Aktuální vydání

celé číslo

04

2019

Plnicí a balicí stroje, výrobní logistika a správa skladových zásob

Průmyslové počítače, PLC

celé číslo

Automatizace, simulace a optimalizace, chytré továrny jako součást konceptu Průmysl 4.0

Článek stručně, s odkazy na zdroje podrobnějších informací, přibližuje charakter konceptu Průmysl 4.0 a některé hlavní rysy budoucích chytrých továren. V textu je kladen důraz na zásadní význam vzájemné komunikace zařízení v továrnách budoucnosti. Je konstatováno, že cesta k chytrým továrnám vede pouze přes jejich digitalizaci při použití výkonných simulačních nástrojů. V závěru článku je na ukázce simulačního modelu mořicí linky použitého v praxi naznačeno, jak lze v továrnách zítřka efektivně realizovat komunikaci v automatizovaných transportních systémech.

 
Základní vize 4. průmyslové revoluce (Industry 4.0, Průmysl 4.0) spočívá ve vytvoření tzv. chytrých továren. Podstatou chytré (inteligentní) továrny je výroba, ve které si produkty samy nesou informaci o způsobu, jakým mají být v průběhu výrobního procesu zpracovány, při použití strojů, které samy hlásí technické poruchy, či skladů autonomně reflektujících stav zásob a zadávajících u dodavatelů nové objednávky apod. [1]. Inteligentní továrny mají v budoucnu díky nové generaci vzájemně komunikujících automatizovaných řídicích systémů mít pod kontrolou všechny články dodavatelského a výrobního řetězce [2]. Tím vzrostou nároky kladené na inteligentní řídicí systémy a na komunikaci mezi nimi a prosadí se navrhování, ověřování a optimalizace výrobních provozů pomocí jejich virtualizace s použitím simulačních modelů.
 

Automatizace v konceptu Průmysl 4.0

V plně automatizovaných výrobních provozech budou produkovány i malé výrobní dávky, které budou reflektovat aktuální požadavky zákazníků. Aby to bylo možné, bude nezbytné zredukovat doby potřebné na přeseřizování výroby a s tím spojené náklady [3]. Systémy slučující výpočetní techniku a skutečný svět (obr. 1) výrazně navýší inteligenci průmyslových zařízení používaných v továrnách. Příslušné prostředky a metody budou integrovány do komponent a zařízení, které tak budou moci navzájem v reálném čase komunikovat a vyměňovat si data a instrukce, což ve svém důsledku umožní zcela automatizovat
výrobu [4].
 

Komunikace jako základ továren zítřka

S vývojem průmyslu dochází k přechodu výroby ze samostatných automatizovaných výrobních jednotek do ucelených zcela automatizovaných a průběžně optimalizovaných výrobních celků. Základním prostředkem pro komunikaci prostřednictvím výměny po sítích v chytrých továrnách se stane technika radiofrekvenční identifikace (RFID). Ta bude jádrem struktury zajišťující autonomní výměnu údajů a na jejím základě pak vyvolání potřebných akcí v reakci na momentální podmínky a vzájemnou nezávislou kontrolu. Se systémy RFID s sebou každý výrobek ponese digitální informaci, kterou při svém pohybu po výrobní lince může sdílet se stroji prostřednictvím rádiových signálů.
 
Z pohledu realizace konceptu Průmysl 4.0 je velmi zajímavá inovovaná řada jednotek RFID skupiny Simatic RF od firmy Siemens, vyznačujících se snadnou integrací do často používaných řídicích systémů skupiny Simatic a sítí Profibus a Profinet [5].
 

Digitalizace chytrých továren

Nedílnou součástí vývoje průmyslu je tzv. digitalizace výrobních procesů, tedy jejich namodelování s použitím simulačního softwaru.
 
Velmi výkonným nástrojem v tomto oboru je již zmíněný software Tecnomatix Plant Simulation od firmy Siemens, umožňující virtuálně navrhovat a simulovat nové i stávající výrobní systémy, což pomáhá např. předem ověřit kapacitu dostupných zdrojů či správnost navržených postupů. S nástroji pro počítačovou simulaci reálných procesů lze digitalizovat i velmi komplexní výrobní systémy a simulovat různé výrobní scénáře (obr. 2). Výrobním manažerům se tak nabízí možnost předem zjistit dopady jejich rozhodnutí, aniž by vznikly ztráty na reálném systému.
 

