Příprava robotů a pracovníků na Průmysl 4.0

Průmysl 4.0 se může jevit spíše jako koncepce než jako realita, spíše jako fantastická budoucnost než jako praktické řešení. Mnoho výrobců mohou odrazovat pojmy, jako je průmyslový internet věcí (Industrial Internet of Things – IIoT), kyberfyzické systémy, cloudová robotika, fog computing a velká data. Vize chytrého závodu nám mohou připadat příliš komplikované.

Chytrý závod propojuje digitální svět informačních technologií s fyzickým světem provozních technologií. Tento jev se často označuje jako sbližování informačních a provozních technologií. Avšak Průmysl 4.0 není vzdálenou vizí závodu budoucnosti. Již existuje, tady a teď. Sítě robotů se připojují ke cloudu a odesílají obrovská množství užitečných dat. Výrobci dnes tyto informační toky využívají k usnadnění správy výrobních prostředků a jejich údržby, k maximalizaci efektivity zařízení a procesů a ke zvýšení kvality produktů. 

Zabránění výpadku, dříve než k němu dojde

Společnost General Motors (GM) zavádí IoT a stavební kameny Průmyslu 4.0 do praxe už dnes. Společnost Fanuc America, dodavatel robotů a strategický partner této automobilky, pomáhá firmě GM vybudovat pevné základy pro chytrou výrobu. Společnosti GM, Fanuc a Cisco společně vyvinuly řešení Zero Down Time (ZDT), tzv. nulové výpadky, které pomocí softwarové platformy na bázi cloudu analyzuje data shromážděná z robotů v závodech GM za účelem detekce potenciálních problémů, které by mohly vést k výpadkům výroby.

V automobilové výrobě, kde karosérie nového vozu přicházejí po montážní lince každých 60 až 90 sekund, může výpadek stát výrobce OEM více než 20 000 dolarů za minutu. Ztráty z jediného incidentu výpadku se mohou vyšplhat až na miliony dolarů. Když se linky zastaví, může to mít dopad na celý dodavatelský řetězec a dále ztráty zvyšovat. Zpoždění se přenesou až na odběratele, automobilové dealery, uživatele vozových parků a individuální zákazníky.

„Již nějakou dobu využíváme opatření pro lepší předvídání a udržování dobrého technického stavu našeho výrobního zařízení,“ uvedl Marty Linn, manažer společnosti Advanced Automation Technologies a hlavní technik pro robotiku společnosti GM v Detroitu. „Sešli jsme se se zástupci společnosti Fanuc a hovořili o tom, co bychom měli dělat, abychom se vyhnuli problémům u produktivní výroby. A nešlo o nějakou úžasnou vizi Průmyslu 4.0. Šlo o to, co můžeme dělat, abychom omezili výpadky v našich závodech z důvodu nepředvídané nutnosti údržby.“

Pilotní program ZDT byl ve společnosti GM spuštěn v roce 2014. Strategické partnerství mezi společnostmi GM a Fanuc bylo klíčovým faktorem pro jeho úspěšné zavedení. Historie spolupráce mezi těmito dvěma společnostmi se datuje už od počátku 80. let, kdy společnost GM vstoupila do společného podniku s tímto japonským výrobcem robotů, čímž vznikla společnost GMFanuc Robotics, se záměrem vyvíjet a prodávat roboty v USA. Tento společný podnik byl později rozpuštěn, ale silný vzájemný vztah vydržel.

„Roboty integrujeme právě v těchto okamžicích. Každý den máme od našich integrátorů roboty a systémy, které odesíláme do závodů podle toho, jak zavádíme nové produkty a nové programy,“ upřesnil Linn. 

Návratnost investice (ROI)

Program ZDT na provozní úrovni přináší pro firmu pozitivní výsledky. Linn tvrdí, že společnosti GM se od zavedení programu podařilo zamezit více než 100 významným neplánovaným odstávkám.

„Tím se společnost vyhnula nečekanému výpadku výroby v řádu šesti až osmi hodin, a to v závislosti na tom, čeho by se potenciální výpadek týkal. Ušetřenou částku si spočítejte sami. Je to spousta peněz. Má to pro nás obrovský význam v každém z našich závodů, ale zejména v našich závodech velkosériové výroby nákladních vozidel a SUV, kde má každý výpadek významný dopad.“

Vzhledem k tisícům robotů připojených a komunikujících s cloudem netrvalo dlouho, než si společnost GM začala uvědomovat návratnost své investice.

