Cyfrowa fabryka

Na wstępie warto jest odpowiedzieć na pytanie, czym właściwie jest cyfrowa fabryka (Digital Factory, Smart Factory). Według jednej z obowiązujących definicji jest to zakład, który dzięki wdrożonym w nim rozwiązaniom technologicznym, które na wielu poziomach i w różnym stopniu ze sobą współpracują, stanowi elastyczny system mogący w znaczącym zakresie autonomicznie optymalizować swoje funkcjonowanie i samodzielnie zarządzać procesami produkcyjnymi, dostosowując się w ten sposób do zmieniających się warunków i wymagań.

DANE NAPĘDZAJĄ SMART FACTORY

Innymi słowy cyfrowa fabryka stanowi wysoce zdigitalizowane i skomunikowane środowisko, w którym maszyny, i inne wyposażenie są w stanie usprawniać procesy poprzez automatyzację i samooptymalizację. Dotyczy to zarówno zadań produkcyjnych, jak i innych dziedzin, takich jak planowanie, logistyka łańcucha dostaw, a nawet rozwój nowych produktów.

Jest to możliwe przede wszystkim dzięki temu, że zintegrowane wyposażenie cyfrowych fabryk wymienia się danymi. Można nawet zaryzykować stwierdzenie, że to one są największą siłą napędową inteligentnych zakładów produkcyjnych – bez dostępu do informacji nie ma w ogóle mowy o osiągnięciu stawianych im celów. Dlatego nieodzownym elementem smart fabryk są rozwiązania, które umożliwiają rejestrowanie oraz zbieranie danych o przebiegu produkcji oraz stanie maszyn i wyposażenia.

OD IIOT DO AI

W tym zakresie wykorzystuje się smart czujniki oraz Przemysłowy Internet Rzeczy (Industrial Internet of Things, IIoT). Same dane oczywiście nie wystarczą. Żeby były użyteczne, powinny jeszcze zostać właściwie zinterpretowane.

Informacje, które są generowane w cyfrowych fabrykach, są pod wieloma względami specyficzne. Oprócz ogromnych ilości, w jakich są dostarczane, dużej szybkości napływu, która może także dodatkowo podlegać okresowym wahaniom i dużej oczekiwanej szybkości ich przetwarzania, charakteryzuje je również różnorodność źródeł i formatów.

Dlatego, w zależności od stopnia zdigitalizowania procesów produkcyjnych w danym zakładzie, nierzadko można je zaliczyć do kategorii Big Data. W związku z tym ich analiza wymaga specjalnych rozwiązań wykraczających poza tradycyjne metody. Trzeba zatem sięgnąć po takie technologie, jak sztuczna inteligencja (Artificial Intelligence, AI) czy chmura obliczeniowa (Cloud Computing).

CZYM SĄ SMART SENSORS?

Czujniki od zawsze były nieodłącznymi elementami linii produkcyjnych. "Zwykłe" czujniki w erze Przemysłu 4.0 okazują się jednak nie wystarczać – dlatego w cyfrowych fabrykach upowszechniają się wersje smart. Stanowią one zintegrowane jednostki zawierające element pomiarowy, blok wstępnego przetwarzania wyników pomiarów oraz nadajnik wysyłający odczyty do jednostki nadrzędnej. W inteligentne czujniki wyposażane są nowe urządzenia, które dzięki temu są fabrycznie przygotowane do podłączenia do sieci Internetu Rzeczy. Starsze natomiast są wyposażane w specjalne moduły pomiarowo-komunikacyjne.

Dostępność mocy obliczeniowej do przeprowadzania obliczeń na zmierzonych danych lokalnie, w czujniku oraz możliwość ich zdalnego odczytu dzięki modułowi komunikacyjnemu to niejedyne cechy smart sensorów. Dzięki postępowi w zakresie miniaturyzacji, możliwej przede wszystkim dzięki technologii MEMS, smart czujniki stały się alternatywą dla tradycyjnych sensorów tam, gdzie montaż tych drugich, ze względu na ich rozmiary, byłby niemożliwy. Warto także dodać, że bez postępów w zakresie technologii MEMS koncepcja Internetu Rzeczy, a w tym IIoT, nie byłaby możliwa do zrealizowania ze względu na koszty.

5G w smart fabryce firmy Rittal

W 2019 roku firma Rittal uruchomiła produkcję w zakładzie przemysłowym w niemieckim Haiger. W fabryce produkowane są nowe serie obudów sterowniczych i małogabarytowych. W zakładzie, którego budowa kosztowała 250 milionów euro, wdrożono szereg rozwiązań z dziedziny Przemysłu 4.0. Park maszynowy w Haiger w znacznym stopniu samodzielnie się konfiguruje, w zależności od wytwarzanych przedmiotów lub podzespołów. Maszyny i systemy transportu komunikują się ze sobą oraz z systemami nadrzędnymi. Transport wewnętrzny, pakowanie, oznakowanie, dalszy transport do dystrybucji są całkowicie zautomatyzowane.

Kolejną nowością w niemieckim zakładzie firmy Rittal ma być prywatna sieć komórkowa 5G, która ma zostać uruchomiona jeszcze w tym roku. Ma ona znacznie przyspieszyć i uprościć przepływ danych oraz być pomocna przy wdrażaniu analiz, które pozwolą przewidzieć i wskazać konieczność wykonania ewentualnych napraw i konserwacji urządzeń produkcyjnych oraz umożliwią optymalizację procesów produkcyjnych.

