Cookies på SKF's websted

Vi bruger cookies for at sikre, at vi kan give dig den bedst mulige oplevelse på vores websted og i vores webapplikationer. Hvis du fortsætter uden at ændre dine browserindstillinger, antager vi, at du accepterer at modtage cookies. Du kan dog til enhver tid ændre cookieindstillingerne i din browser.

Rapport om fremtidens drivkraft: Sådan kommer The Internet of Things til at revolutionere den industrielle produktion

2015 februar 04, 08:50 CEST

FORFATTERE: Professor Detlef Zühlke, dr. Dominic Gorecky og Stefanie Fischer fra afdelingen for innovative fabrikssystemer (IFS) ved det tyske forskningscenter for kunstig intelligens (DFKI)

Presset fra globaliseringen vil medføre, at vores industri kommer til at gennemleve en periode med store udfordringer, herunder kortere produktlivscyklusser, stærkt brugertilpassede produkter og hård konkurrence fra forskellige markeder verden over. Disse udfordringer ses allerede i dag på markedet for mobiltelefoner. Produktlivscyklusserne er blevet kortet ned til omkring 6-9 måneder, mens produkternes kompleksitet og funktionalitet er steget støt.

Der sker lige nu en sammenlignelig udvikling inden for andre brancher, f.eks. bilindustrien. I takt med at produkterne bliver mere komplekse og produktlivscyklussen kortere, bliver computerassisterede teknologier (CAX) stadig vigtigere i den periode, hvor produktionen optimeres og accelereres, så den kan køres op i hastighed. Selvom de store fremskridt, der er sket inden for computerassisteret teknologi inden for de seneste ti år, har betydet en forbedret fleksibilitet i design- og planlægningsfasen, venter vi stadig på, at der sker et lignende gennembrud i den faktiske produktionsfase. En høj grad af produktvariation kombineret med en kortere produktlivscyklus kræver en smidig og fleksibel produktionsstruktur, som hurtigt kan omstilles til at håndtere nye produktionskrav. Denne grad af fleksibilitet kan ikke opnås ved hjælp af traditionel automatisering. I stedet er det modulopbyggede fabriksstrukturer bestående af intelligente enheder – de såkaldte "cyber-fysiske systemer" (CPS, Cyber-Physical Systems) – som er en del af det netværk, der kaldes The Internet of Things, der er nøgleelementer, når det gælder om at skabe tilpasningsdygtige produktionsscenarier, som både kan takle og løse de aktuelle udfordringer.

I de seneste ti år har vi været vidne til en fundamental ændring af vores dagligdag som følge af informations- og kommunikationsteknologiens fremkomst og udvikling. Computere er på vej til at blive så små, at de nærmest forsvinder ind i de fleste af vores tekniske apparater. Og derudover kommunikerer ting i et verdensomspændende netværk: Internettet.


Når vi ad tankens vej følger denne tendens ind i fremtiden, ser vi, hvordan næsten alle dagligdags ting bliver forvandlet til intelligente noder i et globalt netværk. Dette fænomen kaldes The Internet of Things, og det er en trend, der næsten uundgåeligt vil finde vej ind i den industrielle produktion. Den stærke påvirkning fra fabriksautomatiseringens elektrotekniske og hierarkiske verden vil skubbe udviklingen i retning af intelligente fabriksnetværk, som i stigende grad vil udnytte landvindingerne inden for informations- og kommunikationsteknologi samt datalogi. I Tyskland har man taget hul på en stor debat om den fjerde industrielle revolution, eller som det mere mundret kaldes, "Industry 4.0".

Der har været en stadig stigende interesse for dette begreb, siden det blev lanceret i april 2011 af Kagermann/Lukas/Wahlster (2001 – henvisning 1). En arbejdsgruppe bestående af eksperter inden for videnskaben og erhvervslivet har været drivkraften bag udviklingen af en vision for tysk industri, som har udmøntet sig i en række anbefalinger til forbundsregeringen. Det har ført til etableringen af et forskningsprogram med en pulje på ca. 200 mio. euro over de næste fem år. Desuden er de tre store tyske brancheforeninger (VDMA, ZVEI og BitKom) gået sammen om at skabe en fælles platform, der skal fremme koordinering af alle aktiviteterne inden for Industry 4.0.

