Výskumné aktivity zamerané na budovanie platformy pre Priemysel 4.0

Úvod

Výskumné a vývojové centrá sa v posledných rokoch aktívne vrhli na tvorbu a experimentálne overovanie hardvérového a softvérového prostredia vhodného na implementáciu funkcionalít zadefinovaných s cieľom budovania platformy Priemyslu 4.0. Podstatnou súčasťou inovácií je budovanie silnej technologickej infraštruktúry a know-how v podobe transformácie výroby zo samostatných automatizovaných jednotiek na úplne integrované automatizované a priebežne optimalizované výrobné prostredie, označované ako inteligentné továrne (Smart Factories).

Štvrtá priemyselná revolúcia sa začala v najrozvinutejších svetových ekonomikách nezávisle a pod rôznymi názvami. Spoločným znakom však je, že bola vyvolaná rovnakou snahou o udržanie a posilnenie konkurencieschopnosti a technologického prvenstva týchto štátov na svetových trhoch. Ako sa uvádza v programe českej národnej iniciatívy Priemysel 4.0, „táto snaha sleduje aj prevzatie väčšej kontroly nad celým hodnotovým reťazcom, čo sa za súčasného stavu ceny pracovnej sily a jej dostupnosti vo vyspelých svetových ekonomikách realizuje veľmi ťažko. V neposlednom rade je tiež snahou riešiť narastajúce spoločensko-ekonomické problémy a čeliť novým demografickým a geopolitickým rizikám. To vedie mnoho globálnych firiem k prehodnocovaniu súčasných koncepcií geografickej alokácie výrobných kapacít a k systematickému budovaniu moderného modelu priemyselnej výroby.“ [1]

Štvrtá priemyselná revolúcia rezonuje v krajinách EÚ predovšetkým ako reakcia na nemeckú iniciatívu pod názvom Priemysel 4.0. Tak vznikli Smart Manufacturing Leadership Coalition v USA či obdobné programy v Japonsku a Číne. Spoločným znakom týchto iniciatív je nová filozofia systémového využívania, integrácie a prepojovania najrôznejších technológií pri uvažovaní ich trvalého a rýchleho rozvoja. Automatizované systémy a elektronika sa vyvinuli do širokého spektra ľahkých bezdrôtových osobných komunikačných zariadení s neustále sa rozvíjajúcimi operačnými a zobrazovacími možnosťami a možnosťami na výmenu informácií, od nahrávania a sťahovania dát na diaľku do on-line dátových služieb po celom svete [2], [3].

Že to priemysel myslí s touto výzvou vážne, dokazuje Industrial Internet Consortium [4], iniciované otvoreným neziskovým konzorciom Object Management Group® (OMG®) založeným v roku 1989 a pozostávajúcim z priemyselných i nepriemyselných inštitúcií, ktoré sa zameriava na vývoj nových technologických štandardov, prinášajúcich významné hodnoty pre tisícky vertikálnych priemyselných komplexov [5].

Architektúra CPS a technologická štandardizácia

Kyberneticko-fyzikálne systémy (Cyber-Physical system – CPS) sú systémy riadené alebo monitorované počítačovými programami, úzko prepojenými a integrovanými cez internet s používateľmi systému. V týchto systémoch sú fyzické a softvérové komponenty úzko previazané, pracujú v rôznych priestorových a časových mierkach, prejavujú opakujúce sa i rozdielne modality správania a vzájomne interagujú prostredníctvom veľkého množstva prepojení meniacich sa v závislosti od kontextu úlohy. Príklady takýchto systémov sa objavujú v celej šírke priemyslu, služieb či verejného života, ako sú smart grid systémy, autonómne automobilové systémy, medicínske monitorovanie, riadiace systémy procesov, robotické systémy, automatická pilotáž, vesmírne technológie, energetika, chemické procesy, zdravotníctvo, verejná správa, zábava či spotrebná elektronika. CPS nevyhnutne využívajú interdisciplinárne prístupy zlučujúce kybernetiku s mechatronikou, konštrukčnými a procesnými vedami. Riadenie procesov je spájané s vnorenými systémami, internetom vecí, ako aj všetko pokrývajúcimi a integrujúcimi cloudovými technológiami.

CPS budú základným stavebným prvkom inteligentných – smart autonómnych tovární, budú schopné autonómnej výmeny informácií a vzájomnej nezávislej kontroly a budú vhodne reagovať na podnety správnou akciou. Priemysel 4.0 predpokladá vzájomnú spoluprácu a komunikáciu rozhraní človek – stroj, človek – človek, stroj – stroj, dokonca aj komunikáciu v rámci logistických systémov a produktov. Celý výrobný systém a jeho prostredie – stroje, výrobné diely, senzory, počítačové systémy – budú prepojené v rámci hodnotového reťazca presahujúceho hranice jednotlivej firmy. Takto prepojené CPS budú na seba pomocou štandardných komunikačných protokolov na báze internetu vzájomne reagovať a analyzovať dáta, aby mohli predvídať prípadné chyby či poruchy, samy sa konfigurovať a v reálnom čase prispôsobovať zmeneným podmienkam [1].

