Průmysl 4.0 – kdysi a dnes

Časopis ELEKTRO ve svých print+online verzích zahájil v roce 2016 vydávání osmidílného seriálu Průmysl 4.0. Autor Ing. Jiří Holoubek tehdy v každém z dílů pojednal o platformě z určitého úhlu pohledu. Jak čas běžel a vývoj techniky šel kupředu, nastaly výrazné změny v průmyslové praxi a pokročil také koncept Průmysl 4.0. To vše motivovalo redakci, aby autora Ing. Jiřího Holoubka požádala vrátit se k již zveřejněným myšlenkám, posoudit je dnešníma očima a doplnit aktualizačními poznámkami a glosami.

3. Virtualizace – propojení fyzického a virtuálního světa

Časopis ELEKTRO ve svých print+online verzích zahájil v roce 2016 vydávání osmidílného seriálu Průmysl 4.0. Autor Ing. Jiří Holoubek tehdy v každém z dílů pojednal o platformě z určitého úhlu pohledu. Jak čas běžel a vývoj techniky šel kupředu, nastaly výrazné změny v průmyslové praxi a pokročil také koncept Průmysl 4.0. To vše motivovalo redakci, aby autora Ing. Jiřího Holoubka požádala vrátit se k již zveřejněným myšlenkám, posoudit je dnešníma očima a doplnit aktualizačními poznámkami a glosami.
Pro odlišení od původního textu z roku 2016 jsou poznámky a glosy z roku 2020 a 2021 uvedeny zeleným písmem.

(2016) Jedním z dalších velmi významných základních atributů koncepce Průmyslu 4.0 je tzv. virtualizace. Tomuto pojmu je velmi příbuzný pojem virtuální instrumentace, s kterým se setkáváme v technické praxi už bezmála 20 let. V té době byly na bázi virtuální instrumentace konstruovány první měřicí přístroje, v nichž byly mnohdy velmi komplikované analogové obvody nahrazovány dvěma základními komponentami a sice DAQ (Data AcQuisition) a DSP (Digital Signal Processing). V první byly informace o měřených veličinách fyzicky pořizovány, ve druhé potom kyberneticky zpracovávány, vyhodnocovány a následně zobrazovány převážně na monitorech a displejích počítačů. Tehdy začaly vznikat tzv. virtuální měřicí přístroje, které se vyznačují tím, že podle předem vytvořených algoritmů a sekvencí softwarově zpracovávají data reprezentující reálné veličiny. Kromě fyzického připojení čidel – senzorů nebo převodníků pro pořizování relevantních dat jsou všechny další operace řízeny softwarově.

(2021) Virtuální instrumentace se v posledních několika letech masově rozšířila i v oblasti spotřební elektroniky, bílé techniky nebo v automobilech. Ve většině případů si ani neuvědomujeme, že se již nedíváme na ručičky analogových otáčkoměrů, tachometrů nebo palivoměrů, ale na jejich digitálně zpracované znázornění na jednom velkém displeji. Nicméně na témže displeji a se stejnými ovládacími prvky lze v automobilu při přepnutí do jiného režimu monitorovat stav vozidla od jednoduchého měření tlaku v pneumatikách až po velmi náročnou diagnostiku pohonného agregátu nebo podvozku. Integraci velmi komfortního sound systému nebo satelitní navigace do téhož virtuálního přístroje již považujeme za samozřejmost.

(2016) Za oněch minulých 20 let vzniklo množství vývojových prostředí, která umožňují relativně jednoduchým způsobem virtuální měřicí přístroje navrhovat, a zejména podle potřeby měnit jejich vlastnosti a parametry. Díky postupně se vyvíjející zobrazovací technice už není nutná pro ovládání virtuálního měřicího přístroje počítačová myš nebo jí podobné zařízení. Při využití dotykových displejů je možné naprogramované a na displeji zobrazované ovládací prvky (tlačítka, posuvné nebo otočné ovladače apod.) ovládat dotykem. Tento způsob měření, testování kvality produktů a výrobních zařízení, ale také jejich řízení, se při využití robustnějšího hardwarového vybavení běžně využívá i v těch nejtěžších průmyslových prostředích.

