Czym jest Przemysł 4.0? – część 2

Hasło „Industrie 4.0” po raz pierwszy publicznie pojawiło się już kilka lat temu – a dokładniej w 2011 roku, gdy na targach Hannover Messe kanclerz Angela Merkel mówiła o czwartej rewolucji przemysłowej. W artykule podejmujemy próbę opisu tego, czym jest owa rewolucja i jakie zmiany w przemyśle przyniesie. Tym razem odwołujemy się do koncepcji przedstawionej przez firmę Omron Electronics (poprzednia część tutaj).

Cześć 2: Automatyka maszyn jako element produkcji cyfrowej

Pierwsza rewolucja przemysłowa wniosła mechanizację do produkcji, druga wiązała się z wprowadzeniem elektryczności. W latach 70. zeszłego wieku doszło do trzeciej rewolucji, która jeszcze bardziej rozwinęła procesy produkcyjne wraz z wprowadzeniem technologii informatycznych. Pierwsze trzy rewolucje zostały zidentyfikowane już po fakcie. Teraz, po raz pierwszy, termin Industrie 4.0 opisuje rewolucję jeszcze przed jej nastaniem, tworząc bodźce dla jej wprowadzenia, a nie opisując konsekwencje.

Koncepcja Industrie 4.0 (Przemysł 4.0) ma pomóc producentom odpowiedzieć na indywidualne wymagania klientów, a także te związane z rosnącymi potrzebami zwiększonej produktywności i wydajności. Ma ona również wspierać współpracę pomiędzy ludźmi i maszynami. Czwarta rewolucja przemysłowa wpasowuje się również w model stojący za teorią SINIC (Seed-Innovation to Need-Impetus Cyclic Evolution), który prezentował na konferencji International Future Research Conference w 1970 roku Kazuma Tateishi, założyciel firmy Omron Electronics. W ramach modelu (rysunek powyżej) nauka, technologia i społeczeństwo znajdują się w cyklicznej relacji oraz wzajemnie na siebie wpływają. W przyszłości przewiduje się, że technologie automatyzujące część naszego ludzkiego intelektu i uczuć staną się podstawą dla przyszłego rozwoju. W tym społeczeństwie przyszłości ludzie i maszyny będą działali w harmonii.

Aby stawić czoła wyzwaniom, jakie niesie ze sobą ten cyfrowy przemysł przyszłości, maszyny wytwarza się z użyciem technologii opartych na zastosowaniu w pełni skalowalnych, coraz częściej otwartych rozwiązań z zakresu automatyzacji. Cyfryzacja zaś dotyczy całego cyklu życia tych produktów.

Przegląd inicjatyw na świecie

Cyfryzacja będzie miała wpływ na całe środowisko biznesowe. Już teraz dostrzega się wiele zmian w biznesie – przykładowo smartfony i informatyzacja zmieniły dotychczasowe strategie biznesowe, zapewniając ogromny potencjał w zakresie redukcji kosztów. Na cyfryzacji przemysłu koncentruje się kilka stowarzyszeń i inicjatyw na całym świecie.

Oto najważniejsze z inicjatyw:

• Industrie 4.0 (Niemcy) – platforma łącząca przedstawicieli z różnych obszarów, m.in. przemysłu, polityki, biznesu i R&D, której celem jest standaryzacja i normalizacja, zwiększanie bezpieczeństwa systemów sieciowych, tworzenie ram prawnych, promocja badań i innowacyjności,
• Made in China 2025 (Chiny) – dzięki m.in. wdrażaniu założeń Przemysłu 4.0 Chiny chcą, w ramach planu dziesięcioletniego, rozwijać innowacyjną gospodarkę,
• Industrial Internet Consortium (IIC) (USA) – jego zadaniem jest m.in. promowanie rozwiązań z zakresu Internetu Przemysłowego, wymiana najlepszych praktyk pomiędzy jej członkami i definiowanie standardów do wymiany danych w zakładzie,
• Smart Manufacturing Leadership Coalition (USA),
• Robot Revolution Initiative (RRI) (Japonia),
• Industrial Value Chain Initiative (IVI) (Japonia).

W Niemczech koncepcja Industrie 4.0 zyskała silne wsparcie ze strony rządu oraz głównych stowarzyszeń przemysłowych (ZVEI, VDMA i BITKOM), jak również uniwersyteckich. Inne inicjatywy przyjmują odmienne podejście do cyfryzacji i opierają się na nieco innych założeniach. Aby móc ocenić wpływ każdej inicjatywy i przyszłe konsekwencje, należy zrozumieć czynniki na nie wpływające. Poniższe informacje odnoszą się głównie do podejścia zgodnego z Industrie 4.0.

Cztery rewolucje przemysłowe

Pierwsza rewolucja przemysłowa zakończyła się wprowadzeniem procesów wspieranych mechanicznie w przemyśle. Podczas drugiej produktywność w naszych fabrykach dramatycznie zwiększyło wprowadzenie energii elektrycznej. W latach 70. XX wieku rozwój technologii informatycznych i automatyzacji fabryk nadał pęd trzeciej rewolucji.

Czwartą rewolucję przemysłową (Przemysł 4.0) charakteryzuje zbieżność świata fizycznego i wirtualnego (cyberprzestrzeni) w postaci systemów cyberfizycznych (CPS). Co więcej – ta ostatnia rewolucja niesie ze sobą potencjał dla ogromnych zmian. Wraz z nią i geometrycznym wzrostem przetwarzania danych, tradycyjne prawo Moore’a przestaje być aktualne. Jednocześnie ogrom przyszłych potrzeb można sobie wyobrazić spoglądając na wykładniczy wzrost liczby połączonych ze sobą rzeczy. Omawiany rozwój wymusza na wszystkich członkach łańcucha dostaw zmiany oraz konieczność podjęcia bliższej współpracy z partnerami.

Przekaźnik – prosty przykład, istotne znaczenie

Industrie 4.0 traktowane jest często jako pojęcie abstrakcyjne, stąd też najlepiej omówić jej podstawy na przykładzie. Weźmy jako przykład obiekt, który udostępnia swoja reprezentację wirtualną w systemie IT. Takim może być prosty przekaźnik wyprodukowany w ramach w pełni monitorowanego procesu produkcyjnego. Jeśli powiążemy go z unikatowym numerem seryjnym i utworzymy dla niego kod QR, kod ten będzie mógł posłużyć do zidentyfikowania owego elementu. Zeskanowanie kodu umożliwi uzyskanie informacji o miejscu, czasie i sposobie produkcji oraz o drodze, jaką przebył on do urządzenia końcowego (śledzenie genealogii produktu).

Przekaźnik będzie można wykorzystać w całkowicie cyfrowej linii produkcyjnej, gdzie jego kod będzie skanowany po zainstalowaniu w szafie elektrycznej. Jego czas pracy, specyfikacja i źródło pochodzenia będą wówczas dostępne w systemie. Ponadto system kontrolny będzie mógł rejestrować jego działanie, tak aby przewidzieć pozostały czas eksploatacji przekaźnika (predictive maintenance). Kiedy prognoza ta wskaże zwiększone ryzyko awarii, system będzie mógł automatycznie zamówić urządzenie zastępcze. Nowy przekaźnik będzie można zainstalować w trakcie najbliższej konserwacji maszyny, unikając zbędnego przestoju i strat w produkcji w razie awarii.

Powyższy przekaźnik w połączeniu z jego cyfrową, wirtualną reprezentacją można uznać za prosty system cyberfizyczny (CPS) stanowiący jeden z podstawowych elementów koncepcji Industrie 4.0. Jest to wirtualna reprezentacja urządzenia fizycznego (elementu koncepcji Przemysł 4.0). Takie elementy można zagnieżdżać w bardziej złożonych elementach wysokiego poziomu – na przykład odwzorowaniu maszyny lub linii produkcyjnej. Jest to analogiczne do fizycznych, hierarchicznych systemów tworzonych przez maszyny, linie produkcyjne i całe zakłady przemysłowe.

Siłą cyfryzacji nie są dane same w sobie, komunikacja czy możliwości obliczeniowe danego urządzenia. Prawdziwa wartość wywodzi się z ich zastosowania w procesie zwiększania możliwości obiektu, maszyny czy zakładu. W ramach CPS połączenie elementów cybernetycznych i fizycznych pozwala przekształcić produkt w produkt inteligentny – ma on dodatkowe funkcje w ramach systemu czy też Internetu rzeczy.

W podobny sposób w ramach Internetu usług duże ilości danych można przetwarzać autonomicznie w celu zapewnienia lepszych i bardziej użytecznych usług – inteligentnych. Przykłady takich usług inteligentnych obejmują konserwację prewencyjną i predykcyjną, której realizację umożliwia przetwarzanie dużych ilości danych pochodzących z pracujących urządzeń i maszyn.

