Článek ve formátu PDF je možné stáhnout
zde.
Koncept Industry 4.0, projekt Industrie 4.0 nebo také „čtvrtá průmyslová revoluce“ jsou jedněmi z nejsledovanějších témat současnosti. Jde o oblast, kde ještě neexistují žádné obecně platné standardy ani jednotný pohled na věc. Současné módní výrazy jako „inteligentní továrna“, „inteligentní výroba“ nebo také „internet věcí“ se omezují pouze na popis toho, jak by budoucí továrna popř. mohla vypadat. Všeobecná shoda je v tom, že koncept Industry 4.0 přináší zásadní změnu, jejímž přínosem s velkou pravděpodobností budou významné inovace ve spoustě oborů. Velká očekávání panují u velkých výrobních společností nejen v Německu, ale i mimo ně. Propojení veškerých výrobních zařízení a procesů do sítí, díky tomu skokové zlepšení produktivity, flexibility a efektivity výroby se mají stát nástrojem k udržení současného konkurenčního náskoku vyspělých firem i celých ekonomik na národní úrovni i v celosvětovém měřítku. V rámci těchto očekávání je třeba si uvědomit zásadní význam, který pro úspěch konceptu Industry 4.0 mají robotické systémy nové generace. Firma Kuka na budoucím základním významu robotů zakládá strategii svého rozvoje.
Při realizaci konceptu Industry 4.0 není v sázce není nic menšího než budoucnost Německa jako průmyslově vyspělé země. Jen inteligentní výrobní koncepty budoucnosti budou moci zajistit potřebnou výkonnost průmyslu a s ním i celé ekonomiky. Inteligentní továrny by měly být schopny samostatně organizovat a průběžně optimalizovat své výrobní procesy a tímto způsobem působit proti nepříznivému demografickému vývoji společnosti. Inovace jsou nutné z důvodu klesající porodnosti a stále rostoucího podílu starší populace v moderních průmyslových společnostech. Například v roce 2030 bude z každých současných 100 000 pracovníků v německém zpracovatelském průmyslu až 20 000 lidí v důchodu. Dále aktivních 80 % současného osazenstva bude tudíž muset být v té době podstatně produktivnější než všechny generace před nimi. V obdobné situaci jsou i ostatní průmyslově rozvinuté státy.
Bez inteligentních továren nebude možné zajistit potřebný růst produktivity práce při současně stejně efektivním či ještě efektivnějším využívání přírodních zdrojů.
Cesta k jednotnému komunikačnímu standardu
Má-li se koncept Industry 4.0 stát skutečností, je zapotřebí ve středně- a dlouhodobém výhledu překonat nemálo problémů. Jako celek má toto téma tři základní technické aspekty: je třeba dosáhnout transparentní spolupráce složitých kyber-fyzických systémů, dále rozšířit využívání internetu a internetových technik coby hlavní komunikační infrastruktury a zdokonalit metody dobývání znalostí z nasbíraných dat. Pokrok v uvedených směrech přinese zásadní změny ve výrobních a logistických procesech. Aby bylo možné zcela realizovat koncept Industry 4.0, budou se světy výroby a IT muset sblížit ještě mnohem více, než je tomu doposud. Dosud přetrvávající bariéry mezi digitálním a reálným světem bude třeba beze zbytku odstranit. Stroje a zařízení, řídicí systémy, služby a procesy fungující v jednotlivých výrobních závodech budou muset mezi sebou komunikovat bez jakýchkoliv překážek a v reálném čase.
Výrobní systémy by měly v budoucnu automaticky a bez zbytečných prodlev reagovat na přání zákazníků, dostupnost zdrojů a vývoj cen energií. K tomuto účelu bude nutné vybudovat novou, globální síť pro komunikaci v reálném čase s dostatečným výkonem a potenciálem rozvoje.
