Prezentácia programu PowerPoint

Prepis

1 Industry 4.0 a OPC Unified Architecture ERIK KUČERA INTELIGENTNÉ MECHATRONICKÉ SYSTÉMY PREDNÁŠKA 8

2 Industry 4.0 ERIK KUČERA INTELIGENTNÉ MECHATRONICKÉ SYSTÉMY PREDNÁŠKA 8

3 Pojmový aparát Továreň (hovorovo fabrika, predtým tiež manufaktúra) je veľká priemyselná budova alebo viac budov (komplex budov prípadne továrenský areál), kde sa ručne alebo na strojoch vyrábajú výrobky vo veľkom množstve Priemyselná revolúcia (1760) čiastočné synonymum industrializácia, je to proces základnej zmeny v oblasti výrob, ktorý umožnil prechod od manufaktúry, založenej na ručnej práci, k modernej továrni využívajúcej stroje História, kedy sa pojem továreň začal používať: Taliansky Arsenal di Venezia založený v Benátkach roku 1104 je prvým príkladom továrne v modernom slova zmysle Stovky rokov pred priemyselnou revolúciou vyrábal veľké množstvo lodí na montážnych linkách z jednotlivých častí; produkoval možno jednu loď denne a v najväčšom rozmachu zamestnával až ľudí Súčasnosť: Smart fabrika alebo digitálna továreň - nový pojem, kde inteligentné zariadenia prevezmú všetky manuálne a obslužné činnosti; riadiace systémy budú samy organizovať efektívny chod výroby

4 Pojmový aparát Výrobný proces je pôsobenie výrobných síl na seba navzájom, ktorého cieľom je vytvorenie určitého produktu; každý výrobný proces predpokladá cieľavedomú činnosť človeka, pracovné prostriedky a pracovný predmet, ako aj potrebné prírodné podmienky Výrobný proces je súbor činností, pri ktorých sa mení tvar produktu a zloženie materiálov tak, že výsledkom (výstupom) je nová úžitková hodnota Moderný výrobný proces - zlúčenie virtuálneho aj fyzického sveta prostredníctvom tzv. cyber-fyzikálnych systémov (fúzia technických a podnikových procesov)

5 Digitálna továreň

6 Priemyselné revolúcie

7 Priemyselné revolúcie

8 Priemyselné revolúcie Zjednodušene povedané je štvrtá priemyselná revolúcia Industry 4.0 založená na rozvoji a integrácií nových progresívnych IKT technológií (IoT, výpočtová inteligencia, virtuálna a rozšírená realita...) do priemyselných aplikácií Tak, ako bola prvá priemyselná revolúcia založená na rozmachu mechanizácie, druhá na rozvoji a integrácií elektroniky a elektrotechniky a tretia na automatizácií, tak štvrtá priemyselná revolúcia kladie dôraz najmä na informačno-komunikačné technológie (IKT) Mechatronika tak spája práve tieto 4 oblasti, na ktorých stáli 4 priemyselné revolúcie

9 Čo je mechatronika? Mechatronika spája 4 oblasti: Mechaniku Informatiku (IKT) Automatické riadenie Elektronické systémy

10

11

12

13

14

15

16

17

18 Industry 4.0 Industry 4.0 (Priemysel 4.0) štvrtá priemyselná revolúcia je pomenovanie rozsiahlych zmien prudko vstupujúcich do súčasného priemyslu Nositeľom týchto zmien je moderná automatizácia, digitalizácia výrobkov, digitalizácia a optimalizácia všetkých podnikových procesov, vrátane služieb Základ Industry 4.0 tvoria kyberneticko-fyzikálne systémy

