Razvoj tovarn prihodnosti v Sloveniji: Program GOSTOP – Tehnologije vodenja in robotika

logo

Program GOSTOP - Gradniki, orodja in sistemi za tovarne prihodnosti, ki ga koordinira Institut »Jožef Stefan«, je trenutno največji Program v Sloveniji in je podprt s strani Republike Slovenije, Ministrstva za izobraževanje, znanost in šport, Evropske Unije, Evropskega sklada za regionalni razvoj in slovenske industrije.

Nahaja se v osrednji fazi, ko zastavljeni osnutki in koncepti v skladu s Programom prehajajo iz raziskovalne v eksperimentalno fazo. V tri in pol letnem Programu združujemo raziskovalne skupine iz trinajstih podjetij in šestih raziskovalnih organizacij, ki imajo kompatibilne raziskovalno-razvojne programe na področju pametnih tovarn. Upoštevajoč slovensko strategijo pametne specializacije, ki jo je pripravila SVRK, kot tudi strategijo razvoja koncepta pametnih tovarn, ki se uveljavlja v EU in jo promovira na primer evropsko združenje EFFRA, izvajamo dela na področjih, na katerih Slovenija lahko doseže pomembne preboje v bližnji prihodnosti: tehnologije vodenja, orodjarstvo, robotika in fotonika. S tem v Programu GOSTOP tudi združujemo del horizontalnih mrež (omogočitvenih tehnologij) iz strategije pametne specializacije Slovenije na področju pametnih tovarn in vključujemo vertikalne verige vrednosti, da pridemo do novih produktov, storitev in tehnologij, s katerimi bo slovenska industrija izboljšala svojo konkurenčnost. V posameznih prispevkih bomo prikazali nekatere izvlečke iz dela aktivnosti znotraj posameznih stebrov Programa, katerih uspešna izvedba bo prispevala k dvigu dodane vrednosti in k povečanju izvoza. Posamezni stebri se vsebinsko medsebojno prepletajo. Zato je smiselno Program gledati kot celoto. Kljub vsemu bomo zaradi obširnosti celoto razdelili na dva prispevka, v katerih bomo predstavili posamezne stebre. V prvem delu predstavitve Programa GOSTOP bomo predstavili stebra tehnologije vodenja in robotiko.

Program GOSTOP - Gradniki, orodja in sistemi za tovarne prihodnosti, je zbral slovenska raziskovalna in inovacijska znanja ter izkušnje iz industrijske in akademske sfere z namenom, da uvrsti Slovenijo med ugledne evropske ponudnike izdelkov, tehnologij in storitev za tovarne prihodnosti. Kritično maso znanj in kapacitete smo izoblikovali predvsem na tistih tehnoloških področjih, ki imajo v Sloveniji komparativne prednosti in imajo realne možnosti za večjo uveljavitev slovenskega znanja tudi v svetu. V programu sodeluje devetnajst partnerjev. Pet javno-raziskovalnih organizacij (Institut "Jožef Stefan", Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za računalništvo in informatiko in Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko) ter razvojni center (Razvojni center orodjarstva Slovenije TECOS). S strani industrije so vključena tako velika kot tudi srednja in mala podjetja (Kolektor Group d.o.o., INEA d.o.o., METRONIK d.o.o., HIDRIA ROTOMATIKA d.o.o., YASKAWA Slovenija d.o.o., PODKRIŽNIK d.o.o., NELA razvojni center d.o.o., COSYLAB d.d., L-TEK d.o.o., ŠPICA INTERNATIONAL d.o.o., OPTOTEK d.o.o., LPKF d.o.o. in FOTONA d.o.o.). Program GOSTOP je vreden skupno 9,4 mio EUR od tega je 5,95 mio EUR sofinanciranja. Sestavljajo ga štirje stebri: tehnologije vodenja, robotika, orodjarstvo in fotonika. V tem prispevku bomo predstavili nekatere aktivnosti stebra tehnologije vodenja in robotike. Naložbo sofinancira Republika Slovenija in Evropska unija iz Evropskega sklada za regionalni razvoj.

