Cyfrowa fabryka

Przechodzenie od przetwarzania informacji do zintegrowanego z nim przetwarzania materii, w sferze wytwórczej prowadzi do fenomenu cyfrowej fabryki. Czy jest to rozwiązanie tylko dla dużych zakładów elektromaszynowych?

Przechodzenie od przetwarzania informacji do zintegrowanego z nim przetwarzania materii, w sferze wytwórczej prowadzi do fenomenu cyfrowej fabryki. Czy jest to rozwiązanie tylko dla dużych zakładów elektromaszynowych?

Najbardziej charakterystycznym spośród głównych trendów rozwojowych informatyki jest , czyli zastępowanie materii informacją.

W samej konfiguracji komputerowej realizuje się ona na drodze wyizolowania warstwy fizycznej i logicznej. Powszechnie znanym przykładem takiego mechanizmu jest przyporządkowanie grupie dysków ich logicznego odpowiednika. W sferze bazodanowej, grupie relacyjnych tabel można przyporządkować jedną tabelę wirtualną, będącą ich projekcją (view). Innym zastosowaniem wirtualizacji są wirtualne pamięci czy emulatory, przy czym możliwe jest tu również stosowanie całych maszyn wirtualnych (virtual machine), czyli oprogramowania instalowanego na platformie fizycznej, w celu tworzenia określonego środowiska uruchomieniowego dla aplikacji.

Najważniejszy program każdego komputera - system operacyjny - też może być postrzegany jako rozszerzenie sprzętu, czyli jego wirtualizacja. Dziś mamy także wirtualne klawiatury, które można uaktywniać wszędzie, nawet w razie potrzeby na kolanie, gdzie klawisze są jedynie refleksami świetlnymi, wyświetlanymi na niemal dowolnej powierzchni. Z kolei wirtualne monitory wykorzystują oko ludzkie jako część układu optycznego - rzutując bezpośrednio na nie obraz z okularu-obiektywu. Są już wirtualne sklepy, organizacje, przedsiębiorstwa i wirtualna rzeczywistość VR (virtual reality).

W tym ostatnim przypadku mamy do czynienia z procesem towarzyszącym całemu rozwojowi ludzkości - wirtualizacją rzeczywistości było pismo obrazkowe, naturalistyczne malarstwo czy nasz język naturalny.Technologie komputerowe jedynie potęgują możliwości tego trendu. W tym kontekście idea fabryki cyfrowej (digital factory) nie wydaje się być nowa. Cóż bardziej naturalnego od zastąpienia fizycznej maszyny jej komputerowym modelem, w celu efektywniejszego planowania i sterowania wytwarzaniem? W końcu współczesny inżynier również nie musi stawać w napięciu pod nowo wybudowanym mostem, aby przekonać się, czy konstrukcja wytrzyma przejazd 100 konnych wozów, wypełnionych piaskiem (takie procedury obowiązywały jeszcze w XIX wieku) - wystarczy, że kilka razy kliknie myszką w swoim programie CAD (Computer Aided Design).

Długa jest jednak droga "od pomysłu do przemysłu". Bez atomosu Demokryta nie byłoby zapewne planetarnego modelu atomu Rutheforda - ale jednego i drugiego dzielą tysiąclecia badań. Dopiero dziś cyfrowe wytwarzanie (digital manufacturing) staje się czymś więcej niż komputerowo sterowaną obrabiarką DNC (Direct Numerical Control), współpracującą z innymi urządzeniami i korzystającą z bazy danych CAD/CAM (Computer Aided Manufacturing), zintegrowanej w ramach CIM/FMS (Computer Integrated Manufacturing/Flexible Manufacturing System) (tab.1).

Pies w matriksie

Fazy rozwoju komputerowo wspomaganego wytwarzania

Fazy rozwoju komputerowo wspomaganego wytwarzania

Możemy zatem powiedzieć, że cyfrowa fabryka jest systemem komputerowych modeli, umożliwiających symulację funkcjonowania przedsiębiorstwa, w szczególności produkcji, z wykorzystaniem wizualizacji 3D/VR. Ostatni warunek jest kluczowy dla prezentowanej aplikacji. Sama bowiem symulacja procesów przedsiębiorstwa dla poprawienia jego efektywności była możliwa i stosowana już kilkadziesiąt lat temu. Wymieńmy choćby algorytmy planowania produkcji czy szeregowania zadań wytwórczych, umożliwiających dysponentowi znajdowanie optimów czasowo-kosztowo-jakościowych dla wykorzystywania zasobów firmy (ludzie, surowce, maszyny). Takie podejście miało jednak charakter cząstkowy, a nie całościowy i niewystarczająco uwzględniało dynamikę procesów wytwórczych oraz człowieka jako trójwymiarowego obiektu w tej sferze.

Zilustrujmy rzecz przykładem. Klasyczne projektowanie systemu produkcyjnego odbywa się metodą wskaźnikową. Na podstawie rodzajów wyrobów i zakładanego programu produkcyjnego definiuje się niezbędną strukturę wytwórczą w oparciu o normatywy powierzchni na daną maszynę. Sporządzony na tej podstawie projekt inżynierski z rysunkami wykonawczymi nie daje jednak całkowitej wiedzy o tym, jakie problemy napotkamy w praktyce produkcyjnej. Dopiero jej uruchomienie (seria próbna) pozwala na wprowadzenie niezbędnych poprawek do pierwotnego projektu. To z kolei opóźnia efektywny start przedsięwzięcia. Fabryka cyfrowa go przyspiesza, symulując całość procesów na hali produkcyjnej, tak jakby odbywały się one rzeczywiście.

Owszem, projektując dom czy ustawienie mebli w mieszkaniu, możemy skorzystać z dostępnego oprogramowania, pozwalającego zobaczyć nam na ekranie efekt końcowy. Możemy także wirtualnie poruszać się w takim modelu, korzystając z awatara, podobnie jak w grach komputerowych. Możemy nawet do naszego "matrixa" wpuścić wirtualnego psa i zobaczyć, czy będzie miał dość miejsca, aby zamachać ogonem. Możemy wirtualnie zaprosić kilkanaście osób do salonu, żeby sprawdzić, czy starczy dla nich kanap. A dla skrócenia wodnych zasileń do łazienki na piętrze możemy jednym kliknięciem myszki umieścić bojler na strychu. Co stanie się jednak, gdy nasz kocioł trzeba będzie wymienić? Czy dwóch niosących go ludzi zmieści się z nim na wąskich, krętych schodach, wiodących na poddasze? W fabryce, w której znacznie większa ilość obiektów jest procesowo powiązana ze sobą na zasadzie "wszystko ze wszystkim“, takich nieprzewidzianych konfliktów i wąskich gardeł jest znacznie więcej.

Jednostkowa produkcja masowa

Nie wystarczy zatem system CAD i obejrzenie w nim ze wszystkich stron projektowanego układu hamulcowego samochodu. Baza danych CAM/CIM nie odpowie nam na pytanie, jak będzie wyglądać hala produkcyjna, gdzie automaty i ludzie będą montować ten układ w określonym modelu samochodu. Oczywiście, można powiedzieć, że projektant ma duże doświadczenia, a resztę zobaczymy "w praniu“. Menedżerowie przemysłu stwierdzili jednak, że czas i koszty takiego postępowania są zbyt duże i korzystniej jest wyłapać potencjalne problemy nie "na mokro“ ale "na sucho“. Stąd wysyp aplikacji cyfrowej fabryki na targach przemysłowych i w praktyce produkcyjnej. Wymieńmy tu choćby takie firmy, jak Tecnomatix, Delmia czy aplikacje Daimler-Chrysler, względnie prezentacje RapidX na Targach Hanowerskich. Fabryka cyfrowa jest technologią interesującą szczególnie firmy wytwarzające złożone produkty, tj. z takich branż, jak: lotnicza, motoryzacyjna, elektromaszynowa. Zwłaszcza w przemyśle samochodowym wizja fabryki cyfrowej przechodzi już do fazy standardowej produkcji.

Widzimy zatem (tab.1), że idea fabryki cyfrowej jest rozszerzeniem cech wcześniejszych, elastycznych systemów wytwórczych FMS. W przeszłości termin "elastyczność" rozumiano wąsko, utożsamiając ją z elastycznością zautomatyzowanego wytwarzania. Tymczasem, rozwój technologii informatycznych spowodował, że możliwe stało się rozszerzenie tego pojęcia na całość systemu produkcyjnego tak, aby posiadał zdolność łatwej adaptacji do dynamicznych wymagań rynku, poprzez możliwość ekonomicznego wytwarzania zmiennego asortymentu wyrobów, również w małych seriach.

Właśnie elastyczność informacyjna przedsiębiorstwa stała się podstawowym warunkiem dla zindywidualizowanej produkcji masowej, realizowanej wedle formuły: mass production + customization = mass customization. Coraz liczniejsze przykłady praktyczne pokazują, że idea elastyczności dawno już wykroczyła poza obszary zrobotyzowanych hal produkcyjnych i obrabiarek NC. Producenci dżinsów oferują swoim klientom odzież na miarę (XXI wieku!) - w firmowych sklepach, domach towarowych czy po prostu za pośrednictwem Internetu, specjalne oprogramowanie przyjmuje i dobiera wymiary klienta, kolory i specyfikacje materiałowe. W podobny sposób indywidualizuje się produkcję rowerów bądź okularów.

Fabryka otwarta

Czy zatem cyfrowa fabryka jest rozwiązaniem tylko dla dużych koncernów? Z pewnością obecnie jest to rozwiązanie zbyt mało standaryzowane, a więc zbyt kosztowne, aby nadawało się dla małych i średnich przedsiębiorstw. Już tylko korzystanie z charakterystycznych dla VR "jaskiń“ imersyjnych (cave), wyposażonych w wielometrowe ściany projekcyjne (powerwall) słusznie kojarzy się niewielkiej firmie z inwestycjami znacznie większymi niż zakup paru komputerowych (beamer). A przecież znacznie poważniejsze są wydatki na zakup stosownego oprogramowania, zawierającego efekty nawet setek osobolat specjalistycznej pracy zespołów projektowych.

Niemniej i w tym obszarze można zaobserwować trendy open source. Idea oprogramowania otwartego obejmuje już najbardziej zaawansowane przykłady stosowania IT w przedsiębiorstwie, z pakietami ERP włącznie (np. MyFactory, sql-ledger, Compiere, ERP5 czy OpenPro). Nie znaczy to automatycznie, że wystarczy ściągnąć parę darmowych plików z Internetu i mieć program na miarę SAP, Oracle czy SSA, ale także w sferze fabryki cyfrowej mamy do czynienia z próbami standaryzacji różnych rozwiązań z uwzględnieniem możliwości aplikacyjnych mniejszych przedsiębiorstw (Open Digital Factory - ODF).