Aktuální vydání

celé číslo

08

2018

MSV 2018 v Brně

celé číslo
Problematika zavádění konceptu Industry 4.0 – díl IV.

Čtvrtý článek seriálu o problematice zavádění Industry 4.0 navazuje na předchozí tři díly, v nichž jsme se postupně věnovali zejména úlohám integrace z pohledu různých typů automatizačních úloh (díl II.) a roli průmyslových komunikačních sítí ve stávajících výrobních podnicích (díl III.). Ve čtvrtém dílu se zaměříme jednak na to, co by vlastně výrobní firma měla od uplatňování této strategie očekávat, jednak na některá doporučení, jak by implementace této strategie do praxe měla v reálném prostředí výrobních firem probíhat.  Jak přistoupit k realizaci strategie Industry 4.0 Aby byly splněny cíle stanovené ve vizích a představách investora, je nutné během procesu přípravy a vlastního uplatňování strategie Industry 4.0 respektovat a dodržovat určité zákonitosti. Úvodní fázi realizace autoři doporučují strukturovat do tří vzájemně provázaných kroků:  Krok 1 – správné stanovení cíle Tento krok je pro svou důležitost jedním z rozhodujících faktorů úspěšnosti celé realizace. V první řadě je nezbytné objektivně a popř. i bez jakýchkoliv příkras kriticky shrnout, kde se aktuálně firma nachází. Na tato zjištění může navazovat stanovení cíle, kterého by podnik chtěl pomocí strategie Industry 4.0 dosáhnout, ale také určení toho, v jakých realizačních fázích a v jakém časovém výhledu se ke stanovenému cíli dostat. Cíl by měl být jasně a srozumitelně formulovaný tak, aby mu každý ve firmě rozuměl. Měl by být charakterizován vhodnými parametry, tedy kvalitativně i kvantitativně měřitelný, realizovatelný, akceptovatelný a termínově ohraničený. Tím se zásadně liší od formulace vizí, které obvykle těmito konkretizovanými aspekty neoplývají. Stanovení cíle ovšem v praxi naráží na rozdílnost pohledů účastníků procesu realizace. Pro někoho může být cílem zvýšení efektivity výrobních procesů, pro někoho dalšího zlepšení celkové efektivity zařízení OEE (Overall Equipment Effectiveness), pro dalšího zkrácení „lead time“ (průběžné doby výroby) apod. Jako cíl by bylo možné stanovit i mnoho dalších provozně ekonomických ukazatelů. Je na vedení firmy, aby ze změti těchto pohledů akcentovalo ten nebo ty, které jsou pro stanovení cíle za daných podmínek multikriteriálně optimální.  Krok 2 – kalkulace ROI (návratnost investice) Se správným stanovením cíle úzce souvisí další velmi důležitý parametr, kterým je návratnost investice ROI (Return of Investment). Každý investor má snahu docílit co nejnižší hodnoty parametru ROI. V praxi se u běžných projektů setkáváme s představami návratnosti „do jednoho roku je to dobré, do dvou let v určitých případech ještě akceptovatelné“. Celá problematika výpočtu ROI představuje dost specifickou oblast investičních úvah. Je to dáno mj. i tím, že do kalkulace vstupují kromě explicitně stanovitelných parametrů (provozní náklady, pořizovací ceny zboží a služeb, výnosy apod.) i parametry, jejichž hodnotu nelze explicitně stanovit. Ty se týkají přínosů a ztrát v důsledku změn pozice firmy na globalizovaném trhu, vlivů cen surovin a energií, disponibility vhodných pracovníků pro provozování modernizovaného výrobního systému apod. Problém je v mnoha případech zaklet už v požadavcích na realizaci výrobních technologií splňujících vlastnosti zmiňované jako „smart“, „inteligentní“ a „inovativní“, „automatizované a robotizované“, „prediktivní“ apod. U takovýchto vágně specifikovaných vlastnosti je přechod do světa neúprosné výrobní matematiky, která je pro korektní výpočet ROI nezbytná, obtížný. Co tedy s výpočtem ROI, aby bylo možné jeho výsledek alespoň s přiměřenou mírou nepřesnosti pro tento účel akceptovat? Jednou z možností je aplikovat zjednodušenou verzi známé poučky, že zvýšení profitability, a tedy i ziskovosti, lze dosáhnout buď snížením nákladů, nebo zvýšením příjmů. Zredukujme tedy klasický výpočet pouze na to, že do něj zahrneme jen předpokládané zvýšení příjmů. U nich berme v úvahu přidanou hodnotu daného procesu a předpokládané či očekávané parametry v důsledku splnění stanoveného cíle. Bude-li tedy např. cílem zvýšení hodinového výkonu výrobní linky, která v současnosti vyrobí za směnu 3 000 kusů výrobků s přidanou hodnotou 125 Kč na jeden kus, tak při zvýšení výkonnosti linky o 1 % a třísměnném provozu bude přidaná hodnota za den 11 250 Kč. Za rok (250 pracovních dnů) podniku každé 1 % zvýšení výkonnosti linky přinese hodnotu ve výši asi 2,75 mil. korun. Kdyby bylo cílem zvýšení výkonnosti o 5 %, což je poměrně realistický scénář, pohybovaly by se roční přínosy na úrovni přibližně 13,75 mil. korun. I když jde pouze o ilustrativní příklad, je z něj zřejmé, že pro použití jakýchkoliv nových (resp. modernizovaných) technologií je dobré mít především na zřeteli nejen to, co je možné novou investicí ušetřit, ale i co dané vylepšení může potenciálně přinést. Na opačném pólu úvah je ztráta, která může nastat, jestliže investor realizaci ve smyslu Industry 4.0 v oblasti, která má potenciál pro zvýšení ziskovosti, ve správný čas nezahájí.  Krok 3 – rozumná digitalizace procesů Strategie Industry 4.0 se často spojuje právě s digitalizací. Digitální informace jsou základem pro komunikaci „v reálném čase“ mezi různými procesy ve firmě. Za rozumnou digitalizaci autoři považují takovou formu digitalizace, pomocí které za přijatelných nákladů firma dokáže reprezentovat parametry v digitální podobě, přičemž takto získaná digitální data pak může dále spravovat a vyhodnocovat. V současnosti lze ve firmě běžně identifikovat tři klíčové vrstvy, které jsou zdroji dat. První vrstva reprezentuje samotnou „fyzickou výrobu“. Tato vrstva je hlavním cílem digitalizace, protože právě velká rozmanitost různých typů automatických, poloautomatických a manuálních výrobních technologií a rozličný stupeň možné konektivity zařízení, kde jsou tyto technologie realizovány, mají zásadní vliv na složitost sběru provozních dat (např. hodnot fyzikálních veličin), dat výrobních (provozních a stavových) a dat energetických. Výzvou zde je nalézt rozumnou míru digitalizace a způsob, jak