Reine Industrie 4.0: Příjemná budoucí hudba

Na druhém vrcholovém setkání „Průmysl 4.0 Live“ v červenci 2017 představila Fraunhoferův institut pro výrobní technologie a automatizaci IPA řadu aplikovaných řešení pro digitalizaci výroby. Část ukázaných případů použití se týká velmi konkrétně oblasti čistých prostor. To vedlo redakci reinraum online k tomu, aby v individuálním rozhovoru podrobněji prozkoumala téma a aplikace.
Průmysl 4.0, digitalizace, digitální transformace, Internet věcí, chytré produkty, chytré služby, IoT, virtuální výroba – na klíčová slova pro nejnovější vývoj ve světě výroby opravdu není nedostatek. U rozmanitosti pojmů se však člověk ptá: Vědí vlastně všichni, kteří tato krásná slova vyslovují, skutečně, co znamenají? Důvod k pochybnostem je, protože i mezi odborníky a uznávanými experty panují velké rozdíly v názorech a pojmové odchylky.

A poté, co institut IPA nyní do scénáře přidal i pojmy jako Čistá průmyslová 4.0, Čistotě odpovídající výroba a Čistotě specifické automatizační systémy, chtěli jsme od stuttgartských vědců vědět, co přesně pod tímto pojmem rozumí. To nám však, jak nám vysvětlil Dr. Udo Gommel, vedoucí oddělení Čisté a mikroprodukce, nelze jednoduše vysvětlit ve dvou větách. I odpovědný vedoucí projektu, Dr. Tim Giesen, vnímá rozmanitost pojmů spíše jako zdroj zmatku než jako užitečnou diferenciaci.

Zmatení pojmů – pokus o objasnění

Proto se zde nejprve pokusíme o objasnění pojmů, bez nároku na úplnost nebo absolutní platnost, samozřejmě. Jak již bylo řečeno, v tomto oboru si každý pod těmito pojmy představuje něco jiného a denně vznikají nová slovní spojení.

Průmysl 4.0, často zkracovaný jako I4.0, je v současnosti extrémně módní. Tento pojem je však nejen velmi široký, ale již je také poměrně okoukaný a stále častěji se používá jako klíčové slovo k popisu trendu digitalizace výrobních procesů a k vykreslení obrazu továrny budoucnosti. Co přesně pod tímto pojmem rozumět, však často zůstává v temnotě. Koncepčně průmysl 4.0 představuje čtvrtou průmyslovou revoluci, při níž po mechanizaci (Průmysl 1.0), masové výrobě (Průmysl 2.0) a automatizaci (Průmysl 3.0) nyní zavádí internet věcí a služeb do výroby. První kroky směrem k tomu již byly učiněny a možnosti se zdají být bez hranic. Průmysl 4.0 se týká velmi mnoha úrovní hodnotového řetězce a podle jednoznačného názoru expertů nabízí obrovský potenciál ke zvýšení produktivity na jedné straně a ke snížení nákladů na straně druhé. Podle věštců by to mohlo být až 30 procent, což přinese velké růstové příležitosti a konkurenční výhody.

Po tom, co se již v minulosti strojírenství a elektrotechnika spojily v mechatronice, se nyní v rámci průmyslu 4.0 integruje i třetí disciplína, informační a komunikační technologie, a oblasti jsou výrazně propojeny. Vznikají tak továrny, ve kterých si inteligentní stroje vyměňují informace a samostatně se organizují. Výrobní linky jsou v továrně budoucnosti sítěmi propojeny se stroji a řídí výrobu. Díky tomu je výroba flexibilnější a efektivnější, protože stroje komunikují přímo s IT systémy firmy a vzniká tak plynulý tok informací. Z masových dílů se stále více stávají unikáty, odpovídající trendu personalizace produktů. Každá součást, každý výrobek získává v digitálním výrobním prostředí datovou „identitu“, díky níž se může samostatně pohybovat v inteligentní továrně a kdykoli být lokalizován a ovládán.

Internet věcí, často označovaný jako IoT nebo Internet of Things, popisuje svět, který vzniká, když jsou zařízení, předměty a produkty vybaveny mikročipy nebo senzory a samostatně posílají informace například o využití nebo stavu naplnění do systémů zpracování informací. Tato zařízení a předměty jsou označována jako chytré objekty.

