„Otwartość rozwiązań kluczową cechą czwartej rewolucji przemysłowej.”

W ciągu ostatniej dekady ponad 2000 pracowników organizacji przemysłowych skorzystało z możliwości kształcenia i szkolenia zawodowego na Politechnice w Darmstadt – gdzie mieli sposobność zgłębiać takie zagadnienia, jak Industry 4.0, cyfryzacja i wydajność produkcji oraz opracowywać strategie wdrażania. Jensa Hambacha i Andreasa Wanka, pracowników naukowych Politechniki, oraz Jonasa Lauera, studenta studiów magisterskich, zapytaliśmy o źródła postępów niemieckich małych i średnich przedsiębiorstw w zakresie transformacji cyfrowej oraz o istniejące możliwości poprawy na tym polu.

Jakie są oczekiwania studiujących tu praktyków reprezentujących przedsiębiorstwa przemysłowe?

Hambach: Wszyscy mówią o Industry 4.0 i cyfryzacji, wciąż jednak mało kto wie, co to wszystko oznacza w praktyce. Wiele firm zwraca się zatem do nas, aby dowiedzieć się, jakie są możliwości w tym zakresie i gdzie mają zacząć swój marsz w kierunku Industry 4.0 i cyfryzacji.

Z jakimi błędnymi przekonaniami macie Panowie najczęściej do czynienia?

Hambach: Wielu spośród studentów, którzy do nas trafiają operuje modnymi hasłami w rodzaju systemy cyber-fizyczne, Internet Rzeczy, uczenie maszynowe, czy digital twin. Są to głośne koncepcje, które wzbudzają zainteresowanie i uwrażliwiają decydentów na omawiane kwestie. W tym sensie spełniają one pozytywną funkcję, ale trzeba pamiętać, że są to ostatecznie jedynie narzędzia. Jeśli cała strategia jest ślepo ukierunkowana na wdrażanie konkretnych technologii, to zwykle nie przynosi ona pożądanych skutków. My zalecamy przyjęcie bardziej metodycznego, opartego na korzyściach podejścia, dla którego punktem wyjścia jest dokładne określenie ulepszeń, jakie można wprowadzić w danym procesie produkcyjnym.

Czy niemieckie małe i średnie przedsiębiorstwa pozostają w tyle pod względem wdrażania programu Industry 4.0?

Wank: Firmy zatrudniające mniej niż 250 pracowników nie poczyniły do tej pory zbyt dużych postępów. Firmy zatrudniające do 2000 pracowników zainwestowały już znaczne środki w cyfryzację, jednak inwestycje te przybrały generalnie formę niepowiązanych ze sobą rozwiązań dotyczących określonych obszarów działalności firmy. Teraz nadszedł czas, aby łączyć te rozwiązania w pewną całość. Zmiana perspektywy z indywidualnych przypadków zastosowania na kompleksowe zestawy rozwiązań zapewnia całe spektrum dodatkowych korzyści. Właśnie w tym obszarze widzimy największe możliwości poprawy.

Co to dokładnie znaczy?

Hambach: Firmy mają różne systemy, których nie są w stanie w krótkim czasie zastąpić, nawet gdyby miały taki zamiar. Są to na przykład systemy ERP, a także starsze urządzenia oraz liczne niepowiązane z innymi czujniki i oprzyrządowanie. O skali przeszkód, na jakie można natrafić mogliśmy się przekonać na własnej skórze, gdy w trakcie realizacji projektu „Efektywna Fabryka 4.0” próbowaliśmy uzyskać dostęp do danych z tokarki skonstruowanej w 2005 roku. Sterownik nie pozwalał na bezpośredni dostęp do danych maszyny, a producent chciał 20000 euro za aktualizację. Dla nas takie rozwiązanie było po prostu nie do przyjęcia – tak, jak nie do przyjęcia byłoby dla wielu małych i średnich przedsiębiorstw. Przemyśleliśmy ponownie problem i zadaliśmy sobie pytanie, jakich danych naprawdę potrzebujemy do wykonania zadania. Postanowiliśmy znaleźć takie rozwiązanie, które umożliwiłoby nam odczytanie i przetworzenie tych danych i które można by połączyć z innymi naszymi systemami w większy kompleks. I wtedy w polu naszych zainteresowań pojawił się APROL.

Okazało się, że jest to rozwiązanie, którego szukaliście?

Wank: Właśnie. Jednym z powodów była jego skalowalność. Pozwala nam ona krok po kroku wdrażać rozwiązanie i rozbudowywać je o możliwości wynikające z koncepcji Industry 4.0. APROL jest również wyposażony w szeroki wybór standardowych interfejsów, w tym OPC UA i ODBC. Umożliwia to szybką i spójną integrację systemów automatyki (OT) i IT na wszystkich poziomach. Ponadto APROL umożliwia implementację własnych interfejsów lub wykorzystanie komponentów open-source i ich bezproblemową integrację. W ten sposób na przykład zaimplementowaliśmy API REST w Python, który APROL traktuje jak jeden z własnych komponentów. Elastyczność systemu sterowania procesem oraz szeroki zakres interfejsów ułatwiają również integrację zarówno w nowych, jak i istniejących instalacjach.

