Testbedy jako živé laboratoře pro moderní technologie

K tomu, aby taková laboratoř mohla vzniknout a fungovat, je potřeba těsná spolupráce vzdělávacích institucí a dodavatelů technologií, na kterých to celé stojí. Klíčovým partnerem testbedů, které vznikají v České republice a specializují se na oblast Průmyslu 4.0, je společnost Siemens, která patří mezi největší technologické firmy u nás a je průkopníkem v oblasti průmyslové digitalizace a automatizace světového významu. Charakteristická je pro ni také intenzivní podpora výzkumu, vývoje a odborného školství. „Spolupráce s testbedy je ideálním spojením obou těchto našich aktivit,“ říká Veronika Němcová, vedoucí komunikace ve společnosti Siemens. Siemens je zakládajícím partnerem Testbedu pro Průmysl 4.0 a Národního centra pro Průmysl 4.0 při ČVUT CIIRC a současně je jedním z hlavních technologických partnerů testbedu při VŠB-TUO, který představujeme v našem článku.

Živá laboratoř na VŠB-TUO

Testbed VŠB – Technické univerzity Ostrava je součástí Living Lab Campusu, tedy živé laboratoře. Orientuje se na tři širší odborné oblasti: digitalizovanou a automatizovanou výrobu, homecare a automotive. Do budoucna by se Living Lab měla věnovat také otázkám z energetiky a materiálovému výzkumu. V rámci testbedu je integrována řada nových a nadčasových technologií. Testbed se primárně využívá pro nově akreditované studijní programy na FEI VŠB-TUO, zaměřené na studium elektronických automobilových systémů, biomedicínské asistivní technologie a také pro studijní program, který se přímo jmenuje Průmysl 4.0.

Smart Factory pro Průmysl 4.0

Sekce s názvem Smart Factory Lab představuje platformu pro výuku, školení, testování a následně výzkum principů konceptu Průmyslu 4.0, jako jsou například digitalizace a virtualizace, průmyslová a mobilní robotika, automatizace, sběr a zpracování dat, prediktivní údržba apod. Páteří celé této části je nainstalovaná chytrá výrobní robotizovaná linka, která je určena pro výrobu navrženého propagačního předmětu využitelného jako učební pomůcka pro SŠ a VŠ. Tento produkt se vyrábí ve třech základních variantách, a to jako teploměr, krokoměr a měřič tepu. Výrobní linka umožňuje montovat i demontovat také produkt složený z kostek Lego – individualizovaná výroba umožňuje „zákazníkům“ zvolit libovolnou barevnou kombinaci kostek a typ produktu. Jádrem linky jsou čtyři robotická ramena Kuka, která provádějí veškeré robotizované operace automatické montáže. Linka dále obsahuje tři manuální pracoviště, která slouží pro naskladnění dílů, ruční montáž a odběr již hotových produktů. Rovněž je zde umístěn automatizovaný sklad jednotlivých výrobních dílů a elektronický tester. Jednotlivé výrobní díly a vyrobené produkty jsou pak v rámci linky přemísťovány na paletkách po dopravníkovém pásu, který je kruhově propojen. Celá linka je vybavena řadou senzorů, jakými jsou například vibrační senzory pro účely diagnostiky a prediktivní údržby; linka také obsahuje množství dohledových kamer a kameru pro účely optické kontroly. Obraz z dohledových kamer je digitálně přenášen na soustavu monitorů v blízkosti linky za účelem kontroly a demonstrace prováděných operací. V rámci robotické linky se využívají mobilní roboty, tzv. Automated Guided Vehicles (AGV), které primárně slouží k vyskladňování již vyrobených produktů. Po ukončení výroby najíždí mobilní robot autonomně do prostoru linky, kde jsou pomocí robotického ramena jednotlivé výrobky přemístěny na připravenou plošinu robotu. Ten pak vyjíždí z prostoru výrobní linky na předem definovanou pozici v rámci budovy, kde je možno vyrobené kusy pohodlně převzít. Celý výrobní systém nainstalovaný ve Smart Factory má vytvořen svůj komplexní virtuální obraz – digitální dvojče, a to včetně vyráběných produktů. Cílem je prezentovat využití technologií digitálního dvojčete a virtualizace v rámci celého procesu zavádění výroby produktu, který se skládá z následujících kroků: návrh a realizace prototypu produktu, návrh a realizace výrobního systému, návrh a realizace řízení výrobního systému, testování systému, uvedení do provozu, provozování systému a servis a údržba. Prezentují se zde i možnosti virtuálního uvádění do provozu, efektivní postupy pro tvorbu řídicích a vizualizačních aplikací, offline programování robotů apod. Obsahuje i část AIM Lab, zaměřenou na aplikace umělé inteligence ve výrobě. Smart Factory je samozřejmě také koncipována tak, aby umožňovala integraci systémů využívajících 4G a 5G sítě, internet věcí a zavádění moderních přístupů pro zajištění kybernetické bezpečnosti v průmyslových systémech.