Disse initiativer har bidraget til, at emnet generelt er blevet opreklameret, primært fordi nyheden er blevet spredt via mediekanalerne. Fremstillingsindustrien har dog også udvist en reel interesse for at gøre visionen til en bæredygtig succes. Tyskland er en højteknologisk nation, og en stor del af landets bruttonationalprodukt (BNP) stammer fra produktion af varer og det dertil krævede produktionsudstyr. I det følgende afsnit beskrives de grundlæggende udfordringer og forandringer, der forventes at følge i kølvandet på visionen for Industry 4.0.

Visionen for Industry 4.0

En karakteristisk egenskab ved det nye teknologiske miljø er overgangen til mekatroniske systemer. Elektronik er en grundlæggende komponent i fremtidens produkter, mens hardwaren bliver stadig mere standardiseret. De vigtigste egenskaber, som bestemmer funktionaliteten, skabes af softwaren. På den måde forvandles traditionelle mekaniske elementer til mekatroniske systemer. En funktion kan implementeres af mekanik, elektronik eller software. Design og produktion samt service kræver derfor et tværfagligt team med en kombination af kompetencer inden for maskinteknik, elektroteknik og softwareudvikling, der opstår så at sige et behov for en "universalingeniør".

Intelligente objekter 

Den primære drivkraft bag visionen for Industry 4.0 er The Internet of Things. Visionen indebærer, at alle fabriks-"objekter" har en unik IP-adresse og er integreret i netværk. Den tekniske betegnelse for et sådant objekt er et "cyber-fysisk system" (CPS, Cyber-Physical System) (2013 – henvisning 2). Det traditionelle produktionshierarki erstattes af decentral selv-organisering, som muliggøres af CPS på fremtidens fabrikker. Fabriksanlæggenes forskellige sektioner og produktionsprocesserne bliver så uafhængige og fleksible, at selv det mindste parti kan produceres under forhold, hvor hurtige produktskift og utallige indstillinger er mulige.

Kommunikation mellem maskinerne betyder, at den enkelte maskine kan udstede kommandoer, f.eks. instrukser om at transportere råmaterialer eller bruge en bestemt produktionsservice. Produktets semantiske hukommelse styrer produktionsprocessen dynamisk og tillader derfor decentral masseproduktion med en partistørrelse på "1".

Mange af disse intelligente elementer er mobile og forbundet via trådløse netværk, hvilket betyder, at man mister vigtige positionsdata, der implicit blev leveret ved "kabelenden" i de gamle kabelforbundne systemer (se figur 1). Det er særlig kritisk, når det gælder drift af anlæg. En medarbejder, der bruger en mobil betjeningsenhed såsom en smartphone, kan ikke længere lokaliseres til en bestemt position. Brugeren befinder sig muligvis på fabriksgulvet, men vedkommende kan også sidde i kantinen. Applikationen skal tage hensyn til medarbejderens aktuelle position for at kunne afkode, hvorvidt en funktionalitet understøttes på det pågældende tidspunkt. Hvis man skal løse dette dilemma, kræver det ikke alene indendørs lokaliseringssystemer med funktioner, der er sammenlignelige med GPS, men det kræver også udvikling af nye regler for og metoder til design af kontekstafhængige grænseflader mellem menneske og maskine, som muliggør afkobling af den hardware og systemsoftware, der anvendes på det aktuelle tidspunkt.

Figur 1: Intelligente objekter – mobile, modulopbyggede og decentrale.

Nye kommunikationsarkitekturer

Nutidens fabrikker er opbygget efter en streng, hierarkisk informationsstruktur. I de øverste lag finder vi virksomhedens ressourceplanlægningssystem (ERP), som er installeret oven på anlæggets driftsstyringssystemer (MES og NC/PLC), og i det nederste lag finder vi anlæggets sensor- og aktuatorsystemer, de såkaldte feltenheder. Selvom disse lag i de senere år i stadig stigende grad er blevet integreret med hinanden, har den største systemintegration fundet sted horisontalt og ikke vertikalt. Et netværk af CPS'er vil uvægerligt kræve en ny tilgang til arkitekturerne. De gængse pyramideformede strukturer, der er karakteriseret ved en høj grad af horisontal netværksinteraktion samt svag vertikal kommunikation, vil blive erstattet af en domæneorienteret netværksstruktur, som i princippet muliggør et ubegrænset antal forbindelsesveje på tværs af alle fabrikkens informationslag.

