Nadchodzi Przemysł 4.0

Zmiany w przemyśle, nie tylko elektronicznym, wymuszane są przez rynek i konsumentów. Dzieje się tak nie pierwszy raz w historii - wcześniejsze rewolucje przemysłowe były spowodowane dążeniem do zmniejszenia kosztów produkcji, a dzięki temu cen wyrobów, poprzez jej rozwój na masową skalę. W tym celu stanowiska robocze przeorganizowano, tworząc linie produkcyjne, upowszechniono komputery w fabrykach oraz zautomatyzowano większość zadań.

Zmieniają się wymagania

Obecnie cena nadal jest ważna, jednak rosną wymagania konsumentów także w innych kwestiach. Oczekują na przykład, że produkty będą bardziej zindywidualizowane, a jednocześnie czas ich użytkowania jest coraz krótszy. Ponadto globalizacja powoduje, że popyt staje się całkowicie nieprzewidywalnie niestabilny.

Jedną z przyczyn są zmienne upodobania konsumentów, przez które produkty popularne, czasami niespodziewanie i tylko sezonowo, muszą być dostępne w olbrzymiej liczbie tuż po wprowadzeniu na rynek, a nawet jeszcze przed, jeżeli są oferowane w przedsprzedaży. Produkty, które nie zostaną dobrze przyjęte, czasem wbrew oczekiwaniom są wycofywane z rynku zaraz po tym, jak trafią do sprzedaży. Globalizacja sprawia również, że na światowy popyt mają wpływ nawet regionalne kryzysy polityczne i ekonomiczne.

Dla producentów z branży półprzewodnikowej i elektronicznej wszystko to oznacza, że muszą produkować krótsze serie wyrobów, w różnych ich wariantach i częściej je przeprojektowywać. Ponadto, będąc czyimś poddostawcą lub podwykonawcą, muszą się liczyć z tym, że zleceniodawca może w każdej chwili łatwo i szybko znaleźć konkurencyjną firmę, która będzie bardziej elastyczna, wydajniejsza i tańsza, a to, że znajduje się na drugim końcu świata, już nie jest żadną przeszkodą, aby skorzystać z jej usług.

Czym jest Przemysł 4.0?

W rezultacie rozwiązania w zakresie m.in. organizacji linii produkcyjnych, planowania zakupów, współpracy z dostawcami, hierarchii zarządzania poszczególnymi działami zakładu oraz wymiany pomiędzy nimi informacji wypracowane przez lata rozwoju produkcji masowej przestają się już sprawdzać. Zaczęto w związku z tym poszukiwać nowych, wykorzystując najnowsze zdobycze nauki oraz techniki.

Wśród tych, w których pokłada się największe nadzieje, wymienia się m.in. sztuczną inteligencję (Artificial Intelligence, AI), techniki efektywnej analizy dużych i zmiennych zbiorów danych (Big Data), przetwarzanie w chmurze (cloud computing), Internet Rzeczy (Internet of Things, IoT), w tym jego rozszerzenie - Przemysłowy Internet Rzeczy (Industrial IoT, IIoT), wytwarzanie addytywne (drukowanie 3D), autonomiczne magazynowe wózki samojezdne (Automated Guided Vehicles, AGV), roboty współpracujące (collaborative robots, corobots) i rzeczywistość wirtualną i rozszerzoną (Virtual Reality, VR, Augmented Reality, AR). Chociaż na razie może się to wydawać stwierdzeniem na wyrost, przewiduje się, że tak jak wcześniejsze rewolucje przemysłowe przede wszystkim odciążyły ludzi fizycznie, dzięki automatyzacji zwalniając ich z wykonywania zadań wymagających użycia dużej siły, precyzji i powtarzalności, tak w erze Przemysłu 4.0 maszyny zaczną "samodzielnie" podejmować decyzje.

