automatizálás
Ipar 4.0 - megvalósítás ma, bizonyított vezérlési architektúrákkal PC-alapú vezérlés: „A dolgok internetjének” ideális technológiai platformja
A forradalom a meghatározás szerint a meglévő állapotok gyökeres megváltoztatása. A történelem bizonyos időpontjai erősen társulnak forradalmakhoz, a közelebbi vizsgálat azonban gyakran finomabb, evolúciós fejlődést mutat. Ez különösen érvényes az ipari forradalom jelenlegi, negyedik megtestesülésére, az Ipar 4.0-ra. Ennek magva az információs és az automatizálási technológia konvergenciája, az a jelenség, aminek a Beckhoff több mint 25 évvel ezelőtt a PC alapú vezérléssel lerakta az alapjait – és ami továbbra is a jövő koncepcióinak optimális vezérlési architektúráját kínálja.
Az ipar forradalmai A mechanikai gyártórendszerek bevezetése a XVIII. század végén kezdődött. A XX. század fordulójára tehető a munkamegosztáson alapuló tömegtermelés és a termelési folyamatok 70-es évek közepén beindult automatizálása. Napjainkban pedig megjelent a láthatáron a negyedik ipari forradalom. Az erre a jelenségre bevezetett kifejezés – Ipar 4.0 – eleve intelligens, hálózatba kötött rendszerekre utal: az információ-technológia (IT) és az automatizálás-technológia (AT) hagyományosan különálló termelési környezeteket von össze, hogy univerzális termelő világokat hozzon létre, amelyek természetüket illetően részben fizikaiak, mégis új funkcionalitást kapnak a web kiberterében. Nem véletlen, hogy az „Ipar 4.0” kifejezést Németországban találták ki, hiszen a világnak ebben a részében ideálisak a körülmények egy ilyen (r)evolúcióhoz. A magas bérekkel rendelkező országokra jellemző üzleti kihívások ellenére, a kiváló minőségnek és hatékonyságnak, és végül, de nem utolsósorban a nagyteljesítményű automatizálási technológiának köszönhetően Németország megtartotta kitűnő hírnevét mint gyártó nemzet. Pontosan ez magyarázza Németország különleges, globális versenyelőnyét, amelyet nemcsak maguknak a gyártó vállalatoknak, hanem a hozzájuk kapcsolódó gépgyártóknak és szállítóiknak, az automatizálás szakembereinek köszönhet. Ez a szinergia és a csúcstechnológiai megoldásokra történő összpontosítás ideális feltételeket teremt az Ipar 4.0-hoz hasonló – trendeket meghatározó – koncepciók kialakításához és
26
bevezetéséhez is. A német kormány felismerte ezt, és finanszírozza a tervezett, interdiszciplináris Ipar 4.0 projektet a 2020-ig tartó csúcstechnológiás stratégia keretében. Ipar 4.0 – egy elképzelés definiálása De mit is jelent valójában az Ipar 4.0? Az egyik egyértelmű meghatározás a BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung – Német Szövetségi Oktatási és Kutatási Minisztérium) finanszírozási irányelveiben található: „Az értékteremtő hálózatokban meglévő rugalmasságot növeli a kiber-fizikai gyártórendszerek (CPPS) alkalmazása. Ez lehetővé teszi a gépek és üzemek számára, hogy – önmaguk optimalizálásával és újrakonfigurálásával – viselkedésüket a változó megrendelésekhez és üzemelési feltételekhez igazítsák. A valós és a digitális világ közötti ilyen kölcsönhatás a modern gyárakban létrehozza „a dolgok internetének” alapjait. A középpontban a rendszereknek az a képessége áll, hogy érzékeljék az információkat, ezekből felismeréseket vezessenek le, és ennek megfelelően megváltoztassák viselkedésüket, és tárolják a tapasztalat útján szerzett ismereteket. Az intelligens gyártási rendszerek és folyamatok, valamint a célszerű műszaki tervezési módszerek és eszközök lesznek a legfontosabb tényezői a megosztott és összekapcsolt gyártó létesítmények sikeres megvalósításának a jövő „intelligens gyáraiban”. Az „intelligens gyárak” alapkoncepciója „a dolgok internete”. Ezt a kifejezést 1999-ben találták ki a hétköznapi tárgyak hálózatba MAGYAR
2013/10
automatizálás
A kiber-fizikai rendszerek alapján álló negyedik ipari forradalom az automatizálás és az informatika következetes konvergenciáját teszi lehetővé
