Digitální továrna, na kterou si můžete „sáhnout“

  Digitální továrna, na kterou si můžete „sáhnout“

 

Zatímco ještě nedávno byla vize Průmyslu 4.0 pouhým virtuálním konceptem, dnes je již plně funkční realitou. Příkladem jedné z prvních realizací ve světě v plném rozsahu digitální továrny, je výrobní závod společnosti Siemens v německém Amberku.

 

Siemens Elektronikwerk Amberg (EWA) byl založen v roce 1989 na výrobu programovatelných logických automatů PLC (Programmable Logic Control) Simatic. Jedná se vlastně o malé průmyslové počítače, řídicí jednotky, pro automatizaci procesů v reálném čase. PLC Simatic řídí výrobní procesy v nejrůznějších průmyslových odvětvích, od automobilového až po farmaceutický, ale také ovládají lyžařské vleky nebo jsou součástí palubních systémů výletních lodí.

Siemens je největším dodavatelem PLC ve světě. Závod EWA vyrábí 12 milionů PLC Simatic ročně. Uvažujeme-li 230 pracovních dnů za rok, znamená to, že v Amberku vyrobí jednu řídicí jednotku za sekundu.

 

Defekt: ohrožený druh

Výroba je v závodě EWA převážně automatizována. Stroje a počítače obsluhují dvě třetiny činností v celém řetězci, zbývající práci vykonávají lidé. Pouze na začátku výrobního procesu se něčeho dotýká lidská ruka, například když pracovník pokládá první součástku (prázdnou desku plošných spojů) na výrobní linku. Od tohoto okamžiku běží všechno automaticky. Nejzajímavější však je, že výrobu jednotek Simatic zde řídí samy Simaticy, tzn., že vlastně řídí výrobu sebe sama. V celém výrobním řetězci, od začátku výrobního procesu až po okamžik expedice, je zapojeno přibližně 1000 zařízení PLC.

 

Impozantní je ale především kvalita výroby, které zde dosahují. Výsledná cifra ukazuje neuvěřitelných 99,9988 procenta a těch několik závad, k nimž dochází, spolehlivě odhalí řada zkušebních stanic. „Nevím o žádném srovnatelném závodě v celém světě, který by dosahoval tak nízké chybovosti,“ říká prof. Dr. Karl-Heinz Büttner, vedoucí závodu EWA. Jednotlivé produkty automatizační techniky pak odsud putují k více než 60 000 zákazníků v celém světě.

 

Jak se vyrábí PLC

Výroba začíná u prázdných destiček plošných spojů, které přinášejí dopravní pásy k tiskacímu zařízení. Tam se na ně fotolitografickým procesem nanáší bezolovnatá pájecí pasta. V dalším kroku připevňují osazovací hlavy jednotlivé součástky, jako jsou rezistory, kondenzátory a mikročipy, na desky plošných spojů. Nejrychlejší výrobní linka dokáže připevnit 250 000 součástek za hodinu. Po dokončení letování se desky opticky testují systémem, jehož kamera prověřuje umístění přiletovaných součástek, zatímco rentgenem se kontroluje kvalita spojů. Poté se každá deska vloží do pouzdra, které se následně znovu testuje, a odesílá do expedičního centra v Norimberku. Odtud se PLC řídicí jednotky rozesílají do světa. Přibližně 20 procent výroby putuje do Číny, zbývající část míří převážně do Německa, USA a Itálie.

 

Princip výroby a vlastně ani sám závod se od roku 1989 příliš nezměnily. Co je ale dramaticky jiné, jsou pracovní postupy a dosažené výsledky. Přestože výrobní plocha zůstala

beze změny a počet zaměstnanců se téměř nezvýšil, vyrábí závod nyní sedmkrát více kusů než v roce 1989. A co je ještě důležitější, výrazně se zvýšila kvalita. Zatímco v roce 1989 měl tento výrobní závod 500 defektů na milion vyrobených kusů, nyní to je pouhých 12 defektů.

