Cyfryzacja drogą do elastyczności

Konrad Cop
Ekspert współpracujący z FPPP

Nowoczesne procesy produkcyjne muszą stawić czoła wielu wyzwaniom o złożonym charakterze. Niektóre z tych wyzwań istnieją od dawna lecz w dalszym ciągu są celem aktywności badawczej – w związku z potencjałem oraz możliwością ciągłego wprowadzania ulepszeń. Do takich aspektów niewątpliwie należą konieczność optymalizacji procesów oraz dążenie do wyeliminowania nieoczekiwanych awarii i przestojów. Z drugiej strony nowe wymagania dotyczące produktów i procesów produkcyjnych wymuszane są przez rozwój technologii i trendów rynkowych. W tym kontekście warto wymienić konieczność wytwarzania spersonalizowanych produktów, jak również potrzebę łatwego pozyskiwania danych z urządzeń produkcyjnych. Jest to w szczególności istotne w produkcji dóbr konsumpcyjnych.

Chociaż zakres wymienionych wyzwań jest dość szeroki, istnieje koncepcja umożliwiająca wyjście naprzeciw wszystkim oczekiwaniom. Tą koncepcją jest pełna elastyczność linii produkcyjnych, a narzędziem do jej realizacji jest cyfryzacja.

Elastyczność, czyli co?

W kontekście linii produkcyjnych elastyczność oznacza, że konfiguracja procesu może być zmodyfikowana w sposób łatwy, szybki i niewymagający nadmiernego wkładu pracy ze strony integratora lub operatora. Zakres modyfikacji może dotyczyć m.in. zmiany sekwencji urządzeń w procesie, wyłączenie lub dodanie urządzenia, bądź zamianę jednej maszyny na inną.

Nietrudno wyobrazić sobie procesy, w których taka możliwość byłaby pożądana. Na przykład w aplikacjach zrobotyzowanego pakowania może istnieć potrzeba dynamicznej zmiany liczby robotów lub zastosowania różnorodnych chwytaków (w zależności od rozmiaru lub szybkości transportu produktów). Co więcej, zależnie od wymagań klientów może także być potrzebne uzupełnienie sekwencji procesu o niestandardowy krok (np. etykietowanie, aplikację dodatkowej warstwy ochronnej lub zastosowanie szerszego przenośnika taśmowego). Liczba potencjalnych scenariuszy jest trudna do oszacowania.

Obecnie ze względu na poziom złożoności procesu integracyjnego nie wykonuje się częstych zmian konfiguracji. Przeciwnie – zwykle podstawowym celem jest wykonanie takiej konfiguracji linii, by uwzględniała ona możliwie dużo potencjalnych kombinacji produktu końcowego, a jednocześnie nie wymagała dodatkowej pracy programisty czy integratora (w myśl starej inżynierskiej zasady: „never change the running system”). Realizuje się to na różne sposoby: od projektowania zindywidualizowanych linii do specyficznego rodzaju produktu (sztywno zaprojektowana linia produkcyjna), aż po wyposażanie poszczególnych gniazd w zestaw narzędzi umożliwiających obróbkę i manipulację różnych przedmiotów (np. zintegrowane głowice chwytające o wielu typach chwytaków). Trudno jednak nie zauważyć, że takie podejście skutkuje wysokimi kosztami wdrożenia linii albo produkcją bazującą na dużych partiach jednakowych produktów (tj. niewymagających zmiany konfiguracji).

Wszystkie wymienione czynniki wpływają na fakt, że rekonfiguracja procesu zdarza się obecnie dosyć rzadko, a procesy produkcyjne można w większości przypadków określić jako nieelastyczne. 

Wymagania

Spróbujmy zatem określić wymagania, które pozwoliłby na uproszczenie procesu integracyjnego. Na proces ten składają się dwa podstawowe aspekty. Po pierwsze, urządzenia muszą zostać skonfigurowane do specyficznych wymagań aplikacji. Taka konfiguracja może polegać np. na doborze szybkości pracy różnych elementów transportowych, kalibracji czujników w określonym systemie mechanicznym czy eksperymentalnym testowaniu parametrów procesowych. Drugim aspektem jest konieczność mechanicznego oraz elektronicznego połączenia różnych podzespołów i podsystemów.

O ile ten pierwszy aspekt jest trudny do skrócenia (ponieważ zależy jedynie od procesu), o tyle drugi jest uwarunkowany zastosowanymi elementami oraz stopniem złożoności procesu i zwykle pochłania zbyt wiele czasu. Wynika to z faktu, że znaczna liczba urządzeń wyposażona jest w odmienne interfejsy komunikacyjne czy standardy opisu działania oraz w wielu przypadkach wymagana jest modyfikacja nadrzędnych programów sterujących.