Firma Kuka, jako aktivní účastník německého rozvojového projektu Industrie 4.0, iniciovala v březnu 2015 zahájení prací na rozšíření standardu OPC UA (IEC 62541), uvažovaný v rámci konceptu Industry 4.0 jako stěžejní komunikační standard, o funkce komunikace v reálném čase. Tato iniciativa firmy Kuka je podporována několika odbornými asociacemi a také firmami, včetně např. firem Bosch Rexroth, Deutsche Telekom, Festo, Trumpf, Harting atd. Koncept Industry 4.0 je ve středu strategických plánů firmy Kuka. Ta se proto také chystá stát členem sdružení Industrial Internet Consortium (IIC), což je otevřená mezinárodní nezisková organizace, jejímž objektem zájmu je tzv. internet věcí (Internet of Thinks – IoT). Z tohoto pohledu je tedy účast firmy Kuka jen logickým naplňováním jejích vlastních závazků. Sdružení IIC může být vhodnou platformou k účinné propagaci standardů vyvinutých v Německu na mezinárodní scéně. Aktivní je ale např. i Svaz německých inženýrů (VDI), chystající se zřídit instituci s označením Industrie 4.0 Platform – Made in Germany, která by měla působit již od podzimu 2015 a jménem spolkové vlády Německa sledovat a zajišťovat soulad aktuálních norem s vývojem techniky. Spolková vláda tomuto projektu přiřadila nejvyšší prioritu. Sladěné normy by měly podpořit pokrok ve vývoji směrem k jednotnému průmyslovému komunikačnímu standardu.
„Cloud v krabici“ jako první krok k inteligentní továrně
Prvních pokroků směrem k zásadnímu zvýšení produktivity výroby lze dosáhnout již v brzké době, ale jen v případě, že idea globálních sítí bude od počátku realizována v rámci určeného prostředí, jemuž lze říkat třeba „cloud v krabici“. Jakmile se při využití standardních metod IT, jako je cloud nebo zpracování velkých objemů dat (tzv. big data), podaří integrovat do jednoho celku různé výrobní systémy s různými variabilními rozhraními, bude učiněn první krok směrem k inteligentní továrně. Firma Kuka nabízí již nyní všechny komponenty a nástroje potřebné k realizaci tohoto kroku – zejména např. možnost integrace softwaru od třetích stran, inherentně rozšiřitelnou modulární strukturu řídicího systému, podporu mezinárodně uznávaných standardů, vysokou úroveň interoperability zařízení díky využívání standardních metod IT, rozsáhlé softwarové knihovny pro vývojáře, sdílené databáze atd.
Proč jsou průmyslové roboty v čele čtvrté průmyslové revoluce?
Bez ohledu na to, k jakým standardům se během doby dojde, je již nyní jasná jedna věc – v průmyslu uspořádaném podle konceptu Industry 4.0 budou mít hlavní úlohu roboty. Robot, jako zatím nejpřizpůsobivější z výrobních prvků, již v současnosti sbírá údaje z výrobního procesu, pracuje s nimi a předává je do nadřazeného informačního systému. Jde tudíž o přirozený spojovací prvek mezi světem IT a výrobou. V budoucnosti budou informační systémy tyto údaje z výroby zpracovávat a následně je znovu vracet robotům, díky čemuž bude možné výrobní proces adaptivně optimalizovat. Zastat tuto spojovací roli tak efektivně jako moderní průmyslové roboty není v současnosti schopen žádný z ostatních prvků výrobního procesu. Firma Kuka na počátku 90. let minulého století rozpoznala, že jako nástroj k zajištění efektivní komunikace různých digitálních řídicích systémů je do budoucna nutné využívat metody obvyklé v oboru IT. Základními aspekty budoucnosti jsou otevřená komunikace a snadná integrace výrobních zařízení umožňující snadno je připojit ke cloudu a tam využít všechny možnosti jeho enormní výpočetní síly. Realizací uvedeného přístupu se roboty značky Kuka stávají univerzálními zařízeními, s jejichž použitím lze vytvářet komplexní automatizované výrobní systémy budoucnosti.