potřebná data získat s co nejmenšími náklady a v přijatelném čase. Druhá vrstva se týká samotného výrobku, který firma vyrábí. Zahrnuje zejména nástroje pro vlastní konstrukci výrobku a technologické postupy jeho výroby. Tato vrstva se též označuje jako PLM (Product Lifecycle Management). Většinou dnes existuje v digitální podobě, a tak stačí digitální data jen účelně využít. Třetí vrstva zastřešuje obchodní procesy. Typicky bývá propojena se systémy ERP (Enterprise Resource Planning), které v současné době již s digitálními informacemi vesměs pracují, a není je proto zapotřebí digitalizovat, pouze rovněž účelně využít. Propojení uvedených vrstev digitálních dat v reálném čase umožní vytvořit z nich datovou základnu, obsahující smysluplné a strukturované informace, nad nimiž potom lze provádět nejrůznější analýzy a simulační výpočty. Právě to je hlavním účelem digitalizace. Strategie Industry 4.0 obohacuje tento proces o další možnosti, přičemž cílem je pomocí nových digitálních nástrojů postupně přecházet od „reaktivního“ způsobu hledání a řešení problémů k metodám a technologiím „prediktivním“. To je také podstatou vzniku tzv. kyber-fyzických systémů, kde fyzické systémy jsou „pracujícíma rukama“ a digitální systémy a algoritmy „mozkem“, který je řídí. Po přeměně dat do digitalizované podoby je lze obecně dělit do čtyř základních úrovní. Již známé tři úrovně vizualizace, HMI/SCADA/DCS a MIS/MES (viz charakteristika v tab. 1) doplňuje úroveň čtvrtá – Industry 4.0 (digitální dvojče).  Užitečnost realizace strategie Industry 4.0 Pro komentář přínosů digitalizace jako součásti uplatnění strategie Industry 4.0 ve firemním výrobním prostředí autorům poslouží Obr. 1. Čtyři úrovně informací z výroby  Komentář 1 – možnost explicitního zjištění toho, co se ve výrobě právě děje První a hlavní informací, kterou digitalizace přinese, je pohled na skutečný stav procesů. Ten je založen na dlouhodobém sledování skutečnosti, a ne na domněnkách a předpokladech. Zejména takovýto obraz skutečnosti je rozhodujícím východiskem pro splnění stanoveného cíle. Bez jistoty věrohodného poznání aktuálního stavu je problematické až nemožné správně identifikovat kritická místa a procesy, které bude třeba zlepšit.  Komentář 2 – pochopení příčin, proč nestandardní a problémové děje ve výrobě vznikají Na základě dlouhodobého sledování a vyhodnocování získaných informací je s využitím digitálních analytických nástrojů možné najít stavy a vyhodnotit souvislosti, které vedou ke vzniku problémových situací. Lze tak identifikovat úzká místa, na jejichž odstranění je třeba se následně zaměřit. Odstraněním jednoho úzkého místa se zpravidla nic nevyřeší. Vznikne totiž další úzké místo. Jejich postupným odstraňováním je ale možné krok po kroku zvyšovat efektivitu daného procesu. Ukazuje se, že postupná eliminace úzkých míst krok po kroku je optimálním postupem pro splnění stanoveného cíle projektu.  Komentář 3 – možnost predikce toho, co se stane, a schopnost zabránit tomu, aby se to stalo Tady se začíná naplňovat smysl strategie Industry 4.0, kterým je přechod od reaktivního řešení problémů k řešení prediktivnímu. Predikce událostí je v zásadě realizována dvěma způsoby. První způsob je založen na učení se z minulosti, tj. vyhodnocení toho, jaká kombinace parametrů, popř. událostí vedla ke vzniku daného problému. S využitím analytiky a digitálních nástrojů je potom na základě historických dat možné s určitou pravděpodobností a přesností predikovat budoucí události. Na podobném principu pracují i neuronové sítě, které lze jako nástroj pro predikci rovněž využít. Druhým způsobem je predikce na základě vhodného online sledování klíčových parametrů daného procesu nebo zařízení. Je-li např. zapotřebí predikovat vznik poruchy určitého zařízení, je třeba navrhnout vhodné řešení jeho monitorování tak, aby postihlo vývoj sledovaných veličin a příslušných parametrů co do jejich hodnot v čase i s limitací mezních kritických hodnot. Použitím odpovídajících snímačů a jejich začleněním do systému digitálního sledování a vyhodnocování v reálném čase lze potom s poměrně velkou pravděpodobností poukázat na potenciální vznik budoucího nestandardního či havarijního stavu daného procesu nebo zařízení dříve, než takováto událost nastane.  Komentář 4 – autonomní technika Technické prostředky, které dokážou autonomně řídit procesy, se neustále vyvíjejí ve všech oblastech života. To platí i pro průmyslovou sféru. Patrně není daleko doba, kdy se výrobní procesy a jejich technologická zařízení budou řídit autonomně, s minimálními zásahy člověka, kterému tak zůstane jen jakási „dozorová“ funkce. Autoři se ale domnívají, že vzhledem ke specifičnosti a funkční rozmanitosti výrobních aplikací v nich k úplné eliminaci lidského faktoru v brzké budoucnosti ještě nedojde.  Závěr Díl V. tohoto seriálu se bude věnovat případové studii jednoho z již realizovaných projektů, ve kterém je strategie Industry 4.0 smysluplně uplatňována. Autoři uvedou také některé praktické rady, které z této realizační zkušenosti vyplývají.  Robin Mitana, Miroslav Dub, SIDAT DIGITAL a SIDAT Tab. 1. Čtyři úrovně informací z výroby Úroveň 1 (vizualizace) vizualizace diskrétních a spojitých technologických procesů, vizualizace energetiky, vizualizace manažerských reportů, vizualizace průchodu výrobku výrobou (traceability) Úroveň 2 (HMI/SCADA/DCS) vizualizace výrobních a technologických procesů s možností jejich řízení na úrovni technologie, decentralizované řídicí systémy Úroveň 3 (MIS/MES) výrobní informační systém založený na sběru dat z různých zdrojů a jejich konverze na výstupy, které obvykle mají formu reportů; off-line simulace a optimalizace s cílem ověřit a odladit výrobní procesy a následně do jejich průběhu zasahovat Úroveň 4 (digitální dvojče) digitální kopie fyzického výrobního systému nebo procesu, která se chová stejně jako fyzický výrobní systém či proces, s nímž navzájem oboustranně na datové úrovni komunikuje; takovéto uspořádání, které je charakteristické pro kyber-fyzický výrobní systém, představuje nejvyšší míru integrace fyzických a digitálních technologií

Inspiromat pro výuku a Tecomat: co v učebnici automatizace nebylo

V první části seriálu autoři uvažovali o měření teploty objektů, jejichž teplota se v průběhu měření neměnila. Nyní se zaměří na obecnější případy, kdy se teplota objektů s časem mění. Příklad 1: šálek čajeObr. 1. Průběh teploty v šálku horkého a vlažného čajeNa obr. 1 jsou uvedeny průběhy teploty v šálku čaje, tentokrát měřené senzorem Pt1000 v ponorném provedení. Na svislé ose je teplota ve stupních Celsia, na vodorovné ose systémový čas ve formátu X h:XX m:X,XX s. Na obr. 1 nahoře začíná čas s počáteční hodnotou 9 h:19 min:24,82 s (systémový čas nebyl vynulován), dole začíná od nuly. V obou případech však odpovídá rastru svislých čar interval 20 s. Oproti obr. 2 a obr. 3 v části 1, kde teplota senzoru stále mírně rostla, zde po ustálení klesá. Je to způsobeno tím, že teplota těla je dlouhodobě přibližně stálá, zatímco čaj v šálku postupně chladne. Přechodový děj na senzoru probíhá i nadále, ale současně se kombinuje s klesající teplotou čaje, takže je méně patrný – přechodový děj chladnutí čaje je výraznější. Odpovídá to přirozenému požadavku, aby senzor co možná nejméně ovlivňoval měření (nejlépe vůbec). Po vyjmutí senzoru ze šálku je opět patrný průběh ochlazování senzoru na teplotu okolního vzduchu. Z obrázků je zřejmá i mírně odlišná dynamika obou senzorů. V minulé části šlo o senzory NTC a údaj senzoru byl „použitelný“ již asi po 30 s, u senzorů Pt1000 jej lze použít až po 40 s. Senzor Pt1000 je umístěn v pouzdře, které je objemnější a hmotnější než samotný senzor NTC – má tedy větší tepelnou kapacitu.Obr. 2. Elektrický obvod jako analogie měření teploty chladnoucí kapalinyV elektrické analogii si lze děj představit tak, jako bychom nabitý kondenzátor o velké kapacitě (představující šálek s horkým čajem) přes rezistor vybíjeli zdrojem nižšího konstantního napětí a současně k vybíjenému kondenzátoru připojili RC obvod odpovídající senzoru (s podstatně menší kapacitou) – obr. 2. Při hydraulické analogii by šálku čaje odpovídala částečně naplněná nádoba (do výšky odpovídající výchozí teplotě čaje) spojená s nádrží o nižší hladině, do které kapalina postupně odtéká. K této nádobě je připojena malá nádobka, která představuje senzor.Úlohy: obdobným způsobem měřte teplotu v šálku s horkým čajem, který je: zakrytý pokličkou – položený do nádoby s teplou nebo chladnou vodou – čaj je v kovovém (nebo silnostěnném) šálku nebo v šálku s dvojitými stěnami,v průběhu měření vložte do šálku masivní lžičku – nasypte cukr a zamíchejte,čaj postupně přelévejte do různých šálků a postupně měřte teplotu,měření opakujte se senzorem NTC upraveným pro ponoření v PE sáčku – utěsněným ve zkumavce (prázdné, vyplněné pískem). Příklad 2: kalibrování při varuObr. 3. Průběhy teploty vroucí vodyNa obr. 3 jsou zobrazeny průběhy teploty měřené oběma senzory (modře Pt1000 a červeně NTC) ponořenými do vroucí vody (v právě vypnuté konvici) – a po čase vyjmutými. Rastru svislých čar odpovídá interval 1 min. Je zřejmé, že senzor Pt1000 měří teplotu varu přesněji. Každý ze senzorů vykazuje jinou dynamiku při ponoření do vody i při vyjmutí. Příklad 3: kalibrování v ledové voděObr. 4. Průběhy teploty ledové vodyNa obr. 4 jsou zobrazeny průběhy teploty měřené oběma senzory (modře Pt1000 a červeně NTC) ponořenými do vody s tajícím ledem – a po čase vyjmutými. Rastru svislých čar odpovídá interval 1 min. Je patrné, že senzor Pt1000 měří přesněji i teplotu bodu mrazu. Příklad 4: k varu, k ledu a zpětObr. 5. Průběhy teploty měřené senzory ponořenými do vřelé vody, pak do ledové, zpět do vřelé a pak vyjmutýmiNa obr. 5 jsou zobrazeny průběhy teploty měřené oběma senzory (modře Pt1000 a červeně NTC) ponořenými do vřelé vody, pak do ledové, zpět do vřelé a pak vyjmutými. Rastru svislých čar odpovídá interval 2 min. Příklad 5: vaření vody v konviciObr. 6. Průběhy teploty vody v zapnuté varné konviciNa obr. 6 jsou zobrazeny průběhy teploty měřené oběma senzory (modře Pt 1000 a červeně NTC) ponořenými do rychlovarné konvice s vodou o pokojové teplotě. Pak byla výstupem PLC konvice zapnuta (zelený obdélníkový průběh) a zhruba v okamžiku varu byla vypnuta. Potom voda samovolně vychládala. Z průběhu nelze jednoznačně rozhodnout, zda vypnutí konvice způsobil její bezpečnostní spínač, nebo výstup PLC, ale druhá varianta je pravděpodobnější. Rastru svislých čar odpovídá interval 1 min. Oba senzory měří přibližně shodně a synchronně. Drobné zvlnění průběhu teploty senzoru Pt1000 při ohřevu může být způsobeno turbulentním prouděním vody kolem senzoru. Je patrné, že po dobu asi 30 s po zapnutí konvice (sepnutí výstupu PLC) se teplota vody téměř nemění a teprve zhruba po 1 min narůstá téměř lineárně – na přechodu obou částí je průběh zaoblený (vykazuje „koleno“). I po vypnutí topidla teplota ještě mírně narůstá ke 100 °C a pak postupně klesá v důsledku chladnutí konvice. Souvislosti a analogieObr. 7. Elektrický obvod jako zjednodušená analogie měření teploty ve varné konviciPo zapnutí je voda v konvici ohřívána topným tělískem, které má konstantní elektrický příkon a způsobuje růst teploty se stálou rychlostí. Kdyby var vody neomezil nárůst teploty kolem 100 °C a kdyby byl odstraněn bezpečnostní vypínač, narůstala by teplota teoreticky nade všechny meze – až ke zničení tělíska. Zjednodušenou elektrickou analogií je obvod na obr 7. Konstantnímu příkonu konvice odpovídá ve schématu zdroj konstantního proudu. Kapacita kondenzátoru C1 spolu s rezistorem R1 modeluje tepelnou kapacitu vody v konvici při ohřevu, zatímco větev C1–R2 modeluje tepelnou kapacitu vody v konvici při ochlazování. Hydraulická analogie je na obr. 8.Obr. 8. Zjednodušená hydraulická analogie měření teploty ve varné konvici Objem první nádrže odpovídá tepelné kapacitě vody v konvici, druhá (teoreticky nekonečná) nádrž odpovídá vnějšímu prostředí. Konstantnímu příkonu konvice zde odpovídá plnění nádrže s konstantním přítokem (z vodovodu). Analogickou situací v technice budov je vytápění místnosti přímotopným zdrojem tepla. Popsaná soustava se označuje jako integrační nebo též astatická. V blokových schématech se pro ni používá schematická značka podle obr. 9. Obr. 9. Schematická značka integrační (astatické) soustavyPříklad 6: přerušovaný ohřev v konviciAbychom se vyhnuli situaci v blízkosti bodu varu (nejasnosti o důvodu vypnutí topidla a jiné dynamiky vody v blízkosti varu), je na obr. 10 zobrazen průběh teploty vody (měřené jen senzorem Pt1000) při přerušované aktivitě topidla (zelený obdélníkový průběh). Rastru svislých čar odpovídá interval 20 s.Obr. 10. Průběh teploty vody v konvici s přerušovanou aktivitouNa všech úsecích průběhu je patrné, že vždy po zapnutí topidla se teplota téměř nemění a teprve později mírně narůstá (téměř vodorovný a pak zaoblený průběh, který přechází do strmě rostoucí fáze). Ta překvapivě pokračuje i po vypnutí topidla, než přejde do klidového, téměř vodorovného úseku (krátkodobé ochlazování). Teprve po konci poslední aktivní fáze následuje konečné pomalé chladnutí. Příklad 7: ohřev se zpomaleným senzoremObr. 11. Průběh ohřevu vody se zpomaleným senzoremPro zvýraznění situace při zapnutí a vypnutí topidla byl použit senzor NTC zasunutý do prázdné skleněné zkumavky. Na obr. 11 je zobrazen celý průběh ohřevu a chladnutí vody (a v závěru samotného senzoru). Rastru svislých čar odpovídá interval 90 s (1,5 min). Detail počátečního úseku je zobrazen na obr. 12. Rastru svislých čar odpovídá interval 20 s. Obr. 12. Detail počátku průběhu z obr. 11Souvislosti a analogieObr. 13. Zjednodušená elektrická analogie varné konvice s respektováním kapacity tělískaSchémata na obr. 7 a obr. 8 jsou jen velmi zjednodušenými analogiemi, protože nerespektují tepelnou kapacitu topného tělíska. Té ve schématu na obr. 13 odpovídá další stupeň obvodu RC s kapacitou Ct (kondenzátor Ct). V hydraulickém schématu na obr. 14 odpovídá kapacitě tělíska první nádrž. Obr. 14. Zjednodušená hydraulická analogie varné konvice s respektováním kapacity tělíska Tímto uspořádáním vznikne soustava druhého řádu, která se vyznačuje určitou setrvačností. Jejím důsledkem je opožděný nárůst teploty při začátku ohřevu a pokračující nárůst teploty po skončení ohřevu. Ve skutečnosti bychom měli respektovat ještě další stupně – topnou spirálu, výplň tělíska a jeho plášť. Tím by se řád soustavy konvice ještě zvýšil a model by více odpovídal skutečnosti. Obr. 15. Elektrická analogie varné konvice s respektováním kapacity tělíska a pláště konviceObr. 16. Hydraulická analogie varné konvice s respektováním kapacity tělíska a pláště konviceSchémata na obr. 15 a obr. 16 navíc respektují tepelnou kapacitu pláště konvice, která se uplatňuje při ochlazování jejího obsahu. Toto uspořádání modeluje i situaci v místnosti vytápěné přímotopným zdrojem tepla – s přiměřeně delšími časovými konstantami. Modelu teplovodního vytápění (s topnými tělesy nebo s podlahovým vytápěním) by odpovídalo obdobné uspořádání, kde by byl zdroj proudu nahrazen zdrojem napětí. Ing. Ladislav Šmejkal, CSc., Teco, a. s., a externí redaktor Automa,Ing. Josef Černý, někdejší student Fakulty dopravní ČVUT,Ing. Josef Kovář, učitel automatizace na SPŠ ve Zlíně

Inspiromat pro výuku a Tecomat: co v učebnici automatizace nebylo (úvod)

