Průmyslová revoluce nebo přirozená evoluce?

Industry 4.0 Průmyslová revoluce nebo přirozená evoluce? Petr Kolář Listopad 2015 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STROJNÍ Ústav výrobních strojů a zařízení Ú12135 Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii RCMT www.rcmt.cvut.cz

Část 1: Vysvětlení pojmu Industry 4.0, původu a důvodu vzniku Ukázky na příkladech z Německa

Čtvrtá průmyslová revoluce jedná se o marketingový pojem, který začaly počátkem roku 2013 šířit a propagovat přední německé univerzity na německé univerzitní půdě lze za hlavního tahouna myšlenky považovat univerzitu v Cáchách (WZL Aachen, Fraunhofer IPT Aachen); zapojují se však i další významné university (Darmstadt, Chemnitz, Hannover ) k myšlence se postupně připojují přední německé firmy; je to však pragmatické rozhodnutí, protože v tomto přístupu cítí možné přínosy vznikají konkrétní firemní řešení s prokazatelným přínosem největším německým firmám a německé vládě se daří téma exportovat do zahraničí projevuje se síla německé ekonomické politiky

Proč čtvrtá?

Proč čtvrtá? Zdroj: Bosch Rexroth

Přirozený důsledek aktuálních megatrendů rozvoj ICT, penetrace ICT do všech sfér lidského života, globalizace (výroby i zákazníků), customizace produktů Zdroj: Bosch Rexroth

ICT jako základní vazba Zdroj: Bosch Rexroth

ICT jako propojení lidí, dat, věcí a služeb Toto je základ I4.0 lidé, věci, služby a procesy spolu komunikují, tj. předávají si potřebná data k tomu, aby mohly efektivně (a automaticky fungovat)

Pojem integruje velké množství dalších hesel Reálná technická řešení na pozadí celé problematiky umožnila vznik velkého množství dalších hesel, která jsou více či méně správně interpretována. Zdroj: www.johannhofmann.info

První vazba: virtualizace a propojení ve výrobě Zdroj: Fraunhofer IPT

Virtualizace výroby Propojení (existujících) virtuálních modelů s reálnými výrobními daty Zdroj: Fraunhofer IPT

Identifikovaný dnešní problém: ztráta dat v procesu Slabinou současných systémů v řízení výroby je nedokonalé propojení a málo integrované synergické využití různých typů dat, která máme k dispozici. Data (z virtuálních i reálných zdrojů) jsou využívána jen částečně, nejsou vzájemně kombinována a je mezi nimi jen omezená nebo žádná zpětná vazba. Zdroj: Fraunhofer IPT

Ukázka propojení dat pro analýzu jakosti obrábění Propojení dat z virtuálních modelů s reálnými ze stroje a technologie Zdroj: Fraunhofer IPT

Vše je založeno na komunikaci a sdílení dat Již dnes můžeme ze stroje získávat velkém množství informací, kde lze následně vyhodnocovat v konkrétním kontextu. Z technického hlediska to přirozeně vede vývoj komunikačních prostředků, cloudových technologií a databázových systémů.

Co již dnes máme a co lze dále rozvíjet Již máme a používáme: diagnostika stroje pro potřebu servisu, dálková diagnostika, sběr a analýza procesních dat a výrobkových dat pro kontrolu kvality Dále lze rozvíjet: hledání přidané hodnoty v kombinaci již nyní dostupných dat, doplnění dalších informací prostřednictvím virtuálních modelů, zkracování zpětné vazby v řízení a kontrole kvality výroby reálný stroj expert výrobce stroje virtuální stroj sběr dat pro servis (výrobce) analýza reálných dat a očekávaných dat (z modelu) virtuální proces sběr dat pro kontrolu Industry 4.0 kvality (uživatel) reálný proces real-time kontrola výrobního procesu

Druhá vazba: propojení obchodu a řízení výroby Zkrácení informační cesty mezi potřebou zákazníka a výrobou konkrétního produktu Vazba na ERP a další informační a databázové systémy pro podporu řízení firmy Zdroj: Fraunhofer IPT

Část 2: Aktuální situace ve světě dle prezentací světových firem na EMO Milano. Informace o politické a odborné rovině Industry 4.0 v ČR.

Aktuální situace v Německu Koncept I4.0 podporují především velcí němečtí hráči v oblasti automotive. Motivací je další snižování ceny a růst produktivity a jakosti v masové výrobě. Současně také potřeba vypořádat se s rostoucími požadavky na customizaci konečného produktu. Na to jsou navázáni významní dodavatelé výrobních strojů a výrobních linek. Od velkých firem typu DMG MORI po rodinné firmy typu GROB. Na výrobce strojů navazují výrobci komponent. Uvedený koncept (sběr dat, jejich ukládání, sdílení a vyhodnocování lze nejjednodušeji dělat nad moderními pohony a řídicími systémy. Firmy z této branže tedy patří k dalším významným hybatelům celého konceptu (Siemens, Bosch-Rexroth, INA-FAG aj.). Základní technická kritéria hodnocení výrobních procesů stále platí a jejich optikou jsou konkrétní řešení posuzována. Vše se stále dělá proto, aby se dařilo zvyšovat produktivitu, přesnost, jakost, hospodárnost výroby a snižovat náklady a negativní dopady na životní prostředí. Promyšlené nasazení konkrétních firemních řešení má prokazatelný technický a ekonomický přínos, proto se nejedná o mrtvý koncept.

