Industry 4.0 ,,stimulează activ reconfigurarea industriei, deoarece combină aspecte ale lumilor fizice, virtuale, IT și sisteme cibernetice pentru a sprijini crearea unui nou mediu de lucru al productivității integrat între muncitor și mașină. Impactul acestei inițiative este imens. Ea reprezintă o înaltă realizare dinamică, în care orice companie, indiferent dacă este un mare producător de produse originale, furnizor general de componente/ansambluri sau IMM, poate beneficia de tehnologie și de platforma de comunicare dezvoltată astăzi în piață, unele cu viteza luminii." Bernd HEUCHEMER, Vicepreședinte Motion Control, Siemens, Germania.
Pentru a înţelege mai bine semnificaţiile și implicaţiile Industry 4.0 și ale IIoT se specifică șapte elemente care reprezintă o introducere și bazele celor două concepte pentru companii de prelucrare a metalului și pentru secţii de prelucrare [108].
1. Standarde fundamentale creează traiectoria
Abilitatea de a conecta echipamentul de producţie la o reţea din Web și extragerea unei valori substanţiale din aceste conexiuni este mai practică și mai convingătoare ca oricând. Deși ne aflăm într-un stadiu incipient al acestei dezvoltări, multe dintre baze sunt prezente. De exemplu, standarde evoluate ca MTConnect promovează interoperativitatea necesară pentru a face posibilă conectarea diferitelor tipuri de echipamente de producţie la nivelul secţiei tipice. MTConnect oferă un vocabular, un set definit de cuvinte prin care mașinile-unelte se pot exprima ele însele într-un limbaj comun interpretabil de către aplicaţia software. Acest standard este construit pe baza tehnologiei Internet standard (HTTP, TCP/IP, XML și Ethernet), care sunt prietenoase în mod firesc. MTConnect este semnificativ și pentru că dă posibilitatea ca principalele caracteristici critice ale sistemelor să fie compatibile cu IIoT.
Aceste sisteme trebuie să încorporeze o arhitectură software deschisă, protocoale deschise și modele deschise de date. În caz contrar, elementele constitutive vor crea bariere utilizatorilor și dezvoltatorilor de aplicaţii care operează în IIoT. În timp ce MTConnect ușurează conectarea mașinilorunelte și a altor echipamente de producţie la o reţea de achiziţie de date, standarde de tipul OPC-UA abordează interoperativitatea necesară comunicării datelor în întreaga fabrică. OPC-UA reprezintă conectarea obiectelor și încorporarea arhitecturii unitare de control al proceselor. Este mai ușor să fie înţeles ca un set deschis, comun/ nebrevetat de specificaţii care asigură că sistemele de automatizare sunt compatibile între ele. OPC-UA oferă o rezolvare problemei insulelor de automatizare în fabrici mari. Pentru că fabricile au o varietate de procese de fabricaţie automatizate, aceste sisteme trebuie să poată comunica cu un sistem de comandă de nivel superior, la nivelul întregii fabrici. OPC-UA oferă arhitectura pentru punţi care conectează aceste sisteme automatizate diverse la magistrala de date, conectând restul fabricii. Pentru că această magistrală poate fi conectată la Internet, ea este una din legăturile care realizează IIoT. Organizaţiile care supraveghează MPConnect și OPC-UA au lucrat împreună pentru a face compatibile aceste două standarde. Odată formulat, IIoT nu lasă în afară nicio mașină sau sistem automatizat.
2. Decizii mai rapide, mai bune ajung la nivelul secţiei
Roadele pentru fabricanţii care introduc soluţii IIoT constau în luarea unor decizii mai bune. Atunci când dispozitivele sunt conectate, datele pe care le generează pot circula în aplicaţii software care creează informaţii pe care indivizii le pot folosi pentru a lua decizii la timp și eficiente. Prin înţelegerea rezultatelor acestor opţiuni mai complet, factorii de decizie pot atinge obiective strategice sau performanţe comparative. Deciziile se vor baza pe cunoștinţe și înţelepciune, nu pe teorii sau pe ghicite. Decizii mai bune înseamnă mai puţine greșeli și pierderi mai mici. Într-o astfel de fabrică inteligentă va fi posibil ca managerii să stabilească dacă fiecare element al sistemului de fabricaţie funcţionează la un nivel optim.