V časopise Automa je zahajován naučný seriál s příklady a náměty pro výuku automatizace s využitím programovatelných automatů. Navazuje na právě dokončovanou elektronickou učebnici Automatizace pro střední školy. Rozšiřuje a aktualizuje její obsah, především o řešené příklady, zadání úloh pro samostatnou práci, provokující otázky a náměty pro výuku. Postupně zde budou otiskovány příspěvky od učitelů a studentů s řešením zadaných úloh, s novými úlohami, náměty a s diskusí. Měl by se postupně stát fórem pro vzájemnou komunikaci a diskusí o náplni a formách odborného vzdělávání studentů i pro celoživotní vzdělávání odborníků z praxe.  Motivace, cíle Aktuálním problémem mnoha českých firem je nedostatek kvalifikovaných technických pracovníků. Nejvýrazněji se projevuje v oboru automatizace, která je hybnou silou pokroku ve všech průmyslových odvětvích, ale nejenom zde. Obor automatizace se velmi rychle rozvíjí a kvalifikace odborníků rychle zastarává. To je problém nejenom odborných škol, ale i firem, které se automatizací zabývají. Nezbytné je proto celoživotní vzdělávání – odborníků praxe, ale i učitelů. V našich podmínkách je nejdostupnější forma „samostudia“. Ta ovšem předpokládá dostupnost aktuálních a srozumitelných textů a učebních pomůcek. Aktuální učební texty (samozřejmě) vyžaduje i výuka na odborných školách. V nejbližší době bude pro distribuci uvolněna elektronická učebnice Automatizace pro střední školy – ale je použitelná i pro jiné typy škol a pro zájemce z praxe. Zpracoval ji kolektiv autorů (převážně učitelů středních odborných škol) sdružených v Sekci učitelů automatizace při Českomoravské společnosti pro automatizaci. Vedoucím autorem je Ing. Miroslav Žilka, CSc., ředitel SPŠS Betlémská. Témata odpovídají obvyklému pojetí výuky automatizace na středních školách. Rozsah učebnice je však vždy omezený a kniha od svého vydání postupně stárne – i když elektronická verze dovoluje občasné aktualizace. Redakce časopisu Automa se rozhodla převzít úkol průběžné aktualizace témat z učebnice a „expanze“ jejího obsahu formou naučného seriálu.  Zaměření seriálu Seriál bude převážně obsahovat řešené příklady, zadání úloh k procvičování, náměty pro názornou výuku a pro samostatnou tvořivou práci – měl by být inspirací pro aktivní učitele i studenty. Proto je pojmenován „inspiromat“. Chceme, aby se stal platformou pro zpětnou vazbu, výměnu zkušeností a pro diskusi o formách výuky. Po skončení bude seriál vydán jako souhrnná publikace – podobně jako přecházející seriál Esperanto programátorů PLC, který je v elektronické i tištěné verzi dostupný v redakci časopisu Automa a ve firmě Teco (www.tecoacademy.cz). Rovněž seriál Inspiromat je připravován ve spolupráci s Teco a. s. v rámci jejího výukového projektu EDUtec, který byl založen již před 21 lety pro podporu výuky automatizace a pomoc odborným školám. Odtud pochází i autor počátečních částí seriálu, ale očekává se, že postupně se připojí spoluautoři z řad učitelů a snad (doufejme) i aktivních studentů odborných škol. Obr. 1. Programovatelný automat Tecomat Foxtrot je často využíván ve školních laboratořích (zde základní modul CP-1015) Spoluúčast firmy Teco – Tecomat, Mosaic a norma IEC EN 61131-3 Příklady a jejich programy jsou řešeny s použitím programovatelného automatu Tecomat Foxtrot a jsou programovány ve vývojovém systému Mosaic (www.tecomat.cz). Na odborných školách jsou rozšířené, oblíbené, uživatelsky přívětivé – a „mluví česky“ (dialogy vývojového systému, dokumentace i technická pomoc „od pramene“). Pro autora je důvod praktický – dostupnost systémů a informací v mateřské firmě a také příležitost ke spolupráci s aktivními učiteli. Proto byl název seriálu rozšířen na „Inspiromat pro vý­uku a Tecomat“, který lépe vystihuje jeho náplň. Měl by být ale srozumitelný i pro uživatele PLC jiných výrobců, protože norma IEC EN 61131-3 sjednocuje programovací jazyky moderních PLC, a je tedy jakýmsi esperantem jejich programátorů. V dalších odstavcích jsou přiblížena plánovaná témata.  Měření a řízení tepelných soustav Seriál o PLC začíná poněkud překvapivě pasáží o analogovém měření a řízení tepelných soustav. Programovatelné automaty jsou však zcela univerzální systémy. Měření analogových veličin a řízení spojitých soustav jsou již dávno jejich naprosto přirozenou doménou. Cílem této části seriálu je provokativně narušit ustálený postup výuky, kdy je důsledně oddělován výklad spojitých a diskrétních soustav (spojité a logické řízení). Tradiční výuka popisu a regulace spojitých dynamických soustav je založena na teorii, která je poměrně náročná (a mnohdy nepochopená). Za ní se studentům obvykle ztrácí samotná fyzikální podstata problému. Tepelné soustavy jsou rozšířené soustavy, se kterými se studenti kaž­dodenně setkávají, zejména v domácnostech a v technice budov. Uváděné příklady studentům dovolí „intuitivní“ pochopení vlastností a chování dynamických soustav. V praxi se mohou řídit alespoň „citem a selským rozumem“ i v případech, kdy potřebnou teorii „nestrávili“ nebo zapomněli. Tak se mohou alespoň trochu orientovat v běžných problémech praxe, např. při řešení úspor energie při vytápění nebo chlazení. Obr. 2. V laboratořích bývá Tecomat Foxtrot kompletován spolu s příslušenstvím do složitějších celků – zde do výukového kufříku (v případě potřeby lze desku s přístroji z kufříku vyjmout)  Kombinační logické funkce Nejprve bude uvedeno několik ukázek programů jednoduchých logických úloh ve všech jazycích normy IEC EN 61131-3 a v jazyku CFC – jako ilustrace jejich formy, možností, názornosti a úspornosti zápisu. Následovat budou příklady složitějších kombinačních funkcí, zapsané jen v progresivnějších jazycích ST, LD, CFC. Na příkladech budou ilustrovány úlohy syntézy kombinačních logických funkcí, které jsou obvykle prezentované jako postupy návrhu pevné logiky, ale stejně dobře jsou použitelné i při programování – od tabulky k logickému výrazu a programu, pravidla Booleovy algebry, minimum o minimalizaci, neúplné zadání, K-mapa, technicky významné logické funkce NAND, NOR, M2, XOR, parita, symetrické funkce a počítání jedniček. Vysvětlen bude i postup spočívající v přímé realizaci logické funkce tabulkou s využitím dat (vektorů a datových struktur).  Podmíněné příkazy: omezení a rizika Podmíněné příkazy typu if-then nebo if-then-else jsou v programátorské praxi často nadužívány. Programátoři si obvykle ani neuvědomují, že svým programem realizují logické funkce, ovšem velmi neefektivním a nepřehledným způsobem – a často s chybami. Příklady ilustrují rovnocennost programu s podmíněnými příkazy a programu s booleovskými výrazy. Upozorňují na rizika programátorských chyb, nechtěné paměťové chování a neúplné zadání.  Sekvenční logické funkce – základní pojmy, intuitivní návrh Sekvenční logické funkce se v praxi vyskytují častěji než kombinační. Na příkladech budou ilustrovány příčiny sekvenčního chování – zpětné vazby, podmíněné příkazy, nesousledná aktivace příkazů, zpožďovací linky, využití „historických vzorků“. Intuitivní postup návrhu sekvenčních funkcí bude ilustrovat použití funkčních bloků (generátory impulzů, paměťové funkce RS, SR, čítače a časovače), ale i využití systémových časových proměnných pro úlohy měření času a časové řízení.  Sekvenční systémy – systematický návrh Intuitivní návrh je vhodný jen pro řešení nepříliš složitých sekvenčních funkcí a skrývá v sobě četná rizika hrubých chyb. Mnohem výhodnější je použít systematický postup návrhu. Vychází z teorie konečných automatů a Petriho sítí. Při programování PLC se nejčastěji využívají nástroje SFC podle normy IEC EN 61131-3, popř. Grafcet. Pro ilustraci budou uvedena alternativní řešení k intuitivním postupům. Převažovat ale budou příklady řízení mechanismů různé složitosti – od řízení žaluzií, dveří a vrat až k řízením složitějších technologických a mechatronických soustav a učebních pomůcek, které se obvykle vyskytují v laboratořích. Příklady budou řešit nejenom základní požadavky na řízení, ale i ošetření chybových stavů a řešení úloh technické diagnostiky. Ilustrováno bude generování posloupností binárních signálů a jejich rozpoznávání. Obr. 3. Tecomat Foxtrot (vestavná verze) může být součástí i mobilního robotu nebo jiné mechanické pomůcky Sekvenční systémy – (nepovinná) teorie a souvislosti Pro zájemce jsou uvedeny základní po­jmy teorie, která se týká sekvenčních systémů –  teorie konečných automatů, typy automatů (se vstupní pamětí, Mooreho a Mealyho), souvislosti s programovými nástroji SFC, Grafcetem  a Petriho sítěmi, přechodová a výstupní funkce, grafy a tabulky, bitově a znakově orientované automaty, vyhodnocení posloupnosti tlačítek a znaků (rozpoznávání příkazů, kontrola obsluhy, překlady) deterministické a nedeterministické automaty, diagnostika a prediktivní diagnostika. Přechodové a výstupní funkce konečných automatů jsou kombinační logické funkce a jako takové je lze i realizovat – z tabulek přímo s využitím datových struktur. Podobně je možné řešit i programy časového řízení (časové procesory). Zajímavou třídou sekvenčních systémů jsou zpětnovazební registry, využívané jako generátory pseudonáhodných posloupností, a generátory kontrolních znaků při zabezpečení dat.  Shrnutí Rozsah jednotlivých témat a jejich přiřazení k číslům časopisu nelze předem určit. Je pravděpodobné, že sled témat bude občas přerušen nebo doplněn aktuálními texty – aktuální zprávou, popisem řešení zajímavé úlohy, náměty nebo připomínkami čtenářů. Věříme, že seriál bude užitečný. Budeme vděčni za spoluautorství, náměty a připomínky.   Ladislav Šmejkal (smejkal@automa.cz)

