International GTE Conference MANUFACTURING 2012 14-16 November, 2012 Budapest, Hungary KULCSSZAVAK ÉS MODELLEK HATVANY JÓZSEF TUDOMÁNYOS ÖRÖKSÉGÉBŐL Keywords and models from the scientific heritage of Joseph Hatvany Erdélyi Ferenc ny. tudományos főmunkatárs, c. egyetemi tanár Abstract Hatvany József (1926-1987) magyar kutató és tudós, a magyar műszaki tudományos élet különleges, kiemelkedő alakja volt. A XX. század második felét egy jelentős tudományos és technológiai paradigmaváltás, az információs technológia (information technology IT) térhódítása uralta. Hatvany József ennek jelentőségét korán felismerve, az informatika termelési-technológiai alkalmazásaiban alkotott maradandót. Lényeglátása számos új és fontos kutatást indított el Magyarországon. Ezek között szerepeltek: a rugalmas gyártórendszerek, az új ember-gép kapcsolat és a számítógépes alkalmazások integrációjának problémái. Tudományos munkájával iskolát alapított a számítógéppel segített tervezés és gyártás, (CAD, CAM, CNC) területén, amelyet a nemzetközi tudományos közösség is elismert és nagyra értékelt. Az előadás arról szól, hová jutottak napjainkra a Hatvany József által kutatott problémák, és milyen szerepet játszanak ma, a műszaki tudományok és a feldolgozó ipar fejlődésében. HATVANY JÓZSEF ÉS A GYÁRTÁSTUDOMÁNY Hatvany József (1926-1987), magyar kutató és tudós, a magyar műszaki tudományos élet különleges, kiemelkedő tudományos iskolateremtő alakja volt. Egyénisége, képességei, műveltsége, nyelvtudása, széleskörű kutatási gyakorlata és gazdag nemzetközi tudományos, társadalmi és hazai ipari kapcsolatai révén a XX. század második felének nagy tudományos paradigmaváltása, az információs technológia (IT) széleskörű alkalmazása egyik magyarországi kulcs szereplője lett. A sors nem ajándékozta meg hosszú élettel, de kutatói tevékenysége során számos publikációban, tanulmányban, munkaanyagban fogalmazta meg szerteágazó újító, lényeglátó elképzeléseit. Egyedülállóan kiváló képessége volt az új technológia fontos, lényegi problémáinak felismerésére, a kutatók figyelmének felhívására. Kiválóan érvelt, vitatkozott azokkal, akikkel együtt dolgozott, vagy akikkel találkozott szakmai formális és informális alkalmakon. 1986-ban így fogalmazta meg a G/6 nevű országos fejlesztési projekt célkitűzését: A G/6 program célja a gyártásautomatizálás gépi és szellemi eszköztára elterjesztése, hatékonyságának növelése és minőségileg magasabb színvonalra emelése. A cél az integrált anyag és adatfeldolgozás (IAAR), amelyben számítógépek integrálják a gyártás mindazon funkcióit, amelyeket eddig külön-külön alrendszerként kezeltek [1]. A szakirodalomban szokásos a publikációk témáját kulcsszavakkal (key word) specifikálni. Ebben a rövid előadásban olyan kulcsszavakról esik szó, amelyeknek Hatvany József nagy jelentőséget tulajdonított. Ezek a kulcsszavak jól jellemzik lényeglátását, felismeréseinek innovatív voltát. Ilyenek voltak például: a rugalmas gyártórendszerek (Flexible Manufacturing System, FMS), a termelésinformatika (IT for Manufacturing), az ember-gép kapcsolatok (Human Machine Interface, HMI) a termelési rendszerek és folyamatok funkcionális modellezése, az alkalmazások integrációja és kompatibilitása, (Enterprise Modeling, Integration and Compatibility), végül az intelligens gyártás (Intelligent Manufacturing, IMS). 1
