Przemysł 4.0, czyli jedność fizyczna i cybernetyczna

Fabryka przyszłości będzie bazowała na nieustannej wymianie i analizie danych. Nastąpi całkowite zanurzenie realnego świata produkcji w wirtualnym świecie cyfrowego sterowania.

Gdy dzisiaj chcesz kupić nowy samochód, idziesz do salonu, rozmawiasz ze sprzedawcą, składasz zamówienie i czekasz na swój egzemplarz. Wcześniej możesz w internecie – na stronie przedstawiciela wybranej marki – skonfigurować swój model, dobierając oferowane przez producenta dodatki. Wszystko jedynie, abyś miał orientację, co możesz zamówić.

W przyszłości do zakupu samochodu może wystarczyć smartfon. Pobierzesz odpowiednią aplikację, która pozwoli ci – w szerokim zakresie – zaprojektować swoje auto. Nie będziesz musiał ograniczać się tylko do sztywnego zestawu opcji przygotowanych przez właściciela marki. Jeżeli nie spodobają ci się gotowe alufelgi, będziesz mógł sam zaproponować wzór, którego byś oczekiwał. Fabryka go wyprodukuje i zamontuje w zamówionym pojeździe. System rozszerzonej rzeczywistości (Augmented Reality) pozwoli sprawdzić, jak nowy samochód będzie się prezentował na podjeździe przed domem czy na parkingu przed biurem. Dzięki okularom do wirtualnej rzeczywistości (Virtual Reality), będziesz mógł poznać wrażenia z jazdy przyszłym autem.

Od pomysłu do indywidualnego procesu produkcji

W przyszłości gotowy projekt wymarzonego modelu wyślesz w postaci cyfrowej wraz z zamówieniem do działu projektowego firmy motoryzacyjnej. Tam odpowiednie oprogramowanie przekształci automatycznie twoje wybory i propozycje w projekt techniczny, zrozumiały dla systemu sterowania produkcją. Dzięki temu możliwe będzie odpowiednie zaprogramowanie wybranych robotów na hali produkcyjnej, aby mogły wykonać twoje indywidualne zamówienie. Część prac wykonają być może roboty poza siedzibą fabryki, w firmach świadczących usługi wynajmu potrzebnych mocy produkcyjnych. System sterowania produkcją w trybie autonomicznym rozdzieli zadania, programując jednocześnie zdalnie maszyny do pracy.

W tym samym czasie system ERP przyszłości sprawdzi, czy w zasobach firmy są komponenty potrzebne do wyprodukowania twojego auta. Jeżeli będzie czegoś brakowało, zostanie wykonana analiza rynku pod kątem wyboru najbardziej optymalnej opcji zakupu potrzebnych surowców. System analityczny weźmie pod uwagę nie tylko towary dostępne aktualnie w hurtowniach czy magazynach. Będzie też mógł np. sprawdzić, czy nie warto przenieść produkcji określonych podzespołów do miasta, do którego zawinie jutro statek z materiałami po najbardziej atrakcyjnych cenach. Z kolei system armatora będzie śledził zapotrzebowanie rynku na przewożone towary i podpowiadał kapitanowi najbardziej opłacalną trasę żeglugi.

Rozpoczęcie produkcji nie będzie oznaczało, że jesteś skazany na dokonane wcześniej wybory. Gdy będziesz chciał coś zmienić lub poprawić w swoim aucie – bo zauważyłeś, że np. zmienia się moda, albo że twoja rodzina potrzebuje jeszcze dodatkowego wyposażenia – będziesz mógł nanosić modyfikacje na każdym niemalże etapie procesu produkcyjnego. Produkcji towarzyszyć będzie nieustanna komunikacja i wymiana informacji między produkowanymi elementami, dokonującymi ich obróbki robotami oraz firmowymi systemami sterowania i zarządzania (ERP, BI, CRM itp.). Każdy produkowany element będzie wyposażony w – zapisaną w RFID – informację o przebiegu procesu jego wytwarzania.

