Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

„Čtvrtá průmyslová revoluce“ potřebuje komunikační sítě

Industrie 4.0 je projekt, který vznikl v Ně­mecku a jehož cílem je podporovat v němec­kých firmách vznik integrovaných a flexibil­ních výrobních systémů. Průmyslovou vý­robu totiž v nejbližší době pravděpodobně čeká tzv. čtvrtá průmyslová revoluce: vý­robky budou při své vlastní výrobě stále in­teraktivnější a mezi stroji, výrobními linka­mi a jednotlivými provozy bude rozložena inteligentní komunikační síť podobná inter­netu. Analogicky s internetem dojde i k de­centralizaci řídicích funkcí, v současné době soustředěných v řídicích systémech. Decen­tralizace řídicích systémů, jejímž výsledkem jsou i moderní pohony s decentralizovaným řízením, umožňuje již dnes změnu zaběhnu­tých automatizačních postupů. Podmínkou budoucích rozvoje této výrobní koncepce je však také existence spolehlivých komu­nikačních systémů, které navíc dokážou pře­nášet enormní množství dat. Díky svým spe­cifickým vlastnostem se protokoly POWER­LINK a openSAFETY právě pro tyto úlohy zvláště dobře hodí.

 
První průmyslová revoluce v 19. století nahradila ruční práci stroji, poháněnými nej­častěji párou. V rámci druhé průmyslové re­voluce uplatněním pásové výroby výrazně vzrostla dělba práce. Třetí průmyslovou re­voluci uprostřed 20. století odstartoval vyná­lez tranzistoru. Od té doby bylo možné začít automatizovat a řídit výrobní procesy v do­posud netušené míře. To umožnilo postupně snížit výrobní náklady natolik, že spotřební zboží, dříve vyhrazené pouze hrstce boha­tých, se stalo dostupným téměř pro každého.
 

Sériová výroba individuálních produktů

Dnešní zákazníci si cení individuality, ale nechtějí platit za ruční výrobu. Tento para­dox tlačí na výrobce strojů a výrobních li­nek, aby minimalizovali čas a úsilí nutné pro přenastavení stroje na jiný výrobek – v nejlepším případě by přenastavení mělo být automatické.
 
Současné systémy řízení výroby jsou příliš rigidní a neodpovídají požadavkům moderní výroby. Již delší dobu se tedy výrobci snaží vytvářet pružnější výrobní linky, s možnos­tí snadno přizpůsobit výrobu individuálnímu výrobku. To se daří např. díky propojení stro­jů do sítě a připojení do systémů pro správu skladů a plánování výroby.
 

Komunikace a decentralizace

V této oblasti se již léta osvědčuje otevře­nost komunikačního protokolu Powerlink, který díky tomu, že je založen na Etherne­tu, usnadňuje výměnu dat nejen mezi stroji ve výrobní hale, ale také s informačními sys­témy v kancelářích.
 
Dalším důležitým krokem na cestě k pruž­nější a adaptivní výrobě je rozprostření „in­teligence“ (řídicích a komunikačních funkcí) uvnitř každého stroje na jednotné etherneto­vé platformě pracující v reálném čase. Toho lze dosáhnout použitím moderních decentra­lizovaných řídicích systémů, včetně decent­ralizovaných modulů vstupů a výstupů a de­centralizovaných modulů pro řízení pohonů s vlastní intergrovanou inteligencí. Takové ří­dicí systémy totiž umožňují stavět modulární stroje, které lze navíc dynamicky konfigurovat za provozu. Ovšem nejen inteligentní systémy řízení pohonů, ale stále více i jednotlivé sní­mače s vlastní inteligencí přispívají k rozpro­stření výpočetního výkonu a dat uvnitř stroje.
 

Konzistence od návrhu až po oživení

Současně se také objevily nové principy v oblasti tvorby softwaru, které umožňují pře­nést záměry a myšlenky vývojářů do výroby bez jakýchkoliv ztrát informací při převodech mezi vývojovými prostředími různých oborů. Z výkresů CAD lze tak přímo generovat pro­gramy pro stroje CNC a z dat montážních se­stav zase informace pro plánování a simulaci výroby. Také data získaná simulací kinema­tiky a dynamiky pohyblivých částí v progra­mech počítačově podporovaného inženýrství (CAE) nebo rovnice dynamických systémů získané z programů pro matematické mode­lování je možné přímo přeložit na programo­vý kód pro řízení strojů nebo výrobních linek.
 
Internet mezitím pronikl do životů uživa­telů doma i v zaměstnání a otevřel cestu no­vým metodám správy a využívání dat. Velké počítače a centrální úložiště dat byly nahra­zeny stále rostoucím počtem menších jed­notek, ke kterým lze přistupovat odkudkoliv na světě. Dávkové zpracování příkazů nahra­dily systémy klient-server, internetové vyhle­dávací mechanismy a odkazy na data v síti.
 

Internet věcí

Zavedení těchto mechanismů do běžné průmyslové výroby je cílem jednoho z pod­půrných programů německé vlády s názvem Industrie 4.0. Má se za to, že využití popsa­ných mechanismů ve výrobě od základů změ­ní zavedené výrobní procesy. Data o výrob­cích a výrobním zařízení budou decentra­lizována a jejich zpracování bude probíhat ve smyslu „internetu věcí“. Data budou pu­tovat s výrobkem nebo budou dosažitelná po­mocí odkazu do sítě nebo cloudu.
 
Změny v metodice, od postupů řízení vý­roby až po rekonfiguraci stroje, volbu nástro­je a materiálu vyvolanou samotným zpraco­vávaným výrobkem, jdou ruku v ruce s dal­ším zvýšením požadavků na průmyslovou komunikaci.
 

Otevřená, bezpečná a spolehlivá síť

„Objemy přenášených dat prudce rostou, stejně jako počty synchronizovaných os,“ říká Stefan Schönegger, výkonný ředitel sdružení EPSG (Ethernet Powerlink Standardization Group). „To vyžaduje vysokorychlostní ko­munikaci až na úroveň jednotlivých snímačů a akčních členů a předpokládá práci v reál­ném čase v celých rozsáhlých sítích. Žádný systém na trhu tyto požadavky nesplňuje tak dobře jako protokol Powerlink.“
 
Vysoce automatizovaná spolupráce mezi systémy různých výrobců vyžaduje mini­malizaci rizika výpadků. I pro tento účel je protokol Powerlink dobře vybaven. Zajišťuje redundanci řídicích jednotek i komunikač­ních kabelů, a to bez nutnosti použít speciální hardware.
 
Dalším základním požadavkem na prů­myslovou komunikační síť je, že musí umož­ňovat spolupráci systémů různých výrobců na jedné síti. Je nepředstavitelné, že by je­diný dodavatel nabízel ta nejlepší řešení pro veškerou problematiku v automatizaci. Kom­patibilita s existujícími systémy a velká ote­vřenost jsou tedy naprosto zásadní.
 

Bezpečnost především

Problém, který je v diskusi o integrova­né výrobě zatím zmiňován poměrně málo, je zajištění bezpečnosti obsluhy. I při zajištění požadované bezpečnosti však musí výrob­ní procesy zůstat dostatečně pružné. Stroje a výrobní linky musí samy umět přizpůsobit svou konfiguraci právě vyráběnému výrobku. Zde pomůže modularizace stroje a možnost měnit pořadí jednotlivých modulů. Specifi­kace a vývoj v této oblasti proběhly v rámci EPSG dávno před tím, než se začalo o čtvrté průmyslové revoluci mluvit.
 
Bezpečnostní řídicí systémy integrované do průmyslových sběrnic jsou neodmyslitel­nou součástí konstrukce modulárních stro­jů. Protokol openSafety, nezávislý na typu použité sběrnice, umožňuje vybavit bezpeč­nostní technikou i strojní moduly nebo části výrobních linek, které mezi sebou komuni­kují různými protokoly. Pomocí openSafety lze tedy sdružit celou výrobní linku, včetně jejích dynamicky konfigurovatelných částí, do jednoho bezpečného celku. Systém navíc umožňuje úplně odstranit bezpečnostní ohra­zení, a to díky plně integrovaným bezpečnost­ním funkcím pro složité kinematické řetězce, konkrétně např. díky funkci bezpečné rych­losti koncového bodu robotu.
 
Tyto vlastnosti, které jsou předpokladem použití ve vysoce flexibilních výrobních za­řízeních budoucnosti, má openSafety díky své otevřenosti. „Firemní, uzavřená řešení jsou minulostí. Základem integrované výro­by, jak o ní mluví německá vláda v projektu Industrie 4.0, je otevřenost,“ dodává Stefan Schönegger.
(B&R)
 
 

Protokol Powerlink

Objemy přenášených dat prudce rostou, stejně jako počty synchronizovaných os. To vyžaduje vysokorychlostní komunikaci až na úroveň jednotlivých snímačů a akčních členů a předpokládá práci v reálném čase v celých rozsáhlých sítích. Žádný systém na trhu tyto požadavky nesplňuje tak dobře jako protokol Powerlink.
 

Rozhovor se Stefanem Schöneggerem

 
Stefan Schönegger je vedoucím mar­ketingu u firmy B&R Industrial Automati­on a současně výkonným ředitelem skupi­ny EPSG. Setkal jsem se s ním na tiskové konferenci, kterou pořádala společnost B&R v září 2013 rakouském Salcburku. Předsta­vovala zde novinářům v předstihu své no­vinky, které prezentovala koncem listopadu na veletrhu SPS IPC Drives.
 
Stefan Schönegger mi v Salcburku po­skytl krátký rozhovor. Téma rozhovoru dob­ře souzní s tématem tohoto článku, proto jej zveřejňujeme až nyní.
 
Pane Schöneggere, výrobní linky jsou stá­le složitější a požadavky na jejich flexibi­litu stále větší. Jak pomůže vaše nové in­ženýrské prostředí Automation Studio 4 jejich konstruktérům a inženýrům, kte­ří se starají o jejich uvedení do provozu a údržbu?
První věc je zajistit komunikaci mezi komponentami a stroji různých výrobců. V oblasti řídicích systémů je velkou pomo­cí univerzální protokol Powerlink, založený na Ethernetu. Firma B&R v prostředí Auto­mation Studio důsledně využívá platformu OPC UA, která zajišťuje nadstavbu nad ko­munikačními systémy a umožňuje realizo­vat takové funkce jako např. autoidentifikaci účastníků komunikace.
 
Dalším přínosem prostředí Automation Studio 4 je možnost pracovat v multiprojek­tovém prostředí. To je velmi výhodné pro ty výrobce strojů, kteří vyrábějí mnoho vel­mi podobných strojů. Automation Studio 4 umožňuje vytvořit jeden mateřský projekt ob­sahující naprogramované a otestované funkč­ní moduly pro všechny varianty stroje. Z nich se potom podle konkrétní konfigurace vybe­rou správné softwarové součásti pro daný stroj. Tyto součásti jsou vzájemně přizpů­sobené, konstruktéři nemají žádné problé­my např. s výměnou proměnných.
 
Pro Automation Studio 4 jsou klíčovými slovy otevřenost a standardizace. Proč?
To je jednoduché. Podívejte se např. na programování logických funkcí. Existu­je mnoho programovacích jazyků. Někte­ré jsou součástí normy IEC 61131-3, na ně jsou zvyklí především automatizační inže­nýři, ale lidé, kteří studovali informatiku, programují raději v C nebo C++. Každý ja­zyk má své přednosti, některé jsou vhodné pro jednodušší úlohy, jiné pro složitější. Au­tomation Studio je otevřené ke všem stan­dardním programovacím jazykům, vývojář si může svobodně vybrat, který jazyk pou­žije. Naproti tomu Automation Studio vede vývojáře k tomu, aby pracovali jednotným standardizovaným způsobem. To zjednodu­šuje jejich spolupráci na jednom projektu. U malých výrobců strojů, kteří mají jedno­ho nebo dva programátory, to omezuje rizi­ko v případě, že se programátor z určitého důvodu rozhodne firmu opustit. Pro jeho ná­stupce jsou všechny programy snadno po­chopitelné a může začít pracovat tam, kde jeho předchůdce přestal.
 
Druhé téma – ale o tom už jsme mluvili před chvílí – je komunikace. Součástí vý­robních linek jsou stroje a moduly od růz­ných výrobců a důsledná standardizace je­jich rozhraní je nesmírně důležitá. Pomáhá omezit úsilí potřebné na uvedení celé linky do provozu i na její rekonfiguraci.
 
Jak se Automation Studio vypořádá s té­matem bezpečnosti strojů a zařízení, zvláště u linek, kde se předpokládá přímá spolupráce robotu s lidskou obsluhou?
To je pro společnost B&R velmi důležité téma. Podíleli jsme se na tvorbě normy EN ISO 10218 (Roboty pro výrobní prostředí – požadavky na bezpečnost) a vyvinuli jsme pro prostředí SafeDesigner knihovnu cer­tifikovaných funkčních bloků pro zajištění bezpečnosti robotických pracovišť. Na roz­díl od bezpečnostních funkcí pro jednotlivé pohony tyto funkce počítají se zajištěním bezpečnosti současných pohybů až v šes­ti osách. Výsledkem musí být pohyb kon­cového bodu robotu bezpečnou rychlostí.
 
Důležitou součástí zabezpečení robotic­kých pracovišť jsou bezpečnostní snímače. Ty nevyrábíme, ale spolupracujeme např. s firmou Sick. Jejich snímače a naše řídi­cí a bezpečnostní systémy potom umožňují realizovat robotická pracoviště bez ochran­ných plotů.
 
Vraťme se ještě na chvíli k otevřenosti a standardizaci. Hovořili jsme o tom, že tyto vlastnosti jsou v moderní automati­zaci třeba. Jenže současně otvírají cestu kybernetickým hrozbám.
Dnes se hodně hovoří o integrované vý­robě a internetu věcí ve výrobním prostředí. Jenže je třeba si uvědomit, že zajištění proti kybernetickým hrozbám je u takových sys­témů základní nutností, s níž se musí od za­čátku počítat. Například naše řídicí systémy mohou komunikovat prostřednictvím pro­tokolu TCP/IP, ale v počátečním nastavení je tato komunikace neaktivní. Uživatel si ji musí aktivovat – přitom předpokládáme, že se v takovém případě postará o zabezpečení tohoto rozhraní. Sítě s protokolem Powerlink jsou založeny na standardním Ethernetu, ale vzhledem k bezpečnostním mechanismům je proniknutí do nich velmi obtížné až ne­možné. Ethernet Powerlink využívá vlastní rozsah IP adres, přidělovaných pomocí ta­bulky NAT – Network Address Translation. Kromě jiných výhod to znemožňuje komu­nikovat v takové síti tomu, kdo obsah této tabulky nezná.
 
Mimoto spolupracujeme s externími fir­mami, které se zabývají kybernetickou bez­pečností, a ve spolupráci s nimi zajišťuje­me pro naše zákazníky i konzultační služby a školení, protože kybernetická bezpečnost není jen otázkou techniky, ale i bezpečnostní politiky firmy a správného chování uživatelů.
 
Vím, že v dnešním programu bude ještě přednáška o německém projektu Industrie 4.0. B&R je rakouská společnost. Proč je pro vás projekt Industrie 4.0 důležitý?
Cílem projektu Industrie 4.0 je podporo­vat konkurenceschopnost německého prů­myslu zvláště ve srovnání s asijskými a jiho­americkými firmami a s USA. Není zaměřen proti výrobcům v ostatních středoevropských zemích, naopak, rozvoj koncepce integrova­né výroby a Industrie 4.0 v Německu potáh­ne na stejnou úroveň i okolní středoevropské země. V tomto smyslu není projekt Industrie 4.0 omezen na Německo, prospěch z něj bu­dou mít i rakouské, české, polské nebo slo­venské firmy – budou-li na to připraveny. I nám, ačkoliv nejsme německá firma a pod­pora německé vlády se nás přímo netýká, pomůže tento projekt urychlit proces přije­tí koncepčních změn, abychom byli schopni reagovat na požadavky zákazníků.
 
Nezapomeňte, že Industrie 4.0 se netýká jen výroby v jednotlivých průmyslových zá­vodech, ale také kooperace v rámci dodava­telských řetězců, logistiky atd. Zvlášť v obo­rech, kde je velmi silná přeshraniční spolu­práce, jako je např. automobilový průmysl, budou výrobci v celém regionu konfronto­váni s koncepcí Industrie 4.0. To jsou důvody, proč i my vidíme v pro­jektu Industrie 4.0 velkou budoucnost.
(Rozhovor vedl Petr Bartošík.)
 
Obr. Stefan Schönegger, vedoucí marketingu firmy B&R a výkonný ředitel EPSG