Aktuální vydání

celé číslo

04

2024

Průmyslové roboty a automatizace výrobních a montážních linek

celé číslo

Modulární a flexibilní výrobní linka CIIRC ČVUT na MSV v Brně

Na letošním Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně představil Český institut informatiky, robotiky a kybernetiky ČVUT v Praze (CIIRC ČVUT) v rámci projektu Digitální továrna modulární a flexibilní výrobní linku určenou pro demontáž, kontrolu a repase autobaterií. Linka byla sestrojena především jako ukázka komplexnosti úkonů, které na sebe navazují, jsou řízeny systémem řízení výroby na základě univerzálního, technologicky nezávislého popisu a mohou posloužit k osvětlení principů flexibilní výroby. Její principy jsou však použitelné obecně na jakoukoliv výrobní nebo montážní linku v oborech strojní výroby – ať je to strojírenství, automobilový průmysl, výroba elektroniky, plastikářský průmysl, nebo balicí linky apod. CIIRC ČVUT již od roku 2019 koordinuje a s podporou evropských grantů buduje spolu s partnery z ČR a Německa centrum pro pokročilou průmyslovou výrobu RICAIP. Díky tomu mohou vědci i firmy nová řešení vyvíjet a testovat v prostředí blízkém reálným průmyslovým podmínkám. K tomu jim slouží špičkově vybavené experimentální pracoviště RICAIP Testbed pro Průmysl 4.0. V prostorách přesahujících 1 600 m2, vybavených nejmodernějšími technologiemi, mají společný cíl – přenášení inovací do praxe. Významnou úlohu v celém tomto inovačním řetězci hraje Národní centrum Průmyslu 4.0 (NCP4.0), platforma pro propojování akademické sféry s průmyslem. NCP4.0 sdružuje univerzity, firmy, oborové organizace a další subjekty.


O ukázkové lince jsem se bavil s Pavlem Burgetem, ředitelem pracoviště RICAIP Testbed pro Průmysl 4.0 na CIIRC ČVUT, a Vladimírem Ševčíkem, specialistou na průmyslové komunikační systémy ve společnosti Siemens. Firma Siemens je průmyslový partner CIIRC ČVUT a její technika byla v lince využívána.

 

Proč právě repase autobaterií?

Využití moderních technologií pro udržitelný rozvoj a minimalizaci negativních dopadů na životní prostředí. To je důležitý aspekt, který měla prezentace na MSV za cíl podtrhnout. Repase neboli také retrofitting baterií tyto účely dobře naplnila. Nastupující elektromobilita vyžaduje vyrábět velké množství autobaterií, které se využívají jako akumulátor energie pro vozidla. Kapacita automobilových akumulátorů se však s časem snižuje. Různé studie uvádějí různou rychlost degradace, která hodně závisí i na stylu jízdy, způsobu nabíjení a podmínkách prostředí. Plně bateriové elektromobily mohou fungovat až patnáct let, u plug-in hybridů, které jsou z principu k baterii méně ohleduplné, je degradace mnohem rychlejší.

Co s baterií potom? Baterie se vyřazuje, když její kapacita poklesne o 20 až 30 %. Dojezd o pětinu až třetinu kratší se už řidiče citelně dotkne. Baterie však má ještě dostatečnou kapacitu pro jiné účely, např. je možné ji využít jako stacionární akumulátor k fotovoltaické elektrárně. Před dalším použitím je ale třeba baterie zkontrolovat a popř. repasovat – vyměnit vadné články.

Ukázková linka, která byla na MSV vystavena, dokáže rozeznat typ baterie, odšroubovat její víko, zkontrolovat kapacitu jednotlivých článků, vadné články vyměnit a baterii opět zkompletovat.

 

Koncepce ukázkové linky

„Linka, kterou jsme představovali na MSV v Brně, se skládala ze dvou robotů: jeden byl stacionární, druhý mobilní. Mobilní robot je robot na pojízdné platformě, který může být v případě potřeby přesunut na pracoviště, kde je třeba,“ vysvětluje Pavel Burget. „Tím chceme ukázat flexibilitu linky: v případě potřeby je možné přidat další robot nebo jej přesunout tam, kde je momentálně úzké místo.“

První, stacionární robot pomocí kamery našel šrouby na krytu baterie, ty automatickým šroubovákem vyšrouboval, sejmul kryt, pomocí měřicího přístroje proměřil články a zjistil, zda jsou v pořádku. Druhý, mobilní robot vybíral baterie ze skladu a přesouval je do pracovního prostoru prvního robotu.

