Обучение промышленной автоматизации и управлению

Автоматизация «умной» технологической установки

«Умные» технологические установки эпохи Индустрии 4.0 — это подключенные к сети средства для автоматического производства с индивидуальной настройкой. Производственным предприятиям необходимы специалисты, которые могут освоить сложную технологию, на которой основана подобная система. Компаниям нужны выпускники, которые будут не только открыты к новым идеям, но и знакомы с технологической средой, в которой им предстоит работать.

Найти инженеров, отвечающих этим требованиям, можно в немецком городе Дармштадт. Этот город — родина множества продуктов и технологий, которые изменили нашу повседневную жизнь. Среди них — радиочасы, акриловое стекло, первое моющее средство на основе ферментов и жидкие кристаллы, используемые в дисплеях. В городе находится Технический университет, а также Дармштадтский университет прикладных наук (h_da), который заслужил прекрасную репутацию за свой практический подход к высшему образованию. Диапазон его образовательных программ охватывает множество предметных областей, от технических наук, математики и информатики до управления, социальных наук, архитектуры и дизайна. Один из международных курсов по электротехнике читается исключительно на английском языке.

«На нашем факультете электротехники и информационных технологий работает сборочная технологическая установка, точно воспроизводящая процессы автоматизации на реальном предприятии», — говорит доктор технических наук Штефан Зимонс, профессор, специалист по автоматизации и технологиям управления в h_da. «Эта небольшая технологическая установка демонстрирует, что такое Индустрия 4.0, и является учебной и исследовательской платформой, на которой группы студентов разных специальностей учатся проектировать, вводить в эксплуатацию и обслуживать будущие производственные мощности с использованием интернета вещей». Эти студенты учатся на разных факультетах и специализируются на электротехнике, машиностроении, промышленном проектировании и управлении, оптоэлектронных технологиях и обработке изображений.

Полностью автоматизированная сборочная линия для электромагнитных реле занимает всего 50 м2, но она оснащена всем необходимым для производства. Линия оборудована многоярусной стойкой с 44 ячейками для хранения компонентов и готовой продукции, а также системой транспортировки материалов с «умными» шаттлами, передвигающимися по 20-метровой железной дороге. 6-осевой промышленный робот выполняет сборку до того, как реле пройдут автоматизированные тесты по электрике и оптике, а также взвешивание в рамках окончательной проверки.

Различные функциональные компоненты установки индивидуально управляются программируемыми логическими контроллерами (ПЛК), а также контроллерами управления движением и контроллерами отдельных роботов. Используя протокол OPC UA, они обмениваются данными с университетскими системами планирования ресурсов предприятия (ERP) и управления производством (MES), развернутыми в частных и публичных облаках.

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

Использование цифрового двойника с самого начала

Вскоре после того, как Зимонс задумал эту «умную» технологическую установку, он узнал о портфеле решений Tecnomatix® компании Siemens Digital Industries Software. Tecnomatix — это комплексный портфель решений, с помощью которых можно перевести производство в цифровую среду. Используя системы Tecnomatix для автоматизации и программирования роботов, инженеры могут проектировать, проводить симуляцию и программировать операции для роботов в автономном режиме. Интегрированные инструменты симуляции позволяют подключать виртуальный или реальный ПЛК для тестирования и оптимизации управления, автоматизации, транспортировки материала и всей операции.

Профессор выбрал для своего проекта «умной» технологической установки решение Tecnomatix Process Simulate, поскольку намеревался использовать возможности этой системы для соединения с реальными ПЛК для виртуального ввода в эксплуатацию. Позже он расширил использование портфеля Tecnomatix, добавив решение Plant Simulation, поскольку оно позволяет проводить симуляцию потоков материалов и энергопотребления в 3D.

«Я понимал, что в будущем возможность симуляции и виртуального ввода в эксплуатацию производственной линии будет решающим фактором для сохранения конкурентоспособности предприятия, — говорит Зимонс. — Используя Tecnomatix для создания цифрового двойника сборочной линии и виртуального ввода в эксплуатацию, мы запустили технологическую установку всего за два года, хотя каждый студент работает с ней только один семестр».

