Výuka průmyslové automatizace a řízení pro budoucnost

Automatizace inteligentního závodu

Jako inteligentní továrny se v rámci Průmyslu 4.0 označují plně propojené závody pro automatickou hromadnou výrobu. Výrobní průmysl potřebuje odborníky, kteří jsou schopni ovládnout složité technologie, které za těmito továrnami stojí. Společnosti potřebují absolventy ze škol a univerzit, kteří mají otevřenou mysl, ale znají také dobře technologické prostředí, s nímž se v profesní kariéře setkají.

Dobrým místem, kde takové inženýry hledat, je Darmstadt v Německu. Toto město je rodištěm celé řady výrobků a technologií, které změnily naše každodenní životy, například hodin s rádiem, plexiskla, prvního pracího prášku s enzymy či tekutých krystalů používaných v displejích. Nachází se zde campus technické univerzity a univerzity Darmstadt University of Applied Sciences (h_da), která má výborné jméno díky praktickému přístupu k systému vzdělávání. Programy a výzkumné kapacity univerzity pokrývají obory strojírenství, matematiky, IT, managementu, společenských a sociálních věd, architektury, médií a průmyslového designu. Jeden z mezinárodních magisterských oborů v oblasti elektrotechniky se vyučuje celý v angličtině.

„Na ústavu elektroinženýrství a informačních technologií je v provozu montážní linka, která zcela odpovídá automatizačním procesům ve skutečné továrně,“ říká Dr.-Ing. Stephan Simons, profesor automatizace a řídicích technologií na h_da. „Tato malá inteligentní továrna je ukázkou Průmyslu 4.0 a současně výzkumnou a cvičnou platformou, kde se mezioborové týmy studentů učí, jak navrhnout, zavést, provozovat a udržovat výrobní provoz budoucnosti využívající internet věcí.“ Tito studenti jsou zapsáni ke studiu elektrotechniky, strojírenství, průmyslového managementu, opto-technologií a zpracování obrazu.

I když se nachází na pouhých 50 m2 (538 stop2), je tato montážní linka na elektromagnetická relé plně vybavena vším, co výrobní závod potřebuje. Obsahuje výškový úložný regál s 44 úložnými místy pro komponenty a hotové výrobky a systém pro přenos materiálu pomocí inteligentních přepravek pohybujících se na 20metrovém kolejovém systému. Vlastní montáž provádí 6osý průmyslový robot a relé následně prochází optickou a elektrickou kontrolou a vážením v rámci koncové kontroly.

Různé funkční části závodu jsou nezávisle řízeny programovatelnými logickými automaty PLC, pohybovými řídicími prvky a specializovanými prvky robotického řízení. Pomocí protokolu OPC UA komunikují s univerzitním systémem pro plánování zdrojů (ERP) a systémy pro realizaci výroby (MES), které běží mimo zařízení v soukromých a veřejných cloudových prostředích.

The smart factory assembles several varieties of electromagnetic relays in one-off quantities as demanded to fulfill orders in a cloud-based ERP system. Both components and finished products are transported through the line using intelligent shuttles equipped with RFID chips. Photo: M. Wittmer

Používání digitálního dvojčete hned od začátku

Když Simons začal plánovat tuto inteligentní továrnu, dozvěděl se o portfoliu Tecnomatix® od společnosti Siemens PLM Software. Tecnomatix je rozsáhlé portfolio digitálních výrobních řešení, která pomáhají s digitalizací výroby. Díky řešením Tecnomatix pro programování robotů a automatizaci mohou konstruktéři navrhovat, simulovat a programovat operace využívající roboty a automatizaci offline. Možnosti integrované simulace umožňují připojit virtuální PLC nebo skutečné PLC ze skutečného prostředí a zkoušet a optimalizovat tak řízení, automatizaci, přepravu materiálu a celkový provoz.

Profesor začal pracovat na projektu inteligentní továrny s pomocí řešení Tecnomatix Process Simulate, protože plánoval využít možnost propojení softwaru se skutečnými PLC v rámci virtuálního nasazení. Později rozšířil využití portfolia Tecnomatix v rámci inteligentní továrny o řešení Plant Simulation, které umožňuje simulovat tok materiálu a spotřebu energie ve 3D.

„Věděl jsem, že v budoucnu budou simulace a virtuální zprovoznění výrobní linky zásadním aspektem konkurenceschopnosti,“ říká Simons. „Díky využití systému Tecnomatix k tvorbě digitálního dvojčete montážní linky a provedení virtuálního zprovoznění jsme továrnu rozběhli za pouhé dva roky, i když všichni studenti se tomu věnovali pouze jeden semestr.“

The fully automated assembly line features a high-bay storage rack and material transport using intelligent shuttles as well as a 6-axis industrial robot for assembly and several test stations. The stations are controlled by PLCs also taking care of functional safety that communicate via OPC UA. Image: P. Abé

Systematický praktický přístup

Hlavním účelem inteligentní výrobní linky je naučit studenty, jak využívat nejnovější technologie s ohledem na řešený problém. Musí se naučit, jak lze vytvářet rozsáhlé systémy a seznamovat se s informacemi a znalostmi z jiných oborů. Informační technologie (IT) a průmyslová automatizace již nejsou samostatnými obory, ale jsou těsně propojeny. Protože žádný software nedokáže pokrýt všechny aspekty tvorby výrobku, musí využívat a kombinovat různé specializované systémy.