 

Továrna budoucnosti

Amberský závod Siemens EWA je ukázkovým příkladem realizace digitální továrny Siemens (Siemens Digital Enterprise), tedy výrobního prostředí, které by se do několika let mohlo stát standardem. Pod pojmem Digital Enterprise (Digitální továrna) představila společnost Siemens portfolio řešení, která pomáhají implementovat koncept digitální výroby do podniků různých velikostí. Cílem je postupná digitalizace všech kroků výrobního řetězce a jejich začleňování nejen do komplexního výrobního procesu, ale i do celé dodavatelsko-odběratelské sítě.

 

Ústředním motivem čtvrté průmyslové revoluce, na kterou Německo zareagovalo vytvořením konceptu Průmyslu 4.0, je propojení skutečných a virtuálních výrobních světů. Továrny budoucnosti budou z velké části schopny řídit a optimalizovat samy sebe. Produkty a stroje si samy mezi sebou určí, jaké části na kterých výrobních linkách mají být dokončeny nejdříve, aby byly dodrženy termíny dodávky. Nezávisle pracující počítačové programy, známé jako softwaroví agenti, budou sledovat každý krok a zajistí soulad s výrobními předpisy.

 

Toto je už ale v amberském závodě Siemens EWA realitou a řada těchto řešení zde funguje v běžném provozu. Díky identifikačním systémům Simatic Ident si mohou výrobky řídit svůj vlastní výrobní proces. Optické kódy (QR kódy), které jsou připevněny ke každému polotovaru, v sobě obsahují informace o výrobku i o potřebných krocích, kterými výrobek musí projít, aby se z něj stal hotový produkt. Díky těmto kódům komunikuje výrobek přímo s výrobními stroji.

 

Bez lidí to nepůjde

Navzdory vysoce automatizovaným procesům hrají v amberském závodě lidé stále prim, a to především v oblastech vývoje a designu produktů, výrobního plánování a řešení neočekávaných událostí. To se ani v budoucnosti nezmění. „Pochybuji, že budou v dohledné budoucnosti existovat stroje, které budou schopny myslet nezávisle a pracovat inteligentně bez lidské pomoci,“ vysvětluje Karl-Heinz Büttner. Toto zjištění potvrzuje pohled do haly EWA, kde v jedné směně pracuje přibližně 300 lidí. Celkem má EWA cca 1100 zaměstnanců.

 

Historie průmyslu a koncept Průmyslu 4.0

Průmyslová výroba prošla v posledních 250 letech několika zásadními změnami. První průmyslová revoluce na konci 18. století a v prvních desetiletích století 19. znamenala nahrazení práce lidské mechanickou; došlo k přechodu od ruční výroby v manufakturách ke strojní velkovýrobě s využitím vodního a parního pohonu. Tento trend přišel zejména z Velké Británie, kde byl vynalezen parní stroj. Od počátku dvacátého století se při druhé průmyslové revoluci rozšířila dělba práce a masová výroba s pomocí elektrické energie. Třetí revoluci, k níž došlo v 60. letech 20. století, charakterizují elektronizace a robotizace výroby a zavádění řídicích systémů na softwarové bázi. Toto období vytvořilo podmínky pro nástup nové éry

pod vlivem digitalizace a internetu, kterou dnes označujeme za čtvrtou průmyslovou revoluci. Průmysl se dnes nachází na prahu rozsáhlých změn, které v následujících 15 až 20 letech změní celkovou organizaci výroby. Ta se bude vyznačovat použitím kyberfyzických systémů, jejichž součástky budou napojeny na internet, budou tedy internetovými klienty a mohou spolu komunikovat. Průmysl bude stále více využívat big data a business inteligence k plánování a optimalizaci výrobního procesu tak, aby dokázal pružně reagovat. Výrobní sítě a procesy v budoucnosti propojí prvky virtuálního a reálného světa.

V reakci na probíhající změny čtvrté průmyslové revoluce vznikl koncept tzv. Průmyslu 4.0. Ten si klade za cíl využít při výrobě produktů, které lze přesně přizpůsobit zákazníkům na míru, propojeného, flexibilního a dynamicky organizovaného výrobního procesu. Ačkoli je Průmysl 4.0 přímým důsledkem změn, nastartovaných čtvrtou průmyslovou revolucí, nejde o „produkt“, který by bylo možné si koupit a vyřešit tak problémy, které vznikají v důsledku těchto změn. Jeho posláním je zkombinovat digitální a informační technologie s průmyslem. Zároveň usiluje o zapojení dodavatelů a zákazníků do výrobního podniku s cílem zvýšit produktivitu a efektivitu.

