Как производить больше, а тратить меньше? Вам помогут датчики, 3D-печать и другие «умные» технологии

Индустрия 4.0 – это подход к производству, когда внедряют информационные технологии в промышленность: на предприятиях, заводах и фабриках. Среди этих методов виртуальная реальность, 3D-печать, цифровые двойникиВиртуальный аналог реального объекта. и так далее.

В партнерском материале с Olsom MES-консультант компании Максим Ляшенко рассказывает, из каких еще технологий состоит концепция Индустрии 4.0 и как они помогают заводам и фабрикам улучшать процессы.

Как работает Индустрия 4.0

Когда руководство фабрик и заводов решает автоматизировать производство, то менеджмент впервые знакомится с концепцией Индустрии 4.0Полностью автоматизированные производства. Но не все понимают, какие именно технологии она объединяет и, самое главное, какой эффект они могут дать командам на производствах.

Максим Ляшенко, MES-консультант компании Olsom

Эту концепцию создала группа бизнесменов, политиков и ученых в 2011 году в Германии. Ее цель была в том, чтобы интегрировать «киберфизические системы» в процессы на заводах и превратить их в полноценные «умные фабрики». Со временем концепция прижилась по всему миру.

Индустрия 4.0 включает в себя определенные технологии, которые со временем могут меняться. Сейчас она состоит из таких компонентов:

• IoTИнтернет вещей – множество физических объектов, подключенных к интернету и обменивающихся данными., в том числе IIoTСистема объединенных компьютерных сетей и подключенных к ним производственных объектов.;
• big data;
• виртуальная и дополненная реальность;
• 3D-печать;
• блокчейн;
• цифровые двойникиВиртуальный аналог реального объекта.;
• квантовыеАльтернатива классическим алгоритмам, основанная на процессах квантовой физики. и облачныеПредоставление вычислительных ресурсов по запросу через интернет. вычисления.

Каждая из этих технологий развивается: где-то их используют широко, а где-то – в специализированных прикладных нишах, где эффект ощущают лучше всего.

Я расскажу о тех компонентах, которые сейчас можно эффективно применить в Украине. Прежде всего это 3D-печать, IIoT и цифровые двойники.

3D-печать

3D-печать позволяет создавать физические модели на основе цифровых, а потом и реальные объекты самых разных размеров. Суть технологии в том, что эти предметы воспроизводят постепенно и по слоям.

3D-принтер печатает с помощью определенных материалов. Эту технологию также называют быстрым прототипированием, или аддитивным производствомТехнология послойного наращивания.. Вот какие сейчас есть основные форматы 3D-печати:

• Метод наплавления – FDM. Одна из распространенных технологий 3D-печати. Аппарат подает нить расплавленного пластика, который складывается в слои. Технологию применяют в большинстве настольных 3D-принтеров, ее часто выбирают за цену и качество.
• Лазерная стереолитография – SLA. Жидкую фотополимерную смолу засвечивают лазером, и она твердеет – так формируется объект. Один из подвидов технологии – 3D-печать DLP, где вместо лазера применяют специальный проектор. Оба метода подходят для создания объектов, где нужна высокая детализация. При этом дополнительным плюсом DLP является скорость.
  SLA подходит для создания различной формообразующей оснастки, в том числе в литейном производстве, а также прототипов, которые могут использовать заводские лаборатории или отдел технического контроля и другие.
• Селективное лазерное спекание – SLS. Лазером плавят специальный порошок, послойно выстраивая объект. Этот метод применяют в промышленности, чтобы изготавливать прочные металлические элементы. Например, детали винтовых механизмов, разнообразные крепежные элементы и другое.

Также с помощью 3D-печати можно:

• Создавать на производствах технически целостные физические модели. Например, крылья летательных аппаратов, сложные детали двигателей и так далее.
• Проводить механические испытания деталей и проверять их на любые деформации: на разрыв, сжатие, сдвиг и другое.
• Быстро и доступно создавать объекты сложных форм без дополнительных сборочных операций. Например, моноблочный тормозной суппортОдин из основных элементов тормозной системы автомобиля..

IIoT

К интернету (промышленной сети) с одной стороны подключают оборудование, например, датчики и регулирующие устройства, а с другой – платформы для расширенной аналитики. Эти платформы обрабатывают данные, которые получают от подключенных устройств. Собранная информация помогает предотвращать потенциальные проблемы с оборудованием и работать без остановок, а также влиять на качество готового продукта.

