Innowacyjne rozwiązania dla Przemysłu 4.0
Czwarta rewolucja przemysłowa, nazywana też Przemysłem 4.0 (Industry 4.0, Industrie 4.0) dzieje się właśnie na naszych oczach. Polega ona na cyfrowej integracji systemów produkcyjnych oraz tworzeniu sterowanych cyfrowo sieci autonomicznych maszyn i czujników, które szeroko wykorzystują do komunikacji ze sobą, a także do porozumiewania się z nadzorującymi ich pracę ludźmi, Internet oraz różnego rodzaju inne technologie informatyczne. To właśnie na autonomicznym przetwarzaniu i przesyłaniu informacji niezbędnych do produkcji skupia się czwarta rewolucja przemysłowa.
Dzięki takim technologiom jak chmura obliczeniowa, analiza Big Data czy Internet Rzeczy możliwy jest dostęp do każdej informacji w dowolnym czasie i z dowolnego miejsca na Ziemi. Dzięki Przemysłowi 4.0 możliwa jest też ekonomicznie opłacalna i bardzo elastyczna produkcja zindywidualizowanych lub małoseryjnych wyrobów, opracowanych pod ścisłe potrzeby klienta. Często czwartą rewolucję przemysłową określa się też jako przejście do przemysłowych systemów cyfrowo-fizycznych. Co ciekawe, termin Przemysł 4.0 stworzony został na potrzeby niemieckiego rządu i dotyczył ogółu strategii związanych z wdrażaniem wysokozaawansowanych cyfrowych technik i technologii do tradycyjnego przemysłu. Po raz pierwszy użyto go w 2011 r. podczas targów w Hanowerze.
Digitalizacja procesów przemysłowych
W przemyśle digitalizacja procesów produkcyjnych dotyczy przede wszystkim pionowych i poziomych procesów wytwórczych odpowiadających za tworzenie finalnego produktu, czyli tak zwanych pionowych i poziomych łańcuchów wartości. Jak wiadomo, aby proces produkcyjny odbywał się w sposób prawidłowy, ludzie, maszyny oraz systemy IT muszą wymieniać ze sobą informacje w trakcie produkcji. Informacje te mogą być wymieniane zarówno w obrębie fabryki, jak i w obrębie różnych systemów IT działających w przedsiębiorstwie. Przemysł 4.0 obejmuje swoim zasięgiem cały łańcuch wartości, od złożenia zamówienia, przez dostarczenie komponentów do produkcji, a na wysyłce towaru do klientów, a następnie na usługach posprzedażowych, skończywszy.
Środowisko Przemysłu 4.0 wspiera te procesy zapewniając dostęp do praktycznie każdej informacji, w dowolnym czasie, z dowolnego miejsca. Wszelkie dane dotyczące procesów operacyjnych, wydajności procesów oraz zarządzania jakością, jak również planowania procesów są dostępne w czasie rzeczywistym. Co więcej mogą być wspierane przez rozszerzoną rzeczywistość (Augmented Reality) oraz zoptymalizowane w zintegrowanej sieci IT przedsiębiorstwa. Integracja pionowa wychodzi poza działania wewnętrzne firmy, i sięga od dostawców po klientów. Innymi słowy, obejmuje wszystkich kluczowych partnerów łańcucha wartości. Wykorzystuje się tu technologie umożliwiające identyfikację i śledzenie produktu oraz zintegrowane planowanie i realizację zadań w czasie rzeczywistym.
Digitalizacja procesów przemysłowych polega na zastąpieniu wszystkich analogowych procesów wytwórczych, w tym tradycyjnej obróbki mechanicznej, produkcyjnymi systemami cyfrowo-fizycznymi, które są w maksymalnym stopniu zautomatyzowane i sterowane cyfrowo. Innymi słowy, tradycyjne obrabiarki zastępowane są obrabiarkami numerycznymi lub zrobotyzowanymi gniazdami produkcyjnymi, skomunikowanymi z systemem IT przedsiębiorstwa, zautomatyzowane autonomiczne roboty transportowe zaczynają np. odpowiadać za całą logistykę wewnętrzną i magazynową, eliminując wózki widłowe. Z kolei wszystkie znajdujące się na terenie zakładu czujniki, w tym czujniki systemów automatyki przemysłowej i sterowania produkcją, łączone są w jedną wspólną sieć Przemysłowego Internetu Rzeczy (Industry Internet of Things).
Proces transformacji cyfrowej wyrobów obejmuje z kolei m.in. rozszerzenie ich funkcjonalności o cyfrowe elementy, np. inteligentne czujnikilub urządzeń komunikacyjne. Dzięki temu można pozyskiwać dane na temat wykorzystania produktu, a także udoskonalać go w taki sposób, by lepiej odpowiadał rosnącym wymaganiom klientów.
