Aktuální vydání

celé číslo

12

2018

Automatizační technika v energetice a teplárenství

celé číslo

„Čtvrtá průmyslová revoluce“ potřebuje komunikační sítě

Industrie 4.0 je projekt, který vznikl v Ně­mecku a jehož cílem je podporovat v němec­kých firmách vznik integrovaných a flexibil­ních výrobních systémů. Průmyslovou vý­robu totiž v nejbližší době pravděpodobně čeká tzv. čtvrtá průmyslová revoluce: vý­robky budou při své vlastní výrobě stále in­teraktivnější a mezi stroji, výrobními linka­mi a jednotlivými provozy bude rozložena inteligentní komunikační síť podobná inter­netu. Analogicky s internetem dojde i k de­centralizaci řídicích funkcí, v současné době soustředěných v řídicích systémech. Decen­tralizace řídicích systémů, jejímž výsledkem jsou i moderní pohony s decentralizovaným řízením, umožňuje již dnes změnu zaběhnu­tých automatizačních postupů. Podmínkou budoucích rozvoje této výrobní koncepce je však také existence spolehlivých komu­nikačních systémů, které navíc dokážou pře­nášet enormní množství dat. Díky svým spe­cifickým vlastnostem se protokoly POWER­LINK a openSAFETY právě pro tyto úlohy zvláště dobře hodí.

 
První průmyslová revoluce v 19. století nahradila ruční práci stroji, poháněnými nej­častěji párou. V rámci druhé průmyslové re­voluce uplatněním pásové výroby výrazně vzrostla dělba práce. Třetí průmyslovou re­voluci uprostřed 20. století odstartoval vyná­lez tranzistoru. Od té doby bylo možné začít automatizovat a řídit výrobní procesy v do­posud netušené míře. To umožnilo postupně snížit výrobní náklady natolik, že spotřební zboží, dříve vyhrazené pouze hrstce boha­tých, se stalo dostupným téměř pro každého.
 

Sériová výroba individuálních produktů

Dnešní zákazníci si cení individuality, ale nechtějí platit za ruční výrobu. Tento para­dox tlačí na výrobce strojů a výrobních li­nek, aby minimalizovali čas a úsilí nutné pro přenastavení stroje na jiný výrobek – v nejlepším případě by přenastavení mělo být automatické.
 
Současné systémy řízení výroby jsou příliš rigidní a neodpovídají požadavkům moderní výroby. Již delší dobu se tedy výrobci snaží vytvářet pružnější výrobní linky, s možnos­tí snadno přizpůsobit výrobu individuálnímu výrobku. To se daří např. díky propojení stro­jů do sítě a připojení do systémů pro správu skladů a plánování výroby.
 

Komunikace a decentralizace

V této oblasti se již léta osvědčuje otevře­nost komunikačního protokolu Powerlink, který díky tomu, že je založen na Etherne­tu, usnadňuje výměnu dat nejen mezi stroji ve výrobní hale, ale také s informačními sys­témy v kancelářích.
 
Dalším důležitým krokem na cestě k pruž­nější a adaptivní výrobě je rozprostření „in­teligence“ (řídicích a komunikačních funkcí) uvnitř každého stroje na jednotné etherneto­vé platformě pracující v reálném čase. Toho lze dosáhnout použitím moderních decentra­lizovaných řídicích systémů, včetně decent­ralizovaných modulů vstupů a výstupů a de­centralizovaných modulů pro řízení pohonů s vlastní intergrovanou inteligencí. Takové ří­dicí systémy totiž umožňují stavět modulární stroje, které lze navíc dynamicky konfigurovat za provozu. Ovšem nejen inteligentní systémy řízení pohonů, ale stále více i jednotlivé sní­mače s vlastní inteligencí přispívají k rozpro­stření výpočetního výkonu a dat uvnitř stroje.
 

Konzistence od návrhu až po oživení

Současně se také objevily nové principy v oblasti tvorby softwaru, které umožňují pře­nést záměry a myšlenky vývojářů do výroby bez jakýchkoliv ztrát informací při převodech mezi vývojovými prostředími různých oborů. Z výkresů CAD lze tak přímo generovat pro­gramy pro stroje CNC a z dat montážních se­stav zase informace pro plánování a simulaci výroby. Také data získaná simulací kinema­tiky a dynamiky pohyblivých částí v progra­mech počítačově podporovaného inženýrství (CAE) nebo rovnice dynamických systémů získané z programů pro matematické mode­lování je možné přímo přeložit na programo­vý kód pro řízení strojů nebo výrobních linek.
 
