Piškotki na spletnem mestu SKF

S piškotki vam lahko zagotovimo dobro izkušnjo pri uporabi našega spletnega mesta in spletnih aplikacij. Če nadaljujete, ne da bi spremenili nastavitve v brskalniku, smatramo, da ste dali dovoljenje za prejemanje piškotkov. Vendar pa lahko kadar koli spremenite nastavitve za piškotke v brskalniku.

Will you accept SKF cookies?

Poročilo SKF Power the Future: Kako bo »internet stvari« sprožil revolucijo v industrijski proizvodnji

2015 februar 04, 08:50 CEST

AVTORJI: Profesor Detlef Zühlke, Dr. Dominic Gorecky in Stefanie Fischer, oddelek Inovativni tovarniški sistemi pri raziskovalnem središču German Research Centre

Pod pritiskom globalizacije bo industrija vstopila v obdobje velikih sprememb, vključno s krajšimi življenjskimi cikli izdelkov, izrazito prilagojenimi izdelki in odločno konkurenco z različnih svetovnih tržišč. Tovrstne spremembe so že opazne na današnjem trgu mobilnih telefonov. Življenjski cikel izdelka se je skrajšal na približno 6-9 mesecev, funkcionalnost in kompleksnost izdelkov pa vztrajno naraščata.

Primerljiv je tudi razvoj dogodkov v nekaterih drugih sektorjih, na primer avtomobilski industriji. Tudi tu izdelki postajajo vedno kompleksnejši in njihovi življenjski cikli vedno bolj omejeni, pomen računalniško podprtih tehnologij (<I>computer-aided technologies</I> ali CAX) pri optimizaciji priprave proizvodnje na porast povpraševanja in pospeševanju proizvodnje pa zaradi tega narašča. Čeprav je napredek CAX v zadnjih desetih letih povečal prožnost na stopnjah oblikovanja in načrtovanja, pa podoben preboj v dejanski proizvodnji šele prihaja. Velika variabilnost izdelkov v kombinaciji s skrajšanim življenjskim ciklom izdelka zahteva odzivno in prožno proizvodno strukturo, ki jo je mogoče bliskovito rekonfigurirati za nove zahteve pri izdelkih. Tolikšne stopnje prožnosti ni mogoče doseči s tradicionalno avtomatizacijo. Zato so ključnega pomena pri omogočanju prilagodljivih proizvodnih scenarijev modularne tovarniške strukture, ki jih tvorijo pametne naprave (tako imenovani kiberfizični sistemi; Cyber-Physical Systems ali krajše CPS), ki so del interneta stvari ter lahko naslovijo in premagajo trenutne izzive.

V zadnjih desetih letih smo bili priča temeljni spremembi našega vsakdanjega načina življenja, ki jo vodita pojav in rast informacijskih in komunikacijskih tehnologij (Information and Communication Technologies oz. ICT). Računalniki so se fizično že tako zmanjšali, da se kar skrijejo v skoraj vse naše tehnične pripomočke. V ozadju vsega pa poteka komunikacija prek svetovnega omrežja: interneta.


Ko razmišljamo, kam nas bo vodila ta pot, ugotovimo, da bodo skoraj vsi vsakdanji predmeti postali pametna vozlišča v globalnem omrežju. Temu pojavu pravimo »internet stvari« (Internet of Things ali IoT), to pa je trend, ki si bo skoraj zagotovo utrl pot v industrijsko proizvodnjo. Močno nagnjenje k elektro-tehnični in hierarhični ureditvi avtomatizacije tovarn se bo prevesilo v korist razvoja pametnih tovarniških omrežij, ki bodo z vedno večjim pridom izkoriščala napredek ICT in računalništva. V Nemčiji se je že sprožila debata o četrti industrijski revoluciji, krajše poimenovani kar »Industrija 4.0«.

Odkar so Kagermann/Lukas/Wahlster (2011; referenca 1) aprila 2011 uvedli ta izraz, je zanimanje neprestano naraščalo. Na spodbudo delovne skupine strokovnjakov iz znanstvenih in poslovnih skupnosti se je rodila vizija za nemško industrijo, ki so jo podali v obliki priporočil za zvezno vlado. Rezultat tega je bila vzpostavitev raziskovalnega programa z denarno podporo približno 200 milijonov evrov za obdobje naslednjih nekaj let. Poleg tega so tri vodilna nemška industrijska združenja (VDMA, ZVEI in BitKom) združila sile in oblikovala skupno platformo za izboljšanje koordinacije vseh aktivnosti Industrije 4.0.

