Testbedy jako živé laboratoře pro moderní technologie

Testbedy jako živé laboratoře pro moderní technologie

15. 07. 2022

V mnoha oborech to bez práce v laboratoři vůbec nejde. K těm tradičním, jaké si všichni pamatujeme ze školy, začínají přibývat laboratoře zcela nového typu – vybavené nejmodernějšími technologiemi, jaké jsou v současnosti dostupné. Učí se v nich studenti nových studijních oborů, ale také lidé z praxe. A nejen učí. Zkoušejí si v nich nové postupy a řešení, testují, simulují, znovu ověřují. Díky tomu pak mohou předejít mnoha omylům a špatným investicím.

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.

Sdílet článek

Chcete vediet viac? Napíšte nám

Odoslaním formulára súhlasím so spracovaním osobných údajov. Vyplnené osobné údaje budeme spracovávať za účelom spracovania vášho dopytu alebo dotazu. Vďaka tomu vám budeme môcť čo najskôr odpovedať a vyriešiť vašu požiadavku. Pre viac informácií kliknite tu.