Dołącz do czytelników
Brak wyników

Z praktyki kierownika produkcji

30 kwietnia 2021

NR 62 (Kwiecień 2021)

Od maszyny parowej do maszyny inteligentnej, czyli Przemysł 4.0.

79

W całej historii ludzkości przełomowe osiągnięcia technologiczne odbijały się ogromnym echem, wywołując tzw. rewolucje przemysłowe, które powodowały znaczące przemiany w strukturze i organizacji produkcji. Nie umniejszając oczywiście znaczenia przełomowych wynalazków, bez których ludzkość nie poszłaby naprzód, m.in. takich jak koło, czy pierwsze przekładnie mechaniczne – termin „rewolucja przemysłowa” po raz pierwszy pojawił się w czasach nowożytnych.

Przemysł 4.0 – geneza

Punktem wyjścia dla tego zjawiska było spopularyzowanie napędu parowego w maszynach oraz pojazdach, co zapoczątkowało pierwszą rewolucję przemysłową. Napęd parowy pozwalał na zwiększenie wydajności produkcji, poprzez zastąpienie pracy mięśni ludzkich oraz zwierzęcych pracą maszyn. Napęd parowy miał również rewolucyjny wpływ na rozwój środków lokomocji (pierwsze pociągi, rozwój trakcji kolejowych). W efekcie światowy przemysł mógł się rozwinąć. Pojęcie drugiej rewolucji przemysłowej jest nierozerwalnie związane z wdrożeniem linii produkcji seryjnej. Za pierwszą uważana jest linia przetwórstwa mięsnego w Cincinnati, uruchomiona w 1870 r. Najbardziej znaną natomiast jest linia produkcyjna stworzona przez Henry’ego Forda w 1913 r. Nowa organizacja pracy dawała możliwość produkcji masowej, co znalazło odzwierciedlenie w cenie, jakości i powtarzalności produktów. Zakłady, które zdecydowały się na inwestycję w przełomową wówczas technologię, w późniejszym czasie stały się potentatami w swoich branżach. Trzecią rewolucję przemysłową zapoczątkowało natomiast wprowadzenie programowalnego sterownika logicznego Modicon 084 w 1969 r.
W obecnych czasach jesteśmy świadkami bezprecedensowych zmian zachodzących w różnych gałęziach przemysłu. Po trzeciej rewolucji przemysłowej, która polegała na automatyzacji poszczególnych procesów, nastał czas na czwartą rewolucję umożliwiającą łączenie urządzeń w ramach cyfrowych „organizmów”, oraz pogłębianie integracji wewnątrz poziomych i pionowych łańcuchów wartości. Globalnym trendem, który umożliwił nadejście kolejnej rewolucji, stał się przede wszystkim wzrost ilości zgormadzonych i dostępnych niemal w czasie rzeczywistym danych oraz możliwości obliczeniowych nowoczesnych maszyn i urządzeń. Za ich pomocą możliwe stało się lepsze zarządzanie zasobami firmy, planowanie produkcji czy zarządzanie całym cyklem życia produktu. Analizowanie ogromnych ilości danych pozwoliło firmom na pogłębianie współpracy z dostawcami, a także lepsze odpowiadanie na potrzeby klientów. Na czym polega cały ten proces? W głównej swej mierze opiera się na automatycznym zbieraniu oraz przetwarzaniu wielkich zbiorów danych, pochodzących z urządzeń bądź bezpośrednio od ludzi. Następnie analiza tych danych pozwala m.in. na dokonywanie optymalizacji kosztowych i produktowych.
