Cyfrowa transformacja w kierunku usieciowionego środowiska produkcyjnego w formie Przemysłu 4.0 oraz/lub Internetu Rzeczy nabiera pędu. Cała masa aplikacji z obszarów monitoringu produktów i procesów, technologii etykietowania, opakowań, logistyki oraz konserwacji i napraw już teraz prezentuje potencjał optymalizacji, który jest możliwy po transferze do Internetu Rzeczy.
Te „rzeczy” to sensory, mikroprocesory RFID, urządzenia, maszyny oraz fabryki. W przyszłości te „rzeczy” będą nie tylko dostarczać – niezależnie i nieustannie – informacji na temat wszystkich istotnych procesów i stanu systemów, ale także – i tego od nich oczekujemy – będą kontaktować się między sobą za pośrednictwem internetu oraz ingerować w procesy produkcyjne, by usprawniać je i optymalizować bez ludzkiej interwencji. Podstawą tej opartej na sieci komunikacji jest Protokół Internetowy z unikalnymi adresami IP użytkowników. Jednak stary Protokół Internetowy IPv4 był zdolny dostarczyć przestrzeń adresową dla zaledwie 4,3 mld adresów IP – które były przypisane już w 2012 r. – w komputerach osobistych, notebookach, komputerach przenośnych i telefonach komórkowych. To dlatego opracowano nowy standard IPv6, który daje przestrzeń adresową 3,4 x 1038 adresów IP; w rezultacie brak adresu przestał być obecnie zmartwieniem. Przechodzenie na IPv6 nadal trwa. Dlatego wyzwaniem są w mniejszym stopniu „rzeczy” jako takie i ich adresy, a bardziej zalew danych, który spowodują, gdy pewnego pięknego dnia miliardy serwerów będą transmitować tysiące danych na sekundę do komputerów hostów. Dlatego te dane muszą być oceniane w formie wizualizacji i symulacji oraz zachowywane do celów dokumentacyjnych (identyfikacyjnych).
Z tego powodu Internet Rzeczy dotyczy przede wszystkim danych, a dokładniej: informacji pozyskiwanych z tych danych, co jest dziedziną oprogramowania i algorytmów. To, co możemy osiągnąć tylko w ten sposób, powinno być wystarczającym powodem do aktywnego wspierania tej transformacji. Kolejne przykłady pokazują rozwiązania, które zwracają się w krótkim czasie.
Modelowa zmiana w konserwacji
Uszkodzenie łożysk, przekładni, pomp lub systemów napełniających i dozujących nie spada jak grom z jasnego nieba; daje o sobie znać na długo przed awarią poprzez nietypowe wibracje oraz odchylenia od temperatury lub zmianę w poziomie zużycia energii, utratę ciśnienia itd. Te odchylenia wykrywane przez sensory stanowiące element monitorowania stanu mogą być dzisiaj oceniane i wizualizowane w czasie rzeczywistym dzięki wysoce skomplikowanym programom do analizy i symulacji i w efekcie oceniane w kontekście inżynierii procesów. Na bazie tych informacji operatorzy maszyn i instalacji mogą podejmować interwencje w systemie na wczesnym etapie za pomocą rozwiązań do zdalnej kontroli, niezależnie od lokalizacji, z dostępem do pracujących systemów w optymalnym trybie pracy, wprowadzać zmiany w programie lub instalować nowe aplikacje i oprogramowanie kontrolne. Co więcej, rezultaty symulacji umożliwiają precyzyjne przewidywanie dotyczące pozostałego czasu działania krytycznych części maszyn, co otwiera kompletnie nowe perspektywy dla konserwacji.
To oznacza, że odchodzimy od reaktywności oraz od profilaktycznej konserwacji z jej okresami cyklicznej wymiany elementów w kierunku przewidywalnej, precyzyjnie mierzalnej konserwacji aparatury – do tzw. zapobiegawczej konserwacji. Korzyści to większa dostępność maszyn i instalacji, wyraźnie zredukowane ryzyko opóźnień, wyższe bezpieczeństwo operacyjne i produkcyjne, jak również istotnie niższe koszty konserwacji.
