Flexibilní modulární robotická buňka: Retrofitting bateriových modulů
Přinášíme vám zmenšený model autonomní modulární továrny, která umí reagovat na měnící se výrobní podmínky. Díky kompaktní robotické buňce vám na pár čtverečních metrech ukážeme hlavní principy moderní, flexibilní a udržitelné výroby 21. století.
Propojujeme nejmodernější technologie a postupy: inteligentní kolaborativní robotiku, datovou komunikaci přes 5G síť, edge computing, algoritmy umělé inteligence, počítačové vidění, autonomní řízení.
To vše na příkladu dvou kolaborativních robotů KUKA, které bez zásahu člověka vyměňují komponenty a provádějí tzv. retrofitting vysloužilých bateriových modulů na zmenšené modelové baterii z elektromobilu.
U skutečných baterií mohou tyto moduly dál sloužit třeba jako velkokapacitní stacionární baterie pro domácnosti nebo firmy.
Inteligentní robotické pracoviště se skládá ze dvou kolaborativních robotů v modulárním uspořádání s rozhraním pro napojení dalších systémů, 5G komunikací, měřením energie a kamerovými systémy pro automatizované robotické operace. Pro řízení výroby je využit Manufacturing Execution System (MES) od T-Mobile, který umožňuje interaktivní ovládání a konfiguraci výroby s okamžitou aplikací změn. Jeden robot představuje stacionární pracoviště a druhý reprezentuje mobilní výrobní buňku, která flexibilně rozšiřuje kapacitu a možnosti výroby na stacionárním pracovišti. Tyto roboty autonomně rozkládají několik typů elektrobaterií. Z fungujících modulů sestavují novou elektrobaterii (“second-life battery” nebo “retro-fitting”), která najde využití jinde. Díky strojovému učení a počítačovému vidění se výrobní postup přizpůsobuje typu a stavu rozkládané baterie, ale i případným výpadkům ve výrobě nebo změně výrobního plánu.
V rámci výstavního exponátu dodržujeme modularitu návrhu: nezávislé robotické buňky – moduly – jsou propojovány s nadřazeným systémem řízení výroby (MES – Manufacturing Execution System), který generuje výrobní plán. PLC řídící robota je připojené přes 5G SA kampusovou síť, pomocí které se přenáší řídicí i bezpečnostní signály. Robotické pracoviště je vybaveno kamerou, která slouží pro detekci baterie, a každý robot je dále vybaven vlastní kamerou, která slouží pro přesnější navádění. Robotické pracoviště je řízeno systémem GLATE, což je MES (Manufacturing Execution Systems) od T-Business. Ten lze nasadit jako monolitickou aplikaci nebo integrovat do Kubernetes platformy. Ta umožňuje škálování prostředků při změně výkonnostních nároků. Na základě růstu výroby klienta lze tak změnit požadavky na škálování výklonu a není nutné provádět opětovné instalace a komplikované rozdělování procesů řízení na samostatné celky.
Datový agentní konektor zajišťuje integraci s již existujícím řídicím PLC systémem a sjednocuje datovou komunikaci s výrobní linkou (robotem). Se změnou ve výrobě jako je výměna stroje, PLC nebo změna řídícího systému není nutné zasahovat do MES a provádět náročné změny kódu. Stačí nadefinovat parametry v operacích, metodách na OPC-UA serveru nebo upravit konfiguraci agentního konektoru. Jednotná architektura datové komunikace se stroji snižuje nároky na vývojové prostředky při změnách a opravách. Agentní konektor může být přiřazen k jednotlivému robotu, stroji nebo celé lince. Způsob přiřazení umožňuje definovat granuralitu v řídicích procesech výroby.
Jak MES, tak i agentní konektor jsou postaveny na robustní a stabilní technologii JAVA Spring. Při integraci MES jsou nadefinovány funkční bloky a vytvořen výrobní proces. Zákazník při změně výrobního procesu může provést adaptaci řízení výrobního procesu přímo v integrovaném uživatelském rozhraní MES. Modulární systém umožňuje integraci dalších částí pro řízení výroby jako je automatický plánovací systém využívající digitálního dvojčete výrobní linky nebo např. automatické plánované korekce výroby na základě prediktivní analýzy existujících vstupních dat.
V čem je technologie unikátní?
Výrobní stroje jsou organizovány modulárně, tj. každý stroj (v našem případě robot) má jasně definované rozhraní přes OPC UA, přes které jej lze nejen připojit do nadřazeného systému řízení výroby, ale i přes něj vyčíst nastavení stroje nebo jeho schopnosti. Díky tomu lze stroje snadno přidávat nebo odebírat podle požadavků na výrobní kapacitu, jejich dostupnosti či intervalu údržby nebo dokonce i podle jejich schopností.
