Демонстратор технологий Индустрия 4.0 на базе макета Fischertechnik

Конструкторы для обучения детей робототехнике

Share Button

В 2019 году компания Fischertechnik представила широкой публике решение для перехода от школьной робототехники к изучению современных технологий промышленной автоматизации — Комплексный макет цифрового производства (Industry 4.0).

В России премьерный показ макета состоялся на Молодёжном форуме инноваций и предпринимательства Московской области «Рубикон» в декабре 2019 года. Аналогичный макет предыдущего поколения нашёл применение в таких российских образовательных учреждениях как, БелГУ, СПбПУ (ПОЛИТЕХ, г. Санкт-Петербург), «Академия цифровых технологий» Санкт-Петербурга, общеобразовательные школы г. Первоуральска Свердловской области, «Точка будущего», г. Иркутск.

Антон Иванов, инженер компании ПАКПАК, рассказывает о проекте и объясняет, почему комплексный макет цифрового производства — это не просто прикольная игрушка.

Предисловие

Промышленные революции в истории человечества приводили к кардинальной трансформации человеческого общества. Принято считать, что первая промышленная революция началась во второй половине XVIII века и состоялась благодаря паровому двигателю. В результате в первой половине XIX века резко увеличилась производительность труда, что привело в итоге к массовому переходу от ручного труда к машинному, быстрой урбанизации, началу интенсивного экономического роста и преобразованию аграрного общества в индустриальное. Паровой двигатель стал одной из ключевых инноваций индустриальной революции. Темп жизни начал ускоряться и «набирать обороты».

Вторая промышленная революция, известная как технологическая, охватила вторую половину XIX века и начало XX века. Её успех связывают с технологическими прорывами, а также с активным внедрением в производство научных достижений. Электрификация стала главной инновацией технологической революции, позволившей в начале XX века организовать массовое поточное производство. Паровые машины были вытеснены электрическими, началась электрификация производства, транспорта и быта. На смену паровому двигателю пришёл двигатель внутреннего сгорания. На производстве стали применять конвейер. Рост производительности труда и экономический рост продолжились гигантскими темпами.

Третью промышленную революцию обычно называют «цифровой революцией», которая ознаменовала собой повсеместный переход от аналоговых технологий к цифровым. Это привело к активному применению информационно-коммуникационных технологий, средств автоматизации и промышленных роботов на производстве. К основным движущим силам цифровой революции относятся широкое распространение вычислительной техники и повсеместное проникновение Интернета, а также массовое применение персональных портативных коммуникационных устройств. Цифровую революцию принято рассматривать в контексте информационной революции, которая «запустила» процесс глобализации и трансформации индустриального общества в постиндустриальное.

В этом ряду четвёртая промышленная революция ассоциируется с появлением полностью цифровой промышленности, основанной на взаимном проникновении информационно-коммуникационных технологий и технологий промышленной автоматизации.

Индустрия 4.0

Термин «Индустрия 4.0» появился относительно недавно и означает соединение промышленного производства с интеллектуальными и сетевыми системами для достижения максимально возможного уровня самоорганизации производства. Подавляющее большинство ключевых элементов и технологий, относящихся к концепции «Индустрия 4.0», существуют уже не один год и даже не одно десятилетие. Это и отдельные роботизированные производственные линии, и целые «умные» заводы без обслуживающего персонала, и «промышленный Интернет», и беспилотные автомобили и летательные аппараты, и многое, многое другое.

В последнее время мы стали свидетелями неуклонно повышающегося уровня автоматизации технологических процессов на производстве и в других сферах человеческой деятельности. Очевидно, что успешная реализация концепции Индустрия 4.0 приведёт в итоге к новому промышленному перевороту. На наивысшем уровне автоматизации искусственный интеллект будет полностью контролировать все процессы без участия человека и управлять ими. Уже сегодня человек активно вытесняется из цепочки формализованных и отлаженных процессов, на наших глазах исчезают традиционные профессии. Можно предположить, что в новом обществе «тотальной цифровизации» человек не только останется без работы в привычном понимании этого слова, но и утратит контроль над самообучающимися системами искусственного интеллекта. Сдерживающими юридическими, экономическими и технологическими факторами внедрения тотальной автоматизации и цифровизации пока остаются консервативность законодательства, доступность дешёвой рабочей силы и «несовершенство» самих технологий.