INTELIGENTNE CZUJNIKI – PRZYKŁADY APLIKACJI W SMART FABRYKACH

Zastosowań dla inteligentnych czujników i IIoT w zakładach produkcyjnych nie brakuje. Jednym z nich jest predykcyjne utrzymanie ruchu. Polega ono na ciągłym monitorowaniu stanu urządzenia w celu natychmiastowego wykrycia ewentualnych niepokojących objawów. Pozwala to na podjęcie interwencji, jak tylko pojawią się pierwsze oznaki zbliżającej się awarii, ale zanim do niej dojdzie.

Jest to moment optymalny. Oznacza to, że działania nie są przeprowadzane na zapas, jak w metodzie prewencyjnej, ani już po fakcie, jak w metodzie reakcyjnej, więc szkodom można zapobiec. Dzięki temu predykcyjne utrzymanie ruchu ma wiele zalet w porównaniu z innymi strategiami utrzymania ruchu.

Ponieważ praca urządzeń jest monitorowana bez konieczności ich wyłączania, zapobiega się niespodziewanym przestojom będącym wadą podejścia reakcyjnego i planowanym przerwom. Te drugie występują w czasie okresowych przeglądów prewencyjnych. Trudność sprawia dobór ich optymalnych odstępów – jeśli będą zbyt częste, mogą przynieść więcej strat niż oszczędności z powodu kosztownych przerw w produkcji i zaangażowania personelu. Zbyt rzadkie natomiast mijają się z celem, jeśli między przeglądami stan maszyn pogorszy się w takim stopniu, że się zepsują.

Predykcja wydłuża żywotność urządzeń. Dodatkową korzyścią płynącą z ciągłego monitorowania pracy maszyn w razie archiwizowania pozyskanych w ten sposób danych jest możliwość tworzenia obszernej bazy wiedzy na ich temat. Informacje te mogą się przydać w przyszłości w odniesieniu do nich albo innych podobnych.

Marek Falkowski

Elmark Automatyka

Czy koncepcje Przemysłu 4.0 są rzeczywistością, czy raczej ciągle mówi się o nich w czasie przyszłym?

Choć dla niektórych pojęcie Przemysł 4.0 może być tylko marketingowym sloganem, to niezaprzeczalnym faktem jest to, że nasze otoczenie się zmienia. Na początku była era mechanizacji, potem elektryfikacji, era automatyzacji produkcji zyskała określenie Przemysłu 3.0. Obecnie modne hasło czwartej rewolucji przemysłowej określa czasy, w których głównym motorem zmian jest wiedza, sprawdzona informacja, którą uzyskujemy z rzetelnych danych zapewnionych przez zautomatyzowane i zrobotyzowane systemy.

Większość przedsiębiorstw produkcyjnych nie jest jednak dzisiaj gotowa, aby przystąpić do realizacji założeń Przemysłu 4.0 – nie mają bowiem dostępu do sprawdzonych danych, które mają być podstawą kluczowych informacji wykorzystanych do efektywnego zarządzania produkcją. Wiele firm, w których poziom automatyzacji i robotyzacji jest dość zaawansowany, boryka się z problemem dostępności do danych – często wdrożone systemy i rozwiązania nie są ze sobą zintegrowane.

Jak zatem definiujecie Przemysł 4.0? Jakie są jego elementy i co zapewniają?

Zdefiniowaliśmy sobie, że Przemysł 4.0 to określenie etapu dziejowego, w którym obecnie się znajdujemy. Transformacja cyfrowa i IIoT to z kolei mechanizmy, procesy, które pozwalają nam realizować założenia tej epoki, czyli wykorzystywania informacji z danych udostępnianych przez maszyny i systemy produkcyjne. Cyfryzacja biznesu to próba wyeliminowania papieru, przeniesienie danych do formy cyfrowej – tak by były one dostępne w czasie rzeczywistym oraz w ujednolicony sposób. Z kolei rozwój technologii IIoT umożliwia szybki i tani dostęp do danych. Za ideą IIoT kryje się możliwość pozyskania informacji, jakich potrzebuje indywidualny użytkownik w organizacji w dowolnym momencie. Najlepszym przykładem z życia codziennego może być nasz smartfon – wszystko, czego potrzebujemy, mamy przy sobie i jest to ciągle dostępne – możemy zadzwonić, zapłacić rachunki, sprawdzić pocztę. IIoT daje nam możliwość realizacji tej samej koncepcji – tyle że w wydaniu przemysłowym. W Przemyśle 3.0 decyzje są podejmowane na podstawie raportów, zestawień, informacji które bazują na przeszłości – obecnie mamy możliwość uzyskania informacji, jakich potrzebujemy, w dowolnym miejscu i czasie.

W Elmark Automatyka na co dzień mamy styczność z najnowocześniejszymi technologiami z obszaru automatyki przemysłowej i robotyki, testujemy je i sprawdzamy ich przydatność w praktyce. Znamy realia polskiego przemysłu, na rynku automatyki działamy od ponad 30 lat. Nie tylko pomagamy na etapie projektu i wyboru rozwiązania, ale także na etapie uruchomienia i wdrożenia. Postępu technologicznego nie da się zatrzymać, rewolucja przemysłowa trwa. Jedyną szansą na rozwój biznesu jest adaptacja i optymalne wykorzystanie dostępnych nowych technologii w celu usprawnienia kluczowych procesów operacyjnych.