TÖRTÉNELMI HÁTTÉR A TERMELÉSINFORMATIKA SZÜLETÉSÉHEZ Napjainkban az államok, államszövetségek hatalmi és gazdagsági növekedésének, civilizációs, jóléti és kulturális fejlődésének a legfontosabb forrása egyre inkább a nemzetgazdaságok termelőszolgáltató tevékenysége lett, a tágan értelmezet korszerű technológiák segítségével. A tágan értelmezett technológia fogalom magában foglalja magukat a termékeket, a termelési, gyártási és szolgáltatási folyamatokat, a műszaki-gazdasági tervezési és irányítási tevékenységet, s az ehhez szükséges rendszereket, és szervezeteket. A történelmileg oly hosszú ideig elsődleges katonai erő helyett a nagybetűs Technológia birtoklása válik egyre fontosabbá. A nemzeti össztermék legfontosabb forrása a Technológia működtetése, az aktív népesség képzettsége, foglalkoztatottsága, tudásszintje és innovációs aktivitása. Rövid- vagy középtávon segítséget adhat egyes természeti kincsek bősége (lásd gáz- és olajmezőkben gazdag országok), egy a globális világban betöltött különleges szerep, külföldi tőke beáramlás, fejlesztési hitelek okos felhasználása, regionális támogatások, licencek vásárlása stb., de hosszabb távon csak a népesség technológiai aktivitása, és ezzel a reál-gazdaság teljesítménye a meghatározó. A történetileg fejlettnek nevezett országok jólétének fő forrása ma is az a Technológia, amely a XIX. és a XX. század nagy termelési paradigma váltásai (ipari forradalmai) során jött létre. Ez a folyamat Watt gőzgépével indult, de látványosan az 1920-as években, a Ford T-modell futószalagos gyártásával gyorsult fel, és számtalan sikere után legutóbbi nagy teljesítménye a mobil- telefónia robbanásszerű elterjedése lett. Az első kulcs-szó, ami Hatvany Józsefre emlékezve eszünkbe jut: a technológiai innováció (technology innovation) lehet. Ő a nemzetközi szintű technológiai újdonságok megszállottja volt és rengeteg ötlete volt ezek fejlesztésére, magyarországi kutatására, adaptálására. A 70-es, 80-as évek során azonban a technológiai innováció kihívásainak megfelelni kemény diónak bizonyult. Kiderült, hogy az innovációs folyamatoknak vannak evolúciós és revolúciós szakaszai. Az evolúciós szakaszban egy-egy új technológia megjelenésének hosszadalmas előkészítése, illetve egy már létező technológia hatékonnyá tétele, alkalmazása a cél. Az áttörés jellegű revolúciós szakaszok azonban, ritkák és kiszámíthatatlanok. A kiindulási pont lehet egy tudományos alapkutatási eredmény, egy intuíció alapú műszaki szabadalom, egy know-how, egy jelentős új tervezői gondolat, egy új anyag, új eljárás, új funkció, új forma, vagy mindez együtt. Az innováció mindenképpen tudás alapú. A tudás aztán információ alakjában belefagy a termékbe, az eljárásba és a termelési vagy szolgáltatási folyamatban hozzáadott értékké válik[4].ez a folyamat nagyon bonyolult. A folyamatot a gazdasági, társadalmi, humán környezet erősen befolyásolja. Az innovatív gondolatnak megszületése és prototípusának megvalósítása után szigorú szabályok, és korlátozások keretei között kell eladható termékké vagy szolgáltatássá válnia a piacon. És a szabályok egyre szaporodnak, egyre bonyolultabbak. Idő, költség, várható igény, fizetőképes kereslet, elosztási rendszer, konkurencia, támogatások, teljes életciklus, környezetvédelem, újra hasznosítás, emberi szimpátia és elutasítás stb. mind ide tartoznak. A technológia menedzsmentnek sok tényezőt kell figyelembe venni és ezek jó része sokszor csak becsléseken alapul. Mivel a jövő tervezése mindig kockázatos, nem meglepő hogy nem minden innováció sikeres. Hatvany József többször hangsúlyozta: ha innovációs sikert akarsz elérni, sok kutatást párhuzamosan kell indítani. Ez azonban sok emberi és anyagi erőforrást igényel, amit csak alapos irodalomkutatással, kapcsolatépítéssel, kooperációval lehet mérsékelni. Szerencsére a tudomány természeténél fogva olyan, hogy ezt mindenben támogatja. Hatvany József a kutatás-szervezésben ennek is mestere volt. A RUGALMAS GYÁRTÓRENDSZER Hatvany József egyik kedvenc innovációs kulcsszava a rugalmas gyártórendszer, az FMS (Flexible Manufacturing System) volt. A szerszámgépek számjegyvezérlése (Numerical Control) Bostonban, az MIT-n született az 1950-es években. Szinte hihetetlen, és az amerikai ipar elképesztő akkori innovációs potenciáljának bizonyítéka, hogy már az 50-esévek elejének mai szemmel nézve primitív információs technológiájával kísérletet tettek a kutatók a forgácsoló szerszámgépek gépi funkcióinak komplex és rugalmas automatizálására. 1952. szeptember 15-én kereken 60 éve be is 2