kötését és hálózati működését leíró RFID- és érzékelőtechnológiákkal együtt. A kiber-fizikai rendszereket (cyber-physical systems - CPS) először 2006-ban írták le az egységes megvalósítás minimális követelményeként. Ez azt jelenti, hogy a kiberkomponensek – akárcsak a fizikai komponensek – minden szinten szorosan összefonódnak az információk és a kommunikáció különálló (diszkrét) feldolgozására. Ezt tükrözik a BMBF finanszírozási irányelvei is, ahol megmagyarázzák: „A kiber-fizikai rendszerek – napjaink mechatronikai rendszereinek kiterjesztéseként – intelligens érzékelőkkel vannak ellátva, hogy érzékeljék környezetüket, továbbá működtető szerkezetekkel, hogy befolyást gyakorolhassanak rá. Azzal a képességükkel különböznek a meglévő műszaki rendszerektől, hogy kölcsönhatásba tudnak lépni környezetükkel, hogy megtervezhessék és hozzáigazíthassák saját viselkedésüket ehhez a környezethez, és hogy megtanulják a viselkedés és stratégia új módjait, aminek eredményeképpen optimalizálják saját magukat.” Időtállók a rugalmas központi vezérlő architektúrák Bizonyos, hogy a CPS meghatározása tágan értelmezhető: kiterjed a munkadarabokra vagy nyersdarabokra is, amelyek – saját intelligenciájuknak köszönhetően – önállóan mozognak a gyártási folyamatban, meghatározva a feldolgozási paramétereket a termelő gépegységek számára. Már a 80-as években, amikor például az önmagukat konfiguráló, többprocesszoros rendszerek megszülettek, bebizonyosodott az ilyen autonóm alrendszerek intellektuálisan ösztönző hatása, bár ezekből akkor még nem alakultak ki működő, gyakorlati megoldások. A PC-alapú vezérlés elvileg elegendő rugalmasságot kínál mind a központosított, mind a decentralizált vezérlési architektúrák megvalósításához. Az automatizálásban azonban a hierarchikus szervezés – akárcsak a csökkentett intelligenciájú I/O-rendszerek – még MAGYAR
2013/10
jó ideig elsőbbséget élvez. Ez a koncepció az egyértelműen meghatározott szinteken, valamint a köztük lévő csatlakozási felületeken alapul. Az Ipar 4.0 esetén a kommunikáció egyetemes, mindent áthat, tehát például akár egy végálláskapcsolóhoz is saját IP címet rendelhetünk. Az automatizálási eszközöknek közvetlenül hozzá kell férniük az eszközökhöz: ez jelenti „a dolgok internetét”. Végső fokon az Ipar 4.0 valódi, teljességre törekvő keresztülviteléhez három szempontot kell megvalósítani: • horizontális integrációt az értéket létrehozó hálózatokon keresztül – az egyedi vállalatok határain túl, • vertikális integrációt vagy hálózatba kötött gyártórendszereket, és • a műszaki tervezés egyetemességét a termék teljes életciklusán át. Ez a szemlélet – a megfelelő gazdálkodási-felhasználói szoftverekkel szoros kapcsolatban – lehetővé kell, hogy tegye a vállalatok számára, hogy jelentős optimalizálási lehetőségeket és további üzleti modelleket aknázhassanak ki, például „a szolgáltatások internetén” keresztül. A PC-alapú vezérlés időtálló alapot ad mindehhez, különösen azért, mert igen rugalmasan adaptálható a változó alkalmazási követelményekhez: az intelligenciát egy hierarchikusan moduláris minta szerint lehet elrendezni egy központi vezérlő alatt, de decentralizálni, azaz azonos jogokkal ellátni is lehetséges, ha erre van szükség. A hagyományos automatizálási piramist teljes joggal használják mindenütt sikerrel, és például az analógia a biológiai evolúcióval azt mutatja, hogy pontosan ez a hierarchikus szerkezet a garancia a sikerre. Ez nagymértékben centralizált koncepciókat hozott létre – hasonlóan az emberi és állati szervezet központi idegrendszeréhez és decentralizált érzékelő és működtető szerveihez. Az agy az adatfeldolgozás központjaként teszi lehetővé az optimalizált mozgásokat és vezérlési műveletsorokat a természetben is. Természetesen léteznek ezenfelül társadalmi koncepciók is, mint a hangyakolóniáknál, ahol az egyedek működését központi vezérlés koordinálja.
