Průmysl 4.0 – Od vize k realitě

Smíšená realita v inteligentních ovládacích konceptech. (Foto: OPTIMA packaging group GmbH) / Smíšená realita ve chytrých ovládacích konceptech. (Fotografie: OPTIMA packaging group GmbH)

Monitoring stavu poskytuje informace o jednotlivých strojích nebo celých linkách v reálném čase. Na základě předem stanovených alarmových a chybových limitů lze odchylky včas odhalit a odstranit. (Foto: Bosch Packaging Technology) / Monitoring stavu poskytuje informace o jednotlivých strojích nebo celých linkách v reálném čase. Na základě předem stanovených alarmových a chybových limitů lze odchylky včas odhalit a odstranit. (Foto: Bosch Packaging Technology)

Digitální transformace směrem k propojeným výrobním prostředím v rámci Industrie 4.0 (I4.0) nebo Internetu věcí (Internet of Things, IoT) nabírá na dynamice. Mnoho aplikací z oblastí monitorování produktů a procesů, značení, balení, logistiky či údržby a oprav již dnes ukazuje, jaké potenciály optimalizace tento přechod k Internetu věcí nabízí.

Těmito věcmi jsou senzory, RFID čipy (Radio Frequency Identification), zařízení, stroje a zařízení. Ty by měly v budoucnu nejen samostatně kontinuálně poskytovat informace o všech důležitých stavech procesů a systémů, ale také komunikovat přes internet mezi sebou a bez zásahu člověka zasahovat do výrobních procesů korekcemi a optimalizacemi. Základem této komunikace přes internet je internetový protokol (IP) s jednoznačně identifikovatelnými IP adresami. Starý internetový protokol IPv4 však mohl poskytnout pouze adresní prostor přibližně 4,3 miliardy IP adres – a ty byly již na začátku roku 2012 všechny přiděleny – pro PC, notebooky, tablety a mobilní telefony. Proto byl vyvinut nový standard IPv6, který zahrnuje adresní prostor o velikosti 3,4 x 10^38 IP adres. Nedostatek adres již není třeba se obávat. Přechod na IPv6 je stále v plném proudu. Výzvy tedy nespočívají tolik v samotných věcech a jejich adresách, ale spíše v datovém toku, který bude jednou, až bude miliardy senzorů posílat tisíce dat za sekundu hlavním řídicím počítačům. Tato data je třeba v reálném čase analyzovat pro vizualizace a simulace a ukládat je pro dokumentační účely (zpětná sledovatelnost).

V Internetu věcí jde tedy především o data. Přesněji – o informace získané z těchto dat. A to je doména softwaru a algoritmů. Co se již dnes dá dosáhnout, je dostatečným důvodem k aktivní podpoře transformace. Následující příklady ukazují aplikace, které se již brzy vyplatí.

Paradigmatická změna v údržbě

Poškození ložisek, převodovek, čerpadel nebo plnících a dávkovacích zařízení se ve skutečnosti neobjevují náhle, ale jsou dlouho před vznikem škody signalizována neobvyklými vibracemi, teplotními odchylkami nebo změnami ve spotřebě proudu, poklesem tlaku a podobně. Tyto odchylky zachycené senzory v rámci monitorování stavu lze dnes díky vysoce složitým analytickým a simulačním programům vyhodnocovat v reálném čase, vizualizovat a začlenit do technologických souvislostí. Na základě těchto informací mohou operátoři strojů a zařízení cíleně, a především vzdáleně, zasahovat do systémů prostřednictvím dálkového ovládání. Například k tomu, aby zařízení vždy běžela v optimálním režimu, provádět změny programů nebo nahrávat nové řídicí a aplikační programy. Dále je možné na základě výsledků simulací přesně předpovědět zbývající životnost kritických částí strojů, což dává zcela nové perspektivy údržbě.

Při tom se přechází od reaktivní a preventivní údržby s jejich pravidelnými výměnami komponentů k prediktivní údržbě, která umožňuje přesně plánovat údržbové zásahy – tzv. Predictive Maintenance. Výhodami jsou vyšší dostupnost strojů a zařízení, výrazně nižší riziko poruch, vyšší bezpečnost provozu a výroby a podstatně nižší náklady na údržbu.

Predictive Maintenance je navíc důležitým prvkem udržitelnosti. Při pravidelných výměnách dílů byla vždy jistota, ale zároveň se plýtvalo drahocennou zbytkovou životností drahých dílů, protože neexistovala přesná data o jejich chování. Dnes je znalost o chování materiálů, dlouhodobém namáhání při střídavé zátěži a podobně mnohem pokročilejší než před 10 nebo dokonce 20 lety. Dalším aspektem jsou dnes dostupné výkonnější počítače, chytřejší analytické programy, FEM (Finite Element Method) a simulační software. Ty umožňují s vysokou přesností odhadnout očekávanou zbývající životnost a předpovědět ji – a z tohoto poznatku těží Predictive Maintenance.

Chatovat s stroji

Zvyšující se výkon, flexibilita a inteligence strojů a zařízení vede k stále složitějším systémům, což klade nejvyšší nároky na vývoj ovládacích konceptů uživatelských rozhraní (HMI, Human Machine Interface). Hardwarově jsou HMI zařízení s dotykovými obrazovkami, jak je většina lidí zná ze svých chytrých telefonů nebo tabletů. Díky tomu mohou uživatelé při osvojování si práce se stroji a zařízeními stavět na známých znalostech, což motivuje a výrazně zkracuje dobu zaučení.

