Průmysl F. Zezulka, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT Technicka Brno, Czech Republic

Transkript

1 Průmysl F. Zezulka, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT Technicka Brno, Czech Republic

2 Úvod Digitalizace Komunikace/ IIoT Virtualizace RAMI 4.0 Industry 4.0 Component model Digital Factory Závěr

3 Používá se pro pojmenování tří vzájemně propojenýchčinností, jevů, aktivit: Digitalizaci výrobně - obchodní relace od nejjednodušší výroby v jednom výrobním provozu až po ty největší propojené mezinárodní výrobně obchodní řetězce Digitalizaci produktů a nabízených služeb Nové tržní modely

4 Velmi slibnou technologií pro továrny budoucnosti je IoT (IIoT), IoSa IoP Zejména IIoTumožňuje komunikovat všem komponentům průmyslové výroby jednotným způsobem navzájem mezi sebou Všechny entity celého výrobně obchodního řetězce mohou mít relevantní data A to v celém životním cyklu daného produktu

5 Data z výrobně obchodního řetězce v prostředí I 4.0 budou přístupná prostřednictvím cloudu a IIoT Předpokládá to jednotný systémový přístup k implementaci postupů a architektury komponent výroby vycházející z modelu RAMI 4.0 Dalším modelem, který vychází z RAMI 4.0 je Industry 4.0 componentmodel. Umožňuje vývoj komponent výroby a jejich virtuálního obrazu Stávající pyramidová řídicí architektura zřejmě neobstojí požadavkům platformy I 4.0 a bude nahrazena

6 Německé organizace VDI/VDE, BITCOM, VDMA and ZVEI Pozitivní odezva dalších nadnárodních firem RAMI 4.0 inspirován modelem SGAM (Smart Grid Architecture Model) vyvinutý pro účely komunikace v prostředí sítí typu smart grid

7 Do současné výroby vstupuje cca 15 průmyslových oblastí Proto RAMI model umožňuje pohled na výrobu z mnoha hledisek Výsledkem je 3D model Verikálníosa -pohled z aspektu Obchodu Z hlediska vlastní funkce komponenty Informačních toků Komunikace Z hlediska schopnosti integrování jednotlivých komponent výroby Z hlediska fyzického výrobního zařízení

8 H i e r a r c h y L e v e l s I E C / I E C Podnik Spojení s okolím Stanoviště Výrobní jednotka Řídící jednotka Komponenta Procesní instrumentace provoz Instance Výroba Údržba/ L ife Cycle & Value Str eam IE C62890 Vývoj Správa/ Typ Nasazení Vrstvy Business Funkční Informační Komunikační Integrační Fyzická

9 Zohledňuje důležité kritérium současné výroby životní cyklus výrobního zařízení i výrobku (komponenty) a průběh hodnotového toku během celého životního cyklu Základem je standard IEC (Life Cycle Management) Rozlišuje životní cyklus produktového Typu a Instance Typ je strukturován na fáze Vývoj a Správa/Nasazení a Instance na fáze Výroba a Údržby/Provoz

10 Pravá horizontální osa zobrazuje funkční pozici komponenty v prostředí Industry 4.0 Úrovně jsou specifikovány v již používaných standardech IEC a IEC61512, vycházejících z ISA 95 a zjednodušeně představuje pyramidovitou architekturu DCS/PCS V modelu RAMI 4.0 je standard rozšířen o Product Komponentu a úroveň Connected World (Propojení s okolím) reprezentující propojení dané výroby s dalšími výrobami. Otevírá tak stávající platnost těchto standardů nad rámec jednoho izolovaného podniku v intencích Industry 4.0

11 Znázorňuje způsob a postup tvorby digitálního obrazu výroby pro IT reprezentaci, tedy digitální dvojče například stroje nebo jiné komponenty výroby nebo výrobku Tento způsob je obvyklý v informatice a v komunikační technice, takto členit/strukturovat Specifikaci komplexní komponenty do (zde) šesti vrstev

12 Poskytuje informace o vybavení výroby (HW/SW, výrobními komponenty, dokumentaci apod.) Integruje lidský faktor do virtuálního světa prostřednictvím Integrační vrstvy uskutečňuje pasivní spoj směrem k integrační vrstvě např. prostřednictvím QR kódu