Fabriksanlæg, der er opbygget efter principperne bag The Internet of Things og CPS, overflødiggør nutidens PLC-systemer, fordi hver enkelt slutenhed kommunikerer med alle andre enheder, også selvom de befinder sig i forskellige lag. Fastlæggelse af proceslogikken (også kaldet orkestreringen) finder sted i netværket og ikke i et særligt styringselement.

Nye programmeringsparadigmer

I dag består grundpillen i programstyring hovedsageligt af hardwarestrukturer, der generelt er baseret på regler og standarder, som har 20 år eller mere på bagen. I fremtidens miljø med netværksforbundne selv-organiserende CPS'er skal hardwaren og styrelogikken være strengt adskilt. Der findes allerede flere paradigmer af denne type. Som eksempel kan nævnes serverorienterede arkitekturer (SoA) eller multiagent-arkitekturer (MAS).

Begge tilgange indkapsler og udskiller hardwarefunktionaliteten og indeholder mekanismer til selvorganiserende systemer. Desuden findes der allerede en række programmeringsmodeller, som tillader fastlæggelse af en styrelogik eller orkestrering. Sådanne tilgange kræver dog avanceret viden inden for datalogi, hvilket komplicerer implementeringen på fabriksgulvet, hvor medarbejderne ikke har den fornødne ekspertise. Det betyder, at migration af sådanne arkitekturparadigmer fra fabrikkens øverste lag, hvor de allerede er delvist implementeret, via MES-systemerne i mellemlaget er den mest lovende vej, som også tager hensyn til de involverede medarbejderes tekniske baggrund.

I nutidens proces til produktionsplanlægning og -styring ligger opgaven med design af styresystemet sidst i planlægningsfasen, da den afhænger af, hvordan de mekaniske og elektriske design udmøntes. Programmeringen af de logiske styreenheder begynder ikke, før styreterminalerne vælges, og man beslutter, hvordan kabelføringen skal være. Abstraktionskoncepter såsom SoA kan være nyttige, når man afbryder forbindelsen til den oprindelige implementeringshardware, og når man skal skabe genanvendelige softwarekomponenter.

Det er nødvendigt at etablere en ny arbejdsgang på det tekniske område, for at man kan skabe den nødvendige hardwareuafhængige, funktionelle top-down-tilgang til planlægningen. De traditionelle planlægningsdomæner skal integreres tættere, særligt i de tidlige planlægningsfaser, så de er på linje senere i planlægningsprocessen. Systemudviklingsmetoder kan bidrage til at understøtte de tværfaglige opgaver, hvilket man med succes har gjort inden for luftfartsteknologien.

På grund af planlægningsresultaternes kompleksitet og de indbyrdes forhold mellem de tilknyttede discipliner er det derfor en udfordring at skabe en gennemsigtig præsentation. Det kræver praktiske procedurer at udarbejde en gradvis, modelbaseret teknisk strategi samt udvikle de relevante modelsprog, dataformater og værktøjskæder.

Målet for fremtidens intelligente fabrikker må være at fjerne mediegabet mellem CAX/PLM-miljøerne og det faktiske, fungerende anlæg. PLM-værktøjet skal have evnen til at generere fuldstændige systembeskrivelser, som kan konverteres direkte til eksekverbare styretjenester. Koden skal derfor tillade både simulering af et virtuelt anlæg samt etablering og drift af det faktiske anlæg.

Standarder

Som det er beskrevet i grundmodellen, er streng adskillelse af hardwaren og funktionaliteten kun mulig, hvis det sker på grundlag af standarder. Et CPS-element skal være opbygget på samme måde som en Legoklods, i hvert fald når det gælder informationsteknologi. Elementet skal med andre ord kommunikere på grundlag af standarder i alle lagene i ISO/OSI 7-lagsmodellen. Når det gælder transportlagene, lag 1-4, findes der således allerede en række etablerede standarder såsom de forskellige IEEE 802.xx- eller IP-standarder; standarder for de applikationsbaserede lag, lag 5-7, vil først fremkomme, når der opstår et massivt pres fra markedet herom. Producenterne er naturligvis ikke vilde med idéen om at lave deres produkter om til udskiftelige Legoklodser. Den aktuelle debat om en standardproces inden for industrielle trådløse netværk (f.eks. ISA100) eller specifikationssproget til enhedsbeskrivelse (f.eks. FDT) viser, at der både er en vis modstand og en interessekonflikt. Men der ser i det mindste ud til at være en lovende implementeringsmetode i form af OPC UA til lag 5-6, som stadig flere producenter og brugere er villige til at acceptere.

