Průmysl 4.0: Budoucnost průmyslové výroby

Transkript

1 Průmysl 4.0: Budoucnost průmyslové výroby Leoš Dvořák Siemens, s.r.o Všechna práva vyhrazena. siemens.cz

2 In the past, even the future was better. Karl Valentin, komik Strana 2 Zdroj: HayGroup

3 Průmysl se vyvíjí jako důsledek technologických a sociálních změn Technologie Společnost Trhy Image Digitalizace a nové technologie trvale mění tvář průmyslové výroby Výrobní průmysl svými technologickými a ekonomickými přínosy přispívá ke stabilitě a rozvoji společnosti. Požadavky zákazníků narůstají. Jedním z klíčových faktorů je rychlé uspokojení specifických přání zákazníků. Ve stále větší míře ekologicky šetrné, vysoce produktivní a inovativní formy výroby mění image průmyslu. Strana 3

4 V ekonomikách napříč kontinenty je průmysl znovu vnímán jako motor růstu a stability USA Oživení průmyslové výroby silnější podpora průmyslu a technického vzdělávání vytvoření Národní sítě pro průmyslové inovace, Industrial Internet Consortium nebo Smart Manufacturing Leadership Coalition Německo Zachování vedoucí pozice v průmyslu dlouhodobé investice do inovací udržování vysokého podílu průmyslové výroby na HDP Industrie 4.0 jako nový základní směr dalšího rozvoje Čína Vyšší kvalita výrobků díky využití špičkových technologií vývoj směrem od výrobků Made in China k výrobkům Created in China investice do softwarového vybavení a automatizace rostoucí energetická účinnost Strana 4

5 Na cestě k příští průmyslové (r)evoluci Od Průmyslu 1.0 k Průmyslu 4.0 Stupeň komplexity První průmyslová revoluce založená zavádí mechanické na zavedení mechanického výrobní zařízení výrobního zařízení poháněné poháněného vodou vodou a paroua parou Druhá průmyslová revoluce zavádí hromadnou výrobu založenou na oddělení pracovních úkonů a využití elektřiny Třetí průmyslová revoluce zavádí využití elektroniky a výpočetní techniky dále automatizující výrobu Čtvrtá průmyslová revoluce zavádí kybernetickofyzické systémy První mechanický tkalcovský stav, 1784 První pásový dopravník, jatka v Cincinnati, 1870 První programovatelný logický automat Modicon 084, 1969 Čas Strana 5

6 Výzvy pro průmysl Zkracování doby dodání na trh Zvyšování flexibility Zvyšování účinnosti zkracování inovačních cyklů rostoucí komplexita výrobků zpracování velkého objemu dat kolísavé trhy individualizovaná poptávka individualizovaná hromadná výroba vysoká produktivita snižování výrobních nákladů energetická účinnost účinnost využívání materiálových zdrojů Strana 6

7 Každý zákazník si může vybrat jakoukoliv barvu auta, jestliže to bude černá. Henry Ford, 1909 Strana 7

8 Počet variant a rozmanitost výrobků roste Příklad: Automobilový průmysl Možnosti konfigurace VW Golf Exponenciální nárůst počtu variant Motory Převodovky Karoserie Podvozky Pneumatiky/ ráfky Barvy Multimediální systémy Telefonní systémy Asistenční systémy Další volitelná výbava P o č e t v a r i a n t Několik trilionů možných kombinací 1) Zdroj: Konfigurátor Volkswagen 1) Odhad Strana 8

9 Internet přináší revoluci do světa businessu a vytváří výzvy pro výrobní firmy Strana 9

10 Digitalizace mění způsob komunikace mezi lidmi i stroji Lidské rozhraní hlavní zaměření na počátku Sociální sítě, virtuální komunity Zdravotnická zařízení, digitální TV, chytré karty, bankovní karty, auta, kamery, počítače, mobilní zařízení Na Facebooku přibývá 250 mil. fotek/ den Sociální média Strojové rozhraní hlavní zaměření dnes a do budoucna Mobilní zařízení Objem mobilních dat roste exponenciálně a mezi se opět zdvojnásobil senzory, měřiče, zařízení, RFID (Radio Frequency Identification) štítky, GPS, čárové kódy, scannery, kamery ostrahy, mikrofony, průmyslové stroje, chytré přístroje v domácnosti Internet věcí, Průmysl 4.0 Jedna ropná věž generuje 25 tis. jednotek dat/ s. Geofyzikální průzkum Systémová data ze zdravotnických zařízení umožňují prediktivní údržbu Zdravotnické zobrazování Odečítání měřičů každých 15 min produkuje 3 000x více dat Chytré sítě Strana 10