Kognitivní snímače v digitalizované výrobě

Fraunhoferův ústav IIS představil během veletrhu Hannover Messe 2018 početnou množinu zařízení a metod v oboru kognitivní snímačové techniky, pokládané ze jeden z pilířů při zavádění konceptu Industrie 4.0 a internetu věcí ve výrobním průmyslu.  Charakteristickým znakem konceptu Industrie 4.0 a internetu věcí (IoT) je propojování strojů, výrobních zařízení a procesů i celých výrobních linek nebo závodů a vytváření rozsáhlých sítí pro výměnu specifických uživatelských údajů. Důležitou úlohu v těchto konceptech mají inteligentní kognitivní (rozpoznávací) snímače (senzory). Jejich problematice se soustavně věnují odborníci ve Fraunhoferově ústavu pro integrované obvody IIS (Institut für Integrierte Schaltun­gen) v Norimberku, kteří vyvinuli špičková zařízení a metody k identifikaci, lokalizaci a komunikaci potřebné v oboru kognitivní snímačové techniky a systémů (sensorik). Při své práci došli k tomu, že samotná elektronika v současnosti již nevede ke špičkovému výrobku, a proto účelně zkombinovali hardware a software s progresivními technikami umělé inteligence a strojového učení. Obr. 1. Nové kognitivní snímače a systémy jsou před zavedením v průmyslu zkoušeny ve zkušebním a aplikačním středisku Fraunhoferova ústavu IIS v Norimberku (foto: Fraunhofer IIS) Současný stav Momentálně plní regály v obchodních domech zejména sériově vyráběné zboží. V budoucnu však budou výrobky individuálnější, v dlouhodobém výhledu budou některá odvětví dokonce nabízet produkty vyráběné kusově – tedy ve výrobních dávkách jeden kus. V automobilové výrobě není tento cílový stav příliš vzdálen – automobily se při výrobě individuálně upravují a vybavují podle přání zákazníka již nyní. Ve výrobním procesu toto ovšem s sebou nese mnoho problémů, které lze zvládnout pouze při použití postupů kognitivní snímačové techniky. Stručně řečeno se stavební díly musí identifikovat a lokalizovat a stroje a zařízení musí být schopné komunikovat mezi sebou a také s lidmi. To vyžaduje vhodnou automatizovanou uživatelskou výrobní logistiku obstarávající řízení rozhodovacích i výrobních procesů.  Řešení pro koncept Industrie 4.0 na příkladu montáže motoru Fraunhoferův ústav IIS nabízí k řešení uvedených úloh techniku a metody, které na veletrhu Hannover Messe 2018 představil na příkladu montáže motoru. Nabízené metody sahají od lokalizace přepravních vozíků za účelem zefektivnit skladovací postupy a zajistit dodávky patřičných motorů na odpovídající montážní stanici přes podporu montáže s inteligentním sledováním nástrojů, použití inteligentních zásobníků a vychystávacích systémů až po sledování stavu strojů. Optimalizace pracovních procesů na bázi snímaných údajů dat je přitom základem zvyšování produktivity celé továrny. Prostřednictvím nástrojů prediktivní analýzy (prognostická metoda pro stanovení budoucích událostí) lze údaje nashromážděné pomocí kognitivních snímačových systémů také využít k automatizaci řízení a sledování vnějšího dodavatelského řetězce.  Nervové buňky průmyslového internetu věcí „S kognitivní snímací technikou lze skutečně dosáhnout digitalizace výroby,“ zdůrazňuje prof. Dr. Albert Heuberger, obchodní ředitel Fraunhoferova ústavu IIS. „Kognitivní snímače jsou nervovými buňkami průmyslového internetu věcí (IIoT). Hodnoty sledovaných veličin nejen snímají, nýbrž naměřené údaje přímo vyhodnocují, činí podle nich inteligentní rozhodnutí a získanou informaci postupují podle potřeby dále. Fraunhoferův ústav IIS k tomu dodává konkrétní zařízení pro bezdrátovou komunikaci a lokalizaci v prostředí IIoT a IoT jako celku. K tomu, aby se správné údaje dostaly ve správný čas k použití na správném místě se v kognitivních snímačích využívají také metody strojového učení.“  Inteligentní zásobník si samostatně objednává doplnění Při montáži je např. na jedné straně důležité, aby dělník měl vždy v dosahu všechny potřebné díly a montážní pás se z důvodu chybějících montážních dílů nemusel zastavit. Na druhé straně by se nemělo skladovat více montážních dílů, než je nutné, protože tím rostou náklady na skladování. K tomu účelu vyvinuli odborníci ústavu IIS inteligentní zásobníky, které vědí, kde přesně se nacházejí a nakolik jsou naplněny, a podle stavu naplnění v případě potřeby automaticky objednají doplnění. Zásobníky komunikují prostřednictvím snímačové komunikační sítě s-net®, také vyvinuté ve Fraunhoferově ústavu IIS. Přitom bezdrátově komunikují jak mezi sebou, tak také s infrastrukturou a vytvářejí tímto způsobem síť typu multi-hope. Na mnohoúčelovém displeji poskytují své údaje rovněž pracovníkům v závodě – informují je tak např. o tom, když dorazí dodatečně objednaný plný zásobník. Údaje snímané zásobníky se ukládají do cloudu, kde jsou jako součást Big Data k dispozici pro analýzy.  Světlo vede skladníka labyrintem regálů Dělník na montáži potřebuje nejenom malé díly jako šrouby a matice, které lze uložit v příručních zásobnících, nýbrž také větší stavební díly, které se skladují v regálech obsluhovaných regálovými zakladači. K minimalizaci potřebného skladovacího prostoru se skladovací místa využívají flexibilně. V praxi to znamená, že tytéž montážní díly jsou v regálu uloženy pokaždé na jiném místě. Skladník je pro zrychlení práce naváděn světelným signálem optického naváděcího systému na místo v regálu, kde požadovaný produkt nalezne. Standardní optické naváděcí systémy typu pick-by-light se ovšem buď musí připojit kabelem, což znamená nesnáze při instalaci, nebo jejich baterie mají příliš malou výdrž. Při řešení projektu Pick-by-Local-Light (PbLL) je v ústavu IIS vyvíjen zcela nový vychystávací systém založený na bezdrátové snímačové síti, jejímž základem je i zde technika s-net®.  Závěr Všechna zařízení a metody prezentované Fraunhoferovým ústavem IIS na veletrhu Hannover Messe 2018 již byly podrobně vyzkoušeny v laboratořích ústavu (obr. 1) a dosáhly natolik vysokého stupně zralosti, že bylo možné začít s jejich ověřováním, spojeným s další optimalizací, v pilotních projektech v průmyslu. V současnosti běží pilotní projekty v automobilce BMW a výzkumné a vývojové projekty ve společnosti Siemens AG a u dalších partnerů, kteří všichni v části své výroby a logistiky zavedli digitální techniku za účelem cíleně podporovat své pracovníky asistenčními systémy k dosažení efektivní interakce se strojem. Další informace lze nalézt na adrese https://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2018/Februar/kognitive-sensorik-in-der-produktion.html. [Kognitive Sensorik in der Produktion. Pressemit-teilung Fraunhofer IIS, 6. 2. 2018.]  (Kab.) Obr. 1. Nové kognitivní snímače a systémy jsou před zavedením v průmyslu zkoušeny ve zkušebním a aplikačním středisku Fraunhoferova ústavu IIS v Norimberku (foto: Fraunhofer IIS)

