Przemysł 4.0 - inteligentna produkcja

Fala określana jako Industry 4.0 wzbiera coraz szybciej. Technologie, które będą kluczowe, to: symulacje, chmura obliczeniowa, sieci mesh, Big Data, roboty i wirtualna rzeczywistość.

Przemysł 4.0 to potoczne określenie zmian, które zachodzą w produkcji przemysłowej pod wpływem technologii informatycznych. Ale to słowo-wytrych, pod którym może kryć się jednocześnie wszystko i nic. Politycy używają go w kampanii wyborczej; firmy, pracownicy odświeżają swoje CV, wpisując „internet rzeczy” i „Industry 4.0”. Ale co właściwie kryje się pod tym terminem? Jakie technologie mają kluczowe znaczenie? Jak szybko można swoją firmę przestawić na Przemysł 4.0 i jakich korzyści można się spodziewać? Spróbujmy systematycznie odpowiedzieć na te pytania.

Przemysł 4.0. Zanim ruszą maszyny

Pierwszym elementem Przemysłu 4.0 jest symulacja i emulacja. Każdy, kto cokolwiek słyszał o przemyśle, wie, że linia produkcyjna to wyjątkowo kosztowny i jednocześnie wrażliwy system. Każdy przestój przekłada się na natychmiastowe straty. Wszystkie elementy muszą być odpowiednio dobrane, a linia jest tak dobra jak najsłabszy z nich.

Zobacz również:

Każdy informatyk zna wykres pokazujący koszt błędu: minimalny podczas rozwoju, wzrastający w testach, bardzo wysoki u klienta. W przemyśle trzeba te liczby przemnożyć kilkukrotnie. Dlatego planowanie produkcji rozpoczyna się na wiele miesięcy przed montażem pierwszej maszyny. Każdą linię najpierw się symuluje w wirtualnej przestrzeni wysokowydajnego komputera. Za pomocą symulatora dobiera się parametry poszczególnych robotów, bada tolerancję na przestoje w dostawach surowców, testuje się scenariusze typowych awarii, bada przewidywaną liczbę wadliwych elementów. Coraz częściej wykorzystuje się do tych symulacji wirtualną rzeczywistość i rozszerzoną rzeczywistość. Linię produkcyjną można zobaczyć wraz z produktami z niej wychodzącymi na długo przed tym, zanim w ruch zostanie wprawiona pierwsza maszyna.

Osobnym tematem jest symulowanie zachowania produkowanych elementów. Symulacja komputerowa – technologia, którą kiedyś wykorzystywano jedynie w największych inwestycjach, takich jak: samochody, samoloty czy mosty, dzisiaj wykorzystywana jest także w znacznie prostszych elementach: w łożyskach, elementach mebli, zaworach hydraulicznych. Służą do tego wyspecjalizowane platformy, takie jak AnyLogic albo Enterprise Dynamic.

Dlatego też tak wielkie znaczenie ma chmura obliczeniowa – firmy nie muszą kupować symulatora, jeśli chcą wykonać pojedyncze symulacje w gazach czy płynach. Mogą wynająć go na godziny albo na pojedynczy projekt symulacyjny.

W przygotowaniu produkcji szczególne znaczenie ma druk 3D. Tworzy się elementy linii oraz prototypy produktu końcowego, aby na prototypie sprawdzić podstawowe parametry statyczne i dynamiczne. Jakkolwiek materiały, z jakich wykonany jest prototyp elementu, nie jest ten sam, który ostatecznie zostanie wykorzystany w produkcji masowej, to można na prototypie sprawdzić łatwość montażu, spasowanie elementów ze sobą oraz z robotami na linii produkcyjnej.

Przemysł 4.0 to ostateczny koniec taylorowskiej koncepcji hierarchicznego zarządzania. W fabryce przyszłości najistotniejsze wartości to: autonomia, praca zespołowa, decyzyjność na niskim szczeblu i innowacyjność.

Przemysł 4.0. Inteligentna linia produkcyjna

Symulacje i testy się kończą, rusza linia. To moment, w którym trzeba dograć wszystkie elementy logistyczne, aby mogła pracować bez przerw i na pełnej wydajności. W epoce produkcji just-in-time można na bieżąco optymalizować wszystkie elementy całego łańcucha wartości.