11 Od vize k realitě - utváření budoucnosti průmyslové výroby Včera Dnes Zítra Poté Oddělené automatizační technologie Vzájemně propojená automatizace Optimalizace celého výrobního procesu pomocí inovativních softwarových systémů Organizace a optimalizace výroby prostřednictvím kyberneticko-fyzických systémů (CPS*) Průmysl 4.0 Strana 11 *Cyber Physical System

12 Tři klíčové aspekty konceptu Průmysl 4.0 Propojená síť informací Flexibilní výrobní procesy s přístupem k informacím ze všech částí firmy a dodavatelsko-odběratelského řetězce v reálném čase Propojení reálného a virtuálního světa Spojení návrhu výrobku s návrhem výrobního postupu vznik digitálních dvojčat Kyberneticko-fyzické systémy modulární, flexibilní výrobní jednotky s plně identickým digitálním modelem Strana 12

13 Průmysl 4.0 Kyberneticko-fyzické systémy Produkt, který má být vyroben, má k dispozici veškerá nezbytná data ke své výrobě Vzájemně propojená výrobní zařízení beroucí v potaz celý proces tvorby přidané hodnoty Výrobní pořadí je stanovováno flexibilně s ohledem na aktuální situaci Člověk zastává i nadále rozhodující roli v oblasti kreativního plánování, dohledu a rozhodování Strana 13

14 Průmysl 4.0 Digitální model v kyberneticko-fyzickém systému Kyberneticko- fyzický systém (CPS) + Fyzický výrobný závod Digitální model Obsahuje veškeré informace o... Tvaru, rozměrech Poloze, původu, SW-Verzi Aktuálním stavu Mechan. vlastnostech Rozhraní Elektrotechnice, Elektronice Automatizaci, HMI Bezpečnosti Stavu servisních zásahů Digitální model je vždy aktuální a doplňuje se po celý životní cyklus výrobku Návrh výrobku Plánování výroby Přírava výroby Realizace výroby Služby Strana 14

15 Průmysl 4.0 Komunikace Výrobek Stroj Stroj Člověk Dnes: Průmysl 3.X Výrazně rozvinutá sémantika komunikace mezi stroji Základní rámec a architektura pro dynamickou topologii Integrovaná simulace procesů Karoserie vozu identifikována Potřebujeme pět dveří Simuluji a optimalizuji úkon Já jsem dopravník Optimalizace snížila potřebný čas o 10% Kontrola procesu dokončena Já jsem karoserie Budoucnost: Průmysl 4.0 Já jsem robot 1 Já jsem robot 2 Já jsem robot 3 Strana 15

16 Průmysl 4.0 Charakteristiky inteligentních továren vertikálně i horizontálně integrované IT systémy v rámci továrny propojení dodavatelsko-odběratelského řetězce virtuální návrhy výrobků, výrobních prostředků a výrobních procesů automatizované a vzájemně propojené výrobní linky s inteligentními roboty, výrobní zařízení činící autonomní rozhodnutí výrobní zařízení schopné sebe-optimalizace a sebe-rekonfigurace ve vazbě na změnu výrobního programu, vytížení a prediktivní údržbu individualizovaná hromadná výroba automatizované logistické zázemí Strana 16

17 Technologické předpoklady pro implementaci Analýza velkých dat Rozšířená realita Komunikační infrastruktura Autonomní roboty Cloudové výpočty Aditivní výroba Systémová integrace Kybernetická bezpečnost Umělá inteligence Strana 17

18 Analýza velkých dat Data peta bytů (10 15 bytů) Obrazová, textová a kombinovaná multimodální data Zdroj: Internet, firemní informační systémy, výrobní stroje, senzory, atd. Přínos Shromáždit analyzovat zhodnotit Optimalizace výroby, souvisejících služeb, logistických procesů Prediktivní údržba zařízení Úspora energií a materiálů Strana 18