Droga do cyfryzacji

Proces cyfryzacji będzie miał wpływ na każdą część organizacji. Niecałe trzy lata temu firma PricewaterhouseCoopers we współpracy ze stowarzyszeniem VDMA i kilkoma partnerami z branży opublikowała ankietę dotyczącą wyzwań oraz możliwości związanych z rozwojem Internetu przemysłowego. Jej wyniki wskazują wyraźnie poziom zaangażowania wymaganego od organizacji przemysłowych do prawidłowego wdrożenia cyfrowej transformacji. Pokazują również, jak bardzo zadowolenie przyszłych klientów i sukces firm wiążą się z tym procesem transformacji. Wymaga to przyrostowego i ustrukturyzowanego podejścia do problemu cyfryzacji, gdzie strategia produkcyjna i infrastruktura firmowa muszą być odpowiednio przekształcone.

Wprowadzenie Internetu rzeczy i usług do środowiska produkcyjnego zwiastuje czwartą rewolucję przemysłową. Przedsiębiorstwa utworzą w przyszłości sieci globalne, które obejmą ich maszyny, systemy magazynowe i zakłady produkcyjne w postaci systemów cyberfizycznych. W środowisku produkcyjnym te systemy cyberfizyczne obejmą maszyny inteligentne, systemy składowania i zakłady produkcyjne zdolne do autonomicznej wymiany informacji, inicjowania działań i wzajemnej niezależnej kontroli. Uprości to podstawowe usprawnienia procesów przemysłowych związanych z produkcją, inżynierią, stosowaniem materiałów, łańcuchem zaopatrzenia oraz zarządzaniem cyklem życia. Pojawiające się już dziś inteligentne fabryki stosują całkowicie nowe podejście do koncepcji produkcji. Inteligentne produkty można jednoznacznie identyfikować; można także stale je lokalizować i śledzić ich historię oraz bieżący stan i alternatywne drogi prowadzące do osiągnięcia stanu docelowego. Zintegrowane systemy produkcyjne są usieciowione wertykalnie z procesami biznesowymi w fabrykach i przedsiębiorstwach oraz połączone horyzontalnie z sieciami o wartości rozproszonej, którymi można zarządzać w czasie rzeczywistym – od momentu złożenia zamówienia po logistykę

Raport grupy roboczej Industrie 4.0

Aby można było pomyślnie przeprowadzić transformację, w środowisku biznesowym musi dojść do szeregu zmian, w szczególności po to, by zapewnić efektywną integrację istotnych partnerów biznesowych. Sieć i współpraca partnerów jest tu istotnym warunkiem sukcesu. Jednocześnie w fabrykach wymagana jest pionowa integracja komunikacji, co pozwoli na zarządzanie dostępnymi zasobami i ważnymi danymi. Integracja wertykalna jest możliwa dzięki infrastrukturze zapewniającej komunikację od poziomu produkcji do obszaru zarządzania.

Prawidłowa strategia cyfryzacji powinna definiować wszystkie główne obszary usprawnień i obejmować takie obszary jak:

• zapewnienie tzw. mass customization, czyli produkcji masowej z jednoczesnymi szybkimi zmianami parametrów procesów produkcji,
• śledzenia cyklu życia i serializacji pojedynczego produktu,
• zwiększony poziom bezpieczeństwa,
• zarządzanie w obliczu mniejszych zasobów pracowniczych,
• interakcja maszyn,
• szybkie projektowanie i instalacja oraz redukcja przestojów w procesach produkcyjnych,
• optymalizacja wykorzystania przez monitorowanie stanu oraz predykcyjne utrzymanie ruchu.

Standaryzacja w ramach technologii automatyzacji

Jedną z prób standaryzacji było opracowanie w 2015 roku koncepcji Reference Architecture Model for Industry 4.0 (RAMI 4.0). Celem było zdefiniowania modelu obejmującego całe przedsiębiorstwo, aż do poziomu pojedynczego urządzenia. Model ten obejmuje różne aspekty cyfrowego systemu produkcyjnego, przy czym ma trzy osie-wymiary:

• Oś warstw – skład strukturalny właściwości linii lub maszyny jest definiowany przez sześć warstw;
• Oś poziomów hierarchii – powiązana jest z poziomami hierarchii IEC 62264 oraz IEC 61512 i reprezentuje funkcjonalność w ramach zakładu lub przedsiębiorstwa. Aby uzyskać obraz całościowy, dodano „produkt” i „połączony świat”;
• Oś cyklu życia i strumienia wartości – reprezentuje cały cykl życia produktów lub zakładów i opiera się na normie IEC 62890. Została zmieniona przez definicję „typów” i „instancji” w celu umożliwienia w pełni skalowalnego zastosowania koncepcji „elementu Industrie 4.0”.

