Reine Industrie 4.0: Melodieuze toekomstmuziek

Podczas 2. spotkania szczytowego „Industrie 4.0 Live” w lipcu 2017 roku Instytut Fraunhofera ds. technologii produkcji i automatyzacji IPA zaprezentował szereg rozwiązań praktycznych dla cyfryzacji produkcji. Część przedstawionych przypadków użycia dotyczy bardzo konkretnie obszaru zastosowań w czystym pomieszczeniu. To skłoniło redakcję reinraum online do przeprowadzenia wywiadu i dokładniejszego przyjrzenia się temu tematowi oraz jego zastosowaniom.
Industrie 4.0, cyfryzacja, transformacja cyfrowa, Internet Rzeczy, Smart Products, Smart Services, IoT, Virtual Production – nie brakuje słów kluczowych dla najnowszych trendów w świecie produkcji. Jednak przy takiej różnorodności pojęć nasuwa się pytanie: czy wszyscy, którzy używają tych pięknych słów, naprawdę wiedzą, co one oznaczają? Warto w to wątpić, ponieważ nawet wśród fachowców i wykwalifikowanych ekspertów istnieją duże różnice zdań i rozbieżności w rozumieniu pojęć.

A po tym, jak Instytut Fraunhofera IPA dodał do scenariusza takie terminy jak „Czysta Industrie 4.0”, „Produkcja zgodna z wymogami czystości” oraz „Automatyzacja specyficzna dla czystości”, chcieliśmy zapytać naukowców ze Stuttgartu, co dokładnie mają na myśli. Jak wyjaśnił nam dr Udo Gommel, kierownik działu Reinst- und Mikroproduktion, nie jest to tak łatwe do wyjaśnienia w kilku zdaniach. Również odpowiedzialny kierownik projektu, dr Tim Giesen, postrzega różnorodność pojęć raczej jako czynnik dezorientujący niż jako użyteczną różnicę.

Wariacje pojęciowe – próba wyjaśnienia

Na początku spróbujmy wyjaśnić te pojęcia, bez roszczeń do pełnej wyczerpującej definicji czy absolutnej poprawności. Jak już wspomniano, w tym obszarze każdy rozumie coś innego pod tymi terminami, a codziennie pojawiają się nowe sformułowania.

Industrie 4.0, często skracane jako I4.0, jest obecnie niezwykle modne. Pojęcie to jest nie tylko bardzo szerokie, ale już dość wyświechtane i coraz częściej używane jako hasło, aby opisać tendencję do cyfryzacji procesów produkcyjnych i nakreślić obraz fabryki przyszłości. Jednak, co dokładnie się za tym kryje, zwykle pozostaje niejasne. Koncepcja Industrie 4.0 odnosi się do czwartej rewolucji przemysłowej, po mechanizacji (Industrie 1.0), masowej produkcji (Industrie 2.0) i automatyzacji (Industrie 3.0), w której do produkcji wkracza Internet Rzeczy i usług. Pierwsze kroki w tym kierunku już zostały podjęte, a możliwości wydają się nieograniczone. Industrie 4.0 obejmuje wiele poziomów wartości dodanej i według jednomyślnej opinii ekspertów ma ogromny potencjał zarówno w zwiększaniu wydajności, jak i obniżaniu kosztów. Szacuje się, że do 30 procent może przynieść duży wzrost możliwości i przewagi konkurencyjnej, mówią prognostycy.

Po tym, jak w przeszłości inżynieria mechaniczna i elektrotechnika znalazły wspólny obszar w mechatronice, przy Industrie 4.0 do tej trójki dołącza jeszcze trzecia dziedzina – technologia informacyjno-komunikacyjna, a obszary te są ze sobą silnie powiązane. Powstają fabryki, w których inteligentne maszyny wymieniają informacje i organizują się samodzielnie. Warsztaty w przyszłej fabryce są połączone z maszynami i sterują produkcją. W ten sposób produkcja staje się bardziej elastyczna i wydajniejsza, ponieważ maszyny komunikują się bezpośrednio z systemami IT firmy, co zapewnia ciągły przepływ informacji. Z masowych elementów produkcyjnych coraz częściej powstają unikatowe produkty, zgodnie z trendem personalizacji. Każdy element, każdy produkt otrzymuje w cyfrowym świecie produkcji „tożsamość”, dzięki której może samodzielnie poruszać się po inteligentnej fabryce, być lokalizowany i sterowany w dowolnym momencie.

Internet Rzeczy, często nazywany IoT lub Internet of Things, opisuje świat, który powstaje, gdy urządzenia, przedmioty i produkty wyposażone są w mikroczipy lub czujniki i automatycznie przesyłają informacje np. o użytkowaniu czy poziomie napełnienia do systemów przetwarzania informacji. Te urządzenia i przedmioty nazywa się Smart Objects.

