Žijeme v době, kdy počítače a roboty přebírají role doposud vyhrazené člověku. Objevují se první samořiditelná auta, letadla létají bez pilota a člověk je ve výrobě stále více nahrazován automaty
a roboty. Celý proces nabyl takového významu, že si již vysloužil souhrnné označení Průmysl 4.0, přirovnávající současnou průmyslovou automatizaci k průmyslovým revolucím z minulosti.
Koncept průmyslu 4.0 vychází z dokumentu představeného před několika lety na veletrhu v Hannoveru, kde byla nastolena myšlenka čtvrté průmyslové revoluce v souvislosti s kybernetickými fyzikálními systémy.
Pro vysvětlení konceptu budeme pracovat se třemi na sobě nezávislými světy, které se ale vzájemně ovlivňují a komunikují spolu. Prvním světem je svět fyzikální a spadá do něj vše, co nás obklopuje: věci denní potřeby, auta, domy, ale také hvězdy a galaxie. V tomto světě rozlišujeme předměty nebo objekty. To jsou nezávislé celky, které existují, pohybují se a interagují s ostatními předměty ve fyzickém světě.
Vedle tohoto světa vznikl svět lidského vědomí - mentální svět, což je reprezentace objektů reálného světa. Naše mozky mohou vytvořit obraz objektu z reálného světa, navíc umí dynamicky měnit vzhled a polohu tohoto obrazu podle toho, jak se objekt v reálném světě pohybuje. Tyto dva světy vedle sebe po tisíce let existují.
Posledních několik desítek let jsme svědky vzniku nového světa - kybernetického. I tento svět vytváří obraz objektů reálného světa. Děje se tak ale v pamětech a procesorech počítačů, reálné objekty jsou v tomto světě číselné objekty.
Fungování v kybernetickém světě
Kybernetický svět je ve své omezené formě vytvářen na každém počítači. Ale až teprve s rozvojem síťové infrastruktury, Internetu a s tím spojeným propojením potřebného množství počítačů (výpočetního výkonu) přitáhl kybernetický svět větší pozornost uživatelů.
Jak tedy vznikají objekty v kybernetickém světě? Na rozdíl od světa lidského vědomí, kde se obraz reálného světa vytváří na základě učení a pozorování, jsou v kybernetickém světě objekty předem tvořeny programátorem, který vytvářel daný informační systém. Tyto objekty pak během interakce reálného a kybernetického světa získávají svou konkrétní náplň, podobu a polohu a začínají reprezentovat konkrétní a jedinečný objekt reálného světa.
Na základě dříve uvedeného tak pohybující se objekty ve fyzickém světě způsobují i změnu stavu objektů ve světě mentálním resp. kybernetickém. Existuje však i opačný postup: objekt se nejdříve pohne ve světě mentálním, resp. kybernetickém a jeho vzor ve světě fyzickém se pohne až vzápětí. Představme si naprosto triviální příklad. Vidíme na stole hrnek, nejdříve si představíme, že ho posuneme - objekt se posune v mentálním světě - teprve pak naše paže posune i objektem ve světě fyzickém. Pohyby v mentálním světě můžeme tedy řetězit do takové složitosti, až vznikne obraz mostu nebo kosmické rakety. Tyto obrazy existují ve světě mentálním dlouho před tím, než jsou realizovány ve světě fyzickém. Proces prvotního pohybu v mentálním světě nazýváme plánování. Pro účel našeho článku budeme rozlišovat dva druhy plánování: projektové plánování a výrobní plánování. Při projektovém plánování posunujeme objekty inovativním způsobem, takže vznikají nové, zatím ve fyzickém světě neexistující objekty. Ve výrobním plánu má pohyb objektů v mentálním světě už předem stanovená pravidla a tento pohyb lze formulovat matematicky a vyjádřit pomocí algoritmu a pravidel.
Příkladem může být požadavek na výrobu několika kusů produktu. Tato informace obecně stačí k tomu, abychom si spočítali potřebné množství daného vstupního materiálu, který pak následně alokujeme ve vstupním skladu. Toto vše se odehraje v mentálním světě ještě dříve, než vyzvedneme materiál ze skladu.