Jakie korzyści daje wdrażanie rozwiązań zgodnych z koncepcją Przemysłu 4.0? Istotną korzyścią, jaką możemy osiągnąć z wdrażania rozwiązań zgodnych z koncepcją Przemysłu 4.0, jest podłączenie wielu urządzeń w różnych lokalizacjach do jednego systemu chmurowego. Dzięki takiemu rozwiązaniu skalowanie, wizualizacja i zaawansowana analiza danych stają się niezwykle łatwymi narzędziami zarządzania. Następstwem wdrażanych zmian jest zdecydowana redukcja kosztów. Na uwagę zasługuje również prosta komunikacja i wymiana danych między samymi urządzeniami. W przypadku jednego z elementów koncepcji Przemysłu 4.0. – Internetu Rzeczy, warto zaznaczyć, że przy korzystaniu z odpowiednich narzędzi i oprogramowania, możemy przetworzyć ogromne ilości danych (Big Data), wyszukać w nich powtarzające się wzorce oraz monitorować stan poszczególnych elementów maszyn i procesów technologicznych. Jest to najlepszy sposób na zwiększenie wydajności produkcji i uniknięcie nieprzewidzianych przestojów maszyn. |
Cyfrowa Fabryka – Digital Factory
Digitalizacja procesów przemysłowych prowadzi do powstania cyfrowej lub inteligentnej fabryki (Smart Factory), a zachodzące w niej procesy wytwarzania często określa się mianem Digital Manufacturing. Cyfrowa fabryka ma umożliwiać przeprowadzenie praktycznie całego procesu produkcyjnego z minimalnym udziałem ludzi. Narzędzia produkcyjne mogą w większości przypadków same modyfikować swoje działanie, przystosowując się do nowych zadań – wystarczy przesłać im odpowiednie polecenia wprost z inżynierskiego systemu CAD, SCADA czy MES (Manufacturing Execution System) czyli Systemu Realizacji Produkcji. Wydanie poleceń automatycznie włącza także moduły potrzebne do wykonania danego procesu i wyłącza te już niepotrzebne. Dzięki temu producenci mogą realizować zamówienia niskoseryjne, a nawet produkować pojedyncze sztuki po kosztach standardowej produkcji seryjnej.
Inteligentna fabryka potrafi samodzielnie zarządzać przebiegiem procesu produkcyjnego, w tym samodzielnie podejmuje decyzje o przydziale i kolejności wykonywania prac. Co więcej, automatycznie i na bieżąco zatrudnionym w niej pracownikom na halach produkcyjnych rozdziela zadania, np. za pomocą tabletów lub smartfonów. Zbiera też informacje zwrotne o przebiegu procesu produkcyjnego z hal produkcyjnych, w tym kolekcjonowane są na bieżąco raporty produkcyjne, m.in. o liczbie braków lub przestojów (planowanych, awaryjnych, losowych). Fabryka sama oblicza dokładne terminy realizacji poszczególnych zleceń (dzień, godzina, minuta) i przesyła te dane do systemu ERP, co umożliwia menedżerom zarządzanie terminami wykonania poszczególnych zleceń. Jednym z takich systemów dostępnych na rynku polskim jest IPOsystem (Intelligent Production Organization System – www.iposystem.com.pl), który samodzielnie steruje pracą Andrychowskiej Fabryki Maszyn DEFUM SA, zakładami Ice Group, Kingstal, Zakładami Obróbki Precyzyjnej Łabędy czy Fabryką Urządzeń Kolejowych.
Cyfrowa fabryka zarządza pracownikami i w sposób ciągły sprawuje kontroluję nad terminowością i jakością ich pracy. Do obowiązków komputerowego systemu sterującego pracą cyfrowej fabryki należy kontrola stanów magazynowych, a także zarządzanie zamówieniami części, kontrola stanu surowców i komponentów, zarządzanie współpracą z poddostawcami i kooperantami. System może odpowiadać również za procesy kontroli jakości, nadzorować serwis, a także biura konstrukcyjne i technologiczne. Dodatkowo do elementów cyfrowej fabryki zalicza się automatyzację procesów planowania strategicznego, operacyjnego i procesowego, a także kosztorysowanie.
Coraz częściej inteligentne fabryki korzystają z algorytmów sztucznej inteligencji (AI – Artificial Intelligence) i przetwarzania dużej ilości danych Big Data. Zastosowanie sztucznej inteligencji w typowych aplikacjach przemysłowych może doprowadzić do rewolucyjnej zmiany architektury zarządzania produkcją. Dzięki AI maszyny i linie produkcyjne będą mogły samodzielnie i autonomicznie podejmować decyzje, m.in. w razie wystąpienia awarii i problemów, zapewniając nieosiągalny jeszcze dzisiaj poziom efektywności, przy jednoczesnej minimalizacji udziału czynnika ludzkiego.
