Як виготовляти більше, а витрачати менше? Вам допоможуть датчики, 3D-друк та інші «розумні» технології

Індустрія 4.0 – це підхід до виробництва, коли впроваджують інформаційні технології у промисловість: на підприємствах, заводах і фабриках. Серед цих методів віртуальна реальність, 3D-друк, цифрові двійники тощо.

У партнерському матеріалі з Olsom MES-консультант компанії Максим Ляшенко розповідає, з яких технологій складається концепція Індустрії 4.0 і як вони допомагають заводам і фабрикам покращувати процеси.

Як працює Індустрія 4.0

Коли керівництво фабрик і заводів вирішує автоматизувати виробництво, то менеджмент уперше знайомиться з концепцією Індустрії 4.0цілком автоматизовані виробництва.. Але не всі розуміють, які саме технології вона об’єднує і, найголовніше, який ефект вони можуть дати командам на виробництвах.

Максим Ляшенко, MES-консультант компанії Olsom

Цю концепцію створила група бізнесменів, політиків і науковців 2011 року в Німеччині. Її мета була в тому, щоб інтегрувати «кіберфізичні системи» у процеси на заводах і перетворити їх на повноцінні «розумні фабрики». Згодом концепція прижилася в усьому світі.

Індустрія 4.0 включає певні технології, які з часом можуть змінюватися. Наразі вона складається з таких компонентів:

• IoT, у тому числі IIoT;
• big data;
• віртуальна та доповнена реальність;
• 3D-друк;
• блокчейн;
• цифрові двійники;
• квантовіальтернатива класичним алгоритмам, заснована на процесах квантової фізики. та хмарнінадання обчислювальних ресурсів на запит через інтернет. обчислення.

Кожна із цих технологій розвивається: десь їх використовують широко, а десь – у спеціалізованих прикладних нішах, де ефект відчувають найкраще.

Я розповім про ті компоненти, які зараз можна ефективно застосувати в Україні. Насамперед це 3D-друк, IIoT і цифрові двійники.

3D-друк

3D-друк дозволяє створювати фізичні моделі на основі цифрових, а потім і реальні об’єкти різних розмірів. Суть технології в тому, що ці предмети відтворюють поступово та шар за шаром.

3D-принтер друкує певні матеріали. Цю технологію також називають швидким прототипуванням, або адитивним виробництвомтехнологія пошарового нарощування.. Ось які зараз є основні формати 3D-друку:

• Метод наплавлення – FDM. Одна з найпоширеніших технологій 3D-друку. Апарат подає нитку розплавленого пластику, що складається в шари. Технологію застосовують у більшості настільних 3D-принтерів, її часто вибирають за ціну та якість.
• Лазерна стереолітографія – SLA. Рідку фотополімерну смолу засвічують лазером, і вона твердне – так формується об’єкт. Один з підвидів технології – 3D-друк DLP, де замість лазера використовують спеціальний проєктор. Обидва методи підходять для створення об’єктів, де потрібна висока деталізація. Додатковим плюсом DLP є швидкість.
  SLA підходить для створення різного формоутворювального оснащення, у тому числі в ливарному виробництві, а також прототипів, які можуть використовувати заводські лабораторії або відділ технічного контролю та інші.
• Селективне лазерне спікання – SLS. Лазером плавлять спеціальний порошок, пошарово вибудовуючи об’єкт. Цей метод застосовують у промисловості, щоб виготовляти міцні металеві елементи. Наприклад, деталі гвинтових механізмів, різноманітні елементи кріплення тощо.

Також з допомогою 3D-друку можна:

• Створювати на виробництвах технічно цілісні фізичні моделі. Наприклад, крила літальних апаратів, складні деталі двигунів тощо.
• Проводити механічні випробування деталей і перевіряти їх на будь-які деформації: на розрив, стиснення, зсув та інше.
• Швидко та доступно створювати об’єкти складних форм без додаткових збиральних операцій. Наприклад, моноблочний гальмівний супортодин з основних елементів гальмівної системи автомобіля..

IIoT

До інтернету (промислової мережі) з одного боку під’єднують обладнання, наприклад датчики та регулювальні пристрої, а з іншого – платформи для розширеної аналітики. Ці платформи обробляють дані, які одержують від під’єднаних пристроїв. Зібрана інформація допомагає запобігати потенційним проблемам з обладнанням та працювати без зупинок, а також впливати на якість готового продукту.