27
automatizálás
Az IT és az AT konvergenciájának előnyeit a PC-alapú vezérlés ipari alkalmazása kezdettől fogva kiaknázta
Ennek megfelelően Hans Beckhoff ügyvezető igazgató kitűnő lehetőségeket lát világszerte a PC-alapú vezérlési technológia további fejlődéséhez a gépipari tervezésben és berendezések építésében, valamint az épületautomatizálásban és gyártástechnológiában. „PCalapú vezérlési technológiánkkal mind magunk, mind vevőink pontosan azt a csúcstechnológia-stratégiát valósíthatják meg, amire a német kormány is törekszik az Ipar 4.0 program keretében. Az informatika és különösen az automatizálási technológia konvergenciája az az alapvető elv, ami mind az Ipar 4.0, mind a PC-vezérlés alapjául szolgál. Örülünk, hogy ez a koncepció most közelebb kerül a nagy nyilvánosság és különösen a műszaki nyilvánosság tudatosságához. Biztosak vagyunk abban, hogy Németország mint gyártó nemzet, és a nemzetközi automatizálási közösség nagy hasznát látja majd ennek a filozófiának, ahogy ez a Beckhoff vevőivel már több mint 25 év óta, a PC vezérlési technológia kezdetétől történik.” A forradalom a PC-alapú vezérléssel kezdődik Az IT (információs technológia) és az AT (automatizálási technológia) konvergenciájának eszméje a PC-alapú vezérlés kezdetével, 1986-ban született meg. Az iparággal kompatibilis IT-hardverek úttörőjeként a Beckhoff több, mint 25 éve szállít PC-alapú vezérléstechnológiát – egy olyan technológiát, ami nemcsak hihetetlen teljesítménynövekedést eredményez (a közismert Moore-törvény ütemében), hanem teljes mértékben ki is aknázza a technológia e két világának konvergenciája által nyújtott előnyöket. Már kezdetben világosan felismerték, hogy az ipari PC lehetővé teszi nagyteljesítményű vezérlők tervezését a legkülönbözőbb konfigurációkban és – nyitottságának köszönhetően – optimális IT-orientációval. Az Ipar 4.0-t illetően Beckhoff kiemelkedő előrelátást tanúsított nemcsak a technológia, de a filozófia szemszögéből is, azaz az ipari PC bevezetését és vele együtt az IT és az AT konvergenciáját tekintve is. Emellett a vállalat az Ipar 4.0-hoz hasonló szemlélettel rendelkező kutatási projektekben is részt vett – jóval azelőtt, hogy a fogalmat meghatározták volna (lásd a keretes írást). Miután az Ipar 4.0 projektet az információs és kommunikációs technológiák szemszögéből megfogalmazták és a német kormány csúcstechnológiás stratégiájába foglalták, 2011 végén Ipar 4.0 (Industry 4.0) néven az Üzleti és Tudományos Kutatási Egyesület (Business and Science Research Union) kezdeményezésére munkacsoportot hoztak létre. Ennek a munkacsoportnak az elnöke többek között Prof. Dr. Henning Kagermann volt a Német Műsza-
28
ki Tudományok Akadémiájáról (Acatech). 2012 áprilisában az Acatech kutatási napirendet adott ki a CPS-ről, amelyhez Prof. Dr. Birgit Vogel-Heuserrel (Müncheni Műszaki Egyetem) együttműködve, más vállalatok mellett, a Beckhoff is hozzájárult. A kutatást az „intelligens gyár” forgatókönyvre vonatkozó gyártástechnológiai és automatizálási szempontok szerint folytatták. Ráadásul a Beckhoff egyike a technológiai „it’s OWL”-hálózat (intelligens műszaki rendszerek Ostwestfalen-Lippe (KeletVesztfália-Lippe) azon alapvető vállalatainak, amelyeket a BMBF 2012-ben „élenjáró klaszterként” különböztetett meg, és az Ipar 4.0 első, nagy léptékű, támogatott projektjét képviseli. A Beckhoff – konzorciumvezetőként – két fontos innovációs projektet irányít a mechanikus rendszerektől vagy mechatronikától az intelligens műszaki rendszerekhez vezető úton, az Ipar 4.0 értelmében: • a „ScAut” (Scientific Automation – tudományos automatizálás) a mérnöki tudományok felfedezéseinek az általános automatizálásba való integrálásával foglalkozik, míg • az „efa” (Extreme Fast Automation – rendkívül gyors automatizálás) a többmagos processzorok szokásos feldolgozógépekben való felhasználásából eredő teljesítménynövelési lehetőségek hasznosítását teszi közkinccsé. PC + Ethernet = globálisan elfogadott platform Alig van ma olyan műszaki rendszer, amelyet