Příklady z Německa Zdroj: Bosch Rexroth

Německé firmy propagující I4.0 na EMO Schäffler Group představil inteligentní komponenty obráběcích strojů. Přímé pohony (lineární i rotační) i komponenty lineárních a rotačních uložení jsou vybaveny senzory pro monitoring stavu. Data se sbírají a ukládají na cloud, kde mohou být sdílena mezi uživatelem stroje, výrobcem stroj a výrobcem komponent.

Německé firmy propagující I4.0 na EMO Komponenty byly přestaveny fyzicky a vypadaly funkčně. Podpůrný SW pro správu a zpracování dat byl v rozpracovaném stavu, nicméně funkce a potenciál již bylo možno vidět.

Německé firmy propagující I4.0 na EMO Bosch Rexroth se zcela přirozeně opírá o své know-how a stávající řešení v oblasti pohonů a průmyslové automatizace. Nový specifický SW nebyl představen. Podobně se prezentuje firma Beckhof. S podobným přístupem přichází i Siemens, který se opírá o ucelenou skupinu svých produktů v oblasti pohonů, řídicích systémů, PLC a CAD/CAM podpory. Firma Heidenhain zatím tento trend ignoruje a stále prosazuje svoje vize.

Německé firmy propagující I4.0 na EMO Systém CELOS firmy DMG umožňuje integrovat další aplikace, např. uváděný SW firmy Schäffler. Za hlavní funkcionalitu z hlediska I4.0 je uváděna především konektivita stroje do nadřízeného systému řízení výroby. Na této nadřízené úrovni se propojuje sledování stavu strojů v provozu z hlediska rizika poruchy a vytížení výrobou.

Německé firmy propagující I4.0 na EMO Do kategorie I4.0 = řízení strojů ve výrobě spadá i prezentace firmy Pittler, která navrhuje výrobní stroje a linky pro výrobu ozubených kol. Stejně k tématu přistupuje i firma GROB, která vyrábí obráběcí a montážní linky.

Německé firmy propagující I4.0 na EMO Jiný pohled zastávají např. firmy WFL (AT) a Niles Simmons. Běžně měřené signály a data ze stroje a procesu je možno sledovat speciálním SW buď přímo na stroji (stroje jsou v některých případech vybaveny druhou obrazovkou pro tuto funkci), nebo vzdáleným přístupem, ev. přes cloudové úložiště.

Aktuální situace ve světě Velkým německým firmám a německé vládě se daří téma exportovat do zahraničí projevuje se tak síla německé ekonomické politiky. Téma je v zahraničí akcentováno především tam, kde firmy spolupracují s německými univerizitami (např. Korea, Taiwan), vyrábějí produkty pro německé výrobce strojů (např. Taiwan, Čína, také ČR) nebo dodávají řešení pro německé výrobce dopravní techniky (např. Itálie). Celkově lze situaci charakterizovat: snažíme se replikovat co nejvíce německých myšlenek s tím, co dům dal.

Firmy z dalších částí světa propagující I4.0 na EMO HIWIN posílení kompetencí v pohonech (nejen motory, ale i měniče, řízení a průmyslová komunikace) a dále inteligentní komponenty (komponenty se senzory). Nabídka je široká, zatím chybí sjednocující SW prostředí.

Firmy z dalších částí světa propagující I4.0 na EMO FANUC nový řídicí systém, který umožňuje integrovat i další funkcionality z hlediska sledování stroje a procesu.

Firmy z dalších částí světa propagující I4.0 na EMO PAMA, YCM, DOOSAN, TORNOS: Industry 4.0 = propojené informace o strojích ve výrobní základně. Stroje jsou napojeny na nadřízený systém řízení výroby, který sleduje vytížení stroje a jeho technický stav na základě informací ze stroje.

Firmy z dalších částí světa propagující I4.0 na EMO PAMA, YCM, DOOSAN: Industry 4.0 = propojené informace o strojích ve výrobní základně. Stroje jsou napojeny na nadřízený systém řízení výroby, který sleduje vytížení stroje a jeho technický stav na základě informací ze stroje.

Ostatní významní hráči Ostatní velké firmy nemluví přímo o I4.0. Jejich prezentace se opírá o inteligentní stroj a nadřazené systémy řízení výroby, monitoring stavu a provozu stroje. Dalo by se říci, že jsou I4.0 ready, tedy připraveni na další rozšíření komunikace a sdílení dat.