Концепция Индустрия 4.0 предусматривает массовое внедрение киберфизических систем в производство и сферы обслуживания человеческих потребностей и, по мнению различных экспертов, включает в себя такие ключевые технологии как:

  • Интернет вещей (англ. Internet of Things, IoT);
  • искусственный интеллект и нейросети;
  • системы обработки больших данных (англ. Big Data);
  • блокчейн (англ. blockchain);
  • робототехника;
  • беспилотные транспортные средства;
  • промышленная 3D-печать;
  • виртуальная и дополненная реальность.

Кроме этого, некоторые эксперты выделяют несколько перспективных направлений, среди которых квантовые компьютеры, наноматериалы, био- и геотехнологии.

Описание макета

Изучение технологий промышленной автоматизации невозможно без практических занятий для закрепления теоретического материала и формирования устойчивых профессиональных навыков. Имитационные модели, макеты и тренажёры при сравнительно невысокой стоимости подменяют собой реальный объект управления и позволяют проводить практические занятия без риска повредить дорогостоящее промышленное оборудование. Учебные модели с большей или меньшей степенью реалистичности имитируют производственные процессы, происходящие как на отдельных технологических участках, так и в системах управления целых промышленных комплексов.

Демонстратор технологий Индустрия 4.0 на базе макета Fischertechnik

Демонстратор технологий Индустрия 4.0 на базе макета Fischertechnik

Комплексный макет цифрового производства Industry 4.0 (Индустрия 4.0) представляет собой имитационную модель технологических процессов, которая предназначена для изучения современных технологий промышленной автоматизации. Макет позволяет продемонстрировать использование технологий Интернета вещей, робототехники, автоматизации и цифровизации производства. Контроль над технологическими процессами и наблюдение за работой макета осуществляется с помощью облачного сервиса Fischertechnik cloud (англ. cloud – облако).

Макет собран из стандартных, преимущественно пластиковых, компонентов электромеханических конструкторов Fischertechnik с использованием усиленных элементов конструкции, изготовленных из алюминиевого профиля, и закреплён на прочном основании.

Склад

Вертикальный склад

Комплексный макет состоит из нескольких технологических участков, краткие названия которых указаны на табличках, размещённых на макете:

  • участок загрузки материалов и выгрузки готовых изделий – «Участок загрузки и выгрузки»;
  • манипулятор с вакуумным захватным устройством – «Манипулятор»;
  • участок хранения – «Вертикальный склад»;
  • технологический участок с печью и вакуумным захватом – «Участок обработки» (имитация термической и механической обработки);
  • участок сортировки – «Сортировочная линия»;
  • станция мониторинга окружающей среды с камерой видеонаблюдения – «Измерительная станция».
Участок загрузки

Участок загрузки и выгрузки

Манипулятор с вакуумным захватным устройством, складской штабелёр и камера видеонаблюдения измерительной станции приводятся в действие электромоторами с энкодерами, а ленточные конвейеры, манипулятор технологического участка с печью и другие механизмы макета обычными электромоторами. Компрессоры с системой трубок, цилиндров и электромагнитных клапанов создают давление, необходимое для работы толкателей сортировочного и технологического участков, а также разряжение, позволяющее манипуляторам удерживать перемещаемые заготовки (элементы пневматической системы можно различить на фотографиях по синему цвету).

Манипулятор

Манипулятор

Основными датчиками, использованными в составе макета, являются концевые выключатели и фототранзисторы, которые вместе со светодиодными лампами образуют световые барьеры, сигнализирующие управляющим программам о поступлении заготовок на тот или иной технологический участок, а также о продвижении заготовок по участку. Управляющие программы выполняются на нескольких контроллерах, обеспечивающих работу участков.

Заготовки представляют собой пластиковые разборные цилиндры белого, красного и синего цветов, внутри которых размещены NFC-метки (от англ. Near Field Communication – «ближняя бесконтактная связь»). Считывание NFC-меток осуществляется с помощью считывателя NFC / RFID (от англ. Radio Frequency Identification – радиочастотная идентификация), которым оборудован участок загрузки материалов и выгрузки готовых изделий.

