Moderné priemyselné podniky vo svete prechádzajú transformáciou v súlade so štandardom Industry 4.0. Súčasťou konceptu je zavádzanie týchto progresívnych technológií do praxe. V rámci SR je aplikácia tohto konceptu zaradená v dokumente MH SR s názvom Stratégia hospodárskej politiky Slovenskej republiky do roku 2030. Implementácia týchto zmien do procesu výroby má za následok zvýšenie komplexnosti systémov a procesov, čo spôsobuje zvýšenie nárokov na operátorov pri dohľade nad týmito systémami. Riešením je aplikácia moderných metód zobrazovania informácií v prostredí priemyselnej automatizácie, pričom uplatnenie tu nachádzajú moderné technológie ako rozšírená realita, augmentovaný operátor, senzorové siete, internet vecí, autonómne vozidlá a podobne. Rozšírená realita je progresívnym nástrojom na poli vzdelávania a výučbových systémov.
Predmetom článku a cieľom projektu je aplikácia moderných metód zobrazovania reálnočasových procesných informácií v prostredí priemyselnej automatizácie s využitím interaktívnych mobilných zariadení, ktoré sú atraktívne pre súčasnú generáciu. Vzhľadom na edukatívne zameranie projektu výsledný produkt umožní študentom jednoduchšie a efektívnejšie nadobudnutie nových poznatkov a podporí ich záujem o samotné štúdium.
Rozšírená realita v priemysle
Rozšírená realita (AR z angl. Augmented reality) je priamy alebo nepriamy pohľad na skutočné prostredie, ktorého časti sú v digitálnej, väčšinou textovej alebo obrazovej forme obohatené o dodatočné informácie relevantné pre objekt, na ktorý sa človek pozerá. Je to teda kombinácia reálneho sveta s virtuálnym prostredím. Virtuálne prostredie obohacuje pohľad na systémy vo forme virtuálnych modelov. Informácie, ktoré sú prostredníctvom nich prezentované, sa získavajú z rôznych informačných zdrojov použitím off-line alebo on-line aplikácií. Obohatenie reality zvyčajne prebieha v reálnom čase a v sémantickom kontexte s časťami prostredia [1], [2], [3].
V súčasnom vysoko konkurenčnom a dynamickom podnikateľskom prostredí čelí výrobný priemysel novým výzvam, ktoré vyžadujú holistický pohľad na štyri hlavné triedy výrobných atribútov, t. j. náklady, čas, kvalitu a flexibilitu. Aplikácia výsledkov výskumu AR vo výrobných aplikáciách je silnou a rastúcou oblasťou, avšak musí čeliť požiadavkám na vyššiu presnosť, rýchlu reakciu a kvalitný dizajn rozhrania. Výzvou je implementovať integrované simulačné nástroje s podporou AR, ktoré by mohli zlepšiť výrobné operácie, ako aj vývoj produktov a procesov, čo povedie k rýchlejšiemu vzdelávaniu a odbornej príprave, teda ku skráteniu času vedenia a následne k zníženiu nákladov a zlepšeniu kvality [4], [5].
S novým pokrokom v oblasti počítačových a výrobných technológií existuje rastúci trend, ktorý umožňuje používateľom priamo komunikovať s výrobnými informáciami spojenými s výrobnými procesmi. AR má schopnosť integrovať tieto spôsoby v reálnom čase do skutočného pracovného prostredia, ktoré je užitočné pre výrobné činnosti, najmä montáž, výcvik a údržbu [6].
Aplikácie AR môžu byť vytvorené s cieľom použitia ako technickej podpory vo výrobných odvetviach na uľahčenie procesov údržby alebo montážnych postupov, aby sa znížili prevádzkový čas a náklady na školenie. Jednoduché a zložité animácie môžu byť generované z 3D modelov CAD, ktoré sa zobrazia prostredníctvom aplikácie spustenej mobilným zariadením, a to tabletom, notebookom alebo smartfónom [7].
Náš projekt je zameraný na využitie rozšírenej reality vo výučbe predmetu v špecializovanom laboratóriu. Toto laboratórium je navrhnuté v súlade s konceptom Industry 4.0, aby sme študentom umožnili používať vlastné inteligentné zariadenia pre vzdelávací proces.
Použité prostriedky priemyselnej automatizácie
Do portfólia technických prostriedkov slúžiacich na výučbu predmetov z oblasti priemyselnej automatizácie môžeme zaradiť aj komplexný hybridný výrobný systém, linku AFB od firmy Festo Didactics, ktorej bloková schéma je na obr. 1.