W celu uelastycznienia linii produkcyjnej należałoby ograniczyć do minimum czas potrzebny na skonfigurowanie połączeń pomiędzy urządzeniami i odpowiednie zaprogramowanie sygnałów sterujących. Drogą do tego jest zastosowanie uniwersalnych interfejsów komunikacyjnych oraz ustandaryzowanych opisów działania poszczególnych podzespołów. Wracając do naszego przykładu, jeśli każde urządzenie w linii produkcyjnej wymaga innego typu sieci komunikacyjnej i odmiennej konfiguracji poleceń wydawanych z nadrzędnego sterownika, to zapewnienie wymiany sygnałów pomiędzy poszczególnymi urządzeniami oraz „tłumaczenie” komunikatów z jednego protokołu na inny musi zostać wykonane ręcznie przez integratora.

Ponadto, w celu uzyskania pełni elastyczności należy ograniczyć wzajemną zależność różnych podsystemów. Celem jest bowiem uniknięcie konieczności modyfikacji programów sterujących na różnych poziomach struktury systemu oraz uniezależnienie ich od zasobów pozostałych elementów procesu. Aby to zrealizować, poszczególne urządzenia powinny być możliwie najbardziej „samowystarczalne” – posiadać własne oprogramowanie (pozwalające na pełną obsługę zadań, do których zostały skonstruowane) oraz zasoby służące do wykonywania tych zadań. W naszym przykładzie przenośnik może sam zajmować się sterowaniem poszczególnych faz transportu (rozruch, hamowanie, praca ciągła itd.) i wysyłać sygnały sterujące do napędów, a nadrzędny sterownik powinien jedynie wydawać polecenia typu start, stop, zmiana prędkości itd.

Przy zastosowaniu wymienionych rozwiązań możliwe jest opracowanie zestawu podzespołów, które w łatwy sposób można łączyć ze sobą w dowolnych konfiguracjach. Należy jednak zauważyć, że takie rozwiązanie wymaga odpowiedniego podejścia do budowy elementów mechanicznych. Jeśli przenośniki, roboty, chwytaki lub inne urządzenia mają mieć możliwość zmiany konfiguracji, to musi zostać zapewniony łatwy sposób montażu i demontażu oraz odpowiednie interfejsy mechaniczne. Kluczowe jest zatem zidentyfikowanie elementów procesu pod kątem ich potencjalnej samowystarczalności i zaprojektowanie ich w odpowiedni sposób (zarówno pod względem programistycznym, jak i mechanicznym).

Cyfryzacja jako fundament

Z koncepcyjnego punktu widzenia perspektywy rozwoju elastycznych linii produkcyjnych są bardzo obiecujące, natomiast wyzwaniem pozostaje uniwersalność w różnych branżach przemysłu. W tym wyzwaniu z pomocą przychodzi cyfryzacja. To dosyć szerokie i dotykające wielu aspektów pojęcie, jednak w kontekście linii produkcyjnych obejmuje ono stosowanie różnych rozwiązań umożliwiających cyfrową reprezentację urządzeń, wymianę informacji pomiędzy maszynami oraz użyteczność informacji. Określenie to obejmuje więc nie tylko sam fakt generowania danych cyfrowych, ale także odpowiednie ich modelowanie (definiowanie struktury), definiowanie sposobów cyfrowej interakcji z urządzeniami oraz metod przesyłu i interpretacji danych.

Komunikacja oparta na uniwersalnych protokołach

Wiele z wymaganych środków technicznych wspierających elastyczność funkcjonuje już w przemyśle, są jednak też takie, które wymagają dodatkowego rozwoju i wdrożenia. W zastosowaniach produkcyjnych można bez problemu generować oraz rozsyłać duże ilości danych. Istotnym problemem jest jednak ogromna liczba standardów i protokołów służących do wymiany informacji. Istnieje kilkadziesiąt różnych rodzajó magistrali przemysłowych (np. EtherCAT, Powerlink, Sercos, Profinet itp.), które pełnią identyczną rolę, lecz nie są wzajemnie kompatybilne. W razie wymiany któregoś z urządzeń linii na nowe (tj. z innym systemem komunikacji) integrator musi manualnie dokonać modyfikacji różnych elementów.

W celu wyeliminowania takich sytuacji proponuje się wprowadzenie uniwersalnego protokołu (lub protokołów) niezależnego od producenta – co stanowi jedną z idei Przemysłu 4.0. Obecnie najbardziej obiecującymi kandydatami do tej roli są OPC UA (ang. Open Process Control Unified Architecture) oraz MQTT (ang. Message Queuing Telemetry Transport). Pierwszy z nich to rozbudowany system komunikacji, który umożliwia nie tylko wymianę bardzo szczegółowych danych, ale wraz z nimi przekazuje ich precyzyjną interpretację. Są to tak zwane dane semantyczne, umożliwiające wzajemne „zrozumienie się” urządzeń oraz zastosowanie tych danych do ulepszenia procesu (np. poprzez zastosowanie metody Predictive Maintenance).  Drugi protokół jest pożądany ze względu na swoją lekkość (tzn. ograniczoną złożoność operacyjną). Zyskał on szczególną popularność w urządzeniach automatyki domowej i przewiduje się jego powszechne zastosowanie w układach o niewielkiej mocy obliczeniowej (np. czujnikach i aktuatorach).