De exemplu, parametrii de așchiere cum sunt viteza de așchiere și avansul vor reflecta că reglajele sunt mai eficiente, dovedite de experienţa operatorului, de producătorul sculelor și al mașinii-unelte și de către comunitatea on-line a utilizatorilor. Actualizările în timp real a acestor reglaje vor fi aplicate imediat, iar productivitatea se va mări automat, diminuând consumul de energie și promovând măsurile de securitate. Bibliotecile de scule și opţiunile privind traseul sculelor vor fi actualizate corespunzător. (În mod înţelept, producătorii de scule s-au pregătit pentru acest scenariu prin adoptarea unor standarde de tipul ISO 13399 pentru a uniformiza terminologia sculelor interpretabilă de către sistemele digitale).
Fiecare etapă la introducerea IIoT/Industry 4.0 trebuie evaluată în termeni de deciziile pe care le influenţează. Conectând fiecare etapă, valoarea rezultată din deciziile mai bune trebuie să fie baza pentru stabilirea priorităţilor și justificarea lor economică.
Provocările cele mai mari pentru managerii secţiilor sunt reprezentate de:
- Ce date să achiziţioneze;
- Cine va obţine informaţiile rezultate din date;
- Cum vor fi folosite aceste informaţii;
- Faptul că a fost luată decizia corectă.
3. Responsabilizarea oamenilor este esenţială
Probabil că aspectul cel mai bun și promiţător al IIoT și al Industry 4.0 este recunoașterea explicită că individul uman va continua să joace un rol activ, angajant în fabricaţie.
De fapt, acest rol va crește în importanţă și influenţă. Implicaţiile pentru pregătirea și dezvoltarea forţei de muncă sunt ample și substanţiale, pentru că obligaţiile și responsabilităţile ale aproape fiecărei ocupaţii din fabrica producătoare vor fi afectate. Munca fiecăruia este pe cale să se schimbe, deoarece fluxul activităţii se schimbă.
„Deși IIoT este construit pe baza unui software pentru achiziția, analiza și administrarea datelor de la dispozitive și senzori la nivelul secției, cele mai importante surse și consumatori de date în sistemul de fabricație sunt oamenii. Menținerea omului în bucla date-informații-acțiune este esențială.” Athulan VIJAYARAGAHAVAN, Tehnolog șef la System Insights (dezvoltatorul Vimana, platformă de analiză a datelor pentru introducerea IIoT)
Consumatorii de date din secţie includ operatori, programatori, ingineri de întreţinere, supraveghetori de producţie și managerii de afaceri din biroul central. Informaţiile pentru și de la oameni trebuie să fie pertinente (concentrate pe sarcina actuală), omniprezente (disponibile în întreaga platformă de calculatoare multiple și interfeţe prin reţea robustă)și contextuale (semnificaţia informaţiilor este aparentă și acţionabilă, adică specificând decizia care trebuie să fie luată).
4. Problema majoră este securitatea cibernetică
Ameninţările cibernetice la IIoT sunt reale și în creștere. Ameninţările includ furtul de secrete comerciale și de proprietate intelectuală, modificarea dușmănoasă a datelor, întreruperea și refuzul controlului proceselor. Secţiile trebuie să considere cum să-și protejeze datele, sistemele și reţelele la fiecare pas spre a deveni parte a IIoT. Conectarea mașinilor-unelte la o reţea sau la aplicaţii în cloud creează o serie de vulnerabilităţi, care sunt adesea neglijate. De exemplu, legăturile la reţea instalate într-un echipament CNC pot cere o protecţie pentru a bloca accesul neautorizat, dar care să permită comunicarea înspre exterior. Datele mașinii-unelte sunt foarte sensibile pentru că ele includ informaţii critice privind conceptul produsului. Traiectoriile CNC ale sculei și rutinele de inspecţie pentru palpatoarele de măsurare, de exemplu, reprezintă dimensiuni și caracteristici ale componentei avute în vedere și astfel sunt o ţintă tentantă pentru hackeri.