Školenia pre priemysel musia byť čo najbližšie k celému priemyselnému odvetviu a musia pokrývať širokú škálu typov priemyselnej produkcie, takže treba byť vyškolený paralelne alebo dokonca v rovnakom čase pre dva hlavné smery, a to priemyselnú automatizáciu aj procesnú automatizáciu. Veľa priemyselných odvetví je pomerne zložitých a určite sofistikovaných, ale rozsah aplikácií v rámci tejto technológie je veľmi dôležitý, a to najmä v oblasti takzvaných plne automatizovaných systémov, preto by malo byť súčasťou rozvoja zručností a znalostí každého zaúčajúceho sa pracovníka. Tréningové vybavenie Festo Didactics, ktoré pokrýva takzvané plne automatizované systémy v priemyselnej automatizácii v kombinácii s automatizáciou procesov, je realizované na výučbovom zariadení Agro, Food and Beverage Training Factory (skrátene AFB), ktoré poskytuje možnosti praktického školenia aj dôkladný technologický tréning. AFB poskytuje vzdelávacie prostredie, ktoré vedome integruje trendy a inovácie zo všetkých oblastí automatizačnej techniky:
- elektrické a pneumatické lineárne pohonné jednotky,
- kyvné pohony a uchopovače,
- ventily a ventilové terminály,
- senzory,
- vision a riadiace systémy.
Centrálnou časťou takto navrhnutej linky je inteligentný systém dopravných pásov v kombinácii s rôznymi stanicami usporiadanými v tzv. továrenských zónach. Navyše nové technológie, ktoré sú tu implementované, približujú toto tréningové prostredie bližšie k reálnym priemyselným aplikáciám (technológia RFID, QR kódy).
Jednotlivé výrobné zóny poskytujú širokú škálu možností výcviku a vzdelávania, uvedených v tab. 1.
| Výrobné zóny | Možnosti vzdelávania |
| Zóna A | Procesná automatizácia: • filtrovanie kvapalného média, miešanie, kontrola teploty; • kontrola kvality pevného média, doprava; • zaznamenávanie, vyhodnocovanie a riadenie typických procesných premenných, ako je teplota, hladina, tlak, prietok, hmotnosť alebo počet; • čerpanie tekutín; • vypínanie potrubí; • inštalácia, uvedenie do prevádzky alebo údržba klapiek, posuvných ventilov, guľových ventilov, elektrických pohonov. |
| Zóna B | Plnenie a balenie: • pozícia a úroveň plnenia každej fľaše a stav dokončenia každej dávky zaznamenanej rôznymi optickými snímačmi a vysokorýchlostnou kamerou; • výrobné údaje plne sledované RFID čipmi vo fľašiach; • pásy s elektrickými pohonmi; • rôzne manipulačné jednotky; • aplikácie na paletizáciu; • PLC a najnovšie nástroje riadenia a monitorovania pre operátora. |
| Zóna C | Automatizácia výroby: • rýchly čas cyklov, uchopovacie časti, manipulácia; • detekcia, odlíšenie, separácia a montáž; • technológia vákuového uchopovača; • pneumatické lineárne a rotačné pohony, elektrické pohony; • programovanie regulátorov, nastavovanie senzorov; • prevádzka, údržba a servis jednotlivých liniek v závode. |
| Zóna D | Doprava a logistika: • preprava materiálov, skladovanie; • chaotické alebo systematické skladovanie, optimalizácia toku materiálu; • plánovanie a stanovenie priorít objednávok; • vysielanie signálov na veľké vzdialenosti do riadiacej jednotky dopravy; • vysokovýkonné pohonné jednotky a polohovacie systémy; • rýchly a presný pohyb v automatickom sklade; • používanie priemyselných uchopovačov; • komunikácia založená na rozhraní AS alebo CAN; • kamerový vision systém, spracovanie QR kódov. |
| Zóna E | Recyklácia: • programovanie robotov; • uvedenie celej postupnosti recyklácie do prevádzky; • učenie používania robota pomocou ovládacieho zariadenia; • aplikácie bezpečnosti a ochrany; • technológia RFID. |
Tab. 1 Edukačné možnosti jednotlivých zón AFB Factory
Štruktúra edukačného systému
Koncepcia návrhu edukačného systému umožní pomocou technologického konceptu CPS (Cyber-Physical Systems) skvalitniť výučbu najmä predmetov zameraných na oblasť priemyselnej automatizácie. Vďaka databázovo orientovanej architektúre možno údajovú základňu systému dopĺňať o rôzne relevantné výučbové materiály a podľa použitých materiálov možno systém využiť aj pri výučbe celej škály ďalších technicky orientovaných predmetov. Systém môže slúžiť študentom aj pedagógom počas samotného procesu výučby, ale aj počas domáceho samoštúdia. Je navrhnutý tak, aby počas výučby čo najviac pomáhal vyučujúcemu a zároveň naučil študentov samostatnosti a analytickému mysleniu.