Ti ukrepi so prispevali k valu splošnega navdušenja, ki so ga v precejšnji meri pomagali širiti medijski kanali. Na strani proizvodne industrije pa ostaja tudi iskren interes za zagotovitev trajnostnega uspeha te vizije. Nemčija je visokotehnološka država, ki velik del svojega bruto domačega proizvoda (BDP) ustvari s proizvodnjo dobrin in s tem povezano proizvodno opremo. V naslednjem poglavju bomo predstavili pričakovane temeljne izzive in spremembe v okviru vizije Industrija 4.0.

Vizija Industrije 4.0

Razpoznavna značilnost novega tehnološkega okolja je prehod na mehatronske sisteme. Elektronika bo temeljna komponenta izdelkov prihodnosti, strojna oprema pa bo postajala vedno bolj standardizirana. Glavne lastnosti, ki bodo določale funkcionalnost, bodo temeljile na programski opremi. Na ta način se bodo tradicionalni strojni elementi spremenili v mehatronske sisteme. Določeno funkcijo lahko omogoča mehanika, elektronika ali programska oprema. Za oblikovanje, proizvodnjo in tudi servis bo zato potrebna interdisciplinarna ekipa, kjer bodo v univerzalnem inženirju združene kompetence mehanskega, električnega in programskega inženirja.

Pametni predmeti 

Ključno gonilo vizije Industrije 4.0 je »internet stvari« (IoT). V okviru te vizije bo vsak predmet v tovarni imel edinstveni naslov IP, predmeti pa bodo povezani v omrežja. Tehnična stroka je za ta pojav skovala izraz kiberfizični sistem ali krajše kar CPS (2012 – referenca 2). Tradicionalno hierarhijo v proizvodnji bo nadomestila decentralizirana samoorganizacija, ki jo bo v tovarnah prihodnosti omogočal CPS. Sektorji obratov in proizvodni postopki bodo postali tako neodvisni in prožni, da bo tudi najmanjše lote mogoče proizvesti v pogojih bliskovite menjave izdelkov in v številnih različicah.

Komunikacija med stroji omogoča, da posamezni stroji izdajajo ukaze za na primer transport surovin ali uporabo specifične proizvodne storitve. Semantični spomin izdelkov bo dinamično krmilil svoj postopek proizvodnje, kar bo omogočilo decentralizirano masovno proizvodnja lotov velikosti 1.

Mnogi od teh pametnih elementov bodo mobilni in medsebojno povezani prek brezžičnih omrežij, kar posredno pomeni, da ne bomo več potrebovali vitalnih podatkov o položaju, ki smo jih dobivali »prek kablov« v starih žičnih sistemih (primerjajte Sliko 1). To je še posebej kritičnega pomena pri opravilih v tovarni. Zaposleni, ki uporablja mobilno krmilno napravo, namreč ne bo več vedno na določenem mestu. Lahko je nekje v proizvodni hali, lahko pa je tudi zavil v menzo. Aplikacija mora zato pri ugotavljanju, ali je določena funkcionalnost podprta ali ne, upoštevati trenutni položaj zaposlenega. Za razrešitev te dileme bodo potrebni ne le notranji sistemi za ugotavljanje položaja s podobnimi lastnostmi kot GPS, ampak tudi nova pravila in metode za razvoj kontekstualno občutljivih vmesnikov za interakcijo ljudi in strojev, ki bodo omogočili ločitev od strojne opreme in programske krmilne opreme, ki sta trenutno v uporabi.

Slika 1: Pametni predmeti - mobilni, modularni in decentralizirani.

Nove komunikacijske arhitekture

Današnje tovarne se ravnajo po strogo hierarhični strukturi informacij. V zgornjih plasteh je sistem za načrtovanje virov podjetja (enterprise resource planning oz. ERP), ki je nameščen nad krmilnimi sistemi obrata (MES in NC/PLC), pod temi, na najnižji ravni, pa so senzorski in aktuatorski sistemi obrata, tako imenovane deloviščne naprave. Kljub temu pa je v zadnjih letih prišlo do znatne medsebojne integracije teh plasti, pri čemer je glavnina sistemske integracije potekala horizontalno, ne pa vertikalno. Omrežje CPS bo neizogibno zahtevalo svež pristop k arhitekturi. Pogoste piramidne strukture, za katere sta značilna močno horizontalno mreženje in šibka vertikalna komunikacija, bo nadomestila domensko usmerjena omrežna struktura, ki načeloma omogoča neomejeno število poti preko vseh informacijski plasti v tovarni.

Z izgradnjo tovarniških sistemov, ki temeljijo na načelih IoT in CPS, bodo današnji sistemi PLC postali odveč, saj bo vsaka končna naprava komunicirala z vsako drugo, tudi če bosta locirani v različnih plasteh. Specifikacija procesne logike (ki ji rečemo tudi orkestracija), bo potekala v omrežju namesto v posvečenem krmilnem elementu.

Nove paradigme programiranja

Danes je programsko krmilje večinoma odvisno od strojnih struktur, ki ponavadi temeljijo na pravilih in standardih, ki so stari po 20 let in tudi več. V jutrišnjem svetu omrežno povezanih samoorganizirajočih CPS bosta strojna in krmilna logika morali biti strogo ločeni. Nekaj paradigem v tem smislu že obstaja. Primer tega so storitveno usmerjene arhitekture (service-oriented architectures, krajše SoA) in večagentne arhitekture (multi-agent architectures oziroma MAS).

Oba pristopa inkapsulirata in abstrahirata strojno funkcionalnost in vsebujeta mehanizme za samoorganizirane sisteme. Poleg tega obstaja že vrsta programskih modelov, ki omogočajo specifikacijo krmilne logike ali orkestracije. Vendar pa taki pristopi zahtevajo odlično poznavanje računalništva, kar oteži njihovo uvedbo v proizvodno halo z ljudmi, ki za to področje niso strokovno usposobljeni. S tega vidika se zdi najbolj perspektivna pot migracija tovrstnih arhitekturnih paradigem z vrhnjih plasti tovarne, kjer so delno že uvedene, prek sistemov MES na srednji ravni, kar upošteva tudi tehnično ozadje vpletenega osebja.

Pri današnjem postopku načrtovanja in krmiljenja proizvodnje oblikovanje krmilnega sistema nastopi na koncu faze načrtovanja, saj se zanaša na rezultate mehanskih in električnih zasnov. Programiranja logičnega krmilja se začne šele, ko so krmilni terminali izbrani in je odločeno, kako bodo ožičeni. Abstrakcijski koncepti kot SoA so lahko uporabni pri prekinitvi vezanosti na strojno opremo za začetno implementacijo in za ustvarjanje ponovno uporabnih programskih komponent.

Vzpostavitev novega delovnega toka v inženiringu je nujna za oblikovanje potrebnega pristopa, ki bo neodvisen od strojne opreme, funkcionalen in gradil od zgoraj navzdol. Zaradi lažje poravnave v poznejših fazah načrtovanja je treba tradicionalne domene načrtovanja tesneje integrirati, še posebej v zgodnjih fazah načrtovanja. Pristopi sistemskega inženiringa lahko pomagajo podpirati interdisciplinarne naloge, kar se je že izkazalo za uspešno v sektorju letalske in vesoljske tehnologije.

Priprava jasno pregledne predstavitve tako predstavlja izziv zaradi kompleksnosti rezultatov načrtovanja in medsebojne povezanosti v to vključenih disciplin. To bo zahtevalo praktične postopke za oblikovanje postopne, na modelu temelječe strategije inženiringa, potrebni pa bodo tudi ustrezni jeziki modeliranja, oblike zapisa podatkov in verige orodij.

Cilj za pametne tovarne prihodnosti je premostitev vrzeli v medijih med okolji CAX/PLM in dejansko obratujočo tovarno. Orodje PLM mora biti zmožno ustvariti celovite opise sistemov, ki jih je mogoče neposredno pretvoriti v izvršljive storitve krmiljenja. Koda mora nato omogočati tako simulacijo virtualne tovarne kot tudi postavitev in delovanje dejanske tovarne.

