Sisälogistiikan optimointi Teollisuus 4.0 -toimitusketjujen virtaviivaistamiseksi ja nopeuttamiseksi – osa 1/2

Sisälogistiikka (intralogistiikka) käyttää autonomisia mobiilirobotteja (AMR) ja automaattitrukkeja (AGV) siirtämään materiaaleja tehokkaasti Teollisuus 4.0 -varastoissa ja -tuotantotiloissa. Tässä artikkelissa käsitellään sitä, kuinka autonomisia mobiilirobotteja ja automaattitrukkeja käytetään järjestelmätasolla sisälogiikan toteuttamiseksi ja miten materiaaleja voidaan siirtää tarpeen mukaan nopeasti ja turvallisesti. Tämän sarjan osassa 2 keskitytään käyttötapauksiin ja siihen, miten autonomiset mobiilirobotit ja automaattitrukit käyttävät antureita kohteiden tunnistamiseen ja seuraamiseen, sekä siihen, miten koneoppiminen ja tekoäly auttavat materiaalien tunnistamisessa, siirrossa ja toimittamisessa eri puolille varastoa ja tuotantotiloja.

Materiaalien nopea siirto varastossa vastaanottolaiturilta lastauslaiturille tai tuotantolaitoksessa paikasta toiseen – mitä kutsutaan sisälogistiikaksi (intralogistiikaksi) – on kriittinen osa toimitusketjutoimintojen virtaviivaistamista ja nopeuttamista Teollisuus 4.0 -ympäristössä. Sisälogistiikka tarkoittaa paljon muutakin kuin raakaa nopeutta: maksimaalisen hyödyn saavuttamiseksi se on toteutettava tehokkaasti, tarkasti ja jätemäärää vähentämällä. Autonomisilla mobiiliroboteilla (AMR) ja automaattitrukeilla (AGV) voi olla erittäin tärkeä rooli sisälogistiikan parantamisessa.

Autonomiset mobiilirobotit ja automaattitrukit näyttävät samankaltaisilta, mutta ne toimivat eri tavalla. Perinteiset automaattitrukit on esiohjelmoitu suorittamaan rajattuja toimintoja mahdollisimman alhaisin kustannuksin, kun taas uusia automaattitrukkimalleja on saatavilla autonomisten mobiilirobottien kaltaisilla antureilla varustettuina, mikä hämärtää näiden kahden laitteen välistä eroa. Perinteiset automaattitrukit toimivat turvallisuusnäkökulmien vuoksi eri alueilla kuin ihmiset. Uudemmat mallit sisältävät kuitenkin antureita törmäysten ehkäisemiseksi, ja ne voivat taata korkeamman turvallisuustason.

Tässä artikkelissa tarkastellaan aluksi sisälogistiikkaa ja sitä, miten sitä voidaan käyttää toimitusketjujen nopeuttamiseen. Sen jälkeen siinä vertaillaan automaattitrukkien ja autonomisten mobiilirobottien toimintaa ja käyttökohteita sekä tarkastellaan lyhyesti näiden kahden välisiä eroja kyvyssä navigoida ja väistää esteitä sekä niiden eroja joustavuuden, turvallisuuden, käyttöönottohaasteiden, huollon ja omistuskustannusten osalta. Samassa yhteydessä käsitellään autonomisten mobiilirobottien ja automaattitrukkien välisen eron hämärtymistä. Lopuksi luodaan katsaus siihen, miten digitaalisten kaksosten käyttö voi parantaa tulevaisuuden sisälogistiikkatoimintoja. Tämän sarjan toisessa artikkelissa syvennytään autonomisten mobiilirobottien ja automaattitrukkien vaatimiin erilaisiin anturitekniikoihin. DigiKey tarjoaa kumpaankin täyden valikoiman sisälogistiikan automaatiotuotteita.

Sisälogistiikan määritelmä

Sisälogistiikassa käytetään kyberfyysisiä järjestelmiä, joiden tehtävänä on optimoida sisäiset jakelu- ja tuotantoprosessit. Jotta sisälogistiikkajärjestelmä toimisi täydellä tehokkuudella, se täytyy myös integroida laajempaan toimitusketjuun internetin ja paikallisten toimintaprosessien kautta.

