Module cookie pe site-ul web SKF

SKF utilizează module cookie pe site-urile companiei pentru a alinia informațiile prezentate cât mai asemănător posibil pentru preferințele vizitatorilor noștri, cum ar fi alegerea țării și limbii. Acceptați modulele cookie SKF?

Will you accept SKF cookies?

Raportul Energie pentru viitor: Cum va revoluționa Internetul Obiectelor producția industrială

2015 februarie 04, 08:50 CEST

AUTORI: Profesorul Detlef Zühlke, Dr. Dominic Gorecky și Stefanie Fischer, Departamentul de Sisteme Inovatoare pentru Fabrici din cadrul Centrului German de Cercetare

Sub presiunea globalizării, industria noastră va trece printr-o perioadă de provocări importante, inclusiv cicluri de viață mai scurte ale produselor, produse extrem de personalizate și competiție dură din partea diverselor piețe din întreaga lume. Aceste provocări sunt deja evidente pe piața actuală a telefoanelor mobile. Ciclurile de viață ale produselor s-au redus cu aproximativ 6-9 luni, în timp ce funcționalitățile și complexitatea produselor au crescut în mod constant.

În prezent, o dezvoltare comparabilă are loc în alte sectoare, cum ar fi industria automobilelor. Cu produse din ce în ce mai complexe și cicluri de viață tot mai limitate ale produselor, tehnologiile asistate de calculator (CAX) continuă să devină tot mai importante în timpul perioadei de optimizare și accelerare intensificată a producției. Deși progresele înregistrate de CAX în ultimii zece ani au îmbunătățit flexibilitatea în fazele de proiectare și planificare, un pas inovator similar este încă anticipat în faza de producție efectivă. O variabilitate ridicată a produselor, aliniată cu un ciclu de viață mai scurt al produselor, necesită o structură de producție agilă și flexibilă, care poate fi reconfigurată rapid pentru cererile de produse noi. Acest grad de flexibilitate nu poate fi obținut de automatizarea tradițională. În schimb, structurile de fabrici modulare compuse din dispozitive inteligente - așa numitele „Sisteme Cyber-Physical” (CPS) - care sunt parte a rețelei „Internetul Obiectelor”, sunt elementele cheie care permit scenarii de producție adaptabile ce pot atât să se adreseze provocărilor actuale, cât și să le depășească.

În ultimii zece ani, am fost martorii unei transformări fundamentale în viața noastră de zi cu zi odată cu apariția și dezvoltarea Tehnologiilor Informației și Comunicării (ICT). Calculatoarele devin atât de reduse în dimensiuni încât par să dispară în interiorul a aproape tuturor dispozitivelor noastre tehnice. Dincolo de toate acestea, lucrurile comunică într-o rețea globală: Internetul.


Când reflectăm la parcurgerea acestui drum în viitor, descoperim că aproape toate lucrurile din viața de zi cu zi vor deveni noduri inteligente în cadrul unei rețele globale. Acest fenomen este denumit „Internetul Obiectelor” (IoT); o tendință care aproape cu siguranță își va găsi drumul în producția industrială. Polarizarea puternică a lumii electrotehnice și ierarhice a automatizării fabricilor va face tranziția la rețele de fabrici inteligente, care vor beneficia tot mai mult de avantajele oferite de științele ICT și ale calculatoarelor. În Germania, a început o dezbatere importantă pe tema celei de-a patra Revoluții Industriale sau, prescurtat, „Industria 4.0".

Interesul a fost în continuă creștere de la introducerea acestui termen de către Kagermann/Lukas/Wahlster (2011 - Referința 1) în aprilie 2011. La imboldul unui grup de lucru format din experți din comunități științifice și de afaceri, a fost dezvoltată o viziune pentru industria germană, oferită sub formă de recomandări adresate guvernului federal. Ca rezultat, a fost înființat un program de cercetare care va beneficia de finanțări de aproximativ 200 de milioane EUR în următorii câțiva ani. În plus, cele trei asociații industriale importante din Germania (VDMA, ZVEI și BitKom) și-au unit forțele pentru a crea o platformă comună care să faciliteze coordonarea tuturor activităților Industria 4.0.

Aceste acțiuni au contribuit la o publicitate generală, care a fost promovată în principal prin intermediul canalelor media. Totuși, există și un interes real din partea industriilor producătoare pentru obținerea succesului durabil al acestei viziuni. Germania este o țară înalt-tehnologizată și generează o mare parte din produsul intern brut al său (PIB) din producția de bunuri, precum și din echipamentul de producție necesar. Următoarea secțiune prezintă provocările fundamentale și schimbările anticipate în viziunea Industriei 4.0.

Viziunea Industriei 4.0

O trăsătură distinctă a noului mediu tehnologic este tranziția la sistemele mecatronice. Electronica va fi componenta fundamentală a produselor viitoare, iar partea de hardware va fi standardizată din ce în ce mai mult. Caracteristicile importante care determină funcționalitățile vor fi create de software. În acest mod, componentele tradiționale ale utilajelor sunt transformate în sisteme mecatronice. O funcție poate fi implementată în mod mecanic, respectiv electronic sau printr-un software. Prin urmare, proiectarea și producția, precum și service-ul, necesită o echipă interdisciplinară, care să combine competențele inginerești din domeniul mecanic, electric și de software și să le canalizeze către un inginer universal.

Obiecte inteligente 

Factorul cheie pentru viziunea Industria 4.0 este „Internetul Obiectelor” (IoT). În cadrul acestei viziuni, toate „obiectele” fabrică vor avea o adresă IP unică și vor fi integrate în rețele. Termenul tehnic creat pentru un astfel de obiect este „Sistem Cyber-Physical” (CPS) (2012 - Referința 2). În fabricile viitorului, ierarhia tradițională a producției va fi înlocuită de o auto-organizare descentralizată, posibilă prin intermediul CPS. Secțiunile fabricilor și procesele de producție vor deveni atât de independente și de flexibile încât chiar și cea mai mică mărime a loturilor poate fi produsă în condițiile schimbării rapide a produselor și a oricărui număr de opțiuni.

Comunicarea utilaj-utilaj permite transmiterea de comenzi de către utilaje separate, de exemplu, pentru transportul unui produs brut sau pentru utilizarea unui anumit serviciu de producție. Memoria semantică a produsului controlează în mod dinamic procesul său de producție și, prin urmare, permite descentralizarea producției în masă la mărimea lotului „1”.

Multe dintre aceste elemente inteligente vor fi mobile și conectate împreună prin rețele wireless, ceea ce presupune pierderea datelor de poziționare vitale care ne-au fost furnizate în mod implicit de „capătul cablului” în vechile sisteme prin cablu (comparați Figura 1). Acest aspect este critic în special în ceea ce privește operațiunile din fabrică. Un angajat care folosește un dispozitiv de operare mobil, cum ar fi un telefon inteligent, nu mai poate fi localizat într-o anumită poziție. Utilizatorul poate fi undeva în atelierul de producție, dar poate la fel de bine să fie în bufetul cu autoservire. Aplicația trebuie să aibă în vedere poziția actuală a angajatului pentru a putea descifra dacă o funcționalitate este suportată sau nu momentan. Pentru a rezolva această dilemă, nu numai că va fi nevoie de sisteme de localizare interioară cu caracteristici comparabile cu sistemul GPS, ci vor trebui găsite reguli și metode noi pentru proiectarea interfețelor om-utilaj sensibile la context care permit o decuplare a hardware-ului și software-ului de operare utilizate momentan.

Figura 1: Obiecte inteligente - mobile, modulare și descentralizate.

Noi arhitecturi de comunicare

Fabricile de astăzi urmează o structură de informații ierarhizată, strictă. La nivelurile superioare, avem sistemul de planificare a resurselor întreprinderii (ERP), care este instalat deasupra sistemelor de control ale fabricii (MES și NC/PLC) și, la nivelul inferior, sistemele de senzori și actuatoare ale fabricii, așa numitele dispozitive de câmp. Deși în ultimii ani aceste niveluri au fost integrate din ce în ce mai mult între ele, integrarea importantă a sistemelor a avut loc pe orizontală, și nu pe verticală. O rețea CPS va necesita în mod inevitabil o nouă abordare a arhitecturilor. Structurile obișnuite, piramidale, caracterizate de rețele dezvoltate puternic pe orizontală, precum și de comunicare slabă pe verticală, vor fi înlocuite de o structură de rețele orientate pe domenii care, în principiu, permite orice număr de căi în cadrul tuturor nivelurilor de informații ale fabricii.

Sistemele fabricilor construite pe principiile IoT și CPS vor face ca sistemele PLC de astăzi să fie inutile, deoarece fiecare dispozitiv final va comunica cu fiecare alt dispozitiv final, chiar dacă se află la un nivel diferit. Specificația logicii procesului (cunoscută și ca orchestrare) va avea loc în rețea, nu în cadrul unui element de control dedicat.

Noi paradigme de programare

În prezent, comenzile programelor se bazează pe structurile de hardware care, în general, se bazează la rândul lor pe reguli și standarde vechi de cel puțin 20 de ani. În lumea viitoare a CPS auto-organizate în rețea, hardware-ul și logica controlului trebuie să fie separate strict. Mai multe paradigme există deja în acest sens. De exemplu, arhitecturile orientate spre service (SoA) sau arhitecturile multi-agent (MAS).

Ambele abordări încorporează și abstractizează funcționalitatea hardware-ului și conțin mecanisme pentru sistemele de auto-organizare. În plus, o serie de modele de programe existente deja permit specificația logicii controlului sau orchestrării. Totuși, asemenea abordări necesită un grad ridicat de cunoștințe în domeniul științei calculatoarelor, care complică implementarea la nivelul atelierului de producție de către personalul care nu are instructajul necesar. În acest sens, calea cea mai promițătoare a migrației unor asemenea paradigme de arhitectură din nivelul superior al fabricii, în care sunt deja parțial în desfășurare, este prin sistemele MES de nivel mediu, ceea ce ia în considerare și cunoștințele tehnice ale personalului implicat.

În prezent, în planificarea producției și procesul de control, proiectarea sistemului de control intră în discuție la finalul fazei de planificare, deoarece se bazează pe rezultatele proiectărilor mecanice și electrice. Programarea comenzilor logice nu începe până când terminalele de control nu sunt selectate și nu este decis modul în care acestea urmează să fie conectate. Conceptele de abstracție, cum ar fi SoA, pot fi folositoare pentru separarea relației cu hardware-ul de implementare inițial și crearea componentelor reutilizabile de software.

Stabilirea unui nou flux tehnologic este necesară pentru a oferi abordarea necesară de planificare funcțională, independentă și de sus în jos a hardware-ului. Domeniile de planificare tradiționale trebuie să fie mai bine integrate, în special în fazele de planificare inițiale, pentru a oferi ulterior alinierea în cadrul procesului de planificare. Abordările tehnologice ale sistemelor pot ajuta la susținerea sarcinilor interdisciplinare, așa cum s-a demonstrat cu succes în sectorul tehnologiei aerospațiale.

Crearea unei prezentări transparente este, prin urmare, o provocare datorită complexității rezultatelor planificării și a interrelațiilor dintre disciplinele asociate. Aceasta va necesita proceduri practice pentru obținerea unei strategii tehnologice incrementale, bazată pe model, precum și limbaje de modelare adecvate, formate de date și lanțuri de instrumente.

Obiectivul pentru fabricile inteligente viitoare trebuie să fie îndepărtarea decalajului media dintre mediile CAX/PLM și fabrica funcțională propriu-zisă. Instrumentul PLM trebuie să aibă capacitatea de a genera descrieri complete ale sistemelor, care se pot converti direct în servicii de control executabile. Codul trebuie apoi să permită atât simularea unei fabrici virtuale, cât și setarea și operarea fabricii propriu-zise.

Standarde

Așa cum apare descris în modelul de bază, separarea strictă a hardware-ului și funcționalității poate avea succes numai dacă este bazată pe standarde. Un element CPS trebuie să fie construit într-un mod similar, cel puțin în ceea ce privește tehnologia informației, asemănător unui bloc de construcție LEGO. Cu alte cuvinte, elementul trebuie să comunice pe baza standardelor la toate nivelurile modelului cu 7 niveluri ISO/OSI. Cel puțin nivelurile de transport 1-4 se bazează deja pe multe standarde stabilite, cum ar fi diversele standarde IEEE 802.xx sau Internet Protocol IP; standardele respective pentru nivelurile 5-7 bazate pe aplicații vor fi create numai sub presiunea uriașă a pieței. Este evident faptul că niciun producător nu este atras de ideea transformării produselor sale în blocuri LEGO interschimbabile. Dezbaterea actuală pe tema unui proces standard în segmentul rețelelor wireless industriale (de ex. ISA100) sau limbajului de specificare a descrierii dispozitivului (de ex. FDT) indică atât rezistența, cât și conflictul de interese. Cel puțin pare să existe o abordare de implementare promițătoare cu OPC UA pentru nivelurile 5-6 pe care tot mai mulți producători și utilizatori sunt dispuși să o accepte.

Siguranța

O caracteristică distinctivă a sistemelor de control ale fabricilor viitoare este utilizarea rețelelor bazate pe IP la toate nivelurile. Aceasta facilitează importul de date de la un dispozitiv de câmp la sistemul ERP de la nivelul superior fără nicio problemă. Totuși, aceasta poate crea pentru fabrică riscul atacurilor cibernetice tot mai puternice prin utilizarea de protocoale deschise. STUXNET și alte software-uri rău intenționate (malware) evidențiază clar faptul că pericolul este unul real. Un mediu de producție bazat pe CPS poate fi implementat în cele din urmă cu succes numai dacă standardul ridicat de securitate și încredere în această tehnologie provine din cadrul afacerii. Aceasta necesită nu numai soluții tehnologice, ci, poate mai important, și măsuri organizaționale. Un răspuns definitiv la întrebarea cu privire la siguranță va fi un subiect cheie pe parcurs și necesită propuneri din partea industriei, domeniului cercetării și guvernului.

Cum va arăta viitorul imediat?

Se preconizează că această versiune a viziunii Industriei 4.0 își va găsi drumul în mediile de producție viitoare în aproximativ 10-15 ani. În ceea ce privește toate întrebările la care trebuie să se răspundă și toate cercetările care trebuie efectuate, va fi încă nevoie de timp până când asemenea scenarii de producție holistice vor fi implementate la nivel global și acceptate în industriile noastre.

Prin urmare, primele elemente și primele obiecte, potrivite viziunii, vor urma un traseu evolutiv înainte de a-și găsi drumul în utilizarea practică. Disponibilitatea informațiilor în rezoluție înaltă și reducerea decalajelor media constituie fundația care permite medii de producție transparente și versatile. Tehnologiile de auto-identificare deja disponibile pot ajuta la urmărirea elementelor și reprezentarea acestora în lumea digitală. Dispozitivele mobile, cum ar fi laptopurile, tabletele-calculatoare personale sau ochelarii inteligenți oferă acces imediat la cunoștințele întreprinderii aproape de oriunde și oricând - în cadrul afacerii și din exterior. Prin urmare, deciziile și acțiunile pot fi bazate pe informații complete și precise, iar reacțiile vor urma rapid, susținute de sisteme de asistență inteligente, așa cum este prezentat în figura 2.

Figura 2: Dispozitivele mobile și sistemele de asistență inteligente în producția din viitorul imediat.

Inițiativa tehnologică SmartFactoryKL - ca demonstrație independentă de producător și platformă de cercetare - a făcut deja un pas uriaș spre viziunea Industria 4.0 prin dezvoltarea și lansarea soluțiilor care permit structuri de producție flexibile, adresându-se provocărilor actuale din industrie. În cadrul rețelei sale de peste 30 de parteneri industriali, SmartFactoryKL testează și dezvoltă tehnologii de informații și comunicații inovatoare și aplicațiile acestora într-un mediu de producție industrială realist. În cadrul ultimului proiect, într-un efortul comun cu parteneri industriali cheie, a fost dezvoltată o linie de producție revoluționară (vedeți Figura 3). Linia de producție este complet modulară și permite o integrare plug-and-play (conectare și utilizare) a noilor module de producție. Funcționalitatea plug-and-play este obținută pe baza unui set de standarde tehnice mecanice, electronice și informaționale definite de către SmartFactoryKL și partenerii săi.

Figura 3: Fabrică demonstrativă pentru producția viitoare în SmartFactoryKL.

Previziune

Nicio revoluție tehnologică nu a fost inițiată în grabă. Transformările au loc mai des într-o tranziție evolutivă, de-a lungul unei perioade de mai multe decenii, survenind datorită progreselor realizate în mai multe domenii tehnice (determinate de tehnologie), dar și ca rezultat al noilor cerințe ale pieței (determinate de piață). Este foarte probabil ca deplasarea actuală către Industria 4.0 să aibă un aspect evolutiv similar care va dura mai multe decade. Un aspect pozitiv este că Industria 4.0 oferă o viziune clară la care se pot adapta cu succes atât producătorul, cât și clientul final. Cunoștințele științifice din mediul IT sunt corelate îndeaproape la cerințele mediului de producție. Aceasta necesită cooperarea interdisciplinară a disciplinelor separate în mod tradițional.

Totuși, oamenii vor fi factorul cel mai important în acest proces de tranziție. Dacă sunt analizate cele trei revoluții anterioare, este evident faptul că nevoile umane și standardele de trai au reprezentat principala forță motrice din spatele schimbărilor. Când aceste cerințe întrunesc condițiile limitelor tehnologice potrivite, pare să aibă ca rezultat terenuri fertile pentru schimbările inovatoare. De la a treia Revoluție Industrială, cunoscută în general ca Revoluția Digitală, multe tehnologii inovatoare, precum și schimbări politice au influențat modul de conviețuire al oamenilor. Exemplele tipice includ încetarea Războiului Rece, deschiderea piețelor globale - în special piața chineză - împreună cu progresul tehnologic (de exemplu internetul și multele dispozitive inteligente).

Oamenii nu au numai rolul important de creatori de tehnologie, ci și rolul de utilizatori de tehnologie. Tehnologia modernă a informației și comunicării (ICT) duce la o accelerare rapidă a tuturor proceselor de afaceri și face acest lucru într-un context global. Oferte către servicii și fabrici de producție furnizoare pot fi trimise în câteva secunde în întreaga lume, iar consorții globale pot fi constituite instantaneu pentru furnizarea de soluții. Sisteme de logistică integrate și mai eficiente derulate la sol, pe mare și în aer pot livra bunuri către clienți într-un timp mult mai scurt. Pentru a avea succes în competiția globală, sistemele de producție au nevoie de agilitatea și capacitatea de a face tranziția rapid. Acest lucru va fi posibil datorită progreselor înregistrate de ICT. Oamenii vor trebui să planifice, implementeze și opereze din ce în ce mai rapid în acest mediu al noilor sisteme. Numai acele țări din lume care reușesc să adapteze în timp util instructajul și educația cetățenilor lor la noile realități vor avea succes în cadrul pieței globale.

Europa este bine poziționată în această privință. UE este printre liderii mondiali în domeniul cercetării în ceea ce privește sistemele încorporate în rețea, tehnologiile semantice și proiectarea de sisteme cyber-physical complexe. Aceasta oferă o oportunitate deosebită pentru industriile europene de a efectua un salt tehnologic semnificativ și de a depăși provocările pieței globale.

Referințe

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


[SFÂRȘIT]


Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Detlef Zühlke

Detlef Zühlke este Directorul Departamentului de Sisteme Inovatoare pentru Fabrici din cadrul Centrului German de Cercetare (DFKI-IFS) pentru Inteligență Artificială din Kaiserslautern. De asemenea, el este inițiatorul și Președintele Consiliului Executiv al SmartFactoryKL și conduce automatizarea producției la Universitatea din Kaiserslautern.

Dr.-Ing. Dominic Gorecky
Dominic Gorecky este Cercetător Senior și Director Adjunct în cadrul DFKI-IFS. El este responsabil pentru managementul științific și coordonarea strategică a departamentului.

M. Sc. Stefanie Fischer
Stefanie Fischer este cercetător și Director de Comunicare în cadrul SmartFactory. Ea lucrează la diferite proiecte și este responsabilă cu partea de marketing și comunicare.

SKF logo