Továrny vybavené a řízené čistě roboty jsou ovšem jen iluzí, která ani v továrně budoucnosti nedojde naplnění. Hlavním nositelem aktivit v továrně nadále zůstanou lidé a roboty budou primárně fungovat jako jejich služebníci a pomocníci v dílně aktivně podporující personál mnoha způsoby, které si zatím ještě nelze představit v jejich úplnosti. Lidé budou v takovémto prostředí moci pracovat efektivněji, s menší námahou a s větším soustředěním se na samotný výsledek činnosti.
Středem zájmu je autonomní spolupráce mezi technickými systémy
Roboty procházejí neustálým vývojem tak, aby dokázaly plnit vytyčené velmi náročný úlohy. Pro výrobce komponent na různých úrovních a v různých technických oborech tak vyvstávají stále nové, náročné požadavky např. na větší citlivost mechanických částí robotů, integraci schopnosti robotu vidět, včetně detekování objektů pohybujících se velkou rychlostí v prostoru, autonomní navigaci, spojení s prostředky IT atd. Vedle toho jsou k dispozici nové koncepty řízení, umožňující využívat roboty netradičními způsoby ve zcela nových úlohách. Všechny tyto funkce jsou důležitými odrazovými můstky v procesu tvorby soustav autonomně spolupracujících technických systémů realizovatelných na širokém základě již v průběhu několika málo příštích let.
Když roboty úzce spolupracují se svými lidskými kolegy
Až donedávna byla přímá spolupráce mezi lidmi a roboty v podstatě vyloučena. Robot byl hlídán a umístěn v chráněném prostoru v určité bezpečné vzdálenosti od svých lidských kolegů. Tato ustálená praxe se již mění. Uvedením robotu lehké konstrukce s označením LBR iiwa (Leichtbauroboter intelligent industrial work assistant) firma Kuka zahájila éru zcela nových pracovních vztahů mezi lidmi a roboty. Robot LBR iiwa je díky své unikátní citlivosti prvním zařízením umožňujícím bezpečně dosáhnout aktivní a plynulé spolupráce mezi lidmi a roboty, neboť se při své činnosti dokáže přizpůsobit člověku. A protože již nejsou na překážku omezení daná počtem stupňů volnosti, otevřela se možnost realizovat zcela nové, pružnější a efektivnější výrobní procesy. Stručně řečeno se robot stává univerzálně použitelným zařízením – je schopen např. vkládat pryžovou zátku, tedy ne zcela tuhou komponentu, nebo vyhledávat obrobky bez nutnosti instalovat kamerové systémy a složitá jednoúčelová chapadla. Jako součást inteligentní továrny je robot LBR iiwa dokonce schopen učit se od svých lidských kolegů (obr. 1). Připojen do cloudu může samostatně kontrolovat, optimalizovat a dokumentovat výsledky své činnosti. Mimoto zpětnovazební informace odesílaná robotem do datové sítě umožňuje dosáhnout potřebné míry transparentnosti v rámci výrobních procesů.
Robot je mobilní
Samotná spolupráce mezi lidmi a robotem ovšem sama o sobě nedostačuje k tomu, aby se výrobní proces stal v dlouhodobém výhledu pružnějším. Robotům musí být umožněno, aby se staly mobilními, aby nemusely být natrvalo instalovány na jednom místě jako nyní. Například roboty umístěné na mobilních základnách se při manipulaci s břemeny, např. výrobky nebo obrobky, mohou pohybovat zcela nezávisle a dokážou díl vzhledem k objektu nastavit s přesností až na milimetr nebo umějí postupy obrátit a pohybovat dílem proti nástroji. Firma Kuka pro tyto účely vyvinula mnoho různých prostředků, od pohyblivých lehkých robotů až po zcela autonomní provozní zařízení. Nové oblasti použití robotů se nabízejí např. v logistice, a to zejména při skladování, kde je růst tažen výrazným rozmachem v oblasti elektronického obchodování (obr. 2). Mimo jiné se stává blízkou realitou také používání mobilních robotů v kancelářích, ve službách nebo v nemocnicích.