„Nejde o žádné futuristické utopie,“ vyvrátil spekulace Linn, „jde o používání velkých dat, internetu věcí, nových algoritmů, počítačové kapacity, tedy všech těch věcí, které se vyvinuly v posledních letech, a o jejich užití tím nejefektivnějším způsobem. Prevence výpadků a předvídání, nebo dokonce odsouvání údržby, dokud nebude zapotřebí, jsou úžasné věci.“ 

Údržba, jen když je potřeba

Společnost GM začínala pomalu a během prvního roku či dvou připojila jen několik tisíc robotů. Avšak v roce 2017 již bylo připojeno více než 8 500 robotů Fanuc.

„Se zaváděním jsme začínali pomalu,“ připomněl Linn. „Když jsme viděli problém, šli jsme na místo a díly vyměnili. Pak jsme tyto díly zkoumali. A opravdu, mohli jsme prokázat, že tyto díly se blížily selhání. Mohly nám způsobit výpadek. V této době, kdy jsme dokázali omezit neplánované události údržby, začali být všichni nadšení, říkali, že je to skvělé, a ptali se, k čemu dalšímu to můžeme použít?“

Společnost GM využívá program ZDT také pro plánování údržby pouze v době, kdy je to zapotřebí, místo aby se držela rutinních plánů údržby.

„Například robot může mít předepsanou pravidelnou plánovanou údržbu po 1 000 hodinách provozu. Takže bychom údržbu naplánovali na tento okamžik,“ reagoval Linn. „Je však možné, že ve skutečnosti by údržbu potřeboval až po 1 250 hodinách. Pracujeme tedy na přechodu od pevných plánů údržby k údržbě podle potřeby. To je jednou z významných cest, jak můžete najít výrazné úspory.“ 

Strojové učení

Program ZDT není jen pro roboty. Dá se použít i pro procesní zařízení, např. u procesů, které jsou přímo řízeny robotem, jako je svařování, lakování a některé aplikace vydávání. Linn uvádí jako příklad lakovnu automobilky GM.

„Sledováním tlaku stlačeného vzduchu, sledováním tlaku odtahu, rychlosti akčních členů, které dávkují lak, sledováním spousty procesů a parametrů dokážeme monitorovat technický stav zařízení a tím i kvalitu práce,“ hodnotil proces Linn.

Pro lakovnu automobilky je kvalita povrchové úpravy klíčová. Všechny lakovací roboty společnosti Fanuc podporují ZDT, což znamená, že dokážou monitorovat nejrůznější funkce, včetně technického stavu kanystrů laku, stříkacích aplikátorů, regulátorů a pohonu.

„Když spočítáte celkový počet pohyblivých částí při lakování automobilových dílů, dostanete se na více než 200 pohyblivých dílů na robot,“ vysvětlil Jason Tsai ze společnosti Fanuc. „Značná část těchto pohyblivých dílů se týká procesně specifických zařízení, která řídí stříkací pistoli, regulátor a tlak. Pokud by u kteréhokoli z těchto zařízení došlo k nějakému předčasnému selhání, může to způsobit problém s kvalitou nebo výpadek výroby.“

Společnost GM momentálně využívá ZDT spíše jako nástroj prediktivní údržby než jako procesní adaptivní nástroj. Nicméně s rozvojem technologií a s větším objemem shromažďovaných či analyzovaných dat a s větší sofistikovaností algoritmů se může díky strojovému učení stát spíše adaptivním nástrojem pro zlepšování procesů v reálném čase.

„V případě lakovny jsme díky rozpoznání a pochopení velmi drobných procesních změn a díky jejich opravám dokázali zlepšit naše procesy,“ konstatoval Linn.