Obrovským prínosom Priemyslu 4.0 bude využitie veľkého množstva nepoužívaných informácií na ich rýchlejšie a správnejšie spracovanie a rozhodovanie. Vzájomné prepojenie produktov, zariadení a ľudí zvyšuje efektívnosť výrobných strojov a zariadení, znižuje náklady a neplytvá zdrojmi. Inteligentné sledovanie a transparentné procesy poskytnú spoločnostiam neustály prehľad, ktorý im umožní pružne a rýchlo reagovať na zmeny na trhoch. Na tvorbe konceptu inteligentnej továrne sa po technologickej stránke podieľajú systémy CPS, internet vecí, internet služieb, úložiská dát (Big Data), cloudové služby (Cloud Computing), digitálna výroba (Digital Manufacturing), systémy riadenia životného cyklu produktu (Product Lifecycle Management Systems) a digitálne kópie fyzického objektu (Digital Twin) (obr. 1) [6].

Čo sa týka komunikačných a informačných technológií (ICT), odhaduje sa, že ešte približne 20 rokov bude platiť Mooreov zákon, ktorý hovorí, že kľúčové parametre ICT technológií sa každých 18 mesiacov dvojnásobne zlepšujú [1]. S tým bude nutné počítať pri všetkých riešeniach v rámci Priemyslu 4.0 a zlepšovaní kvality parametrov technológií a uprednostňovať hlavne otvorené riešenia a štandardizáciu všetkých rozhraní. Proces zavádzania Priemyslu 4.0 bude poznamenaný trvalou sériou inovácií a preferenciou otvorených systémov pre ich jednoduchšiu integráciu do širokej infraštruktúry celej národnej, ba aj nadnárodnej ekonomiky.

Súčasťou systému je prepojenie dvoch svetov – sveta reálnych fyzických objektov (strojov, zariadení, robotov, výrobkov, ľudí) a sveta virtuálneho, kde môže byť každá fyzická jednotka dostatočne virtuálne reprezentovaná, zastupovaná a jej správanie simulované softvérovým modulom. Predpokladá sa, že prvky fyzického sveta budú prepojené prostredníctvom internetu, kde má každý fyzický prvok svoju individuálnu IP adresu, čo bude úlohou internetu vecí (Internet of Things – IoT). Softvérové moduly, reprezentujúce fyzické elementy vo virtuálnom priestore, spoločne riešia úlohy, koordinujú svoju činnosť a rozhodujú, pričom využívajú služby, ktoré si navzájom poskytujú či ktoré si vyvolávajú prostredníctvom internetu služieb (Internet of Services – IoS).
Východiskom správneho fungovania a konektivity internetu vecí je základná platforma s architektúrou umožňujúcou širokopásmové pripojenie zariadení do IoT.

Jedným z významných medzinárodných projektov bežiacich v programe HORIZONT je BEinCPPS – Business Experiments in Cyber Physical Production Systems. Okrem iného je zameraný na experimentálne overovanie novo vyvíjaných technológií a štandardov referenčnej architektúry Priemyslu 4.0 prostredníctvom zapojených malých a stredných podnikov (SME). Iste je veľkou výzvou pre Slovensko, aby sa tam našli aj naše firmy. Ako naznačili prieskumy a najmä prezentácie a diskusie v rámci medzinárodných akcií organizovaných pod patronátom slovenského predsedníctva EÚ koncom roka 2016 – IKT Otvorené dni a Reindustrializácia EÚ, digitálna zrelosť niektorých slovenských firiem je postačujúca [7].

Ako sa uvádza v priebežnej správe projektu BEinCPPS existuje niekoľko referenčných modelov architektúr pre priemysel 4.0, ktoré by sa mohli všeobecne používať ako efektívne štandardy na pripojenie do IoT, a to OSMOSE (Knowledge Base Architecture), FITMAN (Future Internet Technologies for MANufacturing, obr. 2) a model referenčnej architektúry pre Priemysel 4.0 RAMI (Reference Architecture Model for Industry 4.0) [8]. Architektúra OSMOSE opisuje softvérové riešenie prepájania troch svetov – reálneho, digitálneho a virtuálneho. Projekt FITMAN a otvorená iniciatíva FIWARE zabezpečujú internetové prepojenie pre tri svety smart tovární. RAMI je architektúra priemyslu, ktorá umožní prepájať aj továrne rôzneho zamerania.

Okrem klasických hierarchických úrovní prepájajúcich výpočtové systémy s riadiacimi pribudli aj dve nové dimenzie, a to úroveň na sledovanie životného cyklu výrobku a vertikálna úroveň na sledovanie rôznych perspektív od elementárnych entít, ako sú fyzikálne prvky (snímač, aktuátor…), integračné, komunikačné, informačné a funkčné vrstvy až po biznis procesy. Dôležité je, že tieto architektúry majú ambíciu byť otvorené. Ambíciou týchto projektov je aj overiť vyvíjané technológie v prevádzke tzv. priemyselných majákov (Industrial Lighthouse) malých a stredných podnikov v širokom spektre produktovej špecializácie a krajín EÚ, čo je predmetom opakovaných výziev v rámci programu HORIZONT.

Implementácia Priemyslu 4.0 bude mať dosah nielen na zvýšenie produktivity a konkurencieschopnosti podnikov, ale aj na trh práce a kvalifikáciu pracovnej sily. Bude potrebné upraviť vzdelávací, právny a regulačný systém. V neposlednom rade treba vyriešiť požiadavky bezpečnosti a spoľahlivosti/dostupnosti a štandardizáciu v rámci medzinárodných aj vnútropodnikových/lokálnych platforiem.

Podľa štúdie analytikov uverejnenej v Harvard Business Review [9] mnoho respondentov uviedlo, že internet vecí im umožnil zmeniť základnú stratégiu a obchodný model spoločnosti. V niektorých prípadoch môže zmeniť obchodný model podniku tým, že umožní zákazníkom ponúkať nové služby spolu s produktmi. V iných prípadoch pomôže zlepšiť existujúce služby, napríklad preventívnu údržbu. Až 36 % zákazníkov plánuje v blízkej budúcnosti zavedenie vzdialenej správy aktív, resp. sledovanie/stopovanie aktív, a 23 % zákazníkov plánuje investovať do moderných bezpečnostných systémov.

Nové technológie a princípy určené pre Priemysel 4.0 budú vyžadovať nových odborníkov. Národná iniciatíva priemyslu ČR, spracovaná pod záštitou Ministerstva priemyslu a obchodu Českej republiky, hovorí aj o tomto aspekte [1]. Na ČVUT Praha už akreditovali nový študijný program na Strojníckej fakulte Priemysel 4.0. V rámci výučby počítajú aj s intenzívnou praktickou časťou v spolupráci s novovybudovaným Českým inštitútom informatiky, robotiky a kybernetiky, ktorého hlavným cieľom je výskum a vývoj platformy pre Priemysel 4.0 so silnou experimentálnou základňou slúžiacou ako TestBed. Ide o testovacie platformy na experimentálne a výskumné účely, ktoré sa skladajú z reálneho hardvéru a podliehajú fyzikálnym vplyvom okolia.

Záver

Je zrejmé, že aj na Slovensku a v Čechách sa stáva Priemysel 4.0 vážnou úlohou. Významným krokom bude však až stav, keď sa naše malé a stredné podniky stanú súčasťou experimentálnych výskumných Testbed-ov alebo priemyselných majákov (Industrial Lighthouse) financovaných z domácich zdrojov alebo z medzinárodných projektov typu HORIZONT. Je dobré, že sa táto téma stáva každodennou, takmer každý sa k nej chce vyjadriť a mnohí chcú aj niečím prispieť. Je to určite správne, pretože pre široký dosah musí táto filozofia preniknúť do myslenia celej spoločnosti. Jej prijatie prinesie nielen veľké výzvy, ale aj veľké príležitosti priemyselným podnikom. Ignorovanie tejto novej reality by viedlo k postupnej strate konkurencieschopnosti nielen jednotlivých firiem, ale i celej ekonomiky štátu, ako to chápu vyspelé krajiny sveta [1].

Príspevok bol pripravený v rámci grantovej úlohy VEGA 1/0911/14 Uplatnenie bezdrôtových technológií v nových výrobkoch a službách pri ochrane ľudského zdravia a KEGA 054 TUKE-4/2016 Inovácia výučby predmetov so zameraním na automatizáciu v reakcii na požiadavky priemyslu a služieb.

Literatúra

[1] MAŘÍK, V. a kol. (2015). Národní iniciativa Průmysl 4.0. Ministerstvo priemyslu a obchodu ČR.
[2] SMART MANUFACTURING LEADERSHIP COALITION. Dostupné na: https://www.smartmanufacturingcoalition.org/ .
[3] ONOFREJOVÁ, D. – ONOFREJ, P. – ŠIMŠÍK, D. (2014). Model of Production Environment Controlled With Intelligent Systems. In: Procedia Engineering: Modelling of Mechanical and Mechatronic Systems MMaMS, 25th-27th November 2014, High Tatras, Slovakia. No. 96, p. 330-337. ISSN 1877-7058.
[4] INDUSTRIAL INTERNET CONSORTIUM. Dostupné na: http://www.iiconsortium.org/become-member.htm .
[5] OBJECT MANAGEMENT GROUP. Dostupné na: http://www.omg.org/gettingstarted/gettingstartedindex.htm .
[6] SOVA Digital, a. s., K INDUSTRY 4.0. Dostupné na: http://industry4.sk/ .
[7] RE-INDUSTIALISATION of the European Union 2016. Bratislava. Dostupné na: http://www.reineu2016.eu/ .
[8] FISCHER, K. et all: BEinCPPS Deliverable 2.1: Innovation Action Project HORIZON 2020: Architecture and Business Processess – EU.2.1.5. Ref. 680633.
[9] HARVARD BUSINESS REVIEW: INTERNET OF THINGS: Science Fiction or Business Fact? (2014). Harvard Business School Publishing. Dostupné na: <hbr.org/hbr-analytic-services> .