(2021) Patrně nejstarším a také nejrozšířenějším SW nástrojem pro grafické programování je produkt s názvem LabVIEW, jehož první verze spatřila světlo světa v roce 1986. Práce v tomto vývojovém prostředí, určeném zejména pro „neprogramátory“, ale vyžaduje vysokou úroveň odborných znalostí jak metodologických, tak i procesních, které s řešením konkrétní úlohy souvisejí. Společnost National Instruments tento grafický programovací jazyk nadále rozvíjí (poslední verze LabVIEW 2020).

(2016) V současně nastupující epoše Průmyslu 4.0 se pod pojmem virtualizace v podstatě skrývá propojení fyzického a virtuálního světa. Jde tedy o schopnost soustavné komunikace reálných fyzických systémů s kyberneticky vytvořeným virtuálním prostředím, které je reprezentováno množstvím virtuálních modelů a simulačních nástrojů umožňujících ještě před vlastním zahájením některého z procesů ověřit jeho správnost, popřípadě jej optimalizovat. Těmi fyzickými systémy nemusí být nutně jenom výrobní zařízení nebo zařízení pro manipulaci s postupně dokončovaným nebo skladovaným produktem.

(2021) V souvislosti s pojmy virtuální modelování a simulace se setkáváme s pojmem digitální dvojče. Ve snaze jednoduše popsat tento pojem i netechnické veřejnosti dochází bohužel velice často k jeho nesprávné interpretaci. Jednou z nejčastějších chyb je znázornění digitálního dvojčete jako jakéhosi 3D konstrukčního modelu, se kterým si ve vhodném grafickém prostředí můžeme ve všech třech osách volně pohybovat a umisťovat jej do obrazu reálného prostředí. Pokud bychom digitální dvojče jakéhokoliv produktu pojali správně, musíme mluvit o jeho komplexním datovém popisu, který zahrnuje:
– market gap, tj. parametry na základě zjištění potřeby zákazníků, marketingové analýzy,
– konstrukci, inovace, přípravu výroby,
– procesy ve výrobě nebo při poskytování služby,
– obchodní model, logistiku,
– garance, servis, údržbu,
– nakládání s produktem po ukončení jeho životnosti.

(2016) Koncepce Průmyslu 4.0 zahrnuje i etapy daleko před zahájením vlastní výroby, stejně jako etapy, kterými produkt prochází po ukončení výroby.

Například fyzické prototypy jsou nahrazeny nejen virtuálními návrhy a virtuálními prototypy výrobků, částí výrobních prostředků nebo jejich celků, ale i například uvedení těchto výrobních prostředků do provozu lze ověřit virtuálně v rámci jednoho integrovaného procesu zapojujícího jak výrobce samotného, tak i jeho dodavatele. Předvýrobní etapy, původně velmi těsně svázané s vlastní výrobou, bude možné zcela oddělit a pomocí zpracování virtuálních výrobků již ve fázi prvních grafických a technologických návrhů, projektování nebo konstruování bude možné formou služby vytvářet variantní řešení modelů s maximální vypovídací schopností. Vlastní výrobu přitom bude možné realizovat třeba i na opačném konci světa. Velmi podobná situace bude i po ukončení vlastního výrobního procesu, kdy bude možné opět formou velmi sofistikované služby zajišťovat jeho garanční i pozáruční servis. Na základě komunikace s produktem po dobu jeho užívání v provozních režimech při konkrétním nasazení bude možné po celou dobu jeho životnosti vylepšovat jeho užitné vlastnosti nebo technické parametry. Vysoká relevance takto pořízených dat pro inovace produktů, případně vývoj nových, je nezpochybnitelná. V této souvislosti si musíme uvědomit další nesporné přednosti propojení fyzického a virtuálního světa zejména z pohledu možného podstatného zkrácení inovačního cyklu, neboť jedním z dalších důležitých atributů Průmyslu 4.0 je schopnost všech systémů pracovat a komunikovat v reálném čase.

(2021) Různý přístup k práci s digitálním dvojčetem v průmyslové oblasti je zřejmý z rozdílů mezi jeho tzv. produktovým a technologickým pojetím. Při tom produktovém pojetí se snažíme plně integrovat digitální dvojče výrobku s digitálním dvojčetem provozu, kde bude tento výrobek využíván. Zde se sleduje a ověřuje zejména proveditelnost z hlediska obestavěného prostoru, kotvení, vibrací, hluku, energií, bezpečnosti práce atd. Technologické pojetí digitálního dvojčete se zaměřuje na integraci výroby konkrétního produktu s digitálním dvojčetem výrobních provozů. A samozřejmě na jejich vzájemnou optimalizaci.

