CPS – Kyberneticko fyzikálne systémy

Cyber-physical systems (CPS) predstavujú významný evolučný krok. Sú to fyzické zariadenia so vstavanými nástrojmi na digitálny zber dát, ich spracovanie a distribúciu, a cez internet sú vzájomne on-line spojené.

Cyber-physical Systems-kyberneticko-fyzikalne-systemy-industry4-komunikacia-kontrola-graf

CPS sú základom pre Internet vecí, a v kombinácii s Internet službami vytvárajú základnú bázu pre Industry 4.0.

Spojenie CPS, vysoko výkonného softvéru a špeciálnych užívateľských rozhraní, ktoré sú integrované do digitálnych sietí, vytvára úplne nový svet systémovej funkcionality. Moderné mobilné telefóny sú snáď najzreteľnejším príkladom, ponúkajúcim rozsiahly balík aplikácií a služieb, ktorý úplne zmenil pôvodnú funkciu telefónu.

  1. CPS 1. generácie obsahujú identifikačné technológie, ako RFID senzory (Radio Frequecy Identification), ktoré umožňujú jednoznačnú identifikáciu zariadenia, do ktorého sú zabudované
  2. CPS vybavené snímačmi a akčnými členmi s obmedzeným rozsahom funkcií
  3. CPS tretej generácie môžu ukladať, analyzovať a spracovávať dáta v pomerne veľkom rozsahu, sú vybavené viacerými senzormi a akčnými členmi

CPS systémy sú dôležitým prvkom výrobkov, výroby, skladového hospodárstva, robotiky, riadenia dopravy, logistických služieb, riadenia dodávateľských reťazcov, fleet management, telemedicíny…

Komunikácia M2M (Machine To Machine)  je všeobecné pomenovanie komunikácie cez CPS.

Internet of Things

Internet of Things (IoT), Internet vecí je sieť fyzických objektov-zariadení, vozidiel, strojov a iných predmetov so vstavanou elektronikou, softvérom, senzormi a pripojením k sieti (CPS), ktorý umožňuje týmto objektom zber a výmenu údajov. Internet vecí umožňuje pripojené predmety ovládať na diaľku cez existujúce sieťové infraštruktúry, a vytvárať príležitosti pre ďalšiu priamu integráciu fyzického sveta do počítačových systémov. Výsledkom je zvýšenie efektivity, presnosti a ekonomické prínosy. Každý objekt je jednoznačne identifikovateľný prostredníctvom vstavaného výpočtového systému, ale je schopný začleniť sa do existujúcej infraštruktúry internetu. Odborníci odhadujú, že internet vecí sa bude skladať z takmer 50 miliárd objektov do roku 2020.

IoT-graf-internet-vsetkeho-internet-veci-industry4-graf

“Veci,” na internete vecí, môžu odkazovať na širokú škálu zariadení, ako sú monitorovanie srdcových implantátov, biočipov na hospodárskych zvieratách, autá so zabudovanými senzormi, stav výrobného stroja, linky, analýzy DNA, zariadenie pre environmentálny monitoring patogénov v jedle alebo prevádzku zariadení v teréne, ktoré pomáhajú záchranárom pri pátracích a záchranných operáciách. Učenci navrhujú, pozerať sa na “veci” ako “spletité zmesi hardvéru, softvéru, dát a služieb”. Tieto zariadenia zbierajú užitočné údaje s pomocou rôznych existujúcich technológií, a následne prenášajú tieto dáta medzi jednotlivými zariadeniami. Aktuálnym tržným príkladom je inteligentný termostat práčky alebo sušičky, ktoré používajú Wi-Fi pripojenie pre vzdialené monitorovanie ich stavu.

Internet vecí pomaly smeruje k Internetu služieb.

Internet of Services

Internet of Services (IoS) Internet služieb je oblasť,  ktorá je prierezovou pre všetky oblasti Industry 4.0. Predstavuje sa ako infraštruktúra, ktorá využíva internet ako médium pre ponúkanie a predaj služieb. V dôsledku toho sa služby stávajú  obchodovateľným tovarom. IoS poskytuje obchodnú a technickú základňu pre pokročilé obchodné modely, zamerané na poskytovanie a využívanie služieb. Napríklad služba môže zahŕňať výskum, vývoj, projektovanie, výrobu, marketing, predaj a distribúciu určitej služby.

IOS poskytuje možnosť vytvárať a riadiť nový “priemysel služieb” pre výrobu, zmeny, prispôsobenie, predaj a prevádzkové služby.