Szerokie wykorzystywanie łączności mobilnej do transmisji danych otworzyło także nowe możliwości. Dzięki tej łączności stało się możliwe łączenie ze sobą urządzeń za sprawą Internetu Rzeczy (IoT). IoT definiowany jest jako rzeczy i obiekty takie jak RFID, sensory, urządzenia uruchamiające czy telefony komórkowe, które poprzez unikalny system/schemat adresowania wchodzą ze sobą w interakcje i współpracują z sąsiednimi inteligentnymi komponentami dla osiągnięcia wspólnego celu. Inteligentne domy czy fabryki stanowią przykłady zastosowania Internetu Rzeczy. Czwartą rewolucję przemysłową napędza także postępująca automatyzacja produkcji i upowszechnienie robotów. Za ich sprawą bardzo mocno rozpowszechniła się realizacja zadań produkcyjnych przez maszyny, które na podstawie zaprogramowanej sekwencji działań oraz danych z otoczenia są w stanie, bez udziału człowieka, prowadzić samodzielnie procesy produkcyjne. Nie bez znaczenia pozostają też nowe, cyfrowe kanały dostępu do konsumenta. Dzięki nim możliwe stało się odejście od tradycyjnego modelu „push” (wypychania produktów na rynek) i przejście do modelu „pull” (produkcji na zamówienie). Warto podkreślić, że opisywane zmiany mają także bardzo istotne znaczenie z perspektywy naszego kraju. Sektor produkcji przemysłowej jest jednym z motorów rozwoju polskiej gospodarki. Po silnym załamaniu w 2009 r., związanym z globalnym kryzysem, poziom produkcji wzrasta. Za początek czwartej rewolucji przemysłowej przyjmuje się 2013 r., jednakże sam termin przemysł 4.0 został użyty już w 2011 r., podczas międzynarodowych targów Hannover Messe. W październiku 2012 r. w Niemczech utworzono grupę roboczą, której podstawowym zamiarem było określenie oraz ustandaryzowanie następnych kroków zmierzających do sformułowania zasad przyszłości automatyzacji fabryk. Rezultatem poczynionych działań stały się zalecenia skierowane do rządu niemieckiego dotyczące niezbędnych wdrożeń prowadzących do osiągnięcia poziomu tzw. inteligentnego przemysłu.
W kwietniu 2013 r. został zaprezentowany finalny raport z poczynionych prac (również na Hannover Messe). Wśród podstawowych wytycznych uwzględniono wtedy m.in.: pomysł rozwoju globalnych sieci obejmujący wszelkie maszyny, systemy magazynowe i urządzenia produkcyjne i sprowadzenie ich do postaci tzw. systemów cyber-fizycznych, rozwój inteligentnych maszyn, systemów magazynowania i urządzeń produkcyjnych zdolnych do autonomicznej wymiany informacji, wyzwalania działań i wzajemnej kontroli, doskonalenie procesów przemysłowych związanych z projektowaniem, produkcją, zarządzaniem materiałami i łańcuchem dostaw, a także cyklem życia produktu, projektowanie, uruchamianie i rozwój inteligentnych fabryk i produktów, rozwój nowoczesnych metod komunikacji i diagnostyki obiektów przemysłowych (obejmujących swoim zakresem jednoznaczną identyfikację oraz lokalizację awarii w czasie rzeczywistym, gromadzenie danych historycznych i bieżących stanów operacyjnych). Razem z rosnącą popularnością nowoczesnych technologii związanych z rozwojem internetu i sztucznej inteligencji ośrodki naukowo-badawcze największych potęg gospodarczych, niezależnie od siebie, podjęły prace zmierzające do wykorzystania nowych zdobyczy technologicznych do budowy przewagi w przemyśle. W Stanach Zjednoczonych źródłem innowacji jest Dolina Krzemowa oraz ośrodki prowadzące badania na rzecz wojska. Niemiecki przemysł maszynowy czerpie wiedzę i kadry – niezbędne do wdrażania nowych technologii – ze ścisłej współpracy z jednostkami badawczymi na uczelniach, od których wymaga się ścisłej współpracy z dużą firmą produkcyjną. W Chinach działają rządowe programy rozwoju przemysłu, a także promocji marki „China” w perspektywie 10 lat (program „made in China 2025”). Twórcy innowacji konkurują o narzucenie standardów, choć jednocześnie ich prace badawcze dopełniają się. 

POLECAMY

Człowiek w czwartej rewolucji

Całkiem inaczej, niż miało to miejsce we wcześniejszych koncepcjach, jak np. CIM (Computer Integrated Manufacturing), Przemysł 4.0 nie ma na celu tworzenia fabryk, w których ludzie zostają zastąpieni przez roboty. Przemysł 4.0 sprawia, że fabryki stają się lepszym miejscem pracy, linie produkcyjne są bardzo ergonomiczne, a maszyny i otoczenie dostosowuje się do potrzeb człowieka. Ludzie są niezmiennie najważniejsi, a dzięki nowym rozwiązaniom otrzymają znacznie większe wsparcie niż do tej pory. Przemysł 4.0 to nie abstrakcyjna koncepcja, ale realne technologie i wdrożenia. Na liniach montażowych projektowanych zgodnie z zamysłem Industry 4.0 poszczególne elementy oraz etapy produkcji są identyfikowane za pomocą chipów RFID. Wbudowane komputery i sieci monitorują i kontrolują procesy fizyczne zazwyczaj w zwrotnej pętli, w której procesy fizyczne wpływają na komputerowe i odwrotnie. W ten sposób stacja linii produkcyjnej rozpoznaje, jaki kolejny krok jest konieczny w procesie montażu. System sterowania maszyny (PLC) otrzymuje odpowiedne informacje z serwera, następnie do każdej stacji dostarczana jest wymagana liczba odpowiednich w danym czasie potrzebnych części. Dodatkowo linia produkcyjna oferuje także wsparcie dla pracowników. Pracownik, logując się na danym stanowisku roboczym, widzi na ekranie instrukcje dotyczące danego wariantu produktu, a także kolejny krok – w języku preferowanym przez pracownika oraz w sposób dostosowany do jego kwalifikacji. To też ma wpływ na wyższą jakość produktu finalnego. Człowiek, maszyna i proces są ze sobą zintegrowane. W efekcie otrzymujemy elastyczną i ekonomiczną produkcję.

Technologia i polityka w Industry 4.0

Jeżeli spojrzeć szerzej na przemysł czwartej generacji, zauważymy, że nie chodzi w nim tylko o automatyzację, lecz o całkowicie nowe podejście do produkcji wspartej technologią, która swój początek będzie miała dopiero po złożeniu spersonalizowanego zamówienia, umożliwiając tym samym masową produkcję indywidualną. Takie podejście prowadzi do w pełni zintegrowanego procesu produkcyjnego, wirtualnych projektów, elastyczne wytwarzanych małych serii, zautomatyzowanej logistyki i produkcji „uczącej się” i samooptymalizującej się. W założeniach Industry 4.0 jest także koncepcja wykorzystania „cyfrowego bliźniaka”, który pozwala na wirtualne testowanie i optymalizację linii produkcyjnej i samego produktu. Na tę chwilę wyróżnić można dziewięć rozwiązań technologicznych rewolucjonizujących produkcję przemysłową. Są to: autonomiczne roboty (AGV), symulacje, integracja pozioma i pionowa software, przemysłowy Internet Rzeczy, cyberbezpieczeństwo, chmura obliczeniowa (rozproszone moce obliczeniowe), drukarki 3D, rozszerzona oraz wirtualna rzeczywistość i analityka, w tym analityka w odniesieniu do efektywności energetycznej firm.
Poniżej przedstawię rozwiązania coraz powszechniej moim zdaniem stosowane w przemyśle, z którymi sam na co dzień mam styczność. 
AGV, czyli automatyczne wózki (Automated Guided Vehicles), nie są nowym wynalazkiem. Stosowane były już kilkadziesiąt lat temu, ale ich duży rozwój nastąpił w momencie wprowadzenia nowych metod sterowania i lokalizowania. Wózki tego typu mogą pracować niemal w każdych warunkach, a ich zaletami są dokładność, powtarzalność oraz praktycznie nieograniczony czas pracy (zależny od rodzaju i wielkości akumulatora). Ich koszt jest zwykle niższy niż koszt posiadania typowego wózka z operatorem.Podstawowy podział AGV można przedstawić w następujący sposób:

  • wózki holownicze,
  • wózki transportowe,
  • wózki duże do transportu dużych gabarytów oraz wózki małe do transportu bliskiego, np. dostarczania detali na linie produkcyjne.