Systém navrhnutý v modulárnej štruktúre (obr. 2) umožní študentovi identifikovať jednotlivé komponenty alebo celé subsystémy využívané v rámci riešených úloh (využitie tabletu, smartfónu, VR, AR, QR kódu), poskytne mu relevantné informácie o danom komponente, respektíve zariadení (manuály, schémy zapojenia, technickú dokumentáciu a pod.), a umožní mu lepšie pochopiť jeho funkciu využitím filozofie CPS.
Študentský modul disponuje možnosťou upozorniť vyučujúceho na potrebu asistencie pri riešení zadaného problému či úlohy. Elektronická požiadavka je zaradená do zásobníka medzi požiadavky ostatných žiadateľov. Žiadateľ si môže kontrolovať stav svojich požiadaviek, prípadne sledovať umiestnenie v poradovníku žiadostí. Vzhľadom na digitálnu formu študijných materiálov aj samotných objektov záujmu (virtuálne modely) sú jednotlivé úlohy a materiály pre študenta k dispozícii aj mimo laboratórií a mimo času definovaných výučbových jednotiek.
Učiteľský modul systému umožní vyučujúcemu využívať všetky funkcionality podobne ako študentovi, navyše poskytne učiteľovi prehľad o aktuálne riešených úlohách, vzorové príklady s riešeniami, kontrolné otázky pre študentov, upozornenie na žiadosť o pomoc, ako aj manažovanie a spracovanie týchto požiadaviek.
Z globálneho hľadiska je systém použiteľný na výučbu nielen v edukačných inštitúciách, ale aj pri zaškoľovaní, zvyšovaní vedomostnej úrovne či tréningu zručností pri odstraňovaní porúch personálnych zdrojov v priemyselných podnikoch.
Článok vznikol s finančnou podporou agentúry KEGA v rámci riešenia projektu 040STU-4/2016 Aplikácia konceptu Industry 4.0 v rámci modernizácie predmetu Technické prostriedky automatizovaného riadenia.
Literatúra
[1] SCHUETTEL, P.: The concise fintech compendium. Fribourg: School of Management Fribourg, Switzerland 2017.
[2] STEUER, J.: Defining virtual reality: dimensions determining telepresence. Department of Communication, Stanford University, 1993.
[3] Introducing virtual environments national center for supercomputing applications. University of Illinois. [online]. Citované 1. 3. 2018. Dostupné na: http://archive.ncsa.illinois.edu/Cyberia/VETopLevels/VR.Overview.html.
[4] CHRYSSOLOURIS, G.: Manufacturing systems – theory and practice. Springer-Verlag, New York 2006.
[5] NEE, A. Y. C. – ONG, S. K.: Virtual and augmented reality applications in manufacturing. In: IFAC Proceedings Volumes, 2013, vol. 46, iss. 9, pp. 15 – 26.
[5] NEE, A. Y. C. – ONG, S. K. – CHRYSSOLOURIS, G. – MOURTZIS, D.: Augmented reality applications in design and manufacturing. In: CIRP Annals, 2012, vol. 61, iss. 2, pp. 657 – 679.
[6] SEGOVIA, D. – MENDOZA, M. – MENDOZA, E. – GONZÁLEZ, E.: Augmented reality as a tool for production and quality monitoring. In: Procedia Computer Science, 2015, vol. 75, pp. 291 – 300.
[7] KOPČEK, M.: Embedded PLC webserver and possibilities of its utilization. In: Research papers Faculty of Materials Science and Technology Slovak University of Technology in Trnava, 2016, vol. 24, no. 39, pp. 33 – 42.
[8] WordPress. [online]. Citované 1. 3. 2018. Dostupné na: https://wordpress.com/.
[9] A-Frame – Make WebVR. [online]. Citované 1. 3. 2018. Dostupné na: https://aframe.io/.
[10] Efficient Augmented Reality for the Web. [online]. Citované 1. 3. 2018. Dostupné na: https://github.com/jeromeetienne/AR.js.
[11] QR Code scanner. [online]. Citované 1. 3. 2018. Dostupné na: https://webqr.com/about.html.
[12] Real-time webcam-driven HTML5 QR code scanner. [online]. Citované 1. 3. 2018. Dostupné na: https://github.com/schmich/instascan.
Ing. Igor Halenár, PhD.
igor.halenar@stuba.sk
Ing. Bohuslava Juhásová, PhD.
bohuslava.juhasova@stuba.sk
Ing. Martin Juhás, PhD.
martin_juhas@stuba.sk
STU v Bratislave
MTF v Trnave
Ústav aplikovanej informatiky, automatizácie a mechatroniky
Pavilón T02, J. Bottu 25, 917 24 Trnava