Reprezentacja cyfrowa urządzeń

Kolejnym wymaganiem jest opracowanie uniwersalnej cyfrowej reprezentacji urządzeń. Jej rolą jest przedstawienie całej funkcjonalności urządzenia, opisujących je parametrów oraz wzajemnej korelacji w formie cyfrowej. Taka reprezentacja pozwala na zdefiniowanie „cyfrowych interfejsów”, czyli określenie sposobów cyfrowej interakcji z urządzeniami. Co więcej, aby taki model maszyny był przydatny, musi być używany powszechnie przez wszystkie urządzenia komunikujące się w ramach danej linii (obecnie i w przyszłości).

Nasz wcześniejszy przykład mógłby spełniać te warunki, jeśli na przykład w odniesieniu do każdego typu przenośnika jednoznacznie zdefiniowana zmienna opisywałaby tę samą wartość fizyczną (np. prędkość) lub jasno zdefiniowany sygnał sterujący skutkowałby określoną operacją. Ponadto, opis zmiennych i działanie powinny być identyczne, bez względu na sterownik obsługujący przenośnik i wybór języka programowania użytego do realizacji sekwencji sterującej.

Określenie zasad w zakresie wszystkich typów urządzeń stanowi ogromne wyzwanie, ze względu na mnogość systemów występujących w przemyśle. Niemniej jednak w wielu branżach podjęto już trud zdefiniowania konkretnych specyfikacji, a zgodność z ich zakresem jest wymaganiem w produkcji urządzeń w niektórych sektorach. 

Ciekawym przykładem takiej standaryzacji jest organizacja OMAC, która zdefiniowała standard PackML określający sposoby opisu i interakcji urządzeń używanych w przemyśle pakującym. Innym przykładem jest organizacja zrzeszająca producentów urządzeń do obróbki tworzyw sztucznych EUROMAP. Podobnie ma się rzecz z aspektami czysto software’owymi. Jako przykład warto wspomnieć organizację PLCopen, definiującą uniwersalną strukturę bloków funkcyjnych (elementów kodu) sterowników logicznych PLC. 

Powyższe przykłady wyraźnie ilustrują tendencję do tworzenia powszechnych, niezależnych od producentów, cyfrowych interfejsów. Istotnym problemem jest jednak brak uniwersalnej reprezentacji, która mogłaby być użyta przez przedstawicieli różnych branż. W ostatnich latach rozpoczęto więc pracę nad strukturą stanowiącą bazę do cyfrowej reprezentacji różnych typów urządzeń (a w zasadzie wszelkich elementów systemu przemysłowego). Tę strukturę określa się skrótem AAS (ang. Asset Administration Shell, zob. Plattform Industrie 4.0) i jest ona rozszerzeniem koncepcji cyfrowego bliźniaka (ang. digital twin). Docelowo ma ona łączyć w sobie wszelkie cyfrowe informacje opisujące dowolny obiekt.

Koncepcja AAS zapewnia dodatkowe korzyści w zakresie elastyczności. W swoich założeniach ma zawierać wszelkie informacje dotyczące konkretnego urządzenia. Jest to więc reprezentacja opisująca poszczególne komponenty mechaniczne urządzenia za pomocą parametrów i dostarczająca informacje o ich wartościach w czasie rzeczywistym. Definiuje ona także wcześniej wspomniane interfejsy interakcji (zdefiniowanie dla danego urządzenia, jaki sygnał musi wysłać inne urządzenie lub sterownik, aby wykonać określoną operację). Pozwala to na oddzielenie logiki wykonawczej od zewnętrznych systemów i ograniczenie rodzaju przesyłanych danych (wspomniana wcześniej samowystarczalność).

Ponadto AAS ma zawierać w sobie także wszelkie informacje dotyczące danego urządzenia, takie jak dokumentacja techniczna, historia serwisowa, instrukcje serwisowe lub operatorskie. Dostępność takich informacji bezpośrednio w maszynie pozwoli na znaczące skrócenie czasu integracji i serwisu, a w efekcie wpłynie to na wzrost elastyczności.