Konsekwencją Przemysłu 4.0 jest wzrost produktywności Efekty związane z wdrażaniem Przemysłu 4.0 należy oceniać między innymi w aspekcie biznesowym, operacyjnym, społecznym czy też oddziaływania na środowisko. Jedną z najczęściej dokumentowanych konsekwencji Przemysłu 4.0 są zmiany produktywności. Zarówno prognozy, jak i konkretne doświadczenia firm, które już dokonały wdrożeń rozwiązań tworzących Przemysł 4.0 potwierdzają ten fakt. Przemysł 4.0 to konwergencja technologii operacyjnych i technologii informatycznych, a więc wykorzystanie możliwości, jakie niosą nowoczesne rozwiązania w zakresie przesyłania i przetwarzania danych, bezpośrednio oddziałujące na łańcuch kreowania wartości w przemyśle. Uzyskiwany skokowy wzrost produktywności widoczny jest w odniesieniu do stopnia wykorzystania maszyn i urządzeń, pracy ludzkiej, zaangażowanego kapitału, energii i surowców. Nie mniej ważną konsekwencją Przemysłu 4.0 dla przedsiębiorstw uczestniczących w transformacji jest możliwość korzystniejszego pozycjonowania w globalnych łańcuchach wartości. Bezpośredni dostęp do informacji o doświadczeniu klienta pozwala wytwórcy na wykorzystanie tego know-how dla rozwoju własnego produktu i ukształtowania jego unikalnych cech. Dzięki temu wzrasta wartość danego ogniwa w łańcuchu wartości i jego wynikowa rentowność. Efekt jest szczególnie widoczny w sytuacji, gdy wykorzystując rozwiązania Przemysłu 4.0 wytwarza się produkty personalizowane, przy kosztach odpowiadających produkcji masowej. Źródłem korzyści biznesowych jest również zmiana modeli biznesowych przez oferowanie serwisów połączonych z wyrobami fizycznymi, dzięki możliwości bieżącego monitorowania przez producenta funkcjonowania jego wyrobów. |
Internet Rzeczy
Aby cyfrowa fabryka mogła działać ,potrzebny jest krwioobieg wymiany informacji. Nie chodzi tu jednak o przewodową, czy bezprzewodowa komunikację, ale ogólnie – o możliwość wymiany danych między urządzeniami. Obecnie rozproszone, inteligentne komponenty systemów automatyki przemysłowej to urządzenia wyposażone we własne układy przetwarzania danych i oprogramowanie sterujące. Aby mogły realizować więcej niż tylko zaprogramowane uprzednio sekwencje ruchów, inteligentne urządzenia wykonawcze potrzebują na bieżąco dostępu do danych i poleceń z systemu sterującego.
Musi być też wysyłana informacja zwrotna o wykonaniu zadania, np. zmianie położenia do systemu do sterowania. Ponadto niezbędne jest zbieranie informacji z czujników w czasie rzeczywistym, tak aby na podstawie zmieniających się warunków reagować na zdarzenia na linii produkcyjnej. Taka sieć połączonych ze sobą jednoznacznie identyfikowalnych czujników i systemów automatyki przemysłowej oraz maszyn wykonawczych (roboty, obrabiarki numeryczne), które mogą autonomicznie gromadzić oraz samodzielnie przetwarzać zebrane przez siebie dane, a także komunikować się ze sobą, i która zintegrowana jest z firmową infrastrukturą IT przez analogię do Internetu Rzeczy), nazywa się Przemysłowym Internetem Rzeczy, czyli IIoT (Industrial Internet of Things).
Według raportu Markets & Markets IoT in Manufacturing Market – Global Forecast to year 2021, w najbliższych latach rynek IIoT będzie rósł średnio o 27% rocznie, a jego wartość 2021 r. wyniesie ponad 20 mld dolarów, a więc trzy razy więcej niż obecnie. Zdaniem autorów raportu, czynnikami, które mają decydujący wpływ na rozwój IIoT jest konieczność przejęcia kontroli nad infrastrukturą produkcyjną, monitorowaniem kosztów jej utrzymania oraz wydajności, a także nad automatyzacją przepływu i gromadzenia danych.
W 2015 r. wśród metod gromadzenia danych z produkcji, nadal dominowały metody wymagające działań człowieka. Integrację układów sterowania maszyn z oprogramowaniem przemysłowym w celu automatycznej akwizycji danych zadeklarowało ok. 36% polskich firm (Badanie Astor 2016). Warto w tym miejscu podkreślić, że automatyczne gromadzenie danych produkcyjnych jest jednym z najważniejszych elementów nowoczesnej fabryki, który zarazem umożliwia wprowadzanie zmian, jakich wymaga czwarta rewolucja przemysłowa.
