TAJNE INDUSTRIJE 4.0 U POJEDINAČNOJ PROIZVODNJI

Prema mnogim standardima u industriji, koje je usvojila većina slovenačkih kompanija, poslednje godine pojavila se četvrta revolucija, u Nemačkoj nazvana Industrija 4.0.

Na tom području se pojavio niz novih izraza: Smart factory, Cyber Phisical Systems, Industrial Internet of Things. Spominju se svojstva tih sistema i njihovih podsistema: Visualization, Digitalisation, Real time analysis, Identification, Realtime Location, Collaboration, Decentralisation, Autonomy, Agile systems, Big data, Sensors, Cloud computing, Virtual network, itd.

Opisi sistema sa takvim karakteristikama su različiti, a jedna zajednička jasna slika za sve njih je uslov za usklađeni rad grupe koja želi da stvori pametnu fabriku.

U Nemačkoj nastaju prva radna mesta pod nazivom CDO - Chief Digital Officer, vođa projekata industrije 4.0 (ili IIoT, digitalizacije, itd.), arhitekta Industrije 4.0, inženjer Industrije 4.0, savetnik Industrije 4.0 itd.

U inženjerskim školama se pojavljuju novi predmeti i smerovi studija za područje Industrije 4.0, na novo se prilagođavaju predavači, učitelji za predmet Industrija 4.0, izvode se istraživački projekti na području Industrije 4.0, itd.

Nastala je, dakle, nova interdisciplinarna nauka Industrija 4.0 kao nadogradnja dosadašnje proizvodne automatizacije, a u suštini je reč o sintezi mašinstva, elektrotehnike i informatike.

Uz proizvodnu automatizaciju 3. revolucije, dodatno se integriše - sintetiše i proizvodno-logistički informacijski ERP sistem - koji je takođe već nastao u 3. industrijskoj revoluciji.

Novi sistem Smart factory – pametna fabrika, sinteza je sistema 3. revolucije: radnih, uslužnih, montažnih, logističkih, kontrolnih mašina, alata, proizvoda, osoba, PLM-CAx sistema, ERP, MES, SCADA procesnih sistema, kao i područja kao što su: tehnologija, kvalitet, održavanje, logistika, planiranje, informatika, u sintetizovanu celinu.

Sistemi 3. revolucije su sastavni delovi sistema 4. revolucije. U mnogim kompanijama već imaju sve te sisteme, no oni su za sada još samo pojedinačne komponente. Njihovu sintezu u pametnu fabriku je potrebno tek napraviti.

To znači, da je gotovo svaki sadašnji sistem potrebno nadograditi ili zameniti, a potrebno je izgraditi još mnogo povezujućih sistema koji sada nedostaju, kako bi svi zajedno izgradili homogenu celinu – Smart factory.

Današnja CIM fabrika (eng. Computer Integrated Manufacturing) - automatizovana fabrika 3. revolucije s pojedinačnom proizvodnjom, temelji se na:

1. razvoju porodice sličnih proizvoda - grupnoj tehnologiji;

2. PLM - CAx programima za razvoj porodice proizvoda i postupcima rada ćelija i proizvodnih ostrva, te sakupljanja podataka o životnom veku proizvoda do razgradnje;

3. osnovna proizvodna jedinica je radno-uslužno-kontrolno-montažno ostrvo ili ćelija;

4. proizvodni sistemi su centralizovani, vođeni pomoću programa u upravljačkoj jedinici sa CAx programima u razvoju;

5. automatizacija, robotizacija smanjuju broj osoba u procesu;

6. poluproizvodi i proizvodi ne komuniciraju sa sistemima;

7. logistika se izvodi uz pomoć transportnih sredstava (viljuškari, pruge s valjčićima, automatska kolica…) nakon proizvodnje na temelju planova;

8. planiranje logistike proizvoda u proizvodnji je centralizovano sa planskim modulom ERP sistema u planskoj službi;

9. održavanje je preventivno – aktivnost održavanja se izvodi nakon određenog broja sati ili ciklusa;

10. kvalitet se temelji na kontroli proizvoda – nakon procesa;

11. tehnološki postupci izrade, posluživanja, montaže, kontrole su CAx alati razvijeni u razvoju za porodice proizvoda u proizvodnim ćelijama i na proizvodnim ostrvima;

