Get Adobe Flash player

Új időszámítás a gyártásautomatizálásban

Radvány Miklós
Festo Kft.

Az ipari termelés világának alapvető változását tapasztalhatjuk napjainkban. A legújabb információs és kommunikációs technológia összefonódik a hagyományos ipari folyamatokkal – ezt nevezzük “Ipar 4.0”-nak.
A jövő termelésének legfontosabb tényezői: digitális hálózatba kapcsolt üzemek; intelligens, “plug-and-produce” képességgel bíró részegységek; gyors gyártás-indítás, illetve konfiguráció-váltás a virtuális üzembe helyezés (emuláció) alkalmazásával; a gyártósorok automatikus adaptálása a megerendelt tételekhez; intelligensabb és rugalmasabb teremelés-irányítás; ügyfél-igényekhez illesztett termelés; az ember és a technológia magas szintű együttműködése.

A fundamental transition is taking place in the world of production. Modern information and communication technologies are being combined with traditional industrial processes in the various areas of production – this is called “Industry 4.0”.
The main features of the production of the future: digitally networked production plants; intelligent components with plug-and-produce capability; virtual emulation for enabling automatic start-up and reconfiguration; automatic adaptation of production lines to the ordered quantities; more intelligent and adaptable control of workflow; customer-specific production; increasing cooperation between humans and technology.

 

Ipar 4.0: a negyedik ipari forradalom

Törékeny világunkat ősidők óta körülveszi a földi élet kialakulásához és mindennapi létünkhöz nélkülözhetetlen légkör. Az utóbbi évtizedekben egy új, virtuális “atmoszféra” kezdett körvonalazódni, amely ma már szinte ugyanolyan fontos része életünknek, mint a belélegzett levegő. Ez a mind sűrűbb adat- és információfelhő nemcsak a termelő cégek működésének elengedhetetlen feltétele, de hivatalos és magánéletünk kommunikációját is ez teszi lehetővé. Az információs és adatátviteli technológiák a hagyományos ipari folyamatokkal kombinálva mintegy egymásba olvasztják a valóságos és a virtuális világot, ezzel gyökeresen megváltoztatva a termelési módszereket és a hatékony munka feltételeit. Az adat, a releváns információ a termelési folyamat egyik legfontosabb értékévé vált. Ez a forradalmi fejlődési irány – bár összes hatását és eredményét még nem ismerhetjük – már nevet is kapott: Ipar 4.0.

A technológia fejlődését ösztönző tényezők értelemszerűen összhangban vannak korunk ipari, kereskedelmi és társadalmi jelenségeivel. A legjellemzőbbek: az ügyfelek specifikus igényei (változó szükségletek és “testre szabott” megoldások, stb.); társadalmi változások (demográfiai jelenségek, egyre magasabb képzettségi igények, ember-gép kapcsolatok, stb.); fenntarthatóság (energia-hatékonyság, károsanyag-kibocsátás, hulladékhasznosítás, stb.); technológiai változások (digitális hálózatok, decentralizált intelligencia, digitális és virtuális gyárak, stb.).

A jövő gyárában a digitális hálózatba kötött gyártó egységek „plug-and-produce” képességgel felvértezett intelligens alkatrészekből épülnek fel. A gyártási folyamat virtuális emulációja lehetővé teszi a gyors, automatizált gyártás-indítást és -átkonfigurálást. A hálózatban működő részegységek a pillanatnyi feladatnak megfelelően behívhatók a gyártásba, így kapacitásuk optimálisan kihasználható. A teljes termelő rendszer gyorsan alkalmazkodik a megrendelések változásaihoz, és a feladatok megfelelő átcsoportosításával a meghibásodott gépeket is helyettesíteni tudja. Egyre nagyobb szerepet kap az ember és gép közötti együttműködés.

A fejlődés a teljes termelési rendszert érinti: az informatikai képességek növekedésével és globalizációjával lehetővé válik a folyamatok optimalizálása a megrendelések kezelésétől az igények szerinti gyártáson keresztül a kiszállítási logisztikáig és az emberközpontú, feladatorientált oktatásig. A gyártásautomatizálás ennek a rendszernek csak az egyik láncszeme, ami az üzemek eltérő adottságai és sajátosságai miatt rengeteg megoldandó feladatot ad (és fejtörést okoz) a szakembereknek ma és a közeljövőben.