Pierwszy krok to IIoT

Idea Internetu Rzeczy zakłada, że przedmioty oraz urządzenia codziennego użytku, na przykład samochody, lodówki, pralki, grzejniki, a nawet kubki i buty będą korzystać z Internetu i za jego pośrednictwem się ze sobą komunikować całkowicie bez udziału ludzi. W kontekście przemysłu obejmuje to maszyny, które już niedługo będą nie tylko produkować wyroby, ale też dostarczać sobie nawzajem oraz systemom nadrzędnym informacji o postępach wykonania zadań, błędach, awariach, wynikach pomiarów. Zasięgiem IIoT będą objęte ponadto: całe linie produkcyjne i inne wyposażenie zakładów, systemy sterowania, systemy zarządzania, jak i komunikacja na zewnątrz, czyli pomiędzy zakładami i pomiędzy fabrykami a przedsiębiorstwami z nimi współpracującymi (dystrybutorami, dostawcami, klientami).

W rezultacie na przykład przyjęcie nowego zlecenia automatycznie zmodyfikuje plany produkcyjne i uzupełni listę zakupów o komponenty potrzebne do jego zrealizowania. Ponadto IIoT na wiele sposobów rozszerzy funkcjonalność maszyn. Będą mogły m.in. same sprawdzić na stronie internetowej swojego producenta czy dostępne są pasujące do nich części zamienne, przesłać do serwisu e-mail ze zgłoszeniem awarii, a później, kiedy będą w naprawie, wysłać do fabryki wiadomości o jej aktualnym statusie. Z kolei maszyny, takie, jak automaty pick and place, automatycznie prześlą do magazynu informację o podzespołach, których brakuje w ich zasobnikach.

Możliwości...

Upowszechnienie się Internetu Rzeczy w przemyśle jest uznawane za wstępny wymóg rozpoczęcia czwartej rewolucji technologicznej. Z każdym dniem wydaje się to bardziej realne dzięki postępowi w innych dziedzinach.

Najważniejsze spośród tych osiągnięć to: miniaturyzacja układów elektronicznych, która ułatwia wbudowywanie interfejsów komunikacyjnych oraz kontrolerów, ewolucja czujników w kierunku samodzielnych jednostek, które nie tylko gromadzą dane, ale także przetwarzają je i analizują, a dodatkowo tanieją i zużywają mniej energii, wzrost mocy obliczeniowej procesorów, pozwalający na efektywne przetwarzanie dużych ilości danych, osiąganie dużych prędkości transmisji dzięki światłowodom, możliwość komunikacji tam, gdzie nie można zbudować sieci kablowej, dzięki łączności bezprzewodowej i zwiększenie puli adresów sieciowych za sprawą wprowadzenia 128-bitowego protokołu IPv6, następcy 32-bitowego protokołu IPv4.

Nim IIoT stanie się rzeczywistością, należy sprostać szeregowi wyzwań. Jednym z nich jest to, że komunikacja między różnymi maszynami, od różnych producentów, bez względu na to, czy będzie realizowana w obrębie całego zakładu, czy tylko linii produkcyjnej, wymaga ich kompatybilności.

...i wyzwania

Aby ją zapewnić, potrzebna jest standaryzacja w zakresie interfejsów oraz protokołów łączności. Ujednolicenie to jest konieczne, aby koszt podłączenie maszyn do IIoT nie był wygórowany.

Z pewnością warto się pod tym względem wzorować na rozwiązaniach stosowanych w branży IT w zakresie sprzętu komputerowego i technologii sieciowych. Dzięki temu już wkrótce wyposażenie, na przykład linii montażu SMT składającej się z: drukarki pasty lutowniczej, automatu pick and place, pieca rozpływowego i automatu do kontroli wizyjnej AOI (Automated Optical Inspection), będzie automatycznie konfigurować i nawiązywać ze sobą połączenie, udostępniając informacje o postępie prac i dane diagnostyczne, na podobieństwo biurowych drukarek sieciowych.

