Tento príspevok sa zameriava na porovnanie inovácií výrobných systémov s akcentom na definovanie agilnej a inteligentnej výroby a kľúčových charakteristík ich výskumu a vývoja.

Aspekty agility vo výrobných štruktúrach

Agilná výroba sa definuje [3] ako schopnosť prežívania a prosperovania v konkurenčnom prostredí kontinuálnych a nepredvídateľných zmien. Znamená to zákaznícku orientáciu (zdôrazňuje sa, že každé pracovné miesto má svojho zákazníka – každý pracovník je lokálnym dodávateľom nasledujúcej operácie a výrobnej stanice), ­koncentráciu na procesy pridávania hodnoty a veľkú flexibilitu v personálnom a technickom systéme. Agilná výroba neznamená neustále zlepšovanie, ale schopnosť efektívne a rýchlo reagovať na neustále zmeny, ktoré môžu nastať na turbulentných trhoch, v technológii, v obchodných vzťahoch a vo všetkých ďalších aspektoch podnikania.

Vo všeobecnosti sa vyznačuje charakteristikami, ako sú dominantné uplatňovanie vyspelých technológií, presné metódy ­komplexného spracovania, infiltrovanie potenciálu mikroelektroniky, optoelektroniky, nanotechnológií a počítačovej komunikácie nielen vo výrobkoch, ale aj na výrobnej ploche, intenzívne zavádzanie nízkoodpadových a energeticky nenáročných technológií, rozvoj technologických štruktúr, multifunkčné výrobné centrá, autonómne a rekonfigurovateľné pracovné stanice, automatická manipulácia a riadenie logistiky. Schéma kľúčových zložiek agilnej výroby je vyjadrená modelom na obr. 1.

Projekt MyCar Flexibilné montážne procesy pre automobil tretieho tisícročia [6] rozlišuje inovačné trendy výrobných systémov v relácii s agilnou výrobou v automobilovom priemysle a jeho dodávateľskom sektore do 4 skupín:

Adaptívny závod má za cieľ umožniť výrobnému systému na úrovni prevádzkarní byť flexibilný a prispôsobivý, aby vyhovel rôznorodým potrebám zákazníkov. Tento koncept integruje technológie, ako sú in-line roboty, hybridné montážne linky, miniroboty na upínanie, on-line inštrukcie k adaptívnej práci operátorov a previazanosť novovznikajúcich technológií.

Virtuálny montážny závod integruje montážne simulačné techniky (animované prototypovanie, návrh dizajnu výrobku, modelovanie kinematiky robotov, ľudské faktory, simulácie ­procesov a výrobno-logistických sietí) a umožňuje návrhárom a ­konštruktérom detailne otestovať kompletizáciu nového vozidla vo ­virtuálnom prostredí a vizualizovať simulovanie jeho montáže na linkách pred jej fyzickou realizáciou. 

Sieťový montážny závod sleduje zvýšenie adaptability založené na riadení dodávateľského reťazca a operatívnom riadení zásob technológiami RFID (Radio Frequency Identification), informačno-komunikačných technológiách (ICT) na elektronickú výmenu dát v reálnom čase (ako sú XML, STEP, webové služby EDI, ­sémantický web), simulácii a modelovaní pravdepodobnostného správania na trhu pri plánovaní expedície.

Znalostne založený montážny závod zahŕňa nástroje, ktoré ­pomáhajú robiť prevádzkové a konštrukčné rozhodnutia smerujúce k adaptabilite rozpracovanej výroby. K týmto nástrojom patria napr. matematické modely korelácie procesu a parametrov kvality výrobku.

Aspekty integrovanej inteligentnej výroby

V publikácii Manufacturing the Future – Federal Priorities for Manufacturing Research and Development [2], ktorú vypracovalo renomované združenie The Integracy Working Group on Manufacturing Research and Development (IWG), sú definované tri priority výskumu a vývoja pre americký spracovateľský priemysel:

  • výroba pre hydrogénovú ekonomiku,
  • nanovýroba,
  • inteligentná a integrovaná výroba.

Výskum a vývoj výroby sa zameriava na zvyšovanie produktivity podnikov, procesov získavania a opracúvania nových materiálov, zariadení a systémov, ako aj postupy zákazkového poskytovania priemyselného tovaru. Výskum a vývoj výroby musí korešpondovať s vedeckými objavmi, aby sa zabezpečilo, že ich producenti môžu rýchlo premeniť na aplikované inovácie procesov a výrobkov.