Varastoissa järjestelmä sisältää tiedot siitä, missä kaikki materiaali on laitoksessa, mitä tarvitaan keskeneräisten tilausten täyttämiseen, mitä saattaa puuttua tilausten täyttämiseksi ja mihin saapuva materiaali sijoittuu laajemmassa toimitusketjussa.

Tehtaissa sisälogistiikka kattaa tiedot siitä, mitä materiaalia tarvitaan tiettyihin valmistusprosesseihin. Se tukee mahdollisimman tehokasta aikataulutusta koordinoimalla tietoja siitä, mitä laitoksessa on kulloisellakin hetkellä ja milloin lisämateriaaleja saapuu, ja yhdistää tiedot koneiden ja työntekijöiden saatavuuteen.

Täysin integroidut tiedot materiaalien saatavuudesta, työntekijöistä, näiden osaamisesta ja sijainneista sekä koneista ja niiden käytettävyydestä vähentävät kustannuksia minimoimalla varastokannat, lisäävät joustavuutta massaräätälöintiä varten ja parantavat laatua (kuva 1).

Kuva 1: Sisälogistiikka voi sisältää materiaaleja, työntekijöitä ja koneita koskevaa informaatiota Teollisuus 4.0 -toimintojen optimoimiseksi. (Kuvan lähde: Getty Images)

Sisälogistiikka vaikuttaa prosessitekniikkaan, järjestelmäsuunnitteluun, projektinhallintaan, materiaalitarpeiden suunnitteluun sekä lukuisiin muihin toimintoihin. Materiaalien automatisoitu kuljetus laitoksen läpi on ratkaisu sisälogistiikan hyötyjen maksimointiin.

Materiaalinkäsittelyn vaihtoehtoja

Autonomisten mobiilirobottien ja automaattitrukkien tehtävänä on siirtää materiaaleja paikasta toiseen niin, että sisälogistiikkatoimintojen tehokkuus, tarkkuus, tuottavuus ja turvallisuus paranevat. Nämä järjestelmät voidaan erottaa toisistaan niiden kuormankantokonfiguraatioiden perusteella. On olemassa monia tiettyihin sisälogistiikkatoimintoihin soveltuvia autonomisten mobiilirobottien ja automaattitrukkien konfiguraatioita:

• Vaunuja kutsutaan myös kuorman alla kulkeviksi ajoneuvoiksi, ja ne ajavat kuljetettavan tavaran alle, nostavat sen ylös pystysuoraan ja kuljettavat määränpäähän. Nämä ajoneuvot voidaan suunnitella nostamaan ja kuljettamaan 1 tonnin paino tai enemmän.
• Vetotraktorit tai hinaustrukit kytkeytyvät yhteen tai useampaan materiaaleilla lastattuun automatisoituun tai ei-automatisoituun vaunuun ja kuljettavat ne paikasta toiseen. Useimmat niistä on mitoitettu noin 1 tonnille, mutta saatavilla on malleja myös 20 tonnin kuormille. Lisäksi saatavana on autonomisesti toimivia ja manuaalisesti ohjattavia malleja.
• Robottitrukkeja on saatavana useissa eri konfiguraatioissa, joihin kuuluvat lavansiirtovaunut, vastapainotrukit ja kapeakäytävätrukit. Niiden työkuorma on rakenteesta riippuen useita tonneja, ja ne voivat nostaa taakan yli 10 metrin korkeuteen.
• Kuormankantajat ovat automatisoituja mobiilialustoja, jotka voivat noukkia materiaaleja kuljetinlinjan päästä, robottikäyttöisiltä lastausasemilta ja muista automatisoiduista järjestelmistä. Niiden kuormituskapasiteetit ovat yleensä pienempiä kuin muilla mobiilirobotti- ja automaattitrukkityypeillä.