SMART SENSORS I TEMATYKA BHP

Dzięki smart czujnikom i rozwiązaniom wearable, czyli elektronice noszonej, otworzą się również nowe możliwości w zakresie ochrony pracowników w miejscu pracy oraz usprawnienia ich pracy. Potencjał tej drugiej w zastosowaniach konsumenckich jest ogromny – wystarczy wspomnieć o stale zyskujących na popularności urządzeniach noszonych do pomiaru aktywności fizycznej i parametrów życiowych w zastosowaniach medycznych. Wiele z nich może również znaleźć zastosowanie w przemyśle, oczywiście z uwzględnieniem jego specyficznych wymagań.

Do zadania poprawy bezpieczeństwa na stanowiskach pracy dzięki elektronice noszonej można podejść na kilka sposobów. Przykładowo akcesoria do noszenia i elementy ubrań, takie jak m.in. opaski na rękę, odzież roboczą z wszytymi czujnikami i wyświetlaczami, nakrycia głowy, rękawice czy okulary, można wykorzystać do przedstawienia użytkownikom informacji o zagrożeniach, takich jak na przykład gorące powierzchnie, dzięki wbudowaniu kamery termowizyjnej w kask.

PRZEMYSŁOWA ELEKTRONIKA NOSZONA

Kolejny przykład to rękawice z wbudowanymi czujnikami chemicznymi, zmieniające kolor w kontakcie z toksyczną substancją, czy opaska na rękę, która na przykład dźwiękowo sygnalizuje zbliżenie się do maszyny, która się zepsuła lub wkroczenie do strefy niebezpiecznej, na przykład podejście zbyt blisko niebezpiecznego urządzenia albo znalezienie się na trasie przejazdu wózka widłowego.

Oprócz tego elektronika noszona może być, podobnie jak ta konsumencka, wykorzystywana do monitorowania parametrów życiowych pracowników. Zapobiega to wypadkom w miejscu pracy w razie na przykład omdlenia i pozwala wykryć pogorszenie się warunków na nim panujących, na przykład zmniejszenie dopływu powietrza lub wzrost stężenia gazów utrudniających oddychanie.

Przemysłowa elektronika noszona znacznie różni się od produktów konsumenckich, mając więcej wspólnego z tymi używanymi przez wojsko. Poza tym, że z oczywistych powodów powinna być odporniejsza na różne trudne warunki środowiskowe, nie może rozpraszać osoby, która z niej korzysta, nie może hamować jej ruchów ani zasłaniać widoku. Informacje przekazywane za pośrednictwem przemysłowej elektroniki noszonej powinny być również w miarę zwięzłe oraz przydatne, tak aby nie absorbować zbytnio pracownika i muszą być na bieżąco aktualizowane.

Urszula Bizoń-Żaba

COPA-DATA Polska

Czy wdrażanie nowoczesnych rozwiązań IT oraz informatycznych i zmiany procesów produkcyjnych są dzisiaj dla wszystkich wymogiem, aby być na rynku konkurencyjnym, czy raczej dotyczy to tylko największych firm produkcyjnych?

O wykorzystaniu technologii IT w przemyśle mówi się już od kilku lat. Temat wciąż jest gorący i cały czas pojawiają się inspiracje, jak tanio i szybko wdrożyć te rozwiązania, aby cieszyć się licznymi korzyściami. Śledząc realizacje w kolejnych zakładach produkcyjnych zarówno małych, jak i dużych, widzimy wyraźnie, że zdecydowana większość z nich zawiera elementy Przemysłu 4.0, co potwierdza, że nie jest to już tylko trend, ale powszechna praktyka, która z pewnością za parę lat przekształci się w konieczność, gdyż tylko zastosowanie nowoczesnych rozwiązań opartych na modelu Smart Factory pozwala na uzyskanie elastycznej produkcji, niskiego kosztu wytworzenia produktu o wysokiej jakości, co pozwala być konkurencyjnym w dobie ostrej rywalizacji o klienta. Ponadto nowoczesne fabryki są bardziej ekologiczne, gdyż optymalizują procesy produkcji oraz efektywnie zarządzają energią. Nie bez znaczenia jest również fakt, że zastosowanie nowoczesnych rozwiązań IT/OT, takich jak zenon Software Platform, pomaga zabezpieczyć dane i skutecznie uchronić się przed wyciekiem informacji bądź atakiem hakerskim.

Co jest główną przeszkodą we wdrażaniu zintegrowanych rozwiązań z zakresu automatyki oraz IT?

Nasi klienci jako główną przeszkodę we wdrażaniu zintegrowanych rozwiązań Przemysłu 4.0 wskazują duży koszt, który wynika przede wszystkim z konieczności wymiany przestarzałego sprzętu, w tym linii produkcyjnych. Znajdujący się w zakładach złożony, kompletny park maszynowy jest bardzo kosztowny i rzadko się go wymienia. Jednak w wyniku wprowadzania zmian związanych z cyfryzacją, firma może być zmuszona do stopniowego wycofywania starego sprzętu i nabywania nowych maszyn zgodnych z technologią inteligentnej fabryki. Nie jest to problem, który nie może być rozwiązany. Dzięki zastosowaniu oprogramowania takiego jak oferowany przez nas zenon proces wymiany infrastruktury można opóźnić, a kosztowną inwestycję zaplanować i rozłożyć w czasie.

