Reine Industrie 4.0: Csengő jövőzenék

Az ipari 4.0 élő csúcstalálkozón, 2017 júliusában, a Fraunhofer Ipari Gyártástechnikai és Automatizálási Intézet (IPA) bemutatta a gyártás digitalizációjára vonatkozó alkalmazott megoldásokat. A bemutatott esettanulmányok egy része konkrétan a tisztatér alkalmazási területére vonatkozik. Ez arra késztette a reinraum online szerkesztőségét, hogy egy egyéni beszélgetés során mélyebben utánajárjon a témának, és alaposabban megvizsgálja az alkalmazásokat.
Az ipari 4.0, digitalizáció, digitális átállás, IoT, okos termékek, okos szolgáltatások, IoT, virtuális gyártás – ezek a kulcsszavak a legújabb fejlesztésekhez a gyártás világában, és valóban nem hiányoznak. A fogalmi sokszínűség kérdése azonban felmerül: vajon mindenki, aki ezeket a szép szavakat használja, valóban tudja, mit is jelentenek? Ennek megkérdőjelezése indokolt, hiszen még szakemberek és szakértők között is nagy véleménykülönbségek és fogalmi eltérések vannak.

És miután a Fraunhofer IPA most már olyan fogalmakat is beemelt, mint a tiszta ipar 4.0, a tisztaságorientált gyártás és a tisztaság-specifikus automatizálási rendszerek, szerettük volna megtudni a stuttgarti tudósoktól, pontosan mit értenek ez alatt. Dr. Udo Gommel, a tiszta- és mikrogyártás osztályvezetője szerint ez nem is könnyen magyarázható két mondatban. A felelős projektvezető, Dr. Tim Giesen szerint pedig a fogalmi sokszínűség inkább zavart okoz, mint hasznos különbségtételt.

Fogalomzavar – egy magyarázó kísérlet

Ezért most megpróbálunk egy fogalommagyarázatot adni, természetesen nem teljeskörűen vagy abszolút érvényesen, hiszen, amint mondtuk, ebben a területen mindenki mást ért a fogalmak alatt, és naponta születnek új kifejezések.

Az ipari 4.0 jelenleg rendkívül divatos. A fogalom nemcsak széles körben elterjedt, hanem már eléggé elcsépeltté vált, és egyre inkább szlogenként használják a gyártási folyamatok digitalizációjának irányát és a jövő gyár képének felvázolására. De pontosan mit is takar ez, gyakran homályban marad. Az ipari 4.0 koncepciója a negyedik ipari forradalmat jelenti, amely a mechanizáció (Ipar 1.0), a tömegtermelés (Ipar 2.0) és az automatizálás (Ipar 3.0) után most az internetes dolgok és szolgáltatások térnyerését hozza a gyártásban. Első lépések már megtörténtek, és a lehetőségek határtalanoknak tűnnek. Az ipari 4.0 számos értéklánc szintjét érinti, és a szakértők egyöntetű véleménye szerint óriási potenciál rejlik benne a termelékenység növelésében és a költségek csökkentésében. A jóslatok szerint akár 30 százalékos növekedést és versenyelőnyt hozhat.

Már a múltban is volt, hogy a gépészet és az elektrotechnika találkozott a mechatronikában, most az ipari 4.0-ban pedig a harmadik szakterület, az információ- és kommunikációtechnológia is integrálódik, és ezek az ágazatok szorosan összekapcsolódnak. Ennek eredményeként olyan gyárak jönnek létre, ahol az intelligens gépek információt cserélnek, és önállóan szerveződnek. A jövő gyárában az alkatrészek összekapcsolódnak a gépekkel, így irányítva a gyártást. Ezáltal a gyártás rugalmasabbá és hatékonyabbá válik, mivel a gépek közvetlenül kommunikálnak a vállalat IT-rendszereivel, így folyamatos információáramlás jön létre. A tömegtermékek helyett egyre inkább egyedi darabok készülnek, amelyek megfelelnek a termékek személyre szabásának trendjének. Minden alkatrész, minden termék digitális világban egy „azonosítót” kap, amellyel önállóan navigálhat az intelligens gyárban, és bármikor lokalizálható vagy irányítható.

A „Things of Internet” vagy IoT, azaz az internetes dolgok világa azzal írható le, hogy az eszközök, tárgyak és termékek mikrochipekkel vagy szenzorokkal vannak felszerelve, és automatikusan küldenek információkat például a használatról vagy a töltöttségükről az információfeldolgozó rendszerek felé. Ezeket az eszközöket okos tárgyaknak (Smart Objects) nevezik.

