Дигиталните фабрики – още по-свързани и интелигентни

• Само в рамките на последното десетилетие концепцията за умната фабрика се превърна от любопитна идея в реалност, в ключов елемент на съвременното производство
  
  
• Все по-често за модерните заводи се говори като за IoT-базирани метасистеми, всеобхватни и автономни, по-свързани и интелигентни от всякога
  
  
• Новото поколение дигитални фабрики цялостно трансформира подхода към работната сила, оптималното оползотворяване на потенциала й и нейната безопасност

Навярно мнозина от нашите читатели си спомнят добре онова недалечно минало, когато индустрията с нескрито вълнение заговори за четвъртата промишлена революция, за ролята на свързаността и интелигентните функции, за кибер-физичните системи, автономните машини и изкуствения интелект, за дигитализацията като най-пряк и правилен път към производството на бъдещето. През 2022 г. смело можем да кажем, че всички тези – тогава изглеждащи доста смели и футуристични – концепции вече са част от настоящето. А индустриалните предприятия не само по света, но и в България вече активно изследват и използват потенциала на всяка поредна грандиозна иновация в сферата на автоматизацията, роботиката, изкуствения интелект и обработката на данни, която завладее пазара. И тъкмо когато си помислим, че новата глобална производствена парадигма Industry 4.0 и визионерски платформи като Industrial Internet of Things вече са оформили цялостния и завършен облик на умните фабрики, на дневен ред се появява следващото поколение промишлени цифрови технологии, за да автоматизира и оптимизира още по-широк кръг от практически приложения.

През последните десетилетия индустриалните машини изживяват динамична еволюция – от физическа инфраструктура, съставена от отделни единици, към свързана екосистема, която комуникира и функционира като единно цяло. Но този бурен процес на технологично развитие далеч не спира дотук. Все по-често за модерното производство се говори като за IoT-базирана метасистема, всеобхватна и автономна, по-свързана и интелигентна от всякога. Масовото навлизане на 5G – петата генерация технологии за безжична свързаност чрез клетъчни мрежи, от сферата на телекомуникациите и услугите към други области, включително и в индустрията, е един от най-мощните двигатели на тази тенденция. Пазарните анализатори очакват в скоро време 5G мрежите да обслужват десетки милиарди IoT-базирани устройства, които осъществяват M2M връзки (от типа “машина-към-машина”), включително в умните заводи.

Кое е следващото ниво в развитието им, кои са технологиите с най-фундаментално значение за прехода към цифровото производство и какво вещаят маркетолозите за новото поколение дигитални фабрики на бъдещето? Ще ви разкажем в следващите редове.

Как еволюира концепцията за умните фабрики?

Само в рамките на последното десетилетие концепцията за умната фабрика се превърна от любопитна идея в реалност, в ключов елемент на съвременното производство. За това до голяма степен допринесе напредъкът в областта на сензорите и сензорните мрежи, влагането на интелигентна функционалност и техните все по-достъпни цени. С помощта на подходящите сензори, IoT-базирани устройства и съответните платформи за свързаност и управление не само новопостроените високотехнологични заводи, но и съществуващите производствени съоръжения могат да бъдат цифровизирани “от А до Я”.

Благодарение на дигиталните фабрики модерното индустриално производство също еволюира – от фактическата изработка на различни компоненти и изделия до комплексен процес на създаване на продукт, включващ дизайн и разработка, планиране, управление на логистиката и веригата на доставките и т. н. Цяла плеяда от т. нар. подривни (disruptive) технологични иновации, включително изкуствен интелект, машинно самообучение, IoT, облачни и периферни изчисления, роботизирана автоматизация на процесите (RPA), виртуална и добавена реалност, машинно зрение и много други, са “впрегнати” в една обща цел – цялостна оптимизация на качеството, ефективността, производителността, безопасността, управлението на разходите и печалбата.

Сред ключовите тенденции, дефиниращи развитието на модерната концепция за интелигентните фабрики според пазарните анализатори, са: IIoT, адитивното производство, прогнозната поддръжка, големите обеми данни (Big Data), извличането на знания от данни (Data mining) и др. Характерна особеност на новото поколение умни производства е и преходът в пазарните модели – от B2B (бизнес към бизнес) към B2C (бизнес към краен клиент). Това явление, смятат маркетинговите специалисти, е в отговор на стремежа да бъдат задоволени потребностите на новия тип дигитален потребител. За целта не само доставчици и търговци, но и самите производители ориентират политиките си така, че да предложат най-много добавена стойност чрез възможности за незабавна обратна връзка, както и двупосочна интерактивна комуникация с клиентите.

Що се отнася до начина, по който индустриалните компании управляват внедряването на т. нар. подривни технологии в своите фабрики, от критично значение се оказва бързината и динамиката на реакция на клиентските изисквания и поръчки. Все по-често се предлагат персонализирани и уникални продукти, които налагат рентабилна организация на производства в малки и дори единични партиди. С помощта на цялостните MOM платформи за управление на производството (които обединяват функционалността на ERP и МES системите) промишлените предприятия имат видимост върху всички процеси във фабриката и могат своевременно да реагират на всякакви промени в пазарната динамика и търсенето в частност. Единните решения за мениджмънт на заводите като интелигентни метасистеми позволяват по-бързо изпълнение на поръчките, по-малко закъснения, вземане на по-информирани и до голяма степен автоматизирани оперативни решения и възможност за прогнозиране на потенциални повреди и престои с цел тяхното предотвратяване.