Výrobní plánování
Kybernetický svět je založený na logice a pravidlech a kromě samotné reprezentace objektů reálného světa zde může probíhat i výše zmíněné výrobní plánování. V této oblasti již existují fungující systémy, např. ERP (Enterprise Resource Planning), systémy plánování výroby, logistické systémy apod. Všechny tyto systémy jsou však postaveny na apriorní komunikaci se světem mentálním. Jejich komunikace probíhá skrze monitor a tiskárnu, kde „řeknou" člověku (mentálnímu světu), že je třeba přesunout ze skladu vstupní materiál, nastavit určitým způsobem stroje na výrobní lince nebo třeba připravit výrobky k expedici. Mentální svět je tedy prostředníkem mezi světem fyzickým a kybernetickým. Představme si však, že kybernetický svět má přístup až ke světu fyzickému a je schopen podle svého plánu posouvat objekty ve světě fyzickém. To vše s pomocí frekvenčních měničů, motorů, ale i samořiditelných aut či dronů. Informační tok musí být ale zabezpečený i opačným směrem, aby se pohyb ve fyzickém světě promítl do aktualizace objektů ve světě kybernetickém. Dostáváme tím uzavřenou soustavu kybernetického a fyzikálního světa.
Systém kybernetického a fyzického světa tak může fungovat (a často již funguje) ve výrobních závodech. Každý stroj, každá skladová položka, každý rozpracovaný i hotový výrobek, každé čidlo, každý motor a pohon je reprezentován ve světě kybernetickém. Podle naprogramovaných pravidel mezi sebou objekty komunikují při tvorbě výrobního plánu i při jeho realizaci. Prostřednictvím inteligentních strojů a motorů pak pohybují objekty fyzického světa: nastavují stroje, připravují materiál ve skladu, vyrábí produkty a následně je ukládají ve skladu.
To vše vyžaduje připravenost tří stavebních prvků celého systému: inteligentních čidel pro co nepřesnější a nejrychlejší přenos informací o stavu fyzického světa do světa kybernetického - od rozpoznávání obrazu, měření vibrací, teploty a dalších fyzikálních veličin až po identifikace objektu radiovým či čárovým kódem. Propojení fyzického a mentálního světa může být třeba následující: Zkušený pracovník obsluhující určitý stroj po dlouhou dobu může podle změny zvuku stroje (např. skřípání) určit, že se blíží porucha, a dokonce identifikovat, čeho se ta porucha asi bude týkat (třeba zadřené ložisko). Pokud máme dostatečnou historii daného objektu v kybernetickém světě, můžeme nalézt určité změny parametrů, vibrací a dalších ukazatelů mnohem dříve, než člověk uslyší podezřelé skřípání. To vše díky analýze obrovského množství dat a souvislostem, které jsou pro člověka někdy nepostřehnutelné.
Dlouhodobý projekt
V závodě ArcelorMittal Ostrava nyní probíhá dlouhodobý projekt Predictive Maintenance. Vybrané stroje a motory se osazují čidly a po neomezenou dobu se zaznamenávají údaje z těchto čidel (jedná se o měření teploty, vibrací atd.). Na tuto fází projektu pak navazuje fáze analytická, kde se v zaznamenaných datech hledají trendy a vzory signalizující blížící se poruchu daného zařízení. Obsluha daného zařízení pak může být o případné poruše informována v mnohem větším předstihu.
Dalším stavebním prvkem kybernetického světa je výpočetní platforma, kde kybernetické objekty „žijí" a komunikují mezi sebou. Posledním prvkem jsou pak inteligentní pohony, tedy způsob, jakým může objekt v kybernetickém světě „posunout" svůj originál ve světě fyzickém.
Nejčastěji zmiňovaným prvkem moderních továren, a tím i Průmyslu 4.0 je internet věcí (jinak také IoT). Jde o rozšíření počítačové sítě až k věcem, které ve svém principu nejsou určeny k použití jako počítače. Například čidlo měření teploty u stroje na výrobní lince spojené s počítačem pomocí vodiče se signálem - pokud k čidlu připojíme miniaturní počítač, který převede měřený údaj z čidla do digitální formy a zabezpečí připojení do IP sítě, vznikne „věc" připojená do IP sítě. Kybernetický svět se tak dostává do bezprostředního kontaktu se světem fyzickým. Komunikace v kybernetickém světě je založená na komunikaci prostřednictvím IP protokolu, pomocí IoT se tak hranice dostává až na samotná čidla, motory a stroje výrobní linky.