Pełna architektura RAMI 4.0 jest bardzo potężna i rozległa, a większość firm nie może działać w obrębie całości. Poszczególni uczestnicy rynku muszą nawiązywać relacje partnerskie, aby osiągnąć pełne pokrycie. W przypadku firmy Omron specjalizacja dotyczy automatyzacji maszyn wraz z zapewnianiem ich bezpieczeństwa oraz robotyzacją. Maszyny uznaje się za rdzeń produkcji i w związku z tym systemy umożliwiające pracę maszyn są głównymi elementami stosowania inteligentnych danych w produkcji.

Patrząc z punktu widzenia dostawcy technologii

Dzisiaj czołowi dostawcy automatyki tworzą oferty tak, aby obejmowały one kompleksową gamę produktów do automatyzacji maszyn – obejmującą zarówno platformy sprzętowe oraz programowe. Przykład przedstawiono na rysunku poniżej. Znajdują się na nim m.in.:

• Elementy wejściowe: czujniki zbliżeniowe, urządzenia fotoelektryczne, pomiarowe, wizyjne;
• Urządzenia logiczne: w skalowalna platforma sterowania wraz z Motion Control;
• Urządzenia wykonawcze: przemienniki częstotliwości, serwonapędy, aparatura niskiego napięcia;
• Bezpieczeństwo: komponenty i systemy bezpieczeństwa maszyn;
• Robotyka: choć brak ich na ilustracji, to można tu dodać roboty różnego typu – w tym pojazdy AGV.

Rozwiązania takie pozwalają na wydajne i niezawodne korzystanie z wymiany danych w procesie tworzenia inteligentnych systemów oraz komunikację w ramach Internetu rzeczy.

W cyfrowym środowisku produkcyjnym istotne znaczenie ma wertykalna wymiana danych między czujnikami a maszyną. Równie ważne jak integracja wertykalna jest wdrożenie integracji horyzontalnej w całym zakładzie, co wspierane jest przez komunikację sieciową i wymianę danych – np. z systemami bazodanowymi.

Podsumowanie

Czwarta rewolucja przemysłowa dopiero się rozpoczyna. Skalowalność technologii cyfrowej w połączeniu z rozproszoną inteligencją korzystającą z wielu źródeł danych niesie z sobą wielki potencjał. Warto jednak zaznaczyć, że droga do realizacji omawianych planów nie jest szybka. Platforma Industrie 4.0 poinformowała, że w pełni cyfrowe przedsiębiorstwo prawdopodobnie nie powstanie przed 2030 rokiem, pomimo że dostępnych jest już wiele technologii tworzenia i wykorzystywania produkcji cyfrowej. Natomiast nie zmienia to faktu, że cyfryzacja produkcji jest konieczna i firmy powinny stopniowo wdrażać rozwiązania z tego zakresu. Jest to dzisiaj główna droga do zwiększania wartości dodanej dla klientów i pozostawania konkurencyjnym na rynku.

Artykuł powstał na bazie publikacji firmy Omron Electronics. Przemysł 4.0.

Wykorzystane źródła i polecane miejsca w Internecie

• Ralf T. Kreutzer, Karl-Heinz Land (Digital Darwinism, Springer, Wiesbaden ISBN 978-3-642-54400-2, 2013
• Industrie 4.0, Opportunities and challenges of the Industrial Internet , PricewaterhouseCoopers AG, Munich, 2014
• Platform Industrie 4.0, Umsetzungsstrategie Industrie 4.0 , Ergebnisbericht der Plattform Industrie 4.0, 2015
• Karl-Heinz Streibich, The digital enterprise, Software AG, Darmstadt ISBN 978-0-09897564-0-2, 2014
• Factsheet_Industrie_40_RAMI-40_Eng_04_2015, ZVEI 60528 Frankfurt a. M.
• http://iiconsortium.org/
• www.plattform-i40.de
• www.zvei.org/en/
• www.vdma.org/en/