12. informacijski sistemi su centralizovani sa bazama podataka na serveru u fabrici;

13. komunikacije su žičane sa stacionarnim terminalima;

14. ručni unos podataka obavlja se pomoću miša, tastature, delimično barkodom i ređe sa RFID;

15. podatke i informacije proizvode osobe na temelju opažanja i ličnih kompetencija;

16. centralizovani ERP proizvodno-logistički informacijski sistem su razvijali najčešće programeri i informatičari samostalno izvan CIM koncepta automatske fabrike, odvojeno od proizvodne automatizacije;

17. razvijeni su sistemi MES, BDE, MDE, SCADA ili PK-Process Monitoring za povezivanje na analogne senzore, prekidače i kontrolere na mašinama. Njih su koncipirali inženjeri automatizacije sa desetogodišnjim iskustvima u proizvodnji. Procesni sistemi sa analognim senzorima danas su najviša tehnologija u pojedinačnoj proizvodnji. Ti su sistemi pioniri 4. revolucije;

18. proizvodna ostrva i ćelije su sastavljeni od obradnih, poslužnih, montažnih i kontrolnih mašina i konstruirani su za porodicu proizvoda;

19. svaka mašina ima svoj kontroler, čijim radom je upravljano od strane odela tehnologije i planiranja proizvodnje;

20. edukacija se odvija u učionicama i laboratorijama prvo u školi, a zatim nekoliko puta godišnje na stručnim radionicama.

Smart factory - pametna fabrika 4. revolucije sa pojedinačnom proizvodnjom je nadogradnja CIM fabrike iz 3. revolucije i temelji se na karakteristikama:

1. razvoj unikatnih proizvoda (dva konačna proizvoda nisu jednaka, iako se njihovi sastavni delovi mogu i dalje proizvoditi u manjim serijama);

2. PLM - CAx sistemi će se primenjivati za razvoj unikatnih proizvoda, omogući će razvoj postupaka izrade, posluživanja, montaže i kontrole u standardizovanom obliku za postprocesiranje na proizvodnim ostrvima, podaci će se preko oblaka sakupljati tokom čitavog životnog veka proizvoda;

3. osnovna proizvodna jedinica je radno-uslužno-kontrolno-montažno ostrvo, a neke mašine će biti na točkićima i sami će direktno oblikovati proizvodna ostrva s obzirom na tehnološki postupak pojedinog proizvoda;

4. proizvodni sistemi će biti decentralizovani, visoko fleksibilni;

5. automatizacija i robotizacija će se promeniti u saradnju (collaboration) čoveka i mašina. Tu više nema uklanjanja ljudi iz procesa radi automatizacije. Radno mesto se deli na teži fizički rad koji obavlja robot i lakši tj. stvaralački koji obavlja čovek - Collaborative Workforce Workplace.

U 3. revoluciji su načinjene i potpuno automatizovane fabrike, koje se nisu pokazale konkurentnim. Nakon 5 godina delovanja, automatska fabrika iz 3. revolucije bez ljudi proizvodi jednake proizvode s jednakim troškovima (promene troškova materijala, energije itd. možemo zanemariti), a fabrika sa ljudima ima nakon pet godina bitno poboljšan proizvod, a troškovi se snižavaju svake godine tri i više posto, što je posledica inovacija zaposlenih;

6. poluproizvodi, alati i proizvodi komuniciraju međusobno, sa mašinama, programima i osobama;

7. logistika nakon proizvodnje izvodiće se pomoću transportnih sredstava (viljuškari, automatska kolica, ...) na temelju ažurnih uputa proizvoda;

8. planiranje logistike proizvoda nakon proizvodnje biće decentralizovano; proizvodi će autonomno donositi odluke na koja proizvodna ostrva i za koje obrade će se transportovati uz pomoć automatskih kolica;

9. održavanje će biti prediktivno – zahvati održavanja će se izvoditi na temelju trendova izmerenih parametara procesa i mašine;

10. kvalitet će se temeljiti na kontroli izradbenih i montažnih procesa (ne proizvoda) – tokom procesa;

11. tehnološki postupci – programi izrade, posluživanja, montaže, kontrole, biće razvijeni u razvoju sa CAx alatima za pojedine proizvode u standardizovanom zapisu;

12. informacijski sistemi će biti decentralizovani sa bazama podataka u oblaku;

