TESTBED PRO PRŮMYSL 4.0
VŠB – Technická univerzita Ostrava spouští vlastní Smart Factory
Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava se tématu Průmyslu 4.0 venuje dlouhodobě. Na podzim 2020 spustila vlastní testbed, který bude sloužit pro studium a vývoj technologií Průmyslu 4.0, a celkově rozvoji a osvětě v této oblasti.
Autor: doc. Ing. Jiří Koziorek, Ph.D., a kolektiv, Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB-TU Ostrava
Projekt v kostce
Laboratoř Smart Factory byla na VŠB – Technické univerzitě Ostrava realizována v rámci projektu Platforma nových technologií*, jehož cílem je doplnit infrastrukturu Fakulty elektrotechniky a informatiky o nový objekt, který poskytne komplexní zázemí pro výukové aktivity v inovativním pojetí, a to jak v nově akreditovaných studijních oborech, tak i ve stávajících studijních oborech.
Projekt se skládá ze tří částí:
- Smart Factory – laboratorní zázemí pro výuku inteligentních průmyslových technologií dle konceptu Průmysl 4.0.
- Home Care – laboratorní zázemí pro výuku pokročilých technologií v oblasti biomedicíny a řízení budov.
- E-mobilita – laboratorní zázemí pro výuku vozidlových elektronických systémů se zaměřením na e-mobilitu a autonomní řízení.
Obr. 1 - Budova CPIT TL3 na VŠB – Technické univerzitě Ostrava
Smart Factory – výukové i vývojové pracoviště v jednom
Smart Factory představuje platformu pro výuku, školení, testování a následně výzkum principů konceptu Průmyslu 4.0, jako jsou například digitalizace a virtualizace, průmyslové a mobilní robotiky, automatizace, sběr a zpracování dat, prediktivní údržba apod. Tato platforma poskytuje základ pro další rozvoj těchto systémů. Zároveň je koncipována takovým způsobem, že umožňuje integraci systémů využívajících 4G a 5G sítě, internet věcí a zavádění moderních přístupů pro zajištění kybernetické bezpečnosti v průmyslových systémech.
Realizovaný testbed, respektive výrobní linka, je určen pro výrobu designového propagačního předmětu využitelného jako učební pomůcka pro SŠ a VŠ. Tento produkt se vyrábí ve třech základních variantách, a to jako teploměr, krokoměr a měřič tepu.
Kromě tohoto propagačního předmětu umožňuje výrobní linka montovat produkt složený z kostek Lego. Individualizovaná výroba umožňuje „zákazníkům“ zvolit libovolnou barevnou kombinaci kostek a typ produktu. V tomto případě se jedná o proces montáže i demontáže. Široká variabilita produktu podtrhuje podstatu konceptu Smart Factory a důležitost implementace metod a přístupů Průmyslu 4.0.
Obr. 2 - Produkt Smart Factory – designový propagační předmět
Smart Factory – funguje jako skutečná továrna, ale v malém měřítku
Jádrem linky jsou čtyři robotická ramena Kuka, která provádějí veškeré robotizované operace automatické montáže. Linka dále obsahuje tři manuální pracoviště, která slouží pro naskladnění dílů, manuální montáž a odběr již hotových produktů. Rovněž je zde umístěn automatizovaný sklad jednotlivých výrobních dílů a elektronický tester. Jednotlivé výrobní díly a vyrobené produkty jsou pak v rámci linky přemísťovány na paletkách po dopravníkovém pásu, který je kruhově propojen.
Celá linka je vybavena řadou senzorů, jakými jsou například vibrační senzory pro účely diagnostiky a prediktivní údržby. Linka také obsahuje množství dohledových kamer a kameru pro účely optické kontroly. Obraz z dohledových kamer je digitálně přenášen na soustavu monitorů v blízkosti linky za účelem kontroly a demonstrace prováděných operací.
Je důležité také zmínit, že v rámci robotické linky jsou využity mobilní roboty, tzv. Automated Guided Vehicle (AGV), které primárně slouží k vyskladňování již vyrobených produktů. Po ukončení výroby produktu najíždí mobilní robot autonomně do prostoru linky, kde jsou pomocí robotického ramene jednotlivé vyrobené produkty přemístěny na připravenou plošinu robota. Ten pak vyjíždí z prostoru výrobní linky na předem definovanou pozici v rámci budovy, kde je možno vyrobené kusy pohodlně převzít.
