titulnyRastúce prepojenie internetu všetkého a hodnotového reťazca podniku vytvorilo predpoklady pre vznik priemyselnej revolúcie blízkej budúcnosti s názvom Priemysel 4.0. Hoci Priemysel 4.0 je v súčasnosti najvyššou prioritou pre mnoho firiem, výskumných centier a vysokých škôl, všeobecne prijímané chápanie tohto pojmu neexistuje.


Výsledkom diskusií na túto tému na akademickej úrovni je implementačná stratégia pre priemysel 4.0. Cieľom tohto príspevku je priniesť úvod do problematiky súčasného fenoménu IKT technológie, akým je kyberneticko-fyzický svet implementovaný v prostredí priemyselnej výroby. V príspevku sú uvedené základné informácie o referenčnom modeli ako modelovacom rámci pre priemysel 4.0.
Spolu s rozsiahlymi technicko-ekonomickými zmenami, často označovanými pojmom Priemysel 4.0, sa zákonite vynárajú otázky potreby implementácie moderných technológií. Pre implementáciu tejto platformy bola v nemeckých podmienkach spracovaná stratégia implementácie (organizáciami Bitkom, VDMA, ZVEI) a modelovací rámec pre modelovanie podnikových a výrobných operácií.

* * * * *
Referenčný rámec – aspekty:
- horizontálna integrácia,
- vertikálna integrácia,
- konzistentný návrh,
- človek – hlavný tvorca hodnoty.
* * * * *

Vďaka technickému vývoju v oblasti senzoriky rastie počet fyzických objektov vybavených inteligentným senzorom a vďaka tomu rastie aj integrácia fyzického a virtuálneho sveta výrobných technológií. Táto integrácia vytvára predpoklady pre dostupnosť všetkým relevantných informácií v reálnom čase prostredníctvom sietí výrobných operácií a služieb, ktoré sa podieľajú na tvorbe hodnoty výrobku. Vytvára predpoklady pre vytvorenie najlepšieho spôsobu tvorby hodnoty výrobku. Inovácia priemyselných technológií označovaných aj ako Priemysel 4.0 je teda komplexná optimalizácia kľúčových priemyselných procesov: vývoja, výroby, logistiky a služieb.

ilu2

Referenčný model
Pre realizáciu uvedenej stratégie je okrem iného kľúčový aj referenčný rámec označovaný ako RAMI 4.0 (Reference Architecture model Industry 4.0, skr. I 4.0). Autori referenčného modelu vychádzali zo štyroch hlavných aspektov, ktoré musí referenčný rámec spĺňať: horizontálna integrácia (medzinárodne vytváraný hodnotový reťazec), vertikálna integrácia (vysoká pružnosť výroby až po úroveň kusovej výroby), konzistentný návrh (digitálna továreň rozšírená na celý životný cyklus), človek ako hlavný tvorca hodnoty (technické systémy sú podriadené potrebám ľudí).
Pretože do procesov I 4.0 popísaných modelom RAMI 4.0 vstupuje mnoho subjektov z rôznych priemyselných odvetví, umožňuje model RAMI 4.0 pohľad z niekoľkých uhlov pohľadu (Layers). Preto sú na vertikálnej osi modelu špecifikované aspekty, z ktorých je I 4.0 vnímaný (aspekt obchodný, pohľad z aspektu funkčnosti, informácií, komunikácie, schopnosti integrácie jednotlivých komponentov).
Veľmi dôležitým kritériom v modernom inžinieringu je životný cyklus výrobku s jeho hodnotovým tokom (Life cycle & Value stream). Toto vyjadruje ľavá horizontálna os RAMI 4.0. Sú na nej vyjadrené také závislosti ako zber dát počas životného cyklu a pod. Práve totálna digitalizácia celého reťazca vývoj – predaj ponúka veľký potenciál pre zlepšenie produktu, strojov a ďalších úrovní I4.0 architektúry počas celého životného cyklu. Tento pohľad korešponduje so štandardom IEC 62890.
Ďalšia os modelu (Hierarchy levels) popisuje funkcie akéhokoľvek komponentu v I 4.0. Pritom popisuje funkčné vlastnosti komponentov, ale nie sú to špecifikácie pre implementáciu, ale popis súborov týchto funkcií. Táto os rešpektuje oba štandardy IEC 62264 a IEC 61512. Tie sú však určené pre špecifikáciu komponentov len v jednom podniku, resp. závodu. Preto pravá horizontálna os končí úrovňou „Spojenie s okolitým svetom“ (Connected World), aby reprezentovala aj pohľad na funkčnosť komponentu z iných úrovní, než z úrovne jedného závodu (obr. 1).

šeminsky obrazok 1
Obr. 1: Reference Model Industrie 4.0 (spracované podľa podľa ZVEI) [1]

 

Funkcie vrstiev na vertikálnej osi
Vrstvu objektov (asset) reprezentujú fyzicky existujúce výrobné stroje, zariadenia, technická a výrobná dokumentácia, dáta, ale aj pracovníci so svojimi znalosťami a skúsenosťami. Tieto fyzické časti výroby sú prepojené s virtuálnou realitou okolia cez integračnú vrstvu. Pasívne napojenie fyzických systémov na vyššiu integračnú vrstvu môže byť realizované pomocou QR kódu.

Integračná vrstva
Integračná vrstva poskytuje informácie o vrstve fyzických objektov vo forme, ktorá umožňuje počítačové spracovanie ((fyzické komponenty/hardware, dokumenty/software, atď., počítačové riadenie výrobných procesov, generovanie udalostí z nižšej vrstvy. Táto vrstva obsahuje prvky na prepojenie do kybernetického priestoru ako snímače RFID, senzory a pod. Aj ľudia sú súčasťou funkcií integračnej vrstvy (HMI). Každá dôležitá udalosť (event) má svoj obraz vo virtuálnom svete prostredníctvom integračnej vrstvy. Relevantné udalosti môžu zároveň spustiť udalosti smerujúce do informačnej vrstvy prostredníctvom komunikačnej vrstvy.