Sunt disponibile resurse pentru ghidarea companiilor pentru a-și construi protecţiile necesare pentru minimizarea acestor ameninţări la construirea fabricii inteligente, conectate. O primă sursă este Guide to Industrial Control Systems (ICS) Security, de la Institutul Naţional de Standarde și Tehnologie (NIST). Se poate obţine prin descărcare directă!
5. Apare o nouă generaţie de senzori
Senzorii detectează și măsoară caracteristici sau condiţii fizice ale dispozitivelor. Starea de pornit/oprit, amperajul, temperatura, presiunea, nivele de vibraţii și cantităţi livrate sunt exemple ale simptomelor pe care le sesizează senzorii. Senzorii inteligenţi efectuează și alte funcţii. Ei pot converti citiri analogice în format digital, pot procesa sau analiza aceste date (și, probabil, pot fi programaţi pentru a reacţiona într-o modalitate calculată) și pot transmite aceste date sau să le facă valabile pentru achiziţie într-o reţea pentru a fi utilizate în aplicaţii software. Amplasarea și funcţiile senzorilor inteligenţi pot varia. În unele cazuri cel mai bine este să gândească pentru ele însăși. Alţi senzori vor fi părţi ale unei abordări de gândire în grup, în care senzorii și analizorul central de date lucrează împreună. Un hibrid al acestor două este posibil.
Senzorii oferă informaţii privind modificări semnificative. O prioritate maximă este de a amplasa senzorii acolo unde ei pot detecta și raporta automat modificări care afectează viabilitatea unei componente. Informaţiile vor oferi atenţionări privind erori iminente și astfel opririle neașteptate vor fi foarte rare. Senzorii sunt cheia detecţiei, intervenţiei și prevenirii. Capabilitatea conectivităţii fără fir a datelor (Wi-Fi) simplifică mult utilizarea senzorilor în secţie. Costurile și dificultatea conectării prin conductori a acestor dispozitive sunt diminuate sau eliminate. Instalarea senzorilor poate necesita cuplarea la o sursă de putere și/sau la o interfaţă la sistemele de comandă existente la mașină. Amplasarea senzorilor la echipamente vechi (mașini și dispozitive vechi, dar încă în uz, care au puţină electronică sau deloc): va fi posibil să fie conectate la sisteme de achiziţie de date și, în final, la IIoT.
Cele mai importante întrebări legate de senzori pe care le pun soluţiile IIoT sunt:
- Ce modificări necesită atenţie sau cer o reacţie?
- Ce decizii influenţează datele de la senzor?
- Ce valoare poate rezulta din aceste decizii?
Este important de notat că senzorii mici, ieftini cu capabilităţi de procesare remarcabili și cu funcţii programabile se extind, stimulaţi prin interesul din partea celor pasionaţi, a inventatorilor, reparatorilor și dezvoltatorilor de aparatură electrocasnică și ale produselor de protecţie a sănătăţii. Tehnologia Bluetooth Smart de energie joasă este un exemplu de comunicare evoluată care va promova conectivitatea fără fir a senzorilor în secţie.
6. Maşinile-unelte vor fi considerate ca sisteme fizico-cibernetice
Termenul de sistem fizico-cibernetic este frecvent întâlnit în discuţiile despre IoT. Definiţia comună a sistemului fizico-cibernetic (SFC) îl descrie ca un sistem în care sunt incluse calculatoare de monitorizare și procese de comandă fizică printr-o buclă de reacţie în mediul interconectat.