Aktuální situace v ČR Česká vláda se ke konceptu I4.0 přihlásila prostřednictvím ministra průmyslu a obchodu p. Mládka na letošním MSV. Jedná se o reakci na akcentování tohoto tématu v Německu. Věcným krokem je uvedení garanta tématu, kterým se stal prof. Mařík z CIIIRC, ČVUT v Praze. Ten zpracoval Národní iniciativu v I4.0, která je dostupná na webu MPO. Je pravděpodobné, že z této strategie bude MPO vycházet v dalším směřování a konkrétních krocích v této oblasti. Národní iniciativa uvádí, že změny v průmyslové výrobě založené na ICT vyžádají další změny ve společnosti: nové požadavky na aplikovaný výzkum, požadavky na standardizaci a bezpečnost, budou mít dopady v sociální oblasti a na trhu práce, vyžádají změny ve vzdělávací soustavě. V oboru výrobní techniky se tématu věnuje RCMT. Industry 4.0 je také nově jedním z témat řešených v rámci projektu Centrum kompetence Strojírenská výrobní technika.

Infrastruktura T-Mobile připravuje specializovanou datovou síť pro komunikaci technických zařízení. Síť na technologii firmy SIGFOX a bude fungovat paralelně vedle současných sítí 2G/3G/LTE. SIGFIX síť: M2M síť v pásmu 868 MHz, zaměřena na přenos krátkých zpráv (např. periodické odesílání GPS lokace, naměřených hodnot atd.), podporuje zejména uplink (odesílání dat), ale downlink je podporován také, nízké náklady na implementaci technologie do zařízení (chipset), transparentní dostupnost sítě v zahraničí (dostupnost v rámci Evropy se rychle rozšiřuje). Spuštění v průběhu 2016.

Část 3: Možnosti realizace a využití v českých výrobních firmách z pohledu technického a obchodního.

Jak mohou české firmy uchopit I4.0? Stále trvá, že zákazníka zajímají hlavní užitné vlastnosti stroje (výkonnost, přesnost, jakost, spolehlivost, hospodárnost, malá spotřeba energie). Pokud stroj nenabízí dostatečně dobré užitné vlastnosti stroje ve srovnání s jeho cenou, nemá zákazník o nabídku zájem. Koncept I4.0 by tedy měl být nahlížen: o o o technicky: jak mi inteligentní řešení na stroji a rozšíření ICT podpory provozu stroje umožní zvýšit hlavní užitné vlastnosti výrobního stroje? obchodně: jaký mi to přináší netechnický užitek pro zákazníka? (kratší dodací lhůty, lepší servis a zákaznická podpora aj.) marketingově: sledujeme světové trendy, máme kvalitní řešení dle trendu, které nabízíme zákazníkovi, nebo jdeme vlastní cestou a jsme v tom originální a zajímaví?

Možné úrovně I4.0 s možným přínosem uživateli Základní podmínka: možnost komunikace stroje po vnější datové síti s dalšími nařízenými systémy. Úroveň 1: sběr signálů ze stávajících komponent a senzorů o o o o informace o poloze pohybových os, informace i silovém zatížení pohonů, informace o teplotě z běžně vestavěných čidel, informace z obrobkových a nástrojových sond, odbavovaném NC kódu atd. hledat přidanou hodnotu ve znalosti interpretace signálu, jeho trendech a také společném vyhodnocení více různých typů signálů SW řešení (vlastní nebo třetích stran) pro vyhodnocení a zobrazení měřených veličin (in-procesní využití: sledování okamžitého stavu stroje, korekční zásahy), předávání informací obsluze i nadřazenému systému postprocesní zpracování (sběr dat na cloudu): analýza big data, analýza dlouhodobých trendů, sledování a predikce spolehlivosti a disponibility Úroveň 2: rozšíření úrovně 1 o dalších vstupy o o senzory např. formou smart component (vřeteno s vestavěným akcelerometrem, lineární vedení se senzorem AE aj.) SW podpora na podobné úrovni jako výše

Možné úrovně I4.0 s možným přínosem uživateli Úroveň 3: sběr dat z reálného stroje a procesu, porovnání s daty z paralelně běžícího virtuálního stroje a procesu o o o model musí být průběžně kalibrován a posuzován s realitou následně je možnost detailní analýzy problémů, které nejsou normálně měřitelné nebo snadno sledovatelné Vizualizace odchylky vzdálený expertní přístup obrobeného povrchu Skutečný obrobek Virtuální simulace

Závěr Za I4.0 stojí silný marketing a emoce. Koncept nicméně má své nezpochybnitelné reálné technické přínosy Mnoho z prezentovaných budoucích záležitostí se již dnes běžně používá, např. napojení stroje na monitorovací systémy a systémy řízení výroby. I4.0 je systematičtější, hlubší a komplexnější využívání vznikajících a existujících řešeních ve virtualizaci, senzorice, diagnostice a analýze dat. I4.0 je komplexnější integrace technických a netechnických dat. Zde se otevírá další prostor pro kreativitu v kontaktu se zákazníkem, řízení kvality a dalších procesech. Z technického hlediska je základem rozšiřování mechatronických řešení o mechatronika = mechanika + elektronika V oblasti integrace mechatronických řešení a virtualizace výroby nabízí RCMT široké spektrum znalostí a vlastních řešení pro výrobní firmy i výrobce strojů. Výsledné řešení však musí vždy vznikat v úzkém kontaktu koncového uživatele, výrobce stroje a výzkumné organizace.

Děkuji za pozornost Diskuse