Internet mezitím pronikl do životů uživa­telů doma i v zaměstnání a otevřel cestu no­vým metodám správy a využívání dat. Velké počítače a centrální úložiště dat byly nahra­zeny stále rostoucím počtem menších jed­notek, ke kterým lze přistupovat odkudkoliv na světě. Dávkové zpracování příkazů nahra­dily systémy klient-server, internetové vyhle­dávací mechanismy a odkazy na data v síti.
 

Internet věcí

Zavedení těchto mechanismů do běžné průmyslové výroby je cílem jednoho z pod­půrných programů německé vlády s názvem Industrie 4.0. Má se za to, že využití popsa­ných mechanismů ve výrobě od základů změ­ní zavedené výrobní procesy. Data o výrob­cích a výrobním zařízení budou decentra­lizována a jejich zpracování bude probíhat ve smyslu „internetu věcí“. Data budou pu­tovat s výrobkem nebo budou dosažitelná po­mocí odkazu do sítě nebo cloudu.
 
Změny v metodice, od postupů řízení vý­roby až po rekonfiguraci stroje, volbu nástro­je a materiálu vyvolanou samotným zpraco­vávaným výrobkem, jdou ruku v ruce s dal­ším zvýšením požadavků na průmyslovou komunikaci.
 

Otevřená, bezpečná a spolehlivá síť

„Objemy přenášených dat prudce rostou, stejně jako počty synchronizovaných os,“ říká Stefan Schönegger, výkonný ředitel sdružení EPSG (Ethernet Powerlink Standardization Group). „To vyžaduje vysokorychlostní ko­munikaci až na úroveň jednotlivých snímačů a akčních členů a předpokládá práci v reál­ném čase v celých rozsáhlých sítích. Žádný systém na trhu tyto požadavky nesplňuje tak dobře jako protokol Powerlink.“
 
Vysoce automatizovaná spolupráce mezi systémy různých výrobců vyžaduje mini­malizaci rizika výpadků. I pro tento účel je protokol Powerlink dobře vybaven. Zajišťuje redundanci řídicích jednotek i komunikač­ních kabelů, a to bez nutnosti použít speciální hardware.
 
Dalším základním požadavkem na prů­myslovou komunikační síť je, že musí umož­ňovat spolupráci systémů různých výrobců na jedné síti. Je nepředstavitelné, že by je­diný dodavatel nabízel ta nejlepší řešení pro veškerou problematiku v automatizaci. Kom­patibilita s existujícími systémy a velká ote­vřenost jsou tedy naprosto zásadní.
 

Bezpečnost především

Problém, který je v diskusi o integrova­né výrobě zatím zmiňován poměrně málo, je zajištění bezpečnosti obsluhy. I při zajištění požadované bezpečnosti však musí výrob­ní procesy zůstat dostatečně pružné. Stroje a výrobní linky musí samy umět přizpůsobit svou konfiguraci právě vyráběnému výrobku. Zde pomůže modularizace stroje a možnost měnit pořadí jednotlivých modulů. Specifi­kace a vývoj v této oblasti proběhly v rámci EPSG dávno před tím, než se začalo o čtvrté průmyslové revoluci mluvit.
 
Bezpečnostní řídicí systémy integrované do průmyslových sběrnic jsou neodmyslitel­nou součástí konstrukce modulárních stro­jů. Protokol openSafety, nezávislý na typu použité sběrnice, umožňuje vybavit bezpeč­nostní technikou i strojní moduly nebo části výrobních linek, které mezi sebou komuni­kují různými protokoly. Pomocí openSafety lze tedy sdružit celou výrobní linku, včetně jejích dynamicky konfigurovatelných částí, do jednoho bezpečného celku. Systém navíc umožňuje úplně odstranit bezpečnostní ohra­zení, a to díky plně integrovaným bezpečnost­ním funkcím pro složité kinematické řetězce, konkrétně např. díky funkci bezpečné rych­losti koncového bodu robotu.
 