„Chceme rozšiřovat tuto strategii využívání chytrých zařízení, která dokážou provádět samodiagnostiku a informovat nás o změnách provozního chování, abychom mohli zasáhnout v době, kdy se nám to hodí, a provést potřebné úpravy nebo opravy.“ 

Automobilky a další

Analytická řešení společnosti Fanuc monitorují více než 10 000 robotů, jež jsou připojeny ke cloudu, v závodech zákazníků po celém světě a jejich používání stále roste. Ačkoli se tato řešení momentálně používají v automobilovém průmyslu, plánem společnost Fanuc bylo na konci roku 2017 uvolnit softwarovou a hardwarovou podporu pro zákazníky z obecného průmyslu, tj. mimo automobilky.

„Naše řešení musí být škálovatelné pro malé obecné průmyslové výrobce, kteří potřebují dva až tři roboty,“ sdělil Tsai. „Ti potřebují, aby byla instalace softwaru a nastavení hardwaru typu plug-and-play, protože nemají IT oddělení, které by jim poskytlo podporu.“

Společnosti Fanuc a Cisco chtějí tuto datovou komunikační dálnici, vyvinutou pro program ZDT, později používat pro připojení i dalších zařízení, nejen robotů. ZDT je součástí systému Fanuc Intelligent Edge Link and Drive (Field), který poskytuje otevřenou platformu umožňující vyspělé schopnosti analytiky a hlubokého učení pro zařízení CNC, roboty, periferní zařízení a senzory používané v automatizačních systémech. Systém Field je založen na „edge computingu“, kdy je velký objem dat zpracováván ve výrobním závodě, aby se minimalizoval objem dat a náklady na jejich sdílení.

„V případě cloudového řešení ZDT proudí data ze zařízení na základní výrobní úrovni až do cloudu, přičemž může docházet k latenci nebo zpoždění,“ uvedl Tsai. „Výhodou přijímání dat přímo na provozní úrovni prostřednictvím platformy Field je to, že pak můžete na událost reagovat v reálném čase; přesně to dělá systém Field. Jde o software na bázi otevřené platformy, který lze nahrát do výpočetního hardwaru, jenž vám následně umožňuje přistupovat k datům z robotu, z programovatelného automatu (PLC) nebo z obráběcího zařízení a využívat analytiku v reálném čase. Umí dokonce měnit vaši výrobu podle chování systému. A právě zde se může výborně osvědčit strojové učení v reálném čase.“

Podle Tsaie není Průmysl 4.0 jen snem, ale skutečností. „Pro automatizaci nastala úžasná doba.“

Jsou to bezesporu vzrušující časy, neboť stále více výrobců robotů zavádí svá vlastní řešení IIoT využívající úrovně konektivity, která nastolila koncepce Průmysl 4.0. 

Modulární kyberfyzická výuková platforma modeluje stanice v reálném výrobním závodě, aby se mohli studenti učit multidisciplinární dovednosti nezbytné pro Průmysl 4.0 a chytré závody. Obrázek poskytla společnost Robotic Industries Association (RIA) / Festo Didactic

Data z robotu na dosah ruky

Kuka Connect je softwarovou platformou na bázi cloudu umožňující zákazníkům snadný přístup a analýzu dat z robotů Kuka na jakémkoli zařízení, kdekoli a kdykoli. Toto řešení poskytuje tři hlavní funkce: správu informací o výrobních prostředcích, monitorování stavu a upozornění na nutnost údržby.

„Pokud jste velkým výrobcem OEM, můžete mít v jednom závodě tisíce robotů,“ potvrdil Andy Chang, ředitel produktového marketingu společnosti Kuka pro americký kontinent. „Momentálně se správa informací o výrobních prostředcích řeší prostřednictvím obrovských excelovských tabulek, které tyto firmy vedou ručně. Informace v tabulce mohou, ale také nemusejí být přesné a firmy nemusejí ve skutečnosti vědět, jaký typ robotů mají.“

Chang je toho názoru, že absence správných informací o výrobních prostředcích může mít dopad na to, jakým způsobem jsou roboty po dobu své životnosti udržovány.

„Můžete si snadno vyhledat všechny ty tisíce robotů v závodě, jednotlivě jimi procházet a zobrazit, kdy byly uvedeny do provozu, ověřit sériová čísla a software, jaký mají momentálně nainstalovaný, aniž byste k nim museli fyzicky přejít.“

Pro monitorování stavu poskytuje platforma Kuka Connect specifické klíčové výkonnostní ukazatele (KPI) robotu, které pomáhají technikům a pracovníkům údržby posoudit, jak dobře robot funguje. Chang popisuje příklad.