Komunikacja i modyfikacja zamówienia na każdym kroku

Wykonujący pracę robot na każdym stanowisku będzie mógł zmodyfikować realizację zaprogramowanego zadania, jeżeli otrzyma z systemu sterującego informację o zmianach wprowadzonych przez zamawiającego lub wynikających np. z konieczności wykorzystania materiałów o innych parametrach niż pierwotnie zakładano. Bo w wyniku prowadzonej nieustannie analizy rynku, w korelacji z przebiegiem procesu produkcji, okazało się, że można kupić komponenty lepszej jakości lub po niższej cenie. Informowany na bieżąco klient będzie mógł również sam podjąć decyzję, czy chce zostać przy zaplanowanej pierwotnie charakterystyce zamówionych układów, czy ją zmodyfikować pod kątem użycia innych półproduktów.

Gdy zamówisz pojazd autonomiczny, twój wyprodukowany już model podjedzie samodzielnie na wskazane przez ciebie miejsce. Opuszczenie przez niego fabryki nie będzie jednak równoznaczne z zerwaniem kontaktów z producentem. Czujniki zamontowane w różnych częściach pojazdu będą na bieżąco śledziły pracę poszczególnych podzespołów. Uzyskiwane w ten sposób dane będą na bieżąco transmitowane do działu serwisowego.

Specjalne oprogramowanie analityczne będzie na bieżąco śledziło wszystkie wskaźniki pod kątem wykrycia możliwości wystąpienia usterki lub awarii. Predykcja takiego zdarzenia będzie uruchamiała odpowiednie działania zapobiegawcze lub naprawcze. Znajdująca się w pobliżu mobilna ekipa serwisowa podjedzie do miejsca aktualnego postoju pojazdu i wymieni część, która prawdopodobnie mogłaby się za chwilę popsuć. Innych napraw można będzie dokonywać zdalnie, za pośrednictwem komputera pokładowego w samochodzie. Dane z eksploatacji auta i otrzymane na podstawie ich analizy wnioski posłużą potem producentowi do udoskonalenia kolejnych wersji części, urządzeń, podzespołów czy zaprojektowania nowych prototypów i modeli spełniających lepiej oczekiwania klientów.

Pełna integracja świata fizycznego i cyfrowego

Z takim obrazem rzeczywistości możemy mieć do czynienia, gdy producentom aut uda się w pełni zrealizować założenia koncepcji Przemysłu 4.0 (Industry 4.0). Przewiduje ona całkowite zanurzenie realnego świata produkcji w wirtualnym świecie cyfrowego sterowania. Będziemy mieli wtedy do czynienia z kompleksową integracją cyber-fizyczną. Każdy produkowany element, każdy proces produkcyjny i każdy etap produkcji będzie miał swoje cyfrowe odwzorowanie, tzw. cyfrowego bliźniaka. Do osiągnięcia tego stanu potrzebna jest pełna automatyzacja i informatyzacja przedsiębiorstw produkcyjnych.

Przemysł 4.0 ma być efektem czwartej rewolucji przemysłowej, która obecnie się dokonuje. Pierwsza rewolucja miała miejsce w XVIII wieku i była związana z mechanizacją produkcji za pomocą maszyny parowej. Druga rozpoczęła się na początku XX wieku i dotyczyła wprowadzenia produkcji masowej dzięki wykorzystaniu energii elektrycznej. Trzecia rewolucja rozpoczęła się w latach 70. wieku XX. Polegała na automatyzacji produkcji, co stało się możliwe wraz z upowszechnieniem wykorzystania elektroniki i informatyki do sterowania maszynami oraz udostępnieniem robotów w fabrykach. Teraz pora na czwartą rewolucję przemysłową. Dokonuje się ona poprzez połączenie wszystkich komponentów produkcji w jeden zintegrowany system sieciowy. Jego poszczególne składniki będą się stale ze sobą komunikować, aby na bieżąco zarządzać przebiegiem produkcji.

