Průmysl 4.0 Změny a příležitosti ve vzdělávání

Průmysl nejen v České republice, ale i na celém světě v současné době čelí problémům a výzvám spojeným s novými technologiemi, klimatickými změnami a pandemií onemocnění způsobenou novým koronavirem COVID-19. Jsou to zejména technologické změny, které umožňují přechod na digitální, ekologický, a tím i konkurenceschopnější průmysl.

Tyto technologické změny nejsou zcela nové. Vycházejí z konceptu, který byl popsán již před 10 lety, v roce 2011, a představen na veletrhu v Hannoveru v roce 2013. Tento koncept je v dnešní době nazýván pojmem Průmysl. 4.0.

V rámci tohoto Průmyslu 4.0 je důležitý pohled na výrobu. Upozaďuje stávající centrálně řízené automatické stroje a zaměřuje se zejména na vzájemná propojení mezi jednotlivými stroji, výrobky, zaměstnanci i dodavateli. Využívá k tomu rozšířenou počítačovou infrastrukturu a nová úložiště dat. Toto přímé propojení virtuálního a reálného světa je možné díky novým technologiím, které s sebou přináší koncept Průmyslu 4.0.

Propojená inteligentní továrna funguje jako jeden celek. Je vybavena moderními stroji, smart senzory s komunikací prostřednictvím internetu věcí (IoT), výrobní procesy generují data, která jsou ukládána v centrálních úložištích (Cloud, Edge Computing), kde jsou zpracována pomocí pokročilých algoritmů (Big Data), strojového učení (ML) nebo umělé inteligence (AI). Tato data jsou dále využívána v rámci digitálního modelu továrny (Digital Twin), mohou být rozšířena o nasazení virtuální reality (VR) nebo rozšířené reality (AR). Dále je možné využívat NFC (Near Field Communication) a RFID (Radio Frequency Identification) čipy a pomocí nich předávat informace strojům a výrobním zařízením o parametrech výroby. Tyto technologie a principy vytváří inteligentní továrnu, která je schopna autonomního řízení, pomocí vyhodnocených dat efektivně navrhovat optimalizace a tím šetřit materiál i čas. S využitím strojového učení je možné předpovídat poruchu a včas přijmout nápravné opatření.

Změny, které přináší zavádění implementace konceptu Průmysl 4.0 a s tím související digitalizace ekonomiky mají dopady nejen na fungování trhů a průmyslových odvětví, ale i do dalších odvětví. Významné dopady lze očekávat na trhu práce, kdy bude docházet ke změně poptávky po určitých profesích a po zaměstnancích budou požadovány nové kompetence a dovednosti označované jako „digital skills“. To bude mít tedy významné dopady i do oblasti vzdělávání na všech úrovních.

Touto problematikou se zabývá tzv. „bílá“ kniha, publikovaná Světovým ekonomickým fórem (WEF) v rámci přechodu ke „Vzdělávání 4.0“ [1]. Tento výstup popisuje změny ve výuce, které musí nastat během transformace na novou podobu vzdělávání. Vzdělávací systémy se musí přizpůsobit novému vnímání světa. Doporučuje se vytvořit nové vzdělávací modely, které jsou v souladu s potřebami čtvrté průmyslové revoluce. Mnoho současných školních dětí bude pracovat na místech, která zatím neexistují, využívat technologie, které doposud nebyly vynalezeny, a řešit problémy, které v současné době nikdo nepředpokládá. Přesto se musejí v této nejistotě zorientovat a najít řešení těchto problémů. Kompetence, aby toto všechno zvládly, jim umožní právě nový model vzdělávání. Pomoci sestavit nový model vzdělávání se snaží Organizace pro hospodářskou spolupráci a rozvoj (OECD) s projektem Future of Education and Skills 2030 [2]. Jejich závěry a myšlenky jsou a budou uplatněny v praxi.

Zásadní otázkou je, jak konkrétně lze tyto požadavky realizovat v podmínkách současného českého školství, konkrétně v prostředí vysokých škol. V rámci našeho pracoviště, kterým je Katedra materiálů a technologií Fakulty elektrotechnické Západočeské univerzity v Plzni, jsme si dali za cíl tyto trendy sledovat a zařazovat do výuky. V současném akademickém roce jsme začali vyučovat nový studijní program „Materiály a technologie pro elektrotechniku“, jehož důležitou součástí je zaměření na „Řízení technologických procesů“. V rámci tohoto zaměření je možné se hlouběji seznámit s problematikou řízení technologických procesů, jejich modelováním a optimalizací, nástroji řízení kvality, komunikačními a řídicími systémy v průmyslové organizaci i systémovým inženýrstvím v elektrotechnice. Vše zastřešuje zmíněný koncept Průmyslu 4.0.