19 Priemysel 4.0 závisí teda od rozvoja celého počtu nových a inovatívnych inteligentných technológií, ako sú: aplikácie informačných a komunikačných technológií v procese digitalizácie informácií a integrovania systémov na všetkých úrovniach vytvárania produktov a celého výrobného cyklu vrátane logistiky Cyber-fyzikálnych systémov (CPS), ktoré využívajú informačné a komunikačné technológie na monitorovanie a kontrolu fyzických procesov a systémov sieťovej komunikácie zahŕňajúcej bezdrôtové a internetové technológie, ktoré slúžia na prepojenie strojov, systémov a ľudí tak v rámci továrne, ako aj s dodávateľmi a distribútormi; simulácie, modelovania a virtualizácie dizajnu výrobkov a výrobných procesov zhromažďovaní veľkého množstva dát a ich analyzovania a využívania, a to buď hneď v továrni alebo pomocou analýzy veľkých súborov dát a cloud computingu BIG DATA väčšej podpory pracovných síl prostredníctvom informačných a komunikačných technológií, vrátane robotov, rozšírenej reality či inteligentných nástrojov

20 Koncept Industry 4.0 Smart fabrika v ére Industry tri kľúčové komponenty: 1. vybavenie procesov snímačmi (smart), ktoré neustále automaticky zbierajú dáta zo strojov, zariadení, výrobných pásov, skladov, materiálov a iných komponentov vo výrobe 2. komunikačná infraštruktúra, cez ktorú dokážu stroje komunikovať medzi sebou, s ľuďmi, aj s rôznymi IT systémami 3. využívanie softvéru, ktorý dokáže všetky dáta nielen zhromažďovať, ale následne ich aj vyhodnocovať, analyzovať a vyvodzovať z nich závery; inými slovami, SW vnáša do zhluku dát inteligenciu a poriadok

21 Industry video

22

23 Koncept Industry 4.0 Interoperabilita je možnosť a schopnosť inteligentných strojov a ľudských bytostí spolu komunikovať cez Internet vecí a služieb Virtualizácia je možnosť a schopnosť vytvoriť virtuálny model (resp. kópiu) inteligentnej továrne; pri virtualizácii sa používajú reálne údaje získané (predovšetkým zo snímačov strojov),ktoré sa aplikujú na model inteligentnej továrne Decentralizácia - je možnosť a schopnosť každého stroja realizovať operácie decentralizované (autonómne) a realizovať maximálne kvalifikované rozhodnutia smerujúce k optimalizácii výroby RT (real-time) činnosť - pre riadenie výroby je nevyhnutné dáta zbierať a analyzovať v reálnom čase; na základe takto zozbieraných informácií je možné v reálnom čase rekonfigurovať výroby, zohľadniť poruchy a nájsť riešenia, napríklad na poruchu zariadenia, resp. presunutie výroby na iné a pod. Orientácia na služby - komunikácia a výmena informácií cez Internet, poskytovanie informácií iným stranám Modularita - je schopnosť inteligentného podniku pružne sa adaptovať na situáciu vo výrobe zmenou SW a HW modulov, zdieľaním modulov a rekonfiguráciou

24 Internet vecí a Internet všetkého v Industry 4.0 Schopnosť urobiť výrobok inteligentným a taktiež rozumieť obchodným príležitostiam, ktoré inteligentné produkty ponúkajú Typickým použitím IoT budú monitorovacie a meracie smart senzory (priemysel, poľnohospodárstvo, životné prostredie, domácnosti) - náhrada doteraz používaných zariadení a systémy na báze mobilných sietí Snímače, stroje, výrobky a prostriedky IT sú vzájomne prepojené a budú na seba reagovať pomocou štandardných komunikačných protokolov, aby mohli predvídať prípadné chyby či poruchy, konfigurovať samy seba a v reálnom čase sa prispôsobovať zmeneným podmienkam

