Súbory „cookie“ na webovej stránke SKF

Používame súbory „cookie“, aby sme Vám na našich webových stránkach a webových aplikáciách zabezpečili najlepšie skúsenosti. Ak budete pokračovať bez zmeny nastavenia vášho prehliadača, budeme to považovať za súhlas s prijímaním súborov „cookie“. Nastavenia vášho prehliadača ohľadom súborov „cookie“ si však môžete zmeniť kedykoľvek.

Správa „Zlepšenie budúcnosti“: Aké prevratné zmeny spôsobí „Internet vecí“ v priemyselnej výrobe?

2015 február 04, 08:50 CEST

AUTORI: Profesor Dr. Detlef Zühlke Dominic Gorecky a Stefanie Fischer, oddelenie Inovatívnych továrenských systémov v nemeckom výskumnom ústave

Pod tlakom globalizácie náš priemysel prechádza obdobím veľkých výziev, vrátane kratšej životnosti produktov, vysokého stupňa úpravy tovarov podľa potrieb zákazníkov a bude čeliť tvrdej konkurencii zo strany rôznych trhov na celom svete. Tieto výzvy sú už na dnešnom trhu mobilných telefónov jasne viditeľné. Kým životnosť tovaru klesla na približne 6-9 mesiacov, funkčnosť a komplexnosť produktu sa neustále zvyšuje.

V iných odvetviach, ako je automobilový priemysel, prebieha podobný vývoj. Keďže produkty sú čoraz komplexnejšie, životnosť tovaru je viac obmedzená. Pri intenzívnej optimalizácii výroby a urýchlení procesu sú stále dôležitejšie počítačom podporované technológie (CAX). Hoci pokrok technológie CAX za posledných desať rokov zvýšila flexibilitu vo fáze projektovania a plánovania, podobný prielom sa v skutočnej výrobnej fáze ešte len očakáva. Vysoká variabilita výrobkov zosúladená so skrátenou životnosťou tovaru vyžaduje agilnú a flexibilnú štruktúru výroby, ktorú možno rýchlo prekonfigurovať v prípade nových požiadaviek výrobkov. Tento stupeň flexibility sa nedá dosiahnuť tradičnou automatizáciou. Namiesto toho, modulárne výrobné štruktúry zložené z inteligentných zariadení – tzv. „Kyberneticko-fyzikálne systémy“ (Cyber-Physical Systems - CPS) –, ktoré sú súčasťou „Internetu vecí“, sú kľúčovými prvkami vytvárania prispôsobivého výrobného scenáru, ktorý dokáže vyriešiť a prekonať súčasné problémy.

V poslednom desaťročí došlo k zásadnej zmene v našom každodennom živote. Boli sme svedkami vzniku a rozvoja informačných a komunikačných technológií. (ICT). Počítače sú tak malé, že sa takmer stratia v našich technických zariadeniach. Okrem toho, veci komunikujú v rámci celosvetovej siete: Internet.


Ak sa na základe tohto pozrieme do budúcnosti, zistíme, že takmer všetky bežné veci sa stanú inteligentnými uzlami globálnej siete. Tento jav sa nazýva ako „Internet vecí“ (Internet of Things - IoT); trend, ktorý si pravdepodobne nájde cestu k priemyselnej výrobe. Kvôli veľkému záujmu o elektrotechnický a hierarchický svet automatizácie tovární dochádza k prechodu na inteligentné siete, ktoré čoraz viac využívajú vývoj v oblasti IKT a počítačových vied. V Nemecku sa začala veľká debata o štvrtej priemyselnej revolúcii alebo v skratke o projekte „Priemysel 4.0“.

Odvtedy, čo Kagermann/Lukas/Wahlster zaviedli v apríli roku 2011 tento pojem, záujem neustále rastie (2011 – Referencia 1). Z iniciatívy pracovnej skupiny vytvorenej z odborníkov vedeckej obce a podnikateľskej sféry, vznikla nová predstava pre nemecký priemysel, ktorú skupina predložila federálnej vláde vo forme odporúčaní. V dôsledku toho sa spustil výskumný program a počas nasledujúcich rokov budú poskytnuté finančné prostriedky vo výške cca. 200 milión eur. Okrem toho, tri hlavné nemecké priemyselné združenia (VDMA, ZVEI a BitKom) spojili svoje sily, aby vytvorili spoločnú platformu pre uľahčenie koordinácie všetkých činností Priemyslu 4.0.

