Пресс-конференция Power the Future: Как «интернет вещей» изменит промышленное производство

2015 Февраль 04, 08:50 CEST

АВТОРЫ: Профессор Детлеф Цюльке, д-р Доминик Горецки и Стефани Фишер, отдел инновационных заводских систем в Немецком исследовательском центре

Под влиянием глобализации нашу промышленность ждут серьёзные испытания, такие как сокращение жизненного цикла продукции, разработка продукции по индивидуальным требованиям и жёсткая конкуренция на мировых рынках. Эти проблемы уже очевидны на современном рынке мобильных телефонов. На фоне сокращения жизненного цикла продукции приблизительно до 6–9 месяцев наблюдается постоянный рост её функциональности и сложности.

Аналогичные процессы происходят и в других отраслях, например, в автомобилестроении. В то время как продукция усложняется, а её жизненный цикл сокращается, компьютерные технологии продолжают приобретать всё большее значение на этапах оптимизации и ускорения увеличения объёма выпуска. Развитие технологий автоматизации за последние десять лет расширило возможности на этапах разработки и планирования, теперь ожидается аналогичный прорыв и на самом этапе производства. Большое разнообразие продукции вместе с сокращением её жизненного цикла требует наличия подвижной и гибкой производственной структуры, которая способна быстро адаптироваться к требованиям, предъявляемым к новой продукции. Обычные средства автоматизации не обеспечивают такую степень гибкости. В отличие от них модульные заводские структуры, включающие интеллектуальные устройства, так называемые «киберфизические системы», входящие в сеть «интернета вещей», являются ключевыми компонентами для создания адаптивных производственных сценариев, способных решать поставленные задачи.

За последние десять лет мы стали свидетелями фундаментальных изменений нашей повседневной жизни благодаря появлению и развитию информационно-коммуникационных технологий (ИКТ). Компьютеры становятся настолько малы, что практически незримо присутствуют почти во всех технических устройствах. Кроме того, приборы обмениваются данными в глобальной сети Интернет.


Если мысленно перенестись в будущее, мы увидим, что практически любые повседневные вещи становятся интеллектуальными узлами в глобальной сети. Это явление носит название «интернет вещей», и эта тенденция практически наверняка найдёт своё применение в промышленном производстве. Наблюдается тенденция перехода от электротехнического и иерархического мира заводской автоматизации к небольшим заводским сетям, которые используют всё больше преимуществ развития ИКТ и вычислительной техники. В Германии начались обсуждения четвёртой промышленной революции или, если кратко, Industry 4.0.

Интерес постоянно растёт с того момента, когда Кагерманн/Лукас/Вальстер предложили этот термин в апреле 2011 г. (2011 г.— Ссылка 1). При участии рабочей группы экспертов из научных и деловых кругов разработана концепция для немецкой промышленности, переданная в виде рекомендаций федеральному правительству. В результате принята исследовательская программа на ближайшие несколько лет с бюджетом около 200 млн евро. Более того, три крупные немецкие промышленные ассоциации (VDMA, ZVEI и BitKom) совместными усилиями создали общую платформу для упрощения координации всей деятельности, входящей в концепцию Industry 4.0.

Эти действия были предприняты в рамках общей рекламной кампании, которая проводилась в основном по медийным каналам. Тем не менее, настоящий интерес производственных отраслей вызывает достижение устойчивых успешных результатов такого подхода. Германия — высокотехнологичная страна, большая доля ВВП приходится на производство товаров, а также востребованного производственного оборудования. В следующем разделе представлены фундаментальные и прогнозируемые изменения в рамках концепции Industry 4.0

Концепция Industry 4.0

Отличительный признак новой технологической среды состоит в переходе к мехатронным системам. Электроника становится основным компонентом продукции будущего, тогда как аппаратная часть всё более стандартизируется. Основные характеристики, определяющие функциональные особенности, будут зависеть от программного обеспечения. Таким образом, обычные элементы оборудования превращаются в мехатронные системы. Функционирование определяется тремя составляющими: механической, электронной и программной. Для решения конструкторских и производственных задач, а также для обслуживания требуется команда специалистов со знаниями в области механики, электротехники и программирования.

Интеллектуальные объекты 

Ключевым фактором концепции Industry 4.0 стал «интернет вещей». Согласно этому подходу, все заводские «объекты» получают уникальный IP адрес и объединяются в сети. Технический термин для такого объекта — «киберфизическая система» (2012 – Ссылка 2). На предприятиях будущего обычную производственную иерархию заменит децентрализованная самоорганизация на основе киберфизических систем. Независимость и гибкость заводских отделов и производственных процессов позволят выпускать партии даже самого небольшого размера в условиях быстрой смены продукции и с любым количеством вариантов.

Связь между машинами позволит отправлять команды отдельных машин, например, передать сырьевые материалы или использовать определённую производственную функцию. Семантическая память продукции динамически контролирует свой производственный процесс, что делает возможным децентрализованное серийное производство с размером партии «1».

Многие из этих интеллектуальных элементов будут мобильными, соединенными беспроводными сетями, что означает потерю важных данных о местонахождении, которые можно было определить «по кабелю» в прежних проводных системах (сравните с рисунком 1). Это особенно важно для заводских операций. Установить определённое местонахождение сотрудника с мобильным устройством управления, например смартфоном, станет невозможно. Пользователь может находиться как в любом месте цеха, так и в кафе. Приложение должно учитывать текущее местонахождение сотрудника, чтобы определить, поддерживается функция в настоящий момент или нет. Для решения этой проблемы потребуются не только внутренние системы позиционирования, сравнимые по характеристикам с GPS, но и новые правила и методы разработки контекстно-зависимых человеко-машинных интерфейсов, позволяющих разделять оборудование и используемую в настоящий момент рабочую программу.

Рис. 1: Интеллектуальные объекты – Мобильные, модульные и децентрализованные.

Новые архитектуры связи

На современных предприятиях соблюдается строгая иерархическая информационная структура. На верхних уровнях находится система планирования ресурсов предприятия, ниже которой располагаются системы управления заводом (MES и NC/PLC), а в самом низу — заводские системы датчиков и приводов, так называемых периферийных устройств. Несмотря на усиление межуровневой интеграции за последние годы, основная системная интеграция происходит в горизонтальном направлении, а не по вертикали. Сеть киберфизических систем неизбежно потребует нового подхода к архитектуре. На смену обычным структурам с сильными горизонтальными построениями сети, а также слабым вертикальным коммуникациям придут доменно-ориентированные сетевые структуры, которые в целом допускают любое количество маршрутов среди любых информационных уровней предприятия.

Для заводских систем на основе интернета вещей и киберфизических систем современные системы на основе ПЛК станут избыточными, поскольку любые конечные устройства обмениваются данными, даже если находятся на разных уровнях. Спецификация логики процесса (также известной как оркестровка) происходит в сети, а не в специальном элементе управления.

Новые парадигмы программирования

Сегодня основная часть оборудования, с которым работают программные средства управления, в целом создана по принципам и стандартам 20-летней давности или ещё старше. В будущем мире объединённых в сети самоорганизующихся киберфизических систем, оборудование и логика управления должны быть строго разделены. Уже существует несколько таких парадигм. Например, сервис-ориентированные (SoA) или многоагентные архитектуры (MAS).

В обоих подходах аппаратные функции инкапсулируются и абстрагируются, а также содержатся механизмы самоорганизующихся систем. Более того, уже существует ряд моделей программирования, допускающих спецификацию логики управления или оркестровки. Но такие подходы требуют высокой квалификации в области вычислительной техники, что усложняет их использование на уровне цеха сотрудниками, не имеющими таких знаний. В этом отношении наиболее перспективным направлением представляется перенос таких парадигм архитектуры из верхних уровней предприятия, где они уже частично используются, через системы управления производственными процессами (MES) среднего уровня, что учитывает техническую подготовку персонала.

В современных процессах планирования и управления производством системы управления разрабатываются в конце этапа планирования, поскольку зависят от результатов разработки механических и электрических систем. Программирование логических средств управления не начинается, если не выбраны контрольные точки и метод их соединения. Абстрактные концепции, такие как SoA, могут оказаться полезными для отхода от взаимодействия с первоначально установленным оборудованием и создания программных компонентов многократного применения.

Для создания востребованного независимого от оборудования, функционального и иерархического подхода к планированию требуется новая организация инженерного процесса. Домены обычного планирования должны более тесно интегрироваться, особенно на ранних этапах планирования, для дальнейшей синхронизации в процессе планирования. Подходы к системному проектированию содействуют решению междисциплинарных задач, как это успешно реализуется в секторе авиакосмических технологий.

Создание ясного представления затрудняется вследствие сложности результатов планирования и междисциплинарного взаимодействия. Потребуются практические методики для пошаговых, модельных стратегий проектирования, а также подходящие языки моделирования, форматы данных и цепочки инструментов.

Перед интеллектуальными предприятиями будущего стоит задача устранения разрыва между средами CAX/PLM и самим работающим заводом. Инструмент PLM должен обладать способностью создавать полные описания системы, которые преобразуются непосредственно в исполняемые сервисы управления. Код должен позволять создавать модель виртуального завода, а также осуществлять настройку и эксплуатацию самого завода.

Стандарты

Как указано в базовой модели, строгое разделение оборудования и функций может быть успешным, только если основано на стандартах. Таким же образом должен быть встроен элемент CPS, как минимум в смысле информационных технологий, как конструктор LEGO. Другими словами, связь элемента должна определяться стандартами на всех уровнях 7-уровневой модели ISO/OSI. Как минимум, транспортные уровни 1–4 уже работают на основе многих принятых стандартов, например, различных IEEE 802.xx или IP-протокола; соответствующие стандарты для прикладных уровней 5-7 появятся только при сильном давлении рынка. Очевидно, что производителей не привлекает идея превращения своих продуктов во взаимозаменяемые блоки LEGO. В идущей дискуссии о стандартных процессах в области промышленных беспроводных сетей (например, ISA100) или языке описания устройств (например, FDT) заметны как сопротивление, так и конфликт интересов. OPC UA, перспективная архитектура для уровней 5-6, привлекает всё большее число производителей и пользователей.

Безопасность

Отличительной характеристикой систем управления предприятиями будущего станет использование сетей на основе протокола IP на всех уровнях. Это способствует свободному импорту данных из периферийных устройств в систему ERP более высокого уровня. Но открытые протоколы подвергают предприятие рискам более мощных кибератак. STUXNET и прочие вредоносные программы не оставляют сомнений на этот счёт. Производственная среда на основе CPS в конечном итоге может быть успешно внедрена только при условии высоких стандартов безопасности и доверия к этой технологии в самой компании. Это требует не только технологических решений, но и, что более важно, организационных мер. Ответ на вопросы, касающиеся безопасности, станет центральной темой и остаётся открытым для предложений от промышленности, исследователей и правительства.

Ближайшее будущее

Примерно через 10–15 лет ожидается принятие концепции Industry 4.0 для будущих производственных сред. Что касается всех ожидающих решения вопросов и всех необходимых исследований, то потребуется время для полного признания и внедрения в промышленных отраслях таких комплексных производственных сценариев.

Следовательно, до практического применения первых элементов и объектов в рамках этой концепции им предстоит пройти путь эволюционного развития. Доступность информации высокого разрешения и сокращение разрыва между средами создают основы универсальных и прозрачных производственных сред. Уже доступные технологии автоматической идентификации помогают отслеживать элементы и представлять их в цифровом виде. Портативные устройства, такие как ноутбуки, планшеты и SmartGlasses предоставляют моментальный доступ к данным предприятия практически в любом месте и в любое время, как в компании, так и вне её. Соответственно, решения и меры принимаются на основе комплексной и точной информации, а поддержка интеллектуальных вспомогательных систем ускоряет ответные действия, как показано на рис. 2.

Рис. 2: Портативные устройства и интеллектуальные вспомогательные системы на производстве в ближайшем будущем.

Технологическая программа SmartFactoryKL, независимая от производителей демонстрационная и исследовательская платформа, уже существенно продвинулась по направлению к концепции Industry 4.0, благодаря разработке и внедрению решений, позволяющих создавать гибкие производственные структуры и решать текущие промышленные задачи. На основе сети из более чем 30 промышленных партнёров, SmartFactoryKL испытывает и разрабатывает инновационные информационно-коммуникационные технологии и методы их применения в реальной среде промышленного производства. В рамках последнего проекта с совместными усилиями ключевых промышленных партнёров была разработана инновационная производственная линия (см. рис. 3). Производственная линия имеет полностью модульную структуру и позволяет интегрировать готовые к эксплуатации новые производственные модули. Функция готовности к эксплуатации обеспечивается набором механических, электронных и информационных технических стандартов, определяемых SmartFactoryKL вместе с партнёрами.

Рис. 3: Демонстрационный завод производства будущего по программе SmartFactoryKL.

Перспектива

Технологические революции никогда не происходили в спешке. Обычно для этого требовалось несколько десятилетий прогрессивных преобразований, обусловленных развитием многочисленных технических областей (технологический прогресс), а также в результате новых рыночных требований (рыночный спрос). Вполне вероятно, что аналогичная схема развития ожидает и движение в направлении Industry 4.0, что также займёт несколько десятилетий. Положительная сторона Industry 4.0 состоит в ясности концепции, которую успешно могут применять как производители, так и конечные пользователи. Научные исследования ИТ-среды тесно связаны с требованиями производственной среды. Это требует междисциплинарного взаимодействия традиционно разных направлений.

Но самой важной составляющей этого переходного процесса станет человек. Если проанализировать три предшествующие революции, то очевидно, что человеческие потребности и жизненные стандарты выступают основной движущей силой этих изменений. Столкновение этих потребностей с технологическими ограничениями создаёт благодатную почву для инновационных изменений. Со времени третьей промышленной революции, более известной как Цифровая революция, многие инновационные технологии, а также политические изменения повлияли на наш образ жизни и общество вокруг нас. К характерным примерам можно отнести окончание холодной войны, открытие глобальных рынков, особенно Китая, технологический прогресс (интернет и многочисленные интеллектуальные устройства).

Человек не только является важным фактором развития технологий, но и оказывается под влиянием этих технологий. Современные информационно-коммуникационные технологии сильно ускоряют все бизнес-процессы, и это происходит в глобальном масштабе. Предложения по поставке материалов и услуг производственным предприятиям отправляются в разные страны за секунды, и для выполнения решений мгновенно создаются международные объединения. Более эффективные и интегрированные наземные, морские и воздушные логистические системы обеспечивают доставку товаров клиентам за очень короткое время. Успешность в условиях глобальной конкуренции требует от производственных систем оперативности и способности быстро меняться. This will be made possible by the advances in ICT. Новые системные среды ещё больше ускоряют процессы планирования, внедрения и эксплуатации. Успех на глобальном рынке ждёт только те страны мира, которые смогут своевременно перестроить образовательный процесс своих граждан в соответствии с новыми реалиями.

У Европы есть хороший потенциал для этого. ЕС является одним из мировых лидеров в области исследования сетевых интегрированных систем, семантических технологий и разработки сложных киберфизических систем. Для европейской промышленности открывается замечательная возможность сделать технологический качественный скачок и ответить на вызовы глобального рынка.

Ссылки

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


[END]


Профессор, к.т.н. Почётный доктор Детлеф Цюльке

Детлеф Цюльке — директор отдела инновационных заводских систем в Немецком исследовательском центре по искусственному интеллекту (DFKI-IFS) в Кайзерслаутерне. Основатель и председатель исполнительного комитета SmartFactoryKL, заведующий кафедрой автоматизации производства в Университете Кайзерслаутерна.

к.т.н. Доминик Горецки
Доминик Горецки — старший научный сотрудник, заместитель директора DFKI-IFS. Осуществляет руководство научной работой и отвечает за взаимодействие стратегических направлений отдела.

Магистр технических наук Стефани Фишер
Стефани Фишер — научный сотрудник и руководитель отдела по связям с общественностью SmartFactory. Работает над несколькими проектами и отвечает за маркетинг и коммуникации.

SKF logo