Průmysl 4.0

Vývoj automatizace průmyslových procesů, který je v posledních letech akcelerován potenciálem informačních technologií a vysokorychlostních počítačů, se přibližně od roku 2010 označuje jako čtvrtá průmyslová revoluce neboli tzv. „Průmysl 4.0“. Fakulta strojního inženýrství se věnuje elektronicky řízené automatizaci výrobních strojů a z nich vytvářených výrobních linek již od sedmdesátých let minulého století a postupně do jejího vývoje implementovala pokročilé techniky a nástroje managementu kvality, z nichž nejvýznamnější interdisciplinární inženýrské přístupy jsou uvedeny na obrázku níže.

Obr.: Vývoj digitalizace průmyslových procesů v čase na FSI VUT

Tento kontinuální vývoj nám umožnil vytvořit výborné výchozí podmínky pro stávající vědecko-výzkumné a vývojové činnosti související s digitalizací podnikové infrastruktury, respektive výrobních a pomocných procesů podniku, jejímž cílem je na základě vstupních dat, pokročilých simulací, modelování a vyvíjených znalostních systémů včas predikovat vlastnosti sledovaného výrobního zařízení. Společně s vizualizací stavu v prostředí virtuální nebo rozšířené reality podpořit efektivnost rozhodovacích procesů všech kompetentních osob napříč digitalizovaným podnikem, respektive jeho digitalizovanou částí související buď s vývojem vlastních výrobků podniku, jejich výrobou, dodavatelským řetězcem nebo s odběrateli těchto výrobků a jejich provozem.

Specializované ústavy naší fakulty se věnují celé řadě aspektů Průmyslu 4.0. Hlavní prvky, na které soustředíme svoji vědecko-výzkumnou činnost, jsou uvedeny v následujícím výčtu:

• Sběr dat z reálné výroby u průmyslových partnerů

Inteligentní výroba vyžaduje vývoj znalostních systémů zaměřených na popis reálných interakcí stroje s obsluhou a okolním prostředím z pohledu jejich ovlivňování produktivity stroje a kvality výroby. Jedná se o dlouhodobý sběr dat a jejich vyhodnocování, vývoj aplikací pro zpracování dat a jejich ukládání na cloud nebo interní server v podniku.

• Vývoj a konstrukce strojů pro 21. století

Na základě znalostí získaných ze sběru reálných výrobních dat lze upravit konstrukci nově vyvíjených strojních zařízení, integrovat do nich zabudované senzory a aktuátory, snížit hmotnost nebo zvýšit tuhost konstrukčních prvků. Pomocí modulární koncepce strojů a otevřených standardů umožnit jejich rychlou rekonfigurovatelnost a tím i jejich snazší horizontální respektive vertikální integraci do digitalizovaného podniku. To umožní rychlou reakci na měnící se podmínky trhu a výroby. Pozornost zde věnujeme i zajištění bezpečnosti výroby (Safety a Security).

• Kyberneticko-fyzické systémy (Cyber Physical Systems – CPS)

Vývoj kyberneticko-fyzických systémů představuje propojení výpočtového modelu stroje a jeho fyzického provedení v jeden interaktivní celek,  který je řízen nebo monitorován počítačovými algoritmy, jeho jednotlivé části mezi sebou navzájem komunikují a lze jej vizualizovat v prostředí virtuální reality. To umožňuje na něm předem simulovat a vizualizovat různé podmínky výroby a na základě jejich výsledků zvýšit adaptabilitu, efektivitu, funkčnost, spolehlivost, bezpečnost a použitelnost takového stroje. Vyvíjíme i aplikace CPS pro automatizovanou kontrolu kvality například na základě automatické kontroly a zpracování obrazu.

• Virtuální a rozšířená realita

Zaměřujeme se jednak na vývoj aplikací pro vizualizaci všech relevantních dat výrobního zařízení, které mohou podpořit rozhodovací procesy pracovníků během celého životního cyklu výrobku a dále na asistenční vizualizační aplikace propojené se znalostní bází dat, které poskytují pracovníkům komplexní informace a pokyny orientované na jejich úkoly, které mají ve výrobním procesu.

• Monitoring kondice stroje, diagnostika a údržba strojů

Spolehlivost a bezpečnost výrobních zařízení závisí na jejich správné údržbě. Integrace Cyber Physical Systémů v rámci procesu údržby umožňuje jak průběžné monitorování kondice stroje, tak použití pokročilých technik pro prediktivní a proaktivní údržbu stroje. Základem zde jsou zabudované  senzory, analýza dat ze senzorů, vývoj prediktivních algoritmů a pokročilých metod vizualizace v prostředí rozšířené nebo virtuální reality.

• Vývoj nových materiálů a technologií

Zaměřujeme se na výzkum a vývoj pokročilých kovových materiálů, keramiky a kompozitních materiálů využitelných v konstrukci sofistikovaných strojírenských aplikací v energetice, zpracovatelském, automobilním a leteckém průmyslu.

• Aditivní výroba

Výzvy spojené s vizí nízkouhlíkové ekonomiky EU od roku 2050 a současný tlak na snižování emisí skleníkových plynů vede k rozvoji technologií umožňujících dosáhnout vyšší efektivitu využití strojního času a materiálu spojenou se snížením celkové spotřeby energie nutné na výrobu jednoho kusu. Aditivní výroba rovněž umožní výrobci lépe vyhovět individuálním požadavkům zákazníka.

• Modelování, simulace a optimalizace výrobků a výrobního procesu

V této oblasti se zaměřujeme na vývoj výpočtových modelů strojů a aplikaci neuronových sítí pro predikci chování výrobních strojů a výrobních linek. Na základě implementovaného sběru dat z výrobního procesu, využití disciplín aplikované matematiky (např. teorie front nebo teorie her) a rozboru výrobních zařízení lze optimalizovat výrobní plán, analyzovat vliv nečekaných poruch a vhodně plánovat odstávky pro údržbu zařízení.

Autor: doc. Petr Blecha, ředitel Ústavu výrobních strojů, systémů a robotiky, FSI VUT