Tieto akcie prispeli k všeobecnej medializácii udalosti predovšetkým prostredníctvom médií. Výrobný priemysel prejavuje taktiež veľký záujem o to, ako dosiahnuť udržateľný úspech tejto predstavy. Nemecko je high-tech národom. Veľkú časť svojho hrubého domáceho produktu (GDP) získava z výroby tovarov a požadovaných výrobných zariadení. Nasledujúca časť predstavuje predpokladané problémy a zmeny v Priemysle 4.0.

Predstava o Priemysle 4.0

Výrazným charateristickým znakom nového technologického prostredia je prechod k mechatronickým systémom. Kým elektronika bude zásadnou súčasťou budúcich produktov, hardvér bude čoraz viac štandardizovaný. Hlavné vlastnosti určujúce funkčnosť budú vytvorené pomocou softvéru. Tradičné elementy mechanizmu sa zmenia na mechatronické systémy. Funkcia sa dá implementovať prostredníctvom mechaniky, elektroniky alebo softvéru. Návrh, výroba, ako aj servis vyžaduje interdisciplinárny tím, ktorý spája znalosti mechanického, elektrického a softvérového inžinierstva v jednom.

Inteligentné veci 

Hlavnou hnacou silou Priemyslu 4.0 je „Internet vecí“ (IoT). Podľa tejto predstavy, všetky „objekty“ závodu budú mať jedinečnú IP adresu a budú zapojené do siete. Technický výraz pre tento jav je „Kyberneticko-fyzikálny systém“ (CPS) (2012 – Referencia 2). Hierarchia tradičnej výroby sa zmení na decentralizovanú samoorganizáciu, ktorú v továrňach budúcnosti umožní systém CPS. Prevádzkové sekcie a výrobné procesy budú tak nezávislé a flexibilné, že sa aj najmenšie množstvo bude môcť vyrobiť v rámci rýchlej rotácie výrobkov a zmeny iných podmienok.

Komunikácia medzi prístrojmi umožňuje jednotlivým strojom vydávať príkazy, napríklad na prepravu surového produktu alebo na použitie konkrétnej výrobnej služby. Sémantická pamäť produktu dynamicky kontroluje výrobný proces a umožňuje decentralizovanú masovú výrobu vo veľkosti „1“ dávky.

Mnohé z týchto inteligentných prvkov budú mobilné a prepojené cez bezdrôtové siete, čo znamená stratu podstatných údajov o polohe, ktoré boli v starých drôtových systémoch doručené implicitne prostredníctvom kábla. (por. Obrázok 1). Je to obzvlášť dôležité v oblasti prevádzkovania zariadení. V budúcnosti nebude možné zistiť presnú polohu pracovníka, ktorý používa prenosné operačné zariadenie, napríklad smartfón. Užívateľ môže byť niekde vo výrobnej hale, ale aj v nejakej kaviarni. Aplikácia musí zohľadniť aktuálnu pozíciu zamestnanca, aby zistila, či sú funkcie podporované alebo nie. Ak chceme vyriešiť túto dilemu, potrebujeme nielen vnútorný polohový systém s podobnými vlastnosťami aké má GPS, ale musia byť založené aj nové pravidlá a metódy pre vytvorenie kontextovo citlivého rozhrania človek-stroj, na základe ktorých je možné od seba oddeliť v súčasnosti používaný hardvér a operačný softvér .

Obrázok č. 1: Inteligentné objekty – prenosné, modulárne a decentralizované.

Nové komunikačné architektúry

Dnešné továrne dodržiavajú prísnu, hierarchickú štruktúru informácií. V horných vrstvách sa nachádza systém plánovania podnikových zdrojov (ERP), za ním nasledujú systémy kontroly prevádzky (MES a NC/PLC) a v najnižšej vrstve sú systémy snímačov a ovládačov, tzv. prevádzkových prístrojov. V posledných rokoch došlo k vzájomnej integrácii týchto vrstiev; najväčšia systémová integrácia však prebehla horizontálne a nie vertikálne. Sieť CPS nevyhnutne vyžaduje nový prístup k architektúre. Bežné pyramídové štruktúry, ktoré sa vyznačujú silnou horizontálnou a slabou vertikálnou komunikáciou, budú nahradené sieťovou štruktúrou orientovanou na domény, ktorá v rámci všetkých informačných vrstiev v zásade umožňuje ľubovoľný počet väzieb.