Smart Objects przekazują dane o własnym stanie operacyjnym i produkcyjnym, a także o swoim aktualnym położeniu, które mogą być zbierane, aktualizowane i analizowane w zależności od celu. Maszyny mogą samodzielnie przekazywać informacje o użytkowaniu, poziomie napełnienia, konieczności konserwacji itp., a także podczas produkcji podawać informacje o kolejnych krokach procesu (np. w przypadku produkcji na zamówienie).
Podobnie jak Smart Objects, coraz częściej pojawiać się będą Smart Services. Oznacza to, że inteligentne produkty po dostarczeniu do klienta będą przez cały czas ich użytkowania łączyć się z Internetem i przechowywać ogromne ilości danych o stanie operacyjnym i produkcyjnym w chmurze. To z kolei umożliwi oferowanie klientom spersonalizowanych usług opartych na danych, co z kolei stworzy wiele nowych modeli biznesowych.

Do fabryki przyszłości należy także możliwość połączenia wszystkich maszyn w przedsiębiorstwie nie tylko ze sobą nawzajem, ale także z systemami dostawców i klientów. Dzięki temu można reagować na odchylenia i awarie w optymalny sposób i w czasie rzeczywistym. Człowiek odgrywa również kluczową rolę w Smart Factory, czyli w inteligentnej fabryce. Jako „Augmented Operator” steruje i nadzoruje procesy produkcyjne za pomocą systemów wspomagających opartych na IT, takich jak np. okulary danych.

Naturalnie, wszystkie te trendy coraz bardziej dotyczą i będą dotyczyć obszaru czystego pomieszczenia, ponieważ już dziś i w przyszłości coraz więcej procesów produkcyjnych musi odbywać się w warunkach czystego pomieszczenia lub przynajmniej w czystym środowisku. Dlatego Instytut Fraunhofera IPA w ramach działu Reinst- und Mikroproduktion utworzył nową jednostkę organizacyjną o nazwie „Automatyzacja specyficzna dla czystości”, która jest interdyscyplinarna i zróżnicowana pod względem treści, a jej celem jest opracowywanie rozwiązań dla „Produkcji zgodnej z wymogami czystości”. W ramach tej jednostki realizowane są projekty wstępne dla Industrie 4.0, charakteryzujące się silnym powiązaniem nauki z praktyką oraz integracją hardware’u i software’u, kształtując przyszłość.

Co oznacza Industrie 4.0 w czystym pomieszczeniu?

Naukowcy z IPA są przekonani, że rozwój ku „Clean Intelligence”, czyli drodze do inteligentnego czystego pomieszczenia przyszłości, będzie przebiegał w trzech etapach. Projektant Dr Tim Giesen wyjaśnia: „Obecnie znajdujemy się jeszcze na najniższym poziomie tej piramidy. Chodzi o rosnącą przejrzystość, która powstaje dzięki dostępowi do danych w czystym pomieszczeniu, automatycznej dokumentacji i zbieraniu danych oraz automatycznemu raportowaniu na poziomie produkcji.” Na drugim etapie rozwoju pojawi się tzw. interkonektowość, czyli komunikacja w czasie rzeczywistym przepływów informacji i danych za pomocą systemów cyber-fizycznych podczas produkcji. Na trzecim, czyli w pełni rozwiniętym etapie „Clean Intelligence”, osiągnięta zostanie pełna dostępność wszystkich procesów jako usług, przy czym będą generowane ogromne ilości danych (Big Data) i wykorzystywane będą metody rozpoznawania wzorców do zarządzania całością procesów i koordynacji działań.

Odnosząc się do przykładów zastosowań opracowanych przez IPA w dziale Reinst- und Mikroproduktion dla Industrie 4.0 w czystym pomieszczeniu, Giesen dodaje: „Nowe aplikacje pomagają lepiej poznać własne czyste pomieszczenie jako miejsce produkcji, zwiększając przejrzystość, co pozwala nie tylko identyfikować potencjalne źródła błędów, ale także optymalizować przepływ procesów.” Na przykład, poprzez zbieranie wszystkich możliwych wartości, przesyłanie ich do chmury i ich przechowywanie, można uzyskać dokładne informacje o stanie i poziomie napełnienia maszyn i urządzeń w czystym pomieszczeniu, o aktualnym obłożeniu, produkcie, który jest wytwarzany, o tym, kto się w nim znajduje, i czy nie przekraczają one dopuszczalnych granic, a także o innych istotnych parametrach.

Według naukowca, te działania przyczyniają się do zwiększenia przejrzystości procesów i lepszego zrozumienia przyczyn ewentualnych błędów produkcyjnych, co pozwala na ich szybkie wyeliminowanie. Również istotne jest to dla wydajności, na przykład gdy poziomy materiałów są komunikowane w czasie rzeczywistym, co umożliwia szybkie uzupełnienie zapasów bez przerw. Kierownik działu, dr Udo Gommel, dodaje, że przed nami szerokie możliwości zastosowania, które obsłużą wiele różnych potrzeb – wszystko w ramach tej samej sieci.