Snímače teploty do prostředí se zvýšenými požadavky na hygienu a sanitaci

Článek doprovázející přehled trhu snímačů teploty splňujících zvýšené požadavky na hygienu a sanitaci popisuje funkční principy a uspořádání snímačů teploty, které musí vyhovovat požadavkům potravinářských a farmaceutických výrobních provozů, v nichž se používají čisticí a sanitační procesy CIP a SIP. V závěru článku jsou uvedeny hlavní zásady pro montáž snímačů teploty spolu s popisem dynamických vlastností snímačů.  Obecně o snímačích teploty Teplota je veličina, která ovlivňuje téměř všechny stavy a procesy v přírodě. Při měření teploty t se využívá vždy nepřímá metoda, při níž se přímo měří obecně jiná veličina A, která je na teplotě t závislá podle určitého vztahuA = f(t)    (1)  Vztah (1) může být více či méně složitý a z něho lze hodnotu teploty číselně vypočítat [1]. Základní jednotkou termodynamické teploty je kelvin (K). Nejčastěji se teplota měří ve stupních Celsia (°C). V USA se často používá Fahrenheitova teplotní stupnice s jednotkou stupeň Fahrenheita (°F). Pro přepočet platí vztaht(°F) = t (°C) × 1,8 + 32       (2) Snímač teploty jako konstrukční celek je tvořen několika součástmi. Základním prvkem je senzor teploty (čidlo). K měření teploty se využívá mnoho funkčních principů, které pokrývají široký rozsah měření teploty. V dalším textu je věnována pozornost senzorům teploty, které poskytují elektrický výstupní signál a jsou vhodné pro provozní měření teploty. Mezi takové senzory patří termoelektrické a odporové senzory teploty. Tyto senzory transformují teplotu na elektrický signál (napětí, proud, odpor) a jsou to nejčastěji používané senzory pro provozní měření teploty, pro čidla regulátorů při automatickém řízení teploty i pro moderní přenosné teploměry. Důležitou součástí snímače je vlastní instalační aparatura opatřená připojovací hlavicí a procesním připojením pro montáž do technologického zařízení. Elektrické analogové nebo číslicové obvody pro zpracování signálu ze senzoru se buď umisťují do hlavice snímače a tvoří pak s vlastním snímačem teploty jediný konstrukční celek, nebo jsou konstrukčně odděleny a uzpůsobeny např. pro uchycení na lištu, popř. tvoří samostatnou vyhodnocovací jednotku. Snímače mohou být vybaveny programovatelným převodníkem, digitální komunikací, obvody pro diagnostiku a bezdrátovou komunikací pro přenos dat. Senzor teploty se málokdy instaluje přímo do průmyslového technologického zařízení. Častěji je se umisťuje do teploměrové jímky, která jej chrání před nepříznivými provozními vlivy. Při umístění senzoru teploty do jímky jsou vždy ovlivněny jeho dynamické vlastnosti, jak je o tom pojednáno dále. Specifické požadavky jsou kladeny na aparatury snímačů používaných v potravinářských a farmaceutických výrobách, kde se kromě rychlé odezvy a vysoké přesnosti měření vyžaduje i pravidelné čištění a sterilizace aparatury. V těchto případech je důležitým faktorem splnění požadavků na hygienu a sanitaci výrobního zařízení.  Procesy CIP a SIP v potravinářských a farmaceutických výrobách Samozřejmým postupem v potravinářských a farmaceutických výrobních procesech je čištění a sterilizace výrobního zařízení. Proto jsou výrobní linky v mlékárnách, pivovarech, v nápojovém průmyslu a ve farmaceutických výrobách uzpůsobeny tak, aby vnitřní povrchy výrobního zařízení byly vyčištěny bez nutnosti demontáže (popř. s demontáží jen v omezeném rozsahu). Proces CIP (Clean-In-Place) je metoda čištění vnitřních povrchů potrubí, nádob, technologických zařízení, filtrů a příslušného vybavení bez demontáže. Výhodou procesu CIP je pro průmyslový podnik rychlejší čištění, méně náročné na pracovní sílu a opakovatelnější. Obsluha je při vyžití CIP méně vystavena rizikovým chemickým látkám. Zařízení pro čištění CIP se začala využívat nejprve při ručním řízení a zahrnovala např. vyrovnávací nádrž, odstředivé čerpadlo a připojení k čištěnému systému. Jednoduchá, ručně ovládaná zařízení CIP lze nalézt i dnes. Současné aparatury CIP zahrnují mnoho provozních nádrží, výměníků tepla, ventilů, snímačů, plně automatizované systémy s programovatelnými logickými řadiči, čidla pro získávání dat a speciálně navržené systémy trysek pro přívod čisticích kapalin. Čisticí operace se provádějí v řadě definovaných kroků. V závislosti na případu použití jsou čisticí kapaliny zahřáty na teplotu až 100 °C. Aby byly odstraněny všechny nečistoty, je zapotřebí turbulentní proud čisticího média, přičemž rychlosti průtoku se obvykle pohybují mezi 1,5 až 3 m/s. Proces SIP (Sterilization-In-Place), někdy nazývaný také Steam-In-Place, je rozšířením procesu CIP o dodatečnou sterilizaci bez nutnosti demontáže zařízení a měřicího zařízení. Po provedení čisticího postupu CIP se zařazuje sterilizace těch zařízení, na která jsou kladeny velké požadavky ohledně hygienické čistoty. Sterilizace je běžně vyžadována ve farmaceutickém průmyslu. Tento proces musí probíhat po dostatečně dlouhou dobu, aby byly všechny mikroorganismy usmrceny horkou vodou nebo nasycenou čistou párou při vysokých teplotách (>121 °C). Proces SIP se obvykle provádí parou dodávanou z parního generátoru. Někdy se však provádí chemická sterilizace vhodným médiem. Pro vlastní řízení postupů CIP a SIP musí být zařízení vybaveno potřebnou automatizační technikou (měření a řízení teploty a tlaku páry, popř. měření průtoku a složení čisticích médií). Parametry teploty, tlaku, průtoku, koncentrace a doby expozice musí být řízeny systémem, který lze nakonfigurovat s několika možnostmi pro zajištění parametrů čištění a sterilizace a ty provádět spolehlivým, opakovaným a ověřitelným způsobem. Pro monitorování a řízení jednotlivých fází procesů CIP a SIP se obvykle využívají vhodná PLC. Při použití materiálů, které jsou v kontaktu s potravinami, je nutné dodržovat závazná nařízení Evropského parlamentu ES--1935-2004 o materiálech a předmětech ve styku s potravinami, ES-10-2011 o materiálech z plastů a ES-2023-2006 o správné výrobní praxi. Dále existují nezávazné standardy EHEDG (Europen Hygienic Engineering and Design Group) pro zařízení a materiály ve styku s potravinami, jejichž cílem je přispět k zajišťování výroby bezpečných a kvalitních potravin.  Odporové senzory teploty U odporových senzorů teploty se využívá závislost hodnoty elektrického odporu na teplotě, přičemž vlastní senzor může být rea­lizován kovovým nebo polovodičovým rezistorem. Ve snímačích teploty pro potravinářské a farmaceutické výroby se nejčastěji využívají kovové odporové senzory vyrobené z platiny. Elektrický odpor R kovových vodičů vzrůstá s teplotou t. Pro čisté kovy je možné závislost vyjádřit polynomem se součiniteli A, B, CR = R0 (1 + A t  + B t2 + C t3 + ...)       (3)  kde R0 je odpor při vztažné teplotě 0 °C. Hodnoty součinitelů A, B, C pro platinový odporový teploměr jsou uvedeny v ČSN EN 60751. V technické praxi lze vystačit s aproximační rovnicí 2. stupně. Obr. 1. Drátový měřicí rezistor: a) schéma senzoru s přibližnými rozměry v mm, b) řez senzorem se čtyřvodičovým připojenímSenzorem odporového snímače teploty je buď měřicí rezistor vinutý z platinového drátku, nebo plošný rezistor vytvořený tenkovrstvou technologií. Drátový měřicí rezistor je tvořen spirálovitě stočeným tenkým platinovým drátkem (o průměru 0,05 mm), který je uložen do keramického tělíska (obr. 1). Základní odpor při 0 şC činí R0 = 100 Ω a prvek je obvykle označován jako Pt100. Měřicí rozsah je od –200 do 850 şC. Tenkovrstvý senzor má měřicí rezistor ve tvaru platinového meandru, který je vyroben moderní fotolitografickou metodou. Struktura senzoru je patrná z obr. 2. Platinový meandr je vytvořen na ploché korundové destičce technikou vakuového naprašování nebo napařování a iontového leptání platinové vrstvy. Elektrický odpor se přesně nastavuje laserovým trimováním. Skleněná krycí vrstva chrání citlivý platinový měřicí prvek před znečištěním a poškozením. Tenkovrstvé senzory teploty mají miniaturní rozměry a poskytují rychlejší odezvu než odpory drátové. Vyrábějí se nejen se základním odporem R0 = 100 Ω jako Pt100, ale i s větším odporem jako Pt500 či Pt1000. Měřicí rozsah bývá menší než u drátových senzorů, od –70 do 400 °C, popř. až do 600 °C [2]. Obr. 2. Tenkovrstvý odporový senzor: a) schéma senzoru, b) reálné provedení, c) přibližné rozměry v mmOproti tenkovrstvým senzorům jsou senzory s drátovým rezistorem časově stálejší, mají větší měřicí rozsah, ale horší dynamické vlastnosti a jsou náchylné na poškození při mechanických vibracích. Tenkovrstvé senzory mají zase velmi příznivé dynamické vlastnosti a vynikající odolnost proti vibracím. Provozní snímače teploty s odporovým senzorem Obr. 3. Snímače teploty pro hygienické aplikace: a) E+H iTherm TM411, b) Krohne Optitemp TRA H10, c) JUMO 90.2810Na trhu je k dispozici velké množství provozních snímačů teploty, které splňují požadavky potravinářských a farmaceutických linek na hygienu a sanitaci. Vesměs jde o snímače vybavené inteligentním převodníkem. Na obr. 3 je uvedeno několik ukázek. Modulární snímač teploty iTherm TM411 od společnosti Endress+Hauser (obr. 3a) může být osazen buď tenkovrstvým senzorem (–50 až 200 °C) s velmi rychlou odezvou (t90 = 1,5 s), nebo pro měření v širším rozsahu teplot (–200 až 600 °C) drátovým senzorem. V nabídce je více než 50 různých variant procesního připojení snímače. Snímač Optitemp TRA-H10 (obr. 3b), výrobek firmy Krohne, má odporový teplotní senzor umístěný v konci stonku, který je vyplněn teplonosnou pastou pro dosažení rychlejší odezvy a lepší odolnosti proti vibracím. V tomto provedení není senzor vyměnitelný (vyměnitelný senzor je u typu H20). Snímač pro potravinářský a farmaceutický průmysl typu 90.2810 od společnosti JUMO (obr. 3c) je možné vybavit adaptérem pro procesní připojení JUMO PEKA, který má certifikaci EHEDG. Příklady užití snímačů teploty i dalších snímačů provozních veličin spolu s názornými technologickými schématy z oblasti potravinářských a biotechnologických výrob je možné nalézt v materiálech firmy JUMO (www.jumo.de, na kartě Branchen/Industry). Další snímače spolu s vybranými technickými parametry najde čtenář v tabulce přehledu trhu na str. 30 a 31. Obr. 4. Samokalibrující se snímač TM371 (E+H): a) snímač TM371, b) schéma senzorové částiUnikátní vlastnosti vykazuje snímač iTherm TrustSens TM371 společnosti Endress+Hauser (obr. 4). Snímač je vybaven plně automatickou funkcí samokalibrace, která umožňuje monitorování teploty v hygienických a aseptických prostředích bez přerušení procesu a výrazně přispívá ke zvýšení přesnosti a spolehlivosti měření. Snímací jednotka tohoto přístroje je tvořena měřicím tenkovrstvým senzorem Pt100 spolu s vysoce přesným a dlouhodobě stabilním referenčním prvkem. Referenční prvek je vyroben z materiálu s definovanými feromagnetickými vlastnostmi, které se strmě mění při teplotě tzv. Curieho bodu. Tuto změnu lze elektronicky detekovat (např. podle změny elektrické kapacity materiálu). Referenční prvek ve snímači má teplotu Curieho bodu 118 °C. Při sterilizaci SIP je technologické zařízení vyhřáté horkou párou na teplotu vyšší než 121 °C. Poté při poklesu teploty na hodnotu 118 °C vyšle referenční prvek řídicí signál, platinový senzor současně změří aktuální teplotu. Porovnáním těchto dvou hodnot se provede kontrolní kalibrace tenkovrstvého platinového senzoru. Je-li odchylka měřené hodnoty mimo nastavené rozmezí, vyšle teploměr poruchové hlášení a současně je tento stav indikován červenou LED na hlavici snímače. Detailní popis snímače TM371 a jeho funkce je uveden v [3]. Obr. 5. Snímač teploty s diagnostickým výstupem (www.ifm.com/cz): a) schéma snímače, b) snímač řady TADLepší provozní spolehlivosti inteligentních snímačů teploty je možné dosáhnout také duál­ním provedením, tedy použitím dvou různých senzorových prvků, které se v průběhu procesu navzájem sledují. Tato diagnostická metoda zaznamená případnou odchylku senzoru. Duální provedení plní i zálohovací funkci. V případě poruchy jednoho ze senzorů může měření pokračovat s druhým senzorem. Snímač tohoto typu od firmy ifm electronic je na obr. 5 [4].  Montáž snímačů do technologické aparatury Jedním ze základních předpokladů správného měření teploty je vhodné umístění snímačů teploty do jednotlivých částí aparatury, a to tak, aby byl zajištěn správný přestup tepla a dokonalý styk s měřeným prostředím. Měřicí místo musí být voleno s ohledem na snadnou montáž, demontáž a údržbu snímače teploty. Obr. 6. Zabudování snímače teploty do potrubíPro zvýšení přestupu tepla se teploměr umisťuje do místa s vyšší rychlostí proudění, a nikoliv do koutů bez proudění. Senzor teploměru má zasahovat přibližně do osy potrubí. Do potrubí větších průměrů se umisťuje teploměr kolmo na směr proudění (obr. 6a) s odchylkou od kolmice minimálně o úhel 3°, aby se zajistilo samovypouštění kapaliny. U potrubí menších průměrů (do 200 mm) se umisťuje teploměr šikmo (pod úhlem 45o) proti směru proudění (obr. 6c), popř. do kolena potrubí proti směru proudění (obr. 6b). Při měření teploty kapalin v nádobách je třeba měřenou kapalinu míchat, aby byl zvětšen součinitel přestupu tepla a aby bylo dosaženo homogenního teplotního pole. Ztráty tepla vedením se omezí dostatečným ponorem teploměru. Obr. 7. Základní typy teploměrových jímek (upraveno podle [5])Při provozním měření je nutné velmi často umístit snímač teploty do teploměrové jímky, která chrání teploměr před mechanickými a chemickými vlivy způsobenými např. změnami tlaku či agresivními chemickými vlastnostmi média. Teploměrové jímky jsou v podstatě uzavřené kovové trubky válcového nebo kuželovitého tvaru, které jsou nainstalovány do potrubí nebo do technologických aparatur a stávají se jejich nedílnou součástí. Nejčastěji používané typy teploměro­vých jímek (přírubová, závitová a navařovací) jsou schematicky znázorněny na obr. 7, v pravé části obrázku jsou ukázky teploměrných jímek od společnosti Emerson [5]. Při volbě materiálu jímky je třeba respektovat vlastnosti provozního média, rozmezí pracovní teploty a kompatibilitu s materiálem provozní aparatury. Z teploměrové jímky lze snímač snadno vyjmout např. při kalibraci nebo jeho výměně, aniž by bylo nutné narušit výrobní proces a aparaturu vyprázdnit. Pro zvýšení ochrany proti korozi a erozi bývají kovové jímky potaženy vhodným materiálem, např. plastem nebo smaltem, což se ale projeví zhoršením dynamických vlastností. Obr. 8. Dynamické vlastnosti snímačů teploty s teploměrovou jímkou (upraveno podle [6])Umístění snímače teploty do jímky vždy značně ovlivní jeho dynamické vlastnosti. Je to způsobeno tím, že hmotnost jímky bývá mnohdy několikanásobně větší než hmotnost vlastního senzoru a je dominantním faktorem rychlosti odezvy celého snímače. Na obr. 8 je ukázáno, jak způsob instalace snímače významně ovlivní časový průběh odezvy teploměru. Odezva na skokovou změnu teploty proudící vody byla měřena a) měřicí vložkou s odporovým teploměrem Pt100 v kovovém ochranném pouzdru o průměru 6 mm, b) měřicí vložkou vloženou do kovové teploměrové jímky, c) měřicí vložkou v teploměrové jímce opatřené ještě ochrannou plastovou vrstvou zabraňující korozi snímače [6]. Pro správné vyhodnocení teploty je nutné uvažovat vzniklou dynamickou chybu.  Souhrn a závěr Nejčastěji využívaným typem senzoru ve snímačích teploty, které jsou určeny pro potravinářské a farmaceutické výrobní provozy, jsou tenkovrstvé platinové senzory. Jejich vlastnosti zaručují požadovanou přesnost měření, mají velmi příznivé dynamické vlastnosti a výborně odolávají mechanickým vibracím.  Literatura: [1] KADLEC, K. Měření teploty. Měření a řízení chemických, potravinářských a biotechnologických procesů. Ed. K. KADLEC, M. KMÍNEK, P. KADLEC. Ostrava: Key Publishing, 2017. [2] JUMO. Teplotní senzory v provedení platinových čipů s připojovacími vodiči podle DIN EN 60751. [online]. [cit. 2018-4-19]. Dostupné z: http://www.jumo.cz/produkty/teplota/platinov%C3%A1-teplotn%C3%AD-cidla/2917/tenkovrstv%C3%A1.html [3] PROKEL, D. Samokalibrující se snímač teploty iTherm TrustSens TM371. Automa. 2018, (2-3), 34–35. [4] ifm. Teplotní senzory od ifm. Katalog ifm electronic. 2015, 07. [5] ROSEMOUNT. The Engineer’s Guide to Industrial Temperature Measurement. Ed. Emerson Process Management. 2013. [6] ABB. Industrial temperature measurement. Basics and practice. Ed. ABB 03/TEMP-EN Rev. D 09.2013.   doc. Ing. Karel Kadlec, CSc., Ústav fyziky a měřicí techniky VŠCHT Praha (karel.kadlec@vscht.cz)  

Bezpečné a citlivé kolaborativní roboty e-Series od Universal Robots

Návštěvníci MSV 2018 se mohli naživo seznámit s inovovanou řadu kolaborativních robotů e-Series společnosti Universal Robots (UR). Na živých ukázkách bylo možné pozorovat, jak pomocí těchto robotů s různými koncovými nástroji a doplňky snadno a bezpečně automatizovat četné operace ve výrobních a logistických provozech. Kolaborativní roboty UR3e, UR5e a UR10e najdou využití tam, kde má robot přímo spolupracovat s člověkem a kde se hodí svou nosností 3, 5 až 10 kg a dosahem, 500, 850 a 1 300 mm. Při své práci jsou nyní přesnější a citlivější, protože mají nově zabudovaný senzor síly a momentu F/T . Společnost Universal Robots úzce spolupracuje s distributory Exactec, Dreamland PLC a Amtech. Tyto společnosti vystavovaly v blízkosti stánku Universal Robots, takže zákazníci se mohli se svými  dotazy a požadavky na začlenění robotů do svých provozů obracet i na jejich odborníky. (ev)

Fórum Automa na MSV v Brně

Fórum Automa ve stánku C1 na MSV v Brně se stalo první den prostorem pro setkání odborníků na automatizaci a průmyslovou informatiku. Ve středu, 3. října, byly na programu přednášky o robotice a strojovém vidění, ve čtvrtek 4. října následoval blok s tématem automatizace a digitalizace v průmyslových provozech. Program v úterý, 2. října 10:00 Digitální továrna Compas 10:45 Kouknu a vidím aneb chytré řízení výroby 11:30 Průmysl 4.0 a ifm elektronic – kompletně a jednoduše 12:15 Průmysl 2020 13:00 Dálková komunikace s regulovanými pohony (pdf) 13:45 WAGO digitalizace (pdf) 14:30 O čem se hovoří v automatizaci procesní výroby   Program ve středu, 3. října 10:00 Prezentace produktů firmy Kawasaki 10:45 Ready2_use produkty, novinky v portfoliu KUKA 11:30 Využití programu MATLAB v robotice: počítačové vidění a Deep Learning (pdf) 13:00 Použití digitálního dvojčete robotické linky při jejím virtuálním zprovoznění 13:45 Jak na vizuální kontrolu s umělou inteligencí 14:30 Model-based design s využitím nástrojov MATLAB, Simulink a dSPACE (pdf)   Program ve čtvrtek, 4. října 10:00 Národní Centrum Průmyslu 4.0 a projekt RICAIP 10:45 FANUC: Skutečně automatická továrna 11:30 Bezdrátový přenos I/O signálů a řízení ventilových bloků v průmyslovém prostředí 13:00 Automatizace rozhodování 13:45 Výrobní buňka 4.0 – výrobní pracoviště blízké budoucnosti 14:30 Automatizace a monitoring výroby, sběr dat a on-line vizualizace (pdf)

Energetický řetěz Multiflex pro roboty

Nový energetický řetěz Multiflex je navržen pro instalaci v robotech nebo obráběcích centrech nové generace, kde dochází k pohybům v mnoha směrech. Tento řetěz doplňuje sortiment produktů energetických řetězů Silvyn Chain pro spolehlivé vedení a ochranu kabelů při dynamických pohybech.  Charakteristiky energetického řetězce Multiflex: ●            Každý článek rotuje o ±10°. ●            Ochrání kabely při pohybech všemi směry. ●            Vydrží teploty od –30 až 125 °C. ●            Je zcela uzavřený, ale snadno otevíratelný.Ke zkrácení nebo prodloužení je potřeba pouze šroubovák.  Jak snadno se s řetězem pracuje, ukazuje toto video. Energetický řetěz Multiflex dovolí strojům pohyb ve všech směrech. Další technické informace jsou uvedeny zde. LAPP KABEL s. r. o., tel.: +420 573 501 086, e-mail: info@lappgroup.com, http://www.lappgroup.cz

IO-Link novinky nejen pro potravinářský průmysl

Firma ifm electronic v rámci své kampaně pro potravináře představuje konkrétní řešení pro potravinářský průmysl. Pro toto náročné odvětví uvádí řadu přístrojů s rozhraním IO Link.  Na svém blogu closetoyou.cz zveřejnila společnost článek, zaměřený na produkty pro práci s kritickými kontrolními body, požadavky na hygienu a sanitaci. Pod heslem „nejen pro potravináře“ jsou představeny inovativní senzory polohy ventilu řady MVQ, již nyní vysoce oceňované ve vodárenských provozech. Čistě „potravinářskou“ zajímavostí jsou teplotní senzory řady TAD. Mají dva integrované měřicí články pracující na dvou různých fyzikálních principech. Díky tomu mají senzory TAD autodiagnostické funkce. Výhodou jsou také snížené náklady na kalibraci. Nemusí se totiž kalibrovat tak často a bezdůvodně. Velmi dobře hlídají hodnoty procesních veličin. Ve zmíněném blogu jsou popsány také senzory řad LMT a LMC, které dovedou měřit hladinu a zároveň rozpoznat medium proudící v potrubí. Portfolio propojovací techniky společnosti ifm electronic bylo rozšířeno o svorkové konektory M12 typu EVF, které jsou určeny do hygienického prostředí a odolávají namáhání v tahu. Díky unikátnímu provedení mají krytí IP69K. Součástí kampaně pro potravináře jsou názorné animace, videa a návrhy možného použití. Dozvíte se například, jak změřit a vizualizovat stav naplnění sila či nádrže. ifm electronic, spol. s r. o., www.ifm.com/cz , e-mail: info.cz@ifm.com

COMPAS pomáhá výrobním podnikům s digitalizací výroby

Na letošním Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně představí společnost Compas automatizace, spol. s r. o., své inovativní řešení digitální továrny Compas i novou aktivitu – konstruování a výrobu strojů a zařízení. K novinkám letošní expozice patří také simulace robotických pracovišť pro virtuální ověření implementace robotů ke strojům a technologickým linkám v novém grafickém prostředí.Ve stánku budou představeny koncepty aplikací systému MES/MOM (Manufacturing Execution System/Manufacturing Operation Management) s názvem COMES pro řízení montáží v diskrétní výrobě, modul řízení interní logistiky COMES WMS (Warehouse Management System) a řízení údržby CMMS (Computerized Maintenance Management System) COMES Maintenance. Firma Compas automatizace pomáhá svým zákazníkům realizovat jejich cíle i ve vizi Industry 4.0, kterou dílčím způsobem naplňuje svým konceptem Digitální továrny Compas. Obr. 1. Firma Compas automatizace nabízí kromě oživování robotů nově také služby své konstrukční kancelářeTechnologie, stroje a robotikaCompas konstruuje jednoúčelové stroje a zařízení podle požadavků zákazníků. Služby zahrnují rovněž úpravy existujících strojů i linek, implementaci robotů a s tím související úpravy technologických zařízení.Dodávku zařízení zajišťuje od návrhu konstrukce přes výrobu, po montáž a uvedení do provozu. Součástí dodávky je rovněž část elektro a automatizace zařízení. Compas zajišťuje také záruční i pozáruční servis.Robotická pracovištěFirma Compas spolupracuje s předními výrobci robotů. Roboty implementuje do výrobních procesů svých zákazníků s podporou nejmodernějších simulačních nástrojů. Předchází se tak možným kolizím při zprovozňování robotizovaných linek a zařízení. Technologické funkce je možné v co největším rozsahu vyzkoušet již při vývoji, čímž se zkracují nutné výrobní odstávky na minimum.Integrované řízení výroby, logistiky a údržbyCompas pomáhá svým zákazníkům realizovat jednotlivé funkce MES a kompletní integraci systémů. Nabízí jim COMES MOM – systém pro integrované řízení výroby, logistiky a údržby. Sofistikovaná automatizacePod pojmem „sofistikovaná automatizace“ se skrývá automatizace jednotlivých výrobních operací podporovaná recepturovým řízením, která umožňuje dosáhnout velké flexibility výroby. Výrobní operace jsou řízeny na základě specifikace výrobku. Přínosy Digitální továrny CompasIntegrované řízení výrobních závodů od ekonomické úrovně přes automatizaci až po technologická zařízení přináší:značné úspory pracovníků, u nových technologií až desítky procent, nahrazení ruční práce roboty,významný nárůst produktivity práce v souvislosti s úsporou personálu díky robotizaci,kompletní digitalizaci výroby (zvýšení rychlosti, přesnosti i jakosti výroby, nahrazení papírové dokumentace),podporu obchodní integrace, systémů ERP (Enterprise Resource Planning) a EDI (Electronic Data Interchange) informacemi z výroby (v reálném čase),vertikální integraci – provázání všech výrobních funkcí do integrovaného systému,podporu vysoké efektivity výroby, minimalizaci ztrát a neproduktivních časů,podporu flexibility výroby i malých sérií až do kusové výroby,virtualizaci řídicího systému, ověření jeho funkce a urychlení uvádění do provozu,podporu personálního managementu ve výrobě (oprávnění, kvalifikace a motivační odměňování pracovníků),podporu výrobního týmu (manažerů, mistrů a operátorů) informacemi v reálném čase pro nejlepší výsledky,podporu efektivní práce údržby pokročilými funkcemi (autodiagnostika, analýza měření veličin apod.),zajištění integrovaného inženýrinku pro operativní řízení výroby (od specifikace výrobků i jejich variant přes řízení výroby výrobkem, dokumentování výroby a podporu řešení reklamací až po zajištění značení výrobků a integrované řízení interní logistiky). Osobní setkání na MSV v BrněNa letošním Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně bude společnost Compas automatizace vystavovat v pavilonu G1, ve stánku č. 107. Výstavní stánek se hodí k osobnímu setkání se zákazníky a odborným konzultacím. Pracovníci firmy Compas automatizace se těší na návštěvníky a rádi jim představí letošní exponáty:„Digitální továrna“ – simulace automatizované výrobní linky s roboty,COMES MOM – flexibilní řízení výrobních nebo montážních operací v souladu s vizí Industry 4.0,COMES APS – pokročilé elektronické plánování diskrétní výroby a údržby,COMES OEE – monitoring a vyhodnocování efektivity výroby,COMES WMS – řízení materiálů a jejich toků ve výrobě včetně traceability výroby,COMES Maintenance –systém CMMS pro řízení údržby podniku.Podrobnosti jsou uvedeny na stránkách www.compas.cz, www.oee.cz a www.comes.eu. (Compas automatizace, spol. s r. o.)