13. komunikacije će biti bežične sa agilnim-mobilnim (delimično i stacionarnim) terminalima;

14. unos podataka biće automatizovan sa govornim interfejsima, ekranima osetljivim na dodir, kamerama, 2D kodovima, RFID;

15. izrada podataka o proizvodnim procesima biće automatizovana sa analognim senzorima i meračima, meračima puta, brzine, prekidačima i procesnim sistemima s istovremenim automatskim dijagnostifikovanjem i vizuelizacijom procesa i njihovih odstupanja ili grešaka;

16. decentralizovane informacijske poslovne sisteme Industrije 4.0 razvijaće najčešće programeri na temelju specifikacija razvijenih od strane inženjera Industrije 4.0, dok ti ne budu školovani, pa sa I.4.0 osposobljeni inženjeri proizvodne CIM automatizacije;

17. sistemi 3. revolucije MDE, SCADA ili PK - Process Monitoring za povezivanje na analogne senzore, prekidače i kontrolere na mašinama biće sintetizovani u kompletan sistem s upravljanjem proizvodnih ostrva, a neki moduli ERP, MES, BDE, SCADA i PK biće dostupni preko interneta svim autorizovanim korisnicima;

18. proizvodna ostrva (ćelije) sastavljene od obradnih, uslužnih, montažnih i kontrolnih mašina, biće konstruisane za individualne proizvode, koji će sa sobom nositi tehnološke, uslužne i kontrolne postupke, kojima će se iste prilagođavati u hodu;

19. svaka mašina u komadnoj proizvodnji imaće upravljanje koje komunicira s drugim mašinama, proizvodima, osobama i programima u mreži i izvodi postupke s obzirom na primljene informacije;

20. edukacija će se odvijati prvo u školi dualno, a zatim svaki dan na radnom mestu u proizvodnji preko multimedijske edukacije do odlaska u penziju.

Proizvodna platforma pametne fabrike je podeljena na osnovne jedinice nazvane proizvodnim ostrvima, koje samostalno komuniciraju sa svim sistemima u proizvodnji (Slika 1). Između radnih proizvodnih ostrva (s postupcima komadne proizvodnje: oblikovanje, preoblikovanje, spajanje, dodavanje, odvajanje, energijska obrada, oplemenjivanje, posluživanje, montaža i kontrola) se pomoću logističkih mašina (automatsko vođena kolica AVK, ...) transportuju proizvodi – poluproizvodi (u nastavku ćemo koristiti pojam proizvodi), koji komuniciraju preko bežične mreže sa svim sistemima u proizvodnji.

Osnovne blok-strukture radne i logističke (kolica, skladište) proizvodna ostrva su identična i prikazana na Slici 1.

Stručno, sisteme opisujemo i gradimo iz osnovnog procesa prema spolja. Glavni proces, pri kojem nastaje proizvod je interakcija između alata (primeri: strugarski nož, glodalo, kalup za injekciono brizganje plastike, alat za preoblikovanje lima, uređaj za zavarivanje, laserski zrak, prihvat...) i proizvoda.

Alat i proizvod su injektirani u radnu, uslužnu, kontrolnu ili montažnu mašinu na proizvodnim ostrvima, a svaka od njih je opremljena svojom RFID karticom, na kojima su pohranjeni svi podaci potrebni za radni proces (radni, kontrolni postupci, programi) i logistiku (radni nalog, plan) za proizvod i za alat.

Antene za čitanje i unos RFID podataka su postavljene na svim mašinama i uređajima na proizvodnim ostrvima, mobilnim terminalima, SCADA terminalima, mašinskim terminalima i upravljanjima. U alate i ostale mašine i uređaje proizvodnih ostrva (radne, uslužne, montažne, kontrolne mašine, alate), ugrađeni su analogni senzori i prekidači, koji energiju radnih procesa pretvaraju u analogne i binarne signale te ih šalju na ulazne priključke u upravljanjima, mašinskim terminalima i procesnim sistemima. Oni procese u stvarnom vremenu vizueliziraju, automatski dijagnostikuju, signale optimizuju, prerade ih u izlazne signale, kojima se upravljaju aktuatori, a istovremeno ih prebacuju u digitalne podatke – digitalizuju.

