Modulárna výrobná linka a jej digitálne dvojča

Modulárna výrobná linka a jej digitálne dvojča |Práve tejto problematike je v súčasnosti venovaná pozornosť na Žilinskej univerzite v Žiline - Ústav konkurencieschopnosti a inovácii, ktorá dosahuje významné pokroky. Jeden z autorov prezentuje časť svojich výsledkov. Vývoj prebieha v niekoľkých fázach, pričom prvá fáza zahŕňala modelovanie a matematické modely, simulácie, návrh a tvorbu hardvérových prototypov, návrh a implementáciu riadiaceho systému, komunikačné moduly, atď.

Dnešné výrobné podniky musia čeliť konštantne sa meniacemu trhu a fluktuáciám v dopyte po výrobkoch. Od výrobkov sa vyžaduje vysoká kvalita, kustomizovateľnosť a zároveň cenová dostupnosť. Tieto faktory sú postupne transformované do požiadaviek na výrobné systémy novej generácie, ktoré by mali byť schopné vyrovnať sa so svojou vlastnou dynamickosťou (poruchy, neočakávané zmeny, neistoty, prioritné objednávky, pridávanie, či odoberanie častí systému, atď.) ako aj s dynamickosťou svojho okolia (chýbajúce vstupy, fluktuácie v dopyte, meniaci sa trh či legislatíva, atď.). Inými slovami:

výrobný systém novej generácie by mal brať vonkajšie a vnútorné narušenia ako bežný stav a svoju súčasť. Spomenutými nedostatkami trpia aktuálne výrobné systémy.

Simulácia výsledkov Ústavu konkurencieschopnosti a inovácii, Žilinská univerzita v Žiline, Ing. Lukáš Ďurica, PhD.

V našom projekte modulárnej výrobnej linky sa venujeme riešeniu týchto problémov.

Modulárna výrobná linka

Hlavnou myšlienkou projektu bolo vytvoriť systém, ktorý dokáže transportovať svoje modulárne časti, spájať ich s ďalšími časťami, a tým vytvárať modulárnu výrobnú linku. Tá sa skladá z dvoch častí – fyzického systému a jeho digitálneho dvojčaťa. Na to aby bolo možné vytvoriť digitálne dvojča modulárnej linky, bolo potrebné vytvoriť digitálne dvojča pre každú fyzickú časť systému.

Pre modulárnu výrobnú linku sme navrhli a vyvinuli nasledujúce časti systému:

Mobilný robotický systém. Hardvérový prototyp schopný transportovať časti modulárnej linky (modulárne platformy) na požadované miesto v linke.
Digitálne dvojča mobilného robotického systému. Uchováva aktuálne stavy (napr. poloha, orientácia, cieľová pozícia, atď.) hardvérového prototypu a riadi ho. Komunikuje s digitálnymi dvojčatami modulárnych platforiem a poskytuje im služby transportu. Obsahuje algoritmy pre hľadanie optimálnych ciest k modulárnej platforme, a následne k požadovanému miestu v linke. S ostatnými digitálnymi dvojčatami mobilných robotických systémov vyjednáva o rezervácii nájdenej cesty.

Modulárna platforma. Fyzická časť modulárnej výrobnej linky, ktorá je schopná pripájania (či odpájania) sa k ďalším modulárnym platformám. Nesie nadstavbu. Spojenie modulárnej platformy a nadstavby nazývame modulom.
Digitálne dvojča modulárnej platformy. Uchováva aktuálne stavy (napr. pozícia, orientácia, požadované miesto v linke, typ nadstavby, atď.) a riadi svoju modulárnu platformu (napr. pripájanie, odpájanie, atď.). Komunikuje s digitálnymi dvojčatami mobilného robotického systému a využíva transportné služby ich fyzických systémov.

Nadstavba je nesená modulárnou platformou. Môže to byť výrobný (CNC, frézka, sústruh, robotické ramená, atď.), alebo logistický zdroj (dopravníky, žeriavy, atď.).
Digitálne dvojča nadstavby. Uchováva aktuálne stavy a riadi nadstavbu.

Výroba riadená výrobkom

Pre riadenie výroby sme zvolili nový prístup, ktorým je výroba riadená inteligentným výrobkom.

Inteligentný výrobok je možné rozdeliť na fyzickú a informačno-procesnú časť. Fyzická časť musí byť unikátne identifikovateľná, napríklad, čiarovým kódom alebo RFID čipom. Pre informačno-procesnú časť používame digitálne dvojča inteligentného výrobku. Fyzická časť inteligentného výrobku môže obsahovať rôzne, dnes ľahko dostupné, cenovo a energeticky nenáročné miniatúrne snímače, ktoré dokážu dlhodobo monitorovať situáciu inteligentného výrobku.

Okrem unikátnej identifikácie je inteligentný výrobok schopný efektívnej komunikácie so svojim okolím. Dokáže spracovať a uložiť si dáta o vlastnostiach svojej fyzickej časti, napríklad materiálové požiadavky, tolerancie, drsnosti, geometrické rozmery, hmotnosť, či výrobné operácie, ktorými už prešiel alebo ktoré ho ešte len čakajú. Dokáže sa rozhodovať, plánovať a riadiť; je teda schopný riadiť svoje smerovanie výrobou a robiť rozhodnutia o svojom vlastnom osude. Nepretržite monitoruje svoj stav (resp. stav svojej fyzickej časti) a stav okolitého prostredia, na ktoré dokáže reagovať a prispôsobiť sa, pričom dokáže upozorniť operátora na prítomnosť abnormálnych stavov. Uľahčuje proces kustomizácie a v neposlednom rade predstavuje hlas zákazníka vo výrobe, pričom s ním dokáže komunikovať o svojom aktuálnom stave. Porucha jedného výrobku (napr. zlyhanie komunikácie) neovplyvní výrobu ďalších výrobkov. Riadenie výroby sa týmto prístupom stáva odolnejšie voči vlastným poruchám.

Digitálne dvojča inteligentného výrobku komunikuje s digitálnymi dvojčatami modulárnych platforiem a vyjednáva rekonfiguráciu (zmenu výrobnej dispozície, zmenu ponúkaných operácií, atď.) modulárnej linky, napr. v prípade, že prišla objednávka na výrobu dostatočného počtu výrobkov daného typu. Následne komunikuje s digitálnymi dvojčatami nadstavieb a rezervuje si u nich potrebné služby na svoju výrobu.