Harmadik munkaszakasz - 2019.11.01 - 2021.01.30

A hivatkozott, és a Labor további kapcsolódó publikációi itt elérhetők.

A témákban készült demonstrációs videók itt megtekinthetők

FF5: I4.0 megoldások az energia-hatékony és fenntartható gyártás támogatására

FF5/1 rész-téma - Gyártási és logisztikai struktúrák energiafelhasználás szempontú modellezése.

Eredmények rövid összefoglalása

• Energiarendszerek keresletoldali szabályozásához inverz optimalizáláson alapuló módszerének kidolgozása a historikus energia tarifa-fogyasztás adatpárok alapján. Az eljárás lineáris programként felírható döntési modellek esetében alkalmazható [7].
• Robusztus energiafolyam előrejelzési és modell prediktív irányítási módszer kifejlesztése, amelynek elmélete a bizonytalan konvex optimalizálási feladatok szkenárió módszerére épít [25]. Ez alkalmas önálló energiatermeléssel és fogyasztással rendelkező rendszerek energiagazdálkodásának optimalizálására.
• Az ellátási láncokon belül keletkező zavarok negatív hatásainak csillapítására eljárás kidolgozása. Bizonyításra került, hogy az ellátási láncok strukturális és működési komplexitásának célzott megváltoztatásával, e rendszerek robusztussága fokozható, hatékonyságuk korlátozott mértékű csökkentése, néha akár megtartása vagy növelése mellett is [8]. Új módszer kifejlesztése az ellátási láncok működtetésével kapcsolatos gazdasági és környezeti aspektusok közti kompromisszumok megteremtésére [32].
• A koronavírus-járvány okozta gazdasági sokk hatásainak a gyártásban és a kapcsolódó logisztikában és energia ellátásban várható változásainak elemezése egy felkért publikációban [16], amiben kifejtésre került, hogy az új válsághelyzet alkalmas kiindulópont lehet a versenyképes, ugyanakkor fenntartható gyártás ösztönző rendszerének megteremtésére.

FF5/2 rész-téma - Különböző energiahelyzetekben optimális technológiai tervváltozatok automatikus generálása.

Eredmények rövid összefoglalása

• Robotos szerelési, anyagmozgatási, és megmunkálási feladatok pályatervezési problémáinak megoldására általános ütközésvizsgáló és pályatervező szoftver könyvtár fejlesztésére került sor [45]. A könyvtár felhasználásával általános szoftvereszköz készült robotos művelet- és sorrendtervezési feladatok leírására és hatékony megoldására [46], [47]. A tervező SW-ek különböző alkalmazásokban (pl. robotos gépkiszolgálás vagy rajzolás) kerültek validálásra (lásd videók).
• Új megközelítési javaslat került kidolgozásra a gyártási folyamattervezésre a szerelésben, mely egy logikai Benders dekompozíciós eljárás keretében integráltan kezeli az ún. makro-szintű folyamattervezést, a szerszám- és készülékválasztást, a mozgástervezést, majd automatikusan generálja a szerelési utasításokat [42].
• A japán Hitachi céggel együttműködésben új megoldás került előtérbe a precíziós gyártásban a tűréstervezés, a gyártási folyamattervezés, és a termeléstervezési feladatok együttes megoldására [14], melyre közös szabadalom is benyújtásra került.
• Kétoldalú K+F szerződések keretében folytatódott a hagyományos kapcsolat a japán Hitachi céggel. A projekt témája a gyártórendszerek többféle célt – ciklusidő, kihozatal, gazdaságosság, energia-igény, stb. -- kielégítő konfigurációja volt. A megoldásban lényeges szerepet játszottak technológiai tervváltozatok.

FF5/3 rész-téma - Technológiai tervváltozatokat kezelni képes termeléstervezési és -irányítási rendszerek kifejlesztése.

Eredmények rövid összefoglalása

• A termeléstervezési és ütemezési feladatok – a gyárak és a termékek sajátosságaiból kifolyólag – különböző gépmodellel, korlátokkal, és célfüggvénnyel rendelkezhetnek. Mindezek kezelhetővé tétele érdekében, a termelési/tervezési folyamatok minél több részletét figyelembe véve, komplex, matematikai programozáson alapuló modellek és megoldó eljárások kerültek kidolgozásra a Laborban [6], [41].
• Historikus adatokból kiindulva pontosítottuk a termékek ciklus idejére, ill. lokációjára vonatkozó becsléseket, így téve megbízhatóbbá az ütemezést [4], [24].
• Kísérletekkel igazolva megállapításra került, hogy az erőforrások megosztása egymással versengő piaci szereplők között mindenki számára hozhat előnyöket, de csak akkor, ha ez megbízhatósággal társul [12].
• Automatizált biológiai gyártórendszerekben a termékek sokféleségéből adódóan a gyártási időket nagyfokú bizonytalanság jellemzi. A rendszer modellezése, multiágens rendszerként történt meg, ahol a rendszerelemeket (szállító, raktározó és feldolgozó erőforrások, munkadarab) ágensek reprezentálják. A megvalósított rendszer nagyméretű szimulációs futtatásokkal az erre a feladatra specializált megerősítéses tanulási algoritmussal az optimális paraméterek sikeresen kerültek meghatározásra [9], [26].

