Digitalizace je už několik let výrazným tématem napříč obory, strojírenství nevyjímaje. Přesto se doposud ne všem daří ji opravdu zvládat. Proč je třeba věnovat dostatek pozornosti digitální transformaci výroby, jaké je třeba využít prostředky a na co je nutné si dát pozor?
Obor strojírenské výrobní techniky patří k základům strojírenství a jeho úroveň se přenáší v parametrech produktivity a přesnosti do téměř všech navazujících oborů a odvětví výroby a zpracovatelského průmyslu. V rámci ČR je většina podniků, firem a dalších organizací působících v tomto oboru sdružena v Technologické platformě Strojírenská výrobní technika (TPSVT). Ta se věnuje mimo jiné zpracování strategických dokumentů v oboru, a to již od roku 2008.
Jedním z hlavních současných úkolů platformy je formulovat Akční plán pro digitální a zelenou transformaci v oboru strojírenské výrobní techniky. Takto chce přispět k cíli udržení a posílení konkurenceschopnosti průmyslové produkce oboru v měřítku Evropy i světa a ke zvýšení intenzity společných výzkumných, vývojových a inovačních aktivit mezi podniky a výzkumnými organizacemi. V tomto článku bychom rádi představili některá východiska digitální transformace v oboru strojírenské výrobní techniky a výhledy možných změn v oboru.
Hybné síly digitální transformace
Proč by se firmy měly digitální transformací strategicky zabývat?
Vývoj v oblasti digitální transformace reaguje na řadu hybných sil. V první řadě jsou firmy pod čím dál větším tlakem na udržení konkurenceschopnosti, která vyžaduje schopnost reagovat flexibilně na rychle se měnící požadavky a na stále rostoucí individualizaci zákaznických provedení produktů. Předpokladem konkurenceschopnosti bude přitom schopnost vyrábět v takto pružném prostředí výrobky stejně produktivně, jako je tomu u hromadné výroby. Významným faktorem, stojícím za digitalizací, je snaha o zkracování doby uvedení výrobku na trh. Klíčový prostředek v tomto představuje monitorování výroby a výrobních procesů, které vede k lepšímu využití výrobní základny, lepší plánování a řízení procesů a schopnost flexibilní adaptace na průběžně se měnící vstupy a požadavky v rámci zvyšování užitných vlastností strojů a technologického využití.
Nedostatek kvalifikovaných pracovníků ve výrobě vynucuje intenzivní implementaci řešení, která by dokázala nahrazovat lidské rozhodovací procesy a která povedou k budoucí vizi chytré autonomní výroby. Rozšíření digitální transformace bude vyžadovat modifikace profesních znalostí a dovedností nejen na straně firem formou dodatečného zvyšování a rozšiřování vzdělání pracovníků, ale také na straně poskytovatelů vzdělání, zejména středních a vysokých škol, které budou nuceny přizpůsobovat profily studia novým požadavkům.
Digitalizace a vyšší flexibilita výroby otevře také nové možnosti oběhového hospodářství a nové modely nabídky služeb a produktů. Zastřešujícím faktorem jsou legislativně-regulatorní podmínky, které ve vazbě na celospolečenské dopady digitalizace budou postupy její implementace řídit a ovlivňovat.
Vývojový kontext
Digitalizace je širokou oblastí, která prostupuje průmyslovou výrobu intenzivně již téměř půl století. Historické počátky souvisí s NC (numerical control), tedy číslicovým řízením strojů a zaváděním CAD co/ CAM (computer aided design / computer aided manufacturing) prostředků do navrhování produktů a NC programování. Od 90. let se stává použití CAD/CAM systémů postupně standardem, a dochází také k integraci těchto nástrojů do CNC řízení.
Od první dekády 21. století jsme svědky integrace ICT technologií prakticky do všech typů strojů ve výrobě. Od toho je již jen malý krůček ke spojení těchto strojů do datových systémů, původně určených zejména pro plánování a řízení výroby. Rozvoj ICT technologií je tedy jedním z hlavních enablerů (umožňujících technologií) digitální transformace.
Během poslední dekády se rozvíjí širší využití digitalizace zejména jako nástroje pro zajištění lepší konkurenceschopnosti a udržitelnosti výrobních procesů. Významně do vývoje zasáhla v posledních dvou letech koronavirová krize, která zásadně přispěla ke globálnímu urychlení digitální transformace a posunula digitalizaci o 3—5 let dopředu (dle závěrů průzkumu McKinsey & Company už z 5. října 2020!).
A např. podle výzkumu provozovatele cloudové komunikační platformy Twilio provedeného v červnu 2020 ve Velké Británii uvedlo téměř 80 % respondentů, že během koronakrize navýšilo rozpočet na digitální transformaci. Došlo přitom ke zmírnění překážek, jako jsou: nedostatek jasné strategie (37 %), získání souhlasu vedení (35 %), neochota nahradit starší software (35 %) a nedostatek času (33 %).
Obdobně v ČR téměř polovina výrobních firem v Analýze českého průmyslu 2/2022 provedeného Národním centrem Průmyslu 4.0 uvedla, že hodlá v roce 2022 investovat do nových technologií. Větší ochotu investovat uváděly zejména malé a střední podniky (59 %) oproti dvou pětinám (40 %) velkých firem, jak uvádí stejný zdroj. Za nejužitečnější přitom firmy považují analytiku velkých dat.
