Cookies på SKFs webbplats

Vi använder cookies för att vara säkra på att ge dig den bästa upplevelsen av våra webbplatser och webbapplikationer. Genom att du fortsätter utan att ändra inställningarna i webbläsaren förutsätter vi att du går med på att ta emot cookies. Du kan dock ändra inställningarna för cookies i webbläsaren när du vill.

Driva framtiden – rapport: Hur sakernas internet kommer att revolutionera industriproduktionen

2015 februari 04, 08:50 CEST

FÖRFATTARE: Professor Detlef Zühlke, Dr Dominic Gorecky och Stefanie Fischer, avdelningen för innovativa fabrikssystem vid Tyska forskningscentret

Vår bransch står under press från globaliseringen, och den kommer att gå igenom en period med stora utmaningar med bland annat kortare produktlivscykler, ytterst kundanpassade produkter och tuff konkurrens från olika marknader runtom i världen. De här utmaningarna är redan en realitet på dagens mobiltelefonmarknad. Produkternas livscykel har förkortats till 6–9 månader medan deras funktionsinnehåll och komplexitet stadigt har ökat.

En liknande utveckling sker för närvarande i andra sektorer, t.ex. inom bilindustrin. I takt med att produkterna blir mer komplexa och produktlivscykeln kortare, fortsätter datorstödd teknik att få ökad betydelse under optimering och upprampning vid produktionsstart. Även om framstegen inom datorstödd teknik under de senaste tio åren har förbättrat flexibiliteten under konstruktions- och planeringsfaserna, väntar vi fortfarande på ett liknande genombrott i själva tillverkningsfasen. Produkternas stora variation tillsammans med kortare produktlivscykler kräver en snabbfotad och flexibel produktionsstruktur, som kan konfigureras om snabbt för nya produktbehov. En sådan flexibilitet går inte att åstadkomma med traditionell automation. I stället är modulära fabriksstrukturer uppbyggda av smarta enheter – så kallade cyberfysiska system – som är en del av sakernas internet, de viktigaste delarna för att möjliggöra anpassningsbara tillverkningsscenarier som både kan adressera och klara dagens utmaningar.

Under de senaste tio åren har vi upplevt en genomgripande förändring i vårt dagliga liv i och med att informations- och kommunikationstekniken sett dagens ljus och vuxit. Datorerna blir så små att de nästan inte syns i så gott som alla våra tekniska apparater. Dessutom kommunicerar sakerna i ett världsomspännande nätverk: internet.


Om vi funderar över vart den här vägen leder i framtiden, upptäcker vi att nästan alla vardagsföremål blir smarta noder i ett globalt nätverk. Detta fenomen kallas ”sakernas internet”, en trend som med största säkerhet kommer att göra sitt intåg inom industriproduktion. De starka förutfattade meningarna om elektroteknik och fabriksautomationens hierarkiska värld kommer att förvandlas till nätverk av smarta fabriker som kommer att dra allt större nytta av framstegen inom informations- och kommunikationsteknik och datavetenskap. I Tyskland har det startat en livlig debatt om den fjärde industriella revolutionen eller kort och gott ”Industrie 4.0”.

Intresset har hela tiden vuxit sedan denna term introducerades i april 2011 av Kagermann/Lukas/Wahlster (2011 – referens 1). Med hjälp av drivkraften hos en arbetsgrupp bestående av experter från vetenskaps- och företagsvärlden, har en vision utvecklats för den tyska industrin i form av rekommendationer till förbundsregeringen. Det har medfört att man har inrättat ett forskningsprogram som finansieras med cirka 200 miljoner euro under de kommande åren. Dessutom kommer de tre stora tyska industrisammanslutningarna (VDMA, ZVEI och BitKom) att med gemensamma krafter skapa en gemensam plattform för att underlätta samordningen av alla aktiviteter inom Industrie 4.0.

De här åtgärderna har bidragit till en allmän hausse som har marknadsförts i huvudsak via mediakanaler. Det finns dock också ett genuint intresse från tillverkningsindustrin för att visionen ska bli framgångsrik och bestående. Tyskland är en högteknologisk nation, och en stor del bruttonationalprodukten kommer från tillverkning av varor och den tillverkningsutrustning som krävs. I följande avsnitt presenteras de de genomgripande utmaningar och förändringar som förväntas i visionen för Industrie 4.0.

Visionen för Industrie 4.0

En utmärkande egenskap för den nya teknikmiljön är övergången till mekatroniksystem. Elektroniken kommer att vara en grundläggande del i framtida produkter, och maskinvaran kommer alltmer att standardiseras. Huvuddelen av det som bestämmer funktionsinnehållet kommer att utföras av programvaran. På detta sätt förvandlas traditionella maskinelement till mekatroniksystem. En funktion kan realiseras med mekanik, elektronik eller programvara. Konstruktion och produktion liksom service kräver därför tvärfunktionella team som kombinerar kompetenser inom mekanik, elektronik och programvara och blir till en allsidig ingenjör.

Smarta föremål 

Den viktigaste drivkraften bakom visionen Industrie 4.0 är ”sakernas internet”. I den här visionen kommer alla föremål i fabriken att ha en unik IP-adress och integreras i nätverk. Den tekniska termen för ett sådant föremål är ett cyberfysiskt system (2012 – referens 2). Den traditionella produkthierarkin kommer att ersättas av en decentraliserad självorganisation som aktiveras av cyberfysiska system i framtidens fabriker. Fabriksdelar och produktionsprocesser kommer att bli så oberoende och flexibla att även den minsta seriestorlek kan tillverkas i förhållanden med snabba produktbyten och godtyckligt antal valmöjligheter.

Maskin-till-maskin-kommunikationen gör att kommandon kan skickas av de enskilda maskinerna, t.ex. för att transportera råmaterial eller för att använda en specifik tillverkningstjänst. Produktens semantikminne styr automatiskt den egna tillverkningsprocessen och tillåter därför decentraliserad masstillverkning med seriestorlek 1.

Många av dessa smarta delar kommer att vara mobila och sammankopplade i trådlösa nätverk, vilket innebär att man förlorar viktiga positionsuppgifter som vi indirekt fick från ”kabeländen” i de gamla trådbundna systemen (jämför figur 1). Detta är speciellt viktigt när det gäller anläggningsdrift. En medarbetare som använder en mobil enhet, t.ex. en mobiltelefon, kan inte längre lokaliseras till en speciell plats. Användaren kan befinna sig någonstans på fabriksgolvet, men också vara i kafeterian. Applikationen måste ta hänsyn till var medarbetaren befinner sig för tillfället för att kunna avgöra om en funktion stöds eller inte i detta ögonblick. För att lösa detta dilemma, kommer det inte bara att behövas lokaliseringssystem inomhus med GPS-liknande funktioner. Man måste också hitta nya regler och metoder för att utforma kontextkänsliga människa-maskingränssnitt som medger att maskinvaran och driftsprogramvaran som för tillfället används kan frikopplas.

Figur 3 Smarta föremål – mobila, modulära och decentraliserade.

Nya arkitekturer för kommunikation

Dagens fabriker följer en strikt hierarkisk informationsstruktur. I de övre skikten hittar vi företagets resursplaneringssystem som är installerat ovanför fabrikens styrsystem (MES och NC/PLC), och i det nedersta skiktet finns fabrikens sensor- och ställdonssystem, de så kallade fältenheterna. Även om dessa system under de senaste åren alltmer har integrerats med varandra, har den den största systemintegrationen skett horisontellt, inte vertikalt. Ett nätverk av cyberfysiska system kommer ofrånkomligen att kräva ett nytt arkitektursynsätt. De vanliga pyramidformade strukturerna, som kännetecknas av starka horisontella nätverk och svag vertikal kommunikation, kommer att ersättas av en domänorienterad nätverksstruktur som i princip tillåter ett godtyckligt antal vägar över alla fabrikens informationsskikt.

Fabrikssystem som bygger på principerna för sakernas internet och cyberfysiska system kommer att göra dagens PLC-system överflödiga, eftersom varje ändenhet kommer att kommunicera med alla andra även om de finns i olika skikt. Specificeringen av processlogiken (även kallad orkestreringen) kommer att ske i nätverket och inte i ett dedikerat styrelement.

Nya programmeringsparadigmer

Idag sker programstyrning för det mesta på maskinvarustrukturer utgående från regler och standarder som är mer än 20 år gamla. I en framtida värld med självorganiserande cyberfysiska system i nätverk måste maskinvaran och styrlogiken vara strikt åtskilda. Det finns redan flera paradigmer i detta avseende. Exempel är tjänsteorienterade arkitekturer (SOA) eller multiagentsystem (MAS).

Båda synsätten kapslar in och abstraherar maskinvarufunktionerna och innehåller mekanismer för självorganiserande system. Dessutom finns det redan en rad programmeringsmodeller som tillåter specificering av styrlogik eller orkestrering. Sådana metoder kräver dock stor kunskap om datavetenskap, vilket komplicerar realiseringen på fabriksgolvet där det finns personer som inte är utbildade inom detta expertområde. Ur denna synvinkel är den mest lovande vägen att migrera sådana arkitekturparadigmer från de högre skikten i fabriken, där de redan delvis har införts, genom MES-systemen på mellanskiktet. Då tar man också hänsyn till den inblandade personalens tekniska bakgrund.

I dagens produktionsplanerings- och styrprocesser sker utformningen av styrsystemet i slutet av planeringsfasen, eftersom man förlitar sig på resultaten från mekanik- och elektronikkonstruktionen. Logikprogrammeringen påbörjas först när styrterminalerna har valts och man har bestämt hur dessa ska kopplas. Abstraktionskoncept som exempelvis tjänsteorienterad arkitektur kan vara användbara för att avskilja relationen till den första realiserade maskinvaran och att skapa återanvändbara programvarukomponenter.

Det är nödvändigt att införa ett nytt konstruktionsflöde för att man ska kunna genomföra den maskinvaruoberoende, funktionella metodiken där planering sker uppifrån och ned. De traditionella planeringsdomänerna har varit tätare integrerade, särskilt i de tidiga planeringsfaserna för att anpassas senare i planeringsprocessen. Metodiker för systemkonstruktion kan hjälpa till att stödja de tvärfunktionella uppgifterna, något som har visats med framgång inom flyg- och rymdteknik.

Därför är det en utmaning att skapa en transparent presentation på grund av planeringsresultatens komplexitet och de inbördes sambanden mellan de anknutna disciplinerna. Det kommer att kräva praktiska rutiner för att man ska uppnå en inkrementell och modellbaserad konstruktionsstrategi. Det behövs också lämpliga modelleringsspråk, dataformat och verktygskedjor.

Målet för framtidens smarta fabriker måste vara att eliminera den klyfta som finns mellan systemen för datorstödd teknik och produktlivscykelhantering och den verkliga fungerande anläggningen. Verktyget för produktlivscykelhantering måste kunna generera kompletta systembeskrivningar som kan översättas direkt till exekverbara styrfunktioner. Koden måste sedan kunna möjliggöra både simulering av en virtuell anläggning och organisation och drift av den faktiska anläggningen.

Standarder

Som beskrivs i grundmodellen kan bara en strikt separation av maskinvara och funktionsinnehåll lyckas om den bygger på standarder. Ett cyberfysiskt systemelement måste byggas på ett liknande sätt som en legobit, åtminstone när det gäller informationsteknik. Med andra ord måste elementet kommunicera utgående från standarder i alla skikt i ISO/OSI-modellen med 7 skikt. Åtminstone transportskikten 1–4 förlitar sig redan på många etablerade standarder, t.ex. de olika standarderna IEEE 802.xx eller internetprotokollet IP. Respektive standarder för applikationsskikten 5–7 kommer endast att tas fram genom starkt marknadstryck. Det är uppenbart att ingen tillverkare lockas av idén att göra om sina produkter till utbytbara legobitar. Den nuvarande debatten om en standardprocess inom området industriella trådlösa nätverk (t.ex. ISA100) eller specificeringsspråket för enhetsbeskrivning (t.ex. FDT) visar tecken både på motstånd och en intressekonflikt. Det verkar i alla fall finnas ett lovande angreppssätt för implementering med OPC UA för skikten 5–6 som fler och fler tillverkare och användare är villiga att acceptera.

Säkerhet

En karakteristisk egenskap hos framtida fabriksstyrsystem är användningen av IP-baserade nätverk i alla skikt. Detta gör det lättare att importera data från en fältenhet till det överliggande resursplaneringssystemet utan problem. Detta kan dock göra att fabriken riskerar att utsättas för ännu kraftfullare cyberattacker på grund av att öppna protokoll används. STUXNET och annan skadlig programvara visar tydligt att det är ett reellt hot. En produktionsmiljö baserad på cyberfysiska system kan i slutänden bara införas med lyckat resultat om den höga säkerheten och tilliten till tekniken kommer inifrån företaget. Detta kräver inte bara tekniska lösningar, utan kanske ännu viktigare organisatoriska åtgärder. Ett slutgiltigt svar på säkerhetsfrågan kommer att vara en nyckelfråga längs vägen, och det krävs förslag från industrin, forskarvärlden och regeringen.

Hur kommer den närmaste framtiden att se ut?

Man förutser att den här versionen av visionen Industrie 4.0 kommer att göra sitt intåg i framtida produktionsmiljöer om cirka 10 till 15 år. Med tanke på alla frågor som behöver besvaras, och allt forskningsarbete som behöver utföras, kommer det fortfarande att ta tid innan sådana helhetsscenarier för tillverkning kommer att införas överallt och accepteras i våra industrier.

Därför kommer de första elementen och objekten som passar visionen att utvecklas gradvis innan de hittar sin plats i praktisk användning. Tillgång till detaljerad information och att minska mediaklyftorna är grunden för att möjliggöra mångsidiga och transparenta produktionsmiljöer. Tekniker för automatiska identiteter finns redan, och de kan vara till hjälp för att följa olika element och representera dem i den digitala världen. Mobila enheter som bärbara datorer, surfplattor eller smarta glasögon ger omedelbar tillgång till företagets kunskap från vilken plats som helst – både inne i företaget och utanför. Därför kan beslut och åtgärder baseras på omfattande och korrekt information, och man kan reagera snabbare med stöd av smarta hjälpsystem, som visas i figur 2.

Figur 2: Mobila enheter och smarta hjälpsystem i produktionen inom en snar framtid

Teknikinitiativet SmartFactoryKL – som en tillverkaroberoende demo- och forskningsplattform – har redan tagit stora steg mot visionen Industrie 4.0 genom att utveckla och leverera lösningar som möjliggör flexibla produktionsstrukturer och adressera de nuvarande industriella utmaningarna. I sitt nätverk med mer än 30 industripartner testar och utvecklar SmartFactoryKL nyskapande informations- och kommunikationstekniker och deras användning i en realistisk industriell produktionsmiljö. I det senaste projektet utvecklades en banbrytande produktionslinje i en gemensam ansträngning tillsammans med viktiga industripartner (se figur 3). Produktionslinjen är helt modulär och tillåter integration av nya tillverkningsmoduler klara att använda. Den driftklara funktionen åstadkoms med hjälp av en uppsättning mekanik-, elektronik- och it-standarder som definierats av SmartFactoryKL och dess partner.