Tyto vlastnosti, které jsou předpokladem použití ve vysoce flexibilních výrobních za­řízeních budoucnosti, má openSafety díky své otevřenosti. „Firemní, uzavřená řešení jsou minulostí. Základem integrované výro­by, jak o ní mluví německá vláda v projektu Industrie 4.0, je otevřenost,“ dodává Stefan Schönegger.
(B&R)
 
 

Protokol Powerlink

Objemy přenášených dat prudce rostou, stejně jako počty synchronizovaných os. To vyžaduje vysokorychlostní komunikaci až na úroveň jednotlivých snímačů a akčních členů a předpokládá práci v reálném čase v celých rozsáhlých sítích. Žádný systém na trhu tyto požadavky nesplňuje tak dobře jako protokol Powerlink.
 

Rozhovor se Stefanem Schöneggerem

 
Stefan Schönegger je vedoucím mar­ketingu u firmy B&R Industrial Automati­on a současně výkonným ředitelem skupi­ny EPSG. Setkal jsem se s ním na tiskové konferenci, kterou pořádala společnost B&R v září 2013 rakouském Salcburku. Předsta­vovala zde novinářům v předstihu své no­vinky, které prezentovala koncem listopadu na veletrhu SPS IPC Drives.
 
Stefan Schönegger mi v Salcburku po­skytl krátký rozhovor. Téma rozhovoru dob­ře souzní s tématem tohoto článku, proto jej zveřejňujeme až nyní.
 
Pane Schöneggere, výrobní linky jsou stá­le složitější a požadavky na jejich flexibi­litu stále větší. Jak pomůže vaše nové in­ženýrské prostředí Automation Studio 4 jejich konstruktérům a inženýrům, kte­ří se starají o jejich uvedení do provozu a údržbu?
První věc je zajistit komunikaci mezi komponentami a stroji různých výrobců. V oblasti řídicích systémů je velkou pomo­cí univerzální protokol Powerlink, založený na Ethernetu. Firma B&R v prostředí Auto­mation Studio důsledně využívá platformu OPC UA, která zajišťuje nadstavbu nad ko­munikačními systémy a umožňuje realizo­vat takové funkce jako např. autoidentifikaci účastníků komunikace.
 
Dalším přínosem prostředí Automation Studio 4 je možnost pracovat v multiprojek­tovém prostředí. To je velmi výhodné pro ty výrobce strojů, kteří vyrábějí mnoho vel­mi podobných strojů. Automation Studio 4 umožňuje vytvořit jeden mateřský projekt ob­sahující naprogramované a otestované funkč­ní moduly pro všechny varianty stroje. Z nich se potom podle konkrétní konfigurace vybe­rou správné softwarové součásti pro daný stroj. Tyto součásti jsou vzájemně přizpů­sobené, konstruktéři nemají žádné problé­my např. s výměnou proměnných.
 
Pro Automation Studio 4 jsou klíčovými slovy otevřenost a standardizace. Proč?
To je jednoduché. Podívejte se např. na programování logických funkcí. Existu­je mnoho programovacích jazyků. Někte­ré jsou součástí normy IEC 61131-3, na ně jsou zvyklí především automatizační inže­nýři, ale lidé, kteří studovali informatiku, programují raději v C nebo C++. Každý ja­zyk má své přednosti, některé jsou vhodné pro jednodušší úlohy, jiné pro složitější. Au­tomation Studio je otevřené ke všem stan­dardním programovacím jazykům, vývojář si může svobodně vybrat, který jazyk pou­žije. Naproti tomu Automation Studio vede vývojáře k tomu, aby pracovali jednotným standardizovaným způsobem. To zjednodu­šuje jejich spolupráci na jednom projektu. U malých výrobců strojů, kteří mají jedno­ho nebo dva programátory, to omezuje rizi­ko v případě, že se programátor z určitého důvodu rozhodne firmu opustit. Pro jeho ná­stupce jsou všechny programy snadno po­chopitelné a může začít pracovat tam, kde jeho předchůdce přestal.
 
Druhé téma – ale o tom už jsme mluvili před chvílí – je komunikace. Součástí vý­robních linek jsou stroje a moduly od růz­ných výrobců a důsledná standardizace je­jich rozhraní je nesmírně důležitá. Pomáhá omezit úsilí potřebné na uvedení celé linky do provozu i na její rekonfiguraci.
 