Възможности за оптимизация

В резултат от дигитализацията индустриалните компании могат значително да увеличат своята производителност, да редуцират до минимум загубите на ресурси, да ускорят оборота си и така цялостно да повишат ефективността на производството си. Някои от потенциалните решения, например сензорите, IoT-базираните полеви устройства и платформите за непрекъснат мониторинг и диагностика на свързаните материални активи, не изискват сериозна първоначална инвестиция, а положителните резултати от интегрирането им в метасистемата са буквално мигновени. Други технологии, като виртуалната и добавената реалност и носимите устройства, все още се считат от мнозина за по-голямо предизвикателство при внедряване, основно заради ролята на човешкия фактор и революционната новост в начините за взаимодействие между хората и машините, които налагат. На практика обаче основната цел на AR и VR очилата например е драстично да улесни взаимодействието между оператори и оборудване в отдалечени локации, да опрости и съкрати обучителния процес при въвеждането на нова система или технология в производството и така да спести ценно време и средства.

Новите умни фабрики цялостно трансформират подхода към работната сила, оптималното оползотворяване на потенциала й и нейната безопасност. За целта се използват комплексни комбинации от добавена реалност, колаборативна роботика, машинно зрение, роботизирана автоматизация на процеси и IoT платформи.

Една от иновациите с най-фундаментално значение за прехода към цифрово производство от ново поколение, са дигиталните двойници – компютърно генерирани виртуални модели на физически компоненти, машини или системи, които отразяват реалния им работен статус, функционалност и възможности за взаимодействие с други компоненти или устройства. Чрез виртуалната реплика физическият обект може не само да бъде конфигуриран, управляван и наблюдаван в реално време, но и да му се прилагат различни функции за прогнозна поддръжка, моделиране и симулация на разнообразни стандартни и извънредни практически сценарии без реален риск от повреждането му.

Новото поколение умни фабрики се отличават и с отчетлив фокус върху устойчивите решения – за интелигентно управление на енергията, ресурсите, отпадъците и въглеродния отпечатък. За целта в тях се интегрират множество различни устройства, предназначени за мониторинг на работната, околната среда и микроклимата. С помощта на AI алгоритми за машинно самообучение непрекъснато се следят енергийните потребности на отделните системи, режимите им на работа и тяхната консумация, като се елиминира работата “на празен ход”, както и тази със свръхмощност, когато такава не е необходима.
Съвременните заводи вече са способни да постигнат дори производство с нулеви загуби.

В модерните складови стопанства и логистични центрове интелигентните решения, като автоматизираните системи за съхранение и извличане, мобилните роботи, самонасочващите се превозни средства, дроновете и др., спомагат за икономии на един от най-ценните ресурси при изпълнение на поръчки, а именно времето.

Сред приложенията, които в технологичен аспект се стремят да постигнат абсолютно съвършенство чрез дигитализация, са визуалната инспекция, качественият контрол и проследимостта – с помощта на усъвършенствани системи за машинно зрение, интелигентни сензори и софтуерни инструменти за анализ в реално време от най-ново поколение.

Други характерни белези на новите интелигентни фабрики са възможностите за дигитализация на целите вериги на доставките, монетизиране на данните, интеграция на усъвършенствани аналитични инструменти, блокчейн технологии, квантови изчисления, невронни интерфейси и дори нанотехнологии в допълнение към вече традиционни решения като роботиката, изкуствения интелект, адитивното производство и носимата електроника. В резултат тези метасистеми са способни да се самодиагностицират, самоадаптират и автономно да изпълняват голяма част (и дори всички) от необходимите технологични операции.

Технологични и пазарни тенденции

Трансформацията на едно традиционно производствено съоръжение в цифрова фабрика изисква сериозни капиталовложения за внедряването на интелигентни машини и оборудване, софтуерни платформи и IT инфраструктура, усъвършенствани средства за автоматизация, умни полеви устройства, роботизирани системи, комуникационни технологии от последно поколение и т. н.

Същевременно производствените линии в модерната индустрия стават все по-гъвкави, динамични и интелигентни. Ето защо към технологиите и оборудването, които се интегрират в тях, се поставят по-високи от всякога изисквания за скорост, прецизност и възможност за адаптивно управление, самообучение, динамично регулиране и преконфигуриране в реално време спрямо често изменящи се изисквания.

Глобалният пазар на решения за интелигентните фабрики е на стойност близо 300 млрд. щатски долара в края на 2021 г. и се очаква да надвиши 514 млрд. долара до 2027 г. Технологични платформи като IIoT, Industry 4.0 и Big Data завинаги трансформират начина, по който промишлените системи функционират. Маркетолозите отличават няколко водещи тенденции при Internet of Things решенията за умни заводи от ново поколение, включително: фокус върху безопасността на персонала, трансформация на бизнес моделите, нов подход към ресурсното планиране, подобрена прозрачност, консолидиране на физическата и дигиталната реалност, комбиниране на 3D печата и IoT технологиите, нови приложения в сферата на превантивната диагностика, а също и фокус върху киберсигурността и поверителността да данните.

Други ключови тенденции, които очертават посоката на развитие на интелигентните фабрики през следващите години, са: налагане на т. нар. “human-centered” (ориентиран към човека) подход в проектирането, идентифициране на свързаността като критична характеристика на цифровото производство, предлагане на все повече специализирани приложения по бизнес модела “as-a-service” (като услуга), както и истинска революция в програмирането чрез т. нар. low-code и no-code интерфейси.

Най-голям дял от глобалния пазар на технологии за интелигентни фабрики до 2027 г. ще притежава сегментът на индустриалните сензори, сочат актуалните маркетингови проучвания. Тази прогноза се базира на масовото възприемане на принципите на Industry 4.0 и IIoT във все повече промишлени производства от различни отрасли, както и на нарастващия пазар на безжични сензорни технологии. Превантивната поддръжка – водещо приложение на новата генерация интелигентни сензори, предстои допълнително да разшири възможностите си благодарение на подобрените решения за събиране и обмен на данни и изготвяне на прецизни и детайлни прогнози за поведението на производственото оборудване при различни практически сценарии.

Все по-популярни в умните заводи стават и облачните услуги и т. нар. “cloud-ready” продукти и приложения (с готовност за използване в облачна среда). Индустриалните предприятия демонстрират устойчива тенденция да трансформират IT инфраструктурите си съгласно принципите на новата дигитална реалност и да осъществяват преход към облак-центрична архитектура. Последното поколение мобилни мрежи (5G) допълнително ускорява този процес. Нараства популярността и на хибридните облачни решения – комбинация от локална инфраструктура, частни и публични облачни услуги. Логично, все по-търсени стават и специализираните решения за киберсигурност на дигитални производствени активи.

Нови приложения и предизвикателства

Все повече приложения новата концепция за интелигентни фабрики намира в автомобилостроенето, хранително-вкусовата, бутилиращата, опаковъчната, химическата и фармацевтичната промишленост, полупроводниковата, нефтено-газовата, минната и минералната индустрия, металодобива, металообработката, машиностроенето, космическия сектор, отбраната и др.

Сред интересните феномени, свързани с повсеместната цифровизация в индустрията, е и възникването на т. нар. дигитална lean методология. Аналогично на традиционната lean философия, която проповядва максимално пестене на ресурси, новата версия на концепцията се възползва от още по-ефективните и функционални дигитални инструменти, които осигуряват още по-точна, изчерпателна и навременна информация за технологичните процеси във фабриката.

Напредъкът в сферата на изкуствения интелект и машинното самообучение се очаква да доведе до своеобразен бум и на хибридните работни места, базирани на т. нар. добавена интелигентност – комбинация от когнитивните способности на хората и машините. Първите си приложения тази технология намира в автомобилната, хранително-вкусовата и фармацевтичната индустрия. Все по-популярна става и концепцията за разпределено производство, базирана на отдалечено използване на глобалното ноу-хау на дадена компания с възможност за диверсифициране на мрежата от доставчици и производство на части на местно ниво. Основен неин компонент е 3D печатът. Друга интересна група от приложения (заедно с машинното зрение) тази технология намира в хранително-вкусовата промишленост, където освен за опаковки, методът може да бъде използван и за производство на самите хранителни изделия.

В умните фабрики редица параметри като температура, налягане, дебит, ниво и др. трябва да бъдат непрекъснато измервани с цел осигуряване на безпроблемното протичане на технологичните процеси. Водещо решение са безжичните сензорни мрежи, които в комбинация със SCADA платформи и други интелигентни полеви устройства позволяват мониторинг и управление в реално време.

От критично значение за ефективната съвместна работа на различните устройства в производствената метасистема е тяхната оперативна съвместимост. Разпределените системи за управление и програмиеруемите логически контролери, ядро на съвременната процесна автоматизация, могат да бъдат експлоатирани посредством стандарта за отворена архитектура O-PAS, специализиран за “open process automation” (OPA) комуникация.
И
менно оперативната съвместимост между информационните технологии (IT, ИТ) и оперативните технологии (OT) се посочва от пазарните анализатори като водещо предизвикателство при прилагането на концепцията за интелигентните фабрики в съвременното производство. Тези инфраструктурни системи поначало използват различни протоколи и архитектури, а работата им в синергия е ключова за реализирането на функционална дигитална екосистема с безпроблемен обмен на данни между машините и другите физически системи от различни производители. Все повече производители на оборудване за цифровото производство обаче се фокусират върху това да предложат надеждни решения за това.

Очаква се обработката на данни в модерните фабрики да става все “по-хиперлокализирана” с помощта на периферните изчисления – посредством локални сървъри, компютри или на ниво полево устройство (помпа, двигател, генератор и др.), вместо в централизирани центрове за данни. Този подход позволява по-бърз и надежден обмен на данни за технологичните процеси в реално време.