Výzkum pro praxi:
Nadstavbová prostředí CNC
a datová komunikace

Řídicí systémy a jejich aplikace patří vedle kvalitní mechanické konstrukce mezi hlavní stavební kameny moderních výrobních strojů. V poslední době nejsou řídicí systémy využívány pouze k řízení pohybu strojů ve smyslu odbavení NC programu, ale také pro implementaci dalších funkcionalit a pro komunikaci s dalšími systémy. Výrobní stroje se čím dál více propojují s IT infrastrukturou a získaná data se začínají efektivně využívat pro optimalizaci provozu. Tím může být dosaženo značného zvýšení efektivity provozu i šetrnosti v hospodaření s energiemi. Dalším aspektem je zvyšování nároků na jakost výroby vedoucí ke složitým technologiím, což je v kontrastu s nedostatkem kvalifikovaných pracovníků. Moderní řídicí systémy tak mají mimo jiné za úkol zjednodušit obsluhu strojů, avšak při splnění vysokých nároků na cílový výrobek. Toho může být dosaženo pouze tak, že součástí řídicích systémů budou aplikace napomáhající operátorům ve složité výrobě, popř. nahrazující některé vybrané zkušenosti operátorů. Hlavním trendem je předat operátorovi jasnou informaci, a tím umožnit ovládání stroje i obsluhou s menšími zkušenostmi. Výše uvedené cíle se postupně snaží naplňovat strategie tvorby nadstavbových systémů umožňujících do stroje implementovat další aplikace a komunikační nástroje.

V oblasti frézovacích strojů vyvinulo RCMT společně se společností TOS Varnsdorf nadstavbový systém TOScontrol, který od roku 2020 obsahuje každý jejich vyrobený stroj. Jedná se o jednotné uživatelské rozhraní, které se zobrazí po spuštění stroje nezávisle na výrobci řídicího systému. Nadstavbové prostředí je tvořeno celou paletou aplikací, které jsou vytvořeny v programovacím jazyce C#/C++ a využívají jednotného komunikačního rozhraní. Tato infrastruktura umožňuje snadné rozšiřování systému o další aplikace, ale také rozšiřování o další řídicí systémy. V současné době je systém TOScontrol propojen s řídicími systémy Siemens Sinumerik 840D sl a Heidenhain TNC640 a probíhá vývoj integrace se systémy Fanuc a Siemens Sinumerik One.

Mezi základní aplikace patří Status obrazovka stroje, rozhraní řídicího systému (CNC), Dokumenty a Kalendář. Součástí základní verze je také správa uživatelů a OPC-UA rozhraní pro komunikaci s nadřazenými systémy. Další aplikace přinášejí kromě podrobnějších informací o provozu stroje také možnost rozšíření o zcela nové funkce založené na integraci dalších HW a SW. Jedná se např. o aplikaci Inprocesní měření (CMM), která integruje do obráběcího stroje funkcionalitu souřadnicového měřicího stroje a přímou implementaci naměřených dat jako korekce v navazujícím obrábění. Velkou výhodou je odstranění mezioperačního přesunu dílce mezi výrobním strojem a souřadnicovým měřicím strojem. Pro eliminaci chyby stroje při měření je možné do systému zapojit přídavné odměřování, např. laser tracker.

Mezi další integrované aplikace patří správa zakázek. Jedná se o propojení výrobního stroje s ERP systémem, kdy je přímo v aplikaci zobrazen plán práce pro přihlášeného operátora na daném stroji. Kromě základních informací má operátor přehledně k dispozici i výrobní postup a všechny relevantní dokumenty, včetně NC programů. Díky online propojení s ERP systémem jsou dokončené kusy automaticky odhlašovány, a nedochází tak k chybám v manuálním odhlašování. Toto řešení značně přispívá k přehlednosti výroby a eliminuje potřebu papírových dokumentů ve výrobě.

V oblasti diagnostiky klíčových částí stroje nabízí aplikace Údržba sledování vibrací vřetene a přesnosti jeho chodu. Z vývoje parametrů vibrací a přesnosti chodu vřetene v rámci servisních cyklů se usuzuje o zbytkové životnosti vřetene, a to nejen pomocí přímých diagnostických metod, ale také za využití nástrojů strojového učení. Dále jsou do TOScontrol postupně integrovány aplikace jako technologická kalkulačka pro návrh vhodných technologických podmínek, pokročilé teplotní kompenzace nebo systém pro správu servisu.

V oblasti brousicích strojů vyvíjí RCMT ve spolupráci s partnerem Slovácké strojírny, závodem TOS Čelákovice nadstavbový systém s názvem TOS Machine Manager. Hlavním cílem systému je zvýšení přehlednosti obsluhy brousicího stroje a integrace dalších aplikací, které usnadní operátorovi nastavení a řízení procesu broušení. Systém je rozdělen do pěti hlavních částí – Provoz stroje, Systém a příslušenství, Diagnostika, Technologie a Návody a nastavení. Celý systém je postaven na technologii Siemens Simatic WinCC. Na rozdíl od systému pro frézovací stroje je tak TOS-MM určen především pro řídicí systémy Siemens Sinumerik. Ve spolupráci s RCMT byl vyvinut princip integrace aplikací třetích stran, který zde s výhodou využívá „microservice architecture“. Jedná se o řadu samostatných aplikací vzájemně komunikujících mezi sebou a řídicím systémem pomocí centrálního procesu. Díky tomu je systém dobře škálovatelný a je možné ho vybavit dalšími aplikacemi, které jsou vytvořeny v různých programovacích jazycích a nebylo by je možné vytvořit přímo ve WinCC. Příkladem může být aplikace Lunety stroje, která umožňuje vytvořit zjednodušený model dílce a na základě diskretizace kontinua vypočítat jeho průhyb se zahrnutím okrajových podmínek daných uložením dílce. Lze tak velice rychle kontrolovat vliv rozmístění lunet na celkový průhyb dílce, ale také jejich zatížení. Součástí je i databáze lunet, které může operátor rozmístit, nebo uložení vytvořených konfigurací. Aplikace Lunety stroje je vytvořena v programovacím jazyce C# a je propojena s řídicím systémem i WinCC pomocí centrálního procesu.

Dalším zástupcem nadstavbového systému v oblasti brousicích strojů je systém SMARTOS. Ten byl vyvinut ve spolupráci RCMT a TOS Hostivař. Hlavním účelem systému SMARTOS je poskytnout uživateli stavové informace o využití stroje a jejich historii, sledování technického stavu důležitých uzlů stroje (např. vřetenových ložisek), upozorňování na pravidelnou údržbu. Jedná se o nástroj dispečerského řízení a sběru dat, který na rozdíl od předchozích uvedených systémů stojí kompletně mimo řídicí systém z důvodu použití systému SMARTOS univerzálně i u starších strojů a u strojů s jiným řídicím systémem než Siemens Sinumerik. Je založen na platformě mySCADA a s řídicím systémem komunikuje proprietárním protokolem OPC UA. Systém integruje funkce ovládání Windows aplikací, sběru dat z externích snímačů, sběru relevantních dat z řídicího systému a výpočtu kompenzačních modelů. Systém je vybaven vlastním dotykovým PC s možností publikace obrazovek.

Kromě aplikací spustitelných přímo na panelu stroje jsou klíčové také kanály pro komunikaci s nadřazenými systémy. Z tohoto důvodu RCMT vyvinulo datový model pro základní identifikaci stavu stroje, který využívá OPC UA rozhraní a tuto technologii integruje do nadstavbových systémů. Kromě uvedeného modelu je možné stroje vybavit i datovým modelem UMATI, jehož je RCMT a TOS Varnsdorf partnerem.

Uvedenou datovou komunikaci je možné integrovat i do strojů, které nejsou vybaveny nadstavbovým systémem. V takovém případě je OPC UA server s příslušným datovým modelem spuštěný na samostatném PC, které je propojeno s řídicím systémem. RCMT vyvinulo tuto technologii pro řídicí systémy Siemens Sinumerik, Heidenhain a Fanuc.

Ing. Tomáš Kozlok ze společnosti TOS Varnsdorf uvádí: „Spolupráce s RCMT na vývoji vlastního systému TOScontrol nám umožňuje zásadním způsobem rozšířit možnosti využívání našich strojů, a to jak z pohledu přídavných funkcí stroje, tak také z pohledu efektivního využívání stroje. Zákazníkovi tak poskytujeme stroj s vyšší přidanou hodnotou a zároveň zvyšujeme svoji konkurenceschopnost na trhu. Z mého pohledu je velmi důležitá skutečnost, že tento systém je v podstatě brána do dalšího světa konektivity a komunikace napříč průmyslovým světem, který v následujících letech čeká intenzivní rozvoj. Díky systému TOScontrol tak budeme schopni rychle reagovat na nové trendy v oboru, udržovat vysoké tempo inovací, a být tak konkurenceschopní.“

Ing. Ladislav Prokopec ze Slováckých strojíren, závodu TOS Čelákovice, spolupráci komentuje: „S RCMT při vývoji nového produktu spolupracujeme v celé možné šíři podpory. Jednou z oblastí, která umožní komplexní propojení veškerých poznatků jak z vlastního vývoje, tak reálného provozu stroje, je právě nadstavba ŘS. Ta může reálně zpřístupnit složitou problematiku řízení moderních obráběcích strojů, a to jak z pohledu provozovatele stroje, jeho obsluhy, tak i výrobce. Analýza získaných dat a jejich využitelnost pro dlouhodobý provoz strojů bude do budoucna účinnou podporou každé moderní výroby.“

Ing. Josef Kopřiva z TOS Hostivař uvádí následující: „K vytvoření nadstavbového systému SMARTOS nás vedly požadavky zákazníků na větší objem informací o produktivitě stroje a možnost napojení stroje na nadřazené systémy. Systém mohou využít jak operátoři přímo na stroji, například při pravidelné údržbě, tak i vedoucí pracovníci při sledování produktivity stroje. Umožňuje také běh dalších aplikací, které mohou poskytovat doplňkové funkce a zvyšovat produktivitu.“

Tým RCMT v oblasti vývoje nadstavbových systémů a datové komunikace vede Ing. Jiří Švéda, Ph.D., který ke spolupráci říká: „Nadstavbové prostředí řídicích systémů představuje silný nástroj pro rozšiřování užitných vlastností výrobních strojů i jejich efektivní využívání a přináší výrobcům strojů další možnost, jak se odlišit od konkurence. Pro nás je vývoj těchto systémů jednou z klíčových aktivit, která umožňuje integrovat dílčí vyvíjené technologie přímo do výrobních strojů. Jsem velice rád, že se můžeme společně podílet na vývoji výše uvedených systémů.“ Jeho slova doplňuje Ing. Štěpán Fiala, Ph.D., který se v RCMT zabývá řízením dílčích projektů v oblasti vývoje nadstavbových systémů: „Z hlediska výzkumu je tvorba SW nadstaveb velmi zajímavé téma vyžadující i jistou dávku kreativity. Důležitým aspektem vývoje je nalezení platformy systému, který bude do budoucna pro průmyslového partnera vyhovující a který bude zvládat udržovat.“

Vývoj nadstavbových prostředí byl spolufinancován z projektů s veřejnou podporou TA ČR.