Technologiczne Przygotowanie Produkcji
Przemysł 4.0 - IV Rewolucja Przemysłowa

Przemysł 4.0 – IV Rewolucja Przemysłowa

Przemysł 4.0 już od jakiegoś czas pojawia się w ramach tego wortalu (Przemysł 4.0 i MACHTOOL 2016), lecz wymaga osobnego omówienia. Po raz pierwszy określenie Industry 4.0 zostało publicznie użyte podczas targów przemysłowych w Hanowerze w 2014 roku. Określenie to stanowi synonim trwającej IV Rewolucji Przemysłowej. Jej celem jest zwiększanie konkurencyjności przemysłu poprzez wdrażanie zaawansowanych rozwiązań wykorzystujących automatyzację i informatyzację procesów produkcyjnych z wykorzystaniem cyfrowych modeli produktów (CAx) o wysokim stopniu kastomizacji (dopasowania do potrzeb klienta).

Internet rzeczy

Wymaga to zastosowania nowoczesnych technologii informatycznych w ramach Przemysłu 4.0 realizując tzw. „internet rzeczy„, czyli powszechne łączenie ludzi i rzeczy z maszynami. Produkty mają być produkowane pod indywidualne potrzeby odbiorcy, a tym samym priorytetową produkcją stanie się produkcja jednostkowa. Wynika to nie tylko z modelu rynku klienta, lecz także z konieczności zapewnienia jak najdalej posuniętej autonomiczności Inteligentnych Fabryk, które mają funkcjonować z minimalnym udziałem człowieka.

III generacja

Ilustracja 1 i 2 przedstawia przykładowe zrobotyzowane stanowisko obróbkowe i zautomatyzowane stanowisko obróbki EDM. Przedstawione poniżej rozwiązania to rozwiązania III generacji (efekt III Rewolucji Przemysłowej).

Przemysł 4.0 - stoisko firmy Abplanalp - tokarskie centrum obróbkowe HAAS z robotem przemysłowym z firmy ASTOR.

Ilustracja 1. Stoisko firmy Abplanalp – tokarskie centrum obróbkowe HAAS z robotem przemysłowym z firmy ASTOR.

Przemysł 4.0 - zautomatyzowana elektrodrążarka wgłębna Gf Machining Solutions FORM 200 wraz z magazynem palet (paletyzacji w ramach Systemu 3R).

Ilustracja 2. Zautomatyzowana elektrodrążarka wgłębna Gf Machining Solutions FORM 200 wraz z magazynem palet (paletyzacji w ramach Systemu 3R).

Współczesne fabryki i zakłady wytwórcze stanowią bardzo rozbudowane i skomplikowane struktury. W zakresie automatyzacji wykorzystywane są przede wszystkim rozwiązania tzw. III generacji (III Rewolucji Przemysłowej).

Zdecydowana większość producentów nie jest jeszcze gotowa do procesu transformacji swoich zasobów produkcyjnych do poziomu IV generacji. Proces taki jest czasochłonny i kosztowny, co wynika z wielu problemów organizacyjno-technicznych.

Postęp technologiczny w zakresie wytwarzania ma charakter przede wszystkim jakościowy. Nadal atrakcyjną ofertą dla wytwórców są rozwiązania III generacji. Od lat prowadzone są badania w zakresie optymalizacji procesów technologicznych. Obejmują one same procesy obróbkowe oraz zagadnienia organizacji produkcji (m.in. strategie uzbrajania obrabiarek). Wdrażane są systemy pomiarów na obrabiarce bez konieczność przemieszczania przedmiotu obrabianego. Rozwój zdolności w zakresie rozwiązań informatycznych umożliwia transfery i analizy coraz większych zakresów danych. Nadal jednak internet szerokopasmowy nie jest powszechny. Niebagatelnym problemem jest zapewnienie bezpieczeństwa informatycznego.

Inteligentne fabryki i systemy cyber-fizyczne

Przemysł 4.0 wykorzystuje szeroko rozumianą automatyzację procesów produkcyjnych jednocześnie z wykorzystaniem zdolności do gromadzenia, przetwarzania i wymiany wielkich ilości danych informatycznych w ramach całego procesu produkcyjnego. Konieczne jest wykorzystywanie sieci komputerowych, w tym internetu, a także chmur informatycznych. Inteligentne sieci urządzeń przemysłowych mają połączyć obszar obróbki wirtualnej (ang. VM – Virtual Machining) i rzeczywiste zasoby.

