Kolačići na web-stranici SKF-a

SKF na svojim web-mjestima koristi kolačiće zbog bolje prilagodbe željenim postavkama korisnika kao što su odabir zemlje i jezika.

Prihvaćate li SKF-ove kolačiće?

Izvješće o budućem razvoju: Kako će Internet promijeniti industrijsku proizvodnju

2015 veljača 04, 08:50 CEST

AUTORI: Profesor Detlef Zühlke, Dr. Dominic Gorecky i Stefanie Fischer, odjel inovativnih tvorničkih sustava u njemačkom znanstvenom istraživačkom centru

Pod pritiskom globalizacije, naša će industrija doživjeti velike izazove, uključujući kraćei vijek proizvoda, prilagođene proizvode i žestoku konkurenciju s raznih tržišta diljem svijeta. Ti su izazovi već vidljivi na današnjem tržištu telefona. Vijek trajanja skraćen je na 6–9 mjeseci, a funkcionalnost i složenost proizvoda neprestano se povećavaju.

Trenutno se usporedivi razvoj odvija i u drugim sektorima, primjerice u automobilskoj industriji. Budući da proizvodi postaju sve složeniji, a njihov vijek sve kraći, računalno potpomognute tehnologije za optimizaciju proizvodnje i njeno ubrzanje (CAX) postaju sve značajnije. Iako je uslijed napretka računalno potpomognutih tehnologija u prethodnih deset godina povećana fleksibilnost faza planiranja i konstrukcije, sličan se napredak još uvijek očekuje u fazi proizvodnje. Različitost proizvoda u kombinaciji s kraćim vijekom zahtijevaju agilnu i fleksibilnu strukturu proizvodnje koja se može brzo prilagoditi zahtjevima za novim proizvodima. Taj stupanj fleksibilnosti ne može se ostvariti tradicionalnom automatizacijom. Umjesto toga, modularne tvorničke strukture sastavljene od pametnih uređaja – tzv. “kibernetsko-fizički sustavi" (CPS) – koji su dio mreže “Interneta stvari”, ključni su čimbenici koji omogućavaju prilagodljive scenarije proizvodnje kojima se možete uhvatiti ukoštac s trenutnim izazovima i riješiti ih.

U proteklih smo deset godina svjedočili temeljitoj transformaciji naše svakodnevice zbog pojave i širenja informacijske i komunikacijske tehnologije (ICT). Računala su postala toliko malena da su se naizgled izgubila unutar tehničkih uređaja koje koristimo. Osim toga, komuniciramo putem globalne mreže: Interneta.


Kada razmišljamo o slijeđenju tog puta u budućnost, vidimo da će unutar globalne mreže gotovo sve svakodnevne stvari postati pametni čvorovi. Taj se fenomen naziva “Internet stvari” (Internet of Things, IoT); trend koji će gotovo zasigurno pronaći svoj put do industrijske proizvodnje. Elektrotehnički i hijerarhijski postavljen svijet tvorničke automatizacije okrenut će se u smjeru pametnih tvorničkih mreža, koje će imati sve veću korist od napredka ICT i računalnih znanosti. U Njemačkoj je pokrenuta široka debata o četvrtoj industrijskoj revoluciji ili kraće "Industry 4.0".

Otkad su Kagermann/Lukas/Wahlster u travnju 2011. predstavili taj pojam (2011 – Reference 1), interes neprekidno raste. Radna skupina koju čine stručnjaci iz znanstvenih i poslovnih zajednica iznjedrila je viziju za njemačku industriju i predstavila je u obliku preporuka saveznoj vladi. To je rezultiralo nacrtom znanstvenoistraživačkog programa koji će se u sljedećih nekoliko godina financirati s približno 200 milijuna eura. Nadalje, tri velika njemačka industrijska udruženja (VDMA, ZVEI i BitKom) ujedinila su snage s ciljem izrade zajedničke platforme za koordinaciju svih aktivnosti projekta Industry 4.0.

Ti su koraci doprinijeli osjećaju zanosa koji su potaknuli uglavnom medijski kanali. Međutim, postoji i iskreni interes proizvođača koji žele ostvariti održivi uspjeh te vizije. Njemačka je visokotehnološka nacija koja velik dio svog bruto domaćeg proizvoda (BDP) stvara na temelju proizvodnje roba i opreme za njihovu proizvodnju. U sljedećem odjeljku predstavljamo osnovne izazove i promjene predviđene vizijom projekta Industry 4.0.

Vizija Industry 4.0

Prepoznatljiva značajka novog tehnološkog okruženja prelazak je na mehatroničke sustave. Elektronika će biti temelj budućih proizvoda, a hardver će biti sve više standardiziran. Glavne značajke koje određuju funkcionalnost ostvarivat će se softverskim putem. Na taj se način tradicionalni strojni elementi pretvaraju u mehatroničke sustave. Funkcija se može primijeniti mehanički, elektronički ili softverski. Konstrukcija i proizvodnja te održavanje zato zahtijevaju interdisciplinarni pristup, uz kombinaciju nadležnosti mehaničkih, elektro i softverskih tehničara u univerzalnog tehničara.

Pametni predmeti 

Ključni poticaj za viziju Industry 4.0 jest “Internet stvari” (IoT). U sastavu te vizije, svi "predmeti" u tvornici bit će objedinjeni u mreže putem svoje jedinstvene IP adrese. Tehnički pojam osmišljen za takve objekte jest "kibernetsko-fizički sustav" (Cyber-Physical-System, CPS) (2012 – Reference 2). Tradicionalnu hijerarhiju proizvodnje zamijenit će decentralizirana samoorganizacija koju će u tvornicama budućnosti omogućiti CPS. Dijelovi pogona i postupci proizvodnje postat će neovisni i fleksibilni u toj mjeri da će se čak i najmanje serije proizvoda moći proizvesti u uvjetima brze izmjene proizvoda uz mogućnost odabira željenih parametara.

Komunikacija između strojeva omogućava davanje naredbi pojedinim strojevima, primjerice za prijevoz sirovina ili za upotrebu specifične usluge proizvodnje. Semantička memorija uređaja dinamički kontrolira postupak proizvodnje i omogućava decentraliziranu masovnu proizvodnju serije proizvoda "1".

Mnogi od tih pametnih dijelova bit će mobilni i međusobno povezani bežičnim mrežama što obuhvaća gubitak vitalnih podataka za pozicioniranje koji su nam u starim žičnim sustavima implicitno dostavljani na "kraju kabela" (za usporedbu, ilustracija 1). To je naročito od velikog značaja za postupke u sklopu proizvodnih pogona. Zaposlenik koji koristi mobilne uređaje kao što je pametni telefon više se ne može nalaziti na određenom položaju. Korisnik se može nalaziti u proizvodnom pogonu, ali može biti i u kantini. Program mora uzeti u obzir trenutni položaj zaposlenika i zatim dešifrirati je li funkcionalnost trenutno podržana ili ne. Da bi se razriješila ta dilema, bit će potrebni sustavi za lociranje u zatvorenom prostoru sa značajkama kompatibilnima s GPS-om, ali morat će se osmisliti nova pravila i načine za oblikovanje sučelja između čovjeka i stroja koja su osjetljiva na kontekst, a koja će omogućiti razdvajanje korištenog hardvera i operacijskog sustava.

Ilustracija 1: Pametni predmeti – mobilni, modularni i decentralizirani.

Nove komunikacijske arhitekture

Današnje tvornice slijede stroge, hijerarhijski strukturirane informacije. Na gornjim razinama nalazimo sustave za planiranje resursa poduzeća (ERP) ispod kojih se nalaze sustavi za kontrolu pogona (MES i NC/PLC), a na donjoj razini nalaze se sustavi osjetnika i aktuatora proizvodnog pogona, tzv. terenski uređaji. Prethodnih se godina te razine sve više objedinjuju; došlo je do snažnog objedinjavanja sustava u horizontalnom, ali ne i u vertikalnom smjeru. CPS mreža svakako će zahtijevati novi pristup arhitekturi. Uobičajene piramidalne strukture koje karakterizira snažno horizontalno umrežavanje, ali i slaba vertikalna komunikacija zamijenit će mrežna struktura okrenuta prema domenama koja u principu omogućava brojne staze kroz sve informacijske razine u tvornici.