Sistemele de fabricaţie flexibile și mașinile-unelte cu sisteme de măsurare activă și cu prelucrare în buclă închisă ar putea fi calificate ca SFC. Într-o fabrică inteligentă multe dispozitive care nu au fost echipate cu senzori sau procesoare apte de a fi introduse în bucle în sistemul automat de monitorizare și de comandă ar putea fi echipate astfel. Sistemele pentru lichidul de răcire, de aer comprimat, transportoarele de șpan, sistemele hidraulice și alte componente auxiliare sau echipamente sunt candidate la această integrare. O aplicaţie foarte importantă care solicită sprijinul SFC este managementul complet al energiei dintr-o fabrică. Consumul de energie pe fiecare dispozitiv, mașină sau sistem va fi măsurabil la nivel discret, făcându-l monitorizabil și putând fi administrat.
Această dezvoltare va obliga fabricile să favorizeze mașini cu subsisteme instalate destinate operării cu energie mai puţină și care sunt capabile să rămână în poziţie de așteptare (adică sunt alimentate doar când este necesar pentru funcţionare). Procesele vor fi optimizate prin echilibrarea energiei cu viteza de producţie. Similar, oricând este posibil, operaţiile de prelucrare cu consum mare de energie vor fi programate pentru perioade din zi în care tarifele de energie sunt mici. Cel mai util aspect al conceptului care subliniază SFC este bucla de comandă. Crearea de bucle de comandă pe niveluri multiple (de la nivelul dispozitivului la cel al întreprinderii) dintr-o fabrică va fi parte a introducerii IIoT. Personalul din secţie de la toate nivelurile va fi ,,amplasat în buclă" prin multiple puncte de acces și ieșiri de date din reţea.
7. Calcule în cloud şi volume mari de date (Big Data) vor juca roluri vitale
Calculele în cloud înseamnă că o aplicaţie (un program dezvoltat pentru un anumit scop) rulează pe procesoare de calculator amplasate la distanţă și nu pe calculatoare din locaţie. Utilizatorii interacţionează cu aplicaţia în cloud prin reţea, de obicei Internet. Pentru că diagramele configuraţiilor reţelei de tehnologie a informaţiei descriu resursele de calcul la distanţă-distribuite, cloud a devenit o poreclă la îndemână acestei abordări. Capacitatea cloud de a stoca și de a procesa date este, virtual, nelimitată. Stocarea și procesarea la distanţă a datelor este mai economică, mai flexibilă și mai sigură decât alternativele proprii. Cloud este și mai ușor scalabil, adică, capacitatea sa poate fi extinsă rapid pentru a satisface solicitările în creștere.
Conectivitatea imaginată a IIoT implică faptul că fluxurile de date vor curge spre și de la sistemele conectate. Aceste fluxuri de date pot fi masive. Big Data a devenit termenul pentru abilitatea de a găsi tendinţe semnificative sau modele în curs de dezvoltare detectabile doar prin scanarea rapidă a multe milioane de elemente de date nestructurate în diferite formate, de la o multitudine de surse diverse. Abilitatea de a colecta și de a accesa un volum imens de date generate de către fabrica conectată (și apoi dând un sens acestor date) este ceea ce Big Data oferă IIoT.
Acest scenariu este suficient pentru a capta puterea analizelor Big Data pentru producători. Se consideră o companie producătoare ale cărei produse finale constau din componente care au trecut prin numeroase mașini CNC din propria fabrică și în cele ale unor mici subcontractori și furnizori de servicii. Aceleași componente ar fi putut fi în contact cu mii de scule așchietoare. Fiecare din aceste mașini-unelte este monitorizată pentru a crea fluxuri de date despre disponibilitate, alarme interne, semnale privind starea operaţională, folosirea energiei și multe alte caracteristici de performanţă și parametri. Fiecare sculă așchietoare este monitorizată privind când, unde și cum a fost folosită, cu detalii privind vitezele, avansurile, traiectoriile, condiţiile lichidului de răcire și înregistrări ale altor performanţe adăugate complexului de date, care sunt alimentate într-o bază de date în cloud.
Toate datele referitoare la mașină și la așchiere sunt asociate fiecărei componente care ajunge la beneficiarul companiei într-o stare finită și într-un ansamblu funcţional. Dacă o anumită piesă cedează, va fi posibil să se aloce eroarea cauzei, ceea ce ar putea fi o ușoară abatere în servo-răspunsul unei acţionări a unei axe a mașinii-unelte. Pot fi sesizate indicii pentru evitarea acestei probleme în viitor.
Este posibilă identificarea pieselor similare care ar putea fi subiectul aceluiași mod de defectare. Vor fi disponibile și alte concluzii. De exemplu, se poate învăţa că un anumit algoritm de programare CAM ajută un anumit tip de freză deget să îndepărteze mai mult material cu un consum mai mic de energie. Programatorii vor fi anunţaţi instantaneu cu privire la această opţiune la utilizarea resurselor de programare instalate în cloud.
Beneficii imediate ale Industry 4.0 [110]
Având o înţelegere aprofundată a tehnologiilor care se combină pentru a crea Industry 4.0, se dau câteva exemple privind modul în care aceasta poate sprijini mediul de producţie.
Întreţinere preventivă
Ani de analiză a datelor referitoare la mașini evidenţiază evenimente care au declanșat avarii în echipament și, cuplate cu monitorizarea în timp real, pot avertiza tendinţele comportării. Se pot avertiza de timpuriu când piese ale echipamentului sunt pe punctul de a se defecta. În schimb, muncitorii pot planifica întreţinerea echipamentului într-o perioadă convenabilă și nu să practice o întreţinere reactivă atunci când mașina se defectează și ansamblul se oprește.
Prognozarea cererii
Analiza volumelor mari de date poate evidenţia tendinţele pieţei asociate cu produsele proprii, AI poate apoi sprijini revizuirea inventarului și trasarea preţului de pe piaţă. Rezultatul este o prognoză mai precisă a cererii, împreună cu abilitatea de a cumpăra la preţuri mai mici. Rezultatul final este un profit mai mare.
Optimizarea inventarului
Administrarea în timp real a inventarului este disponibilă cu scanere conectate la sistemele de administrare a inventarului. Dispozitivele de calcul a facturilor de încasat pot sprijini instrucţiunile de alegere a facturilor fără acoperire, cu potenţialul îmbunătăţirii productivităţii cu până la 40%.
Productivitate
Multe companii care folosesc instrucţiuni de lucru AR (realitate dezvoltată) au raportat o creștere a productivităţii cu 30% la anumite operaţii. Companiile care folosesc această tehnologie au realizat o îmbunătăţire a calităţii faţă de instrucţiunile scrise pe hârtie pentru sarcini complexe.
Şcolarizare accelerată şi îmbunătăţită
Utilizarea VR și a AR (bani datoraţi pe termen scurt) în scenariile de școlarizare înseamnă că cineva care dorește să înveţe o nouă operaţie poate simplu să pună o pereche de ochelari și să dobândească instantaneu îndrumare. Deoarece aceasta este o activitate experimentală faţă de citirea unui manual sau prezenţa într-o clasă, reţinerea este îmbunătăţită și școlarizarea este mai rapidă. Odată aplicaţia de pregătire terminată, instructorul nu trebuie să mai piardă timp învăţând aceeași clasă iar și iar.
Robotică îmbunătăţită
Cândva, roboţii erau folosiţi în anumite împrejmuiri, prevenind contactul lor cu muncitorii din secţie. Cu progresele din tehnologia senzoristică robotica poate fi folosită într-un cadru deschis, combinaţia AI și a roboţilor inteligenţi are ca rezultat roboţi care se pot adapta mediului lor și să facă cea mai bună alegere pentru a-și realiza sarcina.
Costuri
Ţinând cont de cât de bine sună acestea, se poate începe să se gândească la costurile asociate. Mulţi oameni ajung în acest punct și presupun costuri prohibitive. Dar, de fapt, unele dintre noile mașini pot fi deja compatibile. Costul depinde în întregime de fiecare situaţie și fabrică, dar prin abordarea unui specialist Industry 4.0 ar putea fi surprinzător să se afle că se poate porni cu o sumă de 20 000 USD. Acest fapt permite atât afacerilor mari, cât și celor mici să crească și să funcţioneze fiind în continuare preocupate de termene.
Concluzii
Pentru a rămâne competitiv în fabricaţia din întreaga lume, este imperativ ca toate companiile - mari și mici - să investigheze și să adopte Industry 4.0. În majoritatea cazurilor tehnologia va oferi o astfel de creștere faţă de rezultatul final încât investiţia se justifică, cu amortizare într-un an sau doi. Vă puteţi abţine și aștepta până când preţurile tehnologiei scad, dar competiţia s-ar putea să nu vă împărtășească mentalitatea. Rezultatul final este acesta: nu vă puteţi permite să așteptaţi.
Din întreaga problematică a noii revoluţii industriale nu trebuie să lipsească cea referitoare la oameni. În lipsa oamenilor nu ar exista niciun proces Mai degrabă ar exista o mașină automată sau o linie care ar produce repede și continuu. Adăugaţi oameni și, astfel, adăugaţi cel mai puternic și mai complex element oricărui sistem de fabricaţie pe care-l veţi vedea. Un proces bine conceput este valoros datorită modului în care eliberează oamenii pentru a face cel mai bun lucru.
Considerăm că procesul de fabricaţie ca un sistem pentru realizarea unui produs finit nu este chiar exact. Dimpotrivă, procesul este sistemul prin care oamenii realizează acel produs finit. Într-o rubrică intitulată Competing Ideas au fost prezentate câteva din ideile referitoare la problematica umană. Câteva din aceste idei [28]:
1. Confuzie înseamnă ineficienţă
Nu acceptăm inconsistenţa (instabilita-tea, variabilitatea) în fabricaţia pieselor, pentru că recunoaștem costurile acesteia. De ce nu recunoaștem același lucru și cu privire la sistemele care conduc/ghidează oamenii? Acolo unde un proces conceput necorespunzător permite ambiguitate cu privire la care ar trebui să fie următorul pas, pauza legată de îndoială înseamnă costuri care trebuie plătite.
2. Cultura transmite semnale
Un manager nu doar comunică în domeniul pe care-l conduce. El comunică și ceea ce permite – situaţia afacerii lăsată în urmă fără a lua notă sau fără a aborda dezavantajele acesteia. Acea situaţie a afacerii este, sau contribuie la cultură; iar cultura transmite mesaje chiar și atunci când nimeni altcineva nu vorbește.
3. Oamenii uită — acceptă
Un proces care pretinde oamenilor să nu fie uituci – să ţină minte etapele și datele direct în mintea lor pe măsură ce merg – le consumă energia forţându-i să lucreze contra naturii lor. Procesele trebuie să fie concepute simple, cu aduceri aminte incluse și cu necesitatea unor informaţii gata disponibile.
4. Chiar economic trebuie să fie economic
Un proces nu mai servește oamenii (fără a menţiona produsul) atunci când el merge prea departe servind, în schimb, un principiu. O hotărâre prea formală pentru o fabricaţie economică prezintă acest pericol. Puţin extra, o mică marjă și puţin timp oferă o rezervă care face posibilă adaptarea la evoluţii neașteptate și la capriciile umane cu graţie, nu cu stres.
5. Oamenii sunt indivizi
Singurul lucru pe care-l apreciem la oameni este ceea ce confundăm cel mai frecvent: unicitatea individuală. Cum colaborăm, cum facem exerciţii, care sunt divergenţele noastre? Presupuneţi întotdeauna că o altă persoană înseamnă ceea ce spune. Adică, nu căutaţi programe ascunse sau sensuri nespuse. Ce ar fi dacă ceea ce aveţi nevoie este exact în vorbele spuse de o altă persoană? Comunicarea reală începe cu acest adevăr.