Decentralizacja

Wspomniany już kilka razy aspekt samowystarczalności jest również bardzo istotny w uzyskaniu pełnej elastyczności. Nietrudno jest koncepcyjnie opracować funkcjonalność niezależnej maszyny oraz odpowiadające jej wymagania dotyczące oprogramowania sterującego. Ograniczenie może mieć jednak charakter bardziej praktyczny. Aby urządzenie było samowystarczalne, musi mieć pełny wpływ na swoją sekwencję działania (czyli musi zawierać układ sterujący). Obecnie trudno jest wyobrazić sobie, że każda (nawet najprostsza maszyna) będzie wyposażona w (bądź co bądź niezbyt tani) sterownik PLC lub komputer przemysłowy.

Rozwiązaniem tego problemu jest postęp technologiczny i miniaturyzacja elektroniki. Pozawalają one na znaczące obniżenie cen układów przetwarzania danych. Taki trend łatwo zauważyć w elektronice użytkowej. Obecnie telefon każdego z nas ma większą moc obliczeniową niż komputery sprzed kilku lat. Podobna tendencja zachodzi w elementach przemysłowych. W niedalekiej przyszłości każde urządzenie, nawet o niskim stopniu skomplikowania, będzie mogło zostać wyposażone w procesor. To z kolei pozwoli na zaprogramowanie logiki bezpośrednio w różnych podzespołach systemu, czyniąc zbędnym potężny, nadrzędny układ sterujący. Takie możliwości techniczne pozwolą zatem na budowanie samowystarczalnych modułów produkcyjnych, które w efekcie umożliwią pełną elastyczność linii produkcyjnych. Opisane zjawisko jest zatem aspektem cyfryzacji możliwym do osiągnięcia dzięki postępowi w sposobach wytwarzania układów elektronicznych.  

Efekt cyfrowego podejścia

Omówiliśmy już podstawy elastyczności i praktyczne sposoby jej realizacji. Spróbujmy zatem określić, jak elastyczność może pomóc w sprostaniu wyzwaniom określonym we wstępie do niniejszego artykułu.

Zacznijmy od problemu optymalizacji procesu. Jednym z aspektów, który warto rozważyć, jest optymalizacja poprzez rekonfigurację urządzeń w systemie produkcyjnym. W każdym procesie występują urządzenia o zróżnicowanej wydajności (te o najniższej tworzą tzw. wąskie gardła). Jednym ze sposobów na rozwiązanie tego problemu byłoby uzupełnienie procesu o dodatkowe urządzenia wykonujące zadania w obszarze wąskiego gardła. W naszym przykładzie linii pakującej nietrudno byłoby przenieść robot z jednego miejsca (oraz zastosowania) w inne (w zależności od bieżących potrzeb). Cyfrowe podejście ułatwia praktyczne zrealizowanie takiego zadania.

Możliwość szybkiej rekonfiguracji pozwala na uproszczenie zmiany sekwencji procesu. Taka potrzeba może wystąpić w przypadku częstych zmian preferencji klientów oczekujących zindywidualizowanych produktów. Elastyczna linia produkcyjna pozwala na dynamiczne dostosowanie się do zmiennych wymagań rynku.

Przyjrzyjmy się teraz kwestii nagłej awarii. W razie jej wystąpienia, dzięki elastycznemu podejściu istnieje możliwość łatwej wymiany uszkodzonego urządzenia i szybkiej integracji jego zamiennika. Ponadto, dzięki szczegółowemu opisowi maszyny oraz bezpośredniej dostępności dokumentacji serwisant może w szybki sposób znaleźć rozwiązanie, a przestój może zostać ograniczony do minimum.

Ze scenariuszem nagłej awarii powiązany jest także inny aspekt. Dzięki szczegółowemu opisowi maszyny i generowaniu danych w czasie rzeczywistym istnieje możliwość zapisu danych i użycia ich w celu dokładnego zrozumienia działania urządzenia. To z kolei umożliwia zastosowanie sztucznej inteligencji (AI, ang. Artificial Intelligence) do przewidywania anomalii. Dzięki danym pozyskanym z maszyny będzie można przewidzieć, w którym momencie urządzenie ulegnie uszkodzeniu, i zapobiec wcześniej takiej nagłej awarii. Warunkiem tego jest utworzenie odpowiedniego opisu cyfrowego elementów linii produkcyjnej i zapisywanie tych danych.

Podsumowanie

Elastyczność to nieunikniona potrzeba linii produkcyjnych w nowoczesnym przemyśle. Fundamentem jej realizacji jest cyfrowe podejście do obsługi urządzeń. Elastyczność niesie ze sobą wiele zalet, ale wymaga także sporych zmian. Dlatego warto śledzić z uwagą rozwój tych koncepcji oraz analizować wymagania techniczne własnych urządzeń i procesów – pomimo tego, że niektóre aspekty techniczne nie są jeszcze dostępne. Niezwykle istotne jest bowiem, aby być gotowym na zmiany i nie zostać wyprzedzonym przez konkurencję.