Машиностроене и Industry 4.0

Cъвременните машиностроителни предприятия са на прага на четвъртата индустриална революция, която обещава да обедини производствените технологии и мрежовата свързаност в нова парадигма на индустрията, дефинирана от концепциите за Internet of Things и Industry 4.0.

Интелигентното производство се превръща в стандарт в един все по-високотехнологичен свят, в който умните машини, системи и мрежи, базирани на информационни и комуникационни технологии, са способни да общуват и обменят данни и автономно да управляват производствените процеси.

Така традиционните машиностроителни производства еволюират в свързани екосистеми.

Интелигентно производство и Industry 4.0
Дефиницията на Industry 4.0 за първи път е формулирана през 2011 г. в рамките на тогавашното издание на най-голямото индустриално изложение в света Hannover Messe.

Формулировката е дело на специално създадена за целта работна група от агенцията за икономическо развитие Germany Trade & Invest (GTAI) на германското федерално правителство.

Тя гласи: “Industry 4.0 е промяна на парадигмата, възможна благодарение на технологични подобрения, които водят до преобръщане на процесната логика на конвенцоналното производство.

Тя представлява технологична еволюция от т. нар. embedded systems към киберфизични системи (cyber-physical systems, CPS), подход, който свързва вградените производствени технологии и интелигентните производствени процеси”.

С други думи Industry 4.0 е производствена екосистема, в която индустриалните системи и обектите, които те създават, не просто са свързани. Освен това те комуникират помежду си, анализират и използват тази информация, за да провокират интелигентен отговор обратно във физическия свят.

Именно киберфизичните системи са свързващото звено между дигиталната и физическата реалност. Тази връзка обикновено се осъществява чрез сензори, вградени във физически устройства, както и мрежови технологии, които събират данните от отчитанията им.

Industry 4.0 свързва вградените системи и производствените технологии с интелигентните индустриални процеси, за да положи основите на нова технологична ера, в която коренно се видоизменят както индустрията и производствените вериги на стойността, така и съществуващите бизнес модели.

Концепции за “умно” производство
Освен за Industry 4.0, през последните години масово се говори и за много други концепции за т. нар. “умно” производство - индустриален интернет (Industrial Internet), свързано предприятие (Connected Enterprise), интелигентно производство (SMART Manufacturing), интелигентни фабрики (Smart Factory), Производство 4.0 (Manufacturing 4.0), Интернет на всичко (Internet of Everything), производствен Internet of Things (Internet of Things for Manufacturing) и др.

Всички тези концепции до голяма степен могат да бъдат приети за синоними на Industry 4.0, тъй като фокусът им е един и същ – интелигентни машини, работещи и комуникиращи помежду си в свързана производствена екосистема.

Децентрализираната интелигентност на тези машини спомага за изграждането на интелигентна обектна мрежа и независим процесен мениджмънт в реално време на база взаимодействието между реалния свят и виртуалната реалност.

Наред с формулировката за Industry 4.0, и някои от първите реални внедрявания на тази концепция се появяват именно във водещите европейски икономики, които диктуват световния пазар по отношение на производство и икономически показатели.

Сред тях е и Германия, която е водеща в индустриалните иновации и заема трайна позиция сред глобалните технологични лидери.

Именно немското промишлено производство се счита за едно от най-напредналите в Европа и света по отношение нивото на автоматизация.

В допълнение, в тази държава се развива и активна научноизследователска дейност в сферата на индустриалните производствени технологии, машинния интелект и киберфизичните системи.

Ето защо едно задълбочено проучване на нивото на възприемане на Industry 4.0 в машиностроителната индустрия в страната би било показателно за цялостното развитие на концепцията за свързано производство и нейните приложения в Европа и в глобален мащаб.

Именно с тази задача се заема авторитетното британско списание Quest Trend Magazine, издание на маркетинговата агенция Quest TechnoMarketing.

Изследователската фирма е специализирана в проучване на тенденциите в областта на автоматизацията в машиностроенето и промишленото производство в европейските държави, заемащи лидерски позиции в индустриално отношение в Европа. Quest Trend организира серия от анкети и детайлни интервюта сред компаниите в машиностроителната индустрия.

Резултатите и изводите от тях, систематизирани в подробни доклади, са изготвени на база отговорите на 150 машиностроителни фирми от различни сектори.

