahal dan haus daya untuk mentransmisikan sejumlah kecil data dari sejumlah besar perangkat sensor. Solusi lain seperti Bluetooth, Zigbee, dan Z-Wave memiliki jangkauan fisik yang sangat terbatas; dan meskipun banyak dari mereka menggunakan topologi mesh untuk memperluas cakupannya, relai multi-hop memakan daya, sementara memerlukan perencanaan dan manajemen jaringan yang kompleks. Dengan demikian, jaringan mesh paling cocok untuk aplikasi jarak menengah.
Jaringan area luas berdaya rendah (LPWAN) unik karena mereka mengatasi perangkap ini dan memberikan solusi yang efisien, terjangkau, dan mudah diterapkan untuk jaringan IoT skala besar. Daya tarik LPWAN berasal dari dua fitur khasnya:jarak jauh dan konsumsi daya rendah. Sementara Wi-Fi dan Bluetooth hanya dapat berkomunikasi lebih dari sepuluh atau seratus meter, LPWAN mampu mengirimkan sinyal hingga 15 km di daerah pedesaan dan hingga 5 km di perkotaan, daerah padat struktural. Selain itu, protokol ringan yang dioptimalkan daya mengurangi biaya transceiver sekaligus memungkinkan masa pakai baterai yang sangat lama untuk node sensor.
Penting untuk dicatat, bagaimanapun, bahwa kualitas layanan bervariasi di seluruh teknologi LPWAN. Ini terutama karena dua alasan – operasi mereka dalam spektrum bebas lisensi dan penggunaan komunikasi asinkron sederhana, biasanya ALOHA murni (sebuah node mengakses saluran dan mengirim pesan setiap kali ada data untuk dikirim). Sambil membawa manfaat daya yang signifikan, transmisi yang tidak terkoordinasi dalam jaringan asinkron sangat meningkatkan kemungkinan tabrakan paket dan kehilangan data. Karena penyebaran IoT nirkabel dan lalu lintas radio di pita sub-GHz bebas lisensi berkembang pesat, LPWAN lawas berpotensi datang dengan kualitas layanan (QoS) dan tantangan skalabilitas yang serius yang disebabkan oleh gangguan saluran bersama. Dalam hal yang sama, standarisasi dan dukungan mobilitas yang andal adalah faktor penting lainnya yang tidak boleh diabaikan.
Menutup
Kemampuan untuk mengidentifikasi pola tersembunyi, memprediksi masalah di masa depan, memperkirakan penggunaan dan biaya, dan memperoleh wawasan dari data sensor IoT akan membentuk kembali proses industri selamanya. Sementara sektor ini telah mengadopsi teknologi komunikasi untuk beberapa waktu, konektivitas nirkabel baru seperti LPWAN membantu membawa lebih banyak titik data online dengan harga yang jauh lebih rendah. Di tengah tantangan industri yang semakin berat, implementasi IoT dapat menjadi titik balik untuk membawa manajemen kualitas dan efisiensi operasional ke tingkat berikutnya dan tetap menjadi yang teratas dalam persaingan.
Artikel ini ditulis oleh Wolfgang Thieme, Chief Product Officer, BehrTech (North York, ON, Canada), Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Mr. Thieme di wthieme@ behrtech.com atau kunjungi di sini .