Sustavi proizvodnih pogona izgrađeni na principima IoT i CPS današnje će PLC sustave učiniti nepotrebnima budući da će svaki krajnji uređaj moći komunicirati sa svim ostalima čak i ako se nalaze na drugoj razini. Specifikacija logike postupka (tzv. orkestracija) nalazit će se na mreži, a ne u namjenskom kontrolnom elementu.

Nove paradigme u programiranju

Danas program kontrolira većinu hardverskih struktura koje se u pravilu temelje na pravilima i standardima starima 20 ili više godina. U budućem svijetu umreženih samoorganiziranih CPS-ova, hardver i kontrolna logika morat će biti jasno razdvojeni. Već postoji nekoliko paradigmi u tom smislu. To su primjerice arhitekture usmjerene na uslugu (SoA) ili arhitekture višestrukih izvršitelja (MAS).

Oba pristupa sadrže i apstrahiraju hardversku funkcionalnost te sadrže mehanizme za samoorganizacijske sustave. Nadalje, već postoji čitav niz modela programiranja koji omogućavaju specifikaciju kontrolne logike ili orkestraciju. Međutim, takvi pristupi zahtijevaju visok stupanj poznavanja računalstva što komplicira primjenu na razini proizvodnog pogona gdje ljudi na tom polju nisu dovoljno stručno obučeni. Obzirom na to, migracija takvih arhitektonskih paradigmi s gornje razine tvornice gdje je već djelomično usvojena putem MES sustava na srednjoj razini smjer je koji obećava, ali i uzima u obzir tehničku stručnost osoblja.

U današnjem planiranju proizvodnje i postupcima kontrole, oblikovanje kontrolnog sustava dolazi na kraju faze planiranja i oslanja se na rezultate mehaničkog i električnog oblikovanja. Programiranje logike kontrola započinje tek nakon odabira kontrolnih terminala i nakon odluke kako će biti ožičeni. Abstraktne ideje kao što je SoA mogu biti korisne za raskidanje veza s početnim hardverom za primjenu i izradu višekratno upotrebljivih softverskih dijelova.

Uspostava novog tehničkog tijeka rada neophodna je za osiguranje pristupa planiranju koji će biti neovisan o hardveru, funkcionalan te usmjeren odozgo prema dolje. Tradicionalnim domenama planiranja potrebno je uže objedinjavanje, naročito u ranim fazama planiranja, da bi se osiguralo poravnanje u kasnijoj fazi postupka planiranja. Pristupi sistemskom inženjeringu mogu biti podrška višerdisciplinarnim zadacima, kao što je to uspješno demonstrirano u zrakoplovnom tehnološkom sektoru.

Izrada transparentne prezentacije stoga predstavlja izazov zbog složenosti rezultata planiranja i međuodnosa povezanih disciplina. Zbog toga će biti potrebni praktični postupci za ostvarivanje postupne tehničke strategije na temelju modela kao i odgovarajućih jezika za modeliranje, formata podataka i skupova alata.

Cilj za buduće pametne tvornice mora biti uklanjanje medijskog procjepa između CAX/PLM okruženja i stvarnih proizvodnih pogona. PLM alat mora imati mogućnost stvaranja potpunih opisa sustava koji se mogu izravno pretvoriti u izvršne kontrolne usluge. Zatim se mora kodirati simulacija virtualnog proizvodnog pogona, kao i konfiguracija te način upravljanja stvarnim pogonom.

Standardi

Kao što je opisano u osnovnom modelu, strogo razdvajanje hardvera i funkcionalnosti može biti uspješno jedino ako se temelji na standardima. CPS dio mora biti izrađen na sličan način, barem što se tiče informacijske tehnologije, u obliku strukture LEGO kocaka. Drugim riječima, mora podržavati standardnu komunikaciju na svih 7 razina ISO/OSI modela. Prijelazne razine 1-4 već se oslanjaju na mnoge uspostavljene standarde kao što su razni IEEE 802.xx ili IP standardi; odgovarajući standardi za programske razine 5-7 doći će tek nakon snažnih tržišnih pritisaka. Očigledno je da niti jednog proizvođača ne privlači ideja pretvorbe svojih proizvoda u prilagodljive LEGO kocke. Trenutna rasprava o standardnim postupcima na području industrijskih bežičnih mreža (npr., ISA100) ili jezika za specifikaciju opisa uređaja (npr., FDT) upućuje na otpor i sukob interesa. Čini se međutim da postoji obećavajući OPC UA pristup primjene za razine 5-6 koji spremno prihvaća sve veći broj proizvođača i korisnika.