Tehnologija vodenja
Tehnologija vodenja(avtomatizacija, informatizacija, kibernetizacija) je izrazito infrastrukturna omogočitvena tehnologija, ki je vključena v praktično vseh sodobnih napravah, strojih, procesih in sistemih. Z uporabo paradigme povratne zanke (Slika 1) zagotavlja njihovo funkcionalnost, zanesljivost, varnost in učinkovitost delovanja. Zaradi svoje ključne vloge v končnem sistemu/izdelku je naravni integrator vseh tehnologij, ki nastopajo pri zasnovi in izvedbi novega sistema/izdelkain je eno ključnih področij tovarn prihodnosti.

Gre torej za tipično omogočitveno tehnologijo, ki svojo uporabo najde na zelo različnih področjih uporabe, med katerimi izstopa uporaba tehnologij vodenja pri razvoju gradnikov, orodij in sistemov za tovarne prihodnosti/pametne tovarne. Koncept pametne tovarne uveljavlja spremembo proizvodne informacijske infrastrukture, kjer so tehnologije vodenja eden osnovnih gradnikov. Na nivoju proizvodnega obrata bo bistveno povečano število senzorjev in aktuatorjev, krmilniki bodo vsebovali precej več inteligence za možnost samostojnega odločanja. Kot del kibernetskih-fizičnih sistemov bodo avtonomno usklajevali delovanje posameznih proizvodnih naprav. Na nivoju operativnega vodenja proizvodnje in na nivoju poslovnega upravljanja proizvodnje se bodo uvedla programska orodja za podporo odločanju in novi inteligentni agenti, ki bodo prevzeli vlogo človeka pri operativnem vodenju proizvodnje.

V stebru Tehnologije vodenja, kot delu Programa GOSTOP, sodeluje 11 partnerjev, vključno z najpomembnejšimi raziskovalnimi institucijami, visokotehnološkimi storitvenimi/inženirskimi podjetji s področja tehnologije vodenja in podjetji-uporabniki rezultatov, ki delujejo na področju razvoja tehnologije vodenja ali uporabe njenih rezultatov v Sloveniji. Cilj združevanja deležnikov je doseči koncentracijo znanja in kompetenc za skupno izvajanje razvojno-inovativnih projektov, ki bodo s svojimi rezultati omogočili izdelavo novih produktov, tehnologij in storitev, potrebnih za realizacijo koncepta tovarn prihodnosti. Največji poudarek razvojnih raziskav je namenjen:

Dosedanje delo na področju razvoja novih gradnikov za integracijo fizikalnega in digitalnega sveta v tovarnah prihodnosti je razdeljeno na štiri podsklope. Prvi podsklop zajema razvoj modulov za zajem podatkov iz oddaljenih podatkovnih virov, pošiljanje podatkov v »Big Data« center ter prikaz podatkov v okviru spletnih in mobilnih naprav. Drugi podsklop zajema razvoj novega prototipa enote za daljinsko spremljanje procesov, ki bo omogočal prenos podatkov iz industrijskih naprav preko mobilnih omrežij 4. generacije. Tretji podsklop zajema razvoj komponent programskega orodja za samodejno, trajnostno in avtonomno vzdrževanje industrijskih proizvodno-informacijskih sistemov prihodnosti, ki bodo sposobni samodejnih korektivnih ukrepov. Zadnji sklop zajema razvoj nove generacije senzorjev na podlagi zvoka in slike za komunikacijo med človekom in opremo na podlagi interneta stvari.