25 Alternatívy Industry 4.0 vo svete ERIK KUČERA INTELIGENTNÉ MECHATRONICKÉ SYSTÉMY PREDNÁŠKA 8

26 Made in China 2025

27 Industrial Internet of Things - USA

28 Manufacturing Industry Innovation Korea

29 Digitálne dvojča / Digital twin ERIK KUČERA INTELIGENTNÉ MECHATRONICKÉ SYSTÉMY PREDNÁŠKA 8

30 Digitálne dvojča - motivácia Digitálny dizajn a virtuálne modelovanie výrobných procesov môže skrátiť čas od dizajnu produktu až po jeho dodávku Až donedávna bol jediný spôsob ako získať podrobné informácie o stave výrobkov a priemyselných zariadení ich fyzická blízkosť a možnosť kontrolovať ich V dnešnej dobe zvýšená výpočtová sila a pripojiteľnosť umožňujú virtualizovať túto úlohu vytvorením a udržiavaním digitálnej reprezentácie (t.j. digitálne dvojča / digital twin ) akejkoľvek časti skutočného vybavenia, a teda všetkých výrobných a priemyselných zariadení Digital Twin je digitálny model, ktorý má schopnosť aktualizovať sa a meniť sa podľa fyzických zmiem náprotivkov Digitálna dvojča sa neustále učí a aktualizuje sa z viacerých zdrojov, aby reprezentovalo stav v reálnom čase Môže tiež integrovať historické údaje z minulosti používania stroja do svojho digitálneho modelu

31 Digitálne dvojča Digitálne dvojča predstavuje digitálnu kópiu fyzického objektu, procesu alebo systému, ktorá môže byť využitá na monitorovanie a analýzu v reálnom čase, prediktívnu údržbu alebo na optimalizáciu Digitálne dvojča využíva umelú inteligenciu a strojové učenie, čím dokáže vytvárať živé digitálne simulačné modely, ktoré sa aktualizujú a menia, keď sa menia aj ich fyzické náprotivky Digitálna kópia sa učí pomocou údajov zo senzorov a kontrolných prvkov, ktoré prinášajú rôzne aspekty správania fyzickej predlohy v rôznych prevádzkových podmienkach Údaje z reálneho sveta sa prevádzajú do digitálneho sveta, kde je možné vykonať analýzu simuláciu Do digitálnej kópie vieme zapracovať aj poznatky od odborníkov, ktorí majú rozsiahle a relevantné poznatky v danom odvetví Súčasťou digitálneho dvojčaťa sú aj historické údaje, ktoré môžu skvalitniť optimalizačný model

32 Digitálne dvojča fyzický a digitálny svet Prepojenie fyzického a digitálneho je možné rozložiť do šiestich celkov: 1. Senzory a ovládacie prvky z fyzického sveta sú rozdistribuované v celom výrobnom procese, pričom vytvarujú signály, ktoré umožňujú digitálnemu dvojčaťu zachytiť prevádzkové a údaje z prostredia týkajúce sa fyzického procesu - zariadenia v reálnom svete 2. Údaje Skutočné prevádzkové a údaje z prostredia zo senzorov sú agregované a kombinované s údajmi z podniku, ako sú napríklad: Konštrukčné špecifikácie Výkresy Údaje z podnikových systémov cena jednotlivých vyrábaných produktov, ceny využívaných materiálov, sťažnosti zákazníkov a mnoho ďalších informácií 3. Integrácia Senzory prenášajú údaje do digitálneho sveta prostredníctvom integračnej technológie (ktorá zahŕňa brány sieťové uzly, komunikačné rozhrania a bezpečnosť), pričom komunikácia musí prebehať aj spätne, t.j. digitálny svet fyzikálny svet

33 Digitálne dvojča fyzický a digitálny svet 4. Analýza Údaje, ktoré prúdia do digitálneho dvojčaťa sa analyzujú rôznymi algoritmami, na základe ktorých je možné získať rôzne poznatky o procese - zariadení 5. Kontinuálna aktualizácia digitálneho dvojčaťa Vďaka neustálej aktualizácii môžeme napríklad identifikovať neprípustné odchýlky od optimálnych hodnôt, ktoré by mohli v budúcnosti nastať - takáto odchýlka je prípad optimalizácie podnikania - predčasné identifikovanie odchýlky je príležitosť, ktorá môže viesť k zníženiu nákladov alebo zlepšeniu kvality efektívnosti výroby 6. Akčné členy Zmeny vykonané v digitálnom svete sa prejavia v reálnom svete pomocou akčných členov, ktoré môžu byť ovládané digitálnym dvojčaťom, prípadne podliehajú ľudskému zásahu vo výrobe