„Naším největším úkolem je vychovávat inženýry, kteří dokáží ihned začít pracovat na projektech,“ říká Simons. „V průmyslu je stále řada zdí, které oddělují různá oddělení, a právě osoby s patřičnou odborností a motivací mohou tyto zdi strhávat.“

To, co odlišuje h_da od ostatních technických univerzit, je praktický přístup. Aby byla zajištěna kompatibilita se skutečným průmyslem, využívá inteligentní montážní linka pouze průmyslové technologie, které jsou opravdu dostupné na trhu. „Pro automatizaci a digitalizaci jsme vybrali systémy Siemens,“ říká Simons. „Spojují automatizaci a IT mnohem lépe než jiní dodavatelé.“

Propojení virtuálního a skutečného světa

Pro účely CAD návrhu využívají studenti h_da software NX™. Vytvořené modely exportují do systému Tecnomatix a dalších softwarových systémů pomocí univerzálního datového formátu JT™. Od roku 2016 využívají v rámci NX modul Mechatronics Concept Designer™. To jim umožňuje využívat k návrhu strojů víceoborový systémový inženýring, který začíná funkčním modelem mechanických, elektrických a automatizačních aspektů návrhu. Modul Mechatronics Concept Designer obsahuje snadno použitelné funkce pro interaktivní fyzikální simulace, které lze využít k ověření funkčnosti výrobku ještě před jeho výrobou. Díky otevřeným rozhraním s ostatními nástroji jej lze využít pro virtuální uvedení do provozu na zcela jiné úrovni než v systému Tecnomatix.

Zatímco systém Tecnomatix umožňuje simulaci složitých systémů včetně dopravníků a robotů, modul Návrh mechatroniky se používá především k návrhu systémů a simulaci skutečného chování klíčových kinematických částí. K seznámení s tímto softwarem byl využit návrh a simulace menšího dopravníkového systému.

„Aplikace Tecnomatix a Mechatronics Concept Designer také učí studenty, jaký software vybrat pro konkrétní úkoly,“ říká Simons. „Skupina studentů se pokoušela simulovat přepravky na skutečné montážní lince a nepodařilo se jim to, protože výrobce dodal pouze zjednodušené 3D modely, které neodrážejí fyzikální vlastnosti přepravek přesně.“

For physics-based design and simulation, Darmstadt University of Applied Sciences is also using the Mechatronics Concept Designer

Darmstadt University of Applied Sciences students used Tecnomatix Process Simulate to create a digital twin of the smart factory for virtual commissioning

For final inspection, the relays pass automated optical and electrical tests as well as weighing. Photo: M. Wittmer

Jak se vyrovnat s neustálými změnami

Během šestého semestru utvoří studenti různých odborností týmy dvou až šesti osob a zaměří se na téma automatizace. V polovině roku 2018 zpracovalo projekty v rámci montážní linky v Darmstadtu již 290 studentů. Neustále dochází ke změnám, což simuluje reálné podmínky, jak nejlépe to jde.

Relé, která neprošla testy, jsou přesunuta na manuální pracoviště, kde mají pracovníci opravující chyby k dispozici 3D animace a podrobné pokyny zobrazené v brýlích s rozšířenou realitou. Studenti tyto brýle vybavili klientem OPC UA, aby mohli spolupracovat s okolím a opravit chybu.

Ještě před jeho uvedením na trh začala h_da využívat otevřený cloudový IoT operační systém MindSphere od společnosti Siemens. Kromě analýzy dat o energii se používá také k využití strojového učení pro detekci anomálií v provozu.

V nedávné době začala h_da využívat software Teamcenter® ke správě životního cyklu výrobků. Tento software budou používat k interním procesům a schvalovacím řízením. Jeho využití bude ve spojení se softwarem Automation Designer rozšířeno na elektrický inženýring a automatizaci, také od společnosti Siemens PLM Software. Univerzitní tým bude tento software integrovat do systému NX a tím získá ještě výkonnější víceoborové vývojové prostředí.

Vždy, když se někdo – obvykle profesor – vrátí ze stánku společnosti Siemens na některém větším veletrhu s novými nápady, vyvolá to řadu otázek ohledně integrace nových technologií do stávající továrny. Simons to shrnuje: „Schopnost nalézt odpovědi na takové otázky je přesně to, co v praxi čeká elektroinženýry.“

Relays that have failed final inspection are transported to a manual rework station where workers correcting the fault are supported by a 3D animation and step-by-step instructions displayed in augmented reality glasses