Sterowanie wózków AGV realizowane jest różnymi metodami. Sterowanie za pomocą pętli indukcyjnej wykorzystuje wbudowany w posadzkę przewód, który jest śledzony przez czujniki magnetyczne zamontowane w pojeździe. Co ciekawe, za pomocą pętli indukcyjnej może być także ładowany akumulator wózka. Jest to metoda popularna w wózkach prowadzonych, ale zawodna, czuła na uszkodzenia zwłaszcza na dylatacjach, a ponadto inwazyjna, gdyż niszczy posadzkę. Zapewnia pozycjonowanie tylko w jednym kierunku, w drugim natomiast należy stosować pomiar przebytej drogi i dodatkowe markery (magnesy, tagi RFID, kody kreskowe, odbłyśniki). 
Sterowanie refleksyjne bazuje na naklejonej lub namalowanej linii, która jest śledzona za pomocą czujników magnetycznych (jeśli linia jest magnetyczna) lub czujników światła odbitego. Zasada działania jest więc podobna do sterowania indukcyjnego, ale jest mało inwazyjna. Przez to, że linie są nanoszone na posadzkę, są podatne na uszkodzenia. Z drugiej strony – takie uszkodzenia jest łatwo naprawiać, podobnie łatwo można modyfikować trasę. 
Metoda laserowa polega na optycznym śledzeniu punktów odniesienia, w trudniejszych przypadkach wymaga zamontowania lusterek, które odbijają wysyłane przez nadajnik umieszczony na wózku wiązki lasera. Po odbiciu od takich lusterek sygnał jest analizowany, a wózek – zorientowany w obiekcie. Metoda taka jest łatwa do modyfikacji (czasem wystarczy jedynie przeprogramowanie pojazdu). 
Sterowanie wizyjne polega na analizie obrazu przekazywanego z kamer lub porównuje się położenie markerów z ich mapą cyfrową. Nawigację wózków AGV wspomagać mogą znaczniki RFID. Nie jest to samodzielny system, ale znacznikami można uzupełnić sterowanie liniowe. W literaturze można spotkać jeszcze metody nawigacji, takie jak ultradźwięki czy GPS, jednakże nie są to sposoby stosowane w praktyce. Ultradźwięki mogą jedynie pomagać w lokalizowaniu przeszkód (powracający sygnał w żaden sposób nie identyfikuje rodzaju przeszkody), natomiast GPS nie działa w pomieszczeniach, a poza nimi i tak jest niezbyt dokładny jak na zadania stawiane przed automatycznymi wózkami. Co ciekawe, systemy bazujące na GPS są stosowane w rolnictwie. Najpopularniejsze są systemy refleksyjne, magnetyczne, indukcyjne. Coraz częściej spotyka się także metody laserowe. Metody refleksyjne są łatwe w implementacji oraz bardzo szybko można zmienić układ trasy w obiekcie, niestety wymagają utrzymania podłoża w czystości i wymian/napraw uszkodzonych odcinków. System laserowy natomiast jest bardzo elastyczny, lecz obecnie jest droższy od pozostałych metod nawigacji. 
Rzeczywistość rozszerzona (Augmented Reality, AR) jest wciąż stosunkowo nową technologią, która stale się rozwija. Rzeczywistość rozszerzona to, w uproszczeniu, połączenie obrazów rzeczywistych z generowanymi komputerowo. Najczęściej wykorzystuje się tu widok z kamery zamontowanej w urządzeniu (okulary, tabl...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 6 numerów czasopisma "Menedżer Produkcji"
  • Dostęp do wszystkich archiwalnych artykułów w wersji online
  • Dodatkowe dokumenty do pobrania i samodzielnej edycji
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy