Przemysł 4.0 – Od wizji do rzeczywistości

Rzeczywistość mieszana w inteligentnych koncepcjach obsługi. (Zdjęcie: OPTIMA packaging group GmbH) / Mixed Reality in smart operating concepts. (Photo: OPTIMA packaging group GmbH)

Monitoring stanu dostarcza informacji o poszczególnych maszynach lub całych liniach w czasie rzeczywistym. Na podstawie zdefiniowanych wcześniej granic ostrzegawczych i awaryjnych można wczesne wykrywać i eliminować odchylenia. (Zdjęcie: Bosch Packaging Technology) / Monitoring stanu dostarcza informacji o poszczególnych maszynach lub całych liniach w czasie rzeczywistym. Na podstawie zdefiniowanych wcześniej granic ostrzegawczych i awaryjnych można wczesne wykrywać i eliminować odchylenia. (Zdjęcie: Bosch Packaging Technology)

Transformacja cyfrowa w kierunku połączonych środowisk produkcyjnych w rozumieniu Przemysłu 4.0 (I4.0) lub Internetu Rzeczy (Internet of Things, IoT) nabiera coraz większego tempa. Liczne zastosowania z obszarów monitorowania produktów i procesów, technik znakowania, pakowania, logistyki oraz konserwacji i utrzymania ruchu już dziś pokazują, jakie potencjały optymalizacyjne kryją się w tej zmianie w kierunku Internetu Rzeczy.

Chodzi tu o czujniki, chipy RFID (Radio Frequency Identification), urządzenia, maszyny i instalacje. W przyszłości mają one nie tylko samodzielnie dostarczać ciągłe informacje o wszystkich ważnych stanach procesów i systemów, ale także komunikować się ze sobą przez Internet i bez udziału człowieka wprowadzać korekty i optymalizacje w przebiegu produkcji. Podstawą tej komunikacji przez Internet jest protokół internetowy (IP) z jednoznacznie identyfikowalnymi adresami IP. Stary protokół internetowy IPv4 mógł jednak zapewnić tylko zakres adresów liczący nieco ponad 4,3 miliarda – a te były już na początku 2012 roku wszystkie przydzielone – dla komputerów PC, laptopów, tabletów i telefonów komórkowych. Dlatego opracowano nowy standard IPv6, obejmujący zakres 3,4 x 10^38 adresów IP. Brak adresów więc nie jest już problemem. Przejście na IPv6 jest jeszcze w toku. Wyzwania są więc mniej związane z samymi urządzeniami i ich adresami, a bardziej z falą danych, którą one wywołują, gdy pewnego dnia miliardy czujników będą przesyłać tysiące danych na sekundę do głównych komputerów. Te dane trzeba analizować w czasie rzeczywistym dla wizualizacji i symulacji oraz przechowywać do celów dokumentacyjnych (śledzenie pochodzenia).

W Internecie Rzeczy chodzi więc głównie o dane. A dokładniej – o informacje wyciągnięte z tych danych. I to jest domena oprogramowania i algorytmów. To, co już dziś można osiągnąć, jest wystarczającym powodem, aby aktywnie prowadzić transformację. Poniższe przykłady pokazują zastosowania, które już w krótkim czasie przyniosą korzyści.

Zmiana paradygmatów w utrzymaniu ruchu

Uszkodzenia łożysk, przekładni, pomp czy urządzeń do napełniania i dozowania nie pojawiają się nagle, lecz sygnalizują się na długo przed awarią poprzez nietypowe wibracje, odchylenia temperatury, zmiany poboru prądu, spadek ciśnienia i podobne. Te odchylenia wykrywane przez czujniki w ramach monitorowania stanu można dziś dzięki zaawansowanym programom analitycznym i symulacyjnym oceniać w czasie rzeczywistym, wizualizować i powiązać z procesami technologicznymi. Na podstawie tych informacji operatorzy maszyn i urządzeń mogą celowo, a przede wszystkim zdalnie, ingerować w systemy, np. aby utrzymywać je w zakresie optymalnym, dokonywać zmian programów lub wgrywać nowe programy sterujące. Dodatkowo, na podstawie wyników symulacji można precyzyjnie przewidzieć pozostały czas pracy krytycznych części maszyn, co otwiera zupełnie nowe perspektywy dla utrzymania ruchu.

Odchodzi się od reaktywnego i prewencyjnego utrzymania ruchu z ich rutynowymi wymianami komponentów na rzecz przewidywalnych, precyzyjnie planowanych działań konserwacyjnych – tzw. Predictive Maintenance. Korzyści to wyższa dostępność maszyn i urządzeń, znacznie mniejsze ryzyko awarii, wyższe bezpieczeństwo operacji i produkcji oraz znacznie niższe koszty utrzymania ruchu.

Predictive Maintenance jest także ważnym elementem zrównoważonego rozwoju. Przy rutynowej wymianie części zawsze można było być pewnym, ale jednocześnie marnowano cenną pozostałą żywotność drogich elementów, ponieważ nie istniały precyzyjne dane o ich zachowaniu. Obecnie wiedza o zachowaniu materiałów, trwałym obciążeniu pod zmiennym obciążeniem i podobne kwestie są znacznie bardziej rozwinięte niż jeszcze 10 czy 20 lat temu. Kolejnym aspektem są dostępne dzisiaj znacznie mocniejsze komputery oraz inteligentniejsze programy analityczne, metody elementów skończonych (FEM) i symulacyjne. Pozwalają one z dużą precyzją określić i przewidzieć oczekiwany czas pozostałej pracy, a ta wiedza korzysta na Predictive Maintenance.

Chat z maszynami

Rosnąca moc obliczeniowa, elastyczność i inteligencja maszyn i urządzeń prowadzą do coraz bardziej skomplikowanych systemów, co wymusza najwyższe wymagania wobec opracowania koncepcji obsługi interfejsów człowiek-maszyna (HMI, Human Machine Interface). Pod względem sprzętowym HMI to urządzenia końcowe z funkcją dotykową, jaką większość ludzi zna z smartfonów lub tabletów. Dzięki temu użytkownicy mogą korzystać z maszyn i urządzeń, opierając się na znanej wiedzy, co motywuje i znacznie skraca czas szkolenia.

Kluczowym aspektem przy tworzeniu interfejsów jest to, że maszyny muszą być coraz bardziej bezpieczne i łatwe w obsłudze dla osób bez specjalistycznego wykształcenia i często z ograniczonymi umiejętnościami językowymi. Aby uniknąć błędów obsługi, projektanci interfejsów coraz częściej sięgają po intuicyjne elementy graficzne zamiast tekstu. W modzie są też fotorealistyczne wizualizacje 3D maszyn, urządzeń i komponentów. Ponadto HMI musi spełniać wymagania różnych użytkowników, w zależności od ich kwalifikacji i uprawnień. Operatorzy maszyn widzą inne interfejsy niż np. kierownicy zmian, konserwatorzy czy kierownicy produkcji. Każdy użytkownik widzi tylko dane odpowiadające jego zakresie obowiązków i istotne w danej sytuacji. Informacje są ograniczone do najważniejszych danych, co zapewnia przejrzystość i natychmiastowy dostęp do kluczowych wskaźników maszyn i danych produkcyjnych.

Mobilność i dostępność to kolejne cechy nowoczesnych HMI. Trendem jest korzystanie z urządzeń mobilnych, z których można zdalnie kontrolować i obsługiwać maszyny i urządzenia, w zależności od uprawnień użytkownika. To szczególnie oszczędza czas i koszty podróży w zakresie serwisu i utrzymania ruchu.

Praca w wirtualnych światach

Niewiele tematów w kontekście Internetu Rzeczy cieszy się tak dużą popularnością jak wirtualny lub cyfrowy bliźniak. Podstawą techniczną są zaawansowane programy CAD 3D, symulacyjne i analityczne oraz wirtualne kopie w skali 1:1 rzeczywistych programów sterowania maszyn i urządzeń. Na bazie tych narzędzi powstaje pełny model produkcji, obejmujący komponenty, maszyny, urządzenia i ich sterowania – z wszystkimi niezbędnymi danymi fizycznymi do symulacji. Dodatkowo umożliwia programowanie offline. Wszystko to czyni wirtualnego bliźniaka uniwersalnym narzędziem dla projektantów, operatorów i konserwatorów.