Pokračujúci exponenciálny rast výpočtových aktivít a aplikačných možností informačno-komunikačných technológií a zlepšovanie ich ekonomicky výhodnej dostupnosti (napr. pri lacných bezdrôtových a sieťových senzoroch) budú čoskoro poskytovať technologický ­výkon potrebný na vybudovanie inteligentných výrobných procesov a systémov s možnosťami:

  • včas rozpoznať a vyriešiť hroziacu neregulárnosť pri monitorovaní prevádzkového stavu výrobného systému,
  • priebežne sledovať, diagnostikovať a optimalizovať všetky dôležité funkčné parametre procesu a jeho výkon,
  • vykonávať vlastnú kalibráciu pri zaznamenaní odchýlky, predpovedať preventívnu údržbu a upozorniť na potrebu servisu,
  • spoznať štandardnú kvalitu práce výrobného systému a urobiť kroky k jej zlepšeniu,
  • automaticky zachytiť, utriediť a zaznamenať katalóg znalostí procesov, 
  • umožniť výrobu variantov produktov v malých množstvách, 
  • rozoznať zmeny a odporučiť vhodné reakcie pracovníkov na ­zachovanie stability systému,
  • pracovať v energeticky úspornom režime a šetrne k životnému prostrediu,
  • automaticky zvýšiť bezpečnosť pracovníkov a umožniť intuitívne interakcie.

Definícia IWG [2] uvádza, že inteligentná a integrovaná výroba je uplatňovanie pokroku v oblasti softvéru, riadenia, senzorov, sietí a ďalších informačných technológií na dosiahnutie:

  • rýchleho, cenovo predikčného vývoja inovatívnych produktov a procesov, 
  • vysokoproduktívnych a bezpečných výrobných strojov a systémov, ktoré sú ľahko prispôsobiteľné a rekonfigurovateľné v reakcii na meniace sa podmienky a nové príležitosti,
  • optimalizovaných a agilných podnikov a dodávateľských reťazcov.

Kľúčové zložky v štruktúre inteligentnej výroby prezentuje obr. 2.

Vybranými témami výskumu a vývoja pre inteligentnú a integrovanú výrobu sú:

  • simultánny vývoj produktov a procesov, 
  • spoločná a rozšíriteľná architektúra ICT, 
  • unifikované výrobné informácie a kompatibilná infraštruktúra, 
  • zásobníky výrobných znalostí, 
  • informačné systémy pre výrobu typu plug-and-play, 
  • flexibilné a komplexné podávanie informácií, 
  • distribuované modelovanie výrobkov v kolaboratívnom prostredí, 
  • priame modelovanie nákladov,
  • 100 % dostupnosť systémov ICT,
  • flexibilné, rekonfigurovateľne distribuované podnikové operácie, 
  • najvyššia úroveň optimalizácie produktov, procesov a zdrojov, 
  • bezproblémové dáta a aplikácie interoperability.

Metodológia výskumu sa zameriava na [2]:

  • nástroje na analýzu, navrhovanie, testovanie a verifikáciu softvéru,
  • sémantiku a dizajn implementácie programovacích jazykov,
  • škálovateľné softvérové architektúry,
  • techniky spracovania zložitých kombinácií požiadaviek v reálnom čase a koordináciu riadenia v prostredí náchylnom na poruchy,
  • automatické generovanie testov softvérovej integrácie interoperability dodávateľského reťazca,
  • štandardy rozhraní pre systémy operatívneho riadenia výroby,
  • modely interoperability systémov počítačom podporovaného inžinierstva,
  • softvérové modely riadiacich systémov v reálnom čase.

Ďalší prístup k rozboru problematiky inteligentnej výroby prezentuje štúdia EU – Intelligent Manufacturing Roadmap Towards the Process Industry Lean Factory of the 21st Century, vypracovaná skupinou Intelligent Manufacturing WG (WG1-Profit) [4]. Interpretácia definície inteligentná výroba je progresívne budovanie integrovaného riadenia výroby, ktoré prepojuje všetky technologické aspekty (využitie senzorov, riadenia procesov, IT systémov, plánovanie výroby,. ..) s pridaním inteligencie prostredníctvom modelovania a pokročilého riadenia vrátane kognitívnych automatizačných konceptov a diagnostických nástrojov.

Optimalizácia, simulácia, expertné znalosti a umelá inteligencia sú v koherencii a interakcii s ľudskou inteligenciou. Fázy implementácie jednotlivých zložiek inteligentnej výroby ukazuje schéma na obr. 3. Podľa [5] nová výrobná paradigma inteligentnej výroby vznikla zo súbežného inžinierstva a z virtuálnych organizácií. Inteligentné výrobné systémy (IMS) považuje za veľké súbory ľudských a softvérových agentov s rôznou úrovňou znalostí, ktoré musia postupovať synergicky a koordinovať sa v rôznych zostavách s cieľom reagovať na dynamicky sa meniace požiadavky.