Vďaka systémom tovární vybudovaným na zásadách Internetu vecí a systému CPS sa dnešné PLC systémy stávajú nadbytočnými, pretože každé koncové zariadenie bude komunikovať so všetkými ostatnými, i keď sa nachádza v inej vrstve. Špecifikácia procesnej logiky (známa aj ako harmonizácia) sa uskutoční v sieti a nie vo vyhradenom riadiacom prvku.

Nové programovacie paradigmy

V súčasnosti sa ovládacie prvky programu vo väčšine prípadov obracajú na hardvérovú štruktúru, ktorá je zvyčajne založená na 20 alebo viacročných pravidlách a normách. Hardvér a riadiaca logika musí byť v budúcom sieťovom sebestačnom systéme CPS prísne oddelené. V tomto smere existuje niekoľko paradigiem. Napríklad architektúry orientované na služby (service-oriented architecture - SoA) alebo architektúry s viacerými činiteľmi (multi-agent architectures - MAS).

Oba prístupy zahŕňajú a oddeľujú funkcie hardvéru a obsahujú mechanizmy pre sebestačné systémy. Okrem toho, existuje mnoho programovacích modelov, ktoré umožňujú špecifikáciu riadiacej logiky alebo harmonizáciu. Tieto prístupy si však vyžadujú vysokú úroveň IT znalostí, čo komplikuje implementáciu, pretože ľudia, ktorí nemajú skúsenosti v tejto oblasti, nedokážu implementáciu vykonať. V tomto ohľade je najsľubnejšou možnosťou migrácia paradigiem architektúry z hornej vrstvy, kde sú už čiastočne rozmiestnené, do strednej vrstvy MES systémov, pričom sa technické zázemie zamestnancov takisto berie do úvahy.

V súčasnom procese plánovania a kontroly výroby je riadiaci systém navrhnutý na konci fázy plánovania, pretože sa opiera o výsledky mechanických a elektrických konštrukcií. Programovanie logiky ovládania sa nezačne, kým nie sú riadiace terminály vybrané a nie je rozhodnuté, ako majú byť prepojené. Abstrakčné metódy, ako je architektúra orientovaná na služby (SoA), môžu byť užitočné pri prerušení vzťahu s počiatočnou implementáciou hardvéru a vo vytváraní opakovane použiteľných softvérových komponentov.

Potrebné je zriadenie nového inžinierskeho pracovného postupu pre vytvorenie nezávislého, funkčného hardvéru a prístupu plánovania zhora nadol. Tradičné plánovacie domény musia byť oveľa užšie prepojené, najmä v počiatočných fázach plánovania s cieľom zaistiť neskoršie zosúľaďovanie v procese plánovania. Inžinierske prístupy systému môžu prispieť k podpore interdisciplinárnych úloh, ktoré sa už úspešne preukázali v oblasti leteckej technológie.

Vytvorenie transparentnej prezentácie je teda výzvou vzhľadom na zložitosť výsledkov plánovania a vzájomných vzťahov medzi príslušnými odbormi. Doplnkovú inžiniersku stratégiu založenú na modeli, ako aj modelovací jazyk, dátové formáty a reťazce nástrojov sa dajú dosiahnuť pomocou praktických postupov.

Cieľom budúcich inteligentných tovární musí byť odstránenie mediálnej medzery medzi CAX/PLM prostredím a skutočným fungovaním zariadenia. PLM nástroj musí vedieť vygenerovať kompletný opis systému, ktorý priamo prekonvertuje do vykonateľných služieb riadenia. Kód následne umožní simuláciu virtuálneho závodu, ako aj nastavenie a spustenie daného závodu.