Sikkerhed

En karakteristisk egenskab ved fremtidens fabriksstyringssystemer er brugen af IP-baserede netværk i alle lag. Det muliggør problemfri import af data fra en feltenhed til ERP-systemet, der befinder sig på et højere niveau. Men det kan gøre fabrikken sårbar over for stadig mere effektive cyberangreb via brug af åbne protokoller. STUXNET og anden ondsindet software (malware) viser med al tydelighed, at truslen er reel. Et CPS-baseret produktionsmiljø kan i sidste ende kun implementeres, hvis virksomheden selv sørger for en høj sikkerhedsstandard og udviser tillid til teknologien. Det stiller ikke alene krav om teknologiske løsninger men, måske endnu vigtigere, organisatoriske tiltag. En endelig løsning på sikkerhedsproblematikken er et vigtigt emne i processen, og det kræver forslag fra branchen, forskerne og myndighederne.

Hvordan ser den nære fremtid ud?

I henhold til prognoserne vil denne version af visionen for Industry 4.0 finde vej ind i fremtidens produktionsmiljøer om cirka 10 til 15 år. Der er stadig mange spørgsmål, der skal besvares, og en del forskningsarbejde, der venter, og derfor vil det tage tid, før sådanne holistiske produktionsscenarier er universelt implementeret og accepteret i de forskellige brancher.

Det betyder, at de første elementer og objekter, der passer ind i visionen, først skal igennem en udviklingsproces, før de er klar til at blive taget i brug i praksis. Grundlaget for, at vi kan skabe alsidige og gennemsigtige produktionsmiljøer, er, at vi har adgang til information i høj opløsning og formår at mindske de eksisterende mediegab. Der findes allerede teknologier til automatisk identifikation, som kan hjælpe med at spore elementerne og repræsentere dem i den digitale verden. Mobile enheder såsom bærbare computere, tablets eller intelligente briller giver umiddelbar adgang til virksomhedens viden, næsten uanset hvor man befinder sig – internt i virksomheden eller ude i verden. Det betyder, at vi kan træffe beslutninger og iværksætte handlinger på grundlag af omfattende og nøjagtig information, og det sætter os i stand til at reagere hurtigere, hjulpet på vej af intelligente assistancesystemer, som vist i figur 2.

Figur 2: Mobile enheder og intelligente assistancesystemer inden for fremstillingsindustrien i den nære fremtid.

Med teknologiinitiativet SmartFactoryKL – som er en producentuafhængig demonstrations- og forskningsplatform – har man allerede taget et kæmpe skridt hen imod visionen for Industry 4.0, idet man er begyndt at udvikle og implementere løsninger, som muliggør fleksible produktionsstrukturer, der takler industriens nuværende udfordringer. I netværket, der består af flere end 30 industrielle partnere, arbejder SmartFactoryKL med at teste og udvikle innovative informations- og kommunikationsteknologier og deres anvendelsesmuligheder i et realistisk, industrielt produktionsmiljø. I forbindelse med det seneste projekt udviklede man en banebrydende produktionslinje i samarbejde med nøglepartnere fra industrien (se Figur 3). Produktionslinjen er fuldstændig modulopbygget og muliggør plug and play-integration af nye produktionsmoduler. Plug and play-funktionaliteten opnås på grundlag af et sæt mekaniske, elektroniske og informationstekniske standarder, som er defineret af SmartFactoryKL og dens samarbejdspartnere.

Figur 3: Demonstrationsfabrik til fremtidig produktion i SmartFactoryKL .