A mechatronikai rendszerek kiber-fizikai rendszerré válnak

Az Ipar 4.0-hoz kötődő legfontosabb fejlesztési irányok közé tartozik a „plug and produce”. Hasonlóan ahhoz, ahogy a személyi számítógépek USB-csatlakozójára illesztett eszközök közvetlenül bejelentkeznek, majd kommunikálnak a PC-vel, a gyártó rendszerbe beléptetett egyedi berendezések is a megfelelő időpontban, a termelés igényeinek megfelelően önállóan „üzembe helyezik magukat” a jövő gyárában. Egyes elképzelések ma már ennél is tovább mennek: a cél olyan osztott intelligenciájú rendszerek kialakítása, amelyekben a részegységek átveszik a felügyelő számítógép feladatainak jelentős részét a rendszerben megosztott diagnosztikai információk felhasználásával. Egy egyszerű példával élve: egy töltési folyamatban a töltő munkahely képes utasítást adni a következő állomásnak a tartály fedelének lezárására az elvárt és a megvalósult töltési szint, a tartályfedél helyzete és a biztonságtechnikai feltételek ismeretében.
A gazdaságos, energia-hatékony tömeg-
gyártás növekvő fontossága mellett egy másik irányzat is megfigyelhető: az ipari termelésben egyre nagyobb szerepet kapnak az egyedi gyártmányok, ezért mind rugalmasabban működő üzemekre van szükség. Az Ipar 4.0 ezen a téren is újabb lehetőségeket kínál. Az intelligens módon hálózatba kötött, egymástól független, ön-konfiguráló részegységekkel felszerelt gyártó rendszerek még a leggyorsabban változó követelményekhez is azonnal képesek alkalmazkodni.

Középpontban a megrendelő

Az Ipar 4.0 bevezetése olyan fejlődési folyamatot indít el, ami eltérő sebességgel zajlik le a különböző iparágakban és az egyes gyárakban. Alapelvei gyakorlatilag minden olyan esetben megvalósíthatók, ahol a hálózatolás (networking) képes javítani a hatékonyságot, a vezérlési-szabályozási és szervezési funkciókat, egyértelmű hasznot kínálva a megrendelők számára.

Néhány példa az ügyfélközpontú megközelítésre: az Ipar 4.0 szerinti gyártás az ügyfél igényének megfelelő, rugalmasan változtatható sorozatnagyságokra (akár egyedi gyártásra is) képes. A tervezés és a gyártás-indítás gyors és kockázatmentes a virtuális üzembe helyezés (emuláció) alkalmazásával. Az energiaköltség, ezzel a termelési költség és a termékek ára csökkenthető a rendelkezésre álló források jobb kihasználásával valamint anyag- és energiatakarékos megoldásokkal. A megelőző karbantartás segítségével csökken a nem tervezett
állásidő, így a tervek és a határidők pontosan betarthatók.

A termelési és kereskedelmi rendszerek hálózatot alkotnak a nemzetek és földrészek között. A heti 7 napos, napi 24 órás „világ körüli” megosztott gyártás az igényeknek és a követelményeknek megfelelően optimalizált kapacitás- és erőforrás-kihasználással működik. Az ehhez szükséges adatok és információk a felhő-szolgáltatások segítségével bármikor szinkronizálhatók. Az intelligens hálózatban dolgozó elemek ön-konfigurációra képes rendszere alkalmazkodik a folyton változó igényekhez.

Az Ipar 4.0 információs technológiája

Az informatika minden eddiginél fontosabb szerepet fog játszani a jövő gyárában, mind az üzemek vezérlésében és üzemeltetésében, mind a termelő berendezések működési adatainak összegyűjtésében és elemzésében, mind pedig a mindenkori energia-hatékony működés fenntartásában. Az átfogó, valós idejű, földrajzi határok nélküli adatgyűjtéssel és -kiértékeléssel együtt a gyártás-
ellenőrzés és az azonnali beavatkozás lehetőségei is bővülnek (1. ábra).

