🌐 Průmyslové sítě a Průmysl 4.0

Továrna jako firma

O čem to je

Ve velké firmě si informace předávají dělníci, mistr, vedoucí výroby i ředitel. Každý potřebuje jiné údaje a jinak rychle. Dělník musí vědět okamžitě, že se zasekl pás. Ředitel potřebuje jednou za den vědět, kolik se vyrobilo.

V automatizované továrně je to stejné, jen si informace předávají stroje. Snímače, PLC, počítače a podnikový systém spojují průmyslové sítě. Bez nich by každý snímač potřeboval vlastní kabel až do rozvaděče a nikdo by neměl přehled o výrobě.

Nové pojmy

Průmyslová síť (průmyslová sběrnice)Propojení řídicích zařízení jedním společným vedením, po kterém si posílají data podle dohodnutých pravidel. Musí odolat rušení, vibracím a prachu.Jedním kabelem jsou s PLC spojené desítky snímačů a pohonů.
ProtokolDohodnutá pravidla komunikace: jak vypadá zpráva, kdo smí vysílat a jak se poznají chyby.Modbus, Profinet, EtherCAT.
Deterministická komunikaceKomunikace se zaručenou dobou doručení zprávy. Víš předem, že data dorazí nejpozději za určitý čas.Povel pro pohon dorazí vždy do 1 ms. Běžný internet tohle nezaručí.
PLCPřipomenutí: průmyslový řídicí počítač, který čte vstupy, vykonává program a nastavuje výstupy.

Pyramida automatizace

Řízení podniku se kreslí jako pyramida. Dole je hodně zařízení a rychlá data, nahoře málo systémů a souhrnná data.

ÚroveňCo tam jeJak rychle
podnik (ERP)objednávky, sklad, účetnictvíhodiny, dny
řízení výroby (MES)plán a evidence výroby, kvalitaminuty
dispečink (SCADA, HMI)vizualizace, alarmy, obsluhasekundy
řízení (PLC, regulátory)program strojemilisekundy
provozní (snímače, akční členy)tlačítka, snímače, ventily, motorymilisekundy
SCADA a HMIHMI je ovládací panel u stroje (obrazovka, kde obsluha vidí stav a mačká tlačítka). SCADA je dispečerský systém, který sbírá data z mnoha PLC a zobrazuje celou výrobu.Na velíně čistírny vod vidí operátor na SCADA stav všech čerpadel.

Které sítě se používají

  • Profibus DP – starší sběrnice na sériové lince RS-485, hlavně Siemens
  • Profinet – průmyslový Ethernet, nástupce Profibusu
  • Modbus RTU / Modbus TCP – jednoduchý otevřený protokol; RTU po sériové lince, TCP po Ethernetu
  • EtherNet/IP – průmyslový Ethernet s protokolem CIP, rozšířený hlavně u Rockwell Automation
  • EtherCAT – velmi rychlý Ethernet pro pohony, data se zpracují za letu
  • IO-Link – komunikace se snímačem bod-bod po běžném 3vodičovém kabelu
  • AS-i – dvouvodičový kabel nese data i napájení jednoduchých snímačů
  • OPC UA – standard pro bezpečnou výměnu dat mezi stroji a IT, nezávislý na výrobci

Projdi kartičky. U každé si řekni, na které úrovni pyramidy se síť nejspíš používá.

Na stroji je 40 snímačů. Proč je výhodné je připojit přes síť (např. AS-i nebo IO-Link s rozbočovačem) místo přímo do PLC?
Při přímém připojení vede od každého snímače vlastní kabel až do rozvaděče: 40 kabelů. Přes síť stačí jedno vedení a rozbočovače u stroje. Méně kabeláže, rychlejší montáž, snazší hledání závad a u IO-Link navíc diagnostika snímače.
Manažer chce v tabulce vidět počet vyrobených kusů ze všech linek za směnu. Kde se data berou a kudy jdou?
Kusy počítá PLC každé linky. Data z PLC sbírá SCADA nebo MES (často přes OPC UA). Odtud jdou souhrny do ERP. Data tedy putují pyramidou zdola nahoru a cestou se shrnují.
✗Pohony robotu můžu řídit přes běžnou kancelářskou síť, Ethernet je přece všude stejný.
✓Pro rychlé řízení se používá průmyslový Ethernet s deterministickou komunikací (Profinet IRT, EtherCAT…) a oddělená síť.

Kancelářská síť nezaručuje dobu doručení a zpoždění by vedlo k chybám v pohybu. Navíc propojení s kancelářskou sítí zvyšuje riziko kybernetického útoku.

Průmyslové sítě propojují snímače, PLC, dispečink a podnikové systémy v pyramidě automatizace. Dole je potřeba rychlá deterministická komunikace (Profinet, EtherCAT, IO-Link, AS-i), nahoře výměna dat s IT (OPC UA).

