Модульная фабрика будущего
Фабрика будущего является предметом многочисленных исследовательских проектов в науке и промышленности. Дальновидные компании полагаются на автоматизацию, модульность, искусственный интеллект и гибкость, чтобы оставаться конкурентоспособными. Чтобы продвигать эти темы в промышленности и исследованиях, учащимся и студентам, а также сотрудникам требуются соответствующие знания для решения сложных вопросов. Именно здесь и появляется концепция обучения «Гибкое моделирование производства». Производственная модульная линия от fischertechnik моделирует такие процессы, как обеспечение качества с использованием искусственного интеллекта, функционирование беспилотных транспортных систем и воспроизводит автоматизированные процессы в небольших масштабах: от получения товаров до модульного производства и обеспечения качества. Сопутствующая дидактика переводит практические моделируемые процессы в будущие навыки для учащихся и преподавателей. Цифровой двойник модели значительно расширяет возможности учебного процесса.
Производственная модульная линия "Agile Production Simulation" является идеальной концепцией обучения для высшего образования и промышленности. Компактная учебная имитационная модель предлагает уникальную возможность сделать будущие технологии ощутимыми:
- Модульное производство.
- Цифровизация в производственной среде.
- Обеспечение качества с применением ИИ.
- Беспилотные транспортные средства.
- Цифровой двойник.
- Автоматизация и программирование ПЛК.
Состав макета
Учебная модель состоит из следующих участков:
- участок загрузки-выгрузки,
- автоматический вертикальный склад,
- участок механической обработки 1 (сверление отверстия),
- участок механической обработки 2 (фрезеровка выемок),
- участок контроля качества,
- зарядная станция.
Перемещение заготовок между участками осуществляется с помощью беспилотного транспортного средства - мобильного робота, оснащённого колёсами всенаправленного движения Mecanum, датчиками для точной стыковки с отдельными заводскими модулями и станцией зарядки. Мобильный робот получает команды на движение от центрального блока управления (промышленный стандарт VDE 5050).
Компоненты системы управления:
- Центральный контроллер Raspberry Pi 4B
- 5x ПЛК Siemens S7-1200
- 3x контроллера TXT 4.0
- Маршрутизатор WLAN
- Блок питания 24В.
ПО:
- Программы SPS (структурированный текст).
- TypeScript для Raspberry Pi.
- Node-RED для связи между SPS и контроллером TXT 4.0.
- Python для программ на контроллере TXT 4.0.
- TensorFlow для реализации ИИ.
Дополнительные материалы:
Подробное описание завода (Agile Production Simulation)
Каждая заготовка содержит NFC-метку, на которой записаны данные о производстве (цвет заготовки, время доставки, время хранения и извлечения, выполненные этапы производства, проведенный контроль качества). Заготовки разных цветов (белые, красные, синие) проходят различные производственные процессы, через разные станции завода и имеют разное время обработки.
Завод управляется центральным контроллером (Raspberry Pi 4 Model B), который подключён к сети с контроллерами отдельных модулей завода — ПЛК Siemens S7 1200. Центральный контроллер взаимодействует через стандартизированный интерфейс AGV VDA 5050 и управляет транспортными заказами для беспилотного транспортного средства, мобильного робота (AGV). Для связи используется протокол MQTT (Message Queuing Telemetry Transport).
Завод также подключён через маршрутизатор WLAN к облачному сервису fischertechnik Cloud, в котором размещён онлайн-магазин для заказа заготовок заказчиком. Кроме того, предусмотрены панели управления заказами, визуализации состояния завода и определения ключевых показателей. Для удаленного обслуживания изображения, снятые поворотной камерой, отображаются на панели управления, что позволяет удалённо контролировать состояние завода.
Основания отдельных модулей завода соединены друг с другом по принципу шип-паз, образуя единое основание. Дополнительные модули можно добавлять на открытые концы и настраивать на панели управления.
Сопутствующие дидактические материалы содержат подробное введение в управление заводом, а также обширный учебный материал. Содержание включает в себя основы Индустрии 4.0, модульное производство, интеллектуальные сети, организацию человеко-технологий, цифровые двойники, оценку данных датчиков в режиме реального времени и многое другое.
Участок загрузки-выгрузки
Здесь начинается и заканчивается материальный поток заготовки. Сырье поступает на приёмку товара, позиционируется на датчик цвета для контроля качества с помощью 6-осевого робота с вакуумным захватным устройством, а затем кодируется на NFC-считывателе. Затем робот помещает заготовку на AGV (мобильный робот) для дальнейшей транспортировки. Модуль также содержит центральный блок управления (Raspberry Pi) и датчик окружающей среды, который измеряет различные условия окружающей среды на заводе. Поворотная камера может поворачиваться по двум осям и обеспечивает обзор всего завода через панель управления fischertechnik Cloud. По окончании цикла готовая заготовка доставляется на склад отгрузки товара мобильным роботом (AGV).
Автоматический вертикальный склад
Следующим пунктом назначения для заготовки после её получения обычно является склад. Он содержит девять ячеек для заготовок, кран-штабелёр и вакуумный захват, который забирает заготовку с мобильного робота и передаёт её крану-штабелёру для хранения. Заготовка помещается в контейнер для хранения. Извлечение осуществляется по принципу FIFO (англ. first in, first out: «первым пришёл — первым ушёл»).
Участок механической обработки 1 (сверление отверстия)
Сверлильная станция состоит из док-станции для мобильного робота (AGV), вакуумного захвата, который помещает заготовку на конвейерную ленту, откуда она транспортируется под сверлильной головкой. После имитации процесса сверления заготовка транспортируется обратно к захвату на конвейерной ленте. Захват затем устанавливает её обратно на AGV.
Участок механической обработки 2 (фрезеровка выемок)
Фрезерная станция состоит из док-станции для AGV и вакуумного захвата, который устанавливает заготовку на конвейерную ленту, откуда она транспортируется под фрезерный станок. Там имитируется фрезерование двух карманов. После этого заготовка возвращается на конвейерную ленту и транспортируется обратно к захвату. Захват затем устанавливает её обратно на AGV.
Участок контроля качества
В модуле контроля качества вакуумный захват устанавливает заготовку на конвейерную ленту. Она транспортируется под камеру и сканируется. Заготовки трёх цветов (белый, красный, синий) с тремя режимами обработки (сверление, фрезерование, сверление и фрезерование), а также различные типы дефектов классифицируются с помощью обученного ИИ. В зависимости от цвета, характеристик и характера дефекта заготовки либо возвращаются на AGV как «пригодные», либо отправляются в контейнер для брака как «непригодные».
Автоматизированные управляемые транспортные средства (AGV)
Мобильный робот AGV транспортирует заготовки от одного модуля к другому. Это транспортное средство, которое движется по нанесённым на основание чёрным линиям. Для обнаружения препятствий используются ультразвуковые датчики. Транспортное средство оснащено всенаправленными колесами, что позволяет ему двигаться во всех направлениях. Две кнопки и фототранзистор помогают транспортному средству стыковаться с отдельными заводскими модулями. AGV получает команды управления движением от центрального блока управления (промышленный стандарт VDE 5050). В качестве источника питания используется аккумуляторная батарея fischertechnik 8,4 В 1800 мА·ч.
Зарядная станция
Когда аккумулятор AGV разряжается, он направляется к зарядной станции, где автоматически заряжается с помощью зарядного устройства с контролем заряда. Контакты AGV соединяются с зарядной станцией.