Propojení zařízení v chytrých továrnách

Při digitalizaci výroby je třeba uvažovat také vzájemnou komunikaci inteligentních automatizovaných systémů, která může být chápána jako nezbytná součást inteligence těchto systémů a tím i chytré továrny. Zajistit ji lze např. při použití multiagentních systémů, jež jsou technikou umělé inteligence.
 
Multiagentní systém sestává z agentů, které spolu navzájem komunikují, nejčastěji výměnou zpráv prostřednictvím počítačové sítě. V tomto smyslu se hovoří o tzv. internetu věcí (Internet of Things – IoT). Snímače, stroje, výrobky a prostředky IT budou vzájemně propojeny a budou na sebe pomocí standardních komunikačních protokolů na bázi internetu vzájemně reagovat a analyzovat data, aby mohly předvídat případné chyby či poruchy, konfigurovat samy sebe a v reálném čase se přizpůsobovat změněným podmínkám. Tyto techniky již pokročily do té míry, že lze vytvořit ucelený systém ovládání, který bude zcela automatický [3].
 
Využití multiagentního systému může jak v simulaci, tak i v reálném světě přinést nové možnosti vzájemné interakce nejen mezi jednotlivými zařízeními a systémy, ale i v jejich ovládání, sledování a zajišťování pokročilých služeb.
 

Komunikace transportních jednotek na mořicí lince

Klíčovou úlohou při řízení transportních jednotek v dopravních zařízeních je zajistit jejich komunikaci, vzájemnou i s širším okolím. Jde zejména o výměnu informací při přidělování pracovních úkonů, vzájemném úhybu, řešení kolizí atd. Pokrokovým způsobem, jak zajistit efektivní komunikaci mezi transportními jednotkami, je využití techniky již zmíněných multiagentních systémů.
 
Princip funkce multiagentního systému je v dalším textu demonstrován na simulačním modelu mořicí linky vytvořeném v rámci práce na reálném projektu za použití zmíněného nástroje Tecnomatix Plant Simulation (obr. 3).
 
Obecně spolu agenty komunikují a přijímají informace z prostředí, mj. také informace ohledně pracovního úkonu, který by měly vykonávat. Interně se pak samy rozhodnou, který úkon provedou, který přenechají jinému agentu nebo jej pro tuto chvíli opustí. Jestliže se transportní jednotka rozhodne úkon vykonat, musí zároveň alokovat cílový zdroj a trasu pojezdu. Jsou-li cílový zdroj či trasa blokovány jiným polotovarem či transportní jednotkou, k alokaci nedochází. Je tedy nutné zajišťovat alokaci dynamicky, podle aktuální potřeby. V modelu je náhradou za pevné řízení ponecháno řízení transportních jednotek na nich samotných. Každá jednotka je samostatným agentem. Agenty však sdílejí většinu kódu a rozhodování, včetně komunikačního protokolu.
 
Činnost transportních jednotek (TJ) na lince podle obr. 3 probíhá např. takto:
  • na lince vznikne požadavek na pracovní úkon, konkrétně přesun polotovaru z vany +31 na pozici +40 (viz oranžová šipka na obr. 3), který je přidělen TJ1 (je-li požadavků na transport více, je přidělen ten s nejvyšší prioritou),
  • TJ1 se dotáže ostatních transportních jednotek (tj. TJ2 na obr. 3) na prostupnost trasy potřebné k provedení úkonu, je-li trasa volná, úkon se provede,
  • není-li trasa volná, TJ1 bude zjišťovat, zda překážející TJ2 provede úhyb, nebo zda bude výhodnější, aby celý úkon převzala překážející TJ2,
  • při provádění úhybu může dojít ke kolizi, a tak by se znovu komunikovalo, než se cesta vyčistí.
 