Systémy pôsobiace v nepredvídateľnom a turbulentnom prostredí musia riešiť tieto problémy:

  • integrované plánovanie a rozvrhovanie výroby (matematické modely a ich kombinácie, operačný výskum, odhad vhodnosti typového riešenia, parametricky škálovateľné moduly na optimalizáciu výroby, integráciu inteligentných technológií a hybridných inteligentných systémov),
  • real-time riadenie výroby (rozpoznávanie situácií a riešenie problémov v súvislostiach, podporu rozhodovania, reaktívne a proaktívne algoritmy a riadenie výrobných systémov a ich podpory),
  • správu distribuovaných systémov spolupráce (multiagentných systémov v hierarchických a heteroarchických architektúrach, modely na opis výrobnej siete, funkčnú previazanosť siete, analýzu a prerokovanie mechanizmov a komunikačných protokolov na efektívne správanie týkajúce sa vzájomne súvisiacich priestorových a časových účinkov).

Typové prvky charakterizujúce inteligentnú integrovanú výrobu sú na obr. 4.

Inteligentný výrobný podnik zahŕňa tieto funkcie:

  • prispôsobivosť – primárnu úroveň inteligencie, čo znamená schopnosť konať podľa pravidiel „if – then – else“ (ak – potom – inak),
  • uvažovanie – vyššiu úroveň, ktorá zahŕňa prípravu nových možných scenárov a alternatívnych stratégií „what if...“ (čo keby...),
  • vyjadrenie znalostí a spracovanie (predstavuje zaostrenie, identifikáciu funkcií a organizáciu prepojených štruktúr).

Záver

Všeobecné trendy inovácií výrobných systémov charakterizujú produktivita, flexibilita, vysoká presnosť a kvalita, ohľaduplnosť k ­životnému prostrediu a prijateľnosť investičných nákladov. Ďalšími znakmi sú pružná adaptabilnosť, ergonomická štandardizovanosť, úspornosť bez nadbytočnosti a ohnísk plytvania, okamžitá prevádzkyschopnosť, možnosť inštalovania kdekoľvek na svete, absencia zdĺhavých časov oživenia a uvedenia do prevádzky, vylúčenie dodatočných nákladov, optimálna energetická náročnosť, možnosť zmeniť usporiadanie a reorganizovať činnosť od prípadu k prípadu tak, aby vyhovovali aktuálnym produktom a objemom výroby. Všeobecným znakom je aj aplikácia vyspelých technológií, osobitne ICT. Tento článok je výstupom projektu Centrum výskumu riadenia technických, environmentálnych a humánnych rizík pre trvalý ­rozvoj produkcie a výrobkov v strojárstve (ITMS 26220120060) s podporou operačného programu Výskum a vývoj, financovaného z Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

Literatúra

[1] KOVÁČ, Milan a kol. Tvorba a riadenie inovácií. Košice TU – SjF, 2011. 254 s. ISBN 978-80-553-0824-1.

[2] NSTC (The National Science and Technology Council) Manufacturing the Future – Federal Priorities for Manufacturing Research and Development. Committee on Technology, Interagency Working Group on Manufacturing R&D. Washington, 2008 [online]. [cit. 2012-01-23].

[3] KOVÁČ, Milan Budúca výroba – agilita. In The14th International Scientific Conference Trends and Innovative Approaches in Business Processes “2011“ Zborník príspevkov. Košice Strojnícka fakulta, 2011. [online] [cit. 2012-01-23].

[4] CHEFNEUX, Luc et al Intelligent Manufacturing roadmap – Towards the process industry lean factory of the 21st century Intelligent Manufacturing. WG (WG1-Profit) ESTEP, September 3rd 2009. [online] [cit. 2012-01-23].

[5] DUMITRACHE, Ioan – CARAMIHAI, Simona The Intelligent Manufacturing Paradigm in Knowledge Society. InTech, 2010. ISBN 978-953-7619-94-7 [online] [cit. 2012-01-23].

[6] Portal of the EU Integrated Project My Car. [online] [cit. 2012-01-23].

[7] Next-Generation Manufacturing Technology Initiative Strategic Investment Plan for the Model-Based Enterprise. 2005. [online]. [cit. 2012-01-23].

[8] IMTI Intelligent and Integrated Manufacturing Systems. In. NDIA Modeling and Simulation Committee, 23.4.2007. [online] [cit. 2012-01-23].

 

Ľubica Kováčová
Andrea Lešková

TU Košice, Strojnícka fakulta
Katedratechnológií a materiálov