Instalované technologie Siemens

Řídicí systém linky je postaven na PLC Siemens Simatic S7 1500/1200; jednotlivé vizualizační a operátorské panely využívají platformu Siemens WinCC a Simatic HMI. Řídicímu systému a operátorským systémům je nadřazen systém MES na platformě Siemens Opcenter Execution Discrete, který je především určen pro sběr dat, řízení skladového hospodářství a zadávání výrobních objednávek. Využity jsou roboty Kuka, dopravníkový systém a polohování Bosch Rexroth, bezpečnost celého systému je zajišťována produkty Leuze, jako mobilní roboty jsou využity MIR 100 a MIR 250.

V rámci návrhu digitálního dvojčete produktu a digitálního dvojčete procesu byly využity softwarové nástroje pro design produktu – 3DEXPERIENCE a dále pak PLM SW nástroje Siemens Tecnomatix, NX MCD pro design procesu, dodavatelem této klíčové části linky je společnost Temex.

Současně s vytvořením reálné výrobní linky se v rámci konceptu Smart Factory pracuje také na jeho věrném virtuálním 3D modelu. V rámci skupiny Media Research Lab na VŠB-TUO vznikl model výrobní linky a okolního prostředí uvnitř budovy.

Vizualizace je realizována pomocí Unreal Enginu 4.25 a model je vytvořen pomocí Open Source nástroje Blender. Výsledný model je interaktivní a je možné ho použít i ve virtuální realitě. Model bude dál využitelný v různých oblastech, mezi které patří možnost plánování budoucích úprav linky, příprava pracovníků a studentů při seznámení s linkou a jejími částmi, virtuální exkurze, marketingové a reklamní účely apod.

Technologie pro asistovanou péči

Druhá část testbedu VŠB-TUO, nazvaná Homecare Lab, je zaměřena na vývoj a výuku technologií pro asistovanou péči a využívá dva pozorovací byty, přizpůsobené životu obyvatel se speciálními potřebami. První z nich je koncipován jako sledovací s reálným životem osob, druhý byt pak jako zrcadlo reálného sledovacího bytu pro přístup pracovníků/studentů pracujících na realizovaných projektech. Oba byty jsou vybaveny senzorickými systémy a akčními členy s přístupem skrze zdvojené zdi. Jsou provozovány jako energeticky nezávislá ostrovní síť, jejíž součástí je fotovoltaická elektrárna s akumulační stanicí, s možností odběru energie z distribuční sítě. Energetické toky lze v rámci této sítě sledovat a řídit až do úrovně každé jednotlivé zásuvky a instalovaného elektrického spotřebiče. K oběma bytům naleží také velín – oddělení pro vyhodnocování sledovaných veličin.

Testování vozidel

Třetí část testbedu VŠB-TUO představuje Automotive Lab, kde se zabývají virtualizovaným vývojem a testováním elektroniky pro autonomní vozidla a vozidla s elektrickým anebo hybridním pohonem. Pro tuto sekci Siemens dodal vnitřní i venkovní nabíjecí stanice CPC 150 kW pro elektrická vozidla a plug-in hybridní vozidla. Instalované stanice jsou vybaveny možnosti řízení energetického toku a pracující až do režimu superchaging.