nem lehet PC-vel működtetni, vagy legalább szoftverrel PC-hez csatlakoztatni. Ha tekintetbe vesszük az iparvállalatoknál használt rendkívül sokféle rendszerkörnyezetet és technológiát, a PC-technológiának mint nyílt platformnak és tényleges ipari automatizálási szabványnak a szerepe nyilvánvaló. A jövő Ipar 4.0-ás koncepciói nagy hasznát látják a PC világa által támogatott kommunikációs rendszerek és architektúrák széles választékának. A nyitottság teszi lehetővé az innovatív koncepciók könnyű megvalósítását. Ugyanez vonatkozik az Ethernetre mint ipari kommunikációs szabványra is. Rendkívül nagy – és egyelőre még ki nem használt – adatátviteli sebességének köszönhetően az Ethernetet ma már széles körben használják mindenütt a gyártóiparban. Ehhez minden bizonnyal hozzájárultak a korszerű Ethernet-alapú ipari protokollok, az EtherCAT és a Safety over EtherCAT, amelyek eleget tesznek a rövid ciklusidőkre, determinisztikus viselkedésre és hatékony, biztonságos adatátvitelre vonatkozó legkeményebb, iparág-specifikus igényeknek is. Az egyre összetettebb tartalmú és a felhasználhatóság iránti fokozódó igényeket kielégítő adatátvitel ugyanabba az irányba vezet: a modern kommunikáció Ethernet-alapú, és képes kielégíteni a vertikális integráció összes követelményeit. A Beckhoff PC-alapú vezérlése optimális ehhez a fejlesztéshez, mert a vállalat Automation Device Specification (ADS), EtherCAT Automation Protocol (EAP) és OPC Unified Architecture (OPC UA) protokolljai már most kiváló lehetőséget kínálnak az olyan kommunikáció költséghatékony megvalósítására, amely „az érzékelőktől a felhőig” minden irányban kiterjed: • Az ADS egy üzeneteken alapuló, útválasztásra képes szállítási réteg a TwinCAT-szoftverrendszerben. A TwinCAT-en belül aciklikus kommunikációt tesz lehetővé bármely pontról más eszközökkel. Egy hálózatba kötött rendszerben minden adat bármely pontról elérhető. • A valósidejű EAP-protokoll az elsődleges EtherCAT-ok között μs-tartományú késleltetésekkel tud adatokat továbbítani a publisher-subscriber (kiadói-előfizetői) mechanizmussal. • Az OPC UA egy gyártófüggetlen, Ethernet- és webszolgáltatásalapú kommunikációs szabvány, amelyet zökkenőmentesen lehet MES és ERP rendszerekbe integrálni. MAGYAR
2013/10
MAGYAR
2013/10
29
automatizálás
Az elképzelés története Gerd Hoppe (vállalatvezetés) szemlélteti, hogy az Ipar 4.0 ötletének hosszú története van a Beckhoffnál.
Mióta vannak az Ipar 4.0-t körülvevő ötletek a középpontban a Beckhoffnál? Gerd Hoppe: Az Ipar 4.0 mögött álló általános stratégia a szokásos IT egyesítése más műszaki szakterületekkel, például a gyártóiparral. A Beckhoff a szabványos PC-technológiának gépek vezérlésére történő felhasználásával több mint 25 éve foglalkozik. A teljességre törekvő megközelítésre jó példa a korai időkből az EU 2004-ben kezdődött négyéves kutatási projektje, az Eupass, amelyben a Beckhoff volt a felelős a vezérléstechnológiai munkacsoportért. A cél rugalmasan adaptálható gyártó környezet megvalósítása volt magas műszaki engineering költségek nélkül – ezt a megközelítést „zero engineering”-nek hívjuk. Ezt szabványosított gépi modulokkal értük el, amelyek mindegyikének volt hozzárendelt szerszámkészlete és megfelelő szoftveres támogatása. Ezzel az alkotórészcsaláddal – szoftveres támogatással – lehetővé vált egy gyártóüzem vezérlési megoldásának automatikus összeállítása a gépegységek, készletek, anyagok és szerszámok intelligens kombinálásával. Ugyanakkor – az Ipar 4.0 koncepcióval teljes összhangban– egy internetes adatbázis nyújtott támogatást a modulok, szerszámok és képességeik leírásával, valamint a szoftver funkcióblokkjainak a gépek adott képességeihez tartozó eljáráskönyvtáraival, azaz a gyártási jellemzőkkel és összefüggésekkel. Hozzájárult ez a korai Beckhoff know-how az Ipar 4.0 szempontjaihoz? GH: Az Ipar 4.0 stratégia abból a kívánságból származik, hogy szorosabban integráljuk az IT világának technológiáit a fizikai rendszerekbe. A Forschungsunion Wirtschaft-Wissenschaft (Üzleti és Tudományos Kutatási Egyesület) által 2011-ben kezdeményezett Ipar 4.0 munkacsoporttal szorosabbá vált az együttműködés a gyártóipar és az automatizálási technológia között. A Beckhoff már ekkor képes volt ebben közreműködni: a müncheni Műszaki Egyetem Fortiss Intézetével együttműködve egy idevágó tanulmány elkészítéséhez járult hozzá,