Barierą jest brak miarodajnych informacji o rozwiązaniach Organizatorzy konferencji, szkoleń i kursów na temat Przemysłu 4.0 wykazują bardzo duże zainteresowanie wdrażaniem rozwiązań cyfrowych. W przypadku firm produkcyjnych jest ono mniejsze. Czasem nawet ich przedstawiciele twierdzą, że pojęcie to nie jest im znane. Nie do końca jest to prawda. Producenci urządzeń automatyki oferują wyroby już sygnowane emblematem 4.0, i wszystkie te rozwiązania, w których zastosowaniu widzą korzyść przedsiębiorcy, są sukcesywnie wdrażane w ich zakładach. W przypadku bardziej zaawansowanych urządzeń – sterowników PLC, paneli HMI czy robotów przemysłowych, ich producenci nie zawsze udostępniają szerszych informacji. Choć o prowadzeniu prac zmierzających w kierunku digitalizacji produkcji, której elementem są ich urządzenia mówią często, jednak zawsze dość enigmatycznie. Barierą jest zatem brak miarodajnych informacji o samych rozwiązaniach, a tym bardziej korzyściach płynących z wdrożenia, zwłaszcza że ich wprowadzenie pociąga za sobą dość wysokie koszty, związane m.in. z licencjami oprogramowania, opracowaniem nowych gniazd produkcyjnych, szkoleniami i utrzymaniem wysoko kwalifikowanych pracowników. Wdrożenia nowych rozwiązań można obserwować w takich dziedzinach, jak druk 3D, obróbka na maszynach numerycznych, projektowanie obwodów drukowanych, zautomatyzowany montaż pakietów elektronicznych. Znane są rozwiązania fragmentaryczne, związane z rozszerzoną diagnostyką na poziomie czujników i względnie niskopoziomowych, ale istotnych elementów linii technologicznych. Predykcja potencjalnych źródeł awarii przez wskazywanie podzespołów nadmiernie wyeksploatowanych ułatwia planowanie prac wykonywanych podczas rutynowych przeglądów, racjonalizuje zakupy podzespołów zapasowych, pozwala uniknąć przestojów spowodowanych awariami linii, co przekłada się na wymierne oszczędności. Do szerszego użytku wprowadzane jest stale udoskonalane oprogramowanie do modelowania pracy robotów przemysłowych na linii technologicznej, zdolne do automatycznego generowania kodu aplikacji użytkowej. Systemy MES są już praktyką stosowaną we współczesnych zakładach produkcyjnych. Wykorzystanie narzędzi typu PLM wciąż jest niewielkie, ze względu na znaczące koszty licencji. Jednak zmiany są widoczne, sukcesywnie postępują wraz z udoskonalaniem urządzeń, oprogramowania, ułatwiając utrzymanie linii, różnego rodzaju logistykę i realizację nowych projektów inwestycyjnych. |
Sterowanie w systemach Industry 4.0
Podstawowymi elementami wykonawczymi niezbędnymi do przeniesienia produkcji w cyfrową erę są zdigitalizowane systemy sterowania. Chodzi tu o sterowanie systemami automatyki, gniazdami produkcyjnymi, automatycznym transportem czy o systemy komunikacji z człowiekiem. Za pracę tych wszystkich urządzeń odpowiadają komputery przemysłowe i to one są głównym elementem pozwalającym na budowę Przemysłowego Internetu Rzeczy, Cyfrowej Fabryki czy wreszcie na końcu stworzenie systemu zarządzania i sterowania przedsiębiorstwem zgodnego z Industry 4.0.
IPC (Industrial PC), czyli komputer przemysłowy to bardzo uniwersalny produkt. W praktyce przemysłowej spotkać się można z całą gamą tego typu urządzeń – począwszy od komputerów w wersji Box PC, które najbardziej przypominają tradycyjne pecety, przez komputery typu embedded, komputery panelowe, terminale POS, urządzenia jednopłytkowe. Coraz częściej spotkać się też można z systemami serwerów kasetowych, które odpowiadają za sztuczną inteligencję systemu Przemysłu 4.0 lub analizę Big Data zebranych danych produkcyjnych bezpośrednio w środowisku przemysłowym bez przesyłania ich do systemu IT przedsiębiorstwa.
Podstawową różnicą między komputerem przemysłowym, a zwykłym firmowym pecetem lub serwerem jest znacznie większa odporność na trudne, przemysłowe warunki pracy. Komputer IPC, w zależności od konkretnego zastosowania, musi wytrzymywać zarówno wysoką, jak i niską temperaturę pracy, szoki termiczne, wstrząsy mechaniczne, zakłócenia elektromagnetyczne, skoki napięć powodowane włączaniem i wyłączaniem obrabiarek, a nawet pracę w zapylonych i bardzo wilgotnych pomieszczeniach. Komputery przemysłowe muszą też niejednokrotnie spełniać wymagania europejskiej dyrektywy ATEX dotyczącej systemów pracujących w strefach zagrożonych wybuchem – np. w kopalniach.
Jakie są główne bariery implementacji rozwiązań cyfrowych? Barierą we wdrażaniu rozwiązań cyfrowych w małych firmach jest przeważnie długi okres zwrotu z inwestycji. W tych przedsiębiorstwach nadal wiele procesów przebiega w sposób analogowy – za pośrednictwem człowieka. Są to po prostu tańsze rozwiązania. Sądzę jednak, że sytuacja w najbliższych latach się zmieni, ponieważ coraz większe znaczenie ma wydajność procesów. Wymusza to konieczność przesuwania kapitału w stronę innowacji i rozwoju, aby dorównać kroku konkurencji. Duże firmy ze względu na skalę produkcji zwykle łatwiej zgadzają się na inwestycje długoterminowe. Ukierunkowane są one na takie efekty, jak szybszy obieg informacji, łatwiejsze przezbrajanie maszyn, więcej danych procesowych dostępnych do analizy. Jest to oczywisty kierunek rozwoju. |
Komponenty i budowa komputerów IPC
Do budowy komputerów IPC wykorzystuje znacznie bardziej wytrzymałe wersje komponentów elektronicznych, które przystosowane są do szerszego zakresu temperatury pracy. Dzięki temu przemysłowe pecety mogą prawidłowo pracować w temperaturze poniżej –20 °C lub w temperaturze przekraczającej 100–120 °C. Wszędzie, gdzie to tylko możliwe, stosuje się chłodzenie pasywne wyłącznie za pomocą radiatorów, co zwiększa ich niezawodność, ze względu na brak ruchomych części.