Elektronické obchody výrobkov si získali v posledných rokoch veľkú pozornosť, a umožňujú obchodnú interakciu medzi poskytovateľmi a spotrebiteľmi fyzického tovaru. Do príkladov takýchto trhovísk patrí napr. eBay a Amazon.

Typickým príkladom IoS je Cloud Computing. Je to relatívne nový model, kde užívateľ je pripojený ku Cloudu cez internet na svojom počítači (mobilnom zariadení), zatiaľ čo servery, úložiská, siete, softvér a informácie sú poskytované ako služba na vyžiadanie.

Big Data

Big Data je termín pre súbory dát, ktoré sú tak veľké alebo zložité, že tradičné aplikácie pre spracovanie dát sú nedostatočné. Riešenie zahŕňa analýzy, zachytávanie, správu údajov, vyhľadávanie, zdieľanie, ukladanie, prenos, vizualizáciu, pátranie… Termín Big Data sa často odvoláva len na použitie prediktívnych analýz alebo niektorých iných pokročilých metód na extrakciu hodnôt z údajov, a len zriedka ku konkrétnej veľkosti dát. Presnosť v Big Data môže viesť k istejšiemu rozhodovaniu a lepším rozhodnutiam, môžu mať za následok vyššiu prevádzkovú efektivitu, zníženie nákladov a zníženie rizika.

McKinsey Global Institute charakterizuje hlavné komponenty a ekosystém spracovania Big Data takto:

  • metódy analýzy dát, ako sú A/B testy, strojové učenie a spracovanie prirodzeného jazyka
  • technológia spracovania veľkých objemov dát, ako sú business intelligence, cloud computing a rozsiahle databázy
  • vizualizácie, ako sú schémy, grafy a iné ukážky dát

Big Data poskytuje infraštruktúru pre transparentnosť v priemysle, čo je schopnosť odhaliť neistoty a zdroje nekonzistentného výkonu a dostupnosti. Prediktívna výroba, ako vhodný prístup k dosiahnutiu takmer nulových výrobných prestojov a transparentnosti, vyžaduje obrovské množstvo dát a pokročilé predikčné nástroje pre systematické spracovanie dôležitých informácií. Koncepčný rámec prediktívnej výroby začína zberom rozmanitých dát, získavaných zo senzorov ako je akustika, vibrácie, tlak, prúd, napätie, dáta z regulátorov, riadiacich členov, PLC a podobne. V spracovateľskom priemysle sa zo senzorov vygeneruje obrovské množstvo dát. Veľké objemy vygenerovaných dát slúžia ako vstup do prediktívnych nástrojov a preventívnych stratégií.

Cloud Computing

Cloud Computing možno charakterizovať ako poskytovanie služieb alebo programov uložených na serveroch na Internete s tým, že používatelia k nim môžu pristupovať napríklad pomocou webového prehliadača alebo klienta danej aplikácie, a používať prakticky odkiaľkoľvek. Používatelia neplatia (za predpokladu, že je služba platená) za vlastný softvér, ale za jeho použitie. Ponuka aplikácií sa pohybuje od kancelárskych aplikácií, cez systémy pre distribuované výpočty, až po operačné systémy prevádzkované v prehliadačoch, ako je napríklad eyeOS, Cloud alebo iCloud.

Všeobecne akceptované modely služieb cloud computingu:

  • Software as a Service (SaaS) – Softvér ako služba
  • Platform as a Service (PaaS) – Platforma ako služba
  • Infrastructure as a Service (IaaS) – Infraštruktúra ako služba

Jednoznačnou výhodou je nielen redukcia počiatočných nákladov na nákup hardvéru, ale tiež zbavenie sa zodpovednosti za prevádzku serverov, jeho napájanie či chladenie. Zákazník sa nestará o to, kde jeho aplikácia beží, ale zaujíma ho jedine jej dostupnosť.

Podniky sa obávajú najmä toho, čo sa stane s ich údajmi. V Európe je nepísaným pravidlom a zároveň jedným z hlavných kritérií, aby poskytovateľ cloudových služieb mal certifikáciu informačnej bezpečnosti, napríklad podľa najnovšieho štandardu ISO/IEC 27001:2013, ktoré je garanciou vysokej úrovne informačnej bezpečnosti dát.

Výkonný riaditeľ Unitech Nigel Gibbons uviedol, že malé a stredné podniky v Európe prichádzajú až o 1,2 miliardy eur zo svojich ziskov tým, že nevyužívajú možnosti Cloud Computingu.

Product Lifecycle Management Systems

Product Lifecycle Management  (PLM) – riadenie životného cyklu výrobku, je systém určený na riadenie detailných informácií o jeho konštrukčnom riešení, vlastnostiach, spôsobe výroby i o používaní. Umožňuje integrovať dáta, procesy, obchodné systémy a aj ľudí vo vertikálnom prepojení vo vnútri firmy, i horizontálnej integrácii dodávateľov, výrobcu a zákazníkov. PLM softvér umožňuje účinne a efektívne riadiť tieto informácie počas celého životného cyklu výrobku, od prvotného nápadu, návrhu a výroby cez službu a likvidáciu.

PLM systémy integrujú návrhové CAD/CAE/CAM systémy, systémy určené pre detailný návrh výrobných riešení a procesov tzv. Digital Manufacturing, nástroje pre správu dát a dokumentácie Product Data Management systémy, systémy určené na riadenie kvality, testovanie, riadenie údržby a podobne.

Na PLM možno pozerať súčasne ako na informačnú stratégiu i ako podnikovú stratégiu. Ako informačná stratégia vytvára ucelenú štruktúru dát integráciou rozmanitých systémov. Ako podniková stratégia umožňuje firmám pracovať ako jeden tím pri vývoji, výrobe, podpore a vyraďovaní  výrobkov, zatiaľ čo zachytáva najlepšie postupy a skúsenosti počas života výrobku. To umožňuje, aby všetci pracovníci vo firme pracovali s jednotnými informáciami počas všetkých fáz životného cyklu výrobku.

PLM riešenie vytvára súdržnú digitálnu platformu:

  • optimalizuje vzťahy pozdĺž celého životného cyklu výrobku a naprieč celou firmou
  • zriaďuje jednotný systém uchovávania záznamov na podporu rôznych potrebných údajov, aby správni ľudia videli správne informácie v správnom čase a v správnom kontexte
  • maximalizuje celkovú hodnotu vášho produktového portfólia
  • zvyšuje príjmy cez opakovateľné procesy

Industry4-Product-Lifecycle-Management-graf-zivotny-cyklus-produktu-digitalne-dvojca

Digital Manufacturing

Digitálna výroba predstavuje použitie integrovaného počítačového systému zloženého zo simulácie, trojrozmernej (3D) vizualizácie, analýz a rôznych nástrojov určených pre spoluprácu pri tvorbe výrobku a výrobného procesu súčasne. Digitálna výroba sa vyvinula z výrobných iniciatív, ako je konštruovanie pre výrobu (Design for Manufacturing – DFM), počítačovo integrovaná výroba (CIM), flexibilná výroba, štíhla výroba a ďalších, ktoré zdôrazňujú potrebu väčšej spolupráce pri návrhu výrobkov a procesov.

Mnoho z dlhodobých výhod riadenia životného cyklu výrobku (PLM) nemožno dosiahnuť bez komplexnej digitálnej výrobnej stratégie. Digitálna výroba je kľúčovým bodom integrácie medzi PLM a rôznymi dielenskými aplikáciami a zariadeniami, umožňujúca výmenu informácií o výrobkoch súvisiacich medzi konštrukčnými a výrobnými skupinami. Toto usporiadanie umožňuje výrobným spoločnostiam dosiahnuť potrebný termín vstupu na trh, objemové ciele, ako aj úspory znižovaním následných nákladných zmien.

Digitálne výrobné systémy umožňujú technológom vytvoriť kompletnú definíciu výrobného procesu vo virtuálnom prostredí, vrátane:

  • náradia
  • výrobných liniek
  • pracovísk
  • logistiky
  • ergonómie

Simuláciu výrobných procesov možno vykonávať s úmyslom znovu použiť doterajšie poznatky, a optimalizovať procesy pred tým, ako sú výrobky vyrábané. Digitálna výroba umožňuje aj spätnú väzbu skutočných výrobných operácií, aby boli začlenené do procesu návrhu výrobku, umožňuje spoločnostiam využiť skutočné usporiadanie dielní vo fáze plánovania.

Súčasné iniciatívy pri vývoji digitálnych výrobných nástrojov zahŕňajú zlepšenie užívateľských skúseností, takže informácie sú uvedené v rámci úloh, ktoré umožňujú užívateľom, aby sa lepšie a rýchlejšie rozhodovali. Boli podniknuté kroky na poskytnutie priameho prepojenia na dielenský hardvér, ako sú napríklad programovateľné automaty (PLC), riadiace zariadenia, počítačové číslicovo riadené (CNC stroje) a ďalšie. Tiež boli vyvinuté jednotné platformy pre riadenie PLM a aj Manufacturing Execution System (MES) informácií.

Príklady Digital Manufacturing aplikácií:
Digitálna výroba sa používa v rôznych priemyselných odvetviach. Automobilový výrobca (OEM) môže navrhnúť celý výrobný proces digitálne (výrobu nástrojov, obrábanie, postup montáže a rozvrhnutie výroby), a súčasne konštruktéri pracujú na ďalších úlohách. Technológovia sú schopní poskytnúť konštruktérom okamžitú spätnú väzbu o tom, či existujú nejaké obmedzenia vo vyrobiteľnosti. Tento druh spolupráce medzi výrobnými inžiniermi a konštruktérmi vytvára ucelený pohľad na plánovanie výroby a procesov.
Dodávateľ High-tech môže používať digitálny výrobný systém na vytvorenie 3D simulácie kompletnej výrobnej linky, a analyzovať rôzne výrobné varianty a koncepty ako súčasť kapacitného nastavenia procesu (RFQ). Tento druh transparentnosti a presnosti pri plánovaní a príprave návrhu môže pomôcť tejto spoločnosti získať väčšiu dôveru zákazníkov, a v konečnom dôsledku mu pomôcť získať zákazku.

Digital Twin

Digital Twin – Digitálne dvojča predstavuje digitálnu kópiu fyzického objektu (výrobku a/alebo výroby), ktorý môže byť použitý na rozmanité účely. Digitálne dvojča spracováva dáta zo senzorov inštalovaných vo fyzických objektoch, ktoré využíva obvykle na optimalizáciu činnosti týchto fyzických objektov.

digitalne-dvojca-a-realny-svet-graf-industry4Koncept Digitálneho dvojčaťa obsahuje tri hlavné časti:

  • fyzické produkty v reálnom priestore
  • virtuálne produkty vo virtuálnom priestore
  • pripojenie dát a informácií, ktoré zviaže virtuálne a skutočné produkty dohromady

Poslaním digitálneho dvojčaťa na výrobku je vytvárať, testovať a vyrábať výrobok vo virtuálnom prostredí. Až keď je výrobok digitálne pripravený, zaháji sa jeho fyzická výroba. Následne sa zložitejšie fyzické výrobky prostredníctvom senzorov previažu späť do svojho digitálneho dvojčaťa, takže digitálne dvojča obsahuje všetky prevádzkové informácie, ktoré slúžia na optimalizovanie práce výrobku. Digitálne dvojča sa často používa na monitorovanie, diagnostiku a prognostiku, napríklad turbína elektrárne, letecký motor, výrobné zariadenie a pod.

Digitálne dvojča sa používa aj na riadenie výrobných procesov. Nástrojmi PLM a DM sa vytvorí digitálny model výroby, odsimuluje sa, všetky procesy a činnosti sa detailne zoptimalizujú, a na tomto základe sa vytvorí fyzická výroba. Po spustení výroby sa snímajú dáta z výrobného procesu, tieto sa vyhodnocujú, neustále optimalizujú, a postupným iteratívnym spôsobom zefektívňujú. Digitálne dvojča je základným nástrojom Industry 4.0 pre zvyšovanie prevádzkovej efektívnosti výrob.

Exponenciálne technológie

Jedným zo základných pilierov Industry 4.0 sú exponenciálne technológie. Exponenciálnymi sa nazývajú preto, lebo prinášajú prudký rast produktivity a efektívnosti.

Exponenciálne technológie Biotechnológie
Neurotechnológie
Nanotechnológie
Nové energie
ICT a mobilné technológie
3D tlač
Senzoring
Umelá inteligencia
Pokročilá robotika
Drony

Niektoré z týchto technológií sa stávajú každodennou súčasťou priemyslu ako napr. ICT a mobilné technológie, 3D tlač, robotika. Roboty dnes „vychádzajú“ z klietok, a začínajú aktívne spolupracovať s človekom na jednom pracovisku, kde robot odstraňuje rutinné činnosti, a úlohou človeka je reagovať  na zmeny a rozmanitosť aktivít. Týmto sa prekonávajú obmedzenia čisto robotizovaných alebo čisto ľudských pracovísk. Aditívne technológie (3D tlač) sa stávajú aktívnou súčasťou priemyselných výrob, v poslednom období prudko rastie ich produktivita a využiteľnosť aj vo výrobách s vyššou opakovateľnosťou. V oblasti logistiky sa javia drony ako radikálna zmena, ľudstvo však musí zvládnuť ešte niektoré technologické a legislatívne prekážky.

Niektoré z exponenciálnych technológií sú zatiaľ viac v laboratórnych podmienkach, a ich praktické aplikácie sa očakávajú rádovo v rokoch. Sú to napríklad nanotechnológie, neurotechnológie, umelá inteligencia a podobne.