Przykładem może być tzw. „Cleanroom Scout”, który jest obecnie rozwijany w IPA. To mały, zdecentralizowany strażnik, który chroni produkt lub osoby w czystym pomieszczeniu w zakresie bezpieczeństwa pracy i bezpieczeństwa produktu, monitorując je. Również obszar „Predictive Maintenance”, czyli przewidywalnej konserwacji na podstawie aktualnych danych użytkowania i zużycia, ma przynieść duże zmiany w krajobrazie produkcyjnym. Na przykład, w przyszłości za pomocą czujników zamontowanych na osi maszyny produkcyjnej będą zbierane dane, takie jak temperatura. Wzrost temperatury wskazuje na zwiększone tarcie i sygnalizuje konieczność konserwacji. Ta możliwość wykrywania zużycia i jego naprawy we właściwym momencie zapewnia precyzyjne planowanie zdolności produkcyjnych w cyklach konserwacji urządzeń. Awaryjność zostanie ograniczona, a wydajność zwiększona. W czystym pomieszczeniu szczególnie predestynowane są systemy filtracji do tych modeli prognostycznych, ale także wszelkie materiały eksploatacyjne.

Mapa drogowa do czystego pomieszczenia przyszłości

W dziale dr Gommla IPA opracowano dość konkretną mapę drogową, która pokazuje, na jakim etapie jesteśmy dziś i dokąd zmierzamy. Projektant Dr Giesen wyjaśnia, że na przykład systemy Condition Monitoring, które już dziś technicznie potrafią dostarczać pełnych informacji o stanie urządzeń, w przyszłości będą standardowym elementem czystych pomieszczeń. Również czysty pomieszczenie bez papieru odgrywa dużą rolę w futurystycznych rozważaniach, gdzie pracuje się nad wyeliminowaniem źródła kontaminacji, jakim jest papier, poprzez korzystanie z urządzeń mobilnych, takich jak tablety, i podłączenie do nich analizatorów. Podczas gdy dziś dane są głównie zarządzane centralnie, przyszłość czystego pomieszczenia to podejścia zdecentralizowane, w których będą wykorzystywane inteligentne komponenty komunikujące się między sobą i z systemami w różnych lokalizacjach w czasie rzeczywistym.

Również technologia Track-and-Trace, czyli śledzenie i identyfikacja, jest uważana za przyszłościową. Polega ona na tym, że „inteligentne” przedmioty w czystym pomieszczeniu będą przekazywać informacje o swoim położeniu oraz stanie, wyjaśniają naukowcy z IPA. Dodatkowo pojawia się możliwość wyposażenia odzieży ochronnej pracowników w czystym pomieszczeniu w czujniki, które będą monitorować kontaminację i zużycie, a nawet służyć do kontroli dostępu. Zdolność tych komponentów do pełnej samodokumentacji, w tym integracji z wyższymi systemami informacyjnymi, otwiera ogromne pole do zastosowań. Czyste pomieszczenie stanie się rodzajem samodzielnego strażnika, który koordynuje, zarządza i orchestruje wszystkie działające w nim jednostki.

Jako już konkretne rozwiązanie „z przyszłości” można wymienić aplikację rozszerzonej rzeczywistości, którą można zobaczyć w IPA. Operator w czystym pomieszczeniu za pomocą okularów Hololens widzi pełny obraz maszyny, który wyświetla mu kontekstowe informacje, np. o jej aktualnym stanie, komponentach, które się na niej znajdują, materiałach testowanych i czasie trwania testu. W ten sposób może sterować procesami bez konieczności dotykania sprzętu.

Kolejne ciekawe rozwiązanie, nazywane technologią „Inside-Out”, które prawdopodobnie jeszcze pozostanie na razie w sferze przyszłości, pozwala na „zdalne” sterowanie maszyną w czystym pomieszczeniu za pomocą aplikacji na tablet. Operator nie musi wchodzić do środka, wystarczy, że skieruje wzrok na marker umieszczony na maszynie, a na ekranie pojawi się jej dokładny obraz. Za pomocą tego obrazu można sterować maszyną, korzystając z wyświetlanych informacji kontekstowych. W razie potrzeby wyświetlane są wszystkie niezbędne dane i informacje o częściach, urządzeniach, czujnikach, procesach, aż po numer telefonu do serwisu.

Zatem przyszłość już się zaczęła, choć jeszcze wiele pracy rozwojowej przed nami i minie trochę czasu, zanim nowe technologie trafią do czystych pomieszczeń. Reinraum online będzie uważnie śledzić dalsze kroki w kierunku Cleanroom 4.0 i regularnie informować o postępach.