W przemyśle sporym problemem może być też działanie wilgoci, która dostając się do wnętrza obudowy może powodować zwarcia lub korozję podzespołów. Dlatego na rynku bardzo często spotykane są komputery IPC o stopniu ochrony IP67 lub IP68. Podczas konstruowania maszyn IPC unika się stosowania mechanicznych dysków twardych i zastępuje je znacznie bardziej odpornymi na wstrząsy napędami SSD. Obecnie najczęściej stosuje się łatwe w montażu i wymianie moduły M.2.
Aby uniknąć kłopotów związanych z silnymi wibracjami (np. komputer zamontowany jest bezpośrednio w obrabiarce lub na linii produkcyjnej), stosuje się specjalne, beznaprężeniowe luty. Dzięki temu zabezpiecza się podzespoły zamontowane na płytce drukowanej przed możliwością przerwania elektrycznego kontaktu między komponentami spowodowanego wstrząsami. Większe części mocowane są dodatkowo z użyciem elastycznych wypełnień (pianek) tłumiących drgania. Standardem w konstrukcjach IPC jest też stosowanie różnego rodzaju podkładek pozwalających w elastyczny i trwały sposób przymocować płytkę drukowaną do obudowy. Obudowa zapewnia też szczelność przed zewnętrznymi zakłóceniami elektromagnetycznymi. Stosowane w komputerach przemysłowych przewody i gniazda są również standardowo ekranowane.
Kolejnym problemem przy konstruowaniu komputerów przemysłowych jest ich przewidywana żywotność, która nie może być krótsza niż 5 lat nieprzerwanej pracy. Okazuje się, że zmiana jednostki sterującej produkcją na nowszą wymaga zazwyczaj kompleksowej modernizacji instalacji, gdyż nowe urządzenie może nie być w pełni kompatybilne ze wszystkimi zainstalowanymi w fabryce urządzeniami. Banalna, z punktu widzenia zwykłego użytkownika, aktualizacja sterowników w środowisku przemysłowym może za sobą pociągnąć konieczność dopasowania pozostałych elementów systemu automatyki przemysłowej. Dlatego producenci komputerów przemysłowych projektują je tak, aby zapewnić im sprawny serwis przez 10–15 lat po ich wprowadzeniu do sprzedaży.
| Główne technologie i zjawiska związane z implementacją technologii Przemysłu 4.0 wg badania firmy Astor 2015
|
Rodzaje maszyn IPC
Zależnie od przyjętych kryteriów klasyfikacji, komputery przemysłowe podzielić można na kilka grup. Najczęściej stosowanym przez producentów komputerów IPC podziałem jest ich podział na komputery: kompaktowe, panelowe, jednopłytkowe oraz maszyny IPC Box, które określane są też mianem Box PC. Jednopłytkowe komputery SBC (Single Board Computer) stosowane są w różnego rodzaju systemach wbudowanych, nazywanych z języka angielskiego embedded. Tego typu komputery IPC przeznaczone są przede wszystkim do wykorzystania w większych systemach i urządzeniach automatyki przemysłowej, które są projektowane bezpośrednio przez nabywcę lub przez integratora systemu Industry 4.0.
Komputery te sprzedawane są w postaci niewielkiej, nieobudowanej płytki drukowanej z zainstalowanymi na niej wszystkimi niezbędnymi do pracy komputera elementami, w tym z wlutowanym procesorem, pamięcią i kartą graficzną. Co ważne, wszystkie złącza mogą być albo wlutowane przy krawędziach płytki, albo sygnały wyprowadzane są przez złącza pinowe, do których podłącza się odpowiednie urządzenia peryferyjne, jak klawiatury czy ekrany. Na rynku funkcjonuje kilka standardów związanych z wielkością komputerów, z których najpopularniejszymi są obecnie PC-104, EBX, EPIC, Nano-ITX
oraz Pico-ITX.
Urządzenia jednopłytkowe mogą występować w wersjach zamontowanych obudowanych. Najczęściej spotkać się można wówczas z komputerami przystosowanymi do montażu na szynie DIN. Tego typu jednopłytkowe komputery IPC produkowane są przez takie firmy jak Advantech, Siemens, B&R czy Beckhoff Automation. Komputery jednopłytkowe w przeważającej większości oferowane są jako urządzenia z pasywnym chłodzeniem. Ze względu na małe rozmiary, komputery jednopłytkowe znajdują zastosowanie właściwie w każdej gałęzi przemysłu.
Do budowy komputerów jednopłytkowych wykorzystuje się zazwyczaj niskonapięciowe wersje procesorów zgodnych z x86 – począwszy od prostych układów Intel Atom, przez procesory z serii Celeron i Pentium, a na zaawansowanych kościach z rodziny Core i7 kończąc. Na rynku dostępne są też modele komputerów jednopłytkowych bazujących na procesorach firmy AMD – w tym najnowszych układów Ryzen, np. MI988-A Mini-ITX firmy iBASE. Bardzo popularne są też układy ARM. Standardowym wyposażeniem jest karta sieciowa Ethernet, rzadziej montuje się bezprzewodowe
moduły Wi-Fi.
Znaczenie technologii IT w aplikacjach przemysłowych rośnie Czwarta rewolucja przemysłowa to przede wszystkim proces integracji technologii internetowych z procesami produkcyjnymi w przemyśle. Przejawia się on wzrostem znaczenia technologii IT w aplikacjach przemysłowych. W polskich zakładach proces ten widoczny jest już nie tylko na poziomie podstawowych szczebli komunikacji systemowej. Rozwój technologii wymuszony jest przez oczekiwany wzrost wydajności, który wymaga coraz krótszych procesów produkcyjnych. Sama idea Przemysłu 4.0 kładzie główny nacisk na wykorzystanie łączności, inteligencji i przejrzystości, co prowadzi do spadku kosztów operacyjnych oraz wzrostu zadowolenia klientów. W przemyśle to czas jest jednym z najistotniejszych czynników, który w procesie produkcji wymusza konieczność uzyskania szybkiej interakcji między komputerami centralnymi, wykonawczymi a urządzeniami końcowymi. Najpopularniejsze sieci, takie jak EtherNet/IP, dzięki możliwościom diagnostycznym oraz szybkiemu przepływowi informacji, stają się znakomitym narzędziem w rękach administratora, który będąc w jednym miejscu, może sprawować pełną kontrolę nad wszystkimi zachodzącymi procesami w wielu, oddalonych od siebie fabrykach. Dodatkowym atutem Ethernetu jest możliwość łatwej i praktycznie nieograniczonej rozbudowy struktury urządzeń. Co istotne, sieć taka jak Ethernet nie wymaga budowy struktury w postaci pierścienia lub gwiazdy. |
Konstrukcje panelowe
Ważną rodziną urządzeń przemysłowych niezbędnych w Inteligentnej Fabryce są komputery panelowe. Urządzenia te charakteryzują się zintegrowanym, najczęściej dotykowy, wyświetlaczem. Stosowane są przede wszystkim jako terminale operatorskie lub stanowiskowe stacje robocze. Co ciekawe, tego typu komputery sprzedawane są zarówno z chłodzeniem pasywnym – tu obudowa spełnia funkcję radiatora, a dodatkowe chłodzenie zapewnione jest przez otwory umieszczone z tyłu panelu, jak i rozwiązania z wentylatorami – z wymuszonym obiegiem powietrza.
W przypadku paneli dotykowych spotkać się można aż z czterema rozwiązaniami technologicznymi. Oprócz znanych z konsumenckich tabletów i smartfonów dotykowych ekranów rezystancyjnych i pojemnościowych, stosowane są ekrany dotykowe na podczerwień czy ultradźwiękowe. Pozwalają one na swobodne sterowanie urządzeniem, nawet wtedy, kiedy operator ma ubrane grube rękawice ochronne.
Komputery panelowe, pod względem swojej budowy, przypominają zwykłe konsumenckie komputery typu All-in-One, ale są mniejsze. Typowy ekran ma wielkość od 5,5˝ do 13˝, a rozdzielczość to zwykle 720 px. Zależnie od wymagań danej aplikacji, nośnikiem danych w komputerze panelowym jest albo karta pamięci flash z systemem operacyjnym albo wbudowany dysk SSD M.2. Komputery te często pozwalają na montaż kart rozszerzeń przy wykorzystaniu złączy PCI Express x1 lub x4 . Istotny może też być stopień ochrony IP oraz możliwość montażu w szafach sterowniczych maszyn i urządzeń.
Maszyny tego typu w swoim wnętrzu skrywają najczęściej procesory Intel Core i3/i5/i7 oraz obsługują do 8 GB lub 16 GB pamięci RAM. Standardem są wyjścia HDMI, mini DisplayPort, porty COM, złącza USB 3.0 oraz porty LAN. Wiele modeli może być zasilanych w trybie AT, czyli komputer uruchamia się natychmiast po włączeniu zasilania. Typowo pozwalają one na pracę w temperaturze od –20 °C do +75 °C, co pozwala stosować je w większości aplikacji na otwartym powietrzu, np. w górnictwie odkrywkowym czy w przemyśle cementowym.
Cyfrowe procesy wymagają nowoczesnych czujników i rozwiązań komunikacyjnych W scenariuszu przyszłości – w pełni połączonej sieci inteligentnej produkcji – czujniki gotowe do komunikacji odgrywają istotną rolę. Należą do nich czujniki, które same się monitorują, aplikacje w których czujniki i elementy wykonawcze koordynują swoje procesy i funkcje, wspierają procesy za pomocą autonomicznych, samoorganizujących i optymalizujących się jednostek. Niezależnie od zastosowania, dzięki koncepcji Sensorik 4.0, firma Pepperl+Fuchs toruje drogę do Przemysłu 4.0, udostępniając innowacyjne rozwiązania do realizacji przyszłych procesów. Seria Sensorik 4.0 obejmuje czujniki do detekcji lub pomiarów, a także elementy do identyfikacji, tym samym wspomaga wzrost wydajności komunikacji dwukierunkowej i bezpieczeństwa danych nawet w terenie. Dodatkowo tego typu czynniki napędzające rozwój, zapewniają najlepszą możliwą elastyczność, przejrzystość i dostępność instalacji. |
Komputery kompaktowe
Kolejną rodzinę komputerów przemysłowych stanowią komputery kompaktowe. Są to w pełni funkcjonalne, niewielkie pod względem wymiarów maszyny przeznaczone do aplikacji, w których wolna przestrzeń jest bardzo mocno ograniczona – na przykład wewnątrz maszyn budowlanych. Najważniejszą cechą tych komputerów jest to, że są one w całości chłodzone pasywnie. Co więcej – w wypadku tych komputerów – metalowe, zazwyczaj aluminiowe obudowy wyposażone są dodatkowo w specjalne użebrowanie rozpraszające ciepło. Brak wentylatora sprawia, że maszyny te pracują nie tylko cicho, ale są przede wszystkim odporne na zapylenie i wibracje, dzięki czemu można je stosować w każdej, nawet najtrudniejszej aplikacji przemysłowej.