V rámci praktické výuky je nereálné demonstrovat nové způsoby řízení na velké výrobní lince. Velmi efektní je využít různé podoby zmenšených modelů. Tyto modely se chovají prakticky stejně jako reálný provoz a studenti si na nich mohou vyzkoušet různé výrobní stavy, řešení problémů i následné optimalizace.

Na naší katedře jsme v minulosti začínali s využitím populární stavebnice LEGO. Připravili jsme simulační hry na praktické vyzkoušení zejména řízení zásob, hledání úzkých míst ve výrobě s důrazem na optimalizaci sériové výroby. Následně si studenti mohli vyzkoušet problematiku štíhlé výroby a návrh optimální výrobní linky na výrobu „malých terénních automobilů“.

Před začátkem akademického roku jsme výrazně postoupili v inovaci výuky směrem k technologiím pro Průmysl 4.0 a v rámci podpory výše zmíněného studijního programu naše katedra zakoupila model Industry 4.0 Training Factory dodaný německou firmou Fischertechnik. Tento model umožnuje věrnou simulaci výrobní linky a umožňuje pracovat se zmenšeným modelem jako ve skutečnosti. V malém měřítku lze simulovat možné stavy (včetně poruchových) a situace, naučit se je zvládat i aplikovat nově získané vědomosti a následně je implementovat ve velkém měřítku. Je možné simulovat proces objednávání, výrobní proces a proces dodání.

Tréninkový model se skládá z několika součástí:

• skladovací a vyhledávací stanice,
• třídicí linka s detekcí barev (modrá, bílá, červená),
• víceúčelová stanice se simulací pece,
• robotický přepravník (podtlakový sací úchop),
• otočné kamery,
• doplněno o environmentální senzory (teplota, vlhkost, tlak vzduchu, kvalita vzduchu, světelné podmínky).

Linka je řízena pomocí řídicích jednotek (kontrolerů) Fischertechnik TXT. V tomto modelu je jich instalováno šest, jsou vzájemně propojené a komunikují mezi sebou prostřednictvím protokolu MQTT. MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) je otevřený protokol, který umožňuje přenos dat ve formě zpráv mezi zařízeními.

Po zadání objednávky procházejí výrobky příslušnými stanicemi výrobní linky, přitom lze vidět aktuální stav výroby na ovládacím panelu. Ve dvou osách polohovatelná kamera sleduje celý výrobní proces a může být také použita pro vzdálené monitorování výrobní linky. Jednotlivé výrobky jsou sledovány pomocí technologie NFC. Každému výrobku je přiřazeno jedinečné identifikační číslo (ID).

Výrobní stanice je nutné připojit ke Cloudu Fischertechnik. Softwarová aplikace je napsána v jazyce C/C++.

V rámci praktické výuky mají studenti možnost softwarové úpravy jednotlivých výrobních součástí. Ovládací program je možné upravovat ve vývojovém prostředí ROBO Pro, kde je možné programovat pomocí jednotlivých bloků a jejich skládáním do podoby vývojových diagramů nebo přímo v jazyce C/C++. Velkou výhodou je, že všechny programové knihovny a API jsou publikovány na Githubu a je možné je využít.

Pro ukázku vývojového prostředí ROBO Pro byla zvolena třídicí linka s detekcí barev. Tato linka umí oddělit různě barevné výrobky. Dopravník transportuje geometricky identické výrobky s různou barvou. Barevný senzor vyhodnotí příslušnou barvu (v našem případě modrou, bílou nebo červenou) a následně je výrobek zařazen do příslušného skladovacího prostoru. Skladovací prostory jsou vybaveny světelnými závorami, které detekují, zda je již skladovací prostor zaplněn, či nikoliv. Z tohoto skladovacího místa může být výrobek dále přepraven pomocí robotického přepravníku do skladovací stanice k opětovnému uložení.

Cílem využití tohoto výukového modulu je prakticky ukázat studentům základní principy fungování konceptu Průmyslu 4.0, umožnit jim seznámit se s novými trendy, aplikovat nové myšlení založené na decentralizovaném řízení a rozvíjet vzájemnou komunikaci v rámci řešitelského týmu.