UMĚLÁ INTELIGENCE V VÝROBĚ

Simulace a digitalizace:cesta k využití umělé inteligence ve výrobě 

Autor:
Ing. Petr Kadera, Ph.D., Ing. Václav Jirkovský, Ph.D., CIIRC ČVUT

Společnost LEGO se rozhodla novým výzvám čelit pomocí moderních technologií: simulací, digitalizací a nasazením umělé inteligence. Jejím strategickým partnerem pro inovace v těchto oblastech je Český institut informatiky, robotiky a kybernetiky (CIIRC ČVUT v Praze), jehož výzkumníci vyvinuli řešení nazvané Virtuální operátor. 

V první fázi se úsilí společného inovačního týmu zaměřilo na optimalizaci tzv. „pre-packových“ balicích linek, na kterých vznikají plastové sáčky s kostičkami LEGO®, které se následně umisťují do finálních papírových krabic. Tyto výrobní linky jsou tvořeny až třiceti šesti vibračními bubny, kontrolními váhami a balicím strojem. Pomocí simulace výrobního procesu bylo zjištěno, že ve většině případů o výkonnosti celé linky rozhoduje kvalita nastavení vibračních bubnů. 

Vibrační buben je zařízení, které pomocí několika vibrujících komponent umožňuje vytvořit z hromady neuspořádaných kostiček LEGO řadu, ve které jsou kostičky rozmístěny s rozestupy na dopravníkovém pásu. Díky tomu je možné zajistit dávkování přesného množství kostiček do jednotlivých balení. 

Vibrační buben, který díky přesně nastaveným vibracím zajišťuje rozestupy kostiček na dopravníkovém pásu.  

foto © Lego  

Řešení, které vytvořili pracovníci výzkumné skupiny Inteligentní systémy pro průmysl a chytré distribuční sítě CIIRC ČVUT, kombinuje metody digitalizace ve smyslu IIoT (Industrial Internet of Things) simulací datové analýzy a metod umělé inteligence. Stávající bubny byly vybaveny moderním OPC UA rozhraním, které umožňuje přímé propojení se systémy pro sběr dat a automatické nastavování parametrů vibračních bubnů. 

Vytvoření simulací za pomoci nástrojů MathWorks MATLAB a Siemens Technomatics Plant Simulation byl jeden z prvních kroků, který umožnil komplexní porozumění jednotlivým procesům produkce a jejich vzájemných interakcí. Díky tomu bylo možné identifikovat slabá místa výroby, a tak i rozpoznat příležitosti pro využití umělé inteligence za účelem zlepšení funkce celého systému. Největší potenciál pro zlepšení celkové výkonnosti balicích linek byl identifikován u procesu nastavování vibračních bubnů. 

Již roztříděné a zabalené kostičky Lega připravené k další manipulaci.

Nastavení správných parametrů vibračních bubnů je komplexní proces, který zpomaluje náběh výroby nové zakázky, a na který se operátoři linky školí 6 – 12 měsíců. Nastavení je třeba optimalizovat nejen pro každý typ kostičky LEGO, kterých je aktuálně v portfoliu přibližně 8 000, ale i pro každý jednotlivý vibrační buben (celosvětově 6 000 kusů). Parametry je dále nutné měnit v závislosti na stupni opotřebení celého zařízení.  

Sebraná a zpracovaná data z vibračních bubnů slouží následně jako vstup pro shlukovou analýzu, která nalezne historicky nejlepší nastavení parametrů daného zařízení pro daný typ kostičky podle definovaných kriterií. Tato reprezentativní nastavení vibračních bubnů jsou uložena do znalostní báze, ze které virtuální operátor v případě zavádění nové výroby hledá vhodné parametry pro výchozí nastavení. Toto nastavení je následně během výroby dále lokálně optimalizováno metodami umělé inteligence. Případná zlepšení jsou zaznamenána do znalostní báze, aby byla později použita při další shlukové analýze. Kombinací lokální optimalizace a shlukové analýzy nad globálními daty systém získává schopnost adaptovat se na nové podmínky, ale zároveň si zachovává robustnost a spolehlivost. 

Navržené řešení je založeno na architektuře kombinující prvky EDGE a Cloud technologií. EDGE komponentu reprezentuje server, kterým je každá inovovaná linka vybavena. Tento server zpracovává data z bubnů dané linky, vyhodnocuje je a okamžitě upravuje parametry nastavení jednotlivých zařízení. Díky tomu, že je tento server přímo součástí linky, dosahujeme krátkého času odezvy a vysoké spolehlivosti. Cloudové technologie používá navržená architektura pro sdílení znalostí mezi různými linkami, a vytváří tak globální a dlouhodobou znalostní bázi.  

Funkčnost tohoto řešení byla vedení společnosti LEGO prezentována v únoru 2020 na jedné balíci lince. V současnosti se systém rozšiřuje i na další linku a do konce tohoto roku budou probíhat uživatelské testy. V případě úspěchu bude systém nasazen na všechny „pre-packové“ balicí linky provozované společností LEGO nejen v ČR, ale i v dalších továrnách ve světě.  

Lego závod u Kladna, kde se testuje automatické nastavování parametrů vibračních bubnů.  

Články čísla 4/20: