Cookie-k az SKF webhelyén

Az SKF cookie-kat használ arra, hogy webhelyei tartalmát minél jobban összehangolja a látogatók preferenciáival - ilyen például a választott ország és nyelv.

Elfogadja az SKF által használt cookie-kat?

Power the Future - Jelentés arról, hogy a tárgyak internete hogyan forradalmasítja az ipari termelést

2015 február 04, 08:50 CEST

SZERZŐK: Dr. Detlef Zühlke professzor Dominic Gorecky és Stefanie Fischer, a német DFKI kutatóközpont innovatív üzemi rendszerekkel foglalkozó IFS részlege

A globalizáció nyomásának hatására iparunk olyan komoly kihívások előtt áll, mint például a termékek rövidebb élettartama, kivitelük különleges egyéni igényekhez igazítása és a kiélezett piaci világverseny. Ezek a kihívások már ma is egyértelműen jelen vannak a mobiltelefonok piacán. A termékek élettartama kb. 6–9 hónapra csökkent, míg funkcióik kínálata és összetettsége folyamatosan bővül.

Ehhez hasonló fejlődés megy végbe jelenleg más ágazatokban, például az autóiparban is. A termékek egyre komplexebbekké válnak, miközben élettartamuk csökken, ezért egyre fontosabbá válnak a számítógéppel támogatott technológiák a termelés beindításának optimalizálási és gyorsítási időszakában. Bár a számítógéppel támogatott technológiák elmúlt tíz évben mutatott fejlődése megnövelte a rugalmasságot a tervezési és a kidolgozási szakaszban, hasonló áttörésre lehet számítani magában a gyártási szakaszban is. A termékek rövidebb élettartammal társuló nagy változatossága olyan agilis és rugalmas gyártási struktúrát igényel, amelyet gyorsan át lehet alakítani az új termékek követelményeinek megfelelően. A hagyományos automatizálással nem lehet elérni ilyen nagyfokú rugalmasságot. Ehelyett a „tárgyak internete” hálózathoz tartozó, intelligens eszközökből álló, moduláris üzemi struktúrák, az ún. „kiber-fizikai rendszerek” (CPS, Cyber-Physical Systems) kínálnak olyan kulcsfontosságú megoldásokat, amelyekkel megvalósíthatók a jelenlegi kihívásokra választ adó és azokat megfelelően kezelő, alkalmazkodni képes gyártási szcenáriók.

Az elmúlt tíz évben az infokommunikációs technológiák (ICT, Information and Communication Technologies) előretörése és elterjedése nyomán mindennapi életünk gyökeres átalakulásának lehettünk tanúi. A számítógépek csaknem az összes műszaki eszközünkben olyan kicsire zsugorodtak, hogy már szinte alig észrevehetők. Ráadásul a tárgyak kommunikálni tudnak egymással egy világméretű hálózaton, az interneten
keresztül.

Ha ezt az irányvonalat követve előrenézünk a jövőbe, azt láthatjuk, hogy majdnem minden használati tárgyunk intelligens csomópont lesz egy globális hálózatban. Ez a jelenség a „tárgyak internete” (IoT, Internet of Things), egy olyan trend, amely biztosan meg fog jelenni az ipari termelésben is. Az elektrotechnikán és a hierarchikus felépítésen alapuló üzemi automatizálás meg fog változni, olyan intelligens üzemi hálózatok jönnek létre, amelyek egyre nagyobb mértékben fogják alkalmazni az infokommunikációs technológiák és az informatika vívmányait. Németországban nagyszabású eszmecsere kezdődött a negyedik ipari forradalom, röviden az „Industry 4.0” kapcsán,

és egyre nagyobb iránta az érdeklődés, amióta Kagermann/Lukas/Wahlster 2011 áprilisában bevezette ezt a fogalmat (2011, lásd: Szakirodalom, 1.). A tudományos és üzleti közösségek szakértőiből álló munkacsoport ösztönzése nyomán kialakítottak egy jövőképet a német iparral kapcsolatban, amelyet ajánlások formájában benyújtottak a szövetségi kormánynak. Ennek eredményeképpen meghirdettek egy kutatási programot a következő néhány évre, kb. 200 millió eurós támogatással. Ezenkívül a három jelentős német ipari szövetség (a VDMA, a ZVEI és a BitKom) erőforrásainak egyesítésével létrehozott egy közös platformot az Industry 4.0 tevékenységeinek koordinálásához.

Ezek az események mind hozzájárulnak ahhoz az általános „felhajtáshoz”, amelyet elsősorban a médiacsatornák keltenek. Emellett azonban valódi érdeklődés is mutatkozik a gyártóipar részéről aziránt, hogy hogyan lehet ezt a jövőképet sikeresen fenntartani. Németországra jellemző a csúcstechnológia használata, bruttó hazai termékének (GDP) nagy része az ipari gyártásból és az ehhez szükséges termelőeszközökből származik. A következő rész az Industry 4.0 jövőképben előre vetített alapvető kihívásokat és változásokat mutatja be.

Az Industry 4.0 jövőképe

Az új technológiai környezet megkülönböztető jellemzője a mechatronikai rendszerekre történő átállás. A jövőbeli termékek alapvető összetevője az elektronika lesz, a hardver egyre nagyobb szabványosítása mellett. A funkcionalitást meghatározó fő jellemzőket a szoftver fogja szolgáltatni. Ezzel a módszerrel a hagyományos gépalkatrészek mechatronikai rendszerekké alakulnak át. A funkciókat mechanikai, elektronikai vagy szoftveres úton lehet megvalósítani. Ezért a tervezéshez és a gyártáshoz, valamint a szolgáltatásokhoz interdiszciplináris csapatra van szükség, amely egyesíti a mechanikai, az elektronikai, a szoftvermérnöki és az általános mérnöki szakértelmet.

Intelligens tárgyak 

Az Industry 4.0 jövőkép fő mozgatórugója a „tárgyak internete”. Ebben a jövőképben a gyár összes „tárgya” egyedi IP-címmel rendelkezik, és hálózatokhoz csatlakozik. Az ilyen tárgyak megnevezésére megalkotott szakkifejezés a „kiber-fizikai rendszer” (CPS, Cyber-Physical-System) (2012, lásd: Szakirodalom, 2.). A hagyományos gyártási hierarchiát a jövő üzemeiben a kiber-fizikai rendszerek által megteremtett, decentralizált, önszervező folyamatok váltják fel. Az üzemi részlegek és a gyártási folyamatok olyannyira függetlenné és rugalmassá válnak, hogy még a legkisebb tételméret esetén is lehetőség lesz a gyártásra gyors termékváltással, úgy, hogy tetszőleges számú termékváltozat készíthető.

A gépek közötti kommunikációnak köszönhetően az egyes gépek is kiadhatnak parancsokat, például a nyerstermékek szállítására vagy meghatározott gyártási szolgáltatás használatára vonatkozóan. A termék szemantikai memóriája dinamikusan vezérli a saját gyártási folyamatát, ami lehetővé teszi az 1 tételméretű decentralizált tömeggyártást.

Az intelligens összetevők nagy része vezeték nélküli hálózathoz csatlakozó mobil eszköz lesz, ami azt jelenti, hogy elveszítjük azokat a fontos helyzeti adatokat, amelyeket implicit módon rendelkezésünkre bocsátottak a régi típusú vezetékes rendszerek „kábeles végpontjai” (lásd az 1. ábrát). Ez különösen az üzemi tevékenységek területén kritikus fontosságú. A mobil eszközt, például okostelefont használó dolgozók pontos tartózkodási helye már nem állapítható meg. A felhasználó bárhol lehet az üzem területén, akár a büfében is. Az alkalmazásnak figyelembe kell vennie a dolgozó aktuális tartózkodási helyét annak meghatározásához, hogy egy adott funkció használható-e az adott helyzetben. A probléma megoldásához nem csak a GPS funkcióihoz hasonló funkciókat biztosító beltéri helyzetmeghatározó rendszerekre van szükség, hanem olyan új szabályokat és módszereket kell alkotni az emberek és a gépek környezetfüggő interakciójának megtervezéséhez, amelyekkel megoldható a jelenleg használt hardver- és szoftvereszközök szétválasztása.

1. ábra: Intelligens tárgyak – mobilitás, modularitás és decentralizáltság

Új kommunikációs architektúrák

Napjaink gyárai szigorú, hierarchikus információ-struktúrát alkalmaznak. A felsőbb szinteken található a vállalati erőforrás-tervezési (ERP) rendszer, ezalatt az üzemi vezérlési rendszerek (MES és NC/PLC), és végül a legalsó szinten helyezkednek el az üzem érzékelő- és aktuátor-rendszerei, az ún. helyszíni eszközök. Bár az utóbbi években ezek a szintek egyre inkább integrálódtak, a rendszerintegráció elsősorban a vízszintes irányt követte, és nem a függőlegest. Nyilvánvaló, hogy a kiber-fizikai rendszerek hálózata ezen architektúrák új megközelítését fogja igényelni. Az erős vízszintes irányú hálózatkezeléssel és a gyenge függőleges irányú kommunikációval jellemezhető, piramis alakú általános struktúrákat egy tartományorientált hálózati struktúra fogja felváltani, amely elvileg tetszőleges számú utat tud biztosítani a gyár minden információszintje között.

Az IoT és a CPS elveire épülő üzemi rendszerek által feleslegessé fognak válni a jelenlegi PLC-rendszerek, mivel az összes végponti eszköz kommunikálni tud majd az összes többi eszközzel, függetlenül attól, hogy melyik szinten helyezkedik el. A folyamatlogika (avagy az összehangolt irányítás) meghatározása a hálózatban fog történni, és nem egy meghatározott vezérlési összetevőkben.

Új programozási paradigmák

A hardverstruktúrák legnagyobb részét jelenleg olyan programozott vezérléssel irányítják, amely általában 20 éves vagy még régebbi szabályokon és szabványokon alapul. A hálózatot alkotó kiber-fizikai rendszerek jövőbeli világában szigorúan el kell különíteni a hardvert és a vezérlő logikát. Már több paradigma is létezik erre vonatkozóan. Ilyenek például a szolgáltatás-orientált architektúrák (SoA) és a többügynökös architektúrák (MAS).

Mindkét megközelítés függetlenül és absztrakt módon kezeli a hardveres funkcionalitást, és tartalmazza az önszervező rendszerek mechanizmusait. Ezenkívül több programozási modell is létezik már, amely engedélyezi a vezérlő logika vagy az összehangolt irányítás meghatározását. Az ilyen megközelítések azonban magas szintű informatikai tudást igényelnek, ami megnehezíti a bevezetésüket és alkalmazásukat az üzemi szinten, mivel az ott dolgozó személyek nem rendelkeznek ilyen jártassággal. Ezt figyelembe véve a legígéretesebbnek az tűnik, hogy ezeket az architektúra paradigmákat a gyár felsőbb szintjeiről (ahol ezek részben már működnek) a középső szint MES-rendszerein keresztül telepítjük át, mivel ez a megoldás figyelembe veszi az érintett személyzet műszaki képzettségét is.

Napjaink gyártástervezési és -vezérlési folyamatában a vezérlőrendszer kialakítása a tervezési szakasz végére esik, mivel az a mechanikai és az elektronikai tervezés eredményein alapul. A vezérlő logika programozása csak akkor kezdődik el, ha már kiválasztották a vezérlő terminálokat és meghatározták a huzalozásuk módját. Az absztrakción alapuló modellek, például a SoA, hasznos segítséget nyújthatnak az eredetileg kialakított hardverrel való kapcsolat megszakításához, valamint újrahasznosítható szoftverösszetevők létrehozásához.

A mérnöki tervezés új munkafolyamatára van szükség ahhoz, hogy a hardvert független és funkcionális módon lehessen megtervezni, és a tervezésnél felülről lefelé irányuló megközelítést kell alkalmazni. A hagyományos tervezési tartományokat szorosabban kell összekapcsolni, különösen a tervezés korai szakaszaiban, hogy ez biztosítsa az összehangolás lehetőségét a későbbiekben vagy a tervezési folyamatban. A rendszerkiépítési megközelítések segítséget nyújthatnak az interdiszciplináris feladatok támogatásához, mint ahogy ez beigazolódott a repülőgép-ipar technológia szektorában.

Az átlátható séma létrehozása komoly feladatot jelent a tervezési eredmények és a kapcsolódó tudományágak közötti kölcsönös viszonyok összetettsége miatt. Ez gyakorlati eljárásokat fog igényelni a fokozatosan kiépülő, modellalapú mérnöki tervezési stratégia eléréséhez, emellett szükség lesz megfelelő modellező nyelvekre, adatformátumokra és eszközláncokra.

A jövő intelligens gyárainak azt a célt kell kitűzniük, hogy megszüntessék az eszközhiányt a CAX-/PLM-környezetek és a tényleges működő üzem között. A PLM-eszköznek rendelkeznie kell a teljes rendszerleírások előállítására alkalmas funkcióval, amelyeket azután közvetlenül át lehet alakítani végrehajtható vezérlő szolgáltatásokra. A kódnak lehetővé kell tennie egy virtuális üzem szimulációját, valamint a tényleges üzem kiépítését és működtetését.

Szabványok

Az alapszintű modell leírásában említetteknek megfelelően a hardver és a funkcionalitás szigorú szétválasztása csak akkor lehet sikeres, ha ez szabványokon alapul. A kiber-fizikai rendszerek elemeinek hasonló felépítésűeknek kell lenniük, legalább informatikai értelemben, mint a legó építőkockáknak. Más megfogalmazásban: az elemnek a szabványok szerint kell kommunikálnia a 7 rétegű ISO/OSI modell valamennyi rétegében. Ezek közül az 1–4. adatátviteli réteg már sok elterjedt szabványt alkalmaz, például a különböző IEEE 802.xx vagy Internet Protocol (IP) szabványokat, az alkalmazásalapú 5–7. réteg megfelelő szabványai azonban csak az erőteljes piaci nyomás hatására fognak megérkezni. Nyilvánvaló, hogy egyetlen gyártó sem tartja vonzó ötletnek azt, hogy felcserélhető legókockákká alakítsa át a termékeit. Az ipari vezeték nélküli hálózatokról (például ISA100) és az eszközleíró specifikációs nyelvekről (például FDT) folyó jelenlegi vita ellenállásra és érdekellentétekre utal. Az 5. és a 6. réteghez tartozó OPC UA esetében legalább már számítani lehet egy ígéretes megközelítésre, amelyet egyre több gyártó és felhasználó hajlandó elfogadni.

Biztonság

A jövőbeli gyárak vezérlőrendszereinek megkülönböztető jellemzője az IP-alapú hálózatok használata minden rétegben. Ez lehetővé teszi az adatok problémamentes importálását a helyszíni eszközökből a magasabb szintű ERP - azaz vállalatirányítási - rendszerbe. Ez azonban a nyílt protokollok használata miatt minden eddiginél veszélyesebb számítógépes támadásoknak teheti ki a gyárat. A STUXNET és az egyéb kártékony szoftverek (malware) egyértelműen rávilágítanak arra, hogy ez valós veszély. A kiber-fizikai rendszereken alapuló termelési környezet csak akkor valósítható meg sikeresen, ha a vállalat fontosnak tartja a magas szintű biztonságot, és megbízik az ehhez szükséges technológiában. Ez nem csak technológiai megoldásokat igényel, hanem a szervezeten belüli intézkedéseket is, és ez talán még fontosabb. A biztonság kérdésére adott határozott válasz kulcsfontosságú téma lesz az előrehaladás során, amelyhez az iparnak, a kutatásnak és a kormányzatnak is hozzá kell szólnia.

Milyen lesz a közeli jövő?

Az Industry 4.0 jövőkép jelen verziója előreláthatóan 10–15 éven belül fog érvényesülni a termelési környezetekben. Tekintettel a megválaszolandó kérdésekre és az elvégzendő kutatási munkára, kell még egy kis idő ahhoz, hogy az ilyen holisztikus gyártási környezetek univerzálisan bevezethetővé váljanak, és elfogadják őket az ipar különböző ágazataiban.

Ennek következtében a jövőképhez igazodó első elemeknek és első tárgyaknak még megfelelő fejlődésen kell keresztülmenniük ahhoz, hogy alkalmasak legyenek a gyakorlati használatra. A nagyfelbontású információk elérhetősége és a közegek közötti rések csökkentése szolgáltatja azt az alapot, amelyre felépíthetők a sokoldalú, áttekinthető termelési környezetek. A már elérhető automatikus azonosítási technológiákkal nyomon követhetők az egyes elemek, és megjeleníthetők a digitális világban. A mobil eszközök, például a hordozható számítógépek, a táblagépek vagy a SmartGlass eszközök közvetlen hozzáférést biztosítanak a vállalat tudásbázisához szinte bárhonnan, a vállalaton belül és azon kívül is. Ebből adódóan a döntéseket és a műveleteket átfogó és pontos információk alapján lehet meghozni, a reakciókra is hamarabb lehet számítani, és mindez kiegészül az intelligens segítségnyújtó rendszerek által nyújtott támogatással is (lásd a 2. ábrát).

2. ábra: Mobil eszközök és intelligens segítségnyújtó rendszerek a közeli jövő termelésében

A SmartFactoryKL technológiai kezdeményezés – ez egy gyártótól független szemléltetési és kutatási platform – már hatalmas lépést tett az Industry 4.0 jövőkép felé olyan megoldások kifejlesztésével és alkalmazásával, amelyekkel az ipar jelenlegi kihívásaira választ adó, rugalmas termelési struktúrák alakíthatók ki. A 30-nál is több ipari partnerből álló hálózatában a SmartFactoryKL innovatív infokommunikációs technológiákat tesztel és fejleszt, valamint élethű ipari termelési környezetben teszteli azok alkalmazását. A legújabb projekt keretében egy úttörő jellegű gyártósort fejlesztettek ki, együttműködve a legfontosabb ipari partnereikkel (lásd a 3. ábrát). A gyártósor teljes mértékben moduláris, és az új gyártási modulok a „plug-and-play” módszerrel építhetők be. A „plug-and-play” funkciót a SmartFactoryKL és a partnerei által definiált mechanikai, elektronikai és informatikai szabványok alapján valósították meg.

3. ábra: A SmartFactoryKL által készített, a jövőbeli termelést bemutató mintaüzem

Távlati kilátások

A technológiai forradalmak soha sem hirtelen törtek ki. Inkább az volt a jellemző, hogy a forradalmi változások több évtizeden keresztül mentek végbe, a különböző műszaki területeken elért fejlődés (a technológia nyomó hatása), valamint az új piaci igények (a piac húzó hatása) idézték elő őket. Nagyon valószínű, hogy az Industry 4.0 felé irányuló jelenlegi közeledés is hasonló, több évtizedre kiterjedő fejlődést fog eredményezni. A pozitívum az, hogy az Industry 4.0 olyan világos jövőképet vetít elénk, amelyet a gyártók és a végfelhasználók is sikeresen követhetnek. Az informatikai környezet tudományos szempontjai szorosan kapcsolódnak a termelési környezet követelményeihez. Ez a hagyományosan különálló tudományágak interdiszciplináris együttműködését követeli meg.

Ebben az átállási folyamatban azonban az ember lesz a legfontosabb tényező. A három előző forradalmat elemezve egyértelmű, hogy az ember szükségletei és az életszínvonal volt a változások elsődleges hajtóereje. Ha ezek az igények összetalálkoznak a megfelelő technológiai határfeltételekkel, akkor ez táptalajt jelent az innovatív változások számára. A harmadik ipari forradalom, vagy közkeletűbb elnevezéssel a digitális forradalom óta számos innovatív technológia és politikai változás volt hatással az emberek életére. A jellemző példák közé tartozik a hidegháború vége, amikor megnyíltak a globális piacok – elsősorban Kínában –, és elkezdődött a technológiai fejlődés (gondoljunk csak az internetre és a sok intelligens eszközre).

Az ember egyrészt fontos szerepet tölt be a technológiai fejlődés előmozdítójaként, másrészt az emberre is hatással van a technológia. A modern infokommunikációs technológiák rendkívüli fejlődést eredményeznek minden üzleti folyamatban, és globális értelemben is. A gyártóüzemek és a szervizek ellátási ajánlatai másodpercek alatt elküldhetők a világ bármely pontjára, és ugyanígy pillanatok alatt létrehozhatók globális megoldásszállító szindikátusok is. A hatékonyabb és jobban integrált, szárazföldi, tengeri és légi szállítást felölelő logisztikai rendszerek révén az áruk sokkal gyorsabbak eljuttathatók az ügyfelekhez. Ahhoz, hogy sikeresek legyenek a globális versenyben, a termelési rendszereknek gyors reagáló- és alkalmazkodó-képességre van szükségük, amit az infokommunikációs technológiák fejlesztésével érhetnek el. Az embereknek az új rendszerek által teremtett környezetben minden eddiginél gyorsabban kell végrehajtaniuk a tervezéshez, a megvalósításhoz és a működtetéshez szükséges műveleteket. Csak azok az országok lesznek sikeresek a globális piacon, amelyek időben tudják az új valósághoz igazítani az állampolgáraik képzését és oktatását.

Európa jó helyzetben van ebből a szempontból. Az EU a világ élvonalába tartozik a hálózatba kapcsolt beágyazott rendszerekkel és a szemantikai technológiákkal kapcsolatos kutatások, valamint az összetett kiber-fizikai rendszerek tervezésének területén. Ebben rejlik az európai ipar nagy lehetősége: végrehajthat egy technológiai kvantumugrást, és mesterien uralhatja a globális piac kihívásait.

Szakirodalom:

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, 34. kötet, 1. kiadás, ISSN 1367-5788


[VÉGE]


Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Detlef Zühlke

Detlef Zühlke a mesterséges intelligenciával foglalkozó német DFKI kutatóközpont innovatív üzemi rendszereket kutató IFS részlegének (DFKI-IFS) igazgatója Kaiserslauternben. Emellett ő indította el a SmartFactoryKL kezdeményezést, amelyben ő az igazgatótanács elnöke, és ő tölti be a Kaiserslauterni Egyetem termelés-automatizálási tanszékének vezetői tisztségét is.

Dr.-Ing. Dominic Gorecky
Dominic Gorecky a DFKI-IFS vezető kutatója és helyettes vezetője. Feladatai közé tartozik a részleg tudományos irányítása és stratégiai koordinálása.

M. Sc. Stefanie Fischer
Stefanie Fischer a SmartFactory kutatója és kommunikációs vezetője. Ebben a munkakörben különböző projekteken dolgozik, feladatai közé tartozik a marketing és a kommunikáció.

SKF logo