Jest to możliwe dzięki różnorodnym protokołom i driverom, ponieważ dzięki nim zenon jest w stanie skomunikować wszystkie maszyny ze sobą, pobierać dane w czasie rzeczywistym, a następnie na ich podstawie przygotować przydatne biznesowo raporty oceniające stan produkcji i na koniec udostępnić wszystko w chmurze.

KOMUNIKACJA W SIECIACH IIOT

Gdy chodzi o łączność w sieciach Przemysłowego Internetu Rzeczy, najważniejsze kwestie przy wyborze konkretnego rozwiązania w tym zakresie to: zasięg – na przykład krótki pozwala na terytorialne ograniczenie dostępu do sieci, co istotne ze względów bezpieczeństwa, szybkość transmisji, ilość przesyłanych danych – należy unikać sytuacji, w których informacje kontrolne zajmowałyby więcej miejsca w ramce niż główna informacja (na przykład wynik pomiaru), gdyż taka nieefektywność spowalnia transmisję i sytuacji odwrotnych, gdy dane trzeba dzielić na części przesyłane oddzielnie, co z kolei jest przyczyną opóźnień, bezpieczeństwo komunikacji, pobór mocy, interoperacyjność i skalowalność (możliwość powiększania sieci o kolejne węzły bez pogarszania się dotychczasowej jakości transmisji).

W zakresie łączności w sieciach IIoT korzysta się z komunikacji przewodowej i bezprzewodowej. Zaletą drugiej jest łatwość i zwykle niższy koszt wdrożenia, dzięki temu, że można zorganizować sieć przy minimalnej ingerencji w otoczenie i doprowadzić ją w miejsca trudno dostępne.

W sieciach przewodowych dominuje Ethernet. Przykładem bezprzewodowych są z kolei sieci ZigBee, które charakteryzuje: mały pobór energii, niewielkie przepływności (do 250 kb/s) oraz zasięg pomiędzy węzłami do 100 metrów. Lokalne sieci Internetu Rzeczy, na przykład w obrębie fabryki, w których niskie zużycie energii ani duży zasięg nie są priorytetami, opierają się często na standardzie Wi-Fi.

Tomasz Bzdęga

MPL System

Jakie są zmiany w rozwiązaniach automatyki wspierające implementację Przemysłu 4.0? Co mogą zaoferować dostawcy automatyki i oprogramowania przemysłowego w omawianym obszarze?

Przemysł 4.0 to przede wszystkim sprawna i szybka wymiana oraz analiza dużych ilości danych. Zastosowanie w Fabryce Przyszłości rozwiązań takich jak inteligentne czujniki i mierniki mediów, systemy wizyjne czy napędy z autodiagnostyką ma sens wyłącznie wtedy, gdy będziemy w stanie sprawnie przesłać oraz odpowiednio przeanalizować otrzymane informacje.

Niezbędna jest więc implementacja w urządzeniach automatyki interfejsów szybkiej i uniwersalnej komunikacji sieciowej. Biorąc pod uwagę różnorodność stosowanych urządzeń, istotna staje się potrzeba wyboru optymalnego standardu komunikacyjnego lub łączenia różnych standardów w ramach jednego systemu. Kluczowa jest kwestia analizy odczytanych danych. Popularyzacj

Jak wygląda obecny stopień wykorzystania rozwiązań Przemysłu 4.0 u nas w kraju?

Pomimo że pojęcie Przemysłu 4.0 funkcjonuje już od blisko dziesięciu lat, nadal znajdujemy się na początku drogi do Fabryki Przyszłości. Niewiele przedsiębiorstw może pochwalić się stosowaniem kompleksowych rozwiązań w tej dziedzinie, a większość z nich wciąż jest na etapie modernizacji w zakresie automatyzacji i robotyzacji produkcji, która dopiero w kolejnym kroku umożliwi aplikacje systemów śledzenia i analizy danych produkcyjnych. Na razie tylko najwięksi pracują nad kompleksową strategią cyfryzacji swoich zakładów.

Jakie rozwiązania są popularne? Jakie są powody ich wdrażania oraz przeszkody w innowacyjności?

W chwili obecnej największą popularnością cieszą się rozwiązania z zakresu predykcyjnego utrzymania ruchu oraz kontroli jakości produktu, jako że przynoszą najszybszy, najbardziej namacalny zwrot z inwestycji. Decydują się na nie przy tym raczej duże przedsiębiorstwa, które dysponują większymi środkami finansowymi.

Największe, moim zdaniem, przeszkody w osiągnięciu wyższego poziomu cyfryzacji produkcji to brak pewności co do osiągnięcia zamierzonych korzyści względem wysokości poniesionych nakładów, obawy o cyberbezpieczeństwo oraz brak odpowiedniej kadry technicznej. Myślę jednak, że rosnąca presja optymalizacji kosztów oraz zwiększania elastyczności produkcji będzie stymulowała pokonywanie kolejnych barier we wdrażaniu rozwiązań zgodnych z ideą Przemysłu 4.0.