Koncepce Průmyslu 4.0 má tři základní parametry - horizontální integrace napříč hodnotovým řetězcem, digitální integrace inženýrských činností od začátku až do konce procesu a vertikální integrace výrobních systémů. Implementace těchto parametrů povede k výraznému zvýšení produktivity. To se také odrazí v následujících klíčových technologických oblastech, které zásadně změní výrobní prostředí.

Zavedení technologií Průmyslu 4.0 umožní významně zefektivnit využití zdrojů. Například v automobilovém průmyslu, potravinářství nebo ve strojírenství zavedení koncepce Průmyslu 4.0 umožní komplexně optimalizovat celý vertikální výrobní proces. V plně automatizovaných výrobních provozech tak budou produkovány i malé výrobní dávky, které budou reflektovat aktuální požadavky zákazníků. Současně dojde ke zkrácení času potřebného k přenastavení výroby stejně jako redukci nákladů s tím souvisejících. Tím by mohlo podle některých studií dojít ke snížení nákladů na zpracování výrobků až o 25 %, celkové náklady na výrobu by se pak mohly snížit až o 8 %.

Iniciativa k Průmyslu 4.0. pochází původem z Německa, kde ji v současnosti podporuje nejen vláda, ale i univerzity a průmyslové asociace. Jedná se o zastřešující rámec, který si dává za úkol spojit dohromady jednotlivé inovační aktivity, a přispět tak k dalšímu vývoji v průmyslové produkci. Podobné iniciativy je možné najít i v dalších evropských zemích, v USA nebo Číně.

 

Digitalizace ve společnosti Siemens

Společnost Siemens položila základy digitalizace již dlouho před vznikem pojmu Průmysl 4.0. Zavedení konceptu plně integrované automatizace (tzv. TIA, Totally Integrated Automation), v roce 1996 umožnilo společnostem koordinovat jednotlivé části výrobních procesů a úzce propojit fungování softwaru a hardwaru. Od té doby Siemens neustále zkvalitňuje svoji řadu produktů a služeb nabízenou v rámci TIA portfolia.

Svou vizi fungování digitalizované výroby dle konceptu Průmysl 4.0 představil Siemens v portfoliu řešení Digital Enterprise. To pomáhá implementovat koncept digitální výroby do podniků různých velikostí. Konkrétně nabízí rozmanitá softwarová řešení pro návrháře a konstruktéry, různá řídicí a automatizační řešení a v rámci snahy o pokrytí celého životního

cyklu produktů je Siemens schopen vyhovět i vysokým nárokům zákazníků na průběžnou kontrolu provozovaných technologií a jejich servis.

Výrobky v takovém digitálním závodě jsou schopny řídit svoji výrobu samy, díky obousměrné komunikaci. S digitalizací se mění i proces navrhování produktu, kdy si designéři mohou díky softwaru výrobek nejen navrhnout, ale i otestovat bez nutnosti výroby prototypu. Lze také naprogramovat celé výrobní linky a plně automatizovat výrobní proces, například u automobilů. Realizaci takové digitální továrny je pak možné vidět v závodu Siemens právě německém Amberku.

Jednou z dalších cest, kterou společnost Siemens vidí jako klíčovou pro budoucí průmysl, je využití 3D tisku pro výrobu prototypů, náhradních dílů či běžných komponentů ve výrobě. Již dnes je možné na základě digitálních modelů tisknout z ocelových slitin např. lopatky plynových turbín; velký potenciál má 3D tisk i v oblasti automobilového průmyslu.