34

35 Architektúra digitálneho dvojčaťa opísaná v predchádzajúcich slajdoch predstavovala všeobecný pohľad, pričom zobrazená architektúra zobrazuje konceptuálny návrh, t. j. možno ju považovať za model tvorby digitálneho dvojčaťa

36 Digitálne dvojča - tvorba Tvorbu digitálneho dvojčaťa možno rozdeliť do šiestich krokov: 1. Tvorba Prvý krok predstavuje vybavenie fyzického procesu veľkým počtom senzorov, ktoré zabezpečujú meranie vstupov-výstupov z fyzického procesu a zároveň aj z jeho okolia. Senzory môžu byť rozdelené do dvoch skupín: Prevádzkové merania týkajúce sa fyzickej výkonnosti výrobného procesu do tejto skupiny patrí napríklad pevnosť v ťahu, posunutie, krútiaci moment Prostredie a externé vplyvy ovplyvňujúce fyzický proces výroby - sem patrí napríklad barometrický tlak, vlhkosť alebo teplota okolia Získané údaje zo senzorov môžu byť rozšírené o procesné informácie zo systému, napríklad o údaje z podnikového systému plánovania zdrojov alebo CAD modelov

37 Digitálne dvojča - tvorba 2. Komunikácia Zabezpečuje integráciu fyzického procesu a digitálneho dvojčaťa; skladá sa z troch komponentov: I. Edge Predstavuje hranu medzi fyzickým procesom a digitálnym dvojčaťom. Spracováva údaje a prenáša ich naprieč platformou. Edge poskytuje preklad protokolov z fyzickej výroby (OPC UA, Modbus, EtherCAT a mnoho ďalších) do protokolov, ktoré je možné využiť na komunikáciu vo vyšších vrstvách (MQTT, AMQP, HTTPS a mnoho ďalších). II. Komunikačné rozhrania Pomocou komunikačných rozhraní môže dochádzať k výmene informácii medzi snímačom, akčným členom a celým systémom. Ku komunikačným rozhraniam patrí napríklad RS 232, LPT, USB, Ethernet, Bluetooth. Výber komunikačného rozhrania závisí od umiestnenia senzoru, ktorý sa môže nachádzať na rôznych miestach - továrne, domácnosti, banská prevádzka.

38 Digitálne dvojča - tvorba 2. Komunikácia Zabezpečuje integráciu fyzického procesu a digitálneho dvojčaťa; skladá sa z troch komponentov: III. Edge zabezpečenie Nové možnosti senzorov a komunikácie vytvorili nové problémy spojené s bezpečnosťou. Najbežnejšími bezpečnostnými opatreniami je využívanie firewallov, šifrovania a certifikátov. Riešenia, ktoré bezpečne umožnia využívať digitálne dvojčatá sa musia stále vyvíjať a adaptovať na novo vznikajúce hrozby.

39 Digitálne dvojča - tvorba 3. Agregácia Agregácia údajov je proces, pri ktorom sa zhromažďujú údaje a sú vyjadrené v súhrnnej forme pre účel analýzy. Zhromažďovanie údajov sa môže vykonať priamo v zariadeniach alebo v cloude. 4. Analýza V analytickom kroku sa údaje analyzujú a vizualizujú. Na základe analýzy môžeme vytvoriť iteračný model, z ktorého dokážeme získať poznatky na základe ktorých môžem optimalizovať skúmaný proces. Poznatky získané z iteračného modelu môžu byť nápomocné aj pri rôznych rozhodnutia, ktorým môžeme počas životného cyklu procesu čeliť.