Normy

Ako je opísané v základnom modeli, oddeliť hardvér od funkcií sa dá jedine vytvorením noriem. Prvok CPS sa musí stavať podobne ako LEGO kocka, len z hľadiska informačnej technológie. Inými slovami, prvok musí komunikovať na základe noriem v rámci všetkých vrstiev so 7-vrstvového ISO/OSI modelu. Prenosové vrstvy 1-4 sa spoliehajú na normy typu EEE 802.xx alebo normy typu Internet Protocol IP; príslušné normy aplikačných vrstiev 5-7 prichádzajú iba v prípade masívneho tlaku trhu. Je zrejmé, že žiadneho výrobcu nezaujme myšlienka výmeny produktov na zameniteľné LEGO kocky. Súčasná debata o štandardnom procese priemyselných bezdrôtových sietí (napr. ISA100) alebo špecifikácii jazyka pre opis zariadenia (napr. FDT) sa vyznačuje odporom a konfliktom záujmov. Implementačný prístup s OPC UA pre vrstvy 5-6 sa zdá byť sľubný. Stále viac a viac výrobcov a užívateľov je ochotný ho akceptovať.

Bezpečnosť

Charakteristickým znakom budúcich riadiacich systémov tovární je použitie sietí založených na IP na všetkých úrovniach. Umožňuje to import dát z poľného prístroja do ERP systému vyššej úrovne bez akýchkoľvek problémov. Pri využívaní otvorených protokolov však továreň môže byť vystavená čoraz silnejším počítačovým útokom. STUXNET a ďalšie iné škodlivé softvéry (malvéry) sú jednoznačným dôkazom hrozby. Výrobné prostredie založené na systéme CPS môže byť úspešne implementované, iba ak vysoká úroveň bezpečnosti a dôvera v túto technológiu prichádza zvnútra podniku. Vyžaduje si to nielen technické riešenia, ale aj organizačné opatrenia, ktoré sú možno ešte dôležitejšie. Definitívna odpoveď na otázku bezpečnosti bude neustále kľúčovou témou. Na to sú však potrebné návrhy zo strany priemyslu, výskumu a vlády.

Ako bude vyzerať blízka budúcnosť?

Predpokladá sa, že táto verzia Priemyslu 4.0 si v priebehu 10 – 15 rokov nájde cestu do budúceho výrobného prostredia. Vzhľadom na všetky otázky, ktoré musia byť zodpovedané, a na všetky výskumné práce, ktoré treba urobiť, bude ešte nejaký čas trvať, kým sa takéto holistické výrobné scenáre zrealizujú a akceptujú v našich priemyselných odvetviach.

Prvé prvky a objekty vhodné na plánovanie teda prejdú evolučnou cestou ešte predtým, než sa budú využívať praxi. Dostupnosť informácií vo vysokom rozlíšení a zníženie mediálnych medzier predstavuje základ pre všestranné, transparentné výrobné prostredie. Dostupné auto-ID technológie môžu pomôcť sledovať prvky a zastupovať ich v digitálnom svete. Prenosné zariadenia, akými sú notebooky, tablety alebo inteligentné okuliare, poskytujú okamžitý prístup k podnikovým vedomostiam z takmer akéhokoľvek miesta - v rámci podniku alebo mimo neho. Rozhodnutia a činnosti sa môžu teda zakladať na úplných a presných informáciách, pričom reakcie prichádzajú rýchlejšie a sú podporované inteligentnými podpornými systémami ako je to uvedené na obrázku č. 2.

Obrázok č. 2: Prenosné zariadenia a inteligentné podporné systémy v blízkej budúcnosti výroby.

Technologická iniciatíva SmartFactoryKL – demonštračná a výskumná platforma nezávislá od výrobcu - už urobila veľký krok smerom k plánu Priemysel 4.0, a to vypracovaním a zavedením riešení, ktoré umožňujú flexibilné výrobné štruktúry a vyriešia súčasné priemyselné problémy. SmartFactoryKL v rámci svojej siete zahŕňajúcej viac ako 30 priemyselných partnerov, testuje a vyvíja inovatívne informačné a komunikačné technológie a zisťuje ich uplatnenie v skutočnom priemyselnom výrobnom prostredí. Spolu s kľúčovými priemyselnými partnermi bola v rámci posledného projektu vyvinutá prelomová výrobná linka (pozri Obrázok č. 3). Výrobná linka je úplne modulárna a umožňuje plug-and-play integráciu nových výrobných modulov. Plug-and-play funkcie sa dosiahli na základe mechanických, elektronických a informačno-technických noriem, ktoré stanovila SmartFactoryKL a jej partneri.

