Aktuální vydání

celé číslo

04

2022

veletrh Amper 2022
celé číslo

Modulárne výrobné systémy v prostredí chytrej továrne (smart factory)

Článok popisuje modulárny produkčný systém (MPS), ktorý je riešením, ako realizovať vysoko flexibilný výrobný proces v modernom podniku, v prostredí rýchlej zmeny po­žiadaviek zákazníkov a malovýroby. Systém je tvorený bázou komponentov a realizované výrobné linky môžu byť vďaka tomu veľmi variabilné štruktúry, ktoré majú rôznu realizačnú formu a rôzne topológie.

The article describes a modular production system (MPS), which is a solution for implementing a highly flexible production process in a modern production factory, in an environment of rapidly changing customer requirements and small-batch production. The system consists of a component base and the realized production lines can be very variable structures, which have different implementation forms and different topologies.

 

 

Súčasná situácia v celosvetovej ekonomike, globalizácia produkcie, rast medzinárodného obchodu, ale aj medzinárodnej konkurencie, ekologické či ekonomické požiadavky vytvárajú veľmi dynamické obchodné prostredie. Požiadavky trhu vedú k produkcii širokého spektra variantov výrobkov s malými množstvami, pričom sa výrazne skracujú časové intervaly od zadania objednávky do dodania produktu. Konkurencieschopnosti v takomto prostredí sú schopní iba výrobcovia, ktorí vyrábajú rýchlo, nákladovo efektívne, spoľahlivo a s dobrým načasovaním a sú schopní zaručiť široký sortiment vysokej kvality. Táto orientácia na požiadavky trhu má silný vplyv na výrobné systémy. Dnes zostávajú zriedka dlho v rovnakej konfigurácii a obvyklá je reorganizácia alebo prinajmenšom výmena jednej stanice – spôsobená adaptáciou na nové varianty alebo nové série. Dôležitú úlohu tu zohráva nákladový faktor, pretože systémy sa musia amortizovať v krátkom čase. Štvrtá priemyselná revolúcia, ako určitá realizačná báza tohto skoku, láka i vedie spoločnosti k výraznej transformácii založenej na redizajne interných procesov, zmene organizačných štruktúr, implementácii nových systémov a technológií, zmene spôsobu zamestnávania a pod.

Trendom vo výrobnej sfére je posun od klasických monolitických výrobných liniek k oveľa flexibilnejším riešeniam. Príkladom sú rôzne značne progresívne riešenia s využitím 3D tlače [1], [2] alebo o niečo klasickejšie spôsoby, ako napr. vysoko flexibilné modulárne výrobné systémy tvorené inteligentnými zariadeniami a robotmi – ktoré nakoniec môžu byť kombinované aj s 3D tlačou [3]. Modulárne výrobné systémy majú vysoký stupeň flexibility, pretože sú postavené zo štandardných modulov, ktoré je možné spojiť pomocou pevných prepojených dopravných systémov. Moduly a dopravné systémy sú vybavené štandardizovanými mechanickými rozhraniami pre rýchle a jednoduché pripojenie.

 

1. Modulárny produkčný systém novej generácie

Myšlienka modulárnych systémov nie je nová. Prvé zmienky o zákaznícky orientovaných, modulárnych a rekonfigurovateľných výrobných systémoch pochádzajú z 80. rokov minulého storočia [4]. V dnešnej technickej praxi sa stala implementácia modulárnych výrobných systémov bežnou v rôznych typoch výrobných prevádzok [5], [6], [7].

Moderné modulárne systémy musia reflektovať špecifiká doby. Za významné sa javia hlavne nasledujúce trendy. Predovšetkým je dôležitý trend skracovania životného cyklu produktov, ktorý je aktuálny naprieč celým spektrom výrobcov, nezávisle od sektora, rozsahu či typu produktového sortimentu. Výroba s dlhou dobou nábehu či vysokonákladové výroby nie sú dostatočne flexibilné pre produkciu „módnych“ či aktuálnosťou charakteristických produktov. Je tu výrazný dopyt po nových výrobných systémoch s rýchlym uvedením do prevádzky a kompletne vyhovujúcim produkčným cyklom. Ďalším faktorom je trend výraznej personalizácie a kustomizácie produkcie, kde je výroba konkrétneho typu produktu rozšírená o opcie, rôzne konkrétne prispôsobenia, doplnky a pod. Tu je vyslovene nevyhnutné disponovať „routovateľnou“ produkčnou infraštruktúrou pre zabezpečenie optimálnych produkčných trás, rekonfigurovateľných zostáv a variabilných realizačných scenárov. A rovnako je dôležitý aj trend rozvoja prostredia e-commerce, t. j. širokého spektra služieb elektronického sveta zahŕňajúcich množstvo rôznych e-shopov, e-služieb, e-bankingu, e-školení, e-tréningov a e-zábavy plne prepájajúcich klientske dopyty s obslužnými biznisovými systémami, priamo prepojenými s dodávateľskými reťazcami a s väzbou na produkčnú, výrobnú, distribučnú, podpornú či logistickú bázu.

 

2. Požiadavky praxe

Po uvážení týchto trendov si odborníci spoločnosti dovolili sformulovať biznisové stanoviská a požiadavky praxe:

  • výrobné spoločnosti pociťujú, že sú na prelome nových konceptuálnych a koncep­čných technických, technologických a organizačných zmien,
  • výrobné podniky žiadajú modulárne, multiúčelové, rekonfigurovateľné zariadenia a systémy ponúkajúce optimálne produk­čné, dispozičné, disponibilné a procesné parametre,
  • od vývoja a nasadenia modulárnych produkčných systémov a súvisiacich konceptov podniky očakávajú riešenie požiadaviek na kratší realizačný nábeh systémov, podporu procesov súvisiacich s kratším produktovým cyklom, disponibilitu kustomizovateľnej výroby i vylepšenú výkonnosť, sledovateľnosť, produktivitu a efektivitu,
  • rast záujmu o tieto systémy podporuje aj ich kompatibilita so službami cloud computingu, s ich integrovateľnosťou do internetu vecí (IoT) či ich prepojiteľnosť s novými výrobnými technológiami aditívnej výroby a širokým spektrom služieb e-commerce.

 

3. Produktívny a efektívny modulárny produkčný systém (MPS)

Meritórny komponent návrhu modulárneho produkčného systému novej generácie (MPS NG) je jeho „smart“ podstata. A teda že navrhnutý produkčný systém sa v celom spektre svojej existencie javí ako „chytrý, užitočný či inteligentný“. V intenciách výrobných podnikov a výroby to znamená systém, ktorý je produktívny a efektívny, systém, ktorý umožňuje variabilné správanie na strane vstupov transformačných procesov i výstupov. MPS NG je systém budúcnosti, ktorý je rekonfigurovateľný, mobilný, predikovateľný. Z pohľadu používateľa ide o „čistý“ systém poskytujúci pre klienta oproti súčasným systémom výrazne bezúdržbový, bezrizikový, ekonomicky zaujímavý a ekologicky akceptovateľný variant riešenia realizácie výrobných zostáv.

 

4. Unifikované prevádzkové moduly

Základom je systém unifikovaných procesných modulov realizovaných ako kompozícia komponentov, či už hardvérových, alebo softvérových (obr. 1). Každý unifikovaný procesný modul je zostavený ako smart zariadenie komunikujúce so susednými zariadeniami. Funkcie procesných modulov sú značne variabilné a závisia na komponentoch použitých pri tvorbe procesného modulu. Celý modulárny výrobný systém je tvorený ako ucelený systém pozostávajúci z jedného alebo niekoľkých procesných modulov pracujúcich na jednotlivých procesných operáciách buď samostatne, alebo spájaním modulov do komplexných štruktúr. Tým je možné realizovať rozsiahle súbory procesných úloh v závislosti na technologických postupoch potrebných pre realizáciu produktu.

 

4.1 Základový raster

Najnižšou úrovňou je základový raster. Poskytuje konektivitu, zásobovanie energiami a priestorové ukotvenie pre jednotlivé moduly. Stavebnicový modul základného rastra zóny umožňuje rozvinúť konvenčný realizačný priestor prevádzky na smart prostredie, pričom úlohou modulu je zabezpečiť funk­čnosť platformy z pohľadov mechanickej konštrukcie, energie a médií, riadenia a procesov pre umiestnenie ďalších modulov MPS NG. V podstate ide o medzivrstvu premosťujúcu rozdiel medzi konvenčnou technologickou platformou (bežným výrobným priestorom) a smart výrobnou platformou. Použitie stavebnicových modulov základného rastra výrazne zníži, resp. v mnohých prípadoch aj úplne odstráni potrebu stavebných úprav, zmeny vedenia nosičov energie a rozvodov médií, chráni podlahu priestoru pred zbytočnými montážnymi a fixačnými zásahmi a pod. Jednotlivé pracovné moduly sa pripájajú prostredníctvom unifikovaného I/O rozhrania (obr. 2).

Vďaka rozdeleniu pracovnej plochy na jednotlivé segmenty tvorené modulmi zákla­dového rastra sa získa matrica, ktorá priamo definuje rozloženie jednotlivých modulov MPS takým spôsobom, aby bol splnený technologický postup výroby výrobku. Výhodou takéhoto riešenia je možnosť flexibilnej zmeny celého výrobného procesu iba preskupením, resp. pridaním či odobratím vhodných modulov MPS do celkovej architektúry výrobnej linky. V popisovanom riešení sa používa rozdelenie do štvorcovej mriežky a to sa javí ako konštrukčne najjednoduchšie. Ale principiálne je možné deliť povrch plochy aj s použitím iných geometrických útvarov, popr. n-uholníkov (trojuholník, hexagon a pod.).

 

4.2 Produkčná zostava z unifikovaných modulov

Produkčná zostava (obr. 3) je komplexná výrobná zostava pozostávajúca z konven­čných systémov a pokročilých smart systémov. Tieto tvoria spoločne pokročilú produkčnú infraštruktúru schopnú realizovať definované produkčné úlohy. Každý modul realizuje jednu alebo niekoľko prevádzkových úloh. Vďaka implementácii moderných technológií v súlade s konceptom Industry 4.0 majú oproti klasickým konvenčným výrobným strojom moduly lepšiu procesnú variabilitu a sú schopné autonómnej, ale aj moderovanej interoperability. Pretože typ pracovných operácií a technologických úkonov vo výrobnom procese je limitovaný rozsahom možných operácií vo výrobe, je možné vytvoriť databázu modulov univerzálne použiteľných v procese výroby. Možno ich členiť podľa typu operácie: obrábanie, transport, montáž, kontrola, a podľa toho rozdeliť aj moduly do skupín.

Triedy univerzálnych modulov môžu byť:

  • transportné (otočný či lineárny dopravník, vertikálny posuv, multiosový posuv),
  • vykonávacie (napr. obrábací či zvárací, univerzálny alebo CNC, mutliprocesný alebo robotický, procesný komorový),
  • kontrolné (skenovanie, bezkontaktné meranie).

V závislosti na technologickom postupe výroby je potom možné z uvedených modulov jednoducho realizovať výrobný proces s požadovaným výstupom. Takto je možné rýchlo modifikovať výrobnú linku, popr. realizovať veľmi variabilné štruktúry, ktoré majú rôznu realizačnú formu, rôzne topológie, ako aj veľmi dynamickú bázu modulov a komponent. Konkrétna časť pracoviska tvoriaca zá­kladnú platformu pre umiestnenie jednotlivých súčastí definuje priestor pre MPS NG v areáli výrobnej haly – „smart zónu“.

 

5. Systémy riadenia výroby

Súčasťou celkového riešenia je okrem hardvérového usporiadania subjektov modulárneho výrobného procesu aj systém riadenia celého výrobného procesu. V moderných riešeniach výrobných liniek je riadenie výrobného procesu viacúrovňové a je zabezpečené prostredníctvom PLC spolu so samostatným MES. Výrobky sú inteligentné, čo znamená, že každý výrobok má svoju vlastnú jedinečnú značku RFID, ktorá umožní sledovať každú dokončenú výrobnú fázu.

Rovnako je potrebné využiť riešenia zamerané na úlohy priemyselnej automatizácie vrátane dispečerského riadenia SCADA, operátorských rozhraní HMI, systémov riadenia výroby (MES) a nástrojov na organizovanie inteligentnej výroby v podniku.

V návrhu riešenia MPS NG firma uprednostňuje overené globálne používané systémy od spoločností Beckhoff, Siemens, Rockwell Automation a pod. Pri systémoch priameho riadenia je dôležité zohľadniť ich komunikačné prepojenie na riadené fyzické komponenty. Primárne sa využívajú štandardizované protokoly so širokou podporou v automatizácii, ako sú Profinet a Profibus. V spojení s autonómnymi jednotkami a zariadeniami IoT vystupuje do popredia výhoda využitia štandardu OPC UA, popr. využite protokolu MQTT [8] v komunikačnom prostredí TCP/IPv6.

 

6. Záver

Popisovaný modulárny produkčný systém je riešením, ako realizovať vysoko flexibilný výrobný proces v modernom podniku, v prostredí rýchlej zmeny požiadaviek zákazníkov a malovýroby. Systém je tvorený bázou komponentov a realizované výrobné linky môžu byť vďaka tomu veľmi variabilné štruktúry, ktoré majú rôznu realizačnú formu a rôzne topológie. Charakter realizovaných úkonov vo výrobnom procese môže byť veľmi variabilný, navyše procesne a nástrojovo jednoducho modifikovateľný. Súčasťou procesu je inteligentný výrobok jednoznačne identifikovaný prostredníctvom napr. NFC. Výhodou riešenia je modulárna podstata celého produkčného systému, ako aj komponentov procesnej stanice aj jej súčastí.

Spoločnosť MERCHANT, s. r. o., Šaľa sa uvedenou problematikou zaoberala v rámci aplikovaného výskumu v projekte s názvom Projekt priemyselného výskumu modulárneho rekonfigurovateľného produkčného systému novej generácie s využitím princípov Smart Industry s podporou Ministerstva školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej republiky v súlade s výzvou Stimuly pre výskum a vývoj s ukončením riešenia v roku 2021.

 

Literatúra:

[1] BAK, David. Rapid prototyping or rapid production? 3D printing processes move industry towards the latter. Assembly Automation. MCB UP, 2003, 23(4), 340–345. ISSN 0144-5154. Dostupné z: doi: https://doi.org/10.1108/01445150310501190.

[2] BEN-NER, Avner a Enno SIEMSEN. Decentralization and Localization of Production. California Management Review. 2017, 59(2), 5–23. ISSN 0008-1256. Dostupné z: doi:10.1177/0008125617695284. 

[3] POLLAK, Martin, Jozef TOROK, Jozef ZAJAC, Marek KOCISKO a Monika TELISKOVA. The structural design of 3D print head and execution of printing via the robotic arm ABB IRB 140. In: 2018 5th International Conference on Industrial Engineering and Applications (ICIEA). IEEE, 2018, 2018, s. 194–198. ISBN 978-1-5386-5747-8. Dostupné z: doi: 10.1109/IEA.2018.8387095.

[4] VRAT, Prem a Ajit VIRANI. A cost model for optimal mix of balanced stochastic assembly line and the modular assembly system for a customer oriented production system. International Journal of Production Research: 14:4. 1975, 445–463. Dostupné z: doi:10.1080/00207547608956618.

[5] ROGERS, G. G. a L. BOTTACI. Modular production systems: a new manufacturing paradigm. Journal of Intelligent Manufacturing. 8(2), 147–156. ISSN 09565515. Dostupné z: doi:10.1023/A:1018560922013.

[6] DOLAN, CHARLES P. a PAUL SMOLENSKY. Tensor Product Production System: a Modular Architecture and Representation. Connection Science. 2007, 1(1), 53–68. ISSN 0954-0091. Dostupné z: doi:10.1080/09540098908915629.

[7] RAJPUT, Sushil a David BENNETT. Modular System Design and Control for Flexible Assembly. International Journal of Operations & Production Management. 1989, 9(7), 17–29. ISSN 0144-3577. Dostupné z: doi:10.1108/EUM0000000001250.

[8] PROFANTER, Stefan, Ayhun TEKAT, Kirill DOROFEEV, Markus RICKERT a Alois KNOLL. OPC UA versus ROS, DDS, and MQTT: Performance Evaluation of Industry 4.0 Protocols. In: 2019 IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT). IEEE, 2019, 2019, s. 955–962. ISBN 978-1-5386-6376-9. Dostupné z: doi:10.1109/ICIT.2019.8755050.

 

 

Ing. Jaroslav Frunyo, MERCHANT, s. r. o., Šaľa (jaroslav.frunyo@merchant.sk)

 

 

 

Obr. 1. Modul MPS ako kompozícia komponentov, funkcií, služieb a technológií

Obr. 2. Stavebnicový modul rastra

Obr. 3. Príklad realizácie výrobnej linky na základovej platforme – produkčná zostava

Obr. 4. Príklad umiestnenia smart zóny v priestore haly