Sigurnost

Prepoznatljiva značajka kontrolnih sustava tvornice budućnosti upotreba je IP mreža na svim razinama. To omogućava uvoz podataka s terenskog uređaja na ERP sustav više razine bez ikakvih poteškoća. Međutim, zbog toga tvornica može biti ugrožena još snažnijim kibernetskim napadima koji će koristiti otvorene protokole. STUXNET i drugi zloćudni programi sasvim jasno pokazuju koliko je prijetnja stvarna. Proizvodno okruženje koje se temelji na CPS-u može se uspješno primijeniti jedino ako tvrtka koristi kvalitetnu zaštitu i ima povjerenja u ovu tehnologiju. Preduvjet za to nisu samo tehnološka rješenja, već su možda i važnije organizacijske mjere. Definitivan odgovor na sigurnosna pitanja bit će ključna tema koja će zahtijevati prijedloge iz redova industrije, znanstvenoistraživačke zajednice i vlade.

Kako će izgledati bliska budućnost?

Predviđa se da će se ova verzija vizije Industry 4.0 u proizvodnim okruženjima pojaviti otprilike u sljedećih 10 do 15 godina. Obzirom na sva pitanja koja zahtijevaju odgovor i na sav znanstvenoistraživački rad koji je potrebno obaviti, trebat će proći još neko vrijeme prije opće primjene takvih sveobuhvatnih scenarija proizvodnje, ali i njihovog prihvaćanja od strane industrije.

Posljedično, prvi dijelovi i predmeti proizašli iz takve vizije trebat će proći evolucijski put prije no što dođe do njihove praktične upotrebe. Dostupnost informacija visoke razlučivosti i smanjivanje medijskih procjepa osnova su koja će omogućiti uspostavu raznovrsnih, transparentnih proizvodnih okruženja. Već dostupne samoidentifikacijske (auto-ID) tehnologije mogu pomoći s praćenjem dijelova i njihovim predstavljanjem u digitalnom svijetu. Mobilni uređaji kao što su prijenosna računala, tableti ili pametne naočale omogućavaju trenutačan pristup korporativnim podacima s gotovo bilo kojeg mjesta i bilo kad – vezano uz poslovanje ili drugo. Sukladno tome, odluke i radnje mogu se temeljiti na sveobuhvatnim i preciznim informacijama, a reakcije biti brže, uz potporu pametnih pomoćnih sustava, kao što je prikazano na ilustraciji 2.

Ilustracija 2: Mobilni uređaji i pametni pomoćni sustavi proizvodnje u bliskoj budućnosti.

Tehnološka inicijativa SmartFactoryKL – kao demonstracija i znanstvenoistraživačka platforma neovisna o proizvođačima – već je napravila ogroman korak prema viziji Industry 4.0 kroz razvoj i primjenu rješenja koja omogućavaju fleksibilne strukture proizvodnje, a bave se trenutnim industrijskim izazovima. U sklopu svoje mreže od preko 30 industrijskih partnera, SmartFactoryKL provjerava i razvija inovativne informacijske i komunikacijske tehnologije te njihovu primjenu u stvarnom okruženju industrijske proizvodnje. Radeći na najnovijem projektu u suradnji s ključnim industrijskim partnerima predstavili su revolucionarnu proizvodnu liniju (pogledajte ilustraciju 3). Proizvodna linija potpuno je modularna te omogućava "plug-and-play" objedinjavanje novih proizvodnih modula. "Plug-and-play" funkcionalnost ostvaruje se na temelju skupa mehaničkih, elektroničkih i informacijskih tehničkih standarda koje su definirali tvorci inicijative SmartFactoryKL i njihovi partneri.

Ilustracija 3: Demonstracijski SmartFactoryKL proizvodni pogon za proizvodnju u budućnosti.