PRZEGLĄD SIECI DLA IIOT

Wśród sieci bezprzewodowych coraz większą popularność zyskują sieci LPWAN (Low Power Wide Area Networks). Ich ważne cechy to: duży zasięg transmisji (do kilku kilometrów), mała przepływność, niski pobór mocy i prostota, obniżająca koszt realizacji. Są one istotne m.in. w przypadku czujników zasilanych bateryjnie, które są wbudowywane na przykład w elementy infrastruktury, do których dostęp jest utrudniony. Przykładami sieci LPWAN są działające w nielicencjonowanym paśmie częstotliwości LoRa oraz SigFox.

Z kolei operatorzy sieci komórkowych, wychodząc naprzeciw rosnącym potrzebom w dziedzinie Internetu Rzeczy, w tym jego przemysłowej wersji, rozwijają dwa nowe standardy sieci LPWAN. Są to: LTE-M, który wyróżnia szybkość transmisji (około 1 Mb/s), zasięg, możliwość transmisji głosu, energooszczędność (10 lat pracy urządzenia na jednej baterii) oraz Narrowband-IoT (NB-IoT).

Ten drugi zapewnia porównywalnie niskie zużycie energii, obsługę dużej liczby połączeń, które przypadają na jedną stację bazową i bardzo dobry zasięg w pomieszczeniach, w sieciach NB-IoT zagwarantowana jest bowiem łączność przy sygnale ze stacji bazowej na poziomie aż o do 20 dB niższym niż w sieciach 2G.

5G W SMART FABRYKACH

Nowością są sieci 5G, które początkowo będąc rozszerzeniem sieci 4G, mają potencjał, żeby w przyszłości całkiem je zastąpić. Nie będzie to jednak typowa dla kolejnych generacji sieci komórkowych ewolucja, ale rewolucja, która pozwoli na rozwój nowych aplikacji i modeli biznesowych. Umożliwią ją parametry transmisji w sieciach 5G, które mają być docelowo nieporównywalnie lepsze niż w 4G.

Średnie prędkości transmisji w już działających sieciach 5G sięgają w niektórych krajach 250 Mb/s, przy szczytowych wartościach przekraczających 500 Mb/ s. Dla porównania w sieciach 4G średnia prędkość transmisji wynosi 20‒30 Mb/s. A trzeba pamiętać, że to dopiero początek – docelowo w sieciach 5G ma to być co najmniej 10 Gb/s.

Jeżeli chodzi o opóźnienia transmisji, w przypadku sieci piątej generacji zapowiadana wartość to 1 ms, czyli kilkadziesiąt razy krócej niż w sieciach 4G. Sieci 5G powinny być w stanie obsługiwać znacznie więcej podłączonych urządzeń niż sieci LTE. Docelowo ich liczba ma sięgać miliona urządzeń na kilometr kwadratowy.

Prywatne sieci 5G są przyszłością komunikacji w cyfrowych zakładach produkcyjnych – dzięki parametrom transmisji, jakie mają być w nich osiągalne, będzie można w pełni wykorzystać potencjał technologii Przemysłu 4.0. Pierwsze ich wdrożenia w tym zastosowaniu są już realizowane – przykładem jest smart fabryka firmy Rittal (patrz ramka).

AI W CYFROWYCH FABRYKACH

Jak wspomnieliśmy wcześniej – dane pozyskiwane w sieciach Przemysłowego Internetu Rzeczy będą specyficzne i będzie ich coraz więcej. Bez względu jednak na to, ile uda się ich zgromadzić, ich rzeczywista wartość zależy od tego, w jakim stopniu zostaną wykorzystane.

Przede wszystkim wśród wszystkich zarejestrowanych informacji trzeba rozpoznać te użyteczne, czyli oddzielić treść od szumów. Następnie należy jeszcze informacje te ze sobą pokojarzyć, czyli określić relacje, hierarchię oraz różnorodne inne powiązania, które między nimi występują i na tej podstawie wyciągnąć wnioski.

Ze względu na specyfikę danych w sieciach Przemysłowego Internetu Rzeczy ich analiza wymaga specjalnych rozwiązań wykraczających poza tradycyjne metody. Tu z pomocą przychodzi sztuczna inteligencja. AI obecnie jest jedną z najdynamiczniej rozwijanych dziedzin, dzięki czemu dostarcza coraz skuteczniejszych technik, pozwalających rozwiązywać problemy z zakresu analizy danych do tej pory trudne do rozstrzygnięcia, a nawet nierozwiązywalne.

Arkadiusz Rodak

ASTOR

Jakie są elementy i kluczowe obszary cyfrowych fabryk? Jak w praktyce rozumiecie Państwo hasło "Przemysł 4.0" – jako realną technologię, koncepcję czy może raczej zbiór technologii zapewniający efekty synergii dla firm przemysłowych? Jak bardzo jest to odmienne od "klasycznej" automatyzacji i informatyzacji przedsiębiorstw?

Jakie są elementy i kluczowe obszary cyfrowych fabryk? Jak w praktyce rozumiecie Państwo hasło "Przemysł 4.0" – jako realną technologię, koncepcję czy może raczej zbiór technologii zapewniający efekty synergii dla firm przemysłowych? Jak bardzo jest to odmienne od "klasycznej" automatyzacji i informatyzacji przedsiębiorstw?

Obecnie wiele firm produkcyjnych stoi przed podjęciem decyzji, w jaki sposób unowocześniać swoją produkcję. Czy inwestować w nowe technologie i jakie technologie wybrać? Jak je wdrożyć? Pomocne będzie sześć zasad, które de facto są kompletnym zestawem technologii dla cyfrowej fabryki – Fabryki 4.0.

1. Interoperacyjność – polega na takiej organizacji przepływu informacji w firmie, aby właściwe osoby zawsze otrzymywały właściwe informacje w odpowiednim czasie. Realizacja związana jest z integracją systemów informatycznych produkcyjnych i biznesowych oraz automatyzacją procesów w firmie.

2. Druga zasada związana jest z wykorzystaniem wirtualizacji i symulacji w taki sposób, aby odzwierciedlić zachowanie rzeczywistych maszyn, linii produkcyjnych i produktów w przestrzeni cyfrowej. Przykładowo firma GE wykorzystuje wirtualizacje i symulacje do tworzenia cyfrowego bliźniaka produkowanych turbin dla elektrowni wiatrowych a firma AVEVA dostarcza rozwiązania prowadzenia szkoleń w pełni zwirtualizowanej fabryce przed wpuszczeniem pracowników do obiektu.

3. Decentralizacja polega na odejściu od budowy sekwencyjnych linii produkcyjnych i zastąpieniu ich uniwersalnymi gniazdami produkcyjnymi. Pozwala to na eliminację wąskich gardeł produkcyjnych, minimalizację ryzyka wystąpienia długotrwałych przestojów i znaczące zwiększenie elastyczności produkcji.

4. Zdolności zarządcze w czasie rzeczywistym to zasada dotycząca konieczności automatycznego zbierania danych z maszyn i linii. Tylko dane dostępne automatycznie ze sterowników PLC lub wprost z czujników dają możliwość zwizualizowania wiarygodnych informacji w czasie rzeczywistym, które pozwolą na podejmowanie dacyzji tu i teraz, a nie na koniec zlecenia, koniec zmiany lub następnego dnia.

5. Orientacja na usługi to kolejna zasada Przemysłu 4.0 polegająca na zmianie modelu biznesowego lub reorganizacji łańcucha wartości tak aby dostarczane produkty doposażyć w dodatkowe wartościowe dla klientów usługi lub dostawę produktu zamienić na usługę przewiezienia danej liczby pasażerów na danym odcinku w czasie trwania kontraktu. W nurt ten wpisują się także wszelkiego rodzaju subskrypcje oprogramowania przemysłowego.

6. Modułowość – polega na takiej budowie nowych linii produkcyjnych, aby poszczególne stanowiska można było łączyć z modułów i w razie potrzeby elastycznie zmieniać layout lub zastosowanie danego stanowiska. Przykładowo firma Nestlé przedstawiła ideę mleczarni składającej się z gotowych modułów dokładanych w miarę zapotrzebowania na zwiększenie mocy produkcyjnych lub łatwo przenaszalnych w pobliże surowca. Zastosowanie robotów przemysłowych pozwala na realizację wdrożenia technologii zgodnie z tą zasada.

CZYM JEST ML?

Jedną z tych metod jest uczenie maszynowe (Machine Learning, ML) i jego podgrupa – uczenie głębokie (Deep Learning, DL), które wykorzystuje sieci neuronowe. Według definicji ML jest to zdolność komputerów do uczenia się bez programowania im nowych umiejętności wprost. Opiera się ono na algorytmach, które analizując dostarczane im dane, wyciągają wnioski i uczą się z nich, aby następnie zdobytą w ten sposób wiedzę wykorzystać w podejmowaniu decyzji potrzebnych do rozwiązania konkretnych problemów. Co więcej, z czasem, w miarę, jak przetwarzają coraz więcej danych, samodoskonalą się bez konieczności ich przeprogramowywania.

Wymagania, jakie pod względem mocy obliczeniowej oraz pamięci niesie ze sobą gromadzenie dużych ilości danych i implementacja algorytmów uczenia maszynowego, zwykle przekraczają możliwości typowej infrastruktury informatycznej, jaką dysponują niewyspecjalizowane w tej dziedzinie przedsiębiorstwa. W takim przypadku można skorzystać z chmury obliczeniowej (patrz ramka).

Chmura obliczeniowa

Jest to usługa polegająca na dostarczaniu zasobów informatycznych, na przykład serwerów, baz danych, sieci, oprogramowania, z których można korzystać za pośrednictwem Internetu. Rozwiązanie to zyskuje coraz większą popularność dzięki swoim licznym zaletom.

Przede wszystkim korzystając z chmury obliczeniowej, nie ponosi się wydatków inwestycyjnych związanych z zakupem sprzętu i oprogramowania ani później kosztów jego obsługi i utrzymania (wynagrodzenia specjalistów, opłaty za energię elektryczną zużywaną do zasilania i chłodzenia serwerów). Ponieważ zwykle usługi w ramach chmury są udostępniane na żądanie, ich klienci zyskują ogromną swobodę – korzystają z potrzebnych zasobów, kiedy chcą, bez konieczności wcześniejszego zaplanowania.

Dotyczy to także skali, w jakiej ich używają, co oznacza, że stosownie do potrzeb (i możliwości finansowych, jako że usługi w chmurze są płatne) mogą korzystać z większej mocy obliczeniowej, pamięci, przepustowości. Ponieważ to usługodawcy dbają o stronę sprzętowo-programową, a w ich interesie jest, by zapewnić użytkownikom usługi najwyższej jakości, klient zawsze uzyskuje dostęp do najnowszych rozwiązań, na bieżąco aktualizowanych i unowocześnianych. Dotyczy to również zabezpieczeń.