V současnosti probíhá v závodě ArcelorMittal Ostrava studie k vybudování moderní IP sítě oddělující technologickou (výrobní) část a část určenou pro uživatele pracující z kanceláří. Zohledňuje se požadavek na připojování stále většího počtu čidel, motorů a dalších agregátů, ale současně i na kybernetickou bezpečnost, která se s rozvojem IoT stává aktuálnější.
Samořiditelné vozy a drony
Se samořiditelnými vozy nastává situace, kdy objekt v kybernetickém světě pouze určuje místo nebo souřadnice, kam se má fyzický předmět posunout, a objekt se již sám „dořídí" na požadované místo. Stejný princip platí i pro drony.
V ArcelorMittal Ostrava se uskutečnil projekt automatického hasicího vozu. Do vozu se vyklápí žhavý koks z koksové baterie, poté vůz odjede pod hasicí věž, kde je koks uhašen, pak následuje přejezd k místu, kde je vyklopen do zásobníku, a poté dopravním pásem transportován k dalšímu zpracování a nakládce. Původně vůz pohybující se po speciální koleji řídil jeden operátor a celou směnu opakoval výše uvedený cyklus. Nyní se vůz pohybuje plně automaticky a celý cyklus je řízen pouze počítačem.
Dalším projektem, který nespadá vyloženě do kategorie samořiditelných vozů, ale má k ní velmi blízko, je automatizace pohybu kamionů. V tomto případě jsou kamiony stále řízeny profesionálními řidiči, ale celkové plánování jejich pohybu po výrobním závodě a vydávání instrukcí, kam má kamion jet, provádí informační systém. Jde o ukázku toho, kdy objekty v kybernetickém světě vytvářejí plán, podle kterého se pohybují a dávají instrukce kamionům do fyzického světa.
Proč to všechno?
Se zvyšováním efektivity výroby a „just-in-time" výrobou se plánování stalo stále náročnější. Další zvyšování efektivity výroby vede tedy přes snížení funkce mezičlánku v komunikaci mezi fyzikálním a kybernetickým světem - článku mentálního světa. Je totiž mnohem rychlejší a přesnější, když objekt reprezentující skladovou položku se sám „přihlásí" a komunikuje s ostatními objekty a posléze „posune" skladovou položku ve fyzickém světě do požadovaného místa.
A role člověka?
Úloha člověka (tj. mentálního světa) ve výrobním procesu spočívá v projektovém plánování, tedy v tom, které nelze vyjádřit pomocí algoritmu. V praxi to může být třeba plánování a design nového výrobku, či plánování vhodné strategie, co a v jakém množství se má vyrábět.
Co se týče samotného rozdělení typů plánování je třeba upozornit, že vysvětlení problematiky hranice mezi projektovým a výrobním plánováním zde bylo značně zjednodušeno. Hranice mezi uvedenými typy nejsou fixní, ale mění se a posouvají ve prospěch výrobního plánování spolu s rozvojem velice sofistikovaných algoritmů souhrnně nazývaných umělá inteligence, jejímž hlavním cílem je napodobit lidské myšlení v kybernetickém světě.
Automatizace v ArcelorMittal Ostrava
V hutnictví dnes automatizace (tj. spolupráce fyzického a kybernetického světa) výrazně zvyšuje bezpečnost celého provozu. Zvyšuje také efektivitu výroby a konkurenceschopnost, neboť se můžeme více soustředit na inovace a výrobu produktů s vyšší přidanou hodnotou a také využití lidského potenciálu právě u projektového plánování, kde je nenahraditelný.
Kromě příkladů uvedených u jednotlivých technologií ArcelorMittal Ostrava realizoval řadu dalších projektů zvyšujících automatizaci výroby ocelových výrobků, např. celkovou rekonstrukci systému vedení horkých tras na aglomeraci Sever, kdy byl vyměněn stávající WSSB kontrolní systém za nový. Dále společnost plánuje implementaci matematického modelování dějů ve vysoké peci.
Miroslav Hýbl
ředitel závodu automatizace
ArcelorMittal Ostrava