Společnost Siemens investuje i do výzkumu nových technologií, které by vylepšily automatizaci v průmyslové výrobě. V červenci 2014 pomohl Siemens vytvořit výzkumnou síť ve spolupráci s řadou významných univerzit a výzkumných center v Německu. Cílem projektu bude vyvinout nové technologie pro automatizaci procesů, internet věcí, cloudová zde proces digitalizace teprve v počátcích, Siemens již nyní disponuje komplexním portfoliem pro implementaci digitální továrny, které může zákazníkům nabídnout. Zároveň se Siemens aktivně účastní veřejné debaty na toto téma. Příkladem může být spolupráce s Česko-německou obchodní a průmyslovou komorou, která si koncepci Průmysl 4.0 zvolila jako letošní téma roku a pomocí různých aktivit se právě spolu se svými partnery snaží probudit zájem o tuto problematiku, a posunout tak vývoj digitalizace v průmyslu o stupeň výše.

 

Průmysl 4.0 v České republice

Generální ředitel Siemens Česká republika, Eduard Palíšek k tomu říká: „Díky velké navázanosti české ekonomiky na německý průmysl bude pro české výrobce klíčové harmonizovat národní postup s německou iniciativou reagující na čtvrtou průmyslovou revoluci pod názvem Industrie 4.0. Ta je především zcela novou filosofií systémového využívání, integrace a propojování nejrůznějších technologií při uvažování jejich trvalého, velice rychlého rozvoje. Vzhledem k šíři dopadu, musí tato filosofie proniknout do myšlení celé společnosti. Její přijetí přinese nejen velké výzvy ale také dnes ještě netušené příležitosti průmyslovým podnikům. Proto jsou to právě ony, které musí usilovat o to, aby na tyto změny reagovaly. Ignorování této nové reality by vedlo k postupné ztrátě konkurenceschopnosti nejenom jednotlivých firem, ale České republiky jako takové.“

 

Pohled společnosti Siemens na Průmysl 4.0

Ředitel průmyslových divizí Digital Factory & Process Industries and Drives, Wolfgang Weissler doplňuje: „Existují dva základní úhly pohledu, pod nimiž lze na Průmysl 4.0 nahlížet. Průmysl 4.0 na jedné straně velmi těsně souvisí s rychlým technologickým rozvojem, který v současné době zažíváme. Chytrá mobilní zařízení, internet a různé podoby digitalizace jsou dnes všude, kam se jen podíváte a stále více pronikají i do průmyslové výroby. Druhým důležitým aspektem Průmyslu 4.0 jsou výrobní náklady, resp. Možnosti jejich úspor, a také široká nabídka produktů a služeb. Tlak ze strany zákazníků na snižování cen produktů a služeb je v současnosti opravdu značný, a výrobci se proto musí snažit být flexibilnější a

efektivnější. Nad to vzrůstá nabídka nabízených produktů a zákazníci požadují více individualizované a customizované zboží, služby i řešení.“

 

Jak se proměnil koncept Průmyslu 4.0 v posledních letech

„Za jeho oficiální počátek můžeme považovat Hannover Messe 2013, kdy jsme však o tomto konceptu hlavně hovořili, a dnes tu již máme jeho hmatatelné projevy. Například před dvěma lety se velmi diskutovalo o našem PLM softwaru, který byl použit při návrhu planetárního vozítka Curiosity na Marsu. Od té doby uplynulo jen pár let a tento virtuální systém se již používá i pro pozemské účely, například ve Formuli 1 k vyhodnocování a vylepšování činnosti jednotlivých komponent vozů. Dnes díky pokročilým simulačním nástrojům svedeme i simulace crashtestů,“ doplňuje Wolfgang Weissler

 

Projekty a realizace konceptu Průmysl 4.0

Siemens se podílí i na výrobě automobilu Maserati Ghibli, který byl automobilkou Maserati představen v loňském roce. Ke komerčnímu úspěchu tohoto modelu přispěla digitalizace výrobních procesů. Vývoj a příprava výroby modelu Ghibli vypadaly zjednodušeně takto: Nejprve byly s pomocí softwaru NX od společnosti Siemens PLM Software navrženy jednotlivé díly vozu, poté byly veškeré výrobní procesy detailně nasimulovány v systému Tecnomatrix. Flexibilitu automatizačních prvků výrobní linky následně zajistil systém TIA (Totally Integrated Automation - nabízí řešení s jednotnou hardwarovou i softwarovou základnou pro různé automatizační úlohy ve všech průmyslových odvětvích). O plánování, optimalizaci a monitoring komplexních výrobních procesů se postaral software Simatic IT MES. Technologie Siemens jsou tak přítomny v celém vývojově-výrobním řetězci – od návrhu přes plánování, konstrukci, výrobu až po zákaznický servis.

