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 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 26 M A G Y A R
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 M A G Y A R 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
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, a mire 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 Műszaki 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 (Kelet- Vesztfália-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. 28 M A G Y A R
M A G Y A R 29
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 szorosab ban 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, 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 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 1990- ben 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. BECKHOFF Automation Kft. 1097 Budapest, Gubacsi út 6. Tel.: + 36 1 501 9940 E-mail: info@beckhoff.hu www.beckhoff.hu 30 M A G Y A R