mutatták a világ első NC marógépét. Még jó 20 évre és legalább 4 generációváltásra volt szükség ez után, hogy az NC gépek nagy számban megjelenjenek az ipari gyakorlatban. A Rugalmas Gyártórendszer az FMS gondolata Angliában D.T.N.Williamson, a briliáns konstruktőr agyában született meg a 60-as évek végén. A Molins System 24 megépítését az IBM és az angol Technológia Minisztérium is támogatta. A System 24 tele volt új, innovatív gondolatokkal, amelyek az embernélküli gyár (unmanned factory) vízióját a közeli jövőben helyezték el. A valóságban a System 24-et soha nem helyezték üzembe. A 80-as, sőt a 90-es években az amerikai, és japán kutatóhelyek még rengeteg további kutatást fordítottak az FMS-ek fejlesztésre. Igazán hatékony, megbízható, sikeres FMS-ket (néhány 100-at, amelyek az eredeti gondolatot hűen képviselték) csak az 1990-es években helyzetek üzembe, a leg tőkeerősebb angolszász, japán és német autógyárakban, katonai és repülőgép ipari üzemekben. A magyar fejlesztésű Csepeli IGYR- 630-nak, amelynek Hatvany József a DNC-73 vezérlő révén elkötelezett és sikeres fejlesztője volt, is ez volt a sorsa. A csepeli IGYR egyébként a maga idejében forradalmian új megoldásokat tartalmazott, - például először távolította el a lyukszalagot a szerszámgép környezetéből, integrálta az anyagfolyamot, a szerszámcserével és a megmunkálások folyamatával, vetette fel a folyamatfelügyelet szükségességét. Az igazi nagy siker azonban valamivel később, áttételesen és másol jelentkezett Az FMS-ek fejlesztése során felmerült sok innovatív gondolat ugyanis az egész gyártórendszer (egy idő után a gyártási rendszer ) problémakört, az egész feldolgozóipari technológiát megtermékenyítette. Korábban kiderült már, hogy a legnagyobb üzleti sikerek, a sorozatnagyságok növekedésének, a tömeggyártásnak, azaz a termékek tömeges replikációjának köszönhetők. Különösen így van ez a személyes fogyasztáshoz kapcsolódó iparcikkeknél, a ruházati konfekciótól a háztartási tömegcikkeken át az autóig, a lap-top-ig, és a mobiltelefonig. A programozható, automatizált gyártórendszerek kifejlesztése lehetővé tette ennek a sikerforrásnak a kiterjesztését a rugalmas és a piaci igényekhez gyorsabban alkalmazkodni kénytelen termékek területére is[2]. Mindez néhány év után az áruválaszték gyors növekedéséhez, az önköltség látványos csökkenéséhez, árubőséghez, kínálati piacok kialakulásához vezetett. A fogyasztás gyorsulva növekszik. A gyorsan növekvő árukészletek terítése ugrásszerűen növeli a beszállítói, az elosztási és értékesítési technológia, a szélesen értelmezett Logisztika hatékonyságát is. A szerszámgépipari fejlesztések nyomán a termelési folyamatokban széles körben megjelent a programozható automatizálás (programmable automation), a technológiai műveletek, a logisztika és az informatika integrációja. Az NC mellett, elterjedtek a PLC (programmable logical controller), a DCS (distributed control system) vezérlők, a szenzorok és az üzemi terminálok, az üzemi hálózati kommunikáció. Terjed az ipari robot-technika, az automatizált cellák és átállítható gyártósorok alkalmazása. Kialakul az igény szerinti tömeggyártás (customized mass production). A termelési (műveleti) rendszerek, (gép-láncok) már a mezőgazdaságot, az építőipart, sőt a szolgáltatások ágazatait is elérték. Hatvany Józsefnek