Czasami Przemysł 4.0 nazywany też bywa przemysłem zintegrowanym. Fabryka przyszłości, zwana niekiedy inteligentną fabryką (smart factory), ma bazować na pełnej integracji wszystkich maszyn, urządzeń, technik i systemów informatycznych, procesów biznesowych i źródeł informacji wykorzystywanych w procesie produkcji. Wszystkie obszary przedsiębiorstwa produkcyjnego zostaną połączone w inteligentne sieci, które same siebie będą nadzorowały i nawzajem regulowały optymalne ścieżki realizacji wytwarzania poszczególnych produktów.

Dynamiczne przetwarzanie danych i cyfrowa produkcja

Fabryka 4.0 ma być oparta na systemach cyberfizycznych i dynamicznym przetwarzaniu danych. Powszechnie dzisiaj używane w halach fabrycznych pojedyncze, zautomatyzowane stanowiska robocze zostaną zamienione w zintegrowane, wymieniające się stale informacjami systemy. Będziemy mieli do czynienia już nie tyle ze zautomatyzowanymi liniami produkcyjnymi, lecz zrobotyzowanymi i ucyfrowionymi, inteligentnymi fabrykami. Elementem ich zintegrowanego środowiska ma być również człowiek, który będzie współpracował ze specjalnymi robotami społecznymi przy wspólnym wykonywaniu zadań. Będą one podzielone na te, które łatwiej jest wykonać człowiekowi, i na te, przy których sprawniejszy jest robot. Razem mają się składać na efektywniejsze działania w procesie produkcyjnym, którego przebieg będzie zależny od wyników prowadzonej stale analizy informacji.

Do sprawnego funkcjonowania przemysłu przyszłości potrzebnych będzie wiele nowoczesnych technologii i rozwiązań. Już na etapie projektowania mogą być używane specjalne programy do tzw. cyfrowej produkcji (digital manufacturing). Umożliwiają one nie tylko modelowanie parametrów poszczególnych wyrobów, lecz także przetestowanie w środowisku wirtualnym zachowania całej linii produkcyjnej. Można zasymulować różne warianty produkcji, uwzględniając wybrane czynniki i parametry – od wpływu naprężeń i ciśnień w poszczególnych prefabrykatach, przez poziom hałasu projektowanych mechanizmów, po skutki zastosowania obowiązujących regulacji prawnych, związanych np. z ochroną środowiska.

Możliwość integracji systemów cyfrowej produkcji z systemami ERP, CRM i BI będzie pozwalała na sprawdzenie obciążeń i parametrów linii produkcyjnej w zależności od sytuacji na rynku, np. sezonowych zmian zapotrzebowania na produkowane towary, różnych modeli logistycznych czy sposobu współpracy z kontrahentami. Można będzie przetestować wiele różnych modeli funkcjonowania fabryki i wybrać najbardziej optymalną opcję.

Coraz większego znaczenia będą nabierały autonomiczne roboty, zdolne do samodzielnego wykonywania powierzonych zadań i uczące się nowych umiejętności, również od ludzi. Nie będą działały, jak dotychczas, tylko na samodzielnych, pojedynczych stanowiskach, lecz także w zintegrowanych, połączonych z sobą – tworzonych ad hoc, na potrzeby realizacji konkretnego zamówienia – układach i konfiguracjach. Będzie to możliwe dzięki rozwiązaniom IT pozwalającym na szybkie przeprogramowywanie zarówno pojedynczych robotów, jak i całych ich sieci.

Wymiana danych to podstawa w Industry 4.0

Wszystkie systemy informatyczne funkcjonujące w inteligentnej fabryce zostaną zintegrowane. Połączeniu ulegną aplikacje do obsługi procesów produkcyjnych, zarządzania przedsiębiorstwem, działalności biznesowej, kontaktów z klientami i kontrahentami. Przetwarzane w nich dane będą poddawane na bieżąco analizie, w tym bazującej na rozwiązaniach Big Data. W połączeniu z symulacją cyfrową pozwoli to np. na przetestowanie ustawień automatu produkcyjnego, zanim zostaną dokonane rzeczywiste zmiany w jego oprogramowaniu.

Dostęp do wielu danych będzie możliwy dzięki zastosowaniu licznych czujników w sieci przemysłowego internetu rzeczy IIoT (Industrial Internet of Things). Będą służyły m.in. do komunikowania się między wytwarzanymi elementami a zajmującymi się ich obróbką robotami, a w konsekwencji do sterowania procesami produkcyjnymi. Dane z sensorów monitorujących w czasie rzeczywistym pracę poszczególnych części, podzespołów i maszyn zapewnią lepsze wykorzystanie urządzeń produkcyjnych. Możliwość przewidywania potencjalnych awarii czy uszkodzeń przyczyni się do zmniejszenia przestojów na linii produkcyjnej.

Produkcja zindywidualizowana

W Fabryce 4.0 znajdą zastosowanie również systemy rzeczywistości rozszerzonej. Ułatwią one znalezienie odpowiedniej części czy dokonanie naprawy. Instrukcja obsługi będzie mogła być wyświetlona bezpośrednio na tle podzespołów naprawianego urządzenia. Do wykonywania niektórych części zamiennych ekipy serwisowe będą mogły użyć na miejscu drukarek 3D. Drukarki te będą mogły być wykorzystane również w procesie wytwórczym do produkcji wyrobów o bardziej złożonych kształtach czy skomplikowanych połączeniach.

Koncepcja Przemysłu 4.0 wzięła się nie tylko z możliwości oferowanych przez współczesne technologie, ale też i z potrzeby dostosowania sposobów produkcji do trendów rynkowych po stronie klientów. Ci chcą szerokiej, zróżnicowanej oferty, dającej możliwość swobodnego, indywidualnego wyboru. Wyzwaniem staje się zaspokojenie coraz bardziej spersonalizowanych potrzeb konsumentów. Do tego szybko zmieniające się kampanie promocyjne i wciąż nowe działania marketingowe sprzedawców powodują, że mamy do czynienia z coraz krótszym czasem życia produktu. Chodzi więc o to, aby produkcję masową zastąpić masową indywidualizacją. Ma to umożliwić właśnie fabryka w wersji 4.0.

Zastosowane rozwiązania i technologie będą pozwalały na wytwarzanie jak najmniejszych partii wyrobów lub serii tych samych wyrobów różniących się między sobą poszczególnymi elementami. Docelowo wręcz pojedynczych produktów na indywidualne zamówienia klientów. Inteligentna fabryka będzie dawała możliwość szybkiej zmiany konfiguracji linii produkcyjnej, by można było na tych samych maszynach produkować jednocześnie różne, zmieniające się wraz z potrzebami i upodobaniami klientów wyroby.

Poszczególne elementy procesu produkcji będą nawzajem uzgadniały wybór optymalnej ścieżki realizacji procesu produkcji. Będzie się to odbywało poprzez analizę, wymianę i koordynację informacji między wieloma, podłączonymi do chmury obliczeniowej komponentami inteligentnej fabryki – od pamięci produkowanego elementu i maszyny produkcyjnej, poprzez systemy cyfrowego projektowania i zarządzania produkcją, po systemy wsparcia biznesowego, obsługi logistycznej i kontaktów z klientami oraz systemy analityki biznesowej i Big Data. Zapewni to większą elastyczność procesów produkcyjnych, możliwość szybkiego dostosowywania ich do zmieniających się realiów rynkowych, oczekiwań kontrahentów i kooperantów oraz zindywidualizowanych potrzeb konsumentów. Docelowo ma umożliwić przejście do nowej formuły ekonomicznej, bazującej na kalkulacji satysfakcji klienta, a nie tylko kalkulacji zysku z prostej sprzedaży towarów.