Výroba, která bude schopna flexibilně reagovat na měnící se prostředí a adaptovat výrobní program podle aktuálně dostupných výrobních prostředků či požadavků trhu. To je určující téma výzkumu, kterým se v posledních letech zabývají vědci v Českém institutu informatiky, robotiky a kybernetiky ČVUT v Praze. 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. Mezi jeho hlavními partnery jsou významní průmysloví a technologičtí lídři jako Siemens, Škoda Auto nebo T-Mobile.
Na letošním Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně představil CIIRC ČVUT v Praze v rámci projektu „Digitální továrna 2.0“, jehož bylo NCP 4.0 zlatým partnerem, 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. Tyto principy jsou tedy použitelné obecně na jakoukoliv výrobní nebo montážní linku v oborech strojní výroby – ať je to strojírenství, automobilový průmysl, výroba elektroniky, plastikářský průmysl, balicí linky apod.
O ukázkové lince jsme se bavili 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, jež byly v lince, kromě mnoha dalších komponent Siemens, použity.
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 naplňuje. Nastupující elektromobilita vyžaduje vyrábět velké množství autobaterií, které slouží jako akumulátor energie pro vozidla. Kapacita automobilových akumulátorů se však s časem snižuje.
Co s baterií potom? Baterie se vyřazuje, když její kapacita poklesne o 20 až 30 %. Dojezd o pětinu až třetinu kratší už řidič citelně pozná. Baterie však má ještě dostatečnou kapacitu pro jiné účely, např. je možné ji využít jako stacionární akumulátor k fotovoltaické elektrárně. Před dalším použitím je však 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.
„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 robota.
Unikátní je to, že linka dokáže zpracovávat různé typy baterií bez nutnosti přeprogramování. V PLC Simatic S7 totiž není připraven pevný program, ale 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.
Velký význam je v tom, 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 se musí nějak zasahovat do programu. Vše se upraví automaticky.“
Dvě robotické buňky byly prostřednictví 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 umístěn co nejblíže k PLC.
Druhý koncept použitý 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 vybaven GPU pro analýzu obrazu nebo úlohy umělé inteligence. Je na něm nainstalována aplikace T-Data Platform od firmy T-Mobile. Tento koncept je vhodný v případě náročnějších výpočtů 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.“
Ukázková linka na repasi baterií od RICAIP Testbedu pro Průmysl 4.0, jak byla vystavena v rámci expozice NCP 4.0 na MSV 2023 v Brně.
Oba roboty, stacionární i mobilní, byly připojeny prostřednictvím 5G routerů k centrálnímu PLC, které řídilo pohyby obou robotů. „Z PLC se prostřednictvím 5G sítě přenášely k robotům jak řídicí, tak bezpečnostní povely,“ říká Pavel Burget. Využívají se přitom protokoly Profinet a Profisafe. „Tak je možné, aby jedno PLC Simatic S7 obsluhovalo najednou několik pracovišť.“
„Komunikaci by pochopitelně bylo možné realizovat i prostřednictvím kabelu,“ podotýká Vladimír Ševčík. „Řešení s 5G je ale mnohem flexibilnější. Zvláště u mobilních robotů, které by mohly být připojeny jen v dokovací stanici nebo by musely být omezeny dosahem flexibilního energetického řetězu.“
V rámci virtuálního 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. 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 je možné 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 udělá základní simulace celé linky, ze které vyplyne, 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 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 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,“ říká 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.
Nabízí se otázka, proč v této lince nevyužít síť WLAN. „Síť 5G je především lépe zabezpečená oproti 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 Wi-Fi je provozována ve sdíleném frekvenčním pásmu a může být rušena jinými sítěmi Wi-Fi 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 od 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 od společnosti Siemens mají stejné hardwarové provedení, a to jak v krytí IP30, tak ve variantě IP65. Díky tomu může být volba vhodné bezdrátové komunikace z pohledu konstrukce stroje nebo např. automaticky řízeného vozíku AGV o dost zjednodušena,“ dodává Vladimír Ševčík.
Robotická linka představená na MSV vůbec není akademický projekt. Slouží jako ukázka komplexního řešení, které dokážou vědci CIIRC ČVUT ve spolupráci s technologickými a průmyslovými partnery NCP 4.0 vyvinout a připravit s využitím nejmodernějších postupů a technologií. Na podobných principech je možné postavit i další řešení podle potřeb a momentální situace prakticky jakékoli výroby. Jsou přenositelné a je možné je implementovat přímo do praxe. Důležitým faktorem při rozhodování firem, zda a jak zavádět ditigalizaci a automatizaci do provozu, je samozřejmě 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 ZTS Výskum a vývoj, bude řešení robotizace repase baterií dále rozšiřováno, aby se mohlo přikročit až k jeho fyzické implementaci.
Siemens jako partner NCP 4.0 přinesl do projektu moderní technologie, které se osvědčily při návrhu a realizaci moderních modulárních a flexibilních systémů.
Vypravte se s námi do historie české energetiky, společně ale nahlédneme i do její budoucnosti. Hostem podcastu je Tomáš Hüner, ředitel divize chytré infrastruktury v českém Siemensu, který se oblasti energetiky věnuje již více než 30 let.
Průmyslové metaverzum – nový svět, který zrcadlí a simuluje skutečné stroje, továrny, města, dopravní sítě a ostatní i velmi složité systémy – nabídne svým aktérům interaktivní reprezentace a simulace skutečného světa v reálném čase. V dějinách průmyslu představuje zcela novou kapitolu, kterou začínáme společně psát.
Reprezentativní budova Opery v Dubaji, hlavním městě stejnojmenného emirátu, v sobě skrývá špičková zařízení Siemens, která symbolizují pronikání moderních technologií této společnosti nejenom do exkluzivních koncertních sálů. Jsou také příkladem pro budování inteligentních měst.
Budoucím trendem zemědělství je udržitelné pěstování plodin s méně zdroji a bez použití chemických přípravků. Aby zemědělci mohli vyhovět těmto novým nárokům a požadavkům, musejí úzce spolupracovat s průmyslem, který jim dokáže poskytnout potřebné nástroje. Jak dobře může taková spolupráce fungovat, názorně předvádí FRAVEBOT – robot, který na brněnské rodinné farmě Ráječek monitoruje a sklízí jahody.