Dzięki realistycznym symulacjom można już na etapie rozwoju wykrywać błędy konstrukcyjne lub słabe punkty koncepcji, bez konieczności wytwarzania rzeczywistych części. Dotyczy to także programowania i optymalizacji sterowań.

Jedną z najważniejszych zastosowań jest wirtualne uruchomienie. To nie tylko test wirtualny, ale także sposób na zapoznanie pracowników odpowiedzialnych za system z jego specyfiką i możliwościami. Innymi słowy, cyfrowy bliźniak to symulator lotów dla procesów przemysłowych, maszyn i urządzeń. Wirtualne przygotowanie do uruchomienia realnego systemu przynosi wielorakie korzyści. Jeśli w systemie lub koncepcji obsługi tkwią jeszcze błędy, można je naprawić wcześniej, bez uszkodzenia rzeczywistych części. Programowanie offline pozwala planistom produkcji na wprowadzanie zmian w systemie podczas pracy, sprawdzanie ich wpływu na takt czasowy czy testowanie różnych trybów pracy. Najważniejsze jest jednak to, że w wirtualnym bliźniaku zgromadzone jest doświadczenie wielu specjalistów, które później można wykorzystać w kolejnych projektach.

Podsumowując, producenci i użytkownicy mogą dzięki zaawansowanym symulacjom skrócić czas realizacji projektów, przyspieszyć uruchomienia i osiągnąć wyraźne efekty w zakresie efektywności przy rozwoju podobnych instalacji i procesów. To oszczędza nie tylko czas, ale także zasoby, energię i siłę roboczą.

Standaryzowane interfejsy to konieczność

Standaryzacja wciąż stanowi duże wyzwanie, ponieważ większość producentów maszyn ma własne interfejsy. Jednak integracja jest kluczową cechą Internetu Rzeczy. A ta integracja wymaga przede wszystkim ciągłości wymiany danych i informacji między maszynami – pionowo i poziomo. I właśnie to wymusza otwarte protokoły standardowe. Trendem jest więc przejście na rozwiązania open source, które jako systemy niezastrzeżone zapewniają wysoką bezpieczeństwo inwestycji i niezależność. Przykładem jest OPC Unified Architecture (OPC UA), pakiet specyfikacji służący do łączenia maszyn różnych producentów. OPC UA zapewnia bezpieczeństwo poprzez uwierzytelnianie i autoryzację, szyfrowanie i integralność danych.

Dlatego OPC UA jest idealne do bezpiecznego, niezawodnego i neutralnego dla producentów przesyłania surowych danych i wstępnie przetworzonych informacji z poziomu produkcji do wyższych systemów planowania produkcji lub ERP.

Również stare instalacje mogą korzystać z Przemysłu 4.0

Wiele starszych maszyn, urządzeń, silników i sprężarek nie jest wyposażonych w technologię czujników i komunikacji niezbędną dla Przemysłu 4.0 – a czasem nawet nie do pracy w połączonych systemach. To nie oznacza, że te instalacje są przez to nieprzydatne w dobie cyfrowej transformacji. Można je, jako rozwiązanie wstępne, wyposażyć w inteligentne czujniki. Mierzą one regularnie ważne parametry stanu maszyn i urządzeń i przesyłają dane bezprzewodowo do analiz w HMI lub smartfonach i tabletach pracowników. Dzięki tym i innym prostym metodom firmy mogą tanio wejść w świat Przemysłu 4.0 i korzystać z krótszych czasów przestoju, dłuższych cykli pracy maszyn, mniejszego zużycia energii i podobnych korzyści.

Na targach interpack 2017 Stowarzyszenie Maszyn i Urządzeń Spożywczych i Pakujących w VDMA zorganizowało specjalną wystawę poświęconą Przemysłowi 4.0. Pokazuje ona jako lounge technologiczny na stoisku VDMA przykłady rozwiązań z zakresu maszyn pakujących i technologii procesowej, które oferują nowe możliwości w obszarach bezpieczeństwa, śledzenia pochodzenia, ochrony przed kopiami i plagiatami oraz spersonalizowanych opakowań.