Wprowadzenie IIoT hamuje głównie obawa o bezpieczeństwo. Od czasu, gdy zaatakował wirus Stuxnet, w przemyśle świadomość, że już nie tylko prywatni użytkownicy sprzętu komputerowego są na celowniku hakerów, jest bowiem znacznie większa niż dawniej. Przykład tego robaka, który m.in. przeprogramował sterowniki PLC w irańskiej elektrowni jądrowej, doprowadzając do uszkodzenia wirówek, których pracę sterowniki te kontrolowały, dowodzi, że w przypadku ataku zagrożona jest już nie tylko własność intelektualna przedsiębiorstwa (projekty, plany produkcji, plany biznesowe), lecz również jego wyposażenie.

Jaką rolę odegra rzeczywistość rozszerzona...

Połączone w sieć IIoT wyposażenie fabryk dostarczać będzie ogromnych ilości informacji. Same w sobie nie wniosą one jednak wartości, jeżeli nie zostaną wykorzystane, na przykład do usprawnienia pracy personelu zakładu. Aby ten cel osiągnąć, trzeba uwzględnić specyfikę różnych stanowisk. Na przykład inne informacje i w innym terminie będą ważne dla osób zajmujących się kompletacją zleceń, pracowników magazynu, układających harmonogram produkcji czy pracujących w dziale kontroli jakości.

Ponadto większa autonomia maszyn sprawi, że w hali produkcyjnej w przyszłości pracować będzie znacznie mniej osób, przez co obowiązki tych pracowników znacznie się poszerzą, a przy tym nie będą związane tylko z jednym czy nawet kilkoma miejscami w zakładzie. Do ich efektywnego wykonywania będzie zatem wymagana pełna mobilność personelu.

W fabrykach przyszłości dostęp do właściwych informacji odpowiednim osobom, tam, gdzie będą ich one potrzebować, zapewni m.in. technologia rzeczywistości rozszerzonej. Po jej upowszechnieniu się pracownicy będą w codziennej pracy korzystać na przykład z okularów, na których szkłach będą wyświetlane najbardziej przydatne na danym stanowisku lub w danej sytuacji informacje dotyczące obiektu, na który skierują wzrok albo którego dotyczy wydana przez nich komenda głosowa. Na przykład znajdując się w pobliżu linii montażu powierzchniowego, będą mogli sprawdzić postęp realizacji zamówienia, zbliżając się do automatu pick and place, którego zasobnik wymaga uzupełnienia, zobaczą informację alarmową, zaś zaglądając do drukarki pasty lutowniczej w razie jej awarii, przeczytają, krok po kroku, instrukcję jej naprawy.

...a jaką rzeczywistość wirtualna?

W produkcji drobnoseryjnej oraz średnioseryjnej, inaczej niż w produkcji na masową skalę, nie wystarczy, że błędy, przez które całą serię produktów trzeba spisać na straty, zostaną ograniczone do minimum. Muszą one zostać całkowicie wykluczone. Aby ten cel osiągnąć, w fabrykach przyszłości na znaczeniu zyskają techniki symulacji. Dąży się przy tym do tego, żeby ich zakres znacząco poszerzyć. Nie wystarczy już bowiem, że analizowane pod kątem poprawności i wykonalności będą projekty PCB, konieczne staje się symulowanie kompletnego procesu produkcyjnego, od etapu zamawiania podzespołów, po zapakowanie produktów końcowych.

Technologią, w której w tym zakresie pokłada się duże nadzieje, jest rzeczywistość wirtualna. Na jej możliwości w zakresie odwzorowania świata realnego w przestrzeni cyfrowej znacząco wpłynie rozwój Przemysłowego Internetu Rzeczy. Dzięki informacjom dostarczanym przez wyposażenie zakładu podłączone do sieci IIoT, w tym aktualne i archiwalne dane produkcyjne o przestojach, zmianach wydajności i awariach, cyfrowe modele linii produkcyjnych oraz całych fabryk, włącznie z magazynami, będą coraz dokładniejsze. To w połączeniu z możliwością interakcji ze światem wykreowanym komputerowo przy użyciu rękawic albo innych manipulatorów poprawi jakość symulacji. Dzięki temu będzie można skuteczniej wykrywać błędy i potencjalne konflikty między różnymi zadaniami oraz optymalizować je pod względem kosztów i czasu realizacji.