Výrobní plán, tj. sekvence prováděných výrobních operací, není pevně daná, ale lze ji přizpůsobit aktuální situaci, zapojeným strojům apod. Pokud například dojde ke změně počátečního stavu výrobní sekvence (např. některé díly jsou dostupné na jiné výchozí pozici), následující výrobní kroky se přepočítají v MESu (manufacturing execution system) a výrobu lze dále vykonávat bez nutnosti manuálního zásahu.
Představené řešení se odlišuje od stávajících přístupů k nadřazenému řízení výroby v tom, že výrobní plán lze snadno změnit, a to i na základě popisu potřeb a dostupných možností, resp. schopností strojů. Hledáním průniků mezi možnostmi a potřebami lze vytvořit proveditelný výrobní plán. Hlavní výhodou je, že tímto způsobem lze velice rychle reagovat na změny v rozložení výrobních prostředků, dostupnosti materiálu nebo vlastnostech výrobku.
Plánování lze rozšířit i na intralogistické operace a na výrobních linkách flexibilně přizpůsobovat tok materiálu výsledku úspěšně či neúspěšně vykonaných předchozích operací. Operace, vykonávané stroji, jsou navíc generické a parametrují se z nadřazeného systému tak, jak to vyžaduje aktuálně prováděná operace na aktuálně dostupném dílu.
Systémy řízení výroby dostupné na trhu nedisponují možností snadného přeplánování sekvence výrobních kroků a při reakci na nenadálou změnu vyžadují manuální zásah obsluhy.
S kým na řešení spolupracujeme?
Pro řízení výroby je využit Manufacturing Execution System (MES) od T-Mobile. Proces rozebírání baterií na robotické buňce je ukázkou procesu, na jehož konceptu pro skutečnou továrnu spolupracují společně Český institut informatiky, robotiky a kybernetiky CIIRC ČVUT, inženýrská firma DEL a slovenská společnost ZTS – výzkum a vývoj. V tomto konceptu bude modelem řízená výroba automaticky odvozovat výrobní postupy, které budou následně realizovány na výrobních zařízeních. Systém tvoří nezávislé pracovní buňky specializované na různé úlohy. Jednou z nich je robotické šroubování, na které se specializuje společnost Deprag, nebo manipulace, kde přepravu dílů zajišťuje flotila mobilních robotů KUKA.
Jak můžeme technologii aplikovat do praxe/ výroby?
- Použité technologie pro řízení výrobní linky jsou přenositelné na jiné výrobní linky.
- K řízení procesu linky je využíván GLATE, což je MES (Manufacturing Execution Systems) od T-Business napojený na agentní konektor, který umožňuje přímou komunikaci MES s libovolným OPC UA serverem.
- V systému řízení výroby operátor nadefinuje jednotlivé výrobní kroky a podmínky a změna výroby může být aplikována během několika minut.
- Propojení jednotlivých modulů pomocí 5G sítě umožňuje integraci měření, řízení i pro již zastaralé technologie a nebo nasazení v prostorově oddělených, mobilních výrobních prostorách.
Jaké jsou výsledky nebo přínosy pro uživatele?
Kromě nového přístupu k řízení modulární výroby exponát také nabízí příklad řešení pro udržitelnou cirkulární ekonomiku – druhý život pro baterie.
Jak by technologie mohla pomoci podnikům? Které sektory nebo odvětví jsou pro tuto technologii perspektivní?
Modulární výroba představuje možnost rozdělení výroby na samostatné modulární celky, které je možné integrovat do již existující výroby anebo nahradit stávají nevyhovující výrobní prvky. Primární zaměření je na demonstraci možnosti změny procesů výroby v relativně krátké době, v jejich přizpůsobení měnící se situaci, ale i na možnosti systematického napojení výrobních prvků do nadřazeného systému řízení výroby.
Cílení je především na podniky, které potřebují optimalizovat existující výrobní procesy a potřebují se rychleji adaptovat na změnu výroby dle požadavků trhu.
Jaké jsou plány pro další vývoj této technologie? Jaké nové funkce nebo vylepšení plánujeme v budoucnu přidat?
Cílem je vytvořit modulární platformu pro řízení, měření a získávání dat v automatizované výrobě s možností integrace dalších prvků pro optimalizaci plánování, řízení výroby jak pro nové tak pro existující výrobní prostředky. Dalším krokem je využít AI pro datové analýzy vedoucí k optimalizaci a zpřesnění výrobních procesů. Využitím digitálního dvojčete bude možné provádět optimalizace a simulace bez nutnosti zásahů do stávající výroby.