igaza lett. A beágyazott mikroprocesszorokat és hálózati technikát tartalmazó gyártórendszerek (CAM, Computer Aided Manufacturing) a termelési rendszerek és folyamatok új minőségének eszközeivé váltak Az FMS kutatásokkal indult széleskörű és általános gyártórendszer innováció a feldolgozó ipar termelékenységét 30 év alatt sokszorosára növelte. Az iparilag fejlett országok magas GDP-je (vagy akár Kína rendkívüli ütemű fejlődése) ma nem kis mértékben ezen alapszik. A gyártórendszerek Amerika és Európa után meghódították az ázsiai ipart is. A modern gyártási rendszerek a kvalifikált munkaerő-keresletet erősen megnövelték. Ez kevesebb monoton fizikai munkát, több programozást, automatika-kezelést, valamint hatékonyabb termelés menedzsmentet és számítógépes döntéstámogatást igényel.. Sajnos, a termelékenység és a termelő kapacitások ilyen gyors növekedése a feldolgozóiparban a társadalom más szféráit, úgy tűnik, készületlenül érte. A folyamat a termelésben foglalkoztatottak számát jelentősen csökkentette, majd túltermelés, egyensúlyi és környezeti problémák, pénzügyi válság jelentkezett, ami napjainkban új kihívások forrása [4]. 3
AZ EMBER GÉP KOMMUNIKÁCIÓ A programozható automatizálás [5] olyan gyártási rendszereket hozott létre, amelyek ember-gép (szocio-technikai) rendszerek. Hatvany József jó érzékkel látta meg, hogy az ember és a gépek harmonikus együttműködése nélkülözhetetlen. A folyamatok tervezési, programozási és beavatkozási döntéseit még hosszú ideig az emberi intelligencia fogja uralni. Az együttműködés fő módszere és eszköze az információ csere. A hagyományos gyárban az ember- gép kapcsolat kézügyességet igényelt. Az új technológiában ez a kapcsolat számítógépes terminálokon át zajlik. Egy modern gyártócella szakmunkás gép-kezelőjének manapság a megmunkáló központ CNC-je, a palettázó rendszer PLC-je, a szerszámbeállító számítógépe és a műhelyszintű üzemi termelésirányító MES rendszer terminál felületét is használnia kell. Megjelentek már termelésben az érintő képernyős ipari mobil kommunikációs eszközök is. A gyors, megbízható és kényelemes információcsere az új technika fontos része. Hatvany József ennek jelentőségét korán felismerte és a SZTAKI híres Dialóg CNC vezérlése ezzel a fa struktúrájú menü-technika - más területeken is sikeres - módszerének egyik úttörője lett. A HMI felhasználói felület hatékonysága ma is kulcs problémája a számítógépes alkalmazások széles körének. Hatvany korán felismerte a grafikus információ jelentőségét is. Megállapítása, hogy a mérnöki tervezés intuícióinak, döntéseinek gyors betáplálása a számítógépes rendszerbe leghatékonyabban grafikával lehetséges, ma is alapelve a CAD/CAM rendszereknek. TERMELÉSINFORMATIKA A termelési rendszerek és folyamatok funkcionális modellezése, az alkalmazások integrációja és kompatibilitása a CIM (Computer Integrated Manufacturing) rendszerek alapvető kutatási területe lett a 80-as években. A diszkrét gyártási rendszerek területén nagy vonásokban ugyanazt a jellegzetes mátrix alakú hierarchikus funkcionális struktúrát alkalmazzák Taylor 1920-as évekbeli munkássága óta. A legmodernebb heterarchikus, és holonikus struktúrák még nem léptek ki a teoretikus modellek köréből. A hierarchikus struktúrát az jellemezi, hogy: (1) a vállalatirányítási üzleti folyamatok, (2) a műszaki tervezési folyamatok, (3) az operatív termelésirányítási folyamatok, (4) a technológiai (fizikai) végrehajtási folyamatok több szintű vertikális struktúrát alkotnak. A struktúra hierarchikus szintjein természetesen a funkcionális munkamegosztás érdekében specifikus számítógépes alkalmazások (komponensek) különülnek el horizontálisan. Vállalati szinten az ERP komponensek, a műszaki tervezés szintjén a CAD, a CAE, a