Aktuální vydání

celé číslo

12

2022

Automatizace výrobních, montážních a balicích strojů a linek

Elektrické, pneumatické a hydraulické pohony

celé číslo

Padesát let značky Simatic

Automatizační technika od společnosti Siemens, která po dobu padesáti let jedinečným způsobem podněcovala i zrcadlila změny v průmyslové výrobě, se neustále vyvíjí a významně se podílí na určování standardů v oblasti produktivity a kvality výroby. Padesáté výročí značky Simatic je příležitostí ke zpětnému ohlédnutí na mnohdy vzrušující historii rozvoje průmyslu a automatizační techniky – od hospodářského boomu v 50. letech minulého století po současný věk internetu, od prvních automatizovaných zařízení po digitální továrnu.
 
Průmysl byl na začátku druhé poloviny minulého století ještě stále uprostřed věku mechanizace, když se, jako předzvěst revoluce ve výrobě, na scéně objevila první automatizovaná strojní zařízení. Tyto stroje vykonávaly sice jen jednoduché úlohy, jako např. automatické děrování a otáčení, přesto představovaly ohromný skok vpřed v produktivitě práce.
 

Tranzistory mění svět

V polovině 50. let dvacátého století byly v řídicí technice obvyklým standardem stykače a relé. Odborníci v oblasti řídicí a komunikační techniky si ale již dokázali představit, k čemu všemu by bylo možné použít tehdy úplně novou součástku – tranzistor. Jako zesilovače signálu nabízely tranzistory významné přednosti. Společnost Siemens se tudíž chopila příležitosti a v roce 1955 vyvinula svoje první řídicí obvody s germaniovými tranzistory (obr. 1). Název Simatic byl jako obchodní značka zaregistrován 2. dubna 1958. Ačkoliv byl jeho „repertoár“ zpočátku omezen jen na logické funkce, byl první germaniový Simatic G (obr. 2) brzy používán i jako čítač. V roce 1964 došlo k důležité technické změně – řídicí a spínací obvody začaly být vyráběny s použitím křemíku, který je méně citlivý na teplotu. Tento vývoj přinesl řadu Simatic N a speciální systémy Simatic H a Simatic P. Požadovaných funkcí řídicích jednotek se stále ještě dosahovalo pevným zapojením modulů v sítích. Moduly v té době obvykle zapojoval výrobce řídicí techniky podle schémat zhotovených projektantem řídicího systému.
 

Rostoucí různorodost produktů

Na konci 70. let se před výrobními podniky objevily nové problémy a výzvy. Zatímco dříve se jejich výrobky na otevřeném a nenasyceném trhu prodávaly většinou velmi dobře, začala v té době růst konkurence a s ní také boj o zákazníky. Součástí podnikání se stala potřeba odlišit vlastní produkci od produktů nabízených ostatními výrobci – např. přijatelnější cenou, lepší kvalitou, rozmanitějším sortimentem nebo novými funkcemi výrobků.
 
Pro to, aby bylo možné stále komplexněji automatizovat výrobní procesy, bylo třeba změnit i konstrukci výrobků. Důležitým kritériem při posuzování konstrukce nových komponent se stala jejich snadnější výroba. Vedle toho začali výrobci v průmyslu propojovat jednotlivé procesy realizované při výrobě použitím počítačových systémů. Průkopnickým počinem v oblasti takovéto „zasíťované“ výroby byla v 90. letech minulého století implementace konceptu výroby podporované počítačem – Computer Integrated Manufacturing (CIM) – a to konkrétně v automobilovém průmyslu.
 

Triumf programovatelných automatů

Souběžně se změnami, k nimž docházelo v průmyslové výrobě, si v 70. letech minulého století velkou oblibu u konstruktérů řídicí techniky i jejich zákazníků získal nový typ řídicí jednotky – programovatelný automat (Programmable Logical Controller – PLC). O jeho činnosti namísto uspořádání drátových propojek rozhodoval program uložený v paměti zařízení. První přenosné programovací jednotky pro programování PLC se začaly používat od poloviny 70. let. Co se týče jednoduchosti obsluhy, hmotnosti a odolnosti, šlo ovšem o poměrně primitivní zařízení, na hony vzdálená příručním přístrojům s pohodlným ovládáním používaným v současné době.
 