Oprócz tego zapobiegawcza konserwacja to kluczowy element strategii zrównoważonego rozwoju. Prawdą jest, że operatorzy zawsze stawiają na bezpieczeństwo przy wymianie elementów w ustalonych terminach, ale dodatkowo często marnują wartościowy, pozostały okres żywotności drogich elementów, ponieważ nie posiadają niezawodnych danych dotyczących zachowań części. Współcześnie wiedza na temat zachowania materiałów, stałych napięć pod wpływem zmiennych obciążeń itd. jest znacznie bardziej zaawansowana niż 10 czy 20 lat temu. Innym aspektem są znacznie wyższe moce obliczeniowe, z jakimi mamy obecnie do czynienia, jak również inteligentniejsze analizy, Metoda Elementów Skończonych (FEM) oraz oprogramowanie do symulacji. Umożliwiają one oszacowanie i przewidzenie pozostałego czasu przydatności do użycia ze znacznie wyższym poziomem precyzji – a ta wiedza jest korzystna z punktu widzenia zapobiegawczej konserwacji.
Pogawędki z maszynami
Poprawa jakości pracy, elastyczności oraz inteligencji maszyn i instalacji skutkuje jeszcze bardziej skomplikowanymi systemami, które stanowią największe wyzwania dla twórców koncepcji interfejsu człowiek-maszyna (HMI). Pod hasłem „panele operatorskie HMI” rozumiemy urządzenia końcowe z funkcją ekranów dotykowych, które większość ludzi zna ze swych smartfonów lub komputerów przenośnych. To oznacza, że ucząc się, jak obsługiwać te maszyny i instalacje, mogą oni wykorzystywać znaną wiedzę – co motywuje i zdecydowanie skraca czas nauki.
Kluczowym aspektem w kwestii rozwoju interfejsów graficznych jest upewnienie się, że te maszyny mogą być również bezpiecznie obsługiwane przez ludzi bez specjalistycznego wykształcenia zawodowego, a często również bez wystarczających zdolności językowych. W celu uchronienia się przed błędami w obsłudze twórcy interfejsów graficznych GUI polegają na intuicyjnych elementach graficznych zamiast na języku. Na popularności zyskają wkrótce również fotorealistyczne wyświetlacze 3D CAD w maszynach, instalacjach i komponentach. Co więcej, HMI muszą być dostosowane do potrzeb różnych użytkowników – dopasowane do ich umiejętności i zwierzchnictw. Z tego powodu operatorzy maszyn pokazują różne interfejsy graficzne kierownikom zmiany, ekipie konserwatorskiej oraz kierownikom produkcji. Oznacza to, że każdy użytkownik widzi tylko te dane, które mają związek z jego obszarem odpowiedzialności i które są istotne z punktu widzenia jego specyficznych potrzeb. Co więcej, dane są ograniczone do absolutnych podstaw; to sprawia, że wyświetlacz jest łatwy do zrozumienia, a kluczowe parametry maszyny i dane produkcyjne są prezentowane bez zwłoki.
Inne cechy nowoczesnych HMI to mobilność i spójność. Istnieje trend zmierzania ku urządzeniom mobilnym, dzięki którym użytkownik może kontrolować maszyny i wyposażenie zdalnie, na poziomie swej zwierzchności. To oszczędza czas oraz wydatki związane z podróżami, zwłaszcza w obszarze serwisu i konserwacji.
Praca w wirtualnych światach
Gdy mówimy o Internecie Rzeczy, niewiele jest tematów, które wzbudzają poruszenie tak duże, jak wirtualne czy raczej
cyfrowe bliźniaki (digital twins, czyli wirtualne kopie fizycznych aktywów). Techniczny punkt wyjścia dla koncepcji wirtualnych bliźniaków to wysokowydajne 3D CAD, oprogramowanie do symulacji i analizy, jak również wirtualne kopie 1:1 rzeczywistych maszyn i oprogramowania do kontroli wyposażenia. Opierając się na takich narzędziach, cyfrowe bliźniaki odwzorowują kompletny proces produkcyjny włącznie z elementami, maszynami, instalacjami oraz ich sterowaniem w formie wirtualnego modelu – wraz ze wszystkimi fizycznymi danymi niezbędnymi dla symulacji. Co więcej, cyfrowe bliźniaki pozwalają na programowanie offline. To wszystko czyni je uniwersalnymi narzędziami dla twórców, operatorów i zespołów konserwatorskich.