CAPP, az MRP, a PLM, a termelésmenedzsment szintjén a MES komponensek, a termelésben és logisztikában a PLC az NC, a ROC, az SFT és sok más alkalmazás működik együtt. Az együttműködés kompatibilis információcserét igényel. A 80-as években a hálózati kommunikáció hőskorában ez nem kis erőfeszítést igényelt. A MAP kezdeményezés után az MMS szabvány már az üzenetek tartalmi (szemantikai) koherenciájának biztosítására törekedett. Hatvany József nagy jelentőséget tulajdonított a gyártási rendszerekkel kapcsolatos fogalmak szemantikai tisztaságának. Azt írta: Újabban a rendszertervezés egyre több sikeres példájával találkozhatunk. Ezek közös tulajdonsága, hogy a felhasználandó fogalmak alapos tisztázása és egyértelmű meghatározása előzi meg, amelyet egy általános fogalmi modell megalkotása majd szabványként való elfogadása követ[1]. Napjainkban az ISA- 95 szabvány pontosan ezt az utat járja [6]. A termelési üzenetek információs tartalmára (content) fókuszálnak a szemantikai és a pragmatikai koherencia szinteken. Előbbi az információs objektumok jelentésének elméletéhez és a relációs adatbázisok siker-történetéhez, utóbbi pedig az alkalmazási modellek elméletének és az objektum-orientált programozás eredményeinek és az esemény-orientált számítógépes folyamat szimulációnak (EDS) szilárd alapja. AZ INTELLIGENS GYÁRTÁS 4
Az információs és kommunikációs technológia gyors fejlődése napjainkban napirendre tűzte az intelligens gyártás gyakorlati megvalósítását. Maga az intelligens gyártás (Intelligent Manufacturing) fogalom is Hatvany Józseftől származik az IAAR fogalom továbbgondolásával. Hatvany József aktív kutatói munkássága idején ez sok tekintetben még inkább csak vízió volt, ami a jövő világához tartozott. A számítógépek processzorainak és memória kapacitásának mai teljesítménye - kiegészülve a vezeték nélküli hálózati technikával és a szoftver technológia eredményeivel- ma mindezt a realitások talajára helyezte. Hatvany József jól látta, hogy gyorsan változó körülmények között, hiányos és bizonytalan információk birtokában a termelés tervezés és szervezés döntési kockázatai erősen megnövekednek [3]. Hatvany világosan látta, hogy ezeken a problémákon csak mesterséges intelligencia módszerekkel lehet úrrá lenni. Egy bonyolult, sok ezer alkatrészből álló termék megtervezése és sorozat gyártása nagy kihívás a tervezők valamint a stratégiai és a végrehajtó menedzsment számára. Napjainkban a gyárak programozható automatákat, drága termelési infrastruktúrákat telepítenek, hogy sikeresek legyenek a globális piacokon. A gyártórendszerek és a magasan kvalifikált munkaerő magas kihasználtsága (utilization rate) elsőrendű követelménnyé vált. A piac gyakran extrém követelményeket támaszt. Rövid határidő, magas minőség, megbízhatóság új termék-funkciók, új anyagok megjelenése gyors analízist és döntéseket kíván. Mindezek számítógépes támogatása olyan kutatási feladatokat tűz napirendre, amelyek már Hatvany Józsefet is foglalkoztatták. Az intelligens gyártás részeként az automatizált, flexibilis gyártás mellett megjelent a termelési rendszerek rekonfigurálhatóságának igénye és a holonikus gyártásirányítási szemlélet, amelynek első alkalmazói, a japán autógyárak oly sikeresek lettek a Kanban, a Just in time és a beszállítási menedzsment széles körű alkalmazásával. Szinte hihetetlen, de a kooperatív termelési szervezetek napjainkra oly sikeressé váló rendszereinek egyik első megfogalmazója is Hatvany volt [2]. Napjainkban a szenzorokra és a digitális termék azonosítókra (RFID), a CAD és PLM alapú tervezésre, az ERP és MES alkalmazásokra alapozott adat-centrum, valamint a Felhő technikával hálózaton elérhető alkalmazások nyújthatnak támogatást olyan intelligens rendszerek