Jak se Automation Studio vypořádá s té­matem bezpečnosti strojů a zařízení, zvláště u linek, kde se předpokládá přímá spolupráce robotu s lidskou obsluhou?
To je pro společnost B&R velmi důležité téma. Podíleli jsme se na tvorbě normy EN ISO 10218 (Roboty pro výrobní prostředí – požadavky na bezpečnost) a vyvinuli jsme pro prostředí SafeDesigner knihovnu cer­tifikovaných funkčních bloků pro zajištění bezpečnosti robotických pracovišť. Na roz­díl od bezpečnostních funkcí pro jednotlivé pohony tyto funkce počítají se zajištěním bezpečnosti současných pohybů až v šes­ti osách. Výsledkem musí být pohyb kon­cového bodu robotu bezpečnou rychlostí.
 
Důležitou součástí zabezpečení robotic­kých pracovišť jsou bezpečnostní snímače. Ty nevyrábíme, ale spolupracujeme např. s firmou Sick. Jejich snímače a naše řídi­cí a bezpečnostní systémy potom umožňují realizovat robotická pracoviště bez ochran­ných plotů.
 
Vraťme se ještě na chvíli k otevřenosti a standardizaci. Hovořili jsme o tom, že tyto vlastnosti jsou v moderní automati­zaci třeba. Jenže současně otvírají cestu kybernetickým hrozbám.
Dnes se hodně hovoří o integrované vý­robě a internetu věcí ve výrobním prostředí. Jenže je třeba si uvědomit, že zajištění proti kybernetickým hrozbám je u takových sys­témů základní nutností, s níž se musí od za­čátku počítat. Například naše řídicí systémy mohou komunikovat prostřednictvím pro­tokolu TCP/IP, ale v počátečním nastavení je tato komunikace neaktivní. Uživatel si ji musí aktivovat – přitom předpokládáme, že se v takovém případě postará o zabezpečení tohoto rozhraní. Sítě s protokolem Powerlink jsou založeny na standardním Ethernetu, ale vzhledem k bezpečnostním mechanismům je proniknutí do nich velmi obtížné až ne­možné. Ethernet Powerlink využívá vlastní rozsah IP adres, přidělovaných pomocí ta­bulky NAT – Network Address Translation. Kromě jiných výhod to znemožňuje komu­nikovat v takové síti tomu, kdo obsah této tabulky nezná.
 
Mimoto spolupracujeme s externími fir­mami, které se zabývají kybernetickou bez­pečností, a ve spolupráci s nimi zajišťuje­me pro naše zákazníky i konzultační služby a školení, protože kybernetická bezpečnost není jen otázkou techniky, ale i bezpečnostní politiky firmy a správného chování uživatelů.
 
Vím, že v dnešním programu bude ještě přednáška o německém projektu Industrie 4.0. B&R je rakouská společnost. Proč je pro vás projekt Industrie 4.0 důležitý?
Cílem projektu Industrie 4.0 je podporo­vat konkurenceschopnost německého prů­myslu zvláště ve srovnání s asijskými a jiho­americkými firmami a s USA. Není zaměřen proti výrobcům v ostatních středoevropských zemích, naopak, rozvoj koncepce integrova­né výroby a Industrie 4.0 v Německu potáh­ne na stejnou úroveň i okolní středoevropské země. V tomto smyslu není projekt Industrie 4.0 omezen na Německo, prospěch z něj bu­dou mít i rakouské, české, polské nebo slo­venské firmy – budou-li na to připraveny. I nám, ačkoliv nejsme německá firma a pod­pora německé vlády se nás přímo netýká, pomůže tento projekt urychlit proces přije­tí koncepčních změn, abychom byli schopni reagovat na požadavky zákazníků.
 
Nezapomeňte, že Industrie 4.0 se netýká jen výroby v jednotlivých průmyslových zá­vodech, ale také kooperace v rámci dodava­telských řetězců, logistiky atd. Zvlášť v obo­rech, kde je velmi silná přeshraniční spolu­práce, jako je např. automobilový průmysl, budou výrobci v celém regionu konfronto­váni s koncepcí Industrie 4.0. To jsou důvody, proč i my vidíme v pro­jektu Industrie 4.0 velkou budoucnost.
(Rozhovor vedl Petr Bartošík.)
 
Obr. Stefan Schönegger, vedoucí marketingu firmy B&R a výkonný ředitel EPSG