Co różni linię produkcyjną Przemysłu 4.0 od tych, które i dzisiaj działają w większości fabryk? Po pierwsze, autonomia. Roboty nowej generacji nie są już sterowane według sztywnego programu, a same podejmują wiele decyzji. Po drugie, komunikacja. Tworzą dynamiczną sieć ad hoc (mesh network) i „uzgadniają” między sobą decyzje: „ja wezmę nowe materiały, a ty pojedź po odbiór produktu gotowego, bo tam zrobiła się kolejka”. Po trzecie, inteligencja całej linii. Dynamicznie reaguje ona na zdarzenia, np. przewidując niedobór jednego z komponentów, zwalnia (ale nie zatrzymuje się); zgłasza bliskie wyczerpanie resursu (czasu życia) jednego z elementów; monitoruje na bieżąco stan środowiska (temperatura, wilgotność, hałas) upewniając się, że nie trzeba będzie jej zatrzymać. Przypomnijmy: w produkcji przemysłowej każdy przestój, każda awaria, to konkretna strata.

Zmiana geografii gospodarczej świata

Nowe technologie to szansa na zmianę geografii gospodarczej świata. Stany Zjednoczone, które zyskały przewagę w wyścigu technologicznym, w Przemyśle 4.0 oddały prowadzenie innym graczom, głównie z Europy i Azji. Przemysł 4.0 to szansa także dla Polski, gdzie zawsze mieliśmy silną kulturę inżynierską, dobre uczelnie techniczne oraz kulturę innowacji i usprawnień w przemyśle.

Mówiąc o linii produkcyjnej, trudno nie wspomnieć o zaspokajaniu indywidualnych potrzeb konsumentów poprzez tworzenie produktów „na miarę”. Dzisiaj większość produktów ma charakter masowy, ale jednym z założeń Przemysłu 4.0 jest elastyczna produkcja. I tutaj do gry wchodzi ponownie druk trójwymiarowy oraz cyfrowe cięcie, frezowanie i skrawanie (CNC) – dzięki czemu automatycznie można wykonać dostosowania produktu jeszcze niedawno wymagające albo kosztownego przezbrojenia linii, albo ręcznej obróbki gotowego produktu. Zamiast miliona takich samych części dla każdego można stworzyć nawet kilkadziesiąt różnych modeli i produkować dokładnie tyle, ile potrzeba.

W Przemyśle 4.0 chmura zbiera dane z procesów przemysłowych. Świetnie można to pokazać na przykładzie rurociągu, w którym płynie jakaś ciecz – ropa naftowa. Sensory ciśnienia, przepływu oraz gęstości cieczy pozwalają monitorować jej parametry na każdym etapie. Aplikacje Big Data tworzą odpowiednie analizy, a sztuczna inteligencja przy użyciu data science jest w stanie przewidywać zjawiska i problemy: tutaj może nawarstwiają się drgania, ten odcinek przecieka, a tutaj prawdopodobnie odłożyły się produkty bitumiczne i przepustowość jest za niska. Technologia informatyczna pozwala na takie analizy w czasie rzeczywistym i bez zatrzymywania ropociągu – co jeszcze kilka lat temu byłoby niemożliwe bez wstrzymania przepływu, inspekcji na miejscu i ewentualnego czyszczenia.

Przemysł 4.0. Inteligentny produkt

Trzeci wymiar Przemysłu 4.0 to inteligentny produkt. Poprzez wykorzystanie takich technologii jak radiowe czujniki RFID, sieci mesh (ponownie) oraz Big Data, w fabryce przyszłości komunikować się mogą także gotowe produkty. I to nie tylko drogie i złożone, takie jak samochody czy maszyny rolnicze, ale także całkiem proste i tanie, np. zabawki, komponenty budowlane czy opakowania żywności.

Jest to ważne zwłaszcza z punktu widzenia optymalizacji łańcuchów dostaw. Każdy produkt, wjeżdżając na pakę tira, może „przedstawić się” jego komputerowi pokładowemu, a wcześniej rampie, dzięki czemu będzie wiadomo, co konkretnie z fabryki rzeczywiście wyjechało i w jakim kierunku. Informacja taka może być wykorzystywana przez służby kontroli drogowej, aby zweryfikować, czy transport faktycznie może poruszać się po drogach podczas weekendu.