Описание имитируемых технологических процессов

Макет в наглядной форме демонстрирует два основных процесса современного цифрового производства и соответствующие им этапы.

  1. Пополнение поставщиком складских запасов материалов:
    • приёмка материалов на участке загрузки;
    • перемещение материалов на склад;
    • хранение и учёт материалов на складе.
  2. Размещение клиентом заказа на производство и обработка заказа:
    • хранение и учёт материалов на складе;
    • перемещение материалов со склада;
    • производство «изделия» (в режиме имитации);
    • отгрузка «готового изделия» клиенту.
Сортировочная линия

Сортировочная линия

Кроме этого, макет позволяет обслуживающему персоналу удалённо контролировать все этапы имитируемого производственного процесса, следить за состоянием технологических участков и получать в реальном времени изображение с дистанционно управляемой камеры.

Пополнение запасов

Пополнение поставщиком запасов материалов макет имитирует следующим образом. Заготовка (т.е. поставляемый для производства материал) вручную или иным образом помещается в зону загрузки участка загрузки материалов и выгрузки готовых изделий, пересекая при этом соответствующий световой барьер. После этого манипулятор с вакуумным захватным устройством забирает заготовку из зоны загрузки и последовательно помещает её сначала в зону считывателя NFC / RFID, потом в зону датчика определения цвета и опять в зону считывателя NFC / RFID. В результате этих действий в память NFC-метки записывается информация о статусе и цвете заготовки, а также время поставки. Далее заготовка с помощью манипулятора поступает в «транзитную» зону загрузки/выгрузки склада, в которую складской штабелёр подаёт со склада пустой контейнер для заготовки. Манипулятор опускает заготовку в контейнер и штабелёр перемещает контейнер с заготовкой в складскую ячейку для хранения.

Измерительная станция

Измерительная станция

Обработка заказа

Размещение клиентом заказа на производство и обработка заказа выглядят так. При поступлении заказа складской штабелёр забирает из ячейки хранения контейнер с заготовкой нужного цвета и перемещает её в «транзитную» зону загрузки/выгрузки склада – цвет заготовки выбирается клиентом при заказе. Затем манипулятор извлекает заготовку из контейнера и перемещает её на участок термообработки. Одновременно с этим пустой контейнер с помощью штабелёра отправляется на склад. После имитации термообработки вакуумный захват участка перемещает заготовку на участок механической обработки, на котором имитируется процесс фрезерования. С участка механической обработки «изделие» перемещается толкателем на ленточный конвейер, по которому отправляется на сортировочную линию. На участке сортировки определяется цвет «изделия» и оно перемещается толкателем с ленточного конвейера в один из трёх накопителей, соответствующих определённому цвету. После этого манипулятор забирает «изделие» из накопителя и помещает в зону считывателя NFC / RFID, который записывает в NFC-метку данные об операциях, выполненных с «изделием». В завершении процесса «изделие» помещается в зону выгрузки готовых изделий для дальнейшей отгрузки клиенту, из которой «изделие» должно быть извлечено вручную или иным способом.

Участок обработки

Участок обработки

Используемое программное обеспечение

Управление технологическим процессом на каждом участке макета осуществляется с помощью программы, написанной на языке C++. Управляющие программы хранятся в энергонезависимой памяти контроллеров. Для контроллеров трёх технологических участков предусмотрены специальные «парковочные» программы, которые позволяют перевести манипулятор с вакуумным захватным устройством, складской штабелёр и камеру видеонаблюдения измерительной станции в положения, безопасные для транспортировки макета.

Управляющие программы выполняются на шести контроллерах типа TXT – по одному контроллеру на участок, за исключением двух контроллеров, которые установлены на технологическом участке с печью (на схеме он обозначен как «Участок обработки») и соединены между собой шлейфом – один ведущий (англ. master), другой ведомый (англ. slave). Один из шести контроллеров является главным. Эту роль выполняет контроллер измерительной станцией. Он обеспечивает информационный обмен между другими контроллерами макета, а также отвечает за обмен информацией с облачным сервисом Fischertechnik cloud.