IoT operační systém s cloudovým úložištěm

V rámci testbedu jsou k dispozici technologie, které jsou připojeny jednak skrze metalické připojení, jednak přes bezdrátové komunikační rozhraní. Aktuálně zde využívají Campus Network s možností LTE a 5G připojení. „Dospěli jsme do situace, kdy jsme si uvědomili, že potřebujeme robustní IoT operační systém, využívající cloudové úložiště,“ říká Petr Šimoník, proděkan pro spolupráci s průmyslem FEI VŠBTUO a místopředseda představenstva NCP4.0. „Díky aktivní spolupráci se Siemens se nám podařilo poměrně rychle nasadit IoT operační systém MindSphere nejen do výuky, ale také pro využití v aplikační sféře,“ dodává. Před rokem zavedli v ostravském testbedu tři účty MindSphere pro tři různé oblasti aplikací. První oblastí je průmyslová výroba – ve Smart Factory se sbírají data ze senzorických systémů, provádí se jejich vizualizace a následné zpracování. Například se zde sledují kritické stavy na výrobní lince. Druhý účet je zaměřen na oblast automobilové elektroniky, konkrétně na datovou analytiku provozních stavů automobilů a průmyslových vozidel. Třetí účet se využívá pro výzkum v rámci dlouhodobé mezisektorové spolupráce. Sledují se provozní stavy a vlastnosti elektromotorů a vyhodnocuje se využití těchto dat pro tzv. Smart Box, který bude nasazen u elektromotorů.

Univerzitní carsharing s MindSphere

Zajímavým projektem, který rovněž vznikl na VŠB-TUO, je univerzitní carsharing, v rámci kterého si každý registrovaný zaměstnanec nebo student může půjčit elektromobil. Aby tato služba probíhala hladce, bylo potřeba zajistit trvalý a okamžitý přehled o stavu carsharingové flotily a vyvinout aplikaci, pomocí které by se půjčování realizovalo.

Plány v rámci tohoto projektu ale sahaly ještě dál. Studenti a jejich učitelé chtěli mít možnost také sledovat chování řidičů a vyhodnocovat ho pro účely vývoje systémů pro autonomní vozidla. A současně chtěli i sbírat a analyzovat provozní data sdílených vozidel. MindSphere je otevřený operační systém – cloudové řešení, který umožňuje sběr, ukládání a zpracování dat. Skládá se ze tří částí. Na základní úrovni se sbírají data ze senzorů a strojů, uprostřed je cloudová platforma, kde se ukládají data, a nad tím jsou aplikace, které si vytváří zákazník sám nebo je vyvíjí Siemens i třeba zákazníkovi na míru. „Na VŠB-TUO si vytvořili svou vlastní aplikaci a využili k tomu platformu Siemens Mendix pro vývoj aplikací a snadný přístup k podnikovým datům, stejně tak jako veškeré dashboardy a vizualizace,“ vysvětluje Petra Fuchsíková, která má v rámci Siemens na starosti digitalizaci a MindSphere, včetně péče o zákazníky především z Moravskoslezského kraje, kam spadá i VŠB-TUO. „Ostravská technická univerzita je opravdu průkopníkem v oblasti MindSphere, protože již nyní má tři účty, které využívá velmi aktivně – jeden z nich v rámci projektu carsharingu, který hodnotíme jako velmi úspěšný a jsme na něj pyšní,“ dodává.

Optimální a komfortní prostředí v budově

V rámci testbedu je také využívána platforma pro monitorování a dohled systémů Desigo CC, která je určena pro komplexní řízení budov (BMS). Poskytuje uživatelsky příjemné prostředí pro ovládání regulovaných technologií a zobrazování jejich provozních stavů i hodnot a integruje ostatní systémy použité v budově. V rámci VŠB-TUO Desigo CC integruje také technologie budov Siemens použité v Ostravě. Jedná se o systém měření a regulace Desigo PX pro řízení vzduchotechniky, osvětlení, chlazení a vytápění, kamerový systém Siveillance VMS50 včetně videomanagementu a elektronickou požární signalizaci Sinteso. Do řídicího systému byla také integrována dobíjecí stanice CPC 150 kW.