Choć Przemysł 4.0 rozumiany jako pełna cyfryzacja i automatyzacja produkcji nie jest już projektem nowym – jego początki sięgają bowiem 2011 r., a niektórzy teoretycy wręcz twierdzą, że pierwsze symptomy czwartej rewolucji przemysłowej widoczne były już w roku 1991, tj. w momencie powstania World Wide Web – to dla wielu wciąż pozostaje koncepcją mocno abstrakcyjną. Jeszcze przed rokiem w kuluarach Targów w Hanowerze, poświęconych właśnie Przemysłowi 4.0, wielu przedsiębiorców zadawało sobie nawzajem pytanie, czym właściwie jest ta nowa era w dziejach produkcji przemysłowej. Co ciekawe, wątpliwości te wyrażali także Niemcy, którzy jako jedni z pionierów idei Industry 4.0 (obok Stanów Zjednoczonych) aktywnie pracują nad jej rozwojem od początku obecnej dekady.

Źródeł niejasności nie należy upatrywać w ignorancji, lecz raczej w złożoności samego projektu czwartej rewolucji przemysłowej oraz braku systematyzacji jego poszczególnych elementów. Systemy cyberfizyczne, Internet rzeczy, OPC UA i smart factory – odpowiednio uszeregowane i wzajemnie powiązane – tworzą bowiem spójną całość, która przy bliższym oglądzie okazuje się tyleż skomplikowana, co logiczna w swych założeniach. Dopiero takie szerokie spojrzenie na Przemysł 4.0 pozwala dostrzec, że w gruncie rzeczy jest to koncepcja bardzo jednorodna, a jej realizacja wymaga podjęcia konkretnych działań – zarówno na poziomie przedsiębiorstwa, jak i ośrodków regulacyjnych.

W gąszczu skrótów: CPS, M2M, IoT
Podstawowym warunkiem wdrożenia Przemysłu 4.0 w praktyce produkcyjnej jest rozwój i integracja systemów cyberfizycznych (ang. Cyber-Physical Systems – CPS), tj. wzajemnie powiązanych komponentów infrastruktury fizycznej (maszyn i czujników) oraz informatyczno-technicznej (oprogramowania i mikroprocesorów) bazującej na generowanych komputerowo algorytmach. W praktyce każde fizyczne urządzenie działające w takim systemie ma swój cyfrowy odpowiednik w chmurze, który symuluje stan maszyny na podstawie danych dostarczanych z zamontowanych na niej czujników oraz zadanych parametrów pracy. Model ten pełni funkcje referencyjne dla przyszłych analiz, a jednocześnie zapewnia pełny wgląd w pracę urządzenia na każdym etapie cyklu produkcyjnego.

Proces tworzenia wirtualnego modelu maszyn składa się z pięciu faz: integracji, konwersji, wirtualizacji, percepcji i konfiguracji (zob. ilustracja obok). W pierwszej z nich urządzenie wyposażane jest w funkcję autoidentyfikacji swojego stanu z wykorzystaniem układu czujników. W fazie konwersji zebrane przez czujniki dane są przetwarzane, stanowiąc bazę informacji o parametrach maszyny, które następnie – w fazie wirtualizacji – stają się podstawą do stworzenia wirtualnego modelu urządzenia i obrazu jego stanu, aktualizowanego na bieżąco na podstawie pomiarów w czasie rzeczywistym. W czwartej fazie wyniki tych pomiarów są przekazywane do centralnej bazy danych i wizualizowane w formie infografik, aby następnie – w fazie konfiguracji – posłużyć do zmiany parametrów pracy urządzenia, na podstawie zadanych kryteriów ryzyka i priorytetów, w celu zminimalizowania prawdopodobieństwa awarii.

Na gruncie ideologicznym systemy cyberfizyczne zakładają maksymalne usieciowienie parku maszynowego, pozwalające na zdalną kontrolę i konfigurację jego pracy. Proces ten odbywa się w środowisku Internetu rzeczy obejmującym komunikację zarówno między poszczególnymi maszynami (ang. Machine-to-Machine – M2M), jak i między maszynami a jednostką centralną. Można więc powiedzieć, że Internet rzeczy jest pojęciem pojemniejszym niż CPS – może bowiem obejmować i integrować wiele systemów cyberfizycznych. Z drugiej strony dostarcza on niezbędną infrastrukturę umożliwiającą połączenie poszczególnych urządzeń w jedną sieć.

Zintegrowane czujniki
Od strony technicznej inteligentna komunikacja między maszynami i innymi elementami cyfrowej fabryki wymaga istnienia systemów umożliwiających zdalne monitorowanie, konfigurację i parametryzację połączonych z nimi maszyn. I choć tego typu sensory są już powszechnie dostępne, wyzwaniem wciąż pozostaje opracowanie konstrukcji, która umożliwiałaby integrację czujników mikromechanicznych (MEMS) – tj. mierzących parametry mechaniczne, np. ciśnienie czy przyspieszenie – oraz mikroelektrycznych, realizujących m.in. pomiary temperatury czy natężenia światła, w jednej kompaktowej obudowie.

Co więcej, tego typu zintegrowane urządzenia powinny być na tyle inteligentne, aby informowały o własnym stanie oraz automatycznie dostosowywały go do zmian profilu produkcji. W praktyce polega to na wdrożeniu dwukierunkowego modelu komunikacji między czujnikami a systemami kontroli wyższego poziomu, który pozwalałby na zwrotne przekazywanie komend do czujników i ich zdalną konfigurację z poziomu centralnego komputera – bez udziału człowieka. Postulat ten jest obecnie najczęściej realizowany przy wykorzystaniu sieci magistrali obiektowej EtherCAT, która umożliwia łatwą integrację urządzeń peryferyjnych z systemem sterowania bez konieczności tworzenia dodatkowych kodów lub protokołów.

Standardy otwarte: OPC UA, open source
Tego typu złożone, zintegrowane układy sensoryczne oraz połączone z nimi, i między sobą, maszyny i systemy sterowania, aby mogły funkcjonować całkowicie automatycznie, muszą porozumiewać się wspólnym językiem. To właśnie ten uniwersalny język komunikacji – a raczej jego brak – uznawany był do niedawna za kluczową przeszkodę w efektywnej realizacji koncepcji Przemysłu 4.0. Urządzenia pochodzące od różnych producentów, operując różnorodnymi standardami (protokołami) wymiany danych, przesyłały komunikaty czytelne jedynie dla danej grupy produktów jednego lub kilku współpracujących ze sobą producentów.

Sytuacja ta skłoniła grupę przedsiębiorców i badaczy zjednoczonych pod egidą OPC Foundation do uruchomienia prac nad stworzeniem otwartego standardu wymiany danych o nazwie OPC UA (OPC Unified Architecture – więcej na ten temat w numerze 10/2016 MM Magazynu Przemysłowego). Nowy standard definiuje i „tłumaczy” języki opisu wykorzystywane w różnych modelach systemów danych na wspólny kod czytelny dla komputerów PC. W praktyce serwer OPC pełni funkcję swoistego pośrednika między protokołem komunikacji natywnej producenta (np. sterownikiem PLC) a źródłem danych. Ponieważ jest to najbezpieczniejszy dziś standard wymiany informacji, zgodny z normą IEC 62541, ma szansę wkrótce zrewolucjonizować komunikację w inteligentnych fabrykach, redukując liczbę warstw pośredniczących w wymianie informacji z pięciu (PLC/PAC/CNC, SCADA, MES, ERP i PLM) do dwóch: sterowania (PLC/PAC/CNC i SCADA) oraz wizualizacji (PLM, SAP S/4 HANA).

Inteligentne fabryki
O ile Internet rzeczy funkcjonujący w ramach i na zasadach otwartego protokołu wymiany danych współtworzy strukturę techniczno-informatyczną odpowiadającą za niezakłóconą komunikację poszczególnych elementów systemów produkcyjnych, o tyle inteligentne fabryki (ang. smart factory) są swoistym interfejsem i przestrzenią funkcjonowania złożonych układów wirtualnej rzeczywistości w świecie fizycznym. To zakłady produkcyjne zorganizowane w sposób zautomatyzowany i działające autonomicznie bez konieczności ręcznej konfiguracji poszczególnych etapów procesu wytwarzania. Stąd też powinny być postrzegane jako „ostatni element układanki” – czynnik decydujący o praktycznym wdrożeniu koncepcji Przemysłu 4.0.

Teoretycy nie są zgodni co do tego, jakie czynniki w największej mierze decydują o „inteligencji” danego zakładu, a jakie mogą go z tej grupy wykluczyć. Najczęściej wskazuje się takie aspekty jak modułowość i elastyczność, niezakłócona wymiana danych oraz energooszczędność połączona z wysokim komfortem pracy. Pierwszy z nich odnosi się przede wszystkim do sfery produkcyjnej, a więc wyposażenia i organizacji hal produkcyjnych. Inteligentny park maszynowy i stanowiska robocze powinny być zorganizowane w sposób umożliwiający ich swobodną i – co ważne – w pełni automatyczną rekonfigurację wraz ze zmianą profilu produkcji. Każdy element zakładu powinien funkcjonować w ramach systemu tworzącego jednorodny organizm produkcyjny. Takie holistyczne podejście redukuje czasy przestojów, ogranicza koszty wdrażania zmian i zwiększa dostępność maszyn.

Nieodłącznym warunkiem wdrożenia takiego podejścia jest swobodna komunikacja oparta na otwartym standardzie wymiany danych, zapewniająca pełną kontrolę i możliwość konfiguracji systemu w czasie rzeczywistym. W takim systemie każda maszyna, czujnik czy sterownik PLC mogą swobodnie komunikować się między sobą, wymieniać dane, a także przekazywać je do centralnego systemu sterowania oraz – co istotne – tą samą drogą otrzymywać polecenia wykonywane całkowicie automatycznie na bazie zadanego algorytmu działania.

Ściśle określona rola człowieka
Przedstawione procesy zachodzą niemal bez udziału człowieka, a rola operatora sprowadza się do okresowej kontroli pracy maszyn oraz nadzoru nad poprawnym działaniem programów obróbczych. Aktywność człowieka w inteligentnej fabryce koncentruje się raczej na zadaniach związanych z obsługą zleceń, pomocą posprzedażową i planowaniem strategii przedsiębiorstwa. Stąd też ogromny nacisk kładzie się na komfort pracy w przestrzeni biurowej, rozumiany jako zapewnienie najbardziej optymalnych parametrów otoczenia (właściwej temperatury, czystości powietrza) oraz warunków estetycznych. Te pierwsze optymalizowane są przy wykorzystaniu nowatorskich systemów wentylacji, klimatyzacji i inteligentnej automatyki budynkowej. Walory estetyczne natomiast podkreślane są przez umiejętne wprowadzanie elementów przyrody do wnętrza obiektu (tzw. zielone budynki) i wykorzystywanie potencjału środowiska do ograniczenia jego energochłonności (w tym głównie energii słońca).

Tak zorganizowane inteligentne fabryki stanowią połączenie infrastruktury fizycznej i techniczno-informatycznej umożliwiające pełne wykorzystanie potencjału zarówno pracowników, jak i posiadanego parku maszynowego. Jako przestrzeń integracji wirtualnych modeli produkcji, dystrybucji i zarządzania ze sferą świata realnego jednoczą wszystkie pozostałe elementy koncepcji Przemysłu 4.0 w jedną spójną całość, tworząc podstawę do ich przekucia w praktykę produkcyjną.