V továrních halách, skladech atd. se mobilní roboty již nyní pohybují bez potřeby podlahového značení a bez indukčních smyček nebo magnetů, a to díky použití moderního navigačního softwaru (obr. 3). Mobilní základny od firmy Kuka navíc umějí také vytvářet mapy svého okolí a mohou tyto informace poskytovat dalším jednotkám. Tak lze společně bdít nad jednotlivými pohyby a trasami a vytvářet soustavy, v nichž jsou pohyby všech robotů vzájemně koordinovány. Když se provozní prostředí změní, roboty se ve velmi krátké době pružně přizpůsobí novým podmínkám. V dlouhodobém výhledu je docela dobře možné, že zaměstnanci si budou při příchodu do závodu brát svůj robot s sebou na pracoviště.
Cílem je „internet automatizace“
Firma Kuka je již v současnosti schopna síťově propojit prostředí výroby s prostředím IT podle zásad konceptu Industry 4.0. Automatizovaná výrobní zařízení jsou realitou po celém světě již mnoho let. Existuje i „internet robotů“. Nicméně až nyní lze tyto velmi efektivní a flexibilní prostředky individuálně přizpůsobovat podle požadavků konkrétních zákazníků. Bude-li výrobní průmysl úspěšný ve své snaze o definici otevřených komunikačních a datových standardů a prosadí je v celosvětovém měřítku, bude dosaženo interoperability výrobních procesů s přesahem daleko za brány jednotlivých továren. Teprve poté bude ke skutečnému životu přiveden internet automatizace – soustava cloudových úloh beze zbytku využívajících potenciál daný kombinováním úplných údajů z výroby, nových výrobní procesů, flexibilní komunikační sítě a reaktivních komponent. Tím bude možné dosáhnout skutečného průlomu směrem k inteligentním výrobním procesům a továrnám.
Jeden konkrétní příklad za všechny: automaticky se učící řídicí systém analyzuje údaje za účelem objednávky energií v podmínkách kolísajících cen, identifikuje hluchá místa ve využívání výrobních kapacit a samostatně optimalizuje výrobní sekvence produktů ve výrobním procesu s ohledem na spotřebu energie při jejich výrobě. Takový internet automatizace může ve výsledku nejen vést k samotnému nárůstu produktivity, ale také ohlídat efektivní využívání přírodních i společenských zdrojů a tím přispět k dosažení základního cíle – trvale udržitelného života na Zemi.
Závěr
Základy výrobního průmyslu podle konceptu Industry 4.0 jsou otevřené sítě a bezproblémová spolupráce všech zúčastněných subjektů. Vývoj uvedeným směrem je ve firmě Kuka v plném proudu již nyní – koneckonců budou mít roboty v továrně budoucnosti zásadní úlohu. Opatření stručně shrnutá v článku, na nichž odborníci pracují, umožní průmyslovým zemím, v první řadě Německu, udržet či posílit jejich konkurenceschopnost a zároveň se vyrovnat s nepříznivými důsledky demografických změn. V tomto ohledu nelze pojem Industry 4.0 pokládat za „velký třesk“ či za módní slovní spojení bez reálného obsahu. Realizace tohoto konceptu za přispění programu Industrie 4.0 představuje významnou investici do naší udržitelné budoucnosti.
Radek Velebil,
Senior Sales Engineer,
organizační složka
Obr. 1. Robot Kuka LBR iiwa může pracovat při výrobních i montážních operacích současně s člověkem (foto: Kuka Roboter GmbH)
Obr. 2. Autonomní robotické mobilní základny se již uplatňují v logistice, např. při manipulaci s rozměrnými břemeny velké hmotnosti (foto: Kuka Roboter GmbH)
Obr. 3. Vyspělé mobilní roboty se v provozním prostředí pohybují autonomně, bez podpory podlahovým značením, indukčními smyčkami apod. (foto: Kuka Roboter GmbH)