Схема информационного обмена между контроллерами технологических участков и главным контроллером, а также между главным контроллером и облачным сервисом, представлена на рисунке.

Для обмена информацией между контроллерами, а также между главным контроллером и облачным сервисом, применяется протокол MQTT (англ. Message Queuing Telemetry Transport), работающий на прикладном уровне поверх протокола TCP/IP. Протокол MQTT обладает рядом преимуществ, а именно: работает в сетях с ограниченной пропускной способностью, непредсказуемой стабильностью и высокой задержкой и подходит для устройств с малой вычислительной мощностью и ограниченным временем автономной работы. Благодаря этим особенностям он нашёл широкое применение в качестве идеального транспорта в IoT.

Транспорт в IoT

Чтобы увеличить схему, откройте ее в новом окне, нажав на изображение

Главный контроллер выполняет несколько функций: локального MQTT-брокера, организатора MQTT-моста с облачным сервисом и MQTT-клиента технологического участка, т.е. измерительной станции с камерой видеонаблюдения. Контроллеры каждого технологического участка исполняют роль MQTT-клиента. Локальный MQTT-брокер – это узел, который обеспечивает взаимодействие MQTT-клиентов, подключенных к локальной беспроводной сети макета с помощью Wi-Fi маршрутизатора. Главный контроллер организует связь с удалённым MQTT-брокером – облачным сервисом. Таким образом, реализуется соединение «MQTT-мост».

Облачный сервис Fischertechnik cloud

За счёт почти полной автоматизации работы макета, действия со стороны человека сведены к минимуму. Удалённое взаимодействие с макетом осуществляется через web-интерфейс облачного сервиса Fischertechnik cloud. Пользовательский web-интерфейс представляет собой несколько информационных панелей, доступ к которым может быть разграничен в зависимости от категории пользователя: поставщик, клиент и обслуживающий персонал.

Панель для поставщика сырья и материалов отображает количество заготовок, необходимых для поставки на склад.

Панель для клиента выглядит как витрина интернет-магазина. Она содержит информацию о наличии на складе заготовок разных цветов и позволяет разместить заказ на изготовление изделия требуемого цвета.

Панели для персонала, обслуживающего производственные процессы, содержат информацию о состоянии каждого технологического участка, складских запасах, текущем этапе работы макета и других параметрах.

zavod

Для визуализации состояния макета на измерительной станции установлены световые индикаторы, использующие цветовую схему светофора. Зелёный свет означает, что все участки находятся в состоянии ожидания. Жёлтый информирует о том, что хотя бы один технологический участок работает. А красный сигнализирует об ошибке в работе макета, которую необходимо подтвердить на панели управления облачного сервиса, чтобы макет продолжил работу.

Стоит подробнее рассказать про NFCметки и считыватель NFC / RFID. Каждая заготовка имеет NFC-метку с уникальным идентификатором (ID). После помещения в зону загрузки полученной от поставщика заготовки, а также перед перемещением «обработанной» заготовки в зону выгрузки готовых изделий для отгрузки клиенту, манипулятор переносит заготовку в зону считывателя NFC / RFID, который распознает ID NFC-метки и производит считывание и запись информации. Благодаря этому, история операций, выполненных с каждой заготовкой, сохраняется в памяти её NFC-метки. С помощью облачного сервиса можно прочитать историю операций, записанную в NFC-метку, а также удалить её.

Камера видеонаблюдения измерительной станции, установленная на участке обработки, позволяет удаленно следить за работой различных механизмов и узлов макета в реальном времени. Камера может поворачиваться в горизонтальной и вертикальной плоскости. Управление камерой и получение от неё видеоизображения  осуществляется с помощью соответствующей панели пользовательского web-интерфейса. Кроме этого, камера может быть использована в качестве датчика движения с возможностью отправки сигналов тревоги в виде push-уведомлений в веб-браузере и e-mail сообщений.

Охрана окружающей среды

В развитых промышленных странах уделяется пристальное внимание охране окружающей среды. В таких странах как Германия действует строгое регулирование в области экологии. В этой связи необходимо постоянно контролировать уровень производственных выбросов в атмосферу. Для решения этой задачи на макете имеется станция мониторинга окружающей среды. Измерительная станция позволяет в реальном времени контролировать такие параметры окружающей среды как:

  • качество воздуха на наличие в нём летучих органических веществ – этанола, ацетона, изопрена и продуктов дыхания;
  • атмосферное давление;
  • влажность;
  • температура;
  • уровень освещённости.

temperatura

Интеграция макета с информационными системами

С первого взгляда может показаться, что комплексный макет цифрового производства Industry 4.0 – это не более чем игрушка – забавная, необычная, отчасти сложная, местами непонятная, но всё же игрушка. Действительно, макет собран преимущественно из тех же пластиковых деталей, которые ребёнок может найти в конструкторах Fischertechnik.

Но так может показаться только на первый взгляд. Учебные модели с реалистичным представлением производственных         процессов, предназначенные для профессионального      обучения    и моделирования, имеют огромный потенциал. Они могут послужить не      только        отличным демонстрационным примером для стажёров или учебных курсов, но и в первую очередь для обучения и тренингов персонала производственных компаний.

Плодотворное      сотрудничество группы промышленных компаний fischer Group, в состав которой входит Fischertechnik,     и        таких гигантов ИТ-индустрии, как фирмы IBM и SAP, привело к разработке решений, позволяющих интегрировать комплексный макет цифрового производства Industry 4.0 в программные продукты, реализующие концепцию ERP (Enterprise Resource Planning – «планирование ресурсов предприятия»).

Интеграция с программными продуктами IBM Watson IoT, IBM Analytics и IBM Cloud существенно расширяет варианты применения макета Industry 4.0.

Теперь на макете могут быть реалистично продемонстрированы профилактическое обслуживание и прогнозы качества производства, а также информационные панели, которые визуализируют общие взаимосвязи и процессы в реальном времени и, таким образом, способствуют лучшему пониманию сложных процессов на производственных предприятиях. Для решения аналогичных задач компания SAP разработала универсальный программный «коннектор» для подключения учебных имитационных моделей Fischertechnik к системам SAP и использует его в своих демонстрационных цифровых студиях по всему миру.

Заключение

Как это ни парадоксально, но, несмотря на колоссальный прогресс в области компьютерного проектирования и моделирования, виртуальной и дополненной реальности, использование традиционных имитационных моделей, «облечённых» в материальную форму, остаётся по-прежнему актуальным и востребованным в различных областях человеческой деятельности. Для многих «цифровая трансформация» или «Интернет вещей» всё ещё остаются достаточно абстрактными понятиями. Процессы цифровых сервисов происходят где-то «в облаке» и поэтому не видны «невооружённым глазом». В таких случаях важно иметь возможность опробовать и продемонстрировать технические подходы и концепции на традиционных имитационных макетах.

Индустрия 4.0 меняет вид заводов и фабрик. Технологии не стоят на месте. Они вытесняют физический труд человека и рутинные операции на производстве и в других областях человеческой деятельности. Из года в год совершенствуются информационные и телекоммуникационные технологии, повышается уровень автоматизации и цифровизации производства. Технологии становятся более трудными для понимания и изучения. Комплексный макет цифрового производства Индустрия 4.0 станет вашим верным помощником в учебном процессе и позволит реалистично и наглядно продемонстрировать применение основных технологий автоматизации и цифровизации на этом сложном и одновременно перспективном этапе развития промышленности.

Было бы ошибкой рассматривать концепцию Индустрии 4.0 и процесс цифровизации производства в отрыве от общей тенденции «тотальной цифровизации». Очевидно, что полномасштабное внедрение в жизнь концепции Индустрии 4.0 приведёт к цифровой трансформации не только производства, но и всего человеческого общества, и новый промышленный переворот в очередной раз кардинальным образом изменит жизнь человека.

При работе над статьей использованы источники:

Share Button

Нет комментариев.

Оставить комментарий

© 2014-2021 Занимательная робототехника, Гагарина Д.А., Гагарин А.С., Гагарин А.А. All rights reserved / Все права защищены. Копирование и воспроизведение в любой форме запрещено. Политика конфиденциальности. Соглашение об обработке персональных данных.
Наверх