Novi postopki za celovito avtomatsko analizo kakovosti končnih izdelkov se razvijajo in verificirajo na demonstracijski liniji za proizvodnjo elektromotorjev v enem izmed slovenskih proizvodnih podjetij (Slika 2). Izvedena je zasnova celotne linije za končno kontrolo izdelkov, zasnovane potrebne strojne komponente, krmilni sistem, programski moduli za obdelavo signalov hrupa in vibracij za potrebe končne kontrole kakovosti, vtičniki za povezavo s sistemom MES (Manufacturing Execution System), agenti za podrobno spremljanje procesnih parametrov in nastavitev stroja ter spletni vtičnik za nadzor procesa transportne linije, ki je poizkusno implementiran v obstoječi MES sistem. Pri zasnovi linije smo kot pomembno vodilo upoštevali trende v okviru koncepta Industrija 4.0, kjer je nakazana pomembna smer razvoja proizvodne informatike v smislu sprotnega prilagajanja nastavitve parametrov proizvodnih naprav glede na rezultate kontrole kakovosti končnega izdelka.

Pri razvoju novih postopkov adaptivnega vodenja proizvodnje smo za testno demonstracijsko proizvodno linijo elektromotorjev preverili razpoložljiva merilna mesta in možnosti integracije proizvodnih podatkov v enotni sistem, ki bo omogočal spremljanje proizvodnje in njeno adaptivno vodenje. Definirali smo potrebno informacijsko infrastrukturo za zajem in shranjevanje podatkov iz različnih faz proizvodnje. Struktura temelji na principu MessageQueues, ki omogočajo zelo veliko propustnost podatkov. Specificirali smo potrebne strukture informacijskih blokov za prenos podatkov med različnimi informacijskimi podsistemi pri proizvodnji električnih motorjev. Trenutna dela so predvsem na preverjanju koncepta uporabe statističnih podatkov o kakovosti končnih izdelkov ter drugih vplivnih parametrov naprav v proizvodni liniji za optimalno ponastavitev parametrov proizvodnih naprav.

Koncept Industrija 4.0 predvideva možnost trenutnega dostopa do vseh proizvodnih podatkov v celotni piramidi informacijske infrastrukture proizvodnega podjetja ter njihovo obdelavo s sodobnimi postopki za pridobivanje dodatnih informacij za optimizacijo proizvodnje. Zato v posebnem sklopu aktivnosti razvijamo enotno podatkovno platformo (Enterprise Service Bus), ki bo zagotavljala trenuten dostop do podatkov v različnih podatkovnih bazah in njihovo uporabo v namenskih programskih modulih za namene nadzora proizvodnega procesa ter napovedovanja in sintezo optimalnih ukrepov za učinkovito vodenje proizvodnje.

Ocenjujemo, da je že dosedanje delo na aktivnostih v okviru stebra Tehnologije vodenja upravičilo omejena investicijska sredstva s strani države, saj je že več podjetij z novimi komercialnimi pogodbami sklenilo nadaljevati prehod že doseženih razvojnih rezultatov v industrijsko uporabo (Sliki 3 in 4).

Robotika
V stebru robotike razvijamo napredne tehnologije, ki so usmerjene k integraciji robotike v tovarne prihodnosti v okviru paradigme Industrija 4.0 s ciljem povečanja fleksibilnosti proizvodnje in povečanja stopnje avtomatizacije z namenom višanja produktivnosti in kakovosti izdelkov. Glavni namen je doseči preboje na tistih področjih robotike, na katerih v Sloveniji že obstajajo tako močne raziskovalne skupine kot tudi podjetja. Pregled stanja robotike v Sloveniji je pokazal, da obstajata znanje in skupen interes raziskovalnih organizacij in podjetij ter potrebe za nadaljnji razvoj predvsem na štirih področjih:

Na področju adaptivnih robotskih tehnologij smo se osredotočili predvsem na fleksibilno prijemanje in manipulacijo, strojni vid in strojno učenje. V teh raziskavah prispevajo svoja znanja na področju strojnega vida ULFRI LUVSS, ULFE LSI in Kolektor, na področju robotike ULFE LR in IJS E1, medtem ko Kolektor in Nela dosežene rezultate prenašata v svoje aplikacije. Naše delo se osredotoča na adaptivno robotsko celico za kontrolo kakovosti izdelkov, s katero želimo izločiti vpliv človeškega faktorja znotraj postopka kontrole kakovosti proizvodov, ki je trenutno sorazmerno velik. Arhitektura celice za pregledovanje kakovosti temelji na programskem okolju KiS (Kolektor Imaging Software), ki ga razvija podjetje Kolektor, in odprtokodnem vmesniku ROS (Robot Operation System). Na ta način zagotavljamo združljivost naprednih metod robotskega vodenja in načrtovanja ter strojnega vida. Naše raziskovalno delo se nanaša na problem detekcije razpok na podatkih, ki smo jih zajeli v realnih proizvodnih procesih. Za detekcijo napak uporabljamo tako klasične metode strojnega vida kot tudi metode globokega učenja. Prvi rezultati so primerljivi. Za izboljšanje pozicioniranja izdelkov pri kontroli kakovosti razvijamo nove metode in sisteme za oblikovanje prilagodljivih prstov za robotske roke s pomočjo 3-D tiskanja. Razvili smo tudi ustrezno strojno opremo za avtomatsko izmenjavo prstov. Natančno pregledovanje površin izdelkov zahteva tudi ustrezno načrtovanje robotskih poti vzdolž površin izdelkov. Razvili smo ustrezne metode za avtomatsko načrtovanje poti pregledovanja iz CAD modelov izdelkov in s pomočjo kinestetičnega vodenja. V tem delu gredo trendi pogonske tehnike predvsem v izdelovanje inteligentnih prenosnih sistemov z algoritmi krmiljenja navora in z že vgrajenim sistemom nadzora in možnostjo predvidevanja vzdrževanja posameznega pogonskega sklopa v celotnem sistemu. Naš cilj je izdelati študijo možnosti uporabe koncepta internet stvari (angl. Internet of Things - IoT) pri vzdrževanju pogonskih sklopov z enkoderji, senzorji navora in motorji za pogon. Pri tem je vodilno vlogo prevzelo podjetje Podkrižnik, ki razvija nove pogone za napredne robotske roke. Pri razvoju sodelujejo tudi IJS E1 in E2 ter podjetje Nela. V prvi fazi smo postavili koncept pozicionirnega sistema, ki na podlagi ustreznega vodenja in senzorjev dosega želeno delovanje pogonskega sklopa. Z modeliranjem servopogonov, analizo lineariziranih sistemov in uporabo simulacije kompleksnih nelinearnih pogonskih sistemov, smo ugotovili, da so ključni faktorji, ki vplivajo na kvaliteto pogonskega sklopa, t.j. na natančnost pozicioniranja in sledenja ter obnašanje v kontaktu z okoljem, trenje, zračnost in togost prenosnika. Glede na predvideno osnovno karakteristiko motorja smo zasnovali del pogonskega sklopa za pozicionirni sistem, izdelani pa so bili tudi prvi vzorci senzorja pozicije. V nadaljevnju naših raziskav bomo razvili algoritme, ki so potrebni za spremljanje in nadzor celotnega pogonskega sistema.

V številnih sektorjih industrije in medicine se zaradi visoke natančnosti vnosa energije ter visoke fleksibilnosti vse bolj uveljavljajo laserske tehnologije. Posebno mesto zasedajo robotizirane daljinske laserske obdelave, ki predstavljajo integracijo robotskega manipulatorja z lasersko skenirno optiko. Takšne konfiguracije omogočajo veliko delovno območje, visoko geometrijsko fleksibilnost obdelovancev in ultra kratke čase obdelave, kot so na primer lasersko varjenje, rezanje in mikrostrukturiranje. Raziskave na tem področju izvajata Yaskawa in ULFS KOLT, ki sta razvila laboratorijski prototip laserske obdelovalne skenirne glave z optično povratno zanko. Razvili smo algoritme za sprotno obdelavo video signala z namenom detekcije sočelnega zvarnega roba ter območja laserskega žarka. Za sprotno 3-D vodenje žarka po zvarnem robu smo razvili programski modul za komunikacijo s skenirno glavo po CAN vodilu ter kalibracijski protokol, ki zagotavlja ustrezno natančnost 3-D pozicioniranja gorišča laserskega žarka glede na zvarni rob. Rezultati testiranja so pokazali, da lahko z novim algoritmom dosežemo 2-krat boljšo natančnost in 10-krat hitrejšo odzivnost krmiljenja.