1. ábra. Valós idejű, földrajzi határok nélküli információ-kezelés

 

Ezekben a folyamatokban találkozik egymással az információs technológia virtuális és a termelő üzem valós világa: az IT felügyeli a gyártás informatikai hálózatát és rendelkezésre bocsátja a megfelelő infrastruktúrát; az adatbázisokat, a szervereket, a fejlesztői környezeteket, stb.. A berendezések működtetéséhez szükséges szoftverek alapvetően a gépgyártók kompetencia-körébe tartoznak, ugyanakkor nem mindig különülnek el élesen a tevékenységi területek: az interdiszciplináris együttműködés és egymás tevékenységének kölcsönös megértése egyre fontosabb lesz. A gyárak felépítése során, de még a gépek beszerzésénél is a specifikáció lényegi részévé válik az alkalmazott információs technológia. Mindenek előtt az IT szabványok és a standard interfészek (AutomationML, OPC UA,
IO Link, stb.) kapnak döntő szerepet az üzemek hálózataiban.

Az Ipar 4.0 és az automatizálás

Az automatizálás holisztikus megközelítése

Az adaptív gyártó rendszereket olyan intelligens egységekből célszerű felépíteni, amelyek moduláris felépítésűek, hálózatba kapcsolhatók, innovatív funkció-integrált és miniatürizált megoldásokat alkalmaznak. Konzisztens szoftvereszközökön alapuló irányítástechnikával együtt hozhatók létre az Ipar 4.0-ra jellemző kiber-fizikai rendszerek.

A megújult, átfogó szemléletű automatizáláshoz kiváló alapot nyújtanak azok a korábban már bevált termékek, amelyeket a gyártók az új igényeknek megfelelően, folyamatosan továbbfejlesztenek. Az előrelátó műszaki módosítások lehetővé teszik, hogy a már működő gyártó rendszereket minimális mechanikai átalakítással lehessen a jövő gyáraivá átalakítani. A földrajzi és technikai értelemben is vett átfogó szemlélet jegyében a globálisan működő cégek a különböző országokban saját leányvállalataikon vagy képviseleteiken keresztül vehetnek részt a nemzeti Ipar 4.0 platformok munkájában.

A továbbiakban bemutatunk néhány termékfejlesztést és innovációt az Ipar 4.0 jegyében.

Az energiafogyasztás csökkentése és a központi működési paraméterek szabályozása

Az elektro-pneumatikus energiamegtakarító modulok a lehető legegyszerűbben takarítanak meg energiát a sűrített levegős rendszerekben. Ezek az intelligens egységek önműködően képesek monitorozni és szabályozni a paramétereket új és már meglévő rendszerekben. Üzem közben az egységek automatikusan figyelik és továbbítják az áramlás és a nyomás értékeit. A korszerű autók automatikus stop/start rendszereihez hasonlóan működve takarítanak meg értékes energiát: a figyelt paraméterek alapján észlelik, hogy a gépek stand-by állapotba kerültek, ekkor le tudják kapcsolni a táplevegő-ellátást, így aktív beavatkozásukkal csökkenthető a sűrítettlevegő-fogyasztás. Nem csak új, hanem felújított régebbi gépek vezérlő PLC-jéhez is csatlakoztathatók, így azok gazdaságos működését is támogatni tudják.

Az energiamegtakarító modulok a táplevegő automatikus vagy külső jelre történt lekapcsolása után szivárgás-ellenőrzést végeznek. Ha a felhasználó által előre beállított megengedett értéknél nagyobb nyomásesést mérnek, jelzést küldenek a termelésirányító rendszernek, így időben intézkedni lehet a megfelelő javításról (2. ábra).

2. ábra. Energia-megtakarító modul

 

IO-Linkkel ellátott intelligens eszközök az Ipar 4.0-hoz

Az IO-Link, mint intelligens csatlakozási interfész, tökéletesen illeszkedik az Ipar 4.0 érzékelő és végrehajtó elemeihez: a szabványosított protokollokkal a komplex diagnosztikai adatok gyorsan továbbíthatók, így lehetséges a teljes állapotfelügyeleti rendszerek létrehozása.