Fremtidsudsigter

Ingen teknologisk revolution er nogensinde blevet sat igang med et fingerknips. Omvæltningerne fandt som oftest sted over en periode på flere årtier og havde form af en evolutionær omstilling, som var drevet af landvindinger inden for flere tekniske områder (teknologi-push), men også var resultatet af nye krav fra markedet (market-pull). Den aktuelle udvikling hen imod Industry 4.0 vil med stor sandsynlighed have en lignende evolutionær karakter og strække sig over flere tiår. Et positivt aspekt er, at man med Industry 4.0 har en klar vision, som det er muligt for både producenter og slutbrugere at tilpasse sig til. Den videnskabelige indsigt i it-miljøet er tæt forbundet med kravene i produktionsmiljøet. Det kræver et tværfagligt samarbejde mellem discipliner, der traditionelt har været adskilte.

Det er dog os mennesker, der vil være den vigtigste faktor i omstillingsprocessen. Når man analyserer de tre foregående industrielle revolutioner, står det klart, at menneskets behov og levestandard har været den primære drivkraft bag forandringerne. Når disse krav møder de rette teknologiske grænser, ser det ud til at resultere i et frugtbart klima for innovative forandringer. Siden den tredje industrielle revolution, i daglig tale også kendt som den digitale revolution, har en række innovative teknologier samt politiske forandringer påvirket den måde, vi mennesker lever sammen på. Nogle karakteristiske eksempler er afslutningen på den kolde krig, åbningen af de globale markeder – særligt det kinesiske – samt teknologiske fremskridt (f.eks. internettet og de mange intelligente enheder).

Vi mennesker har ikke alene den vigtige rolle som drivkraft for teknologien, men også rollen som den part, der bliver drevet frem. Moderne informations- og kommunikationsteknologi afføder en brat acceleration af alle forretningsprocesser, og det sker i en global kontekst. Tilbud om levering af produktionsanlæg og -tjenester kan sendes ud til hele verden på få sekunder, mens globale syndikater, der kan levere løsningerne, lynhurtigt kan etableres. Mere effektive og integrerede logistiksystemer til lands, til vands og i luften gør det muligt at levere varer til kunderne på meget kortere tid. For at produktionssystemerne kan klare sig i den globale konkurrence, skal de være smidige og omstillingsparate. Det bliver muligt i kraft af fremskridtene inden for informations- og kommunikationsteknologi. Vi mennesker skal kunne planlægge, implementere og udføre opgaver stadig hurtigere i dette nye systemmiljø. Kun de lande, som formår at tilpasse oplæringen og uddannelsen af deres borgere til den nye virkelighed i rette tid, vil kunne klare sig på det globale marked.

Europa har gode forudsætninger på det punkt. EU-landene er blandt verdens førende inden for forskning i netværksforbundne integrerede systemer, semantiske teknologier og design af komplekse cyber-fysiske systemer. Det giver den europæiske industri en fremragende mulighed for at foretage et teknologisk kvantespring og mestre udfordringerne på det globale marked.

Referencer

1. Kagermann, H., Lukas, W., Wahlster, W. (2011). Industrie 4.0: Mit dem Internet der Dinge auf dem Weg zur 4. industriellen Revolution, VDI-Nachrichten.
2. Geisberger, E., Broy, M. (2012). Integrierte Forschungsagenda Cyber-Physical Systems, Acatech Studie, Berlin.
3. Zuehlke, D. (2010). SmartFactory – Towards a Factory-of-Things, In: IFAC Annual Reviews in Control, Volume 34, Issue 1, ISSN 1367-5788


[SLUT]


Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Detlef Zühlke

Detlef Zühlke er leder af afdelingen for innovative fabrikssystemer ved det tyske forskningscenter for kunstig intelligens (DFKI-IFS) i Kaiserslautern. Han er også initiativtager til og formand for direktionen i SmartFactoryKL og har et professorat i produktionsautomatisering ved Technische Universität Kaiserslautern.

Dr.-Ing. Dominic Gorecky
Dominic Gorecky er seniorforsker og viceleder af DFKI-IFS. I den kapacitet er han ansvarlig for den videnskabelige styring og strategiske koordinering af afdelingen.

M.Sc. Stefanie Fischer
Stefanie Fischer er forsker og kommunikationschef for SmartFactory. I den kapacitet arbejder hun på forskellige projekter og er ansvarlig for markedsføring og kommunikation.

SKF logo