Čtyři revoluce

O čem to je

Slyšíš „Průmysl 4.0“ v reklamách, ve zprávách i na pohovoru. Číslo 4 znamená, že jde o čtvrtou průmyslovou revoluci. Pochopíš ji nejlépe, když uvidíš, co bylo před ní.

Nové pojmy

Průmyslová revoluceObdobí, kdy nová technika zásadně změní způsob výroby a s ním i práci a život lidí.Parní stroj nahradil sílu lidí a zvířat.

Od páry k datům

  • 1784 1.0: mechanizace, parní stroj, mechanický tkalcovský stav
  • 1913 2.0: elektřina a hromadná výroba – pásová linka u Forda
  • 1969 3.0: elektronika a automatizace – první PLC
  • 2011 4.0: pojem Industrie 4.0 představen na veletrhu v Hannoveru

Projdi časovou osu a všimni si, jak se intervaly mezi revolucemi zkracují. Letopočty jsou orientační – revoluce neproběhla v jednom dni.

Co je na Průmyslu 4.0 nové

Kyberfyzikální systém (CPS)Stroj nebo zařízení, které spojuje fyzickou část (mechaniku, motory, snímače) s výpočetní částí a sítí. Samo o sobě ví, v jakém je stavu, a sdílí to s ostatními.Obráběcí stroj, který hlásí opotřebení nástroje a sám si objedná nový.
IoT a IIoTIoT (internet věcí) jsou běžné věci připojené k síti. IIoT je průmyslový internet věcí: snímače a stroje v továrně, které posílají data do sítě.Snímač vibrací na čerpadle posílá data do cloudu.
Digitální dvojčePočítačový model skutečného stroje nebo linky, který se průběžně aktualizuje daty z reálného zařízení. Na něm se dá zkoušet a předpovídat bez zásahu do výroby.Nový program robotu se nejdřív vyzkouší na dvojčeti linky.
Big data a prediktivní údržbaBig data jsou obrovská množství dat ze strojů. Jejich analýzou lze poznat blížící se poruchu dřív, než nastane – to je prediktivní údržba.Rostoucí vibrace ložiska ohlásí výměnu týden před poruchou.
Kybernetická bezpečnostOchrana řídicích systémů a sítí před útoky, viry a zneužitím. Pro průmysl ji popisuje řada norem IEC 62443.Oddělení výrobní sítě od kancelářské, hesla, aktualizace, řízený vzdálený přístup.
Průmyslová sběrnicePřipomenutí: síť, která propojuje snímače, PLC (průmyslové řídicí počítače) a další zařízení podle dohodnutého protokolu. Pro snímače se používá např. IO-Link, pro rychlé řízení Profinet nebo EtherCAT, pro výměnu dat s počítači standard OPC UA.Data z linky putují přes OPC UA do systému MES (řízení výroby) a souhrny do ERP (podnikový systém: objednávky, sklad, účetnictví).

Jak data putují v továrně 4.0

Snímač změří veličinu a pošle ji přes IO-Link do PLC.
PLC řídí stroj v reálném čase po deterministické síti (např. Profinet nebo EtherCAT).
Data z PLC čte server přes OPC UA.
Systém MES nebo cloud je ukládá a analyzuje (big data).
Výsledek se vrátí zpět: plán údržby, úprava parametrů, objednávka materiálu v ERP.
Ložisko čerpadla se dřív měnilo každých 6 měsíců preventivně. Jak by to vypadalo v Průmyslu 4.0?
Na čerpadlo se dá snímač vibrací a teploty (IIoT). Data se průběžně vyhodnocují. Ložisko se vymění, až když data ukážou začínající opotřebení – ne zbytečně dřív a ne pozdě po havárii. To je prediktivní údržba.
Firma chce vyzkoušet novou rychlost linky, ale nechce riskovat zmetky. Co jí pomůže?
Digitální dvojče linky. Změnu nejdřív simuluje na modelu, který odpovídá skutečné lince díky datům z ní. Když simulace projde, změnu zavede ve skutečnosti.
✗Průmysl 4.0 znamená, že se do továrny nakoupí víc robotů.
✓Jádrem Průmyslu 4.0 je propojení strojů, sdílení a vyhodnocování dat.

Roboty a automatizace patří už do 3. revoluce. Novinkou 4.0 je, že stroje komunikují mezi sebou i s podnikovými systémy a z dat se rozhoduje.

1.0 pára, 2.0 elektřina a hromadná výroba, 3.0 elektronika a PLC, 4.0 propojení a data. Průmysl 4.0 stojí na kyberfyzikálních systémech, IIoT, digitálním dvojčeti, analýze dat a kybernetické bezpečnosti.
🦾Průmyslové roboty