használatára, amelyek a fejlesztések, a tervezések és a mindennapi üzleti és termelésirányítási döntések támogatásának új minőségét jelenthetik. A gazdasági és pénzügyi-válság figyelmeztető jelzés mindannyiunk számára. Még a jó modelleket is felül kell vizsgálni időnként, és nagyon nehéz jó döntéseket honi olyan folyamatok irányítására, amelyekre vonatkozóan jelentős tudás deficitünk van strukturális vagy akár csak adat szinten is [3]. KÖVETKEZTETÉSEK A XX. században az ipari termelési folyamatok technológiája rendkívül gyorsan fejlődött. Az egyik legnagyobb jelentőségű változást a programozható automatizálás, a gyártórendszerek elterjedése, az anyag-és adatfeldolgozás integrációja hozta. Mindez lehetetlen lett volna az információs technológia széles körű alkalmazása nélkül. Kialakult és fejlődik egy fontos interdiszciplináris tudományterület, amely a "termelési informatika" nevet kapta. Ennek a tudományterületnek volt kiemelkedő kutatója Hatvany József. A múlt században a magyar gépipari automatizálás motorja a magyar szerszámgépipar volt. Ez a szerszámgépipar már a 30-as években jelentős volt, de fénykorát az 1970-es években érte el. A szerszámgépipar igényeire alapozva létrejött a magyar ipari elektronika és benne a számjegyes vezérlők gyártása is. Az erőteljes ipari fejlesztést számos kutató, fejlesztő intézet, (SZTAKI, GTI, stb.) és a műszaki egyetemek (BME, ME, stb) tanszékei is támogatták. A 80-as években Hatvany József jelentős szerepvállalásával a G-6 program keretében kísérlet történt az automatizálás, a rugalmas gyártórendszerek fokozott fejlesztésére és a robottechnika hazai meghonosítására is. A 80-as évek végére ez a fejlődés azonban kifulladt. A gépipari automatizálás nagy nemzetközi fellendülését a magyar fejlesztő kapacitások még a sikeresnek mondható licencvásárlásokkal sem tudták követni. A 90-es években a magyar szerszámgépipar és a vezérlésgyártás a töredékére zsugorodott [7]. 1990 után új szakasz kezdődött. A nagy nemzetközi cégek magyarországi beruházásaival a gépipari automatizálás csúcstechnológiája megjelent Magyarországon is. A nagy autógyárak és más 5
termékek cégeinek magyarországi gyáraiban NC gépek, robotok, gyártó cellák, automatizált gyártórendszerek százait helyezték üzembe, a mechatronika és a számítógépes gyártásirányítás legkorszerűbb eszközeivel. Ezeknek a gyártórendszereknek az üzemeltetését többségében azok a magyar mérnökök, technikusok és szakmunkások biztosították, akik a 70-es és 80-as években a hazai rendszereken tanulták meg ezt a technikát. E nélkül a képzett munkaerő nélkül ezekre a beruházásokra aligha kerülhetett volna sor. A termelésinformatika kultúrája Magyarországon ma is erős, és ez többek között Hatvany József kiemelkedő tudásának, előrelátásának és erőfeszítéseinek is köszönhető. HIVATKOZOTT IRODALOM [1] Hatvany József, Horváth Mátyás: Háttér és bevezetés. A GKFT tanfolyama az IAAR moduljainak kompatibilitásáról. MTA SZTAKI. Flexys, 1986. p. 1-15. [2] Hatvany, J.: Intelligence and Cooperation in Heterarchic Manufacturing Systems, Robotics and Computer- Integrated Manufacturing, 1985, 2/2, p. 101-104. [3] Hatvany, J., Lettner, F.,: The Efficient Use of Deficient Knowledge, Annals of the CIRP 1983, 32/1, p. 423-426. [4] Erdélyi Ferenc: A globális válság néhány technológiai vonatkozása. Gépgyártás, XLIX. évfolyam, 2009. 3. szám. p. 13-21. [5] OTA: Computerized Manufacturing Automation: Employment, Education and Work Place, Washington, DC US Congress, Office of Technology Assessment CIT-235, 1984. [6] Scholten, Bianca: The Road to Integration. The ISA-95 Standard in Manufacturing. ISA, 2007. [7] A technológia helyzete és jövője. Szerkesztő: Prohászka János akadémikus. Magyar Tudományos Akadémia. 2001. 6