Na ekranima nastaju nove slike (krivulje, dijagrami) radnih procesa iz njihovih nevidljivih veličina (sila, pritisak, temperatura, akustika, vibracije, električna struja, put ili zakret pokretnih mašinskih delova u zavisnosti od vremena). U memoriji se skladište datoteke procesnih i mašinskih podataka, koje svi sistemi šalju i u centralnu bazu podataka.

Tako nastaju novi podaci i slike o nevidljivim procesima, koje bez tih sistema nije moguće dobiti. Nastaju novi upravljački signali, koji upravljaju novim aktuatorima ugrađenim u mašine, koji obavljaju radove koji su bez tih sistema manje efikasni, ili nisu mogući.

Konstruktori zato razvijaju nove mašine ili konstrukcijske promene postojećih. Ljudi počinju razmišljati u novim dimenzijama o nevidljivim procesima, stoga razmišljaju kvalitetnije i sve rade barem za nivo više, stvaraju dobrobiti koje bez tih sistema ne bi bile moguće. Nastaje čista novo stvorena vrednost, koju bez tih sistema nije moguće dobiti.

Brojne analize procesa pripreme, rada, kontrole, održavanja, te mašinskih i proizvodnih procesa, preračunate u pokazatelje kvaliteta i produktivnosti, OEE faktore, izvode u stvarnom vremenu programi MDE, MES, SCADA – PK Kontrola procesa i logistički programi automatske identifikacije, sledljivosti, lociranja i navigacije te sporije i šire i poslovni informacijski ERP sistemi.

Agilni (mobilni) terminali s agilnim programima MDE, PK-Procesni nadzor - SCADA, MES i ERP, s ugrađenim laserskim skenerima, kamerama, RFID, NFC i GSP sučeljima u interakciji s RFID karticama, 2D crtičnim kodovima na proizvodima i ostalim objektima proizvodnih ostrva, stvaraju agilnu informatiku ili čak IIoT.

Bitne skraćenice 4.0 revolucije

• 2D i crtični kod – kodirani kontrastni zapis alfanumeričkih i drugih znakova sa crtama ili poljima za optimalno automatsko čitanje

• AGV – Automated Guided Vehicle – automatska kolica za prevoženje u proizvodnji

• BDE – Betrieb Daten Erfassung – program za automatsko sakupljanje i analizu podataka proizvodnje

• CAx – zajednička skraćenica za grupu programa: CAD Computer Aided Design- konstruisanje, CAM Computer Aided Manufacturing - izrada, CAE Computer Aided Engineering - razvoj, CAP Computer Aided Planing - planiranje, CAQ Computer Aided Quality assurance - kontrola kvaliteta

• CNC – Computer Numerical Control – numeričko računarsko upravljanje obradnim mašinama

• CPS – Cyber Physical System – kibernetički fizički sistem, kao novi izraz za digitalizovane pametne sisteme

• ERP – Enterprise Resource Planning – poslovni informacijski sistem sa naglaskom na proizvodnju i logistiku

• GPS – Global Positioning System – sistemi za satelitsko određivanje lokacije sistema

• IIoT – Industrial Internet of Things – bežična mreža fizičkih proizvoda i alata sa ugrađenim računarima ili RFID karticama postavljenim na mašinu, u međusobnoj komunikaciji sa mašinama, ljudima, programima

• MDE – Maschinen Daten Erfassung – program za vizuelizaciju i analizu mašinskih procesa

• MES – Manufacturing Execution Systems – sistemi za analizu proizvodnih procesa

• NFC – Near Field Communication – bežična komunikacija za prenos podataka iz pasivnih RFID kartica i drugih, na udaljenost do 10 cm, ugrađena pre svega u pametne telefone

• OEE faktori – Overall Equipment Effectiveness – faktori relativne proizvodne učinkovitosti, koji jednostavno prikazuju stvarnu iskoristivost proizvodnih sistema

• PLC – Programmable Logic Controler – programabilni logički kontroler za upravljanje mašinama

• PLM – Product Lifecycle Management – informacijski podržan sistem upravljanja podacima o proizvodu kroz njegov čitav životni ciklus; od ideje, kroz razvoj i proizvodnju, do servisa i razgradnje. Jezgra sistema su programi CAx.