Unikátní je to, že linka dokáže zpracovávat různé typy baterií bez nutnosti přeprogramování. V PLC totiž není připraven pevný program, avšak pro každý typ baterie se generuje optimální sekvence pracovních operací, která zohledňuje počet šroubů ve víku, počet článků v baterii, počet a pozice dobrých a špatných článků, ale také dostupné uchopovače.

Modularita návrhu je dodržována tím, že nezávislé moduly – pracoviště nebo robotické buňky – jsou propojeny s nadřazeným systémem řízení výroby MES, který generuje výrobní plán. „V praxi to znamená i to, že podle poptávky po repasi baterií je možné přidat další pracoviště nebo zdvojit to pracoviště, kde je úzké místo, a přitom se nemusí nic programovat, pracovní postupy se vygenerují automaticky,“ dodává Pavel Burget.

Velmi významná je skutečnost, že systém dokáže reagovat na neočekávané změny. „Například se nepodaří odšroubovat všechny šrouby na krytu baterie. Taková baterie je přesunuta na manuální pracoviště, kde se pracovník pokusí situaci napravit. Poté může být opět přesunuta na následující pracoviště, aniž by se muselo nějak zasahovat do programu. Vše se upraví automaticky.“

 

Struktura řízení

Dvě robotické buňky byly prostřednictvím 5G routerů připojeny na PLC Simatic S7 s CPU 1515F.

„Na MSV jsme prezentovali dva koncepty řízení. V prvním jsou data předzpracována v jednotce Simatic Industrial Edge, což je vlastně průmyslový počítač, který získává data z PLC v milisekundových cyklech, zpracovává je a předává je vyšší úrovni řízení nebo v uzavřené smyčce zpět do PLC. Výhodou je, že v rámci platformy Siemens Xcelerator existuje distribuční služba již hotových aplikací, a to nejen od firmy Siemens, ale i od třetích stran, které si mohou uživatelé stáhnout a využívat je podobně, jako si stahují aplikace z Apple Store nebo Google Play. Sie­mens Industrial Edge by měl být umístěný co nejblíže k PLC.

Druhým konceptem použitým na MSV byl koncept s Edge Serverem od firmy T-Mobile, což je výkonný počítač umístěný v serverovně co nejblíže jádru sítě 5G Core. Edge Server je aplikační server, který poskytuje špičkový výpočetní výkon, je škálovatelný a je vybavený GPU pro analýzu obrazu nebo úlohy umělé inteligence. Běží v něm T-Data Platform od firmy T-Mobile. Tento koncept je vhodný pro náročnější výpočty s latencí řádově v desítkách milisekund. Typicky to může být zpracování obrazu z kamer, které nejsou vybaveny vlastní inteligencí. Edge Server může zpracovávat data z několika kamer a výsledky předávat do cloudu nebo zpět do PLC. To je výrazně výhodnější řešení než využívat inteligentní kamery, které by obraz zpracovávaly samy. Vyžaduje to však mít k dispozici výkonnou síť pro přenos surových obrazových dat, tedy v našem případě síť 5G.“

 

Bezdrátová komunikace

Oba roboty, stacionární i mobilní, byly připojeny prostřednictvím 5G routerů k centrálnímu PLC, které řídilo pohyby obou robotů. „Z PLC se prostřednictvím sítě 5G přenášely k robotům jak řídicí, tak bezpečnostní povely,“ říká Pavel Burget. Využívají se přitom protokoly Profinet a Profisafe. „Tak je možné, aby jedno PLC obsluhovalo najednou několik pracovišť.“

„Komunikaci by pochopitelně bylo možné realizovat i prostřednictvím kabelu,“ podotýká Vladimír Ševčík. „Řešení s 5G je ale mnohem flexibilnější. Zvláště je to výrazné u mobilních robotů, které by mohly být připojeny jen v dokovací stanici nebo by byly omezeny dosahem flexibilního energetického řetězu.“

 

Virtuální zprovoznění

Při virtuálním zprovoznění vytvořili vývojáři z RICAIP Testbedu pro Průmysl 4.0  v simulačním prostředí, konkrétně v Siemens Tecnomatix Process Simulate, virtuální model linky. Virtuální model má stejná rozhraní jako fyzický systém a umožňuje ověřit jednotlivá uspořádání a scénáře dříve, než je linka fyzicky k dispozici. Součástí virtuální linky je vše, co je součástí fyzické linky, včetně PLC nebo kamer. Do simulačního prostředí je možné vnést i určitou míru randomizace, která se vyskytuje i v reálném světě, a simulovat např. zpracování ne právě ideálně sejmutého obrazu. Součástí simulované linky je i virtuální řídicí jednotka robotu, takže lze simulovat a odlaďovat také spolupráci robotu s PLC, včetně bezpečnostních úloh. Protože v lince jsou použity roboty Kuka, jde o Kuka Virtual Robot Controller, pro simulace PLC se používá PLCsim Advanced od firmy Siemens.

Když je celý model vytvořený, je možné jej napojit na reálný systém MES, který potom místo fyzické linky řídí linku simulovanou. Tak lze odstranit kolize pohybu robotů, koordinovat pracoviště mezi sebou, určit takt linky atd. Když je vše odladěné, stačí místo virtuální linky zapojit tu fyzickou.

Virtuální zprovoznění ale v praxi není tak jednoduché, jak bylo naznačeno. Ve skutečnosti se postupuje po jednotlivých iteracích. „Nejprve se nahrubo simuluje celá linka a určí se, kolik pracovišť bude třeba, aby bylo možné splnit plán výroby. Potom se vezmou jednotlivé moduly, spustí se jejich simulace, aby se určily doby jednotlivých operací a parametry pohybů. Výsledky simulací jednotlivých modulů se přenesou do simulačního modelu celé linky. V tomto kroku se může zjistit, že pro dosažení požadované kapacity výroby původně navržené moduly nestačí a že je třeba použít výkonnější moduly nebo některé moduly zdvojit. Potom se opakuje simulace jednotlivých modulů a simulace celé linky, dokud není dosaženo plánované kapacity výroby. V praxi navíc většinou nebývá účelné automatizovat celou výrobu, ale v lince zůstává určitý podíl manuálních operací. V této fázi simulace je možné optimalizovat, kolik pracovišť bude manuálních a kolik automatizovaných. To závisí také na tom, kolik má podnik k dispozici pracovníků,“ doplňuje Pavel Burget.

V simulačním prostředí se navrhuje také layout celé linky. „Jestliže se má některé pracoviště přidat, odebrat, zdvojit nebo nahradit, znamená to často výrazný zásah do layoutu linky nebo celé haly. Pro plánovače je to náročná úloha. Proto jsme na CIIRC ČVUT vyvinuli nástroj, který v prostředí Tecnomatix Plant Simulation umožňuje pomocí genetických algoritmů layout linky podle daných podmínek, návazností a omezení navrhnout automaticky,“ dodává Pavel Burget.

 

5G nebo WLAN?

Nabízí se otázka, proč v této lince nevyužít síť WLAN. „Síť 5G je lépe zabezpečená než WLAN. Nemůže se do ní připojit nikdo, jehož SIM není v síti registrována. Zadruhé, pro danou úlohu je zvlášť důležitá zaručená latence, protože po síti se přenášejí i povely k řízení pohybu robotů a bezpečnostní signály. V ukázkové lince byla navíc přenášena i obrazová data z kamer, která byla vyhodnocována v edge serveru. To je náročné na šířku pásma. Síť 5G umožňuje pro každé připojení individuálně nastavit požadovanou kvalitu služeb: pro přenos telegramů Profinet a Profisafe je třeba minimální latence, při přenosu obrazu je nutná velká šířka pásma“.

„Připomínám, že se bavíme o velmi dobře navržené privátní kampusové 5G síti, nejde tedy o běžně dostupnou veřejnou 5G síť,“ podotýká Vladimír Ševčík. „Tu nemůžeme srovnávat s běžnou WLAN. Společnost Siemens má řešení, jak i prostřednictvím vlastní průmyslové WLAN (IWLAN) přenášet telegramy Profinet v reálném čase, včetně bezpečnostního protokolu Profisafe. Hlavní rozdíl vidím v tom, že síť WiFi je provozována ve sdíleném frekvenčním pásmu a může být rušena jinými sítěmi WiFi ve stejné lokalitě, kdežto síť 5G má svoje vlastní vyhrazené kanály.“ Pavel Burget poukazuje ještě na rozdíl v prioritizaci: „Zatímco v sítích 5G je prioritizace součástí standardu, u sítě WiFi musí být implementována dodatečně, např. jako součást proprietárního řešení firmy Siemens.“ Jde o IPCF (Industrial Point Coordination Function). Na rozdíl od běžné WLAN podle IEE 802.11 v síti IWLAN firmy Siemens řídí přístupový bod (AP) komunikaci s klienty a tím zajišťuje deterministickou komunikaci bez kolizí. Moduly Scalance WAM/WUM pro IWLAN a moduly Scalance MUM pro sítě 5G mají stejné hardwarové provedení, a to jak v krytí IP30, tak i ve varian­tě IP65. Díky tomu může být volba vhodné bezdrátové komunikace o dost zjednodušena z pohledu konstrukce stroje nebo např. automaticky řízeného vozíku AGV.

 

Komunikační brána 5G IoT Gateway

Pro připojení robotu k PLC byla použita právě dvojice routerů Siemens Scalance MUM a také komunikační brána 5G IoT Gateway, vyvinutá v CIIRC ČVUT. Komunikační brána podporuje přenos ethernetových protokolů včetně protokolů Profinet a Profisafe prostřednictvím VXLAN (Virtual Extensible LAN) podobně jako zmíněné routery, ale na rozdíl od jiných routerů umožňuje připojovat i další signály. Konkrétně na této lince bylo takto připojeno měření elektrické spotřeby robotů. „5G IoT Gateway tak kromě konektivity 5G zajišťuje nezávislý přenos dat z měřičů do datové platformy, kde se s nimi dál pracuje,“ uvádí Pavel Burget. Stejně je možné připojit dodatečné komunikační moduly nebo digitální vstupy a výstupy. Podle Pavla Burgeta podobné zařízení na trhu v současné době neexistuje. Typickým použitím je osazování starších strojů. „Zde v testbedu máme takto připojenou například starší vrtačku z roku 1956. Na ni můžeme přidat měření spotřeby, senzor vibrací, měření vzdálenosti, čtečku přístupových karet a podobně. Vzhledem k tomu, že jde o připojení prostřednictvím sítě 5G, můžeme k vrtačce připojit i kameru a data přenášet na edge server a na něm je vyhodnocovat.“

V současné době CIIRC ČVUT počítá s využitím jednotek 5G IoT Gateway v prvních pilotních projektech v praxi.

 

Závěrem

Robotická linka představená na MSV není jen akademický projekt. Slouží jako ukázka komplexního řešení, které dokážou vědci CIIRC ČVUT ve spolupráci s technologickými a průmyslovými partnery NCP4.0 vyvinout a připravit s využitím nejmodernějších postupů a technologií. Na podobných principech je možné postavit i další řešení podle potřeb a momentální situace téměř jakékoliv výroby. Jsou přenositelné a je možné je implementovat přímo do praxe. Důležitým faktorem při rozhodování firem, zda a jak zavádět digitalizaci a automatizaci do provozu, je časová a finanční náročnost inovací. Malé a střední podniky díky řadě grantových projektů, do kterých je CIIRC ČVUT zapojen, mohou ale většinu služeb získat zdarma nebo s výraznou slevou. Na základě projektu, který CIIRC ČVUT řeší společně s firmou DEL pro slovenskou společnost ZŤS Výskum a vývoj, bude řešení robotizace repase baterií dále rozšiřováno, aby se mohlo přikročit až k jeho fyzické implementaci.

 

Petr Bartošík
(Foto: CIIRC ČVUT)

Obr. 1. Expozice NCP 4.0 na MSV v Brně, jejíž součástí byla ukázková linka na repasi baterií

Obr. 2. Ukázková linka na MSV v Brně

Obr. 3. Robotická kontrola článků autobaterie