Сред тях са производители на машини за обработка на строителни материали, стъкло, керамика и хартия, принтери, конвейерни системи, машини за изработка на каучукови и пластмасови изделия, оборудване за хранително-вкусовата промишленост, високотехнологични системи в сферата на роботехниката и автоматизацията, текстилно и опаковъчно оборудване, металорежещи и металообработващи машини и др.

Водеща тема на първото от двете мащабни проучвания, които списанието провежда през 2016 г., е степента на реализация на концепцията за Industry 4.0 и свързаното производство според немската машиностроителна индустрия.

В рамките на маркетинговото изследване респондентите открояват промените в машиностроителния бранш, на които стават свидетели по пътя към свързването на производственото оборудване в единна екосистема съгласно принципите на Industry 4.0.

Организаторите смятат, че проучването може да послужи като ценен наръчник при внедряването на технологии за свързано производство в глобален план и че представя цялостна картина на това как автоматизацията и машиностроенето се изменят в прехода към Industry 4.0.

Сред основните теми на изследването са: какви са практическите ползи от Industry 4.0 в машинната автоматизация, каква е ролята на крайните потребители в реализацията на концепцията за Industry 4.0, какви нови бизнес модели възнкиват за машиностроителния сектор и неговите клиенти и др.

На база отговорите на компаниите във връзка с прехода към Industry 4.0 Quest Trend открояват 11 основни тенденции в развитието на машинната автоматизация.

По отношение мрежовата свързаност на машините участниците се обединяват около три основни тези:
• Industry 4.0 не е компонент или система за автоматизация, а мащабен глобален проект, който е в процес на реализация.
• Industry 4.0 е системен проект. Неговите стадии на развитие зависят от йерархията на системите, които обхваща, и са различни на ниво индивидуални компоненти за машинна автоматизация, подсистеми и цялостни производствени екосистеми.
• Сред водещите опорни точки на концепцията за Industry 4.0 са киберфизичните производствени системи (CPMS) и те са фундаментални в технологичен аспект. CPMS обхващат вертикалната и хоризонтална свързаност, интеграция и комуникация на производствените компоненти, подсистеми и системи за автоматизация.

I4 качество
Проучването изследва задълбочено внедряването на технологии за т. нар. производствен нетуъркинг (мрежова свързаност) с I4 качество (или I4 quality – така накратко се наричат в проучването Industry 4.0 технологиите) сред немските машиностроителни компании.

Оказва се, че 40% от анкетираните представители на бранша адаптират технологиите за производствена свързаност, които имплементират в основната си гама машини, към принципите на Industry 4.0. Производителите вече предлагат интерфейси за вертикален нетуъркинг към MES (Manufacturing execution systems) системи за управление на производството или ERP (enterprise resource planning) системи за ресурсно планиране.

Внедряват се и решения за хоризонтална мрежова свързаност на ниво машина, подсистема, производствена линия и т. н. посредством интерфейсни технологии като Ethernet Fieldbus и Profibus, ProfiNet, TCP/IP и др. Близо една пета от респондентите (19%) споделят, че планират да внедрят I4 технологии за хоризонтална и вертикална свързаност със сървър (или облак) в някои модели от гамата си.

Анкетиран производител на машини за обработка на строителни материали, стъкло и керамика споделя, че производствените данни при моделите от портфолиото на компанията с възможности за мрежова свързаност могат да бъдат компресирани и свързани с файлова система, както и насочени към ERP платформа. Като най-често имплементирана технология за тази цел производителят посочва OPC-UA архитектурата.

Компания в сферата на роботиката и системите за автоматизация за автомобилостроенето разкрива, че от години внедрява I4 технологии за хоризонтална и вертикална производствена свързаност в продуктите си. “При производството и асемблирането на автомобилни компоненти всеки детайл носи информация.

На ниво асемблираща система всички данни, касаещи качеството на детайлите и машинната обработка, се записват, съхраняват и обработват. Това позволява абсолютна проследимост на продукцията, както и идентифициране на всеки потенциал за подобряване на производствения капацитет.

Повечето от клиентите ни използват собствени MES и хостинг системи, но ние предлагаме и тези компоненти от цялостните решения за производствена свързаност”, допълва производителят.

14% от анкетираните машиностроителни компании твърдят, че реализират т. нар. I4 качество в машините си цялостно, на ниво система, а не просто в даден компонент или подсистема. Така хоризонталната и вертикална свързаност на интелигентните машини може да се използва за задачи отвъд обработката на данни и управлението на производствени процеси.

Производител на машини за изработка на каучукови и пластмасови изделия разказва, че внедрява в моделите от гамата си интерфейсни възможности за Ethernet field bus свързаност. Те позволяват вертикален нетуъркинг на много машини към централизирана контролна система, а след това и към MES платформа.

Друг респондент в проучването, производител на компоненти и машини за стъкларската, стъклообработващата и керамичната промишленост изтъква, че реализира I4 качество в продуктите си посредством софтуер, интегриран в т. нар. сървър за приложения (application server).

“Фокусът е върху данните от производствените системи, които са достъпни за потребителя в аналитичния софтуер. Всеки компонент от машините и системите е свързан с останалите ProfiNet,TCP/IP и UDP интерфейси чак до ниво I/O архитектура. Интерфейсът се предлага със сървъра за приложения, а клиентите ни могат да го интегрират в своите ERP платформи”, споделя производителят за целите на изследването.

Друго иновативно I4 решение за производствена свързаност, откроено в проучването, е дело на компания, произвеждаща опаковъчно оборудване. “Внедряваме възможности за вертикален нетуъркинг от ниво полево устройство до машинен контрол, нагоре по йерархията към производствената линия и групата производствени линии посредством OPC архитектура и интерфейси за свързаност с MES и ERP платформи.

Всяка машина разполага със свой собствен сървър и може хоризонтално и вертикално да комуникира с останалите”, подчертават от машиностроителната компания.

Решения за мрежова свързаност без реално I4 качество
23% от производствените фирми, взели участие в пазарното проучване на Quest Trend Magazine, заявяват, че внедряват в продуктите си решения за мрежова свързаност, които обаче не са “с I4 качество” по смисъла, зададен от маркетинговата агенция.

Такива са например интерфейсните решения за свързване със SCADA платформи, които далеч не са новост за машиностроителния бранш – модули за отдалечена поддръжка, софтуер ъпдейти, PLC контрол, софтуерни пакети за вертикална свързаност с отворен или затворен код, OPC-UP архитектура, стандартизирани бази данни и др.

Промени в мрежовата свързаност в прехода към Industry 4.0
82% от машиностроителните компании, участвали в изследването, са категорични, че основен фокус в прехода към Industry 4.0 е цялостната трансформация на технологиите за мрежова свързаност. Статистиката на агенцията показва още, че тези фирми всъщност произвеждат 88% от всички машини и компоненти в този бранш в страната на провеждане.

Сред секторите, при които е регистриран висок ръст на нови и различни технологии за мрежова свързаност, интегрирани в машините, са индустриалните конвейерни и транспортни системи, роботиката и автоматизацията, както и машините за хранително-вкусовата индустрия.

Силно намерение за разработване и внедряване на нови решения за хоризонтален и вертикален производствен нетуъркинг, но с все още слаба практическа реализация, демонстрират и компаниите от сегментите: металообработващи и металорежещи машини, оборудване за дървообработващата и мебелната промишленост и т. н.

Второто тематично мащабно проучване, реализирано от Quest TechnoMarketing, представя нагласите на машиностроителните компании по отношение на конкретните ползи от внедряването на Industry 4.0 в производството.

Изводи
Сред основните въпроси, по които анкетираните в конкретното проучване компании разсъждават, са: как ще се измени или вече се е изменила машинната автоматизация в прехода към Industry 4.0, как се променят инженерните процеси и технологии, в кои области на машиностроенето ще са най-отчетливите ползи от този преход, към кои бъдещи бизнес модели са насочени ползите, както и как производителите на решения за автоматизация трябва да подкрепят тези процеси оттук нататък. 

На база на резултатите от проучването, от Quest Trend Magazine категорично заключават, че Industry 4.0 е факт в съвременната европейска машиностроителна индустрия:
• 66% от взелите участие в пазарното изследване производители са споделили, че са в процес на преход към Industry 4.0, с вече реално имплементирани технологии в тази посока или с конкретни планове за внедряването им в краткосрочен план.
• 28% от анкетираните са заявили, че планират да инициират такъв преход след началото на 2017 г.
• 6% от респондентите са изразили нежелание да предприемат каквито и да било промени по посока свързано производство. Основният довод за отказа е, че крайните клиенти не искат или не изискват Industry 4.0 решения.