Izveštaj o energiji za budućnost: Kako će Internet stvari napraviti preokret u industrijskoj proizvodnji

2015 фебруар 04, 08:50 CEST

AUTORI: Profesor dr Detlef Cilke, Dominik GoreckI i Stefani Fišer, sektor Inovativni fabrički sistemi u Nemačkom Centru za istraživanje

Pod pritiskom globalizacije, naša industrija će proći kroz period velikih izazova, uključujući kraće životne cikluse proizvoda, visoko specijalizovane proizvode i jaku konkurenciju, sa raznih tržišta širom sveta. Ovi izazovi su već očigledni na današnjem tržištu mobilnih telefona. Životni ciklusi proizvoda su se smanjili na oko 6-9 meseci, dok su se funkcionalnosti, a takođe i kompleksnost proizvoda neprestano povećavali.

Komparativni razvoj se trenutno odvija u drugim sektorima, kao što je automobilska industrija. Sa proizvodima koji postaju složeniji i sa ograničenijim životnim ciklusom proizvoda, računarskim tehnologijama (CAX) će nastaviti da raste značaj tokom optimizacije povećanja nivoa proizvodnje i perioda ubrzanja. Mada je napredak CAX-a tokom proteklih deset godina povećao fleksibilnost u fazama projektovanja i planiranja, sličan prodor se još očekuje u stvarnoj proizvodnoj fazi. Velika varijabilnost proizvoda zajedno sa skraćenim životnim ciklusom proizvoda zahteva prilagodljivu i fleksibilnu proizvodnu strukturu, koja se može brzo ponovo konfigurisati za nove zahteve proizvoda. Ovaj stepen fleksibilnosti ne može da se postigne tradicionalnom automatizacijom. Umesto toga, modularne strukture fabrike koje se sastoje od pametnih uređaja – takozvani „Kibernetsko-fizički sistemi“ (CPS) – koji su deo mreže „Interneta stvari“, su ključni elementi za omogućavanje proizvodnih scenarija koji se mogu prilagoditi, a koji mogu i da rešavaju i prevazilaze trenutne izazove.

U poslednjih deset godina, svedoci smo fundamentalne transformacije u našem svakodnevnom životu sa pojavom i rastom informacionih i komunikacionih tehnologija (ICT). Računari postaju toliko mali da izgleda da iščezavaju unutar skoro svih naših tehničkih uređaja. Osim svega ovog, stvari komuniciraju u mreži širom sveta: Internet.


Kada razmišljamo sledeći ovu putanju u budućnost, shvatamo da će skoro sve svakodnevne stvari postati pametni čvorovi u okviru globalne mreže. Ovaj fenomen se naziva „Internet stvari“ (IoT); trend koji će skoro sigurno pronaći svoj put u industrijsku proizvodnju. Snažna polarizacija u elektro-tehničkom i hijerarhijskom svetu fabričke automatizacije će preći na pametne fabričke mreže, koje će imati sve više koristi od napretka u ICT i računarskim naukama. U Nemačkoj, započela je velika rasprava o četvrtoj industrijskoj revoluciji ili, ukratko, „Industry 4.0“.

Zainteresovanost je kontinuirano rasla otkad su ovaj izraz u aprilu 2011. godine uveli Kagerman/Lukas/Valster (2011 – referenca 1). Pod podsticajem radne grupe koja je formirana od stručnjaka u naučnim i poslovnim zajednicama, razvijena je vizija za nemačku industriju i data u obliku preporuka saveznoj vladi. Kao rezultat, ustanovljen je istraživački program, sa ulaganjem od približno 200 miliona evra tokom sledećih nekoliko godina. Osim toga, tri najveća nemačka profesionalna udruženja (VDMA, ZVEI i BitKom) su udružila snage da stvore zajedničku platformu za olakšanje koordinacije svih aktivnosti Industrije 4.0.

Ove akcije su doprinele opštem publicitetu, koji je uglavnom promovisan preko medijskih kanala. Međutim, postoji i istinska zainteresovanost od strane proizvodne industrije za postizanje održivog uspeha ove vizije. Nemačka je visoko-tehnološki razvijena nacija i generiše veliki deo svog bruto domaćeg proizvoda (BDP) od proizvodnje robe, kao i od potrebne proizvodne opreme. Sledeći odeljak prezentira fundamentalne izazove i promene koji se predviđaju u viziji Industrije 4.0.

Vizija Industrije 4.0

Karakteristična crta novog tehnološkog okruženja je prelazak na mehatroničke sisteme. Elektronika će biti fundamentalna komponenta budućih proizvoda, dok će hardver biti sve više standardizovan. Glavne karakteristike koje će određivati funkcionalnosti će biti kreirane od strane softvera. Na ovaj način se tradicionalni mašinski elementi transformišu u mehatroničke sisteme. Funkcija može da se implementira pomoću mehanike, elektronike ili softvera. Projektovanje i proizvodnja, kao i servis, stoga zahtevaju interdisciplinarni tim kombinovanjem kompetencija u mašinskom, elektro i softverskom inženjeringu do univerzalnog inženjera.

Pametni predmeti 

Ključni pokretač za viziju Industrije 4.0 je “Internet stvari” (IoT). U ovoj viziji, svi fabrički ‘predmeti’ će imati jedinstvenu IP adresu i biti integrisani u mreže. Tehnički izraz skovan za taj predmet je ‘Kibernetsko-fizički sistem’ (CPS) (2012 – referenca 2). Tradicionalna proizvodna hijerarhija će biti zamenjena decentralizovanom samoorganizacijom koju će CPS omogućiti u fabrikama budućnosti. Sektori fabrika i proizvodni procesi će postati toliko nezavisni i fleksibilni da se čak i najmanja veličina serije može proizvoditi pod uslovima brze promene proizvoda i bilo kog broja opcija.

Komunikacija mašina-sa-mašinom omogućava da pojedinačne mašine daju komande, na primer, za transport nezavršenog proizvoda ili da se koristi određena proizvodna usluga. Semantička memorija proizvoda dinamički kontroliše svoj proizvodni proces i zato dozvoljava decentralizovanu masovnu proizvodnju u veličini serije ‘1’.

Mnogi od tih pametnih elemenata će biti mobilni i povezani preko bežičnih mreža, što podrazumeva gubljenje vitalnih podataka za pozicioniranjem koje nam je implicitno dostavljao ‘kraj kabla’ u starim ožičenim sistemima (uporedite Sliku 1). Ovo je posebno kritično u oblasti operacija postrojenja. Zaposleni koji koristi mobilni operativni uređaj kao što je pametni telefon, više ne može da se locira na određenom položaju. Korisnik može biti negde u proizvodnom pogonu, ali takođe može biti u kafeteriji. Aplikacija mora uzeti u obzir trenutni položaj zaposlenog, da bi se odgonetnulo da li je funkcionalnost trenutno podržana ili ne. Da bi rešili ovu dilemu, ne samo da će biti potrebni sistemi za unutrašnje lociranje sa sličnim karakteristikama kao GPS, već se moraju pronaći i nova pravila i metodi za projektovanje interfejsa čovek-mašina koji je osetljiv na kontekst za omogućavanje razdvajanja hardvera i operativnog softvera koji je trenutno u upotrebi.

Slika 1: Pametni predmeti – Mobilni, modularni i decentralizovani.

Nove komunikacione arhitekture

Današnje fabrike slede striktnu, hijerarhijsku informacionu strukturu. U gornjim slojevima, pronalazimo sistem planiranja resursa preduzeća (ERP), koji je instaliran iznad sistema za kontrolu postrojenja (MES i NC/PLC) i, u najnižem sloju, senzorske i aktuatorske sisteme postrojenja, takozvane terenske uređaje. Međutim, u poslednjih nekoliko godina ovi slojevi su se sve više integrisali jedni sa drugim; glavna integracija sistema je postignuta u horizontalnom pravcu, a ne vertikalno. Mreža CPS će neminovno zahtevati novi pristup arhitekturama. Zajedničke strukture nalik na piramidu koje karakteriše jako horizontalno umrežavanje, kao i slaba vertikalna komunikacija, će biti zamenjene mrežnom strukturom orijentisanom na domen, koja u principu, omogućava neograničeni broj putanja u svim informativnim slojevima fabrike.

Sistemi postrojenja izgrađeni na principima IoT id CPS će učiniti današnje PLC sisteme suvišnim, jer će svaki krajnji uređaj komunicirati sa svakim drugim, čak i ako se nalazi na različitom sloju. Specifikacija logike procesa (takođe poznata kao orkestracija) će se održavati u mreži, a ne u namenjenom kontrolnom elementu.

Nove paradigme programiranja

Danas, programske kontrole se najvećim delom oslanjaju na hardverske strukture koje su uglavnom zasnovane na pravilima i standardima koji su stari 20 ili više godina. U budućem svetu umreženog samoorganizujućeg CPS-a, hardver i logika kontrole moraju biti striktno razdvojeni. U ovom pogledu već postoji nekoliko paradigmi. Na primer, arhitekture orijentisane na usluge (SoA) ili arhitekture sa više agenata (MAS).

Oba pristupa enkapsuliraju i izdvajaju funkcionalnost hardvera i sadrže mehanizme za samoorganizujuće sisteme. Osim toga, niz programskih modela koji već postoje dozvoljavaju specifikaciju logike kontrole ili orkestracije. Međutim, ovakvi pristupi zahtevaju visok stepen znanja u računarskim naukama, što komplikuje implementaciju na nivou radioničkog pogona od strane ljudi koji nisu obučeni u ovoj oblasti stručnosti. U tom smislu, migracija takvih paradigmi arhitekture iz gornjeg sloja fabrike gde su već delimično raspoređene, preko MES sistema srednjeg sloja je putanja koja najviše obećava, što takođe uzima u obzir tehničko obrazovanje uključenog osoblja.

U današnjem procesu proizvodnje i kontrole proizvodnje, projekat sistema kontrole dolazi na kraju faze planiranja, pošto se oslanja na rezultate mašinskih i elektro projekata. Programiranje logičkih kontrola ne počinje dok se ne izaberu kontrolni priključci i ne odluči se kako oni treba da se ožiče. Koncepti apstrakcije poput SoA mogu biti korisni u prekidanju odnosa sa hardverom za početnu implementaciju i da stvore softverske komponente koje se mogu ponovo koristiti.

Uspostavljanje novog procesa rada u oblasti inženjeringa je potrebno da bi se obezbedio pristup planiranju koji je nezavisan od hardvera, funkcionalan i stepenast od vrha do dna. Tradicionalni domeni planiranja moraju da budu usko integrisani, naročito u ranim fazama planiranja, da bi se obezbedila usklađenost kasnije u procesu planiranja. Pristupi sistemskog inženjeringa mogu pomoći da podrže interdisciplinarne zadatke, kao što je uspešno pokazano u vazdušno kosmičkom tehnološkom sektoru.

Kreiranje transparentne prezentaciju je stoga izazov zbog kompleksnosti rezultata planiranja i uzajamnih odnosa među povezanim disciplinama. To će zahtevati praktične procedure da bi se postigla postepena, strategija inženjeringa zasnovana na modelu, kao i odgovarajuće modeliranje jezika, formata podataka i lanaca alata.

Cilj za buduće pametne fabrike mora biti uklanjanje medijskog jaza između okruženja CAX/PLM i stvarnog funkcionisanja postrojenja. Alat PLM treba da poseduje sposobnost da generiše kompletne opise sistema, koji se mogu direktno pretvoriti u izvršne usluge kontrole. Kôd mora tada da omogući i simulaciju virtuelnog postrojenja, kao i organizovanje i funkcionisanje stvarnog postrojenja.

Standardi

Kao što je opisano u osnovnom modelu, striktno razdvajanje hardvera i funkcionalnosti može biti uspešno samo ako se zasniva na standardima. Element CPS mora da bude ugrađen u sličnom stilu, bar u smislu informacionih tehnologija, kao LEGO kocke za sklapanje. Drugim rečima, elemenat mora da komunicira na osnovu standarda u svim slojevima modela sa 7 slojeva ISO/OSI. Bar transportni slojevi 1-4 se već oslanjaju na mnoge etablirane standarde kao što su različiti IEEE 802.kk ili IP standardi Internet protokola; odgovarajući standardi za slojeve 5-7 zasnovane na aplikacijama će stići samo pod masivnim tržišnim pritiscima. Očigledno je da nijednog proizvođača ne privlači ideja pretvaranja njegovih proizvoda u zamenjive LEGO kocke. Trenutna rasprava o postupku standarda u oblasti industrijskih bežičnih mreža (npr. ISA100) ili jezik specifikacije opisa uređaja (npr. FDT) ukazuje kako na otpor, tako i na sukob interesa. Bar izgleda da se pojavljuje obećavajuća implementacija pristupa sa OPC UA za slojeve 5-6, koju je sve više proizvođača i korisnika voljno da prihvati.

Sigurnost

Karakteristična crta budućih kontrolnih sistema fabrika je upotreba mreža na bazi IP u svim slojevima. Ovo olakšava uvoz podataka sa uređaja na terenu na ERP sistem višeg nivoa bez bilo kakvih problema. Međutim, ovo može dovesti fabriku u opasnost od sve snažnijih sajber napada kroz upotrebu otvorenih protokola. STUXNET i drugi maliciozni softveri (zlonamerni softveri) čine potpuno jasnim da je pretnja realna. Proizvodno okruženje zasnovano na CPS-u može na kraju biti uspešno realizovano samo ako visoki standard sigurnosti i poverenje u ovu tehnologiju dolaze iz samog posla. To zahteva ne samo tehnološka rešenja, već možda još važnije, organizacione mere. Definitivan odgovor na pitanje bezbednosti će biti ključni predmet tokom rada i zahteva predloge industrije, istraživanja i vlade.

Kako će izgledati neposredna budućnost?

Predviđa se da će ova verzija vizije Industrija 4.0 pronaći svoj put u buduće radno okruženje za oko 10 do 15 godina. U pogledu svih pitanja na koja treba da se odgovori i na sav istraživački rad koji treba da se obavi, i dalje će biti potrebno vreme dok se ti holistički proizvodni scenariji ne budu univerzalno prihvatili i implementirali u naše industrije.

Shodno tome, prvi elementi i prvi predmeti, pogodni za viziju, će putovati zajedno evolutivnim putem pre nego što nađu svoj put u praktičnoj upotrebi. Dostupnost informacija u visokoj rezoluciji i smanjenje medijskih praznina predstavljaju temelj za omogućenje prilagodljivih i transparentnih proizvodnih okruženja. Već dostupne tehnologije sa automatskim ID mogu da pomognu da se prate elementi i da se predstave u digitalnom svetu. Mobilni uređaji kao što su laptopovi, tableti i lični računari ili pametne naočare pružaju neposredan pristup znanju preduzeća gotovo svuda i na svakom mestu – u okviru poslovanja i šire. Prema tome, odluke i akcije mogu da se zasnivaju na sveobuhvatnim i preciznim informacijama, a reakcije će uslediti brže, uz podršku sistema za pametnu pomoć, kao što je prikazano na Slici 2.

Slika 2: Mobilni uređaji i sistemi za pametnu pomoć u neposrednoj budućnosti proizvodnje.

Tehnološka inicijativa SmartFactoryKL – kao platforma za demonstraciju i istraživanje nezavisna od proizvođača – je već preduzela ogroman korak ka viziji Industrija 4.0 razvojem i upotrebom rešenja koja omogućavaju fleksibilne proizvodne strukture, baveći se postojećim industrijskim izazovima. U okviru svoje mreže od preko 30 industrijskih partnera, SmartFactoryKL ispituje i razvija inovativne informativne i komunikacione tehnologije i njihove primene u realističnom, industrijskom proizvodnom okruženju. U okviru najnovijeg projekta, razvijena je revolucionarna proizvodna linija uz zajednički napor sa ključnim industrijskim partnerima (pogledajte Sliku 3). Proizvodna linija je potpuno modularna i omogućava integraciju novih proizvodnih modula po principu ‘uključi i radi’. Funkcionalnost ‘uključi i radi’ se ostvaruje na osnovu niza mehaničkih, elektronskih i informacionih tehničkih standarda koje su definisali SmartFactoryKL i njeni partneri.

Slika 3: Postrojenje za demonstraciju za buduću proizvodnju u SmartFactoryKL.

Prospekt

Nijedna tehnološka revolucija nikada nije pokrenuta žurno. Mnogo češće je dolazilo do naglih promena respektivno u periodu od nekoliko decenija u evolutivnoj tranziciji koja je pokrenuta napretkom u više tehničkih oblasti (tehnologija kreirana da generiše potražnju), ali i kao rezultat novih zahteva tržišta (zadovoljenje potražnje na tržištu). Veoma je verovatno da će sadašnja kretanja ka Industriji 4.0 imati sličan evolutivni aspekt koji će trajati nekoliko decenija. Pozitivan aspekt je da Industrija 4.0 pruža jasnu viziju kojoj će i proizvođač i krajnji korisnik moći uspešno da se prilagode. Naučni uvidi IT okruženja su usko povezani sa zahtevima proizvodnog okruženja. Ovo zahteva interdisciplinarnu saradnju tradicionalno odvojenih disciplina.

Ljudska bića će, međutim, biti najvažniji faktor u ovom procesu tranzicije. Ako se analiziraju tri prethodne revolucije, evidentno je da su ljudske potrebe i životni standard bili glavna pokretačka snaga promena. Kada ovi zahtevi ispune prave uslove tehnoloških granica, čini se da će to imati za posledicu plodna polja za inovativne promene. Od treće industrijske revolucije, poznatije kao digitalne revolucije, mnoge inovativne tehnologije kao i političke promene, uticale su na način na koji ljudi žive jedni sa drugima. Karakteristični primeri su završetak hladnog rata, otvaranje globalnih tržišta – posebno Kine – zajedno sa tehnološkim napretkom (npr. internet i mnogi pametni uređaji).

Ljudi ne samo da imaju važnu ulogu pokretača tehnologije, već i ulogu pokrenutog. Moderan ICT dovodi do naglog ubrzanja u svim poslovnim procesima, a to čini u globalnom kontekstu. Ponude za snabdevanje proizvodnih postrojenja i usluga se mogu poslati širom sveta za nekoliko sekundi, dok globalni sindikati mogu odmah biti formirani za snabdevanje rešenja. Efikasniji i integrisani logistički sistemi na kopnu, moru i u vazduhu mogu da isporučuju robu kupcima za mnogo kraće vreme. Da bi uspeli u globalnoj konkurenciji, proizvodnim sistemima je potrebna prilagodljivost i sposobnost da brzo izvrše tranziciju. Ovo će biti omogućeno napretkom u ICT-u. Ljudi će morati da planiraju, implementiraju i rade sve brže u ovom novom okruženju sistema. Samo one nacije sveta koje blagovremeno uspeju da prilagode obuku i obrazovanje svojih građana na nove realnosti će biti uspešne na globalnom tržištu.

Evropa ima dobru poziciju u ovom pogledu. EU je među svetskim liderima u oblasti istraživanja koja se tiču umreženih ugrađenih sistema, semantičkih tehnologija i projektovanja složenih kibernetsko-fizičkih sistema. U tome leži velika šansa za evropske industrije da preduzmu tehnološki kvantni skok i savladaju izazove na globalnom tržištu.

Reference

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, tom 34, svezak 1, ISSN 1367-5788


[END]


Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Detlef Zühlke

Detlef Cilke je direktor odeljenja Inovativni fabrički sistemi u Nemačkom Centru za istraživanje (DFKI-IFS) za veštačku inteligenciju u Kajzerslauternu. On je takođe inicijator i predsednik izvršnog odbora SmartFactoryKL i predavač je za automatizaciju proizvodnje na Univerzitetu u Kajzerslauternu.

Dr ing. Dominik Gorecki
Dominik Gorecki je viši istraživač i zamenik direktora DFKI-IFS. Na ovoj funkciji, on je odgovoran za naučno upravljanje i stratešku koordinaciju sektora.

Magistar nauka, Stefani Fišer
Stefani Fišer je istraživač i direktor za komunikacije u SmartFactory. Na ovoj funkciji, ona radi na različitim projektima i odgovorna je za marketing i komunikacije.

SKF logo