С концепцией промышленного интернета вещей также тесно связана технология «умных датчиков», которые могут обмениваться большими объемами данных.

Современные устройства промышленного интернета вещей очень легко интегрировать в производство. Большинство современных «умных» устройств применяет протокол обмена MQTTЛегкий протокол обмена данными, созданный для их передачи на удаленных локациях.. Он выстроен на основе классического стека TCP/IPСетевая модель передачи данных, представленных в цифровом виде., это позволяет интегрировать датчики в уже существующие сети на базе интерфейса Ethernet. На такое внедрение уйдет на четверть времени меньше, чем в случае с обычными устройствами.

Кроме того, многие такие устройства обмена информации беспроводные, благодаря чему их довольно легко монтировать и вводить в эксплуатацию. При этом у них хороший ресурс питания.

Если вы внедрите необходимое количество измерительных устройств, то ощутите эффект. У вас будут расширенные объемы информации, и вы сможете глубоко анализировать весь производственный процесс.

Более того, у вас появляется возможность:

• Экономить топливо, сырье, материалы и другие ресурсы.
• Обезопасить работу объектов управленияЛюбой технический или технологический аппарат, в котором происходит какой-то физико-химический процесс и состоянием продукта которого нужно управлять.
• Повысить качество изделий или задать их параметры.
• Снизить затраты человеческого труда и оптимально использовать оборудование.
• Оптимизировать режимы работы технологического оборудования. Например, это могут быть маршруты обработки в дискретных производствах. В таком случае сборочные и другие операции должны идти в строгом порядке, чтобы готовый продукт был качественным.

Цифровые двойники

Эта технология тесно связана с компьютерным моделированием. Цифровой двойник – это виртуальный аналог реального объекта, компьютерная модель, которая в своих главных характеристиках дублирует его и способна воспроизводить его состояния при разных условиях.

Цифровой двойник – связующее звено между физическим миром и цифровой реальностью. Такие системы называют киберфизическими. Программные компоненты и физические процессы в них тесно связаны и влияют друг на друга.

Поэтому здесь не обойтись без того самого интернета вещей – множества датчиков, которые собирают информацию о работе оборудования, а также без машинного обучения, помогающего предсказать поведение системы в разных обстоятельствах.

Это особенно актуально, когда цифрового двойника создают для уже существующего производственного объекта управления, например, цеха водоподготовки в пищевом или фармацевтическом производстве. Досконально описать все процессы в формулах – очень сложная задача. Но если есть большой объем данных о том, как работала установка в определенный период, проще выявить закономерности в ее работе.

В самой идее цифрового двойника в промышленности нет ничего нового: расчеты и модели того, как будет вести себя какая-нибудь конструкция, например, теплообменник или буферный сборникЕмкость, в которой находится промежуточный продукт, с которым работают на заводе: например, сок сахарного производства., делали и раньше. Но лишь недавно появились вычислительные мощности, которые позволяют проводить расчеты в реальном времени. Кроме того, модели можно постоянно обновлять на основе данных, которые приходят с реальных объектов.

С помощью цифрового двойника на производстве можно:

• выбрать оптимальный режим работы для реального объекта после экспериментов с его цифровой копией;
• смоделировать нештатные режимы работы оборудования, в том числе на случай аварий;
• обучать персонал работать с дорогим и высокотехнологичным оборудованием и при этом не переживать за его сохранность.

Быстрый переход к «умному» производству

Технологии, которые мы перечислили, помогут фабрике, заводу и другим предприятиям полноценно перейти к «умному» производству.

Чтобы стать гибкими и масштабировать производство, важно иметь нужный уровень «вертикальной» интеграции, когда в один процесс объединяют все звенья производства. В этом поможет внедрение полноценных MESсистема управления производственными процессами. и ERP-системПланирование ресурсов предприятия..

Практически все технологии Индустрии 4.0 связаны с анализом и интерпретацией большого количества информации, поэтому именно MES сможет стать связующим софтом. Эта система поможет легко и быстро внедрить и масштабировать автоматизированные системы или подсистемы управления, которые уже есть и которые вы только планируете.