13 Poskytuje informace o vybavení výroby na základě informací z vrstvy fyzické Ve formě vhodné pro počítačové zpracování Podporuje přímé číslicové řízení Umožňuje generování událostí z úrovně fyzické Obsahuje vybavení pro propojení s IT jako RFID čtečky, senzory, HMI a další

14 Uskutečňuje standardizaci komunikace Prostřednictvím universálního datového formátu Směrem k informační vrstvě Provádí také služby pro řízení integrační vrstvy

15 Provádí run time pro předzpracování událostí Realizaci event - related pravidel Umožňuje formální popis pravidel a předzpracování dat Zajišťuje integritu dat (neporušenost) Zajišťuje konzistentnost různých dat Získává nová data vyšší kvality (znalostní data apod.) Provádí strukturování dat prostřednictvím servisních rozhraní Přijímá události a transformuje je za účelem úpravy dat, pro potřeby vyšší vrstvy

16 Umožňuje formální specifikace funkcí a vytváří platformu pro horizontální integraci různých funkcí Obsahuje prostředí run time a modelling pro služby na podporu obchodních procesů a run time prostředí pro aplikace a technickou funkčnost Pravidla a rozhodovací logika jsou generovány touto vrstvou, stejně jako vzdálený přístup a horizontální integrace musí být obsaženy v této vrstvě s ohledem na nutnost udržení integrity dat

17 Zajišťuje integritu funkcí v hodnotovém toku Umožňuje mapování obchodních modelů a vyhodnocení celého procesu Obsahuje legální a regulární podmínky celého rámce Umožňuje modelování pravidel, které systém musí splňovat Vytváří také propojení mezi různými obchodními procesy

18 Reprezentuje životní cyklus a hodnotový tok průmyslové produkce Vychází ze standardu IEC Life Cycle Management Dělí se na etapu Typu a Instance Typ produktu, stroje nebo HW/SW reprezentuje prvotní ideu Typ pokrývá časové úseky výzkumu, vývoje a testování produktu až po zhotovení prototypu Po všech testech je Typ připraven pro sériovou výrobu

19 Typ libovolné komponenty, stroje nebo HW/SW atd. tvoří základ pro sériovou výrobu Každý vyrobený produkt představuje instanci tohoto typu Má např. unikátní sériové číslo Instance jsou určeny pro prodej zákazníkovi Pro zákazníka jsou produkty nejprve zase jen Typem

20 Produkt se stává instancí, když je vestavěn do nějakého systému Změna z Typu na Instanci se může opakovat mnohokrát Jemnější strukturování levé horizontální osy na modelu RAMi 4.0 ukazuje dělení Typu na etapu Vývoj a etapu Opravy/používání, avšak s ohledem na fyzikální charakter tohoto problému Instance prochází etapou Produkce (a již ne Vývoje) a opět etapami / Opravy/ využití

21 Funkce vrstev v levé horizontální ose modelu RAMI 4.0 může názorně ukázat jednoduchý příklad např. vývoje nového elektrického motoru (viz v textu příspěvku spoluautorského týmu ve Sborníku konference PDES 2016 [4])

22 Na levé horizontální ose je vyjádřen i hodnotový tok produkce Digitalizace a propojení hodnotového toku představuje velký potenciál pro zlepšování produkovaných Typů Logistická data mohou být využita pro sestavování, prodávající vidí stav zásob v reálném čase a vidí rovněž které a kde jsou části produktů výrobce v libovolném okamžiku. Zákazníci vidí stav kompletaci produktu během produkce atd.

23 Hodnotový tok v totálně digitalizované výrobě umožňuje propojení nákupu, pravidel plánování, montáže, logistiky, oprav, zákazníka a dodavatele atd. To představuje velký pozitivně laděný potenciál Životní cyklus pak může být sledován společně s procesem přidané hodnoty, kterou obsahuje a ne izolovaně, jak je tomu v současném procesu produkce Liter. [Platform Industrie 4.0. (2014)].