 

Počátky digitalizace průmyslových řešení – vozítko Curiosity

Při vývoji digitálních technologií Siemens sehrál významnou roli kosmický výzkum. Konkrétně se jednalo o vozítko Curiosity, které bylo určeno k výzkumu planety Mars. Především díky němu lze dnes tyto postupy uplatňovat i při výrobě automobilů.

Vývoj začal zhruba před deseti lety, kdy americká Jet Propulsion Laboratory (JPL), která vyvíjí technologie pro NASA, provedla modernizaci své technologické infrastruktury, aby jí lépe umožňovala uskutečňovat plány při nižších finančních nákladech. Jednou z klíčových podmínek přitom bylo vytvoření „bezešvého“ softwarového systému, který by sahal od koncepčního návrhu až po samotnou výrobu, čímž by se snížilo riziko různých transkripčních chyb a usnadnil se vývoj i veškeré manuální procesy. JPL se proto rozhodla implementovat software NX od společnosti Siemens PLM Software. V něm získala plně integrovaný CAD/CAE/CAM, který použila k vývoji mechanických částí vozítka Curiosity. Inženýři JPL začali s menšími simulacemi, aby zjistili, jaké jsou softwarové předpoklady pro složitější modelování, a také aby získali jistotu, že jejich modely budou věrohodně napodobovat veškeré fyzikální procesy probíhající na planetě Mars. Poté použili nástroje CAE pro tepelnou analýzu, aby simulovali různé fyzikální procesy a jejich účinky, jako je proudění tekutin uvnitř vozítka, řízení teploty pohonného systému a působení slunečního záření na povrch Curiosty. Důležitým přínosem NX byla možnost vyhodnocovat činnost systému tepelné regulace v podmínkách, které v JPL nemohli simulovat fyzicky.

Kromě těsnější integrace procesů navrhování a analýzy umožnil software NX i integraci různých druhů analýzy, například tepelné a mechanické deformace nebo pnutí. Bez NX by inženýři museli tepelný systém fyzicky spustit a poté manuálně provádět měření. Díky použití NX bylo výrazně snazší i odstranění pohybových interferencí. Návrháři totiž potřebovali vědět, zda jednotlivé pohyblivé součásti vozítka nebudou ve vzájemné kolizi. Rozpoznat to pohledem do statických výkresů nebo na digitální modely je samozřejmě obtížnější než s pomocí nástroje NX Motion. Software Siemens tak výrazně pomohl k realizaci projektu a vozítko Curiosity zkoumá povrch Marsu již od srpna 2012.

 

Práce 4.0 – zaměstnanost v době digitalizace

Nástup čtvrté průmyslové revoluce vyvolává diskuzi o podobě pracovního trhu budoucnosti. Koncepce Průmysl 4.0 s sebou totiž přinesla i pojem práce 4.0, který odkazuje k postupující digitalizaci pracovního procesu a s ní spojených změn ve struktuře pracovních pozic na trhu práce.

 

Změny ve výrobním i obchodním modelu

Očekává se, že digitalizace, rozsáhlá automatizace a robotizace zcela promění celý vývojově-výrobní i distribuční řetězec a také stávající obchodní model. Již nyní vidíme, jak se vlivem internetu mění poptávka po výrobcích – zákazníci jsou díky dostupným informacím náročnější, nabídky porovnávají rychleji a efektivněji vybírají vhodné dodavatele. To klade nároky na výrobce, kteří jsou nuceni vyrábět flexibilně podle potřeb zákazníka a customizovat své výrobní procesy. Digitální výroba jim v tomto velmi usnadňuje situaci, protože výrobky si dokážou samy výrobky efektivně řídit svou vlastní montáž, dodávat informace o rychlosti výroby, reagovat na stav skladových zásob a podle toho upravovat i distribuci. Tyto „chytré továrny“ samozřejmě přebírají procesy a úkoly, které dnes zastávají kvalifikovaní zaměstnanci.