Mimo niewielkich gabarytów, komputery kompaktowe cechują się wyjątkowo bogatym wyposażeniem w porty komunikacyjne. Standardem są złącza HDMI, DisplayPort, DVI, D-Sub, COM, LPT, USB, w tym USB Type-C, Thunderbolt 3, 2–3 gniazda LAN, czytnik kart flash, a także bezprzewodowa komunikacja Wi-Fi i Bluetooth. Charakteryzują się też dużą mocą obliczeniową. Maszyny te standardowo wyposażane są w układy Intel Core i3/i5/i7, a także w nowe procesory AMD, czego przykładem może być platforma Digital Signage Player Si-324 tajwańskiej firmy iBase. Standardem są dyski SSD i pamięć RAM o pojemności dochodzącej nawet do 16 GB.
Roboty wpasowują się w koncepcję Przemysłu 4.0 Wdrażanie rozwiązań zgodnych z koncepcją Przemysłu 4.0 daje wiele korzyści, w tym łatwość w dostępnie do danych, czy możliwość ich obróbki oraz przedstawienia w przejrzystej oraz przystępnej postaci. Interoperacyjność urządzeń Przemysłu 4.0 pozwala na dołączenie ich do Internetu Rzeczy (IoT) w dowolnym środowisku fabrycznym. Produkty te ciągle ewoluują, dzięki aktualizacjom oprogramowania, przez co są w stanie sprostać ciągle zmieniającym się wymaganiom. Kolejną wartością jest łatwość konfiguracji i programowania – do uruchomiania urządzenia nie jest wymagana specjalistyczna wiedza. System fizyczno-cyfrowy jakim jest na przykład robot współpracujący firmy Universal Robots pozwala na osiągnięcie wszystkich tych korzyści. Dodatkowym atutem jest brak potrzeby stosowania kosztownych wygrodzeń, które zajmują dużo miejsca, ponieważ roboty te mogą pracować bezpośrednio z ludźmi. Stosując tego typu rozwiązania możemy liczyć na zwiększenie wydajności, przy jednoczesnym ograniczeniu kosztów produkcji. |
IPC Box
Ostatnią, najbardziej zbliżoną do standardowych komputerów klasy PC są przemysłowe komputery IPC Box, określane mianem Box PC. Urządzenia te dostępne są w obudowach typu tower lub z mocowaniem zgodnym z 19-calowym systemem RACK, który standardowo używany jest w serwerach. Dzięki temu komputer IPC Box może być zamontowany w zwykłej szafie serwerowej. Urządzenia typu box mają większe możliwości rozbudowy oraz pozwalają na swobodną wymianę komponentów. Duża obudowa umożliwia instalację wydajniejszych systemów chłodzenia, montaż kilku napędów SSD, a nawet mechanicznych dysków twardych połączonych w macierz RAID. Maszyny te odpowiadają za sterowanie całymi procesami technologicznymi, przetwarzanie zebranych przez IIoT danych oraz komunikację z firmową siecią IT. Coraz częściej instaluje się na nich systemy sztucznej inteligencji.
Moc obliczeniowa maszyn IPC Box pozwala na realizowanie zadań związanych ze sterowaniem, archiwizacją danych oraz wizualizacją parametrów produkcji. Komputery PC Box wstosuje się do zarządzania całymi ciągami technologicznymi i do dynamicznego sterowania procesami wytwarzania i optymalizacji wykorzystania maszyn. Ponieważ komputery te nie są narażone bezpośrednio na trudne, przemysłowe warunki pracy, spotkać w nich można również standardowe komponenty serwerowe.
Wytwarzanie rozproszone
Zmiana organizacji produkcji związana z wprowadzeniem zasad charakterystycznych dla Przemysłu 4.0 przekłada się na znaczny wzrost elastyczności wytwarzania. Może się ono odbywać w sposób rozproszony, lokalnie w ramach przedsiębiorstwa lub globalnie w ramach różnych lokalizacji fabryk, co powoduje z kolei zmianę modelu relacji producent–konsument. Podstawową zmianą jest odejście od modelu masowej produkcji, gdzie klient był zdany na inicjatywę producenta. Nowy model zakłada personalizację produkcji i wiąże się ze ścisłą współpracą producenta z klientem.
Reorganizacja produkcji umożliwia również uzyskanie znacznych oszczędności. Kluczem do sukcesu będzie wykorzystanie zintegrowanych systemów planowania i harmonogramowania produkcji z dokładnością do pojedynczej maszyny, gniazda czy linii produkcyjnej. Rozwiązania tego rodzaju integrują dane pochodzące z całej firmy, począwszy od czujników, po systemy planowania zasobów przedsiębiorstw.