24 Umožňuje migraci ze současného výrobně obchodního prostředí do prostředí Industry 4.0 Tři osy modelu RAMI 4.0 zobrazují všechny důležité aspekty Industry 4.0 Umožňuje přetvoření fyzických vlastností fyzického výrobně obchodního řetězce do integrovaného modelu, vhodného pro počítačové řízení výroby i prodeje Na základě RAMI 4.0 lze diskutovat požadavky jednotlivých uživatelských branží v odpovídajících gremiíchpro tvorbu a užití standardů Usnadňuje pohled na úroveň standardizace v různých pohledech na proces výroby a je snadné identifikovat chybějící standardy Díky tomuto modelu lze dosáhnout systematicky nutných dalších kroků v I 4.0

25 Identifikace je nutným předpokladem aby se komponenty I 4.0 samy našly v propojeném výrobně obchodním řetězci. Zatím existují různé standardy nebo standardy vůbec chybí Semantika pro komunikaci strojů a dalších komponent I 4:0 je nezbytná masivní výměna dat, která bude nezávislá na výrobcích, je tedy nezbytná jednotná semantika význam slov a pojmů QoSkomponentů I 4.0 real timekomunikace, synchronizace události a spolehlivost (QoS)musejí být definované I 4.0 komunikace již existující masivní komunikace po průmyslových Ethernetech(IE) a prostřednictvím standardizovaného rozhraní OPC UA pro komunikaci mezi stroji mohou být dobrým základem. Je třeba je testováním prověřit, nedostatky pojmenovat a v případě potřeby definovat pokročilejší komunikační standardy.

26

27 Druhý velmi důležitý model pro účely Industry 4.0 Vyvinutý opět německými institucemi BITCOM, VDI/VDE, VDMA and ZVEI v posledním období 1 2 let (zveřejněný na Messe Hannover 4/2015) Za účelem pomoci výrobcům a systémovým integrátorům vytvořit HW a SW komponenty pro účely I4.0 Je to první specifický model, plně konformní s modelem RAMI 4.0 (7/2016)

28 Umožňuje lepší popis kyber fyzikálních vlastností komponent výroby Umožňuje popis komunikace mezi virtuálními objekty a kyber fyzikálními objekty a procesy Specifikuje konformní komunikaci Je fyzicky realizován pomocí shellu (obalu) elektronického kontejneru se zabezpečenými daty a má ho každá komponenta výroby v I4.0 a to během celého životního cyklu

29 Data v shellu jsou přístupná všem entitám výrobně obchodního řetězce Model Industry 4.0 Component vychází ze předpokladu standardizované, zabezpečené real time komunikace všech komponent produkce Elektronický kontejner s daty a Industry 4.0 Component model je specifikován na obr. 2 (dle VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik, 2015).

30

31 Výchozí podmínkou platformy I4.0 je, že různé objekty s různými komunikačními možnostmi musí být implementovatelné jako I4.0 komponenty Obr. 2 ukazuje, jak se může objekt výroby stát I4.0 komponentou Objekt (věc) je standardní technologický prvek (část stroje, vlastní celý stroj, SW apod.) zatím ještě bez vlastností I4.0 komponenty Když ten objekt (věc) je vybaven administrativní vrstvou (shell), tj. datovým kontejnerem, může být popsán jako I4.0 komponenta

32 Administrativní shell pokrývá obojí virtuální reprezentaci i technickou funkčnost objektu (věci) Níže uvedené 4 příklady implementace I4.0 funkčnosti objektu (věci) aby se stala I4.0 komponentou jsou ukázány na obr Celý stroj se může stát I4.0 komponentou prostřednictvím svého řídicího systému (např. PLC) To bude úkolem PLC integrátorů.

33 2. Strategicky významná montáž od dodavatele může být také posuzována jako I4.0 komponenta, takže může být registrována odděleně. To zajistí dodavatel komponenty. 3. Terminál může být také posuzován jako komponenta I4.0. Pro tento případ může být důležité neztratit napojení na určité signály a podržet si je po celou dobu. Tato vlastnost může být implementována provozním inženýrem elektro.

34 4. Také dodaný SW u nějakého stroje může představovat důležitý majetek. Takový SW může být standardně využitelný pro větší počet různých strojů (např. vývojový SW). Je možné že zhotovitel tohoto SW ho může prodávat i odděleně od stroje a pak je ten SW komponentou I4.0.