CYFROWE BLIŹNIAKI

Kolejnym komponentem zdigitalizowanego oraz skomunikowanego środowiska, które stanowić powinna smart fabryka, są cyfrowe bliźniaki (Digital Twin). Koncepcja ta jest znana już od około dwudziestu lat, jednak dopiero w ostatnich latach dostępne stały się rozwiązania technologiczne umożliwiające jej urzeczywistnienie.

Cyfrowy bliźniak stanowi wirtualną replikę rzeczywistego, fizycznego obiektu, produktu albo innego zasobu zakładu. Z założenia powinna być ona aktualizowana w czasie rzeczywistym, a przynajmniej tak regularnie, jak to tylko możliwe, żeby jak najdokładniej odzwierciedlała swój pierwowzór w świecie rzeczywistym.

Cyfrowe bliźniaki w fabryce Siemensa

Zakładem, który cieszy się statusem fabryki cyfrowej, jest zakład Siemensa w niemieckim Amberg. Jednym z innowacyjnych rozwiązań tam wykorzystywanych są cyfrowe bliźniaki. Znajdują one zastosowanie m.in. na etapie przestrajania linii produkcyjnych.

Tradycyjnie jest to bardzo pracochłonny i czasochłonny proces, który wymaga od pracowników ręcznego wprowadzania zmian w maszynach i wyposażeniu. W dobie Industry 4.0 jednak nim cokolwiek na danej linii produkcyjnej zostanie zmienione, najpierw powstaje cyfrowa wersja produktów, stanowisk linii produkcyjnej oraz samego procesu produkcyjnego. Znacząco usprawnia to i skraca czas potrzebny do stworzenia nowej konfiguracji, dzięki temu, że można wirtualnie sprawdzić, gdzie na przykład mogą wystąpić wąskie gardła, nieefektywność lub nieoczekiwane potrzeby, czy to dotyczące dodatkowych materiałów, czy środków bezpieczeństwa.

IOT A CYFROWE BLIŹNIAKI

Cyfrowe bliźniaki tworzy się zwykle w specjalistycznym oprogramowaniu na podstawie danych z czujników wykorzystywanych do gromadzenia danych na temat fizycznego obiektu. Im gęstsza jest sieć sensorów i im więcej danych na temat oryginału można uzyskać, tym bardziej szczegółowy jest jego cyfrowy model.

Trudno zatem nie powiązać rosnącej popularności cyfrowych bliźniaków (nie tylko w przemyśle) z upowszechnianiem się Przemysłowego Internetu Rzeczy (i generalnie IoT także poza przemysłem). Jest bowiem oczywiste, że rosnąca liczba opomiarowanych oraz skomunikowanych przedmiotów, urządzeń, obiektów czy zasobów ułatwia gromadzenie danych na ich temat, a cyfrowe bliźniaki są po prostu nowym, bardziej cyfrowa fabryka zaawansowanym sposobem ich łączenia ze sobą, a następnie ich prezentacji.

Cyfrowe bliźniaki umożliwiają testowanie nowych rozwiązań, analizowanie przeszłych sytuacji i przewidywanie przyszłych zachowań zdigitalizowanych obiektów. Z korzystaniem z nich zatem wiąże się szereg korzyści.

JAKIE SĄ KORZYŚCI Z CYFROWYCH BLIŹNIAKÓW?

Przede wszystkim eksperymentowanie na fizycznych produktach, obiektach, czy zasobach zwykle jest pracochłonnym, czasochłonnym i kosztownym procesem. Cyfrową replikę można natomiast szybko edytować w celu przetestowania nowych rozwiązań oraz przeprowadzenia symulacji. W przypadku, gdy ich wyniki nie spełniają założeń projektowych, traci się jedynie czas poświęcony na testy, bez uszczerbku dla rzeczywistych zasobów.

Może na tym skorzystać wiele branż. Przykładem jest przemysł samochodowy. Dzięki cyfrowym bliźniakom producenci aut nie muszą konstruować fizycznych prototypów, by przetestować nowe modele samochodów. W zamian testom w tunelach aerodynamicznych, testom zderzeniowym czy jazdom próbnym mogą poddawać, wielokrotnie i nieporównywalnie taniej, ich komputerowe modele w środowisku wirtualnym.

Kolejną korzyścią wynikającą z korzystania z cyfrowych bliźniaków jest możliwość ich rozwoju i symulacji, nawet kiedy nie ma bezpośredniego kontaktu z oryginałem. Dzięki temu zmiany mogą być planowane i testowane zdalnie.

Digital Twins pozwalają zatem ograniczyć przestoje do absolutnego minimum. Jeżeli przykładowo częścią danej linii produkcyjnej jest komponent niezbędny, lecz działający nieefektywnie, przez który w każdym cyklu produkcyjnym tracone są duże ilości energii, poprawki niezbędne do zoptymalizowania jego pracy korzystniej jest przeprowadzać na wirtualnym modelu, zamiast paraliżować całą produkcję przez jego wyłączenie do testów. Przykłady zastosowań cyfrowych bliźniaków w przemyśle można mnożyć (patrz ramka).