Klíčovým aspektem při vývoji ovládacích rozhraní je, že stroje musí být stále snadněji ovladatelné i pro osoby bez specifického odborného vzdělání a často i s nedostatečnými jazykovými znalostmi. Aby se předešlo chybám při ovládání, vývojáři používají intuitivně pochopitelné grafické prvky místo textu. Také jsou na vzestupu fotorealistické 3D CAD zobrazení strojů, zařízení a komponent. Dále musí HMI splňovat požadavky různých uživatelů podle jejich kvalifikace a oprávnění. Například operátoři strojů vidí jiné ovládací rozhraní než například směnoví vedoucí, údržbáři nebo výrobní manažeři. Každý uživatel tak vidí pouze data odpovídající jeho úkolům a relevantní v dané situaci. Informace jsou navíc omezeny na podstatu, což zajišťuje přehlednost a okamžitý přehled o klíčových ukazatelích strojů a výrobních datech.

Mobilita a průchodnost jsou dalšími znaky moderních HMI. Trendem je přechod na mobilní zařízení, ze kterých lze ovládat a řídit stroje a zařízení odkudkoli v závislosti na oprávnění uživatele. To především šetří čas a náklady na cestování v oblasti servisu a údržby.

Práce v virtuálních světech

Jen málo témat v současnosti v souvislosti s Internetem věcí vzbuzuje tolik pozornosti jako virtuální či digitální dvojče. Jeho technické základy tvoří výkonné 3D CAD, simulační a analytické programy, stejně jako virtuální 1:1 kopie skutečných řídicích programů strojů a zařízení. Na těchto softwarových nástrojích je postaven celý výrobní proces včetně komponent, strojů, zařízení a jejich řízení jako virtuální model – a to se všemi fyzikálními daty potřebnými pro simulace. Navíc nabízí možnost offline programování. To vše činí virtuální dvojče univerzálním nástrojem pro vývojáře, provozovatele a údržbáře.

Díky realistickým simulacím lze již ve fázi vývoje odhalit konstrukční chyby či slabá místa v konceptu, aniž by bylo nutné předem vyrobit skutečný díl. To platí i pro programování a optimalizaci řídicích systémů.

Jednou z nejdůležitějších aplikací je virtuální uvedení do provozu. Nejde pouze o virtuální zkušební běh, ale také o to, aby se zaměstnanci odpovědní za zařízení seznámili s vlastnostmi a možnostmi systému. Jinými slovy: digitální dvojče je letecký simulátor pro průmyslové procesy, stroje a zařízení. Virtuální předběžné spuštění před skutečným uváděním do provozu se mnohonásobně vyplatí. Pokud jsou v systému nebo v ovládacím konceptu ještě chyby, lze je opravit předem, aniž by došlo ke škodám na skutečných částech zařízení. Offline programování zase umožňuje plánovačům výroby během provozu provádět virtuální změny systému a zjišťovat jejich dopad na taktové časy nebo testovat různé provozní režimy. Nejvýznamnější je však skutečnost, že v rámci virtuálního dvojčete je spojeno znalostní bohatství mnoha specialistů, které lze později využít i v dalších projektech.

Stručně řečeno, díky propracovaným simulacím mohou výrobci zařízení a uživatelé výrazně zkrátit dobu realizace projektů, urychlit uvádění do provozu a dosáhnout výrazných efektů při vývoji podobných zařízení a procesů. To šetří nejen čas, ale především zdroje, energii a pracovní sílu.

Standardizované rozhraní jsou nezbytností

Standardizace je stále velkou výzvou, protože většina výrobců strojů má stále své vlastní rozhraní. Avšak integrace je klíčovým rysem Internetu věcí. A tato integrace vyžaduje především průchodnost při výměně dat a informací mezi stroji – jak vertikálně, tak horizontálně. A právě to vynucuje otevřené standardní protokoly. Trendem je proto přechod na open source řešení, která jako neproprietární systémy nabízejí vysokou investiční jistotu a nezávislost. Příkladem je OPC Unified Architecture (OPC UA), soubor specifikací pro připojení strojů různých výrobců. OPC UA zajišťuje bezpečnost prostřednictvím autentizace a autorizace, šifrování a integrity dat.

Proto je OPC UA ideální pro bezpečný, spolehlivý a nezávislý přenos surových dat a předzpracovaných informací z výrobní úrovně do nadřazených systémů plánování výroby nebo ERP systémů.

Starší zařízení mohou také 4.0

Mnoho starších strojů, zařízení, motorů a kompresorů není vybaveno senzory a komunikační technikou potřebnou pro Industrie 4.0 – částečně ani pro provoz v propojených systémech. To však neznamená, že by tyto zařízení byla kvůli digitální transformaci zastaralá. Jako vstupní řešení do Industrie 4.0 lze na ně dodatečně nainstalovat chytré senzory. Ty pravidelně měří důležité parametry stavu strojů a zařízení a bezdrátově je přenášejí přes integrované komunikační rozhraní k vyhodnocení na HMI nebo chytré telefony či tablety zaměstnanců. S těmito a dalšími jednoduchými metodami mohou firmy levně vstoupit do světa Industrie 4.0 a těžit z nižších prostojů, delších provozních dob strojů, nižší spotřeby energie a podobně.

Na veletrhu interpack 2017 organizuje odborné sdružení Nahradní stroje a balicí stroje ve VDMA speciální výstavu na téma Industrie 4.0. Ukáže jako technologickou lounge na stánku VDMA příklady řešení z oblasti balicích strojů a technologických procesů, které nabízejí nové možnosti v oblastech bezpečnosti, zpětné sledovatelnosti, ochrany proti kopírování a plagiátům či personalizovaných obalů.