35 Společnost VDI/VDE-GesellschaftMess- und Automatisierungstechnik(GMAU) definovala v r následující požadavky na I4.0 komponenty: A. Síť komponent I4.0 musí být strukturovaná tak, aby propojení mezi každými dvěma koncovými body (I4.0 komponentami) byla možná. Komponenty I4.0 a jejich obsah musejí být vytvořeny podle jednotného sémantického modelu. B. Musí být možné definovat koncepci nějaké I 4.0 komponenty tak, že bude vyhovovat požadavkům z různých lokálních oblastí, např. z úrovně office floor a shop floor

36 C. Komunikace I4.0 musí být na takové úrovni standardizace, že data z virtuální reprezentace komponenty I4.0 mohou být uložena buď v komponentě samé (v jejím shellu ) nebo ve vyšších vrstvách IT systému. Další požadované vlastnosti komponenty jsou: Minimálně jeden informační systém musí zajišťovat komunikaci s daným objektem (věcí) To vyžaduje aspoň pasivní schopnost komunikace na straně objektu Existující objekt může být rozšířen za účelem získání vlastností komponenty I4.0. V tomto ohledu např. přístroje a systémy komunikující po Profinetuse mohou stát komponentami ve smyslu modelu Industry 4.0 component

37

38 Na obr. 3 je uveden model jedné I4.0 komponenty V dalším popišme stručně jednotlivé součásti komponenty I4.0 Technická funkčnost představuje technický popis komponenty jako věci v prostředí I4.0 a popis funkce této věci nebo věcí Dalším důležitý pojmem v prostředí I4.0 je Virtuální reprezentace a Manifestest Liter.: [2] VDI/VDE GesellschaftMess und Automatisierungstechnik(2015): Status Report: RAMI 4.0, Vol.0

39 Důležitý pojem v prostředí I4.0 Realizuje se v Informační vrstvě modelu RAMI 4.0 Obsahuje data o objektu Data jsou umístěna přímo v komponentě (shell) a jsou přístupná z okolního světa prostřednictvím I4.0 komunikace Data mohou být umístěna i v IT systému, který je dává k disposici okolí prostřednictvím I4.0 komunikace

40 Manifest je vytvářen v Informační vrstvě RAMI 4.0 Je to adresář individuálního obsahu virtuální reprezentace Obsahuje meta-informace Obsahuje rovněž povinná data o komponentě I4.0 Další data ve virtuální reprezentaci obsahují informace z individuálních fází životního cyklu komponenty jako CAD data, diagramy z terminálu, manuály. Schéma jednotlivé I4.0 komponenty je na Obr. 3

41 Virtuální reprezentace objektu musí být popsána strukturovanými daty. Proto musí shellkaždé I4.0 komponenty obsahovat specifické informace vyjádřené v přesném I4.0 slovníku a v I4.0 formátu I4.0 komponent může mít více, než jeden shell Kromě dat může komponenta I4.0 obsahovat i specifikaci technické funkčnosti

42 Funkčnost je specifikována: SW pro lokální plánování komunikace s objektem (věcí) SW pro plánování projektu Konfigurací Operátorským řízením a službami Přidanou hodnotou k objektu a dalšími technickými funkčnostmi Nachází se ve Funkční vrstvě RAMI 4.0

43 Celá fyzická továrna je reprezentována v digitální podobě v repository jako DF (Digital Factory) Pozice I4.0 komponent v budoucí digitální továrně (Digital Factory DF) je vidět na následující slide a na obr. 5 v příspěvku ve sborníku Liter.: VDI/VDE Gesellschaft Mess und Automatisierungstechnik (2015): Status Report: RAMI 4.0, Vol.0

44

45 Industry 4.0 tři vzájemně propojené a ovlivňující se jevy, činnosti, aktivity Model RAMI 4.0 teoretický základ Industry 4.0 Industry 4.0 component model návod pro realizaci virtuálního modelu reálných komponent Industry 4.0 compliant communication Cyber security klíčová otázka úspěchu ideje I4.0 Nová řídicí architektura pro potřeby Industry 4.0 Více v příspěvku spoluautorského týmu ve Sborníku konference PDES 2016 [4]

46 1. Manzei, C., Schleuper, L., Heinze, R. (2016): Industrie 4.0 im internationalen Kontext 2. VDI/VDE Gesellschaft Mess und Automatisierungstechnik (2015): Status Report: RAMI 4.0, Vol.0 3. ZVEI: Ergebnissbericht (2015). Platform I 4.0 : Umsetzungstrategie I 4.0. Berlin 4. F. Zezulka, P. Marcon, I. Vesely, O. Sajdl: Industry 4.0 An Introduction in the phenomenon, Proc. (electronic) of the PDES 2016, Lednice, 10/2016,pp