 

Jaké budou dopady digitalizace na trh práce

Masové zavedení digitalizované výroby se očekává v horizontu následujících 15 až 20 let. Nejrychlejší bude nástup nových prvků výroby v sériové produkci. Vysoká míra automatizace a digitalizace se již dnes projevuje např. v automobilovém průmyslu na montážních linkách. Prvky kybernetizace a digitalizace vstupují i do energetiky, např. u větrných elektráren.

Podle generálního ředitele Siemens Česká republika, Eduarda Palíška, by se firmy měly již nyní zapojit do celospolečenské diskuze a postupovat koordinovaně ve svých požadavcích na trh práce i v legislativě: „Vláda České republiky si musí být vědoma toho, že komparativní výhody, které dnes činí z České republiky atraktivní zemi pro zřizování poboček globálních firem, nebudou mít v novém průmyslovém světě svou hodnotu a zájem o stávající strukturu kompetencí rapidně opadne. To by vedlo k dalekosáhlým makroekonomickým a sociálním problémům. Proto je vláda České republiky zodpovědná za vytvoření vhodného prostředí, ve kterém bude možno průmyslové podniky rozvíjet tak, aby v novém digitálním světě obstály. Jedná se především o vybudování datové a komunikační infrastruktury, přenastavení vzdělávacího systému, nové nástroje trhu práce, adaptace společenského prostředí a vytvoření fiskální pomoci firmám, aby se vypořádaly s vyvolanými investicemi do nových technologií a know-how.“

 

Cílem konceptu Průmysl 4.0 není vytvářet výrobu bez pracovníků a brát práci kvalifikovaným zaměstnancům. Změní se ale požadavky na profil a znalosti zaměstnanců. Je velmi pravděpodobné, že si firmy budou své pracovníky pro digitální provozy speciálně školit.

Digitalizace ale podle Eduarda Palíška ovlivní trh práce příznivě: „Nárůstem produktivity a flexibility vzniknou pro firmy nové obchodní příležitosti, které by měly mít pozitivní vliv také na zaměstnanost.“ Zároveň se podle něj zlepší bezpečnost práce, kdy si digitální systémy v továrnách budou hlídat, zda se do jeho těsné blízkosti či kritické zóny náhodou nedostal živý faktor. Tím pádem se dosáhne úspor i ve zdravotním systému. Pokud budou firmy takto produktivní a budou-li schopny reagovat na měnící se podmínky, tak budou samozřejmě vykazovat větší zisky a tím také odvádět více na daních.

 

Zodpovědný přístup k zaměstnanosti v digitalizované výrobě představuje továrna Siemens v Amberku. Navzdory pokročilé automatizaci výrobního procesu zde pracuje asi 1100 zaměstnanců, kteří jsou činní především v oblastech vývoje a designu produktů, výrobního plánování a řešení neočekávaných událostí.

 

Vzdělávací systém se musí přizpůsobit již nyní

Dříve, než samotný trh práce, se bude požadavkům nové průmyslové revoluce nucen přizpůsobit vzdělávací systém. Wolfgang Weissler vidí budoucnost v propojování stávajících oborů IT: „Jde o přirozený vývoj. Například před dvaceti lety byly elektrotechnická a mechanická odborná průprava odděleny. Dnes již existuje obor, který tyto dvě disciplíny spojuje – mechatronika. Lidé působící v těchto oborech zkrátka cítili, že se jejich výzkum i výroba stále více prolínají, došlo tedy k institucionalizaci tohoto propojení. Hmatatelným dokladem toho jsou nejrůznější frekvenční konvertory, motory či průmyslové kontrolery – dnes se prostě vyrábí stále více přístrojů či jejich částí, které v sobě mají mikročip. Podle mě bude dalším krokem propojení mechatroniky a IT, bude to takový další technický „crossover“, s nímž samozřejmě budou spojeny i nové kvalifikační nároky,“ uvádí.

Zároveň bude i na firmách, aby v rámci spolupráce se školami podpořily propojení oborů a nabízely více stáží již od středních škol.

 

Celý článek ke stažení zde:

CI1504_42_45_Digitální továrna_SIEMENS_CI_SABLONA.pdf (1344523)