Az okos tárgyak adatokat hordoznak saját működési és gyártási állapotukról, vagy akár aktuális tartózkodási helyükről, amelyeket a felhasználási céltól függően gyűjtenek, frissítenek és értékelnek. Így például a gépek önállóan továbbíthatják a használati adatokat, a töltöttségi szinteket, a karbantartási igényeket, vagy a gyártás során információkat az elvégzendő lépésekről (például egyedi ügyfélspecifikus gyártás).
Hasonlóan az okos tárgyakhoz, egyre inkább megjelennek az okos szolgáltatások is. Ez azt jelenti, hogy az intelligens termékek a szállítás után is internetkapcsolatban maradnak, és hatalmas mennyiségű adatot tárolnak saját működésükről és állapotukról egy felhőben. Ez lehetővé teszi, hogy személyre szabott, adat-alapú szolgáltatásokat kínáljanak az ügyfeleknek, és ez számos új üzleti modellt eredményezhet.

A jövő gyárába tartozik az is, hogy minden gép összekapcsolható legyen egymással, valamint beszállítókkal és ügyfelekkel is. Ez lehetővé teszi, hogy az eltérésekre és meghibásodásokra gyorsan és valós idejűn reagáljunk. A „Smart Factory”, azaz az intelligens gyár központi szerepet játszik ebben, ahol az „Augmented Operator”, azaz kiegészített operátor, IT-alapú segédberendezések, például adat szemüveg segítségével irányítja és felügyeli a gyártási folyamatokat.

Természetesen ezek a fejlesztések egyre inkább érintik a tisztatér szektort is, hiszen már ma is, és a jövőben egyre inkább, több gyártási folyamatnak kell tisztatér vagy legalábbis tisztasági körülmények között zajlania. Ezért a Fraunhofer IPA a tiszta- és mikrogyártás osztály keretében létrehozott egy új szervezeti egységet „Tisztaság-specifikus automatizálási rendszerek” néven, amely interdiszciplináris és tartalmilag heterogén módon működik, és alkalmazási megoldásokat fejleszt a „Tisztaságorientált gyártás” területén. Itt helyezkednek el az ipari 4.0-hez kapcsolódó pilotprojektek, amelyek a tudomány és a gyakorlat szoros összekapcsolásával, valamint a hardver és szoftver integrációjával formálják a jövőt.

Mit jelent az ipari 4.0 a tisztatérben?

Az IPA kutatói biztosak abban, hogy a „Clean Intelligence”, azaz a jövő tiszta gyárának intelligenssé tétele három lépésben fog megtörténni. Dr. Tim Giesen projektvezető így magyarázza: „Jelenleg még az alapfokon vagyunk. Ez a fokozat a növekvő átláthatóságról szól, amit a tisztatérben elérhető adatokhoz való hozzáférés, az adatok automatikus dokumentálása és gyűjtése, valamint az automatikus riportkészítés tesz lehetővé a gyártósoron.” A második szinten az ún. „Interconnection” lesz a fő szerep, vagyis a valós idejű kommunikáció az információ- és adatáramlások között, cyber-fizikai rendszerek segítségével a gyártási folyamat során. A harmadik szint, a „Clean Intelligence”, pedig az összes folyamat teljes körű elérhetőségét célozza szolgáltatásként, ahol hatalmas adatmennyiségek (Big Data) keletkeznek, mintázatfelismerés segítségével irányítják a folyamatokat és koordinálják az ügymenetet.

Az IPA tisztatér alkalmazási példái alapján Giesen így foglalja össze: „Az új alkalmazások segítenek abban, hogy saját tisztatérünket, mint gyártási helyet, jobban megismerjük, ezáltal nemcsak a hibaforrásokat azonosíthatjuk, hanem a folyamatokat is optimalizálhatjuk.” Például azzal, hogy minden értéket rögzítenek, feltöltik a felhőbe, és ott tárolják, pontos információkhoz juthatunk arról, hogy a tisztatérben működő gépek és eszközök milyen állapotban vannak, milyen töltöttségi szinteken, milyen termék készül éppen, kik tartózkodnak a térben, és hogy esetlegesen meghaladják-e a határértékeket, valamint sok másról.

Ez végső soron hozzájárul ahhoz, hogy átláthatóbbá váljanak a folyamatok, és ezáltal tisztább legyen a kép a hibák okairól, illetve hatékonyabban kiküszöbölhetők legyenek a problémák. Emellett nagy jelentősége van a termelékenység szempontjából is, például ha az anyagok töltöttségi szintjei valós időben kommunikálódnak, így időben biztosítható a folyamatos utánpótlás. Dr. Udo Gommel osztályvezető hozzáteszi, hogy ez egy rendkívül széles alkalmazási lehetőséget rejt magában, amely sokféle igényt képes kiszolgálni – mindezt ugyanazon a hálózaton keresztül.