Sběr dat a datová komunikace jsou hlavními prostředky pro dosažení pokročilé úrovně monitorování procesů, identifikaci stavu stroje a procesu a využití dat pro plánování a řízení výroby. Zásadním předpokladem je standardizace komunikačních formátů. V současnosti jsou rozvíjeny a v širším měřítku sdíleny protokoly jako např. MT Connect nebo OPC-UA.
Významným omezujícím problémem je kybernetická bezpečnost dat a jejich suverenita. To jsou klíčové faktory pro úspěšné operace s daty na vzdálených úložištích (cloud), na lokálních zařízeních (edge computing) a aplikace dalších nástrojů, jako jsou digitální dvojčata, postupy strojového učení (ML — machine learning) a umělé inteligence (AI — artificial intelligence), rozšířené a virtuální reality nebo prediktivní údržby.
Nové standardy a pravidla pro výměnu dat ve výrobě se snaží v evropském prostoru iniciovat komunita Gaia-X, která vznikla v roce 2021. Jejím cílem je vývoj softwarového rámce kontroly a správy dat, který lze aplikovat na jakákoliv data ukládaná a zpracovávaná vzdáleně a zajistit transparentnost, ovladatelnost a přenositelnost napříč daty a službami. Služby Gaia-X budou vytvářeny, provozovány a přijímány trhem prostřednictvím operátorů, kteří se rozhodnou standard Gaia-X přijmout.
Masivní rozšiřování množství senzorů ve výrobě a propojení výrobních pracovišť do internetu věcí (IoT) je v současnosti posilováno rozvojem 5G mobilní sítě. Ta umožní větší využití hybridních cloudů, které jsou kombinací lokální infrastruktury v podniku a veřejných cloudových služeb. Široké uplatnění v praxi nachází v současnosti měření efektivity zařízení a nástrojů OEE (overall equipment effectiveness), které je prostředkem pro sledování vytíženosti strojů a jejich efektivního využití. V průmyslové praxi se v poslední době rozšiřuje využití výrobních informačních systémů (MES) a systémů plánování a řízení výroby (ERP), pro něž jsou podstatným vstupem data získávaná z výrobních zařízeních.
Díky těmto komunikačním prostředkům se rozvíjí koncept distribuované výroby, která se vyznačuje zvýšením transparentnosti výrobních procesů, pružnější komunikací a vzdálenou spoluprací mezi výrobními pracovišti a v neposlední řadě také schopností efektivní vzdálené spolupráce pracovníků. Distribuovaná výroba umožňuje efektivně reagovat na požadavky zákazníků a umožňuje vyrábět individualizované výrobky s produktivitou hromadné výroby.
Digitalizace je trendem, který zahrnuje řadu témat. K hlavním oblastem, které souvisí primárně se strojírenskou výrobní technikou, patří:
a) sběr dat a datový management,
b) propojení zařízení do internetu věcí,
c) rozvoj distribuované výroby a pružné podnikové provozní strategie.
Digitalizaci v kontextu strategických témat SVA chápeme jako řešení, které je předpokladem pro navazující využití dat v konceptu chytré výroby.
Prezentace digitálního rozhraní uživatelské nadstavby pro CNC stroje skupiny Feeler. Příklad vizualizuje průběh spotřeby elektrické energie a predikci ekvivalentní emisní stopy jako základ pro budoucí sledování a vykazování tohoto parametru © TPSVT
Vize vývoje a příležitosti
Další postup digitální transformace průmyslu lze očekávat zejména v masivním rozšíření sběru dat a monitorování procesů ve výrobních a obslužných provozech. Zdokonalování přehledu o stavu strojů a výrobních systémů je nezbytným předpokladem pro jejich produktivnější využití a zároveň schopnost reagovat flexibilně na aktuální vývoj požadavků na trhu. K hlavním směrům vývoje budou patřit zejména vývoj systémů datově provázaných a komunikujících zařízení a výrobních pracovišť (IoT), rozšíření bezdrátové komunikace senzorů a zařízení pomocí 5G mobilní sítě, průmyslová implementace jednotného standardu datových modelů, zvyšování kybernetické bezpečnosti a zabezpečení dat a rozvoj datové analytiky, vzdáleného (cloud) nebo lokálního (edge) zpracování dat.
Že se nejedná o akademický koncept, bylo možno vidět v září na světové výstavě výrobních strojů EMO 2023 v Hannoveru. Prakticky všechny přední světové firmy vyrábějící výrobní stroje a jejich významné komponenty nabízejí své produkty s možností průmyslové síťové komunikace a datové integrace. Na veletrhu byla prezentována řada firemních SW řešení podporujících prodej, provoz a servis strojů konkrétní firmy. Vedle toho byla na tomto veletrhu strojů bohatá i nabídka softwarových produktů třetích firem, které koncovému uživateli nabízejí datovou integraci bez ohledu na heterogenitu zdrojů dat. Byla vidět snaha efektivně využít data z výrobních procesů i provozu strojů k získání informací pro zvýšení efektivity výroby, servisu a také pro minimalizaci spotřeby energie a objemu vzniklého odpadu.
Datově-softwarová řešení jsou tedy příležitostí ke zvýšení užitné hodnoty hardwarových produktů, podporu jejich prodeje nebo prostě ke vzniku nových firem nabízejících datově-analytické služby.
Petr Kolář, Matěj Sulitka, Jiří Švéda a Jan Smolík
Technologická platforma Strojírenská výrobní technika