19 Komunikační infrastruktura Vysokorychlostní pevné a bezdrátové sítě Vysokokapacitní komunikační trasy M2M komunikace za využití radiového spektra Technologie pro zajištění kybernetické bezpečnosti Přínos Vysoká rychlost a kvalita přenosu i velkých objemů dat coby základní předpoklad pro analýzu velkých dat, cloud computing nebo efektivní M2M komunikaci Strana 19

20 Datová úložiště a cloudové výpočty Ukládání, zpracování, zálohování dat z Internetu věcí (IoT), firemních informačních systémů,výrobních strojů či M2M komunikace Veřejná, soukromá či hybridní datová úložiště Přínos Vysoký výpočetní výkon Dostupnost odkudkoliv Omezení nutných investic do vlastní podnikové IT infrastruktury Strana 20

21 Systémová integrace Vertikální integrace všech výrobních systémů Horizontální integrace napříč dodavatelským řetězcem Integrace všech inženýrských procesů (digitální modely) Realizace výroby Služby Příprava výroby Plánování výroby Návrh výrobku Dodavatel Přínos Zvýšení flexibility a efektivity výroby Optimalizace dodavatelsko odběratelských vztahů Efektivní řízení životního cyklu výrobku Strana 21

22 Umělá inteligence a kybernetika Multiagentní systémy umožňující autonomní chování a inteligentní interakci, koordinaci a kooperaci autonomních jednotek s ohledem na sdílené cíle Využití sémantické informace a znalostních ontologií k pochopení stavu složitého systému a konzistentní interpretaci událostí a komunikačních scénářů Přínos Zefektivnění výroby a lepší využití zdrojů díky agentovému plánování umožňujícím dynamické reakce na probíhající změny Strana 22

23 Rozšířená realita Rozšíření lidského vnímání světa doplňkovým informačním kanálem (obraz, zvuk) Video see-through (mobil, tablet), Optical see-through (průhledové brýle) Přínos Interaktivní vizualizace pracovních postupů a instrukcí v reálném čase Rozpoznávání objektů na velkou vzdálenost, usnadnění navigace Interaktivní virtuální školení Strana 23

24 Autonomní roboty Pokročilá komunikace s okolím v reálném čase Schopnost sebe-nastavení a sebe-optimalizace Autonomní rozhodování Přínos Flexibilní a efektivní výroba i malých výrobních dávek Zkrácení času (změna nastavení, optimalizace) Redukce nákladů Strana 24

25 Aditivní výroba Postupné kladení vrstev materiálů a tím vytvoření tří-rozměrných objektů Předlohou je virtuální 3D model Přínos Produkce tvarově složitých výrobků Eliminace náročné technologické přípravy výroby Zkrácení fáze návrhu a výroby prototypu Optimalizace materiálové spotřeby Individualizace výrobku Strana 25

26 Kybernetická bezpečnost Bezpečnost komunikace horizontálních propojených systémů výroby. Monitoring anomálii datového toku mezi různými subjekty Cloudová úložiště Přínos Zamezení napadení výrobních a pomocných technologii Eliminace reaktivních systémových kontrol Zamezení výpadku nebo zpomalení výrobních technologií IP protection Strana 26 Erkin Sahin/Freeimages.com

27 Prostředí konceptu Průmysl 4.0 Internet věcí Inteligentní mobilita PRŮMYSL 4.0 Inteligentní budovy Internet dat Inteligentní výroba a spotřeba energie Efektivní využití vstupních materiálů a odpadů Inteligentní sítě CPS Inteligentní domácnosti Logistika vstupních materiálů a odpadů Vnitropodniková logistika Inteligentní továrna Inteligentní přeprava zaměstnanců Internet služeb Inteligentní logistika Podnikové sítě Sociální sítě Internet lidí Zdroj: Delloite Sběr, analýza a zhodnocení dat Smart Buildings Smart Cities/ Smart Regions Strana 27

28 Siemens - Digitální továrna Příklady aplikace konceptu Průmysl 4.0

29 Siemens realizuje vizi Průmyslu 4.0 prostřednictvím své platformy Digitální továrna PLM MES TIA Teamcenter / NX SIMATIC IT SIMATIC / SINUMERIK Průmyslový software a automatizace Průmyslová bezpečnost Průmyslová komunikace Průmyslové služby Strana 29