Obrázok č. 3: Ukážkové zariadenie budúcej výroby v SmartFactoryKL .

Výhľad

Žiadna technologická revolúcia sa nezačala rýchlo. Prevraty najčastejšie nastali v priebehu niekoľkých desaťročí, a to na základe pokrokov v mnohých technických oblastiach (technologické stimuly – „technology push“) a nových požiadavok trhu (trhový dopyt - „market-pull“). Je vysoko pravdepodobné, že súčasné úsilie smerujúce k Priemyslu 4.0 bude mať podobný evolučný aspekt a bude trvať niekoľko desaťročí. Pozitívne je, že Priemysel 4.0 poskytuje jasný plán, ku ktorému sa vie prispôsobiť tak výrobca ako aj konečný užívateľ. Vedecké poznatky z IT prostredia sú úzko spojené s požiadavkami výrobného prostredia. Vyžaduje to interdisciplinárnu spoluprácu tradične rozdelených disciplín.

Najdôležitejšími faktormi v tomto procese však budú ľudia. V prípade, že urobíme analýzu predchádzajúcich troch revolúcií, zistíme, že ľudské potreby a životné štandardy sú hlavnými hnacími silami zmeny. Zdá sa, že inovatívne zmeny nastanú najmä vtedy, keď požiadavky spĺňajú správne technologické hraničné podmienky. Od tretej priemyselnej revolúcie, bežne známej ako Digitálna revolúcia, ovplyvnilo spôsob, akým ľudia spolu žijú, veľa inovatívnych technológií a politických zmien. Medzi typické príklady patrí koniec studenej vojny, otvorenie globálnych trhov - najmä v Číne - a prínosy technologického rozvoja (napríklad internet a iné inteligentné zariadenia).

Ľudia nie sú iba hlavnou hnacou silou technológie, ale sú ňou aj riadení. Moderné IKT vedie k prudkému zrýchleniu všetkých obchodných postupov, ako aj procesov v globálnom kontexte. Zákazky na dodávanie výrobných zariadení a služieb môžu byť odoslané po celom svete v priebehu niekoľkých sekúnd, pričom globálne syndikáty môžu byť okamžite prispôsobené k riešeniam zásobovania. Efektívnejšie a integrovanejšie logistické systémy na pevnine, mori a vo vzduchu dokážu zákazníkom dodať tovar v oveľa kratšom čase. V záujme úspechu v hospodárskej súťaži je potrebné, aby boli výrobné systémy flexibilné a schopné na rýchly prechod. Je to možné prostredníctvom pokrokov v oblasti IKT. Ľudia budú musieť v tomto novom prostredí systémov rýchlejšie plánovať, realizovať a prevádzkovať. V rámci globálneho trhu budú úspešné len tie národy, ktoré včas prispôsobia odbornú prípravu a vzdelávanie občanov novým situáciám.

Európa je z tohto hľadiska v dobrej situácii. EÚ patrí medzi svetových lídrov v oblasti výskumu vstavaných sieťových systémov, sémantických technológií a vytvorenia komplexných kyberneticko-fyzikálnych systémov. Pre európsky priemysel ide o veľkú príležitosť urobiť obrovský technologický pokrok a zvládnuť výzvy globálneho trhu.

Odkazy

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]


Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Detlef Zühlke

Detlef Zühlke je riaditeľom oddelenia Inovatívnych továrenských systémov v nemeckom výskumnom ústave (DFKI-IFS) pre umelú inteligenciu v Kaiserslauterne. Je iniciátorom a predsedom výkonnej rady SmartFactoryKL a vedie automatizáciu výroby na univerzite v Kaiserslauterne.

Dr.-Ing. Dominic Gorecky
Dominic Gorecky je vedúcim výskumníkom a zástupcom vedúceho DFKI-IFS. V tejto pozícii je zodpovedný za vedecké riadenie a strategickú koordináciu oddelenia.

M. Sc. Stefanie Fischer
Stefanie Fischer je vedeckým pracovníkom a vedúcim tlačového odboru SmartFactory. V tejto pozícii pracuje na rôznych projektoch a je zodpovedný za marketing a komunikáciu.

SKF logo