Sztuczna inteligencja w produkcji

Przewiduje się, że czwarta rewolucja przemysłowa obejmie też dziedzinę sterowania procesami. Dzięki temu dotychczasowe układy regulacji ze sprzężeniem zwrotnym zostaną uzupełnione o samouczące się systemy ekspertowe, które rozwijają się coraz dynamiczniej wskutek postępów w zakresie sztucznej inteligencji. Ich zadaniem będzie wyznaczanie optymalnych parametrów procesów przez wyciąganie wniosków z archiwalnych danych produkcyjnych.

W praktyce, kiedy do produkcji będzie wprowadzane nowe urządzenie, zamiast kosztownych i zajmujących czas testów ustawień maszyn na linii produkcyjnej wykonywanych na jego prototypie, system ekspertowy sprawdzi bazę danych dotychczasowych projektów w poszukiwaniu urządzeń podobnych ze względu na przykład na projekt PCB, użyte komponenty i inne cechy, dla których kiedyś już zostały wyznaczone najlepsze parametry. Taka analiza zajmuje zaledwie kilka minut. Po uruchomieniu produkcji ze wstępnie wyznaczonych parametrów system uzyska więcej danych, na podstawie których zaktualizuje ustawienia. Znacząco skróci to czas przygotowań, zwłaszcza gdy trzeba będzie nieznacznie zmodyfikować projekt urządzenia, jeśli produkcja będzie wznawiana po dłuższej przerwie albo na nowym sprzęcie.

Autonomiczne AGV

Nowe technologie mają też szansę zrewolucjonizować logistykę. W tym zakresie szczególną wagę przywiązuje się do zwiększenia autonomii magazynowych wózków samojezdnych, które obecnie poruszają się po trasach wyznaczonych na trwałe, na przykład przez przyklejoną do podłogi taśmę. W tym celu wyposaża się je w czujniki i specjalne oprogramowanie.

Najpopularniejsza jest nawigacja konturowa. W jej przypadku, żeby poznać teren zakładu, wózek wykonuje próbny przejazd, w czasie którego wysyłając impulsy laserowe, skanuje otoczenie. Po trafieniu promienia w obiekt, który stanowi potencjalną przeszkodę, którą powinien omijać, światło odbite jest wykrywane przez detektor w pojeździe. Informacja o tym zostaje przetworzona w specjalnym oprogramowaniu. Algorytmy w nim zaimplementowane wykrywają wolną przestrzeń.

Na tej podstawie, po przeskanowaniu przez wózek całego terenu i powrocie do punktu wyjścia, powstaje mapa pustych korytarzy. Podążanie wyznaczonymi na niej szlakami, przy wsparciu pokładowego systemu detekcji kolizji, gwarantuje bezpieczną jazdę. W razie przeorganizowania przestrzeni w zakładzie wystarczy powtórzyć przejazd próbny, by mapę zaktualizować. Dysponując nią, można efektywniej modyfikować trasę AGV w zależności od tego, z których części magazynu ma pobrać na przykład komponenty elektroniczne potrzebne do realizacji danego zlecenia montażu PCB.

Autonomiczne AGV są we wczesnym stadium rozwoju. Dlatego występują w ich przypadku problemy w tak ważnych kwestiach, jak przepustowość transportu, powtarzalność ruchu, jego precyzja oraz koordynacja floty wielu takich pojazdów. Na tych właśnie kwestiach skupiają się obecnie projektanci tych pojazdów.

Podsumowanie

Choć termin czwarta rewolucja przemysłowa może sugerować gwałtowną zmianę, z pewnością w praktyce będzie to raczej ewolucja, mało kogo bowiem stać na natychmiastową kompleksową wymianę wyposażenia fabryki. Z pewnością jednak, planując przyszłe zakupy i projektując nowe linie produkcyjne, warto mieć na uwadze korzyści, jakie przyniesie inwestycja w rozwiązania przygotowane do wdrożenia w przyszłości technologii Przemysłu 4.0.

Monika Jaworowska