40 Digitálne dvojča - tvorba 5. Náhľad Poznatky získané z analýzy sú prezentované prostredníctvom informačných panelov, kde sú vizualizované a môžu poukazovať na neprijateľné rozdiely v digitálnom dvojčati a fyzickej reálnej implementácií procesu. Vďaka zistenej nekonzistencii digitálneho dvojčaťa a fyzického procesu, je možné vyšetriť oblasť vo fyzickom procese, ktorá zaostáva za výsledkami získanými z digitálneho dvojčaťa. 6. Akcia Poznatky získané v predchádzajúcich krokoch je možné vrátiť späť do fyzického procesu prostredníctvom akčných členov, ktoré riadia napr. pohonné systémy, natočenie ventilov a iné zariadenia, ktoré sa vyskytujú vo výrobe. Ako už bolo spomenuté v predchádzajúcej kapitole, akčné členy môžu byť riadené pomocou digitálneho dvojčaťa alebo môžu vyžadovať ľudský zásah.

41 Digitálne dvojča biznis hodnota Kategória Potenciálna biznis hodnota Prevádzkové náklady Náklady na zavedenie produktu Príležitosti na rast príjmov Kvalita Zlepšenie výkonnosti výrobných zariadení Zlepšenie návrhu produktov Zníženie variability procesov Zníženie času uvedenia nového produktu na trh Zníženie celkových nákladov na výrobu nového produktu Identifikovanie produktov v procese, ktoré sú pripravené na inováciu Zlepšenie efektivity a nákladov na servis produktov Zlepšenie celkovej kvality Predvídanie a zistenie chýb spojených s kvalitou

42 Hierarchia riadenia a OPC Unified Architecture ERIK KUČERA INTELIGENTNÉ MECHATRONICKÉ SYSTÉMY PREDNÁŠKA 8

43 Hierarchia riadenia v podniku

44

45 OPC Unified Architecture Víziou OPC Foundation je ponúknuť multiplatformový a multidoménový štandard (platformu) pre interoperabilitu a výmenu dát od senzorov až po enterprise systémy OPC UA je tak viac ako len protokol - UPC je skôr framework pre reprezentáciu a výmenu objektovo orientovaných dát resp. informácií Základná brožúra: content/uploads/2017/11/opc-ua-interoperability-for-industrie4-and-iot- EN.pdf

46

47 Čo je OPC UA? - video

48 Čo je OPC UA? - iné video

49 OPC UA objektovo orientovaná architektúra

50 OPC UA komunikácia OPC UA bol navrhnutý tak, aby podporoval širokú škálu systémov, od PLC vo výrobe až po podnikové servery Tieto systémy sa vyznačujú rôznorodosťou z hľadiska veľkosti, výkonnosti, platforiem a funkčných schopností Rôzne požiadavky vplývajú na ponuku 2 transportných protokolov OPC UA podporuje dva protokoly: UA Binary protokol opc.tcp://server UA XML protokol Binary je optimalizovaný pre rýchlosť a HTTP + SOAP predstavuje firewall-friendly riešenie

51 Spôsob komunikácie OPC UA Technológia OPC UA bola deklarovaná ako odporučená pre komunikačné technológie v nemeckom Industry 4.0 Dva komunikačné modely spôsoby komunikácie: Klient-Server model (voľne dostupné knižnice a programové komponenty v C++, Python,..) OPC UA Pub/Sub, Publisher Subscriber model - od roku 2016 (Hanover) je vo výrobe aj v pilotnej prevádzke

52 Podpora popredných spoločností Microsoft, SAP, HP, Oracle, National Instruments, ABB, Siemens...

53 Biela kniha Microsoftu k OPC UA F D95/Connected_Factory_whitepaper_EN_US.pdf

54 Demo v IoT Suite - link

55 Integrácia OPC UA do Azure IoT Leták - UA-5-Clicks-To-Digital-Factory.pdf

56 ATP Journal - Časopis dá sa odoberať zadarmo články aj z oblastí Industrial IoT, Industry 4.0, atď. Kedysi skôr elektrotechnicko-automatizérsky časopis, dnes mnoho článkov z informačno-komunikačných technológií, čo je dôsledok 4. priemyselnej revolúcie

57 Použité zdroje Prednášky ASRAV Štefan Kozák Augmented Reality v automobilovom priemysle - Michal Kostoláni Digitálne dvojča Lukáš Beňo te-cn-cip-industry-4-0-digital-twin-technology-en pdf OPC Foundation ATP Journal