Platforma virtualne tovarne se nanaša na razvoj modela digitalne tovarne, ki je narejen iz več različnih podmodelov. Pri tem izvajamo raziskave na področju inteligentnih algoritmov, simulacije diskretnih dogodkov v realnem času in Plug & Produce vmesnikov z načeli interneta stvari (IoT). S tem bomo omogočili, da bo realizacija naročila izvedena na osnovi samo-organizacije (LEAN), samo-konfiguracije (AGIL) in samo-kontrole kakovosti (TQM) PPS-a z avtomatskim zbiranjem ključnih kazalnikov uspešnosti (KPI) z vsemi elementi digitalne sledljivosti produkta. Takšen pristop bo zagotovil povečanje učinkovitosti proizvodnega procesa v realnem času. V prvi fazi projekta so podjetje Kolektor in raziskovalna partnerja IJS E1 in ULFS LASIM zasnovali model digitalne tovarne in poslovnega sistema za pilotni projekt. Model digitalne tovarne (vključno s podatkovnim modelom) je izdelan v off-line načinu, kar pomeni, da deluje v odprti zanki. Za namen modeliranja poslovnega nivoja, je bil v programskem okolju ARIS zgrajen in verificiran meta model metodologije modeliranja, ki opisuje in definira vse elemente potrebne za izgradnjo modela kot so pogledi, nivoji, tipi modelov in povezav med posameznimi objekti in modeli ter tipi atributov. Verifikacijo razvitih modelov smo izvedli v programskih okoljih Plant simulation in ARIS.

Sklep
Program GOSTOP obravnava problematiko pametnih tovarn, v Evropi znano tudi kot koncept tovarn prihodnosti, oziroma Industrja 4.0. Področje je uvrščeno med prioritetna področja slovenske strategije pametne specializacije S4. Program GOSTOP se trenutno nahaja na polovici, izvajajo se osrednje faze posameznih aktivnosti. V Programu GOSTOP sodeluje 19 partnerjev iz trinajstih slovenskih podjetij in šestih raziskovalnih organizacij s kompatibilnimi raziskovalno-razvojnimi programi na področju tovarn prihodnosti.

V tem prispevku je predstavljen izsek do sedaj opravljenega dela z vmesnimi rezultati Programa GOSTOP v stebrih tehnologije vodenja in robotika. V naslednjem prispevku bomo predstavili še orodjarstvo in fotoniko. Dela na obeh stebrih tehnologije vodenja in robotika potekajo v skladu s planom. V nekaterih primerih se na osnovi doseženih vmesnih rezultatov Programa vzopstavljajo tudi nova partnerstva v obliki dodatnih raziskovalnih in komercialnih povezav tako znotraj kot tudi zunaj konzorcija. Za steber robotika je značilno, da so se ustvarile popolnoma nove raziskovalno razvojne skupine tako na univerzah in inštitutih kot tudi v industriji. Vzopstavljajo se tudi nova partnerstva pri pripravi in izvajanju evropskih projektov in v obliki komercialnih povezav znotraj in zunaj konzorcija.

Avtorji: Igor Kovač1, Vladimir Jovan1, Aleš Ude1, Aleš Hančič2, Dragan Kusić2, Janez Štrancar1

1 Institut »Jožef Stefan«, Jamova cesta 39, 1000 Ljubljana, Slovenija
2 TECOS Razvojni center orodjarstva Slovenije, Kidričeva ulica 25, 3000 Celje, Slovenija

https://www.ijs.si/

Več o članku si preberite v PDF reviji!