Perspektiva

Niti jedna tehnološka revolucija nije pokrenuta brzopleto. Do promjena je češće dolazilo kroz prevrate koji su trajali desetljećima, u evolucijskom prijelazu potaknutom napredkom na većem broju tehničkih područja (tehnološka ponuda), ali i zbog novih zahtjeva tržišta (tržišna potražnja). Trenutni pomak u smjeru projekta Industry 4.0 vjerojatno će obilježiti sličan evolucijski vid koji će se protegnuti kroz nekoliko desetljeća. Pozitivna je stvar što Industry 4.0 pruža jasnu viziju kojoj se proizvođači i krajnji korisnici mogu uspješno prilagoditi. Znanstveni uvidi u okruženje informatičke tehnologije tijesno su povezani sa zahtjevima proizvodnog okruženja. To zahtijeva višedisciplinarnu suradnju između tradicionalno odvojenih disciplina.

Ljudi će biti najvažniji čimbenik tijekom prijelaznog razdoblja. Ako analiziramo prethodne tri revolucije, očigledno je da su ljudske potrebe i standard života glavni pokretači promjena. Kada se ti zahtjevi podudare s odgovarajućim tehnološkim uvjetima, to obično predstavlja plodono tlo za inovativne promjene. Od treće industrijske revolucije, poznatije pod nazivom digitalna revolucija, mnoge su inovativne tehnologije, ali i političke promjene utjecale na suživot ljudi. Karakteristični primjeri obuhvaćaju završetak Hladnog rata, otvaranje globalnih tržišta – naročito kineskog – kao i tehnološki napredak (uključujući Internet i brojne pametne uređaje).

Ljudi imaju važnu ulogu pokretača tehnoloških promjena, ali i ulogu pokretanih. Moderni ICT rezultira snažnim ubrzanjem svih poslovnih postupaka i to u globalnom kontekstu. Ponude za proizvodne pogone i usluge mogu se poslati na bilo koje mjesto u svijetu u roku od nekoliko sekundi, a isto tako se trenutačno mogu osnovati globalne udruge te ponuditi rješenja. Efikasni i objedinjeni logistički sustavi na tlu, moru i u zraku mogu brže dostaviti robu kupcima. Da bi bili uspješni u uvjetima globalnog natjecanja, sustavi proizvodnje moraju biti agilni i imati sposobnost brze promjene. To im omogućavaju iskoraci u ICT. Ljudi će u okruženjima novih sustava morati planirati, primjenjivati i upravljati još brže. Na globalnom tržištu bit će uspješne samo one svjetske nacije koje uspiju pravovremeno prilagoditi svoj obrazovni sustav novonastalim uvjetima.

Europa je u tom pogledu u dobrom položaju. EU je među svjetskim predvodnicima po pitanju znanstvenoistraživačkog rada obzirom na umrežene ugrađene sustave, semantičke tehnologije i oblikovanje složenih kibernetsko-fizičkih sustava. Tu leži velika prilika za europske industrije koje mogu napraviti tehnološki kvantni iskorak i savladati izazove globalnog tržišta.

Reference

1. Kagermann, H., Lukas, W., Wahlster, W. (2011). Industrie 4.0: Uz pomoć Internet stvari na putu do 4. industrijske revolucije, VDI-Nachrichten.
2. Geisberger, E., Broy, M. (2012). Istraživanje programa kibernetsko-fizičkih sustava, Acatech studija, Berlin.
3. Zuehlke, D. (2010). SmartFactory – Put prema tvornici-stvari, Objavljeno u: IFAC zbornik o kontroli, svezak 34, 1. izdanje, ISSN 1367-5788


[Kraj]


Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Detlef Zühlke

Detlef Zühlke direktor je odjela inovativnih tvorničkih sustava u njemačkom znanstvenom istraživačkom centru (DFKI-IFS) za istraživanje umjetne inteligencije u Kaiserslauternu. Osim toga, inicijator je i predsjedavajući izvršnog odbora SmartFactoryKL, a drži i katedru za automatizaciju proizvodnje na Sveučilištu u Kaiserslauternu.

Dr.-Ing. Dominic Gorecky
Dominic Gorecky viši je istraživač i zamjenik direktora centra DFKI-IFS. Odgovoran je za znanstveno upravljanje i stratešku koordinaciju odjela.

M. Sc. Stefanie Fischer
Stefanie Fischer istraživačica je i voditeljica odjela za komunikacije inicijative SmartFactory. Radi na raznim projektima, a odgovorna je za marketing i komunikaciju.

SKF logo