A jövő elvárásaira felkészült gyártók sokféle IO-Link-es elemet kínálnak a különböző szenzoroktól a szelepszigeteken keresztül az elektromos hajtóművekig és szervomotor-vezérlőkig. A korábban kiépített elektro-pneumatikus rendszerek is Ipar 4.0-kompatibilissé tehetők az IO-Link-es kommunikációra alkalmas pozícióérzékelők és nyomás- illetve áramlásszenzorok segítségével (3. ábra).

3. ábra. Analóg helyzetérzékelő IO-Link-es kommunikációval

 

Digitális pneumatika: a Motion Terminal

Az intelligens alkalmazások és megfelelő szoftverek az Ipar 4.0 alapvető fontosságú összetevői. Ezekkel a dolgok internetében lévő „dolgok” kommunikálhatnak egymással és önállóan indíthatnak vagy hajthatnak végre folyamatokat. Ezzel egyidejűleg a szoftvermodulok, elemzések és kombinációs logika olyan funkcionális integrációt tesznek lehetővé, amelyre korábban nem volt lehetőség.

A Motion Terminal pneumatikus funkciói – a világon először – nincsenek fixen hozzáépítve a mechanikus hardverhez, hanem alkalmazások segítségével egyszerűen hozzárendelhetők. Ezért a rendszerben csak egyféle, univerzális szelepmodulra van szükség, amellyel a pneumatikus mozgások és funkciók széles skálája valósítható meg – az egység mintegy 50 különféle szelepfunkciót, illetve funkció-kombinációt képes ellátni. A Motion Terminal ezzel a pneumatika világában is lehetővé teszi, hogy ugyanaz a hardver a pillanatnyi igénynek megfelelően több feladatot lásson el. A megfelelő mozgás-alkalmazásokkal egyetlen utasítással módosítható a gép működése – legyen szó akár egy egyszerű útváltószelep funkciójának megváltoztatásról, akár adaptív véghelyzet-csillapításról, energiatakarékos üzemmódról vagy proporcionális tulajdonságokról. A Motion Terminal ezáltal elegyíti az elektromos és pneumatikus rendszerek előnyeit, mindezt természetesen az Ipar 4.0 igényeinek megfelelő kommunikáció és folyamatos monitorozás mellett. (4. ábra)

A Motion Terminal „szíve” a mozgató alkalmazásokkal ellátott vezérlő, amelyben a
rugalmasan, szoftveresen kiválasztható funkciókat Etherneten kommunikáló konfigurációs interfész segítségével lehet hozzárendelni a szelepmodulokhoz. A szükséges paraméterek az intuitív felhasználói kezelőfelületen, a számítógép webböngészője segítségével beállíthatók, további konfigurációs szoftverek nélkül. (Természetesen a szokásos módon is beírhatók, egyszerűen és közvetlenül a PLC-n keresztül.).

4. ábra. Digitális pneumatika: Motion Terminal

 

Rugalmas elektropneumatikus terminálok

Az univerzális elektro-pneumatikus terminálok segítségével több különböző vezérlőrendszert és végfelhasználói specifikációt lehet egyidejűleg használni, illetve a szokásos digitális és analóg I/O modulok is alkalmazhatók. Igény esetén ezek integrált CODESYS vezérlővel és OPC UA-val rendelhetők az Ipar 4.0 követelményeinek megfelelő rendszerek megvalósításához (5. ábra), ezzel létrejön egyfajta „automatizálási platform 4.0”.
Ezen a szinten a terminálok ideálisan használhatók automatizálási platformként, szelepszigetek kiegészítőjeként, elektromos perifériákhoz vagy távoli I/O-ként; praktikusan integrálhatók pneumatikus és elektromos vezérlőkörökbe, az automatizálási koncepciókba, illetve vállalati szabványokba – ezzel az Ipar 4.0-ba is.

5. ábra. Univerzális elektro-pneumatikus terminál

 

IoT-Gateway

Az IoT-Gateway Ethernet kapcsolaton és szabványosított kommunikációs protokollon (pl. OPC UA) keresztül gyűjt információkat a terepi automatizálási eszközökről és azok állapotáról (6. ábra).

6. ábra. IoT-gateway

Ezeket az információkat egy második Ethernet kapcsolaton keresztül, IoT-protokollok (pl. AMQP vagy MQTT) segítségével küldi tovább az adatfelhőbe, ezzel a dolgok internetének virtuális kapujává válik. Az adatbiztonságról erre alkalmas informatikai mechanizmusok gondoskodnak.

Multi-Carrier-System

A moduláris konvejor-rendszer egyszerűen és rugalmasan illeszthető a gyártási feladatokhoz. Mind nagy sorozatok, mind az egyedi gyártás kiszolgálására alkalmas. A munkadarabok egymástól függetlenül megállíthatók és akár ellenirányban is mozgathatók a soron. A lineáris motorok elvén működő szállítópálya kombinálható a hagyományos konvejorokkal is, így könnyen egyesíthető a meglévő gyártási struktúrákkal is (7. ábra).
A virtuális üzembe helyezés és optimalizálás lehetősége, valamint az OPC UA interfész alkalmazásával a rendszer megfelel az Ipar 4.0 elvárásainak.

7. ábra. Multi-Carrier System konvejor-rendszer

 

Ember-gép együttműködés a digitális gyárban

Ember és technológia még közelebb kerül egymáshoz az Ipar 4.0 korszakában. A jövő kollaboratív robotjai – miközben együtt dolgoznak az emberekkel – intelligens érzékelőik segítségével elkerülik a veszélyes érintkezéseket, ütközéseket a dolgozókkal (8. ábra). A gépi intelligencia növekedése jelentősen csökkenti az élő munka kockázatait mind az ember-gép együttműködésben, mind pedig a nehéz fizikai tevékenységek során.

8. ábra. Kollaboratív pneumatikus robot

Természetesen mindig lesznek olyan területek, ahol nem lehet a gyártást teljesen automatizálni. Ezeken a helyeken kiemelt jelentőséggel bír a szakemberek közvetlen kommunikációja a technológiával. Ez azt jelenti, hogy a technológia intuitív módon meg kell, hogy értse az embert, az ember pedig ugyanígy a technológiát. A dolgozók mobileszközök segítségével testre szabott információhoz juthatnak, például figyelhetik az energia-felhasználást, így rendellenes működést tapasztalva azonnal beavatkozhatnak.

Műszaki képzés és továbbképzés – a fejlődés alapja

Az új szemléletű műszaki képzés oktatási eszközei, az oktató gyárak, a laboratóriumi felszerelések és az e-learning anyagok szorosan kapcsolódnak az emberközpontú tanfolyami programokhoz. A palettát komplex oktatóközpontok tervezése és működtetése, valamint az ipari vállalatokat támogató konzultációs szolgáltatások teszik teljessé.

Az Ipar 4.0 jelentősen megváltoztatja a gépkezelőkkel szemben támasztott követelményeket. Míg korábban csak az egyszerű feladatok – ismétlésen és betanuláson alapuló – önálló megoldását várták el tőlük, a jövő gyárában komplex műszaki problémák esetén is képesnek kell lenniük a helyes és gyors döntésre, a rendszer jellemzői alapján be kell avatkozniuk és a „tűzoltás” helyett tervszerű karbantartást kell folytatniuk.

Mindazonáltal a jövőbeli fejlesztések jelentős részét előre meg sem jósolhatjuk. A vállalatoknak kell azt eldönteniük, hogy milyen módon kívánnak élni az új műszaki lehetőségekkel. Az Ipar 4.0 egészen eltérő módokon fejlődhet tovább az egyes iparágakban, különböző követelményeket támaszthat az ott dolgozókkal szemben, és ezekhez szorosan igazodnia kell a szakmai képzésnek is.

Mechatronikai és hálózatfejlesztési oktató gyárak

Az oktató gyárakon alapuló oktatási és kutatási platformok célja, hogy az Ipar 4.0 technológiai és műszaki megoldási alapelveit átadják a magasan kvalifikált oktatási intézményeknek és vállalatoknak.

Az oktató gyárak a valós termelő üzemek különböző állomásait mutatják be a legkorszerűbb mechatronikai és automatizálási módszerek segítségével. Ezzel a célirányos megközelítéssel a résztvevők valós környezetben, gyakorlatközeli módon elsajátíthatják és gyakorolhatják a rendszerhálózatok kiépítését, a nyitott, konfigurálható rendszerek alkalmazását, a kommunikációs szabványokat, az energiahatékonyság és az állapotfigyelés módszereit, a rendelés-feldogozást és az RFID és NFC technológiákat, valamint a mobil eszközök segítségével történő adatgyűjtést (9. ábra).

 

9. ábra. Oktatógyári rendszer

 

Néhány kutatási projekt

A Német Szövetségi Oktatási és Kutatási Minisztérium (BMBF) által felügyelt ESIMA (Energy-autonomous Sensors and Interaction with Mobile Users) projekt keretében a résztvevő partnerek a gyártó rendszerek erőforrás-optimalizálásának újszerű megközelítésén dolgoznak. A fejlesztés fókuszában az energiafüggetlen érzékelők állnak, fő célja pedig a berendezések energiafogyasztás-mérésének könnyebbé tétele az érzékelők jeleinek vezeték nélküli átvitelével és a mért értékek mobil készülékek segítségével történő kijelzésével.

Szintén a BMBF vezeti a MetamoFab programot, amelyben a Festo, a Siemens AG, az Infineon Technologies AG, a Fraunhofer Institute és más partnerek olyan megoldásokat fejlesztenek, amelyek lehetővé teszik a hagyományos módon működő termelési folyamatok konvertálását az intelligens, hálózatokat is alkalmazó gyárakba.

A hároméves APPsist projekt – amely része a BMWi “AUTONOMIK für Industry 4.0” programjának – 2014 januárjában kezdődött. A fejlesztés tárgya olyan intelligens ismeret- és támogatási rendszer kidolgozása, amely segíti a dolgozókat a gépekkel,
illetve a teljes gyártó rendszerrel való együttműködésben. Cél, hogy a szakmai vezetők komplexebb feladatokat bízhassanak a gépkezelőkre, akik így olyan munkákat is elvégezhetnek, amelyekre korábban csak a magasabb képzettségű szakemberek voltak képesek.

A SOPHIE projekt (Synchronous Production by Part-Autonomous Planning and Human-Centred Decision Making Support) 2014 szeptemberében indult az “IKT 2020 – Research for Innovations” program részeként. Ez a hároméves kutatás a tényleges termelés és a digitális gyár valós idejű összekapcsolásával foglalkozik. A fejlesztés célja olyan virtuális emuláció kidolgozása, amelynek alapján a döntéshozók a gyártó rendszerek tervezett és valós folyamatait össze tudják hangolni, és a szimulációk alapján befolyásolni tudják azokat.

„Beépített jövő” a gyárakban

Az Ipar 4.0 értelmezése szerinti „okos gyár” (smart factory) létrejötte több irányú tevékenység és kutatás eredménye. A folyamat egyik kulcstényezője az átfogó üzemi informatikai hálózat. Az „okos gyárak” létrehozásán fáradozó vállalatok folyamatosan dolgoznak azon, hogy egyfajta evolúciós folyamat során elérjék ezt az állapotot üzemeikben.

A „negyedik ipari forradalom” igazi mivoltát – mint az eddig lezajlott három forradalomét is – természetesen csak a jövőből visszatekintve, minden hatását megismerve leszünk képesek teljes jelentőségében értékelni. Az azonban már napjainkban is látható, kétségbe vonhatatlan tény, hogy az elmúlt évek ugrásszerű informatikai, diagnosztikai, strukturális és hierarchikus fejlődése új szintre emelte az ipari termelést és a hozzá kapcsolódó logisztikai és kereskedelmi tevékenységeket.