Dzięki tym niemal realnym symulacjom możliwe jest dzisiaj wykrywanie i eliminowanie błędów projektowych i/lub słabych punktów już na etapie projektowania, przed wyprodukowaniem choćby jednej części. To samo odnosi się do programowania i optymalizacji układów sterujących.
Jednym z najważniejszych zastosowań jest jednak wirtualny rozruch lub start-up. Nie sprowadza się on wyłącznie do wirtualnej próby działania, ale na wczesnym etapie służy także zaznajomieniu się operatora odpowiadającego za maszynę z cechami i możliwościami systemu. Innymi słowy: cyfrowe bliźniaki to nie tylko „symulator lotu” dla procesów przemysłowych, maszyn i wyposażenia. Wirtualny rozruch przeprowadzony przed realnym odbiorem zapewnia znacznie więcej korzyści. Jeśli w systemie lub koncepcjach kontroli pozostawiono jakieś błędy, mogą one być naprawione, zanim spowodują uszkodzenia w fizycznych elementach systemu. Z kolei programowanie w trybie offline umożliwia planistom produkcji wirtualne testy różnych trybów operacyjnych. Najważniejszym aspektem jest jednak to, że wirtualne bliźniaki stanowią efekt połączonej wiedzy wielu specjalistów, która może być później wykorzystana przy innych projektach.
W skrócie: dzięki wyrafinowanym symulacjom producenci i użytkownicy mogą uzyskać znacząco krótszy czas realizacji projektów produkcyjnych, szybsze odbiory oraz zauważalnie wyższą skuteczność przy opracowywaniu podobnych instalacji i procesów. To oszczędza czas, ale przede wszystkim surowce, energię i siłę roboczą.
Znormalizowane interfejsy to konieczność
Standaryzacja nadal pozostaje głównym wyzwaniem, ponieważ większość producentów urządzeń ciągle polega na swoich własnych interfejsach. Jednak integracja jest kluczowym elementem Internetu Rzeczy. Ta integracja wymaga wyjątkowo spójnych danych oraz wymiany informacji między maszynami – zarówno pionowo, jak i poziomo. To oznacza konieczność stosowania otwartych protokołów. A zatem istnieje trend ku rozwiązaniom typu Open Source, ponieważ zapewniają one – jako niezastrzeżone systemy – większe bezpieczeństwo inwestycji oraz niezależność. Jednym z przykładów może być OPC Unified Architecture (OPC UA), zestaw specyfikacji do łączenia maszyn różnych producentów. OPC UA gwarantuje bezpieczeństwo na drodze uwierzytelniania, autoryzacji, szyfrowania i integralności danych. To oznacza, że OPC UA jest idealnie dosto-sowany do bezpiecznego, niezawodnego i nieopatentowanego przesyłania danych nieprzetworzonych i wstępnie opracowanych z poziomu produkcji do nadrzędnego planowania produkcji lub systemów ERP.
Nawet stare systemy radzą sobie z 4.0
Wiele starszych maszyn, linii, silników i kompresorów nie było wyposażanych w czujniki oraz rozwiązania technologii komunikacji przeznaczone dla Przemysłu 4.0 – czasem nawet nie są zdolne do pracy w systemach sieciowych. Nie oznacza to jednak, że są one przestarzałe z punktu widzenia transformacji cyfrowej. Można bowiem doposażyć je – jako rozwiązanie typu entry-level dla Przemysłu 4.0 – w inteligentne czujniki. Regularnie mierzą one ważne wskaźniki stanu maszyn oraz systemów i przesyłają te dane poprzez wbudowane interfejsy komunikacyjne bezprzewodowodo HMI i/lub telefonów komórkowych bądź komputerów przenośnych podwładnych w celu oceny. Za pomocą tych i innych prostych metod firmy mogą wkraczać w świat Przemysłu 4.0, nie ponosząc w związku z tym wysokich kosztów i nadal korzystając ze skróconych przestojów, wyższej bezawaryjności maszyn, a także mniejszego zużycia energii itd.
Autor: Hans Peter Fritsche
Tłumaczenie: Tomasz Krawczak
Alfa-Print Sp. z o.o.
ul. Świętokrzyska 14A
00-050 Warszawa