Figur 3: Demoanläggning för framtida produktion i SmartFactoryKL .

Framtidsutsikter

Ingen teknisk revolution har någonsin skett i en handvändning. Omvälvningarna har oftare skett under flera årtionden i en gradvis omvandling som drivits av framsteg inom flera teknikområden (teknikdrivet), men också som ett resultat av nya marknadskrav (marknadsdrivet). Det är mycket troligt att den nuvarande utvecklingen mot Industrie 4.0 kommer att ske på liknande sätt under flera årtionden. En positiv aspekt är att Industrie 4.0 ger en tydlig vision som både tillverkare och slutanvändare kan ställa om till med lyckat resultat. Den vetenskapliga förståelsen av it-miljön är tätt sammankopplad med kraven på produktionsmiljön. Detta kräver tvärfunktionellt samarbete mellan traditionellt skilda discipliner.

Människorna kommer dock att vara den viktigaste faktorn i den här övergångsprocessen. Om man analyserar de tre tidigare revolutionerna, är det uppenbart att människans behov och levnadsstandard har varit den främsta drivkraften bakom förändringarna. När de här kraven möter de rätta tekniska randvillkoren, verkar det finnas grogrund för nyskapande förändringar. Sedan den tredje industriella revolutionen, mer känd som den digitala revolutionen, har mycket nyskapande teknik och politiska förändringar påverkat hur människor lever tillsammans. Typiska exempel är slutet på det kalla kriget, öppnandet av globala marknader – särskilt Kina – tillsammans med tekniska framsteg (t.ex. internet och många smarta enheter).

Människor har inte bara den viktiga rollen att driva tekniken framåt, utan är också de som drivs framåt. Modern informations- och kommunikationsteknik ger enormt mycket snabbare affärsprocesser, och detta i ett globalt sammanhang. Erbjudanden att tillhandahålla produktionsanläggningar och tjänster kan skickas runt världen på några sekunder, och globala konsortier kan bildas ögonblickligen för att leverera lösningar. Effektivare och mer integrerade logistiksystem på land, till havs och i luften kan leverera varor till kunderna mycket snabbare. För att lyckas i den globala konkurrensen, måste produktionssystemen vara snabbfotade och kunna ställas om snabbt. Detta kommer att bli möjligt genom framstegen inom informations- och kommunikationsteknik. Människor kommer att behöva utföra planering, införande och drift ännu snabbare i den här nya systemmiljön. Bara de länder i världen som klarar av att förändra utbildningen av sina medborgare vid rätt tidpunkt för att passa den nya verkligheten, kommer att lyckas på den globala marknaden.

Europa har en bra ställning i detta avseende. EU är bland världens ledande när det gäller forskning kring inbäddade uppkopplade system, semantisk teknik och att utforma komplexa cyberfysiska system. I detta finns en stor möjlighet för Europas industrier att ta ett stort tekniskt steg och klara av utmaningarna på den globala marknaden.

Referenser

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. Zühlke, D. (2010). SmartFactory – Towards a Factory-of-Things, I: IFAC Annual Reviews in Control, Volume 34, Issue 1, ISSN 1367-5788


[END]


Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Detlef Zühlke

Detlef Zühlke är chef för avdelningen för innovativa fabrikssystem vid Tyska forskningscentret (DFKI-IFS) för artificiell intelligens i Kaiserslautern. Han är också initiativtagare till och ordförande i styrelsen för SmartFactoryKL och innehar en professur i produktionsautomation vid universitetet i Kaiserslautern.

Dr.-Ing. Dominic Gorecky
Dominic Gorecky är senior forskare och biträdande chef för DFKI-IFS. I sin roll ansvarar han för vetenskaplig ledning och strategisk samordning vid avdelningen.

M.Sc. Stefanie Fischer
Stefanie Fischer är forskare och kommunikationsansvarig för SmartFactory. I sin roll arbetar hon i olika projekt och ansvarar för marknadsföring och kommunikation.

SKF logo