Z uvedeného je patrné, že TJ1 a TJ2 pracují jako agenty, komunikují a podílejí se na řešení situace. Je ovšem také zřejmé, že toto řešení je založeno jen na pozorování aktuální situace, agenty neprovádějí žádný odhad optimálního postupu. V tomto bodě lze řízení ještě vylepšovat, např. právě o způsob, kterým by agenty předvídaly budoucnost, popř. dále aby agenty byly schopné konstruovat si plány několik kroků dopředu a porovnávat pak navzájem tyto plány, a ne jen aktuální akci.
 

Závěr

Budoucností průmyslu je zcela nový přístup, založený především na komunikaci. Internet se tak stává důležitým integračním prvkem, s jehož pomocí komunikují i stroje, zařízení i snímače, což umožňuje každému článku v procesu výroby být samostatný a soběstačný. S tím ovšem souvisí i vyšší nároky na techniku řízení výrobních procesů a na jejich automatizaci. Nezbytnou podmínkou realizace konceptu chytrých továren je přitom digitalizace, tzn. převedení reálného výrobního zařízení s použitím simulačního softwaru do digitálního světa počítače.
 
Firma Taurid Ostrava s. r. o. v tomto oboru dokáže poskytnout účinnou podporu zákazníkům při tvorbě továrny budoucnosti. Prostřednictvím simulace výrobních procesů pomáhá pracovníkům na rozhodovacích pozicích předem si uvědomit možné stavy výrobního procesu a včas reagovat změnou technického řešení. V chytrých továrnách tak budou vznikat „chytré“ produkty, které budou jednoznačně identifikovatelné a lokalizovatelné, které budou znát nejen svou historii a aktuální stav, ale také alternativní cesty ke vzniku finálního produktu.
 
I přes vysokou míru automatizace, se kterou se v konceptu Průmysl 4.0 počítá, budou i nadále rozhodující lidé. Půjde o jejich postoje, zapojení a nasazení; nebudou zcela nahrazeni stroji [6].
 
Literatura:
[1] Průmysl 4.0: Chytré továrny? Vláda nesmí zaspat [on-line]. EurActiv.cz [cit. 2016-05-09]. Dostupné z: <www.euractiv.cz/obchod-a-export0/clanek/prumysl-40-nova-era-prumyslove-vyroby-012762>
[2] HOLEČEK, J.: MSV 2015: Jak bude vypadat 4. průmyslová revoluce? [on-line]. In: Factory automation 2015 [cit. 2016-05-09]. Dostupné z: <https://factoryautomation.cz/msv-2015-jak-bude-vypadat-4-prumyslova-revoluce/>
[3] Národní iniciativa Průmysl 4.0 [on-line]. In: Ministerstvo průmyslu a obchodu, 2015, s. 23 [cit. 2016-05-09]. Dostupné z: <www.mpo.cz/dokument162351.html>
[4] Další průmyslová revoluce – Průmysl 4.0 [on-line]. In: FCC Public s. r. o., 2013 [cit. 2016-05-09]. Dostupné z: <www.odbornecasopisy.cz/clanek/dalsi-prumyslova-revoluce-prumysl-4-0-190>
[5] RFID systémy [on-line]. Siemens, 2016 [cit. 2016-05-09]. Dostupné z: <http://www1.siemens.cz/ad/current/index.php?ctxnh=306245cb52&ctxp=home>
[6] Průmysl 4.0 – rEvoluce probíhá [on-line]. In: Ministerstvo průmyslu a obchodu, 2015, s. 12 [cit. 2016-05-09]. Dostupné z: <www.businessinfo.cz/app/content/files/dokumenty/Prumysl-4.pdf>
Ing. Ivana Simeonovová, Ph.D.
Ing. Robert Hofman
 
 
Obr. 1. Vizualizace a počítačová simulace systému s meziskladem (nástroj Tecnomatix Plant Simulation; zdroj: Taurid Ostrava)
Obr. 2. Simulační model výrobní linky s roboty v 3D zobrazení (nástroj Tecnomatix Plant Simulation; zdroj: Taurid Ostrava)
Obr. 3. Mořicí linka se dvěma navzájem komunikujícími transportními jednotkami TJ1 a TJ2 (nástroj Tecnomatix Plant Simulation; zdroj: Taurid Ostrava)