S velmi pokročilými simulačními nástroji se v poslední době setkáváme i ve stavebnictví při využívání tzv. informačního modelu budovy (BIM – Building Information Modeling). I v této oblasti se můžeme setkat s digitálním dvojčetem stavby, které je jejím komplexním datovým obrazem zahrnujícím:
– návrh, projekt, popřípadě dokumentaci skutečného provedení,
– začlenění do územně plánovací dokumentace,
– ocenění,
– proces realizace stavby včetně subdodávek,
– provozování a údržbu,
– demolici a nakládání s takto vzniklým odpadem.

(2016) Reálná data získaná ve fyzickém světě, charakterizující například chování určitých skupin odběratelů, mohou být základem virtuálních obchodních modelů, jejichž vznik bude možné s vysokou mírou jistoty predikovat. Velmi podobná situace bude také v oblasti lidských zdrojů a v simulacích jejich předpokládané reálné potřeby při operativních změnách jednotlivých subsystémů v procesu vlastní průmyslové výroby na základě momentálních nebo predikovatelných požadavků odběratelů, dopravních možností, popřípadě i materiálových a energetických zdrojů.

Při zmínce o strojovém vidění byla vzpomenuta také tzv. rozšířená realita. Je třeba zdůraznit, že jde opět o propojení fyzického a virtuálního světa. Týká se rozšíření vnímání fyzických vlastností zprostředkovaných lidským zrakem o nové vizuální virtuální informace dodatečně poskytované pomocí speciálních zařízení.

(2021) Velmi časté používání pojmů Virtuální realita (Virtual Reality) a Rozšířená realita (Augmented Reality) v souvislosti s digitálními technologiemi vede k jejich směšování nebo zaměňování. Proto se na tomto místě sluší znovu připomenout jejich základní rozdíl. V rozšířené realitě pracujeme se skutečným světem kolem nás, ve kterém se reálně pohybujeme a který vnímáme našimi smysly a pouze jej vhodným způsobem doplňujeme o nějakou digitální informaci prostřednictvím vhodně zvoleného zařízení. Naproti tomu virtuální realita vytváří iluzi oddělenou od reálného prostředí – tedy našimi smysly vnímáme pouze simulované prostředí. Výjimkou mohou být pouze některé aplikace z oblasti zábavního průmyslu, kdy nás například pro zvýšení efektu iluze skrápí kapky vody nebo ofukuje proud vzduchu, anebo třeba vibruje podložka, na které stojíme. 

---

Přehled kapitol seriálu

1. Realita, s kterou je nutné počítat původně vyšlo v ELEKTRO, 2016, č. 2, s. 39
glosovaná verze vyšla v ELEKTRO č. 1, s. 32 

2. Kyberneticko-fyzické systémy a s tím související vznik velkých dat původně vyšlo v ELEKTRO, 2016, č. 3, s. 84
glosovaná verze vyšla v ELEKTRO č. 2, s. 58 

3. Virtualizace – propojení fyzického a virtuálního světa původně vyšlo 7. 4. 2016 v ELEKTRO 2016, č. 4, s. 43
glosovaná verze vyšla v ELEKTRO č. 3, s. 38 

4. Integrace inženýrských činností v Průmyslu 4.0 původně vyšlo 10. 5. 2016 v ELEKTRO 2016, č. 5, s. 51

5. Integrace inženýrských činností v Průmyslu 4.0 – část výrobní a provozní původně vyšlo 1. 6. 2016 v ELEKTRO 2016, č. 6, s. 51

6. Zdroje energie původně vyšlo 30. 8. 2016 v ELEKTRO 2016, č. 8-9, s. 42

7. Průmysl 4.0 a elektřina původně vyšlo 7. 11. 2016 v ELEKTRO 2016, č. 11, s. 52 

8. Digitální zralost firem a jejich produktů původně vyšlo 7. 12. 2016 v ELEKTRO 2016, č. 12, s. 46 

(pokračování)

Průmysl 4.0 – kdysi a dnes – Část 2. Kyberneticko-fyzické systémy a s tím související vznik velkých dat