30 Siemens Digitální továrna Propojení virtuálního a reálného světa Návrh a virtuální výroba Služby Digitální Reálná výroba Plánování výroby Návrh výrobku PLM Product Lifecycle Management TIA Totally Integrated Automation Příprava výroby Realizace výroby Digitální Služby Strana 30

31 Průmyslová integrace: Ucelený koncept pokrývající celý proces vývoje výrobku a jeho výroby 2 3 Plánování výroby 1 Návrh výrobku Příprava výroby 5 Realizace výroby 4 Služby REÁLNÝ SVĚT VIRTUÁLNÍ SVĚT Moderní technologie + integrovaný proces výroby = MAXIMÁLNÍ výsledky Strana 31

32 Příklad: Výrobní průmysl Zahrnutí kompletního životního cyklu produktu i výroby Návrh produktu Plánování výroby PLM Software Příprava výroby Realizace výroby Služby Plně integrovaná automatizace Strana 32

33 Ukázka konceptu Průmysl 4.0 Strana 33

34 Portfolio společnosti Siemens v oblasti automatizace výrobního průmyslu Podniková úroveň PLM ERP PLM NX Vývoj produktu TEAMCENTER Kolaborativní PDM TECNOMATIX Digitální výroba Manažerská úroveň MES SIMATIC IT Production Suite SIMATIC IT Intelligence Suite Operační úroveň SIMATIC WinCC SCADA System SCADA Řídící úroveň SIMATIC Kontroléry SIMATIC HMI SINUMERIK CNC SIMOTION Řízení pohybu TIA PORTAL Inženýrský softwarový systém pro automatizační úkoly Provozní úroveň SIMATIC NET Průmyslová komunikace SIRIUS Průmyslové řízení SIMATIC IDENT Průmyslová identifikace SIMATIC Distribuované I/O SINAMICS Řídící jednotky Strana 34

35 Příklad Podniková úroveň PLM software NX, Tecnomatix, Teamcenter Integrovaná, flexibilní a vysoce efektivní řešení pro návrh, simulaci a řízení životního cyklu výrobku Strana 35

36 Příklad Podniková úroveň PLM software NX, Tecnomatix, Teamcenter Individuální stroj Výrobní linka Výrobní závod modelování a simulace konceptu funkční model stroje virtuální spuštění bez fyzického prototypu Strana 36 optimalizace materiálového toku analýza logistického systému kalkulace spotřeby energie virtuální uvedení do povozu detekce možných kolizí programování robotů ale i jeho výrobního procesu od jednotlivých strojů přes výrobní linky až po celou výrobní halu

37 Příklad: COMOS Walkinside Výkonná 3D vizualizace celého závodu umožňující přímý přístup k aktuálním informacím o závodě v prostředí virtuální reality Strana 37

38 Příklad: Siemens Plant Data Services Od dat Vizualizace a doporučení Prodloužení provozní doby k hodnotě Datové analýzy a simulace Analytický ekosystém založený na cloudu Optimalizace energetické účinnosti Bezpečné uložení a přenos dat Zvýšení průmyslové kyber-bezpečnosti Strana 38 Sběr dat Maximalizace účinnosti procesů

39 Siemens Mind Sphere Nová platforma pro služby v oblasti zpracování dat Platforma Mind Sphere Instalované výrobky, + + systémy, Znalost Znalost procesy a oboru kontextu senzory + Analytické know-how - Zvýšení výkonu - úspory energie - snížení nákladů - minimalizace rizik -zvýšení kvality -Predikce chování Data Analýza dat Informace Varianty postupu Hodnota pro zákazníka Strana 39

40 Závod Siemens na výrobu elektroniky v Ambergu Digitální továrna budoucnosti Továrna již dnes využívá technologie Průmyslu 4.0 Stroje a počítače obstarávají 75% veškerých procesů Továrna produkuje 12 milionů produktů Simatic ročně Kvalita výroby dosahuje 99,9989 % Výrobní systém je úzce propojen s oddělením R&D Objem výroby se od roku 1989 zvýšil sedmkrát Strana 40

41 Nečekejme na příchod Průmyslu 4.0 Pomožme jej utvářet! Strana 41

42 Děkuji za vaši pozornost! Ing. Leoš Dvořák Head of Digitalisation Siemensova Praha 13 Česká republika Siemens, s.r.o Všechna práva vyhrazena Strana 42 Budoucnost průmyslové výroby