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

Практический системный подход

Главная цель «умной» сборочной линии — научить студентов решать конкретные задачи, используя инновационные технологии. Студенты должны научиться создавать комплексные системы, выходя за рамки своей специальности. Информационные технологии и промышленная автоматизация перестали быть отдельными дисциплинами, теперь они тесно связаны. Ни одна программа не способна охватить все аспекты создания продукта, поэтому нужно уметь комбинировать различные специализированные решения.

«Наша самая сложная задача — обеспечить отрасль специалистами, готовыми создавать проекты, которые определят будущее, — говорит Зимонс. — В отрасли все еще полно стен, разделяющих разные предметные области, и нам нужны знающие люди, способные разрушить эти стены».

h_da отличается от других технических университетов своим практическим подходом. Чтобы обеспечить соответствие условиям реального мира, в «умной» сборочной линии используют только те технологии, которые доступны на рынке. «Мы выбрали системы Siemens и для автоматизации, и для дигитализации, — говорит Зимонс. — Эта компания оказалось самой успешной в объединении автоматизации и ИТ».

Объединение виртуального и реального мира

В качестве CAD-системы студенты h_da используют NX™. Созданные нем модели они экспортируют в Tecnomatix и другие программы, используя универсальный формат данных JT™. С 2016 года в университете используют модуль NX «Концептуальная разработка мехатронных систем» (Mechatronics Concept Designer™). Это дает возможность использовать междисциплинарный системный подход к проектированию оборудования, начиная с создания функциональной модели для механической, электрической части и системы автоматизации. Простые в использовании интерактивные инструменты симуляции «Концептуальной разработки мехатронных систем» позволяют убедиться в том, что изделие будет работать, прежде чем собирать его. Интерфейсы программы совместимы с другими инструментами, и их можно использовать для виртуального ввода в эксплуатацию в другом масштабе по сравнению с Tecnomatix.

Tecnomatix позволяет проводить симуляцию сложных систем, включая конвейеры и роботов, а «Концептуальную разработку мехатронных систем» лучше всего использовать для системной инженерии и симуляции кинематики. Чтобы получить опыт работы с этим программным обеспечением, сначала его использовали для проектирования и симуляции небольшой конвейерной системы.

«С помощью решений Tecnomatix и «Концептуальная разработка мехатронных систем» мы учим студентов выбирать правильную программу для каждой конкретной задачи, — говорит Зимонс. — Группа студентов, попытавшихся провести симуляцию шаттлов на линии сборки реле, потерпела неудачу, потому что производитель предоставил только упрощенные 3D-модели, которые неадекватно отражали физические свойства шаттлов».

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

Как научиться справляться с постоянными изменениями

В шестом семестре студенты с разной специализацией объединяются в группы от 2 до 6 человек, чтобы совместно решать задачи по автоматизации. К середине 2018 года 290 студентов подготовили проекты, так или иначе связанные с «умной» сборочной линией Дармштадта. Линия постоянно подвергается каким-то изменениям, что делает ситуацию максимально приближенной к реальности.

Не прошедшие проверку реле передаются на наладочную станцию, где студенты вручную устраняют неполадку, опираясь на 3D анимацию и пошаговые инструкции, отображающиеся в очках дополненной реальности. Студенты снабдили очки клиентом OPC UA, чтобы устранять неполадку, взаимодействуя с окружающей системой.

Еще до запуска продукта в h_da начали использовать MindSphere — облачную открытую операционную систему для интернета вещей от компании Siemens. Помимо анализа данных по энергозатратам, она будет использоваться для машинного обучения с целью обнаружения аномалий в работе установки.

Недавно в h_da начали использовать систему Teamcenter® для управления жизненным циклом изделия. Это программное обеспечение будет использоваться для внутренних рабочих процессов и процессов утверждения. Кроме того, применение Teamcenter планируют расширить, используя его совместно с приложением Siemens Digital Industries Software «Автоматизированное проектирование» (Automation Designer) для проектирования электрических систем и систем автоматизации. Университет планирует развернуть эту программу как часть NX на основе открытой интеграционной платформы, чтобы получить еще более полную среду для междисциплинарной разработки.

Каждый раз, когда кто-то — почти всегда профессор — посещает стенд Siemens на крупной промышленной выставке, он возвращается с идеями новых бизнес-возможностей и поднимает вопрос об интеграции новых технологий с существующей установкой. В заключение Зимонс добавляет: «Способность найти ответы на подобные вопросы — это именно то, что отрасль ожидает от инженеров по электротехнике».

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