Mitkä ovat automaattitrukkien ja autonomisten mobiilirobottien väliset erot?

Automaattitrukit ja autonomiset mobiilirobotit voivat käyttää samantyyppisiä konfiguraatioita, mutta niillä on erilaiset ominaisuudet. Peruseroja ovat:

• Automaattitrukit navigoivat paikasta toiseen ulkoisia ratoja pitkin, jotka on toteutettu magneettinauhoilla, lattiateipeillä/-maaleilla tai lattiaan asennetuilla johdoilla. Ne eivät voi liikkua mihinkään ilman näitä ulkoisia ratoja.
• Autonomiset mobiilirobotit käyttävät kaikkein tehokkaimman reitin suunnitteluun ja esteiden dynaamiseen välttämiseen sisäisten antureiden, langattomasti yhdistettyjen ulkoisten antureiden, tekoälyn (AI) ja koneoppimisen (KL) yhdistelmää.

Automaattitrukit kehitettiin ennen Teollisuus 4.0 -aloitteen mukaisten varastojen ja tehtaiden käyttöönottoa, ja niitä on kehitetty viime aikoina jonkin verran lisää Teollisuus 4.0 -sovellusten mukaisiksi, joten eroavuudet eivät ole enää niin selviä kuin ennen. Samankaltaisuuksia ja eroja liittyy seuraaviin tekijöihin:

Navigointi ja esteiden välttäminen. Navigointi on suurin erottava tekijä. Automaattitrukit voivat kulkea vain ennalta määrättyjä reittejä pitkin, kun taas autonomiset mobiilirobotit voivat kulkea vaihtelevia reittejä pitkin ennalta määrätyllä alueella tai ympäristössä. Koska mobiilirobotit liikkuvat autonomisesti, niillä on laajat kyvyt välttää esteitä. Niihin kuuluvat uusien esteiden, kuten aiemmin tyhjälle käytävälle sijoitetun kuormalavan, tunnistaminen ja väistäminen sekä robotin reitillä olevan henkilökunnan havaitseminen ja kiertäminen. Varhaisilla automaattitrukkimalleilla oli rajalliset kyvyt välttää esteitä, ja alueet, joilla niitä käytettiin, suunniteltiin siten, ettei niissä ollut ihmisiä. Uudemmissa automaattitrukeissa on enemmän erilaisia antureita, mikä tekee niiden käytöstä turvallisempaa ihmisten läheisyydessä. Vaikka automaattitrukit pystyvät tunnistamaan esteet, ne eivät kuitenkaan osaa navigoida niiden ympäri kuten autonomiset mobiilirobotit. Sen sijaan automaattitrukit pysähtyvät, kunnes este on poistettu. Jotkin mallit osaavat jatkaa automaattisesti matkaa, jos este siirretään pois tieltä.

Joustavuus. Autonomiset mobiilirobotit tarjoavat enemmän joustavuutta, ja ne voidaan ohjelmoida uudelleen uusiin ympäristöihin ilman fyysisten muutosten tarvetta. Kun automaattitrukit otetaan käyttöön uudessa ympäristössä, ohjausradat on asennettava tai niitä on muutettava tarvittavia ajoreittejä varten. Automaattitrukit on myös rajoitettu yhteen ainoaan tehtävään eli materiaalin siirtoon ennalta määrätystä pisteestä toiseen. Ympäristön muutokset, kuten ajoreitin muutoksia vaativa uusien laitteiden lisääminen, voivat häiritä niitä.

Turvallisuus. Koska autonomiset mobiilirobotit osaavat väistää paremmin esteitä, niitä pidetään yleisesti automaattitrukkeja turvallisempina. Tämä ei kuitenkaan ole niin yksinkertaista. Molemmat voidaan varustaa hätäpysäytyskytkimillä ja antureilla esteiden tunnistamiseksi ja törmäysten välttämiseksi – ihmisiin törmääminen mukaan lukien. Autonomiset mobiilirobotit on suunniteltu käyttöön ihmisten läheisyydessä, ja niihin on integroitu lukuisia turvallisuustoimintoja. Automaattitrukit toisaalta ajavat ennalta määrättyjä reittejä, ja henkilökunta tietää etukäteen niiden sijainnin ja voi helpommin välttää kontaktin niiden kanssa. Molemmat tekniikat tarjoavat korkean turvallisuustason.