FF5/4 rész-téma - Szenzorhálózat megtervezése kialakítása az energia-hatékony és fenntartható gyártás számára.

Eredmények rövid összefoglalása

• A kollaboratív robotok (kobotok) lehetővé teszik az ember és a gép kölcsönös munkáját, akár közös munkatérben is, de a biztonságos működés a termelés rovására mehet. Biztonsági leálláskor a kobot beépített szenzorai révén a vezérlő azonnal leállítja a kobot mozgását, ami késést okozhat a gyártásban és a nem optimális üzemeltetéssel energiapazarlás történik. Egy ún. „PREDictor a HUman-Robot” együttműködéshez (PREHUROCO) a képalkotó szenzorok és az interaktív technológiák új, innovatív módon kerültek felhasználásra az ütközések elkerülésére. Megosztott virtuális valóság-munkaterület került kialakításra az interneten/intraneten keresztül emberek és a kobotok számára az emberi operátor és a gyártócella digitális ikermása, a virtuális és kevert valóság (XR) vizualizációja, ill. haptikus visszacsatolás segítségével, ami újszerű megközelítés a kobot-alapú gyártási és szerelési feladatoknál. A győri Ipar4.0 mintarendszerben megvalósított TRL4-es szintű kísérletek már a rendszer koncepciójának működőképességét mutatják [5], [37].

FF5/5 rész-téma - Gyártási - megmunkálási és robotikai - digitális ikermodell és mintarendszer kialakítása.

Eredmények rövid összefoglalása

• A tömeges testre szabás fokozott ütemű terjedése mellett elengedhetetlen a gyártás egyre magasabb szintű robotos automatizálása. A modell alapú fejlesztés, melynek során a gyártócella és ott zajló művelet digitális mása (ikre) a beüzemelés előtt előállításra kerül, de ennek hatékonysága alacsony lehet megfelelő módszertan és modellek hiányában. Az autonóm fejlesztés és működtetés megvalósíthatósága érdekében a fejlesztési folyamat (tervezési lépések, adatok, funkcióblokkok) általánosítása és rendszerezése került fókuszba [19], [20], [23].
• A projekt során nemzetközi szinten is jegyzett, tudományos igényű megoldások kerültek kifejlesztésre a robotizált rendszerek digitális ikermodelljének megalkotásában, automatikus és optimalizált pálya és mozgástervezésben, valamint az off-line programozás, ütközés-elkerülés, érzékelés és szituáció felismerés, fejlett ember-gép kollaboráció és gesztuskontrol területein [3], [13].
• A hatékony ipari adaptáció előfeltétele, hogy a tervezett és megvalósított robotcella közötti különbségek át legyenek hidalva, máskülönben a szenzoradatok értelmezése félrevezető, a digitális térben alkotott robotpályák a fizikai térben nem alkalmazhatók. A digitális és fizikai ikerpár közötti geometriai eltérés jellemzésére bevezetésre került a „digitális közelség” fogalma, amely meghatározására egy mérték került megadásra, egy eljárással együtt. Így egy robotcella modellje adott tolerancia határon belül illeszthető a valós rendszerhez [21], [31].

FF6: Számítási felhő alapú termelésinformatikai szolgáltatások

FF6/1 rész-téma - KKV-k számára is alkalmas analitikai, robusztus termeléstervezési- és ütemezési, valamint kooperatív hálózatmenedzsmentet támogató szolgáltatások számítási felhőbe való telepítése.

Eredmények rövid összefoglalása

• A biztonság és a nyomonkövethetőség a legkritikusabb szempont a vállalkozók számára, ezért egy bizalmi érték – ún. Accountability Value – került meghatározásra, amellyel a felhasználó képes behangolni, hogy mennyi teret enged az automata rendszereknek. Ezt reprezentálja egy új ábrázolási mód, az ún. LEAF (levél) diagram. Ez területi és távolsági arányokkal jellemzi a folyamatokban rejlő döntési lehetőségeket, behatárolva a megengedett döntési mozgásteret. [1]
• A Manufacturing Execution System (MES, Gyártásvégrehajtási Rendszer) architektúrája is továbbfejlesztésre került. Egy alapvető módszertan kidolgozása történt meg a különféle elszigetelt gyártó cellák által kínált szolgáltatások felhőalapú, univerzális modellezésére, digitalizálására és integrálására, amely egy szabványosított, kibővített és elosztott MES-as-a-Service-t (MESS) eredményezett. Ezen belül egy CPPS (kiber-fizikai gyártórendszer) fogalmi és információs modell is kialakult, amiben az interoperabilitás szemantikáját továbbra is az OPC UA biztosítja. A MESS architektúrája számos ipari esettanulmány keretében került bemutatásra és validálásra a győri mintalaborban [51] – [57].

FF6/2 rész-téma - Szabványos kommunikációs csatornák definiálása.

Eredmények rövid összefoglalása

• Az I4.0 paradigma hatékony hasznosítása a megfelelő információk rendelkezésre állását igényli az összes mérnöki és termelési értékláncon keresztül. A dolgok internetének (IoT) elterjedése miatt meg kell határozni a gyártás végrehajtási rendszerek jól definiált infrastruktúráját. Így lehet megfelelő szolgáltatásokat nyújtani az eszközök absztrakciójához, az adatkezeléshez, és mind a szintaktikai, mind a szemantikai interoperabilitáshoz ésszerű mérnöki költségeket rendelni [28].
• Az Ipar 4.0-kompatibilis, CPPS-alapú ipari szolgáltatások modellezésére és integrálására iránymutatás került kidolgozásra és megvalósításra a Laborban. A módszer a szabványosított, öröklött ipari eszközökre is alkalmazható [52].
• A MESS rendszerben két lehetséges szabványosítási megoldás lehetséges: a cella létrehozását a támogatott szolgáltatási kommunikációs módszerek egyikével (OPC-UA vagy HTTP szolgáltatási interfész), valamint egy univerzális CPPS „cella-burkoló” használatát. Az U-CPPS lehetővé teszi összetett parancsok felépítését, ami az OPC UA szabványosított réteg segítségével publikálható.
• A győri Ipar4.0 mintarendszerben a fenti, a Labor által implementált eszközkészlettel megtörtént az ott már korábban rendelkezésre álló, hagyományos módon automatizált rendszerek (FESTO szerelősor, Fanuc robotcella) és digitális ikermodelljeik közti kommunikáció megvalósítása [59], [60].

FF6/3 rész-téma - Felhő-alapú szolgáltatások konfigurálását támogató munkafolyamatok létrehozása.

Eredmények rövid összefoglalása

• Kifejlesztésre került a Laborban egy ún. digitális asszisztens rendszer (Digital Work Assistant System, DIWAS), amely általános céllal alkalmas operátori tevékenység támogatására oly módon, hogy a végrehajtandó feladatokat szekvenciálisan megjeleníti a dolgozó számára [22]. Ehhez szükséges egy modell, amelynek alapja a task-operation-instruction fogalomhármas egzakt definiálása. A DIWAS környezetben előbb definiálható a végrehajtandó művelet szekvencia, majd ennek egyes elemeihez rendelhetők utasítások, melyek bármilyen típusú (szöveg, grafikus, videó, hang) lehetnek. Az így generált munkautasítások később tovább szerkeszthetőek.
• A DIWAS rendszernek a MESS rendszerrel való integrálása teszi lehetővé ember-robot kollaboráció támogatását is [40]. Ilyenkor a szekvenciában való előrehaladást nem kizárólag az operátor nyugtái jelentik, hanem a MESS rendszerből érkező parancsok, ami biztosítja az ember és a robot összehangolt munkavégzését.
• A DIWAS-t alkalmazása jelenleg kézi szerelési műveletekre történt meg, ami a rendszer felhő szolgáltatásként működő prototípusával demonstrálható; a MESS termelésinformatikai környezetbe lett integrálva a győri Ipar 4.0 kiber-fizikai mintarendszerben [50].

FF6/4 rész-téma - A szolgáltatások valós viszonyok közt való validálása és verifikálása

Eredmények rövid összefoglalása

• A MESS rendszerhez implementálásra került az U-CPPS-ben egy folyamatvégrehajtó motor, amely lehetővé teszi tetszőleges komplexitású, de lokálisan megoldandó gyártási műveletek lebonyolítását. A MESS szolgáltatás absztrakciója alapján a fizikai és virtuális eszközök bármilyen típusúak lehetnek, például gépek, szállítóeszközök vagy akár emberi dolgozók is [30]. Két esettanulmánnyal került validálásra az U-CPPS alkalmazhatósága a DIWAS rendszer integrálásával.
• Első eset egy kollaboratív szerelőállomás, ahol a MESS rendszer szinkronizáltan vezérli az embert és a robotot. [38], [57]. A második esetben egy több különböző munkaállomás által végzett komplex gyártási és csomagolási feladat szerepel, ahol a szállítást és a pakolást saját robotkarral rendelkező autonóm szállítójármű (AGV) biztosítja. Itt az oktatási célú FESTO gyártósor által előállított termék csomagolása történhet meg akár a FANUC robotokkal, akár UR robottal, az AGV-k logisztikai szolgáltatásait is igénybe véve [58], [61]. Az összes erőforrás feladatait összefogja és irányítja a MESS rendszer [55], [62].
• A projekt során a SZTAKI győri telephelyén, a Széchenyi István Egyetemen kialakított Ipar4.0 kiber-fizikai mintarendszer egyike lett Magyarország NKFIH által is nyilvántartott kiválósági kutatási infrastruktúrájának, és a 2020 nyarán indult Autonóm Rendszerek Nemzeti Laboratórium programjának is integráns része lett.