Standardi

Kot že opisano v osnovnem modelu, je uspeh stroge ločitve strojne opreme in funkcionalnosti možen le, če temelji na standardih. Element CPS mora biti - vsaj z vidika informacijske tehnologije - narejen precej podobno kot kocka Lego. Z drugimi besedami to pomeni, da mora element komunicirati na osnovi standardov v vseh plasteh 7‑plastnega modela ISO/OSI. Vsaj transportne plasti 1-4 se že zanašajo na mnoge uveljavljene standarde, kot so različni IEEE 802.xx ali standardi IP; ustrezni standardi za na aplikacijah temelječe plasti 5-7 pa bodo oblikovani šele v odziv na močan pritisk trga. Jasno je, da nobenega proizvajalca ne privlači ideja, da bi svoje izdelke spremenil v izmenljive kocke Lego. Trenutna debata o standardnem postopku na področju industrijskih brezžičnih omrežij (npr. ISA100) ali jeziku za specifikacijo opisa naprave (npr. FDT) kaže na odpor in konflikt interesov. Kljub vsemu pa se zdi, da obstaja obetaven pristop k implementaciji z OPC UA za plasti 5-6, ki ga je pripravljeno sprejeti vedno več uporabnikov in proizvajalcev.

Varnost

Med razpoznavnimi značilnostmi krmilnih sistemov tovarn prihodnosti je uporaba na IP temelječih omrežij v vseh plasteh. To olajša uvoz podatkov iz deloviščne naprave v sistem ERP na višji ravni brez kakršnih koli težav. Vseeno pa to lahko zaradi uporabe odprtih protokolov izpostavi tovarno tveganju za vedno silovitejše kibernetične napade. STUXNET in druga zlonamerna programska oprema (škodljivo programje) je že dokazala, da je grožnja še kako resnična. Proizvodno okolje na temeljih CPS bo v končni fazi mogoče učinkovito implementirati le, če bosta iz poslovnega okolja izšla visok standard varnosti in zaupanje v to tehnologijo. To pa ne zahteva le tehnoloških rešitev, temveč tudi organizacijske ukrepe, kar je morda še pomembnejše. Dokončen odgovor na vprašanje varnosti bo ves čas igral osrednjo vlogo, zanj pa bodo potrebni predlogi s strani industrije, raziskovalnega tabora in vlad.

Kako bo videti neposredna prihodnost?

Po predvidevanjih si bo ta različica vizije Industrija 4.0 utrla pot v proizvodna okolja prihodnosti v približno 10 do 15 letih. Glede na vsa vprašanja, na katera je treba poiskati odgovor, in na obseg raziskovalnega dela, ki ga je še treba opraviti, bo seveda trajalo, preden bodo tovrstni holistični proizvodni scenariji univerzalno uvedeni in sprejeti v industrijo.

Posledično bodo prvi elementi in predmeti, ki bodo tej viziji ustrezali, šli po poti evolucije, preden se bodo uspeli prebiti v praktično uporabo. Razpoložljivost informacij v visoki ločljivosti in zmanjšanje vrzeli v medijih predstavljata temelje za omogočanje prilagodljivih in transparentnih proizvodnih okolij. Že danes razpoložljive tehnologije za samodejno identifikacijo lahko pomagajo slediti elementom in jih predstaviti v digitalnem svetu. Mobilne naprave, kot so prenosni in tablični računalniki ali pametna očala, omogočajo takojšen dostop do podjetniškega znanja praktično kjer koli in kadar koli - pri poslu in tudi drugod. Zato bo mogoče odločitve in ukrepe oblikovati na osnovi celovitih in natančnih informacij, odzivi pa jim bodo zaradi podpore pametnih sistemov za asistenco, kot je prikazano na Sliki 2, sledili hitreje.

Slika 2: Mobilne naprave in pametni sistemi za asistenco v neposredni prihodnosti proizvodnje.

Tehnološka pobuda SmartFactoryKL je kot od proizvajalcev neovisna platforma za prikaze delovanja in raziskave že napravila ogromen korak v smeri vizije Industrija 4.0 in naslovila izzive, pred katerimi sedaj stoji industrija, saj je razvila in pripravila rešitve, ki omogočajo prožne proizvodne strukture. SmartFactoryKL v svoji mreži več kot 30 industrijskih partnerjev preizkuša in razvija inovativne informacijske in komunikacijske tehnologije ter njihovo aplikacijo v realistično industrijsko proizvodno okolje. V okviru najnovejšega projekta je s skupnimi napori ključnih industrijskih partnerjev (glejte Sliko 3) nastala prebojno napredna proizvodna linija. Proizvodna linija je povsem modularna in omogoča integracijo novih proizvodnih modulov po načelu plug-and-play. Funkcionalnost po ključu plug-and-play temelji na mehanskih, elektronskih in informacijskih tehničnih standardih, ki so jih oblikovali SmartFactoryKL in partnerji.

Slika 3: Obrat za prikaz prihodnje proizvodnje v SmartFactoryKL.

Napovedi

Še nobena tehnološka revolucija se ni sprožila na vrat na nos. Tovrstne revolucije ponavadi pridejo v več zaporednih valovih skozi več desetletij; to postopno evolucijo poganja napredek na številnih tehničnih področjih (tehnološki potisk), svoje pa naredijo tudi nove zahteve trga (tržni vlek). Zelo verjetno je, da bo tudi sedanje gibanje v smeri Industrije 4.0 imelo podoben evolucijski značaj in bo potrebovalo več desetletij. En od pozitivnih vidikov je to, da Industrija 4.0 ponuja jasno vizijo tega, na kar se lahko proizvajalci in končni uporabniki uspešno prilagodijo. Znanstveni vpogledi v IT okolje se tesno navezujejo na zahteve proizvodnega okolja. To zahteva interdisciplinarno sodelovanje disciplin, ki so bile tradicionalno ločene.

Najpomembnejšo vlogo v tem postopku tranzicije pa bomo odigrali ljudje. Z analizo prejšnjih treh revolucij postane očitno, da so človeške potrebe in življenjski standard bili glavna gonilna sila sprememb. Zdi se, da ob srečanju teh zahtev in primernih pogojev mejnih zmogljivosti tehnologije nastanejo plodna polja za inovativne spremembe. Od tretje industrijske revolucije, ki ji pogosto pravimo digitalna revolucija, so mnoge inovativne tehnologije in politične spremembe vplivale na način, na katerega ljudje sobivamo. Značilni primeri so konec hladne vojne in odprtje svetovnih trgov (še posebej kitajskega) v kombinaciji s tehnološkim napredkom (na primer internetom in množico pametnih naprav).

Ljudje ne nastopamo le v pomembni vlogi gonila tehnologije, ampak smo hkrati tudi tisti, ki nas tehnologija žene naprej. Sodobni ICT vodi v bliskovit pospešek vseh poslovnih procesov, in to v globalnem kontekstu. Ponudbe za dobavo proizvodnih obratov in storitev lahko svet prepotujejo v pičlih sekundah in takoj je mogoče oblikovati globalne konzorcije, ki dobavijo rešitve. Učinkovitejši in integrirani kopenski, pomorski in zračni logistični sistemi lahko kupcem dostavijo dobrine mnogo hitreje. Za uspeh v globalni konkurenci morajo biti proizvodni sistemi okretni in sposobni hitrih prehodov. To bo omogočil napredek ICT. Ljudje morajo v okolju novih sistemov vedno hitreje načrtovati, implementirati in delovati. Na globalnem trgu bodo lahko uspešne samo tiste države, ki bodo pravočasno prilagodile usposabljanje in izobraževanje svojih ljudi za delovanje v novi resničnosti.

Evropa je s tega vidika v dobrem položaju. Evropska unija je v svetovnem vrhu na področju raziskav v zvezi z omrežno povezanimi vdelanimi sistemi, semantičnimi tehnologijami in oblikovanjem kompleksnih kiberfizičnih sistemov. In prav tukaj se ponuja odlična priložnost za evropsko industrijo, da naredi kvantni preskok in ukroti izzive globalnega trga.

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, zvezek 34, izdaja 1, ISSN 1367-5788


[KONEC]


Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Detlef Zühlke

Gospod Detlef Zühlke je direktor oddelka Innovative Factory Systems pri raziskovalnem središču German Research Centre (DFKI-IFS) za umetno inteligenco v mestu Kaiserslautern. Poleg tega je pobudnik in predsednik izvršnega odbora SmartFactoryKL in predsednik področja avtomatizacije proizvodnje na univerzi University of Kaiserslautern.

Dr.-Ing. Dominic Gorecky
Dominic Gorecky je višji raziskovalec in namestnik direktorja DFKI-IFS. V tej vlogi je odgovoren za znanstveno upravljanje in strateško koordinacijo oddelka.

M. Sc. Stefanie Fischer
Gospa Stefanie Fischer je raziskovalka in direktorica komunikacij SmartFactory. V tej vlogi dela na različnih projektih in je odgovorna za trženje in komunikacije.

SKF logo