Przemysł 4.0 bazuje na inteligentnych fabrykach (Smart Factory), określanych również mianem fabryk autonomicznych. Struktura tych fabryk ma wykorzystywać tzw. Systemy Cyber-Fizyczne (SCF) , których celem będzie zrealizowanie procesu produkcyjnego od zlecenia, poprzez technologiczne przygotowanie produkcji, kończąc na dostarczeniu produktu do odbiorcy.

To jednak jest uproszczeniem. Cykl życia produktu stanowi swoisty zamknięty obieg. Należy zatem przyjąć, że tzw. recykling zapewne mieści się w ogólnie opisywanym łańcuchu dostaw inteligentnej fabryki. Ze względu na same idei Przemysłu 4.0 nie jest możliwe nie wykorzystanie cyklu życia produktu.

Systemy Cyber-Fizyczne to struktury „lokalnie fizyczne” i jednocześnie „wirtualnie globalne”. Systemy te w ramach procesów produkcyjnych mają za zadanie realizować wszelkie działania fizyczne (zabiegi technologiczne, czynności dodatkowe, w tym manipulacyjne przedmiotem obrabianym, które są przeprowadzane lokalnie) – ilustracja 3.

Czynności takie jak opracowywanie procesów technologicznych, monitorowanie ich przebiegu, kontrola procesów wytwórczych mają być realizowane w zabezpieczonej wirtualnej przestrzeni cybernetycznej w czasie rzeczywistym.

przemysł 4.0 - systemy cyber-fizyczne w fabrykach inteligentnych

Ilustracja 3. Systemy Cyber-Fizyczne (SCF) w Inteligentnych Fabrykach (IF) – elementy składowe.

SCF (ang. CPS – Cyber-Physical System) mogą być wdrażane w warunkach inteligentnych sieci elektrycznych w budynkach inteligentnych z wykorzystaniem autonomicznych pojazdów (autonomiczność), robotów przemysłowych. Konieczne jest zapewnienie odpowiedniej infrastruktury logicznej w celu zabezpieczenia wystarczających zdolności transmisji danych (komunikacja), ich pozyskiwania (sensory) i analizy (obliczenia). Autonomiczność dotyczy także podejmowania decyzji w ramach kontroli procesów produkcyjnych. Przemysł 4.0 to stosowanie zintegrowanych maszyn, urządzeń i procesów decyzyjnych.

SCF mają stanowić wiodącą technologię w ramach IF w Przemyśle 4.0 (internecie rzeczy). Aksjomatem rozwoju tej technologii jest nieustający rozwój rozwiązań i struktur informatycznych wraz z ich zabezpieczeniami.

Aktualnie ani Ethernet ani tzw. otwarte sieci (m.in. DirectNet, Profibus, CanBus) wykorzystujące różne komunikacyjne protokoły współdzielenia zasobów nie mają możliwości ani oczekiwanej wydajności by wdrażyć Przemysł 4.0 mogło w sposób skuteczny. Problemem jest także kompatybilność. Dodatkowo układy logiczne PLC, kontrolery procesów z predefiniowanymi sekwencjami działań nie są tak naprawdę inteligentne w rozumieniu IV Rewolucji Przemysłowej.

STEP-NC

O nowym standardzie programowanie obrabiarek CNC pisałem już m.in. w Trendach w systemach CAD/CAM,  który jeżeli zostanie rzeczywiście wprowadzony będzie stanowić rewolucję w w systemach CAM i układach sterowania CNC. STEP-NC ze względu na założenia będzie stanowił rozwiązanie bardzo dobrze dopasowane do potrzeb SCF.

Nieprzerwanie prowadzone są prace badawczo-rozwojowe w zakresie optymalizacji procesów technologicznych, systemów wizyjnych, informatycznych systemów decyzyjnych, w tym tzw. sztucznej inteligencji. Koszty wdrażania szerokopasmowego internetu maleją. Wprowadzanie do przemysłu elastyczniejszych systemów produkcyjnych jest faktem. Koszty automatyzacji maleją. Poprawa jakościowa w zakresie technik wytwarzania umożliwia szersze stosowanie automatyzacji (przykład stanowi automatyzacja procesów spawania i cięcia laserem – ilustracja 4.)

Przemysł 4.0 - zrobotyzowane cięcie laserem - FANUC

Ilustracja 4. Stoisko firmy FANUC podczas Warsaw Industry Week 2016 – zrobotyzowane stanowisko cięcia laserem.

Procesy decyzyjne

W przypadku SCF procesy decyzyjne muszą zapadać na jak najniższych poziomach. Aktualnie procesy decyzyjne są scentralizowane, uzależnione od inżynierów technologów. W IF każdy węzeł, każdy SCF z założenia ma posiadać pełnię informacji o własnych zasobach, w tym monitorowanie procesów w czasie rzeczywistym. Warunek ten jest konieczny do spełnienia by układ sterowania SCF był w stanie autonomicznie podejmować decyzję o zasięgu lokalnym.

Opracowanie systemu decyzyjnego dla SCF jest zadaniem bardzo trudnym. Konieczna jest integracja wielu urządzeń, zapewnienie bezstratnego transferu danych, kompatybilności formatów zapisu danych. Przyjmuje się znaczący przyrost ilościowy danych, co wymaga zwiększania zdolności zarządzania ogromnymi zbiorami danych i podwyższania możliwości obliczeniowych chmur informatycznych.

W zamyśle prekursorów Przemysłu 4.0 IF ma docelowo bazować na pełnej transparentności danych w ramach procesu technologicznego włączając do tego łańcuch dostaw.

Czy jest w ogóle możliwe zbudowanie IF bez udziału w procesie decyzyjnym człowieka? Czy możliwe jest stworzenie takiego systemu decyzyjnego by możliwe było wyeliminowanie człowieka z procesu produkcyjnego. Człowiek posiada zdolność abstrakcyjnego myślenia. Większość decyzji, wbrew stereotypowi, podejmuje podświadomie. Dowolny zautomatyzowane stanowisko obróbkowe lub montażowe wymaga oprogramowania, także takich czynności jakie człowiek realizuje bez w pełni świadomego decydowania.

Kontrola techniczna produktu w IF również powinna odbywać się w pełni automatycznie. Stosowanie systemów wizyjnych również wymaga odpowiedniego oprogramowania (nauczenia). Wykorzystanie systemów pomiarów na obrabiarce  również wymaga wdrożenia i odpowiedniego oprogramowania.

Za bardzo istotny problem uznaje się bezpieczeństwo informatyczne, które może tu stanowić poważne ograniczenie pomimo zaawansowanych rozwiązań w tym zakresie. Szacowanie ilości danych w rzeczywistości Przemysłu 4.0 rodzi pytania o realne możliwości zarządzania i analizy w czasie rzeczywistym.

Druk 3D

Przyrostowa technika wytwarzania jako jedyna jest wymienia samodzielnie w kontekście Przemysłu 4.0. Stanowiąca opozycję do obróbek ubytkowych ze względu na swój charakter, uwarunkowania technologiczne addytywna technika wytwarzania stanowi bardzo ważny podsystem IV Rewolucji Przemysłowej. Jej charakter predysponuje ją do produkcji jednostkowej. Postęp w metodach druku 3D, w tym także metali istotnie podnosi jej możliwości technologiczne. GE do 2020 roku ma wykonywać 100.000 zróżnicowanych komponentów wytwarzanych tą techniką. Druk 3D jest elastyczną metodą wytwarzania będąc z natury swojej nastawiony na produkcję jednostkową.

Ludzie – inżynierowie

Przyjmuje się, że tzw. pokolenie Alfa, urodzone po 2010 roku, wychowane na smartfonach i tabletach w przestrzeni internetu będzie w stanie dopiero wdrożyć realnie Przemysł 4.0. Ich wiedza pochodzi przede wszystkim z internetu, a nie podręczników. Pokolenie Alfa uznaje się za najbardziej rewolucyjne, twórcze i „odjechane” w dotychczasowych dziejach ludzkości.

Osobiście nie mam takiego doświadczenia by móc to pokolenie uznawać za najbardziej rewolucyjne i twórcze. W pełni się jednak zgadzam, iż zdolności tego pokolenia do funkcjonowania w realiach internetu rzeczy są znacząco wyższe od przedstawicieli pokoleń wcześniejszych.

Od lat zwracam uwagę, iż omówienie większości zagadnień technologicznych na obrabiarkach konwencjonalnych, przedstawienie metod pomiarowych z wykorzystaniem tradycyjnego oprzyrządowania umożliwia lepsze poznanie metod.  Czy możemy sobie pozwolić na sytuację kiedy niewielu naprawdę będzie specjalistami w dziedzinie wytwarzania, a większość będzie użytkownikami bez znajomości podstaw procesów obróbkowych?

Niewątpliwie procesy edukacyjne będą musiały ulec głębokim modyfikacjom. Zmieni się rynek pracy, wymuszając doskonalenie się zawodowe pracowników sektora przemysłowego. Jedna zawody niemal zanikną, a inne będą cieszyły się większym zapotrzebowaniem. Realizacja procesów produkcyjnych to jedno. Działania w ramach utrzymania ruchu, czynności konserwacyjne jeszcze długo nie będą mogły być wysoce zautomatyzowane. Wynika to przede wszystkim z charakteru eksploatacji maszyn i urządzeń. Do dziś nie istnieje przemysłowa aplikacja systemu monitorowania procesu skrawania, pomimo wielu obiecujących prac. Wielość i różnorodność czynników mających wpływ na przebieg procesu obróbkowego uniemożliwia skuteczne wdrożenie tego typu rozwiązań, choć tematycznie stanowi o zamknięty obszar.

Czynniki umożliwiające rozwój przedsiębiorstwa to: pieniądze, właściciel z wizją oraz dostęp do wiedzy i technologii…
Ale przede wszystkim zaangażowani pracownicy.
Agnieszka Biegańska

Podsumowanie

Przemysł 4.0 jako idea wydaje się być wspierany bardzo przez przemysł lotniczy, który od lat oczekuje systemów CAM umożliwiających symulowanie obróbki skrawaniem z uwzględnieniem oddziaływań dynamicznych (ang. VM – Virtual Machining). Obecnie systemy CAM pozwalają na symulację wyłącznie ściśle geometryczną bez zjawiska bezwładności podzespołów, czy drgań samowzbudnych. Istnieją samodzielne lub integrowane programy, które wykorzystują do tego celu MES. Jednak nadal nie ma rozwiązań efektywnych w tym zakresie w ujęciu kompleksowym. Przemysł samochodowy dąży jak największej kastomizacji modeli samochodów jak najbardziej dopasowanych do klienta.

Zaawansowanie IV Rewolucji Przemysłowej będzie oznaczało zmiany w codziennym życiu każdego człowieka.

Zachęcam do lektury materiałów zamieszczonych w źródłach. Rzeczywistość polskich fabryk jest taka, że 76% jest częściowo zautomatyzowana, jedynie 15%  w pełni. W 59% dane do systemu wprowadza się ręcznie, a w 36% przypadków stosuje się automatyczną akwizycję danych technologicznych. 16% to jedynie dokumentacja w formie papierowej. Nie tak dawno osobiście mogłem zwiedzić zakład przemysłowy, w którym nie było ani realnych danych z produkcji, jedynie szacunkowe, dokumentacja technologiczna nie była zestandaryzowana, a proces decyzyjny bazował na dwóch osobach.

Dane procentowe przedstawione powyżej mają charakter orientacyjny. Wskazują aktualną sytuację. Problem w zebraniu w pełni miarodajnych danych jest utrudniony, choćby z samej liczby zakładów przemysłowych. Należy jednak te dane uznawać i na ich podstawie analizować sytuację w zakładach produkcyjnych w Polsce.

Źródła

About author

morek

Rocznik 1973. W 1993 skończyłem Technikum Elektryczne Nr 1. W 1998 roku Wydział Mechaniczny Technologiczny i Automatyzacji (obecnie WIP) PW. 1997-2000 konstruktor narzędzi skrawających w F.W.P. VIS S.A. 2004 - doktorat z technologii kół zębatych. Technologie wytwarzania i procesy technologiczne to moja pasja.

Related Articles

Leave a reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

YouTube

Kategorie

Nadchodzące wydarzenia

  1. TOOLEX

    Październik 3 - Październik 5
  2. Kompozyt EXPO (R)

    Październik 11 - Październik 12
  3. Maintenance

    Październik 18 - Październik 19
  4. EUROTOOL

    Listopad 28 - Listopad 30
  5. FASTENER POLAND

    Listopad 28 - Listopad 30