W jaki sposób można uzyskać dane z maszyny, która – jak tokarka, o której pan wspomniał – nie posiada żadnego z obsługiwanych standardowych interfejsów?

Hambach: To była kwestia kilku prostych zmian. Na przykład dodaliśmy mały adapter między czujnikiem a sterownikiem maszyny, który zapewnia nam dwukierunkowy dostęp do czujnika stanu napełnienia. W ten sposób możemy odczytywać pomiary „na żywo”, bez konieczności przechodzenia przez sterownik. Na tej podstawie mogliśmy wdrożyć funkcję, która powiadamia operatora maszyny o konieczności uzupełnienia smaru. Podłączamy się również do obwodów sygnałów bezpośrednio w szafie sterowniczej. Tutaj pojawia się kolejna zaleta rozwiązania B&R. Skoro sprzęt i oprogramowanie pochodzą z tego samego źródła, a APROL jest rozpoznawany automatycznie, nie jest wymagane dodatkowe programowanie.

W jaki sposób APROL pomaga firmom osiągnąć rzeczywisty postęp na drodze do realizacji koncepcji Industry 4.0 w takich obszarach jak monitorowanie stanu technicznego?

Lauer: Służąc jako platforma dla szerokiej gamy aplikacji, APROL znacznie ułatwia wdrożenie wielu rozwiązań właściwych dla koncepcji Industry 4.0. W przypadku monitorowania stanu układ sterowania procesem oferuje specjalny blok funkcyjny, który optymalnie współpracuje z odpowiednim analogowym modułem wejściowym – X20CM4810 – wykonującym transformatę Fouriera potrzebną do analizy drgań.

Prosimy o przykład – jak to działa?

Lauer: Wykorzystaliśmy te funkcje do digitalizacji starej piły taśmowej – zastosowaliśmy sterownik przycisku i wyposażyliśmy ją w system monitorowania stanu. Piła taśmowa może służyć do symulacji różnych stanów dla celów demonstracji. Nawet w przypadku budżetowego rozwiązania do monitorowania stanu, które odczytuje tylko ciśnienie wejściowe, można wydedukować stan techniczny brzeszczotu i głowicy piły. Dzięki wyposażeniu maszyny w dodatkowe czujniki jesteśmy w stanie zidentyfikować jeszcze szerszy zakres warunków z jeszcze większą precyzją. Podłączyliśmy dane z czujników do sieci neuronowej, która jest w stanie rozpoznać korelacje praktycznie niedostrzegalne dla ludzi. Dzięki tym danym APROL może na przykład przekazać systemowi ERP informację, która maszyna jest gotowa do realizacji nowego zamówienia i czy obecnie używany brzeszczot będzie w stanie sprostać temu zadaniu. Jako lokalnego węzła danych używamy małego sterownika z systemu X20 firmy B&R. Jego zintegrowany interfejs OPC UA umożliwia bardzo łatwe podłączenie do systemu APROL i innych nadrzędnych systemów. Dzięki takiemu podejściu przedsiębiorstwa mogą generować wartość dodaną – nawet na maszynach, które odgrywają stosunkowo niewielką rolę w procesie.

Czy sieć neuronowa działa w systemie APROL?

Lauer: Do tej pory budowaliśmy sieci neuronowe za pomocą narzędzia symulacyjnego MATLAB. Oznacza to, że pobieramy wszystkie dane z czujników do środowiska MATLAB, analizujemy je, a następnie przetwarzamy w sieć neuronową, która z kolei oblicza potrzebne nam parametry. Zasadniczo jednak możliwe byłoby również zaprogramowanie sieci neuronowej w języku Python, a następnie zintegrowanie jej bezpośrednio z systemem APROL, tak jak w przypadku interfejsu REST API, o którym wspominaliśmy.

APROL można zainstalować na maszynach wirtualnych dla aplikacji w chmurze. Czy używacie tej funkcji w celu uzyskania dodatkowych możliwości łączności?

Wank: Tak, używamy APROL w prywatnej chmurze. Tam mamy zaszyfrowaną bazę danych SQL, w której przechowywane są dane procesowe z systemu identyfikowalności APROL. Dostęp do tej bazy danych mają inne systemy, takie jak nasz system zarządzania hali produkcyjnej, który znajduje się w publicznej chmurze, dzięki czemu zainteresowane firmy mogą się do niego możliwie łatwo podłączyć. W dalszej perspektywie chcielibyśmy przywrócić system zarządzania na miejscu w prywatnej chmurze na dedykowanym komputerze. Wówczas będziemy mogli decydować, które dane zachować w naszym własnym systemie produkcyjnym, a które wysłać do chmury publicznej.