Visual Studio®-ba integrálása ideális alapot teremt egy univerzális műszaki környezethez a termék teljes életciklusán át, hozzáférést engedve az automatizálási szakembernek az IT-világ modern, szoftveres műszaki eszközeihez. A további nyelvek, mint a C/C++ és a Matlab®/Simulink® hatékonyan használhatók és teljes mértékben integrálhatók a klasszikus IEC 61131-3 programozási nyelvekbe, amelyeket immár az objektumorientáltság is kiegészít. Ezáltal minden automatizálási feladathoz az adott alkalmazásnak legjobban megfelelő programozási nyelvet lehet használni. Az első evolúciós lépéseket már sikeresen megtettük A gyártórendszerek – különösen a Németországban megvalósítottak – gyakorlatilag már össze vannak kötve egymással, bár még van mit fejlődniük a jobb hálózatba kötés és a horizontális, valamint vertikális összekapcsolás irányába. Ha úgy vesszük, a modern gyártóberendezések, amelyek a just-in-time szállítókhoz vagy forgalmazókhoz csatlakoznak, és képesek egy darabból álló tételeket gyártani, sok esetben az Ipar 4.0 első létező példái. A PC-alapú vezérlés minden lehetőségének bemutatására példa a konyhákat gyártó Nobilia. Ez a társaság hihetetlen mennyiségben állít elő konyhákat – napi kb. 2200 darabot. Csak a következetes, minden szinten integrált számítógépekkel vezérelt gyártással volt képes a vállalat az iparág első számú szereplőjévé válni Európában, ráadásul a magas átlagbérekkel jellemezhető Németországban. Ez a termelésnek egy Oracle-adatbázissal való összekötésével már 1990ben megkezdődött. Az Ipar 4.0 értelmében a Nobilia sikerét a gyártás és az IT-rendszerek lehető legszorosabb összekapcsolása tette lehetővé. Ez az összekapcsolás a PC-s vezérlőnek a teljes gyártási folyamatba integrálásából, valamint a termelésnek a házon belüli rendszerhez és a magasabb szintű ERP-rendszerhez való kötéséből áll az összetett termelési adatgyűjtés érdekében. A tudományos automatizálás összefüggésében az élenjáró „it’s OWL” klaszter „ScAut” nevű főprojektje révén a PC-technológia állandóan növekvő erőtartalékai most már felhasználhatók a tudományos felismerések további bevezetéséhez az általános gépvezérlőkbe. Ennek egy különleges példája a folyamatoptimalizált fúrás, ahol rögzítik az orsó áramát és teljesítményét, az előtolás áramát és teljesítményét, az orsó és a munkadarab rezgését, valamint a furat hőmérsékletét, a forgácsképződést és a furatmintát, és ezeket vezérlési paraméterként használják a gyártási folyamat optimalizálásához.
amit az Acatech publikált és beépített saját helyzetjelentésébe az Ipar 4.0-ról.
Univerzális műszaki tervezés az integrált gyártásért A PC-vel, mint világszerte elfogadott platformmal és az említett ADS-, EAP- és OPC UA-protokollok támogatásával már léteznek az Ipar 4.0 által megkövetelt univerzális – vertikális és horizontális – integráció előfeltételei. Ez a konfiguráció alapvetően fontos lesz legkésőbb akkor, amikor a jövő kiber-fizikai rendszerei ténylegesen képesek lesznek gyártási folyamatok automatikus, önálló, az interneten keresztül történő szervezésére, minimális műszaki ráfordítással. Az Ipar 4.0-hoz szükséges modularitásnak és objektumorientáltságnak a hozzá tartozó szoftvereszközökben is tükröződnie kell. A TwinCAT 3 automatizálási szoftver éppolyan könnyen teszi lehetővé alkalmazások végrehajtását egymagos CPU-val, mint ahogy egyedi feladatokat képes többmagos processzorok különböző magjaihoz hozzárendelni a moduláris gyártóberendezések vezérlésének optimalizálása érdekében. Mi több, a TwinCAT 3-nak a Microsoft
30
BECKHOFF Automation Kft. 1097 Budapest, Gubacsi út 6. Tel.: + 36 1 501 9940 E-mail:
[email protected] www.beckhoff.hu
MAGYAR
2013/10