Przemysł 4.0 – technologie przyszłości

Kompleksowe wprowadzenie do tematyki Przemysłu 4.0

www.automatykab2b.pl/temat-miesiaca/47534-przemysl-4-0-technologie-przyszlosci

Co "Przemysł 4.0" oznacza dla producentów maszyn?

Felieton na temat Przemysłu 4.0 i branży OEM www.automatykab2b.pl/gospodarka/46800-co-przemysl-4-0-oznacza-dla-producentow-maszyn

Czym jest Przemysł 4.0?

Omówienie zagadnień Industry 4.0 przez firmę Robert Bosch www.przemysl-40.pl/index.php/2017/03/22/czym-jest-przemysl-4-0/

Industry 4.0 – raporty i opracowania

Ponad 100 publikacji dotyczących Przemysłu 4.0 zebranych w jednym miejscu www.przemysl-40.pl/index.php/2019/09/21/industry-4-0-raporty-i-opracowania-2019/

VR W ZDALNYCH SZKOLENIACH

Na koniec warto wspomnieć o jeszcze jednej składowej Przemysłu 4.0, równie użytecznej, co widowiskowej, która można by zaryzykować takie twierdzenie, najlepiej obrazuje, że przemysł wchodzi na poziom znany dotychczas wyłącznie z filmów science fiction. Chodzi oczywiście o rzeczywistość wirtualną i rozszerzoną (Virtual Reality, VR, Augmented Reality, AR).

Przykładowym ich zastosowaniem są szkolenia pracowników. Najlepiej korzyści płynące z korzystania z VR i AR podczas ich przeprowadzania wyjaśnia wdrożenie tych technologii w zakładzie firmy Ericsson. Chodzi o nową amerykańską fabrykę tego producenta. Zakład w Teksasie rozpoczął działalność na początku marca tego roku. W fabryce produkowane są stacje bazowe dla telefonii komórkowej 5G na rynek północnoamerykański. Przygotowania do uruchomienia produkcji w tym zakładzie firma rozpoczęła już rok wcześniej, gdy jego budowa jeszcze trwała. Do zadania tego zdecydowano się podejść w sposób niekonwencjonalny, wykorzystując wirtualną rzeczywistość do przeprowadzenia szkoleń na odległość.

WDROŻENIE DO PRACY NA ODLEGŁOŚĆ

Wykorzystano w tym przypadku fakt, że zakład o podobnym profilu produkcji funkcjonuje już w estońskim Tallinie. Założono, że jego pracownicy i infrastruktura będą dla przyszłego personelu teksańskiej fabryki najlepszymi nauczycielami i środowiskiem do nauki.

Korzystając z technologii wirtualnej rzeczywistości, przeprowadzono szereg spotkań online, w czasie których pracownicy z Estonii wirtualnie oprowadzali pracowników z Teksasu po swoim zakładzie, dzieląc się swoimi doświadczeniami i odpowiadając na pytania. Przyszły personel amerykańskiej fabryki miał zatem dostęp do środowiska swojej przyszłej pracy, zanim ono jeszcze w ogóle w miejscu docelowym powstało.

Dzięki niestandardowemu podejściu do szkolenia firma była w stanie uruchomić produkcję w nowym zakładzie już od dnia jego otwarcia, bez typowej zwłoki wymaganej ze względu na konieczność przeszkolenia pracowników oraz zapoznanie ich z zakładem, w którym będę pracować. Ericsson mógł też znacznie wcześniej rozpocząć rekrutację, co także zaważyło na terminowości rozruchu zakładu. Przeszkolenie zdalne było oprócz tego znacznie tańsze, niż na przykład wysłanie pracowników z USA na kurs do zakładów firmy w innych lokalizacjach.

Marek Łozowski

Pepperl+Fuchs

Jakie są istotne elementy cyfrowych fabryk? Jak w praktyce rozumiecie Państwo hasło "Przemysł 4.0" i czym jest ono w praktyce?

W koncepcji Przemysłu 4.0 inteligentne produkty przekazują dane za pośrednictwem Internetu. Procesy można optymalizować dzięki wykorzystaniu danych na temat warunków, położenia i dostępności, a przy tym także oszczędzać zasoby. Czujniki to zaś oczy i uszy maszyn oraz zakładów przemysłowych – służą one do ścisłego monitorowania procesu produkcji i środowiska pracy maszyn. Aby spełnić powyższe zadanie, czujniki w elastyczny sposób przystosowują się do procesu i środowiska, jednocześnie szybko przekazując dane dotyczące funkcjonowania do jednostki przetwarzającej.

Prawidłowe informacje filtrowane z obszernych danych gromadzonych przez czujniki pozwalają na ocenę procesów produkcji. Osiąga się to poprzez łączenie różnych danych z kilku platform oprogramowania. Odpowiednia analiza i wizualizacja danych umożliwiają szeroko zakrojoną optymalizację procesów eksploatacji maszyn.

Połączenie cyfrowych danych na temat planowania z informacją o statusie wysyłaną z obiektów, maszyn i zakładów umożliwia automatyzację złożonych zadań. Konserwacja prewencyjna i procesy dostaw są realizowane przy minimalnym udziale pracowników, co zapewnia oszczędność zasobów, pozwalając na wykorzystanie wolnych mocy przerobowych na opracowywanie nowych koncepcji i innowacji.

Monika Jaworowska