Úspěšný příběh programovatelných automatů značky Simatic se začal psát na strojírenském veletrhu v Hannoveru v roce 1979. Prezentace na veletrhu odstartovala dodávky programovatelných automatů řady Simatic S5 (obr. 3), které si brzy našly pevné místo v téměř všech odvětvích průmyslu. Zároveň také rostly požadavky zákazníků na funkční schopnosti i provozní vlastnosti systému. Pokrok směrem k jednoduššímu programování systémů přinesla 80. léta, kdy byly do oboru řídicí techniky zavedeny grafické displeje a grafické programovací metody.
 
Záhy byly také vzneseny požadavky na decentralizaci činností. Požadavkem bylo zmenšení nutného objemu kabeláže svedením signálů dohromady na úrovni stroje a přenášením údajů do programovatelného automatu v ucelených blocích. V reakci na tyto požadavky vznikly distribuované vstupy/výstupy (Input/Output – I/O) a objevila se technika průmyslových komunikačních sběrnic. V roce 1993 se stala uznávaným standardem komunikační sběrnice Profibus a význam sítí jako důležitého aspektu automatizace od té doby neustále roste.
 

Výroba pokrytá sítěmi

V polovině 90. let umožnily včas a rytmicky přesně prováděné výrobní operace uspořádat výrobní proces jako kompaktní propletenec jejich posloupností, což výrobcům otevřelo zcela nové možnosti. Začalo být např. možné a ekonomické vyrábět paralelně ve velkých množstvích výrobky lišící se jednotlivými vlastnostmi – a to na téměř zcela automatizovaných výrobních linkách vyznačujících se vysokou kvalitou produkce.
 
Uvedená integrace posloupností výrobních operací otevřela nové možnosti i v oblastech údržby a servisu, plánování výroby a optimalizace procesů. Začalo být totiž možné optimalizovat využití disponibilních kapacit a vyhnout se prostojům.
 

Plně integrovaná automatizace

V roce 1996 představila společnost Siemens na tiskové konferenci v Rotterdamu svůj koncept Plně integrované automatizace (Totally Integrated Automation – TIA). Automatizační prostředky vytvořené podle konceptu TIA v současné době zajišťují integraci jak horizontálně, tak vertikálně. Horizontálně jsou integrovány logistické operace od dodávek materiálů a komponent pro výrobní řetězec až po expedici hotových výrobků a vertikálně všechny úrovně automatizační pyramidy v podniku. Společnost Siemens současně oznámila integraci svých automatizačních prostředků pro řízení spojitých i nespojitých procesů a standardní komponenty řady Simatic S7 použila jako základ systému Simatic PCS 7 pro řízení spojitých technologických procesů. Šlo o průkopnický čin, kterým koncern rázem překlenul dosavadní mezeru mezi technikou pro řízení spojité výroby a programovatelnými automaty.
 
Koncept TIA znamenal definitivní vstup do „věku decentralizace“. Pokračující miniaturizace elektroniky umožňuje vměstnávat do stále menších zařízení čím dál větší počet funkcí. Distribuované vstupy/výstupy jsou vybavovány svojí vlastní inteligencí a přebírají na sebe nejdříve úlohy předzpracování dat a posléze i úlohy řízení v otevřené smyčce (obr. 5). Zařízení lze konstruovat v natolik odolné podobě, že mohou rovněž pracovat v prašném či vlhkém, popř. i venkovním prostředí. Pozadu za tímto vývojem nezůstávala ani bezpečnostní technika. V roce 2000 představila společnost Siemens svůj koncept integrované bezpečnosti – Safety Integrated, který nyní dovoluje kombinovat v jednom automatizačním systému standardní řídicí úlohy s úlohami bezpečnostními.
 

Pružná výroba

Se vstupem do nového tisíciletí se v průmyslu jako zcela běžná záležitost definitivně prosadila výroba po „dávkách“ o velikosti jednoho kusu. Automatizovaně lze nyní podle individuálních specifikací zadaných zákazníky vytvářet i složité produkty, jako jsou automobily nebo počítače. Velmi snadno adaptovatelné výrobní linky také umožňují rychleji uvádět na trh nové výrobky, a udržovat tak náskok před konkurencí, což je okolnost velmi důležitá pro úspěch na trzích zmítaných stále tvrdšími cenovými válkami.
 
Vyrábět v současném globalizovaném světě znamená především koordinovat výrobní závody jak v národním, tak i v mezinárodním měřítku. Pro to, aby výrobci dále zkrátili dobu potřebnou k uvedení výrobku na trh, mohou nové výrobní linky ještě před tím, než je začnou uvádět do provozu, testovat na virtuálních modelech. Současně s tím neustále rostou požadavky zákazníků i vládních regulatorních orgánů na bezpečnost, spolehlivost a kvalitu průmyslových výrobků. Výsledkem je nebývalý důraz kladený na naprostou transparentnost výrobních procesů, protože odpovědnost výrobců za jejich produkty dnes již nekončí na nakládacích rampách továren.
 

Integrace informační techniky

Informační systémy používané administrativními útvary společnosti dlouho nahlížely na výrobu jako na „černou skříňku“. Má-li být výroba efektivní, je ovšem třeba stroje, pracovníky i procesy koordinovat a synchronizovat. Přesně to dělají systémy pro řízení výroby, tzv. Manufacturing Execution Systems (MES). Společnost Siemens uvedla v roce 2002 na trh svůj systém typu MES s názvem Simatic IT – jediný svého druhu, který důsledně vychází ze standardu ISA-95, platného pro tuto oblast činnosti. Systém Simatic IT překlenuje mezeru mezi výrobou na jedné a systémy pro řízení podniku na druhé straně.
 

Digitální továrna

Výkonné simulační nástroje umožňují zákazníkům podle jejich požadavků vytvářet virtuální modely celých továren a továrny na těchto modelech virtuálně ověřovat a uvádět do chodu. Tím vývoj dospěl do další důležité etapy v historii automatizace – k tzv. digitální továrně (digital factory). Automobilky byly v roce 2004 opět první, kdo zavedl tyto nové metody výroby. Koncept digitální továrny jim umožňuje modelovat a simulovat všechny procesy – od dodávek materiálu až po konkrétní výrobní operace. V praxi to znamená, že mohou ověřovat kvalitu nových koncepcí výroby na počítači a sladit spolu všechny systémy připadající v úvahu, a to dříve, než na místě případné budoucí továrny vůbec kopnou do země. A naopak je také možné virtuálně optimalizovat a modifikovat existující komplexní výrobní závody, např. pro ověření možnosti přechodu na nový výrobek. Následně jsou ve „skutečném“ výrobním prostředí zavedeny úpravy ověřené na modelu pomocí simulace, aniž je nutné jednotlivá pracoviště vyjímat, urychleně přebudovávat a opětně zapojovat do konvertovaných linek.
 
Na letošním strojírenském veletrhu v Hannoveru společnost Siemens prezentovala inovace systému Simatic zahrnující komunikační síť Profinet, koncept vestavné automatizace a funkční bezpečnosti (Embedded Automation and Safety) i novou verzi 3.0 softwarového produktu Automation Designer, vývojového prostředí pro návrh digitální továrny. Vše bylo předvedeno v kontextu s ultramoderním zařízením na výrobu automobilů vybaveným automatizační technikou, pohony a rozvody elektrické energie značky Siemens (obr. 6). Bez nadsázky lze říci, že šlo o další příklad toho, jak společnost Siemens, 50 let po vzniku značky Simatic, nepřestává udávat trendy v oblasti technického rozvoje.
 

Simatic v ČR

Přímý dovoz a prodej systémů Simatic byl na území ČR zahájen v podstatě až po roce 1989. Již předtím však byly systémy Simatic obsaženy v řadě dovážených technologických zařízení. Lze odhadnout, že v ČR dnes pracuje několik desítek tisíc systémů Simatic různých typů a konfigurací. Navzdory mimořádné spolehlivosti starších produktů značky Simatic je o novinky v oblasti automatizačních systémů stále velký zájem. Důkazem je i skutečnost, že objem jejich prodeje na území ČR se od roku 1993 přibližně zdvacetinásobil.
(Siemens)
 
 
Obr. 1. První řídicí obvody s germaniovými tranzistory byly rozděleny do dvou samostatných bloků
Obr. 2. Simatic G, první programovatelný automat značky Simatic, uvedený na trh na strojírenském veletrhu v Paříži v roce 1958
Obr. 3. Programovatelné automaty (PLC) se v řídicí technice definitivně prosadily až v roce 1979, po představení produktové skupiny Simatic S5 na veletrhu v Hannoveru
Obr. 4. Produktová skupina Simatic S7 nahradila sérii S5 v polovině devadesátých let minulého století a je součástí nabídky automatizačních systémů společnosti Siemens dodnes
Obr. 5. Jednotky decentralizovaných I/O Simatic ET 200S mají vlastní CPU a mohou komunikovat v síti Profinet
Obr. 6. Na veletrhu Hannover Messe 2008 představila společnost Siemens svoje novinky v kontextu s ultramoderním zařízením na výrobu automobilů vybaveným automatizační technikou, pohony a rozvody elektrické energie