• RFID – Radio Frequency Identification – kartica s decentralizovanom memorijom, može biti i sa dodatnim senzorima, bežičnim čitanjem kao i pisanjem podataka preko antene i uz pomoć računara

• SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition Systems – u komadnoj proizvodnji se često primenjuje pojam PK-Process Kontrol-Monitoring sistemi za izradu procesnih tehnoloških podataka i automatsko dijagnostifikovanje, generisanje izlaznih upravljačkih signala tokom procesa – najviša tehnologija u proizvodnji

Prednosti revolucije 4.0

Prednosti Smart factory (4. revolucije) u poređenju sa CIM fabrikom (3. revolucije) su velike. Ekonomski gledano Smart factory ima do 30% veću dodatu vrednost. Još važnija su svojstva: brži odziv, veća fleksibilnost, kraći protok vremena, manje grešaka, veća produktivnost, rad zaposlenih je lakši, sadrži radna mesta za zaposlene starosti do sedamdeset i više godina, broj zaposlenih se ne smanjuje, može se čak povećati, a u čitavom lancu isporuke se osetno povećava. Pametna fabrika je ekološki optimalna, stoga joj predviđaju lokaciju usred naselja.

Zaposleni preko senzora u stvarnom vremenu dobijaju nove podatke i slike o procesima, bolje poznaju i razumeju procese, bolje razmišljaju, stoga sve što čine je za red veličine bolje, a posledično je i bolji kvalitet njihovog života.

Ko se može prihvatiti projekta Smart factory: inženjeri proizvodne automatizacije ili informatičari? Potrebno će biti napisati ogromne količine novog softvera, stoga projekat izgleda informatički.

Međutim već s novim izrazima: Cyber Physical Systems i Internet of Things je naznačeno da je u stvari reč o nadogradnji fizičkih sistema, konkretnije CIM fabrika.

Razvoj arhitekture, koncepata, specifikacija nadogradnji programa, hardvera, tehnoloških postupaka, reorganizacija i konstrukcija mašina pametnih fabrika mogu kompetentno istovremeno izvoditi samo inženjeri automatizacije sa CIM obrazovanjem.

Poznavanje postojeće strukture je osnova za razvoj nadogradnje. Industrija 4.0 je nova samostalna nauka, pa i čitavo područje. Stoga je potrebno u kompaniji osnovati novi odeljak Industrija 4.0 i otvoriti nova radna mesta sa Arhitektom I.4.0, Vođama projekta I.4.0, Inženjerima I.4.0 itd.

Najkompleksniji sistem današnjeg vremena Smart factory zahteva 100% usredsređenosti njenih stvaralaca, koji ne rade ništa drugo. To su nova radna mesta, sa najvišom dodatom vrednošću.

S projektom valja početi što pre. Zašto ne bismo radije pričekali da se novi sistemi bolje razviju, pa bismo zatim brže i lakše prošli njihovu ugradnju? Nije toliko reč o razvoju sistema, koliko je važan razvoj zaposlenih, koji moraju u glavama proći najteži misaoni proces: sintezu proizvodne informatike i proizvodnog mašinstva sa elektrotehnikom.

Reč je o ogromnom interdisciplinarnom području sa najzahtevnijim misaonim procesom, koji niko u stvari ne može spoznati, stoga se uči čitav život. Ranije, kada je čovek počeo učiti, što je duže učio, više je znao i njegov opseg kompetencija je rastao do odlaska u penziju.

To nije moguće ništa preskočiti. Radni vek znači stepen kompetentnosti. Smart factory je radno okruženje pogodno i za starije osobe kao i mlađe, koji uče od starijih. Učenje je svakodnevni manji radni proces sa ciljem dobijanja što više kompetencija i mudrosti za izradu pametnih proizvoda, koje pametna fabrika proizvodi.

Na kraju ostaju neobjašnjene tajne tačke i nule. Zašto imamo naziv Industrija 4.0, zašto ne samo Industrija 4? Kao što je sa svim u industriji, i komunikacija je vrlo jasna i doslovna.

Tačka znači kraj naziva, kraj reči, a slijedi još samo rad. Znamenitost nule je nedvosmisleno jasna.

Industrija 4.0 je skraćeni zapis smisla: Četvrtu industrijsku revoluciju je potrebno što pre sprovesti i tačka. Ko je neće primenjivati, u globalnom svetu postaće: 0.

Gorazd Rakovec, savetnik za inženjerstvo 4.0
gorazd.rakovec@kibernova.com