Dodatkowe dane to informacje pochodzące z poziomych łańcuchów wartości, np. dane o stanach magazynowych czy wielkości składanych zamówień. Kluczowa jest tu optymalizacja prowadzenia prac związanych z utrzymaniem ruchu dla urządzeń produkcyjnych, pomagająca przewidzieć obciążenie linii produkcyjnej i czas bezawaryjnej pracy maszyn.
Przemysł 4.0 to inteligentne urządzenia wymieniające się informacjami za pośrednictwem internetu W instalacjach przemysłowych urządzenia pomiarowe wytwarzają ogromne ilości informacji, np. o stanie maszyn czy też o warunkach otoczenia. Do tej pory dane te nie były prawie wcale wykorzystywane, ponieważ nie były przekazywane do systemów sterowania. Obecnie mogą być one przekazywane za pośrednictwem technik cyfrowych do chmury, gdzie są dostępne dla wszystkich systemów funkcjonujących w zakładzie. Umożliwia to ciągłe monitorowanie stanu urządzeń oraz planowania działań służb utrzymania ruchu z odpowiednim wyprzedzeniem. Pozwala również optymalizować procesy produkcyjne, w zależności od informacji o warunkach, położeniu oraz o dostępności poszczególnych urządzeń. Dzięki temu uzyskuje się oszczędności surowców i mediów stosowanych podczas produkcji. Aby właściwie ocenić procesy produkcyjne, odpowiednie informacje powinny pochodzić z danych zebranych z wielu czujników, przez łączenie informacji z różnych platform oprogramowania. Odpowiednia analiza i wizualizacja zebranych danych umożliwia dogłębną optymalizację procesów. |
W drodze do Przemysłu 5.0
Wprowadzanie koncepcji Przemysłu 4.0 budzi ogromne obawy o rolę człowieka w przyszłym wytwarzaniu produktów i podziale dóbr. Pojawiają się pomysły wprowadzenia dochodu gwarantowanego czy prawnego wymuszenia opodatkowania pracy maszyn. Humanizacyjną odpowiedzią na zagrożenie, jakie stanowi ograniczanie roli człowieka w Przemyśle 4.0, jest koncepcja Przemysłu 5.0. Pojęcie Industry 5.0 wprowadził w 2015 r. Michael Rada, prezes International Business Center of Sustainable Development.
W koncepcji Przemysłu 5.0 człowiek oraz maszyna tworzyć mają funkcjonalną całość, co jest już pewnym elementem również w czwartej rewolucji przemysłowej. Szczególnie dotyczyć to ma robotów, które mają działać wraz z ludźmi jako urządzenia kooperujące, w sposób bezpośredni i interaktywny. W fabrykach strefy pracy robota oraz człowieka mają zachodzić na siebie i się integrować, w przeciwieństwie do obecnych, rozdzielonych modeli pracy. Takie współpracujące roboty stać będą na czele kolejnej rewolucji przemysłowej, która będzie się manifestować większą współpracą człowieka oraz robota w miejscu pracy.
Zmiana modelu współpracy na linii człowiek–robot jest też jednym z kluczowych elementów wytwarzania rozproszonego. Optymalizacja produkcji pod zamówienie klienta sprawia, że już dzisiaj pojawia się grupa urządzeń nazywanych robotami współpracującymi (collaborative robots), które od podstaw są zaprojektowane do pracy z ludźmi i ze względu na to muszą korzystać z rozwiązań sterowania zapewniających bezpieczeństwo pracy – m.in. sztuczna inteligencja i algorytmy rozpoznawania obrazu w czasie rzeczywistym, które pozwalają przewidzieć zachowania ludzi nawet w stanie emocjonalnego wzburzenia – np. gwałtowne wtargnięcie w obszar pracy robota.
Roboty współpracujące, nazywane też kobotami są tańsze niż roboty tradycyjne – średnio od dwóch do czterech razy – i mogą zastępować tradycyjne maszyny w wielu aplikacjach. Przykładowo mogą to być zastosowania związane z produkcją motoryzacyjną, aplikacje w przemyśle metalowym, spożywczym i farmaceutycznym, a także przy precyzyjnym montażu elektroniki oraz przy wytwarzaniu sprzętu medycznego.
Roboty współpracujące mogą być wykorzystywane w większości firm zajmujących się produkcją – niezależnie od ich wielkości czy branży. Doskonale nadają się do takich zadań jak podnoszenie i umieszczanie przedmiotów (pick&place), polerowanie, formowanie wtryskowe, obsługa maszyn, pakowanie i paletyzacja, montaż, wkręcanie, klejenie czy spawanie. Koboty stanowią znakomitą szansę na rozwój dla firm z sektora MŚP. Przedsiębiorstwa te muszą na bieżąco dostosowywać swój asortyment produkcyjny do zmieniających się preferencji kontrahentów. Instalacja kobotów pozwala szybko reagować na pojawiające się zmiany w trendach rynkowych, dzięki czemu mogą podtrzymywać swoją konkurencyjność rynkową, ale to temat na oddzielny artykuł.
source: Automatyka 5/2018