Egy példa erre a „Cleanroom Scout”, amelyet jelenleg az IPA fejleszt. Ez egy kis decentralizált őr, amely a tisztatérben védelmet nyújt a termék vagy személyek számára, például munkabiztonság vagy termékbiztonság érdekében. A „Predictive Maintenance”, azaz az előre jelezhető karbantartás, amely a konkrét és aktuális használati adatok, kopásinformációk alapján történik, várhatóan jelentős változásokat hoz majd a gyártási folyamatokban. Például a jövőben szenzorok mérhetik egy gyártógép tengelyén a hőmérsékletet. A hőmérséklet emelkedése a fokozott súrlódás jele, ami gyors karbantartást tesz szükségessé. Ez a lehetőség a kopás felismerésére és időben történő kijavítására pontosan segíti a kapacitástervezést a karbantartási ciklusok szerint. A meghibásodások így megelőzhetők, és növelhető a termelékenység. A tisztatérben elsősorban a szűrőrendszerek alkalmasak ezekre a prognózis-modellekre, de minden fogyóeszköz is ide tartozik.

Út a jövő tisztatérébe – ütemterv

Az IPA egyik osztályán, Dr. Gommel vezetésével, kidolgoztak egy viszonylag konkrét útitervet, amely megmutatja, hol állunk ma, és hová tartunk. Dr. Giesen elmagyarázza, hogy például a ma már technikailag elérhető Condition Monitoring rendszerek, amelyek bármikor átfogó információkat adhatnak a gépek állapotáról, a jövőben természetes részei lesznek a tisztatéri környezetnek. A papírmentes tisztatér is fontos szerepet játszik a jövőképekben, ahol a cél az, hogy a papír szennyezőforrást teljesen kiküszöböljék, és mobil eszközökkel, például tabletekkel helyettesítsék. Míg ma az adatok főként központilag kerülnek kezelésre, a jövőben a decentralizált megközelítések lesznek jellemzők, és a tisztatérben okos komponensek kerülnek alkalmazásra, amelyek képesek kommunikálni egymással, valamint a rendszerközpontokkal, valós idejű koordinációval.

Egy másik, szintén jövőbe mutató technológia a „Track-and-Trace”, azaz nyomon követés és nyilvántartás, amely szerint az okos „dolgok” a tisztatérben információt adnak helyükről és állapotukról is, magyarázzák az IPA kutatói. Emellett lehetőség nyílik arra is, hogy a munkatársak védőfelszerelését szenzorokkal lássák el, így ellenőrizve a szennyeződést vagy kopást, és akár a hozzáférést is szabályozhatják. Az okos komponensek egyre fejlettebb önleíró képessége, valamint a felügyeleti rendszerekhez való csatlakozás lehetőséget adnak hatalmas alkalmazási területek kiaknázására. Így a tisztatér egyfajta önmenedzselő őr lehet, amely koordinálja, irányítja és hangolja össze az összes benne működő egységet.

Egy már konkrétan kifejlesztett „közeljövőbeli” alkalmazás az IPA-nál az Augmented Reality (kiterjesztett valóság) alkalmazás, ahol a műveletvezető a tisztatérben egy Hololens szemüveg segítségével teljes képet lát a gépről, amelyet például a megjelenített kontextusinformációk mutatnak meg, például a gép aktuális állapotát, az alkatrészek helyét, a vizsgált anyagokat, vagy a kísérlet hátralévő idejét. Így irányíthatja a folyamatokat anélkül, hogy megérintené a berendezést.

Egy másik izgalmas megközelítés, amit az IPA „Inside-Out-technológiának” nevez, és amely valószínűleg még csak a jövő zenéje, lehetővé teszi, hogy a tisztatérben lévő gépet egy tablet alkalmazással „kívülről” irányítsák. Így a kezelő nem kell belépjen a térbe. Ehelyett egy külső markerre irányítva a gépen megjelenik annak pontos mása a képernyőn, és a vezérlést a megjelenített kontextusinformációk szerint lehet elvégezni. Szükség szerint pedig minden releváns adat és információ, például a részegységek, szenzorok, folyamatok, vagy akár a szerviz telefonszáma is megjeleníthető.

Az tehát már most elkezdődött, bár még sok fejlesztés várat magára, és időbe telik, amíg az új technológiák valóban elterjednek a tisztaterekben. A reinraum online figyelemmel kíséri majd a Cleanroom 4.0 felé vezető lépéseket, és rendszeresen beszámol róluk.