Průmysl 4.0: ve znamení chytrosti

Slovo „chytrý“ se v současné době již tradičně používá k označení téměř každé zavedené aplikace, která prošla inovací. Neexistují přitom žádné definice ani postupy, jak něco „chytrým“ učinit, ani měřítka „chytrosti“ aplikace. Přesto vládne všeobecná shoda, a často i očekávání, že taková aplikace bude celkově lepší než její „hloupá“ verze.

Není proto žádným překvapením, že jako „chytré“ se dnes označují nejen mobilní telefony, ale i televizory a další domácí spotřebiče. Pravděpodobně nejvýznamnější dopad nástupu zmíněného druhu zařízení se však netýká spotřebitelů, nýbrž výrobního sektoru. Chytře řešené kanceláře a stejně tak i továrny mohou vést nejen ke zvýšení produktivity, ale podle některých názorů i k vytvoření významného počtu nových pracovních příležitostí podporujících „chytřejší“ pracoviště.

Inovace továren

Podobně jako v jiných oblastech moderního života bude i zde platit, že informační věk přináší nové možnosti, aniž by přitom vytlačoval industrializaci. Technologie tak pomáhají přetvářet tradiční závody ve vysoce automatizovaná prostředí, zatímco celý proces bude označován za čtvrtou průmyslovou revoluci, případně – v souladu se strategií přijatou německou vládou – za Průmysl 4.0.

Jde o krok nad rámec digitální revoluce, jejíž důraz na informace na úkor zboží byl mnohými vnímán jako potenciální ohrožení. Nástup digitálních technologií představoval výzvu pro ekonomiku založenou primárně na výrobě a jako takový byl považován za třetí průmyslovou revoluci. To ostře kontrastovalo s první průmyslovou revolucí, která se nesla ve znamení využívání vodní a parní energie k pohonu velkých strojů a byla provázena rozsáhlými sociálně-ekonomickými změnami po celém světě.

Následné revoluce nepřinesly tak dalekosáhlé společenské otřesy, jejich vliv však zjevně nebyl o nic menší. Pozdější náhrada vody a páry elektřinou jakožto hlavním zdrojem energie – tedy druhá průmyslová revoluce – byla sice nepochybně nákladná, ale její konečné důsledky lze považovat za veskrze pozitivní. Průmysl 4.0 nabízí továrnám a podobným průmyslovým prostředím příležitost, jak díky elektřině, automatizaci, robotizaci a informačním technologiím dokázat více, a navždy mění zažité pracovní postupy.

Samozřejmě jde jen o jednu z dalších stránek věku internetu, ve kterém je stále více věcí propojeno a ovládáno na dálku. Hnacími silami této nejnovější revoluce jsou efektivita a produktivita, které v konečném důsledku vedou k vyšší ziskovosti. A i když tento proces vyžaduje počáteční investice, historie ukazuje, že změna je dobrá. Poptávka po vyšší míře automatizace výrobních závodů si vyžádala nasazení robotů, přičemž náklady na ně byly odůvodněny zvýšenou kapacitou výroby. Podobně i Průmysl 4.0, který přinese ještě větší automatizaci a dosud nevídanou míru vhledu do výrobního procesu, je již nyní vnímán jako pozitivní a rentabilní krok vpřed.

Průmysl 4.0 a rozhraní HMI

I když automatizace bude hrát v chytrých podnicích klíčovou roli, lidský faktor zcela nevymizí. Vznikne totiž větší poptávka po pokročilých rozhraních mezi člověkem a strojem, tzv. HMI. Tato rozhraní budou rovněž využívat nové technologie, které zajistí zachování produktivity. Například tradiční klávesnice a myš nemusejí být optimálními prostředky k ovládání průmyslových počítačů a svá omezení mají rovněž dotykové panely, třeba v prostředích, kde operátoři musí používat hrubé rukavice.

Jednou z možností je použití projekčního rozpoznávání, které představuje rozšíření zavedené technologie kapacitních dotykových displejů používaných u chytrých telefonů. Toto řešení umožňuje rozpoznávat předměty v trojrozměrném prostoru bez nutnosti dotyku. S použitím vyspělých algoritmů lze rovněž rozpoznávat širokou paletu gest ve 3D prostoru nad snímačem, což nabízí řadu uplatnění právě v chytré továrně.

Jedním z průkopníků v této oblasti je společnost Microchip se svou technologií GestIC, která využívá detekce blízkého elektrického pole (E-pole). Tuto techniku použila při vývoji kontrolérů pro rozpoznávání gest MGC3030 v pouzdrech typu SSOP a MGC3130 v provedení QFN, jednočipových řešeních podporujících rozsáhlou knihovnu zjistitelných gest, jako jsou mávnutí, švihnutí nebo otáčení prstem. Obvody MGC3130 rovněž podporují sledování polohy, takže mohou být nasazeny jako náhrada myši nebo v řídicích systémech využívajících řadu předdefinovaných akcí.

Obr. 1 Obvody jsou rovněž vybaveny dostatkem paměti Flash pro uložení knihovny GestIC

Při rozpoznávání gest se používá knihovna Calibre Gesture Suite spojující modul rozpoznávání gest s postprocessingem polohových vektorů v souřadnicích x, y a také z. Veškeré komplexní digitální zpracování signálů probíhá v rámci obvodu, jehož součástí bude též struktura analogového frontendu pro řízení vysílacích a přijímacích elektrod a komunikační rozhraní pro připojení k host-procesoru.

Ovládání hlasem

Software používaný v rámci knihovny a algoritmů GestIC se opírá o techniku známou jako skrytý Markovův model (HMM), což je proces statistického modelování, který se uplatňuje v aplikacích rozpoznávání řeči, rukopisu a gest. Jeho použití z velké části nahradilo metodu DTM (Dynamic Time Warping), algoritmus pro porovnávání dvou sekvencí. Tento způsob však lze stále využívat v systémech rozpoznávání hlasu, které jsou „naučeny“ reagovat na příkazy.

Tyto systémy jsou jednodušší než aplikace rozpoznávání přirozené řeči, které se používají např. pro překlady v reálném čase. V případě průmyslového řízení by tak mělo být možné naučit stroj reagovat na uživatelem definované příkazy vydávané operátorem, jako třeba „spustit“, „zastavit“ nebo „resetovat“ proces. Pomoci by zde mohla i deska pro rozpoznávání řeči SpeakUp od firmy MikroElektronika.

Obr. 2 Deska pro rozpoznávání řeči SpeakUp

Tento modul je schopen rozlišit přes 200 různých naprogramovaných hlasových příkazů a přímo řídit akční členy provádějící rozpoznané příkazy. Hardware staví na mikrokontroléru STM32F415RG od firmy STMicroelectronics a stereofonním audio kodeku spolu s integrovaným mikrofonem a možností připojení mikrofonu externího.

Po konfiguraci s využitím dodávaného počítačového softwaru může deska rozpoznávat až dvě stovky příkazů a taky na ně reagovat. Podporuje řízení jak pomocí univerzálního V/V rozhraní ovládaného přímo z mikrokontroléru od ST, tak pomocí vlastního rozhraní mikro BUS společnosti MikroElektronika umožňujícího řízení řady zásuvných desek. Může také pracovat v režimu CLICK a předávat příkazy přes rozhraní USB nebo UART. Dekódovanému hlasovému příkazu lze přiřadit pět možných akcí: zapnutí, vypnutí, přepnutí, impuls a žádnou akci. Příkaz impulsu má navíc nastavitelné parametry: střídu, periodu a počet opakování.

Příkladem konfigurace může být použití modulu s jednou z řady rozšiřujících desek Click pro zapínání a vypínání zařízení pomocí hlasových příkazů. Ty lze snadno kombinovat s vestavnou procesorovou deskou, např. BeagleBone Green, a vytvářet tak základy sofistikovanějších a komplexnějších systémů. Při vhodné konfiguraci jsou možnosti takřka nekonečné.

Vidím vás!

Gesta a hlasové příkazy mohou být v některých aplikacích ideálním způsobem ovládání strojů, např. v provozech, kde řízení a sledování procesů vyžaduje zásahy operátora. Průmysl 4.0 však přináší řadu nových scénářů, pro které může být vhodná intuitivnější forma rozhraní. V této oblasti je se svým modulem rozpoznávání výrazu obličeje B5T HVC průkopníkem společnost Omron.

Obr. 3 B5T HVC je špičkový produkt řady Omron Human Vision Components
využívající technologii rozpoznávání obrazu OKAO

Technologie snímače HVC dokáže zjistit obličej v zorném poli a následně podle výrazu tváře rozpoznat nejen osobu, ale také směr, kterým se dívá. Spokojený pohled směrem dolů může kupříkladu znamenat, že operátor hodlá spustit proces, zatímco překvapený výraz může být povelem k jeho zastavení.

Tato technologie umožňuje kromě rozpoznávání obličeje a výrazů tváře také identifikovat gesta rukou. Lze ji tedy použít k ověření totožnosti operátora a následně mu umožnit zahájit operace, aniž by bylo nutné jakékoli další elektromechanické rozhraní. Protože místo zvuků pracuje s obrazy, lze ji rovněž bez problémů používat v hlučném prostředí, jako jsou výrobní haly.

Závěr

Základem všech odvětví, ať již zaměřených na výrobu, nebo na práci s informacemi, byly vždy technologie. S nástupem celosvětové digitální revoluce přinesly odklon od tradičnějších oborů, jako je výroba, nicméně nyní, na počátku čtvrté průmyslové revoluce, budou ve výhodě právě ty dynamické společnosti, které jsou schopny nové technologie vhodně implementovat. Průmysl 4.0 se netýká jen zavedených firem, ale přináší možnost zvýšení produktivity a získání konkurenční výhody všem ekonomikám s výrobní základnou.

Inovativní metody typu 3D tisku navíc přinesou nezvratné změny v návrhu a výrobě materiálů i celých produktů. To si nevyhnutelně vyžádá nové postupy, kupříkladu používání intuitivnějších či autonomních robotů nebo sofistikovanější způsoby komunikace s automatizovanými procesy. Jedna věc se ale zdá být jistá: tempo změn se zrychluje, jak ostatně dokládají i technologie popisované v tomto článku. Zmiňované, ale i další vyspělé postupy proto budou mít pro Průmysl 4.0 zásadní význam.