Chytré objekty přenášejí data o svém vlastním provozním a výrobním stavu nebo také o své aktuální poloze, která jsou shromažďována, aktualizována a vyhodnocována podle účelu použití. Tak mohou stroje samostatně předávat informace o využití, stavu naplnění, nadcházející údržbě apod., nebo již během výroby poskytovat informace o zbývajících výrobních krocích (například v rámci zákaznicky orientované výroby).
Stejně jako chytré objekty bude stále více i chytrých služeb. To znamená, že inteligentní produkty po dodání zákazníkovi jsou po dobu své používání připojeny k internetu a ukládají obrovské množství dat o vlastním provozním a výrobním stavu do cloudových databází. Z toho plyne možnost nabízet zákazníkům individuální datově založené služby a tím vznikají četné nové obchodní modely.

Součástí továrny budoucnosti je také možnost propojit všechny stroje podniku nejen mezi sebou, ale i se systémy dodavatelů a zákazníků. Tím lze na odchylky a poruchy reagovat co nejefektivněji a v reálném čase. Člověk však hraje také klíčovou roli v chytré továrně, v inteligentní výrobě. Jako „augmentovaný operátor“ řídí a dohlíží na výrobní procesy výrobní sítě pomocí IT asistivních systémů, například pomocí datové brýle.

Přirozeně se všechny tyto vývoje týkají stále více i oblasti čistých prostor, protože již dnes a v budoucnu bude stále více výrobních procesů probíhat za podmínek čistého prostoru nebo alespoň v čisté místnosti. Proto Fraunhoferův institut IPA v rámci oddělení Čisté a mikroprodukce zřídil novou organizační jednotku s názvem „Čistotě odpovídající automatizační systémy“, která je interdisciplinární a obsahově heterogenní a vyvíjí aplikační řešení pro „Čistotě odpovídající výrobu“. Zde jsou umístěny pilotní projekty pro průmysl 4.0, které jsou charakteristické intenzivním propojením vědy a praxe na jedné straně a integrací hardwaru a softwaru na straně druhé, a které tak utvářejí budoucnost.

Co znamená průmysl 4.0 v čistém prostoru?

Vědci z IPA jsou přesvědčeni, že vývoj směrem k „Čisté inteligenci“, tedy cestě k inteligentnímu čistému prostoru budoucnosti, bude probíhat ve třech fázích. Vedoucí projektu Dr. Tim Giesen k tomu říká: „Aktuálně se nacházíme na nejnižší úrovni této pyramidy. Jde o zvyšování transparentnosti, která vzniká přístupem k datům v čistém prostoru, automatickou dokumentací a sběrem dat v čistém prostoru a automatickým reportováním na úrovni shopfloor.“ Na druhé úrovni vývoje půjde o tzv. interkonexi, tedy o komunikaci informačních a datových toků v reálném čase pomocí kyber-fyzických systémů během výrobního procesu. Na třetí úrovni, tzv. Čistá inteligence, bude v budoucnu dosaženo úplné dostupnosti všech procesů jako služeb, přičemž bude generováno obrovské množství dat (Big Data) a bude využíváno rozpoznávání vzorů k řízení celkového procesu a koordinaci operací.

Pokud jde o příklady použití, které v oddělení Čisté a mikroprodukce IPA vyvíjí pro čistý prostor 4.0, Giesen dále vysvětluje: „Nové aplikace pomáhají lépe poznat svůj čistý prostor jako výrobní místo z hlediska transparentnosti, a tím nejen identifikovat možné zdroje chyb, ale také optimalizovat procesní toky.“ Například tím, že všechny možné hodnoty jsou zaznamenávány, odesílány do cloudu a zde ukládány, lze získat přesné informace o tom, v jakém stavu a naplnění jsou stroje a zařízení v čistém prostoru, jaké je aktuální obsazení prostoru, jaký produkt právě vzniká, kdo se právě nachází v prostoru a zda nedochází k překročení určitých limitů, a mnoho dalšího.

To podle vědce nakonec přispívá k větší transparentnosti probíhajících procesů a tím i k jasnějšímu pochopení příčin vadných výrobků, a umožňuje cíleně odstraňovat zdroje chyb. Významné je to také pro produktivitu, například když jsou v reálném čase komunikovány stavy materiálů a tím je možné včas zajistit zásobu bez přerušení výroby. Šéf oddělení Dr. Udo Gommel dodává, že zde je před sebou velmi široký aplikační potenciál, který obsluhuje různé potřeby – a to vše přes jedno spojení.

Jako příklad může sloužit takzvaný „Cleanroom Scout“, který je momentálně vyvíjen v IPA. Jedná se o malého decentralizovaného hlídače, který v čistém prostoru chrání a dohlíží buď na produkt, nebo na osoby z hlediska bezpečnosti práce a bezpečnosti výrobku. Také oblast „Prediktivní údržba“, tedy předvídatelná údržba zařízení a systémů na základě aktuálních dat o využití a opotřebení, by měla přinést velké změny ve výrobním prostředí. V budoucnu budou například senzory na ose výrobního stroje sbírat data, například teplotu. Pokud teplota stoupne, signalizuje zvýšené tření a indikuje blížící se údržbu. Tato schopnost detekovat opotřebení a řešit jej ve správný čas umožňuje přesné plánování kapacit podle cyklů údržby zařízení. Tím se předcházejí poruchám a zvyšuje se produktivita. V čistém prostoru jsou především senzory filtračních systémů určeny pro tyto prediktivní modely, ale také všechny možné spotřební materiály.

Plán cesty do čistého prostoru budoucnosti

V oddělení Dr. Gommele v IPA byla vypracována poměrně konkrétní roadmapa, která ukazuje, kde dnes stojíme a kam směřujeme. Vedoucí projektu Dr. Giesen vysvětluje, že například dnes již dostupné systémy Condition Monitoring, které kdykoliv mohou poskytnout komplexní informace o stavech zařízení, se v budoucnu stanou samozřejmou součástí čistých prostor. Také bezpapírový čistý prostor hraje v futuristických úvahách velkou roli, kde se pracuje na úplném odstranění kontaminačního zdroje papíru pomocí mobilních zařízení, například tabletů, a na propojení analytických přístrojů s těmito zařízeními. Zatím jsou data převážně spravována centrálně, ale budoucnost čistých prostor přinese decentralizované přístupy, díky nimž budou v čistých prostorách nasazeny chytré komponenty, které budou komunikovat napříč lokalitami a budou koordinovány v reálném čase.

Další perspektivní technologií je systém sledování a zpětné identifikace (Track-and-Trace), při němž chytrá „věc“ v čistém prostoru nejenže poskytuje informace o své poloze, ale také o svém stavu, vysvětlují vědci z IPA. Dále se otevírá možnost vybavit osobní ochranné prostředky zaměstnanců senzory, které budou kontrolovat kontaminaci a opotřebení, a dokonce je využít pro řízení přístupu. Rostoucí schopnost chytrých komponent se samostatným popisem včetně propojení s nadřazenými systémy zpracování informací otevírá obrovské aplikační pole. Čistý prostor se tak stane jakýmsi samořídícím hlídačem, který bude koordinovat, spravovat a orchestrálně řídit všechny v něm operující jednotky.

Jako již konkrétně vyvinutou „aplikaci zítřka“ lze vidět v IPA rozšířenou realitu, kdy operátor v čistém prostoru pomocí brýlí Hololens vidí úplný obraz stroje, který mu zobrazuje například aktuální stav stroje, které součásti jsou právě na zařízení, jaké materiály jsou právě testovány a jak dlouho bude zkouška trvat. Tím může řídit procesy bez nutnosti manipulace s vybavením.

Další zajímavý přístup, označovaný v IPA jako „Inside-Out technologie“, který pravděpodobně ještě zůstane pouze v rovině budoucnosti, umožňuje „vytáhnout“ stroj v čistém prostoru pomocí tabletové aplikace. Operátor tak nemusí vstoupit do prostoru, ale zaměří se na marker umístěný na stroji zvenčí, a okamžitě se na displeji zobrazí přesný obraz stroje. Pomocí tohoto obrazu jsou pak prováděny řízení a nastavování podle zobrazených informací. Navíc jsou v případě potřeby zobrazena všechna relevantní data a informace o součástech, zařízeních, senzorech, procesech, až po kontaktní údaje zákaznické podpory.

Budoucnost již začala, i když je ještě před námi mnoho vývojových prací a chvíli potrvá, než se nové technologie skutečně začlení do čistých prostor. Reinraum online bude pečlivě sledovat další kroky směrem k Cleanroom 4.0 a pravidelně o nich informovat.