Smart Factory je komplexní platformou, která bude generovat velké objemy provozních dat, na kterých bude možné testovat a vyučovat různé způsoby jejich zpracování, vyhodnocení a predikce založené například na metodách umělé inteligence.
Obr. 3 - Základ Smart Factory – linka pro automatickou a manuální montáž
Smart Factory a digitální dvojče
Celý výrobní systém nainstalovaný ve Smart Factory má vytvořen svůj komplexní virtuální obraz, tzv. digitální dvojče, a to včetně vyráběných produktů. Cílem je prezentovat využití technologií digitálního dvojčete a virtualizace v rámci celého procesu zavádění výroby produktu, který se skládá z následujících kroků:
- Návrh a realizace prototypu produktu,
- návrh a realizace výrobního systému,
- návrh a realizace řízení výrobního systému, testování systému, uvedení do provozu,
- provozování systému,
- servis a údržba.
Současně s tím jsou ve Smart Factory prezentovány možnosti virtuálního uvádění do provozu, efektivní postupy pro tvorbu řídicích a vizualizačních aplikací, off-line programování robotů apod.
Obr. 4 a 5 - Vybrané pohledy z virtuálního modelu Smart Factory
Z čeho je linka postavena
Řídicí systém linky je postaven na PLC Siemens Simatic S7 1500/1200. Jednotlivé vizualizační a operátorské panely využívají platformu Siemens WinCC a Simatic HMI. Řídicímu systému a operátorským systémům je nadřazen systém MES na platformě Siemens Opcenter Execution Discrete, který je především určen pro sběr dat, řízení skladového hospodářství a zadávání výrobních objednávek. Z pohledu mechanické konstrukce je pak podstatné zmínit využití robotů Kuka, dopravníkového systému a polohování Bosch Rexroth. Bezpečnost celého systému je zajišťována produkty společnosti Leuze. Jako mobilní roboty jsou využity MIR 100 a MIR 250.
V rámci návrhu digitálního dvojčete produktu a digitálního dvojčete procesu bylo s výhodou využito SW nástroje pro design produktu – 3DEXPERIENCE a dále pak PLM SW nástroje Siemens Tecnomatix, NX MCD pro design procesu. Dodavatelem klíčové části linky je společnost Temex.
Virtuální realita nesmí chybět
Současně s vytvořením reálné výrobní linky se v rámci konceptu Smart Factory pracuje také na jeho věrném virtuálním 3D modelu. V rámci skupiny Media Research Lab na VŠB-Technické Univerzitě Ostrava vznikl model výrobní linky a okolního prostředí uvnitř budovy. Vizualizace je realizována pomocí Unreal Enginu 4.25 a model je vytvořen pomocí Open Source nástroje Blender.
Výsledný model je interaktivní a je možné ho použít i ve virtuální realitě. Model bude dál využitý v různých oblastech, mezi které patří možnost plánování budoucích úprav linky, příprava pracovníků a studentů při seznámení s linkou a jejími částmi, virtuální exkurze, marketingové a reklamní účely apod.
Obr. 6 , 7 a 8 – Virtuální model linky
Studenti nezůstanou zkrátka
Celý projekt Smart Factory je vytvořen pro podporu vzdělávání v oblasti Průmyslu 4.0 a souvisejících oborů. V rámci Fakulty elektrotechniky a informatiky jsou nabízeny dva základní studijní programy, a to v bakalářském stupni Průmyslové systémy pro 21. století a v magisterském studiu pak Průmysl 4.0. V rámci obou studijních programů, které zahrnují nejdůležitější oblasti z kybernetiky, informatiky, datové analýzy, umělé inteligence a zpracování obrazu, jsou studenti vzděláni ve všech dovednostech a znalostech potřebných pro moderní průmysl a jeho digitalizaci.
Testbed je jenom začátek
Projekt Smart Factory na VŠB – Technické univerzitě Ostrava je unikátním řešením nejenom v rámci České republiky, a to především z pohledu koncepce linky a vyráběných produktů. Jedná se o ucelené a plnohodnotné řešení, které výborně demonstruje kompletní proces návrhu produktu, procesu, realizace a provozu výrobní technologie s využitím přístupů a metod Průmyslu 4.0. Vytvořený testbed bude využit pro další rozvoj a testování jednotlivých technologií, dále pak pro výuku a demonstraci jednotlivých technologií. Realizace tohoto zařízení umožní v budoucnu vychovat nespočet mladých techniků a inženýrů, kteří budou následně získané znalosti a dovednosti uplatňovat v praxi.