Käyttöönoton haasteet. Automaattitrukit ja autonomiset mobiilirobotit vaativat erityisen infrastruktuurin tukemaan niiden käyttöönottoa. Autonomiset mobiilirobotit voidaan yleensä ottaa käyttöön nopeammin, ja ne aiheuttavat automaattitrukkeja vähemmän häiriöitä. Automaattitrukit edellyttävät ohjausratojen asentamista pisteiden välistä navigointia varten. Autonomiset mobiilirobotit ovat riippuvaisia erilaisista antureista, joita on asennettu eri puolille laitosta. Ne auttavat robotteja tarjoamalla yksityiskohtaisia tilannetietoja ja tukevat niiden navigointia. Autonomiset mobiilirobotit soveltuvat monimutkaisempiin ympäristöihin ja sovelluksiin. Autonominen mobiilirobotti voidaan esimerkiksi ohjelmoida toimimaan yhteistyössä tilausta keräilevän ihmisen kanssa ”Seuraa minua” -sovelluksessa. Autonomiset mobiilirobotit sopivat näiden eroavuuksien takia yleisesti paremmin Teollisuus 4.0 -ympäristöihin, joissa muutoksia on odotettavissa ja joissa niiden on tuettava tehokkaasti näitä muutoksia (kuva 2).

Kuva 2: Automaattitrukit ajavat kiinteitä reittejä, minkä vuoksi ne soveltuvat huonommin moniin Teollisuus 4.0 -sovelluksiin. (Kuvan lähde: Getty Images)

Huolto. Tässä tilanne on ristiriitainen. Automaattitrukit ovat yksinkertaisempia koneita, joissa on vähemmän antureita ja jotka voivat vaatia autonomisia mobiilirobotteja vähemmän huoltoa. Automaattitrukkien tarvitsema tuki-infrastruktuuri voi kuitenkin vaurioitua ja vaatia ylimääräistä huoltoa. Autonomisten mobiilirobottien anturit voivat puolestaan vaatia huoltoa, ja robottien ohjelmistot on päivitettävä säännöllisesti. Koska automaattitrukkien vaatimuksiin kuuluu liikkua alueilla, joissa ei ole ihmisiä, tarkoittaa se usein sitä, että niillä on pidempi matka määränpäähän autonomisiin mobiilirobotteihin verrattuna. Pidemmät ajoetäisyydet lisäävät automaattitrukkien kulumista, mikä saattaa lisätä huoltokustannuksia. Vastaus siihen, kummat tarvitsevat enemmän huoltoa – automaattitrukit vai autonomiset mobiilirobotit – riippuu siis sovelluksesta.

Kustannukset. Automaattitrukit ovat yksinkertaisempia ja edullisempia koneita kuin autonomiset mobiilirobotit. Asennuskustannusten erot on hankalampi määritellä: automaattitrukit vaativat ohjausratojen asentamista, kun taas autonomiset mobiilirobotit tarvitsevat joukon ulkoisia antureita sekä langattoman yhteyden. Automaattitrukkien käyttökustannukset ovat korkeampia, koska niiden ohjausradat vaativat enemmän huoltoa kuin autonomisten mobiilirobottien tueksi tarvittava infrastruktuuri. Autonomiset mobiilirobotit voidaan yleisesti ottaa nopeammin käyttöön, mikä vähentää laitosseisokkeihin liittyviä kustannuksia ja tekee niistä sopivampia Teollisuus 4.0 -sovelluksiin.

Digitaaliset kaksoset, digitaaliset säikeet ja sisälogistiikka

Digitaaliset kaksoset ja digitaaliset säikeet voivat olla arvokkaita työkaluja sisälogistiikan käyttöönotossa. Digitaaliset kaksoset ovat yksityiskohtaisia virtuaalisia malleja kompleksisista kyberfyysisistä järjestelmistä, kuten sisälogistiikassa käytettävät järjestelmät. Digitaaliset kaksoset luodaan käyttämällä eri lähteistä peräisin olevaa dataa. Sitä tarjoavat laitosten anturit, laitosten tietokoneavusteiset suunnittelumallit (CAD), laitoksissa käytettävien laitteiden antureista saatava palaute ja niin edelleen. Näiden kaksosten avulla voidaan tuottaa reaaliaikaisia simulaatioita varaston tai tehtaan toiminnasta prosessien optimoimiseksi ja potentiaalisten ongelmien selvittämiseksi ennen niiden syntymistä (kuva 3). Digitaaliseen kaksoseen liittyy digitaalinen säie, joka sisältää täydellisen historian digitaalisen kaksosen kaikesta toiminnasta koko sen käyttöiän ajalta.

Kuva 3: Digitaalinen kaksonen (vasemmalla) voi tarjota reaaliaikaisia simulaatioita, joilla tuetaan tuottavuuden parantamista Teollisuus 4.0 -tehtaissa. (Kuvan lähde: Getty Images)

Sisälogistiikan digitaalisten kaksosten ja digitaalisten säikeiden kehitys on vielä alkuvaiheessa. Ennakoitavissa olevat toiminnot ovat tärkeitä tehokkaiden sisälogistiikkajärjestelmien kannalta. Autonomiset mobiilirobotit, automaattitrukit ja robotit toimivat hyvin ennustettavalla ja toistettavissa olevalla tavalla, ja niiden käyttö Teollisuus 4.0 -ympäristössä voi yksinkertaistaa digitaalisen kaksosteknologian käyttöä. Niiden käyttö digitaalisen kaksosen kanssa tukee laitoskaluston optimointia ja hallintaa sekä mahdollistaa ennaltaehkäisevän huollon minimaalisella vaikutuksella laitoksen toiminnan tehokkuuteen.

Digitaaliset kaksoset tarjoavat käyttöön suuren määrän reaaliaikaista dataa, joka kattaa sekä ympäristöolosuhteet että koneiden ja prosessien tilaa koskevat toiminta- ja käyttötiedot. Digitaalinen kaksonen käyttää tätä dataa todellisten järjestelmien simulointiin ja kokonaisten koneiden ja yksittäisten komponenttien, kuten automaattitrukkien ja autonomisten mobiilirobottien akkujen, kunnon ennustamiseen, jotta niiden suorituskyky voitaisiin optimoida.

Mitä tarkemmin digitaalinen kaksonen simuloi todellista maailmaa, sitä suurempia hyötyjä tämä tarjoaa. Sisälogistiikkajärjestelmään sisältyy tyypillisesti automatisoituja järjestelmiä ja ihmisiä. Ihmistoiminnan sisällyttäminen digitaaliseen kaksoseen voi parantaa entisestään simulaatioiden tarkkuutta ja sisälogistiikan tarjoamia hyötyjä. Sisälogistiikan, digitaalisten kaksosten ja digitaalisten säikeiden yhdistämisen tekoälyyn ja koneoppimiseen odotetaan osoittautuvan tärkeäksi elementiksi täysin automatisoitujen Teollisuus 4.0 -tehtaiden ja -varastojen kehittämisessä.

Yhteenveto

Sisälogistiikka on materiaalien siirtoa teollisuuslaitoksen, kuten varaston tai tehtaan, sisällä. Automaattitrukit ja autonomiset mobiilirobotit ovat tärkeitä välineitä materiaalivirtojen automatisointiin ja nopeuttamiseen. Vaikka molemmilla on hyvät ja huonot puolensa, autonomiset mobiilirobotit soveltuvat paremmin Teollisuus 4.0 -sovelluksiin. Kun sisälogistiikka yhdistetään digitaalisiin kaksosiin, tekoälyyn ja koneoppimiseen, voidaan tukea täysin automatisoitujen tehtaiden ja varastojen kehittämistä.