Produkty żywnościowe mogą dodatkowo nieść z sobą (przechowywaną w chmurze) informację o dacie przydatności do spożycia. W artykule RFID: A Taste of Traceability Tom O’Boyle podsumowuje koszty usuwania i utylizacji przeterminowanej żywności oraz ryzyka prawnego związanego z jej ewentualną sprzedażą po dacie przydatności. Następnie porównuje te koszty z wyposażeniem opakowań – albo zbiorczych paczek – żywności w tagi RFID i przechowywania informacji w chmurze i porównanie to wypada na korzyść opisania produktów. Oczywiście trochę potrwa, zanim przygotuje się cała infrastrukturę (np. odpowiednie aplikacje i czytniki), ale to tylko kwestia czasu.

W towarach przemysłowych problem przydatności do wykorzystania, albo tzw. resursu, jest równie znaczący. W samochodach, maszynach, infrastrukturze energetycznej itd. pewne części trzeba wymieniać po określonym „przebiegu”. Każdy kierowca wie, że olej i filtry musi wymienić po przejechaniu odpowiedniej liczby kilometrów, bo nie sposób na oko ocenić, czy są zużyte. A wyobraźmy sobie, że w grę wchodzi nie samochód wiozący trzy osoby, a pociąg ekspresowy, wiozący ludzi na wakacje przez główną magistralę komunikacyjną kraju.

Jeśli zatrzyma się w środku lasu z powodu wyłamania kół zębatych w przekładni, która przekroczyła swój czas życia, to koszty usunięcia takiej awarii oraz skutki uboczne (zatrzymany ruch) będą dramatycznie wysokie. Jeszcze wyższe tam, gdzie w grę wchodzi ludzkie życie i zdrowie: np. gdy dbamy o bezpieczeństwo samolotu, przejazdu kolejowego, urządzenia medycznego albo mocowań budowlanych. Platforma Predix, flagowy produkt koncernu General Electric, w jednym z zastosowań właśnie monitoruje zużycie poszczególnych części i pozwala zamówić je i dostarczyć odpowiednio wcześnie, umożliwiając nieprzerwane działanie silnika lotniczego, turbiny gazowej czy lokomotywy spalinowej.

Przemysł 4.0. Plusy dodatnie, plusy ujemne

I najważniejsze pytanie Przemysłu 4.0: co zmieni się w zarządzaniu, ludziach i środowisku? Tym istotniejsze, że na co dzień straszeni jesteśmy robotami, które przyjdą i odbiorą nam pracę. Nie bez podstaw: przypomnijmy, że trzecia rewolucja przemysłowa (lata 1970–2000, czyli czasy powszechnej automatyzacji produkcji masowej) dokonała przewartościowania rynku pracy, kompetencji oraz relacji społecznych. Bardzo ograniczyła masowe zatrudnienie w fabrykach i podwyższyła oczekiwania względem kompetencji pracowników.

Kiedyś wystarczyły dwie ręce i chęć do pracy, dzisiaj potrzeba kursów, znajomości platform oraz aplikacji. Powstają pierwsze fabryki, które nie zatrudniają żadnego pracownika. Chiński rząd w strategii „Made in China 2025” wprost pisze o woli przesunięcia milionów Chińczyków ze stanowisk robotniczych w fabrykach do centrów usług i do roli wykwalifikowanej kadry technicznej.

W konsekwencji organizacje będą musiały „spłaszczyć się” i zmienić swoje reguły działania. Przemysł 4.0 to ostateczny koniec taylorowskiej koncepcji hierarchicznego zarządzania. W fabryce przyszłości najistotniejsze wartości to: autonomia, praca zespołowa, decyzyjność na niskim szczeblu i innowacyjność. Zapewne przemysł w większym stopniu zacznie polegać na znanych i dziś informatykom zwinnych metodach zarządzania. Użyteczne nadal pozostaną metody ilościowego zarządzania i optymalizacji wartości, takie jak szczupłe zarządzanie (lean) oraz metodyka Six Sigma, ale obok nich pojawią się techniki adaptacyjne. Dodajmy, będzie wymagało to zmiany kultury zarządzania w znacznej części firm przemysłowych. Hierarchiczna, inżynierska, zbudowana na wzór maszyny organizacja będzie musiała ustąpić – a wraz z nią jej liderzy.

Ilustrację zmiany w tej dziedzinie stanowi transport morski. 30 lat temu załoga dużego kontenerowca liczyła kilkadziesiąt, ponad 100 osób, w dużej mierze pracowników fizycznych. Dzisiaj na takim statku pływa jednocześnie kilkanaście osób, które widują się tylko w mesie, bo normalnie pracują na różnych zmianach w towarzystwie urządzeń i aplikacji.

Przemysł 4.0. Czy to już?

Czy ogólne zatrudnienie w przemyśle wzrośnie, czy spadnie? Raczej spadnie, choć trzeba myśleć o tej zmianie przede wszystkim jako zmianie „niebieskich kołnierzyków” w „białe kołnierzyki”. Zamiast operatorów maszyn będziemy mieć analityków łańcucha wartości. Zamiast serwisantów – inżynierów baz wiedzy pozwalających na optymalizację procesu produkcyjnego. Zamiast brygadzistów – trenerów sztucznej inteligencji i kuratorów repozytoriów danych.

Od Przemysłu 4.0 oczekuje się także większej wrażliwości na środowisko oraz energię. Zwiększona presja społeczeństw sprawi, że produkcja w zakładach przyszłości będzie musiała odbywać się przy minimalnej liczbie strat i wpływie na środowisko. Podobnie będzie z energią – jej zużycie, a także rodzaj (w szczególności towarzyszące mu emisje dwutlenku węgla) staną się dla konsumentów czynnikiem decyzyjnym przy wyborze produktu, a dla zarządu źródłem bezsennych nocy i tematem specjalnych rozdziałów w raportach kwartalnych.

Wreszcie nowe technologie to szansa na zmianę geografii gospodarczej świata. Stany Zjednoczone, które – dzięki internetowi i technologiom mobilnym – zyskały przewagę w wyścigu technologicznym, w Przemyśle 4.0 oddały prowadzenie innym graczom, przede wszystkim z Europy i Azji. Przemysł 4.0 to szansa także dla Polski, gdzie zawsze mieliśmy silną kulturę inżynierską, dobre uczelnie techniczne oraz kulturę innowacji i usprawnień w przemyśle.

Najpoważniejszym wyzwaniem Przemysłu 4.0 pozostaje bezpieczeństwo. Zupełnie inną rzeczą jest utracić kontrolę nad danymi, a zupełnie inną utrata kontroli nad fabryką. Jeśli wszystko połączone jest ze wszystkim, to złośliwe oprogramowanie może znaleźć drogę z komputera na wózek, z wózka na robota, z robota na pozostałe urządzenia linii. A ta zbuduje ekspresy z grzałką niepodłączoną do zasilania i pompą, która wypuszcza wodę, zamiast ją zasysać.

Wszyscy znamy historię wirusa Stuxnet, który unieszkodliwił irańskie wirówki do uranu. Nieco mniej znana jest historia ukraińskich sieci energetycznych zdestabilizowanych przez rosyjskich hakerów. W książce „Blackout” Marc Elsberg rysuje scenariusz katastrofy cywilizacyjnej w wyniku wszczepienia wirusa w sterowniki przemysłowe (PLC). Bez przemyślanego kompleksowo bezpieczeństwa nie mowy o inteligentnych fabrykach i inteligentnych produktach.

Dobra wiadomość dla CIO jest taka, że ich wiedza, zespoły i technologie przestaną służyć „zapleczu” produkcji (zamówienia, księgowość, rozliczenia, kadry i płace), a staną w samym centrum zainteresowania działów produkcyjnych. Każda firma przemysłowa za chwilę stanie się firmą software’ową, tak jak jakiś czas temu de facto firmami software’owymi stały się banki, biura turystyczne, agencje reklamowe i – do pewnego stopnia – przewoźnicy i sieci handlowe.

Zmiana zachodzi tu i teraz. Przemysł 4.0 transformuje produkcję, logistykę, transport, energetykę, górnictwo i szeroko pojętą infrastrukturę krytyczną. Kombinacja nowych materiałów, chmury obliczeniowej, wirtualnej, rozszerzonej rzeczywistości, sztucznej inteligencji, sieci mesh i technologii Big Data radykalnie zmienia pejzaż przemysłowy. Dla menedżerów informatyki z sektora przemysłowego to konieczność zbudowania wiedzy, zdolności budowania rozwiązań i nawiązania partnerskich relacji z działami inżynierskimi.

Słowem, będzie się działo.


TOP 200