З концепцією промислового інтернету речей також тісно пов’язана технологія «розумних датчиків», які можуть обмінюватися великими обсягами даних.

Сучасні пристрої промислового інтернету речей дуже легко інтегрувати у виробництво. Більшість сучасних «розумних» пристроїв застосовує протокол обміну MQTTлегкий протокол обміну даними, створений для їх передачі на віддалених локаціях.. Він збудований на основі класичного стека TCP/IPмережева модель передачі даних, представлених у цифровому вигляді.), це дозволяє інтегрувати датчики у вже наявні мережі на базі інтерфейсу Ethernet. На таке використання піде на чверть менше часу, ніж у випадку зі звичайними пристроями.

Крім того, багато таких пристроїв обміну інформацією бездротові, завдяки чому їх досить легко монтувати та вводити в експлуатацію. При цьому вони мають хороший ресурс живлення.

Якщо ви впровадите необхідну кількість вимірювальних пристроїв, відчуєте ефект. Ви матимете розширені обсяги інформації і зможете глибоко аналізувати весь виробничий процес.

Щобільше, у вас з’являється можливість:

• Заощаджувати паливо, сировину, матеріали та інші ресурси.
• Убезпечити роботу об’єктами управліннябудь-який технічний чи технологічний апарат, у якому відбувається якийсь фізико-хімічний процес і станом продукту якого потрібно керувати.
• Підвищити якість виробів або встановити їхні параметри.
• Зменшити витрати людської праці й оптимально використовувати обладнання.
• Оптимізувати режим роботи технологічного обладнання.
• Наприклад, це можуть бути маршрути обробки в дискретних виробництвах. У такому випадку збиральні та інші операції повинні йти у строгому порядку, щоб готовий продукт був якісним.

Цифрові двійники

Ця технологія тісно пов’язана з комп’ютерним моделюванням. Цифровий двійник – це віртуальний аналог реального об’єкта, комп’ютерна модель, яка у своїх головних характеристиках дублює його та здатна відтворювати його стани за різних умов.

Цифровий двійник – сполучна ланка між фізичним світом і цифровою реальністю. Такі системи називають кіберфізичними. Програмні компоненти та фізичні процеси в них тісно пов’язані і впливають один на одного.

Тому тут не обійтися без того самого інтернету речей – безліч датчиків, які збирають інформацію про роботу обладнання, а також без машинного навчання, що допомагає передбачити поведінку системи в різних обставинах.

Це особливо актуально, коли цифрового двійника створюють для наявного виробничого об’єкта управління, наприклад, цехи водопідготовки в харчовому або фармацевтичному виробництві. Докладно описати всі процеси у формулах – дуже складне завдання. Але якщо є великий обсяг даних про те, як працювало устаткування в певний період, простіше виявити закономірності у його роботі.

У самій ідеї цифрового двійника в промисловості немає нічого нового: розрахунки та моделі того, як поводитиметься якась конструкція, наприклад, теплообмінник або буферний збірникємність, у якій знаходиться проміжний продукт, з яким працюють на заводі: наприклад, сік цукрового виробництва., робили й раніше. Але нещодавно з’явилися обчислювальні потужності, які дозволяють проводити розрахунки в реальному часі. Крім того, моделі можна постійно оновлювати на основі даних, що надходять з реальних об’єктів.

З допомогою цифрового двійника на виробництві можна:

• вибрати оптимальний режим роботи для реального об’єкта після експериментів з його цифровою копією;
• змоделювати позаштатні режими роботи устаткування, зокрема в разі аварій;
• навчати персонал працювати з дорогим і високотехнологічним обладнанням і при цьому не переживати за його безпеку.

Швидкий перехід до «розумного» виробництва

Технології, які ми перерахували, допоможуть фабриці, заводу та іншим підприємствам повноцінно перейти до «розумного» виробництва.

Щоб стати гнучкими та масштабувати виробництво, важливо мати потрібний рівень «вертикальної» інтеграції, коли в один процес об’єднують усі ланки виробництва. У цьому допоможе впровадження повноцінних MESсистема управління виробничими процесами. та ERP-системпланування ресурсів підприємства..

Практично всі технології Індустрії 4.0 пов’язані з аналізом та інтерпретацією великої кількості інформації, тому саме MES зможе стати сполучним софтом. Ця система допоможе легко та швидко впровадити та масштабувати автоматизовані системи або підсистеми управління, які вже є та які ви тільки плануєте.