„Poskytujeme teplotní grafy pro všechny různé osy robotu, takže pokud pracovník výroby nebo údržby začne pozorovat, že trend teplotního grafu pro určitou osu během posledního týdne stoupal, pravděpodobně to bude znamenat několik věcí. Buď se nejspíš z nějakého důvodu přehřívá převodovka, nebo bude možná nutno změnit zatížení. Objekt, který robot zvedá, možná není tím, pro který byl stroj navržen.“

Platforma Kuka Connect běží na osobních počítačích a také na mobilních zařízeních, chytrých telefonech, tabletech nebo na jakémkoli zařízení, které podporuje webový prohlížeč. Intuitivní ovládací panely pomáhají uživatelům vizualizovat data podle specifických kritérií. Ať už usilujete o optimalizaci svého plánu údržby, nebo o správu skladových zásob náhradních dílů, všechna data máte na dosah ruky, takže můžete předvídat potenciální výpadek a podniknout kroky, abyste problémy napravili dříve, než k výpadku dojde.

„V současné době poskytuje platforma Kuka Connect informace dvěma způsoby,“ představil možnosti Chang. „Jeden je velmi doslovný. Když se objeví chybové hlášení řídicího prvku, v reálném čase oznámíme uživateli kód chyby a její popis – jde tedy o velmi dynamickou reakci. Druhý způsob je pasivnější. Prezentujeme data konečnému uživateli a ten pak bude muset interpretovat, co to znamená pro jeho robot, výrobní linku a závod.“

Tato softwarová platforma není pouze rozhraním k robotům. Monitoruje také automatizační zařízení ovládaná řídicím prvkem robotu, jako je svařovací pistole nebo aplikátor lepidla, anebo i doplňkovou osu, pokud je robot na kolejnici.

„Součástí platformy budou veškeré informace, které řízení robotu ovládá nebo ovlivňuje,“ upozornil Chang. „Na tom právě pracujeme, na schopnosti skutečně vizualizovat data robotu ve spojení s procesními daty, aby si konečný uživatel mohl udělat představu nejen o technickém stavu mechanických součástí stroje, ale také o klíčových výkonnostních ukazatelích procesu samotného.“ 

Zrozena v Austinu

Platforma Kuka Connect byla vytvořena a vyvíjena v Texasu a je produktem německého výrobce robotů, kterého nedávno koupil čínský producent spotřebičů společnost Midea. Divize v texaském Austinu byla založena v roce 2015 jako součást společnosti Kuka AG. Austin se může zdát jako netypická lokalita, ale Chang tvrdí, že se toto město stalo významným technologickým centrem.

„Za posledních 10 let rozhodně pozorujeme významný pohyb. A podobně jako v Kalifornii je i zde opravdu výborný vzdělávací systém. O pár ulic vedle v Austinu je University of Texas a pak Texas A&M a Rice University,“ oznámil Chang. „V porovnání s ostatními místy, jako je Silicon Valley a Boston, jsou zde z obchodního hlediska velmi atraktivní náklady. Vzniká tady úžasná komunita zaměřená na robotiku.“

Podle Changa platformu Kuka Connect vymysleli, vyvinuli a vydali právě v tomto zastoupení v Austinu. Nedávno vystavovali na konferenci SXSW 2017, kde návštěvníky ohromil robot, který s otočkou vyhazoval láhve na stůl. 

Rozvoj pracovníků pro Průmysl 4.0

Abychom mohli naplno realizovat vizi koncepce Průmysl 4.0 a chytrých závodů, budeme potřebovat obrovské zásobárny talentů napříč mnoha geografickými regiony a odvětvími, které by naplnily stále větší poptávku po chybějících dovednostech. Například společnost Festo buduje tuto zásobárnu talentů a pečuje o dovednosti nezbytné pro závody v budoucnosti.

Společnost Festo je globální výrobce pneumatických a elektromechanických systémů, řídicích prvků a komponent pro řízení procesů a řešení automatizace závodů. Tento německý dodavatel automatizace již uvedl Průmysl 4.0 do praxe ve svém závodě Scharnhausen Technology Plant, kde vyrábí ventily, ventilové terminály a elektroniku. Jejich dceřiná společnost Festo Didactic je předním světovým dodavatelem průmyslového vzdělávání pro technické vzdělávací instituce a výrobce.

Na konferenci Automate v dubnu 2017 přednesl Ted Rozier, manažer pro rozvoj technických řešení společnosti Festo Didactic se sídlem v Eatontownu (stát New Jersey), prezentaci o tom, jak více než 300 000 pracovních pozic v americké výrobě zůstává nenaplněno z důvodu nedostatku kvalifikovaných uchazečů. Očekává se, že tento počet dále poroste.

„Je důležité učit studenty tak, aby byli obeznámeni s kompletním portfoliem automatizačního hardwaru a softwaru,“ vyzdvihl Rozier. „Potřebují rozumět procesu integrace robotů a PLC a také vědět, jak může IoT obohatit celý proces. V Evropě je to běžnou praxí a my usilujeme o to, abychom tento typ výuky rozšířili také v Severní Americe.“

Rozier zdůrazňuje důležitost multidisciplinární výuky, zejména zaměření na mechatroniku.

„Internet věcí musí vzkvétat, aby pomáhal uvádět v život koncepci Průmysl 4.0. K tomu potřebujete dobré znalosti IT a kvalitní základy mechatroniky. Máme příležitost vychovávat jedince, kteří nejen chápou, ale dokážou také ovlivňovat procesy automatizace výroby, od nejvyšších pater firmy až po provozní úroveň, od úrovně IT až po senzory, jedince, kteří mohou být nápomocni při rozhodování o robotice. To je do budoucna velmi důležitá dovednost.“ 

Výuková továrna

Společnost Festo Didactic poskytuje „moduly výukové továrny“ pro praktické průmyslové školení v oblasti mechatroniky, technologií řízení a automatizačních technologií. Systém začíná jedním modulem – stanicí Project Workstation 4.0, jež je určena pro výuku základů technologií řízení. Následně lze přidávat další moduly a vytvořit kompletní výukovou kyberfyzickou továrnu, která může obsahovat realistický systém oběhu průmyslových palet a autonomní robot pro připojení různých pracovních stanic.

Systém je modulární, takže lze přidávat, odebírat a přesouvat jednotlivé pracovní stanice podle měnících se požadavků na výuku. Vyučována jsou tato témata: technické zajištění projektů PLC, práce s rozhraními HMI a rádiovými identifikačními senzory (RFID), zprovozňování webového serveru a rozhraní TCP/IP a OPC-UA, monitorování a správa spotřeby energie, práce s inteligentními moduly pro zpracování dat, systémy podnikového plánování zdrojů (ERP), systémy pro operativní řízení výroby (MES) a rychlé prototypování.

Vyšší odborné školy se zaměřením na výrobu, vědu, technologie, strojírenství a matematiku (STEM) využívají moduly CP Factory společnosti Festo pro přípravu svých studentů na nástup do zaměstnání okamžitě po ukončení studia. York Technical College ve městě Rock Hill (stát Jižní Karolína) má místnost vyhrazenou pro model závodu CP Factory sestávající ze šesti modulů. Firmy, jako je Mercedes-Benz ve městě Vance (stát Alabama), používají výukové vybavení společnosti Festo pro prohloubení znalostí svých pracovníků.

Je nezbytné, abychom naše pracovníky připravili na nové způsoby, jakými budou v hyperpropojeném světě interagovat lidé, stroje a data. Existují kroky, které můžete podniknout již nyní, abyste se připravili na Průmysl 4.0 a chytré závody. 

Tanya M. Anandanová je přispěvatelka sdružení Robotic Industries Association (RIA) a magazínu Robotics Online. RIA je neziskové oborové sdružení zaměřené na zvyšování regionální, národní a globální konkurenceschopnosti severoamerických odvětví výroby a služeb prostřednictvím robotiky a související automatizace. Tento článek byl původně publikován na webové stránce sdružení RIA. RIA je součástí sdružení Association for Advancing Automation (A3), obsahového partnera vydavatelství CFE Media. Upravil Chris Vavra, redaktor časopisu Control Engineering, CFE Media, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript..