TESTBED PRO PRŮMYSL 4.0


Výukový testbed Průmyslu 4.0 na FEKT VUT v Brně

V době, kdy jsme svědky postupné přeměny průmyslové výroby směrem k naplnění filozofie Průmyslu 4.0, vznikla na vysokých školách potřeba rozšířit výuku o celou řadu dalších témat. Ta sice nejsou sama o sobě zcela nová, avšak zejména ve studijních programech elektrotechnických oborů nebyla dosud součástí tradičních studijních plánů.

Autor:  Ing. Václav Kaczmarczyk, Ph.D., doc. Ing. Petr Fiedler, Ph.D.,  Ústav automatizace a měřicí techniky FEKT VUT v Brně

Bez interdisciplinární výuky to nepůjde

Ze zkušeností vyplývá, že interdisciplinární témata nejsou pro studenty elektrotechnických oborů snadno uchopitelná. Studenti jsou konfrontováni s velkým množstvím teoretických informací a přechod od elektrotechniky, měření elektrických i neelektrických veličin, zpracování signálů a teorie řízení systémů k problematice tak komplexní, jakou jsou výrobní procesy a vše co s nimi souvisí, představuje velký skok. Student zaměřený na průmyslovou automatizaci potřebuje rozšířit spektrum svých znalostí jak směrem ke strojnímu inženýrství, tak i do informatiky. 

V pochopení teoretických principů a zlepšení aplikačních schopností pomáhá studentům laboratorní výuka, při které se setkávají s praktickými aspekty studované problematiky. Zatímco u běžně vyučované problematiky většinou není problém v rámci laboratoří prakticky demonstrovat jednotlivé teoretické aspekty, výuka komplexních témat se jen obtížně obejde bez speciálních výukových modelů.  

Praxe je alfa i omega kvalitní výuky

Proto bylo na Ústavu automatizace a měřicí techniky FEKT VUT v Brně rozhodnuto o vybudování výukového a experimentálního pracoviště – Testbedu Průmyslu 4.0. Cílem bylo vybudovat platformu, která umožní jasně uchopit, demonstrovat a ověřovat jednotlivé principy Průmyslu 4.0 nejen v teoretické rovině, ale především prakticky. 

Testbed představuje výukový model, který je:

  • dostatečně komplexní na to, aby postihl značnou část problematiky spadající pod Průmysl 4.0,
  • dostatečně realistický, aby reprezentoval reálnou výrobu s jejími typickými problémy,
  • dostatečně jednoduchý na to, aby byl použitelný i ve studijním programu, kde je problematika P4.0 pouze jedním z mnoha témat, která student musí zvládnout.

Požadavek na realistický model výrobního systému, který v maximální možné míře demonstruje aspekty reálné výroby, koliduje s mnoha požadavky na udržitelnost provozu modelu v prostředí vysoké školy (mj. minimalizace nákladů na vstupní suroviny, mimořádně nízké provozní náklady a náklady na údržbu, vyřešené hospodaření s odpady, přiměřená provozní bezpečnost). Současně školní model sestavený z průmyslových komponent není příliš vhodným modelem reálného systému, protože při takto simulované výrobě nedochází k realistickým odchylkám v jejichž důsledku v praxi vznikají neshodné výrobky (zmetky). Bez odchylek pak nelze demonstrovat celou řadu nástrojů a technologií, které jsou součástí P4.0. 

Při návrhu testbedu byla snaha realizovat modelovou flexibilní výrobu, která pokud možno nepotřebuje vstupní suroviny a vyžaduje častou údržbu, a to z toho důvodu, aby bylo možné v rámci výuky demonstrovat nástroje prediktivní údržby a principy statistického řízení procesů.  Současně však náklady na realizaci údržby musí být minimální. Dále musí takový ideální model umožnit demonstrovat co nejširší škálu technologií tvořících Průmysl 4.0.

Obr. 1 - Výukový testbed Průmyslu 4.0 na UAMT FEKT VUT v Brně

Testbed realizuje vize průmyslové výroby 4.0

Jednou ze základních vizí Průmyslu 4.0 je transformace ze samostatných automatizovaných výrobních jednotek a celků na integrovaná automatizovaná výrobní prostředí. Vybudované modelové pracoviště (dále jen testbed) se proto skládá z několika autonomních výrobních buněk a stacionárního průmyslového robotu. Každá z buněk realizuje několik výrobních operací na postupně vznikajícím produktu, přičemž průmyslový robot slouží pouze pro přesun kontejneru s výrobkem mezi jednotlivými buňkami na základě požadavků výroby. 

Jednotlivé autonomní buňky je možné považovat za decentralizované kyberneticko-fyzikální systémy (CPS), přičemž každá z buněk představuje stavební prvek celého testbedu – inteligentní továrny. Buňky si mohou vzájemně vyměňovat informace a díky tomu jsou schopné reagovat na změnu aktuálních podmínek. Výroba v rámci jednotlivých buněk potom probíhá autonomně. 

Většina rozhodovacích procesů, včetně plánování výroby, je rovněž přesunuta do buněk.  Ty jsou propojeny prostřednictvím sítě Ethernet a výměna informací je realizována protokolem OP-UA. Takovéto uspořádání poskytuje vysokou výrobní flexibilitu a umožňuje vyrábět produkty s vysokou mírou customizace (každý z produktů může být zpracováván v jiných buňkách, v jiném pořadí a na každém mohou být v rámci jediné buňky provedeny specifické operace).

Nad rámec obvyklých výrobních funkcí je proto možné na testbedu demonstrovat zejména tyto aspekty Průmyslu 4.0:

  • Modularitu výrobních zařízení (autonomní výroba i rekonfigurace na základě automatického rozpoznání aktuální situace).
  • Flexibilitu průmyslové výroby (každý produkt může být vyráběn podle vlastního podrobného předpisu bez nutnosti rekonfigurace výrobní technologie).
  • Horizontální integraci systémů.
  • Využití cloudu při výrobě (ve spojení s „Edge Controller“ zařízením lze demonstrovat přenos výrobních dat do cloudu).

Kyberneticko-fyzikální systém (jak výrobky, tak i výrobní prostředky samotné) jsou mimo vlastní fyzickou realizaci modelovány digitálně. Ve spojení se simulačními nástroji tak vzniká digitální dvojče výrobku i celé výroby. Prostřednictvím digitálního dvojčete je možné zpřístupnit možnosti pracoviště řádově většímu počtu studentů, než by bylo možné bez něj. 

Rozšířenou realitu (augmented reality), kdy je reálný obraz doplňován o virtuální prvky, které slouží k vizualizaci informací poskytovaných kyberneticko-fyzikálním systémem, například obraz reálného systému (výrobní buňky) získaný kamerou integrovanou v mobilním telefonu nebo tabletu lze doplnit o data z digitálního dvojčete.

Popisované pracoviště vzniklo ve spolupráci se společností Siemens, která pro něj poskytla jak hardwarové prostředky pro řízení jednotlivých autonomních buněk, tak i softwarové produkty z řady Tecnomatix a NX.

Pro budované pracoviště jsou využívány technologie aditivní výroby, bez které by jeho realizace nebyla vůbec možná, neboť celá řada klíčových komponent jednotlivých buněk byla vyrobena právě touto technologií. 

Ing.V rámci vývoje a rozšiřování testbedu je dále kladen důraz na aplikaci principů SOA (Service Oriented Architecture) při návrhu systémů MES. Testbed implementuje myšlenku tzv. Asset Administration Shell (AAS), tedy univerzálního mechanizmu pro poskytování dat v rámci výroby v Průmyslu 4.0. Jednou z klíčových technologií, které tvoří komunikační páteř vyvinutého řešení je již zmíněné OPC-UA.

Obr. 2 - Detail jedné z modulárních autonomních výrobních buněk

Testbed slouží především studentům

Závěrem je nutné zmínit, že pracoviště již během fáze svého vzniku pomáhalo rozvíjet studentům i zapojeným akademickým pracovníkům praktické zkušenosti nejen s technologiemi spjatými s Průmyslem 4.0., ale také s novými teoretickými koncepty, které rozvoj Průmyslu 4.0 doprovází. Celá řada buněk a dalších komponent systému vznikala a dále vzniká v podobě bakalářských a diplomových prací. 

Existence již vytvořených digitálních dvojčat se ukazuje být výhodou i v rámci nyní aktuální výuky bez osobní přítomnosti studentů v prostorách školy.  Pokud si kladete otázku co vlastně testbed vyrábí, tak výsledným výrobkem, na kterém je demonstrován životní cyklus výrobku v prostředí P4.0, je míchaný nápoj a proto je pracovní název testbedu „Barman“.