Avtomatizacija v industriji 4.0

V času nestanovitnih trgov in individualiziranih izdelkov do velikosti serije 1 je hitra zamenjava serije postala merilo za izločitev. Potrebno prilagodljivost zagotavlja predvsem modularna proizvodna inteligenca neposredno na terenu, na primer v obliki ventilnih otokov ali nosilnih sistemov z integriranim krmilnikom.

V raziskovalnem projektu Industrija 4.0 SmartFactory je družba Festo pomembno prispevala k uresničitvi prilagodljivih, modularnih in mrežno povezanih strojnih celic različnih proizvajalcev. V tehnološkem obratu družbe Festo se je to dejansko že izvajalo in med drugim dokazalo, da se lahko časi opremljanja mrežno povezanih montažnih linij skrajšajo z več ur na 13 sekund. Tako ste lahko v enem popoldnevu kos tudi uvajanju novih tehnologij ali proizvodnih procesov. In celo selitev celotnega sistema ne traja več tri tedne, temveč le tri dni.

Pomembno: obstoječi obrati z ustreznimi komponentami za naknadno opremljanje ostanejo dobičkonosni tudi v industriji 4.0. Za zdaj morajo proizvajalci oz. uporabniki sami opredeliti specifikacije strojnih vmesnikov za svoje postopke; na ustrezne standarde ali priporočila VDMA še čakamo.

Stroški energije se ne bodo znižali sami od sebe. Ključ do učinkovite proizvodnje so lastni viri in upravljanje z energijo, kar je izvedljivo šele v mrežno povezanih sistemih. Naš najboljši primer je proizvodna stavba družbe Festo v tehnološkem obratu Scharnhausen: z dobro izolacijo, rekuperacijo toplote, proizvodnjo stisnjenega zraka po potrebi itd. lokacija izpolnjuje najvišje energetske standarde.

Predvsem pa mrežno povezan senzorski sistem beleži porabo vseh strojev. Aplikacije M2M (machine-to-machine; stroj-stroj) prek protokola OPC UA neodvisno komunicirajo s sistemom za nadzor proizvodnje (MES), ki je nastavljen za optimalno sinhronizacijo in preprečuje energetske špice. V obstoječih sistemih so bili potrebni senzorji in majhen krmilnik naknadno dodani, med drugim z električnim terminalom CPX in našim modulom za energetsko učinkovitost MSE6-E2M. To je zahtevalo naložbe v višini približno 3000 do 5000 EUR na stroj. Obrat lahko pri tem prihrani približno 3 GWh energije, kar zagotavlja donosnost naložbe v manj kot treh letih. Pri drugih projektih strank je podpora naših storitev Festo Energy Saving Services prinesla celo do 60-odstotne prihranke. Pri novih sistemih je največji potencial v ekonomski zasnovi.

Glavna prednost industrije 4.0 je predvidljivo vzdrževanje, ki zmanjšuje nenačrtovane čase mirovanja na minimum. Pri pilotnem projektu v družbi Festo so bili iPadi bistveni element: servisni sodelavci lahko na svojih tabličnih računalnikih prikažejo ne le sporočila o napakah iz sistema, temveč tudi vsa navodila za popravila, načrte ter kosovne sezname in sezname nadomestnih delov. Po potrebi lahko prek klepeta pokličejo strokovnjake, naložijo pretekla naročila za popravila in si prek spleta ogledajo skladišče nadomestnih delov. Tako je tudi takoj jasno, katera sporočila o napakah so še vedno odprta in kateremu zaposlenemu so dodeljena ter s kakšno prioriteto.

Področje vzdrževanja bi se lahko v prihodnosti še razširilo, vse do povezave v realnem času s stanjem naročil in podporo AR (Augmented Reality; razširjena resničnost). Pilotni projekt je bil tako uspešen, da ta sistem zdaj uvajamo v vseh obratih družbe Festo. OEE (Overall Equipment Effectiveness) proizvodnih sistemov se je znatno povečal, zaposleni so bolj motivirani, donosnost naložbe pa je krajša od šestih mesecev.

To mobilno aplikacijo za vzdrževanje AX Smartenance (smart maintenance; pametno vzdrževanje) lahko uporabljate tudi v svojem obratu kot digitalni upravitelj vzdrževanja.

Industrija 4.0 obstaja v aplikaciji. V našem obratu Tehnološki obrat Scharnhausen proizvajamo ventile, ventilne otoke, tiskana vezja in sklope v mrežno povezanih montažnih linijah: fleksibilno, energetsko učinkovito in zelo produktivno.

V skladu s teorijo omejitev (TOC) E. M. Goldratta ima vsako operativno ustvarjanje vrednosti ozko grlo. Pred njim vse zastaja, za njim pa proizvodnja pogosto teče v prazno. To ozko grlo je treba prepoznati in odpraviti, da postane naslednje ozko grlo vidno in ga bo mogoče odpraviti.

Ta ponavljalni pristop TOC smo razširili v tehnološkem obratu Scharnhausen in ga razvili v organizacijo, usmerjeno v ozka grla (EOO). Konkretno gre pri tem za čase prehoda in uspešnost dostave. Pomembni ključni podatki so prepustnost, zaloge in obratovalni stroški. Praktična izvedba je sestavljena iz doslednega mrežnega povezovanja v industriji 4.0, prek katerega vsi sodelujoči prejmejo potrebne podatke iz spletnega sistema MES na zaslon – ne glede na to, ali gre za samostojni računalnik, tablični računalnik ali pametni telefon.

To odlično deluje tako pri nas kot pri naših projektnih partnerjih: na primer pri obdelavi kovin je naročanje na podlagi povpraševanja z EOO skrajšalo čas prehoda za 56 % v celotnem obratu, v posameznih storitvenih enotah pa celo za 90 %.

V primerjavi s serijsko proizvodnjo je pretočna proizvodnja veliko prilagodljivejša. Časi prehodov so kratki, kakovost je ustrezna in tudi prostorske zahteve so majhne. Predvsem pa je mogoče postopke pretoka enega kosa zasnovati tako, da je vmesno skladiščenje v veliki meri odpravljeno in da je mogoče proizvodnjo veliko bolj prožno krmiliti.

Natančneje, takšne sisteme Heijunka smo uvedli v okviru organizacije, usmerjene v ozka grla (EOO), in sicer v celotni procesni verigi od žaganja do ostrganja zarobkov, vrtanja in rezkanja ter končne in površinske obdelave. Na tehničnem področju se uporabljajo inteligentne rešitve za rokovanje družbe Festo, kot je komunikacija M2M (stroj-stroj) prek OPC UA. Tako so obratovalni podatki oz. KPI strojev vedno sinhronizirani. V primeru motnje se lahko celotna linija prilagodi navzdol, tako da pred njo ne pride do valov materiala, ki bi ga bilo treba obdelati ob koncu tedna ali v dragih nočnih izmenah.

V scenarijih digitalnih dvojčkov industrije 4.0 so edinstvene strojno berljive identifikacije bistvenega pomena. Družba Festo ga že ima: produktni ključ je bodisi koda QR oz. koda podatkovne matrike bodisi enajstmestna alfanumerična koda, ki nedvoumno označuje vsak izdelek. Tako imate podatke, kot so oznaka tipa, serijska številka, revizija itd., vedno zanesljivo pri roki. Do sedaj vse poznano. Produktni ključ pa lahko naredi še več: na primer samodejno prikliče ustrezno uporabniško dokumentacijo in podatke CAD. In izjemno poenostavlja naročanje sestavnih delov in nadomestnih delov. Vgrajena identifikacijska koda omogoča vzdrževalnemu osebju ali izdelovalcem strojev, da sprožijo pravilno naročilo neposredno z dela – učinkovito in zagotovljeno brez napak, tudi pri zapletenih ventilnih otokih in podsistemih s stotinami posameznih delov.

Festov produktni ključ je celo pripravljen za uporabo v oblaku: za sisteme, ki jih (ponovno) konfigurirate prek aplikacije in upravljate prek platform IIoT, produktni ključ deluje kot dostopna koda. To pomeni, da lahko najnovejšo vdelano programsko opremo, nadgradnje in storitve dobite preprosto v aplikaciji Festo App World in si zagotovite dolgoročno varnost.

Sistemi vstopnic so že zdaj zelo koristni, še boljše pa so inteligentne rešitve, ki so zasnovane za procese pretočne proizvodnje in organizacije, usmerjene v ozka grla (EOO).

To najprej vključuje, da je vzdrževalno osebje resnično mobilno in ima na svojih tabličnih računalnikih na voljo vse potrebne operativne podatke in podatke o strojih v realnem času. Aplikacija jih usmeri na naslednje mesto uporabe, preden to postane ozko grlo. To pomeni, da si lahko prihranite pot od centralne pisarne za vzdrževanje do stroja – v večjih podjetjih to pomeni več delovnih ur na teden. Drugič, naročila je mogoče razvrstiti po merilih učinkovitosti, kot so izkoriščenost, status naročila in dodana vrednost stroja. Tretjič, mobilno vzdrževanje omogoča, da je vzdrževalno osebje resnično sposobno ukrepati: v idealnem primeru lahko takoj sprožite spletno naročilo nadomestnih delov prek produktnega ključa in ga samodejno izvedete.

Primer vmesnika HMI (Human Machine Interface; vmesnik človek-stroj), ki se začne pri človeku: ProGlove je videti kot običajna delovna rokavica – le da ima na hrbtni strani roke vgrajen bralnik črtnih kod. Zaposleni v logistiki ga aktivirajo z vgrajenimi senzorji za palec, tako da samodejno in v enem delovnem koraku digitalno zabeležijo, s čim ravnajo med nakladanjem in razkladanjem. Poleg tega imajo obe roki prosti. To je hitrejše in brezhibno deluje tudi pri montaži in ročnem delu.

V našem tehnološkem obratu v Scharnhausnu smo to načelo pametne industrije v veliki meri že uresničili in označili ter kodirali montažne naprave tako, da zaposleni samodejno vzamejo prave dele – preprosto, hitro in brez napak. Na ta način se hkrati ustvari pravi "digitalni dvojček" proizvodnih procesov. To pa omogoča prilagodljiv, natančen in učinkovit nadzor obsega proizvodnje in tokov materiala.

Da bi bili strojni in proizvodni podatki mrežno povezane industrije uporabni, jih je treba združiti, konsolidirati in upravljati. To nalogo prevzame IoT-Gateway CPX. Odvisno od kompleksnosti 10 do 31 komponent in modulov komunicira na ravni delavnice v realnem času prek varnega vmesnika OPC UA. Prehod pretvori podatkovne tokove v AMQP (MQTT in druge na zahtevo) in jih tako naredi enako varno združljive z oblakom. Tako so na voljo vse možnosti industrije 4.0 in sodobne analize podatkov, od pametnega vzdrževanja do popolnih digitalnih dvojčkov.

Našemu prehodu IoT smo dali vnaprej konfigurirane nadzorne plošče, ki jih lahko individualno prilagodite na zaslonu: gradnike s prikazovalniki z lučkami in grafikoni za preventivno vzdrževanje in nadzor izkoriščenosti. Za takojšnjo uporabo je to pripravljeno na primer v kibernetsko-fizičnih sistemih, kot so modul za energetsko učinkovitost MSE6-E2M, manipulacijski sistem YXMx ali naš terminal Motion VTEM.

V praksi to pomeni dvoje: spremljanje stanja na ključ s samodejnimi opozorili in zanesljivo diagnozo napak v realnem času ter obsežne možnosti za analizo obratovalnih podatkov v Festo Cloud: analize trendov, sistemi zgodnjega opozarjanja in možnosti nadzora za povečanje splošne učinkovitosti sistema na podlagi zanesljivih ključnih kazalnikov učinkovitosti.

Osnova vsakega sistema strokovne podpore, vsake utemeljene odločitve podjetja in vsake učinkovite optimizacije procesov so prožni ključni podatki. Zato so vse informacije iz prehodov IoT zbrane v Festo Cloud in na voljo za inteligentne analize podatkov – bodisi vizualizirane kot intuitivne nadzorne plošče bodisi kot kompleksne dolgoročne ocene.

Za uspeh v prihodnosti bo odločilno, kako bodo industrijska podjetja ravnala z lastnimi količinami podatkov. Na ravni oblaka so že na voljo obsežne možnosti nadzora in optimizacije v okviru industrije 4.0. Festo Cloud že neposredno prispeva k zmanjševanju izpadov, izboljšanju izkoriščenosti in povečanju splošne produktivnosti. Ne nazadnje se proizvodna podjetja ter proizvajalci strojev in sistemov že ukvarjajo z novimi poslovnimi in dohodkovnimi modeli, ki izhajajo iz nadaljnje obdelave in priprave strojnih podatkov v oblaku.

Industrija 4.0 je veliko več kot le senzorji, ki posredujejo strojne podatke v oblak. Pravi kibernetsko-fizični sistemi gredo tudi v drugo smer, prinašajo inteligenco krmiljenja na teren in celo digitalizirajo pnevmatiko: naš terminal Motion VTEM zlahka razširi obstoječe sisteme s funkcijami industrije 4.0. Posamezni ventili se upravljajo prek aplikacije in so prosto programirljivi prek WebConfig: raven tlaka, dušenje, funkcija smernega ventila, diagnostika puščanja itd. Terminal Motion VTEM daje konstruktorjem strojev in sistemov bistveno več manevrskega prostora in olajša vzpostavitev pnevmatskih tokokrogov. Prevzema funkcije, za katere bi prej potrebovali več kot 50 različnih izdelkov oz. položajev. Predvsem pa pomeni digitalizacijo stisnjenega zraka: pri terminalu Motion Terminal VTEM lahko funkcije ventila preprosto spremenite prek programske opreme – namesto da bi spreminjali strojno opremo.

Označevalni jezik za avtomatizacijo (AML) se je uveljavil kot format za izmenjavo podatkov, zlasti za heterogena razvojna okolja in inženiring med proizvajalci. Čeprav jezik, ki temelji na XML, zgodovinsko izhaja iz avtomobilske industrije, ga je konzorcij razvijalcev opredelil kot splošno "digitalno orodje". Družba Festo je član upravnega odbora združenja Označevalni jezik za avtomatizacijo in skupaj z drugimi priznanimi strokovnjaki in raziskovalnimi inštituti sodeluje pri razvoju, standardizaciji in nadaljnjem širjenju standarda, zlasti pri izvajanju pametnih orodij v projektu ENTOC (Engineering Tool Chain for Efficient and Iterative Development of Smart Factories).

Označevalni jezik za avtomatizacijo ni lastniški format, temveč je zasnovan tako, da je nevtralen in razširljiv. Dejansko je položaj oblikovalcev v strojništvu zaradi AML bistveno boljši kot na primer pri avtomatizaciji doma, kjer se morajo razvijalci spopadati s številnimi težavami z vmesniki in prekinitvami sistema. AML omogoča izmenjavo podatkov o načrtovanju sistemov in zanesljivo dokumentacijo, zajema pa tudi na primer izvajanje simulacij sistemov v proizvodnih sistemih.

Odprti konzorcij, ki ga sestavlja nemško združenje električnih in elektronskih proizvajalcev (ZVEI), je v okviru projekta Plattform Industrie 4.0 s podporo BMWi že predstavil referenčni arhitekturni model za industrijo 4.0 (RAMI 4.0) in opredelil bistvene značilnosti komponente industrije 4.0. Natančneje, odprtokodni projekt sodelovanja openAAS (open Asset Administration Shell) se zdaj ukvarja z "odprto upravljalno lupino" za takšne komponente. Osnova za protokol je OPC UA (Unified Architecture), ki se že uporablja v vseh izdelkih družbe Festo, skladnih z industrijo 4.0.

V praksi je naloga opisati komponento industrije 4.0 kot zaprt sistem z vmesniki in tako ustvariti digitalno podobo, ki je osnova vseh konceptov digitalnega dvojčka in temelj vsakega sodelovanja M2M (stroj-stroj). Družba Festo ima pri tem razvoju ključno vlogo, prve pilotne izvedbe pa so že bile uspešne.

Veliki podatki so tema skupnega raziskovalnega projekta, ki ga financira BMBF in bo trajal do sredine leta 2019. Naloga je razviti metode, kako lahko podjetja oblikujejo nove poslovne modele na podlagi količine podatkov, ki jih ustvarja industrija 4.0.

Na spletni strani BigDieMo je družba Festo posebej odgovorna za razvoj nabora metod in orodij za strukturirano načrtovanje storitev, ki temeljijo na podatkih. Pri tem se lahko opiramo na lastne izkušnje v tehnološkem obratu Scharnhausen in na rezultate pilotnih sistemov pri strankah. Vzdrževanje je že od nekdaj osrednje inženirsko merilo za vsako industrijsko komponento družbe Festo, zato je temu posvečena posebna pozornost, in to ne le odkar so se pojavile možnosti napovednega vzdrževanja.