Komunikačná vrstva
Komunikačná vrstva štandardizuje komunikáciu prostredníctvom univerzálneho formátu dát smerom k informačnej vrstve. Poskytuje aj služby pre riadenie integračnej vrstvy.
Informačná vrstva predstavuje runtime prostredie pre predspracovanie udalostí, vykonáva pravidlá založené na udalostiach, umožňuje formálny popis pravidiel a predbežné spracovanie udalostí. Pravidlá sú tu aplikované pre jednu alebo viac udalostí na generovanie jednej alebo viacerých ďalších akcií, ktoré potom iniciujú spracovanie vo funkčnej vrstve. Ďalšími funkciami informačnej vrstvy sú preto udržanie integrity dát, udržanie konzistentnej integrácie rôznych dát, odvodenie nových dát (dáta – informácia – znalosť), poskytovanie štruktúrovaných dát prostredníctvom servisného rozhrania, príjem udalostí a ich transformácia pre funkčnú vrstvu.

ilu3

Funkčná vrstva
Funkčná vrstva umožňuje formalizovaný popis funkcií a vytvára platformu pre horizontálnu integráciu rôznych funkcií. Predstavuje prostredie pre fungovanie a modelovanie služieb, ako aj pre podporu obchodných procesov a obsahuje prostredie pre fungovanie aplikácií a ich technickú funkčnosť. Vzdialený prístup a horizontálna integrácia sa môže realizovať iba v tejto vrstve, pretože je nutné udržať integritu dát.
Vrstva obchodných operácií zabezpečuje integritu funkcií v hodnotovom toku, umožňuje mapovanie obchodných modelov a celkového procesu. Obsahuje zákonný a regulačný rámec a umožňuje modelovanie pravidiel, ktoré musí systém rešpektovať. Táto vrstva tiež prepája rôzne obchodné procesy.

Funkcie vrstiev na ľavej horizontálnej osi
Ľavá horizontálna os modelu RAMI 4.0 reprezentuje životný cyklus a hodnotový tok priemyselnej výroby. Táto os je rozdelená na dve časti – na časť Typ a časť Obchodný prípad (Instance).
Typ každého produktu reprezentuje ideu a spôsob realizácie. Typ obsahuje pravidlá výskumu, vývoja a testovania až po výrobu prototypu. Po schválení je Typ uvoľnený pre výrobu. Typ takto predstavuje podklad pre výrobu.
Každý vyrábaný produkt reprezentuje obchodný prípad príslušného typu má napríklad jedinečné sériové číslo.
Horizontálna os RAMI 4,0 reprezentuje aj hodnotový tok. Digitalizácia hodnotového toku predstavuje veľký potenciál pre vylepšovanie existujúcich výrobkov a umožňuje analýzy nákladov v celom logistickom reťazci. To predstavuje veľký potenciál pre uplatnenie štíhlej výroby – životný cyklus výrobku môže byť z toho dôvodu vnímaný v súvislostiach s procesom tvorby pridanej hodnoty a nie izolovane, ako je to v súčasnosti.
Pre funkcie na ľavej horizontálnej osi sa pripravuje štandard IEC 62890:2016 (Draft) Life-cycle management for systems and products used in industrial-process measurement, control and automation.

ilu1

Funkcie vrstiev na pravej horizontálnej osi
Funkcie na pravej horizontálnej osi modelovacieho rámca prinášajú zmeny do klasickej hierarchickej riadiacej štruktúry (pyramída) informačných systémov pre plánovanie a riadenie výrobných procesov.
Pre klasickú časť pyramídy (riadiace systémy technologických procesov, výrobné systémy a linky až po úroveň závodu sa predpokladá prevzatie existujúcich štandardov IEC 61512 (IEC 61512-1:1997 Batch control - Part 1: Models and terminology, IEC 61512-2:2001 Batch control - Part 2: Data structures and guidelines for languages, IEC 61512-3:2008 Batch control - Part 3: General and site recipe models and representation, IEC 61512-4:2009 Batch control - Part 4: Batch production records.
Pre potreby realizácie I 4.0 dochádza k rozšíreniu dátového prepojenia smerom k objektu výroby (vrstva Product) prostredníctvom prístrojového vybavenia riadiacich systémov na výrobnej ploche, a preto je potrebné toto prepojenie štandardizovať.
Podobne je potrebné vytvoriť podmienky na rozšírenie priemyselnej komunikácie smerom do internetu (vrstva Connected World).
Pre podmienky rozšírenej výroby sa postupne vytvárajú štandardy IEC 62264 (IEC 62264-1:2013 Enterprise-control system integration - Part 1: Models and terminology, IEC 62264-2:2013 Enterprise-control system integration - Part 2: Object and attributes for enterprise-control system integration, IEC 62264-3:2016 Enterprise-control system integration - Part 3: Activity models of manufacturing operations management, IEC 62264-4:2015 Enterprise-control system integration - Part 4: Objects models attributes for manufacturing operations management integration, IEC 62264-5:2016 Enterprise-control system integration - Part 5: Business to manufacturing transactions, IEC PAS 62264-6:2016 Enterprise-control system integration - Part 6: Messaging Service Model).
Základným elementom systémov pre Priemysel 4.0 je tzv. Industrie 4.0 component. Tento I4.0 komponent je model popisujúci reálnu entitu výrobného procesu (podľa úrovne detailu senzor, aktuátor až po závod), ďalej výrobok alebo všetky IP podniku. Model I4.0 komponentu je realizovaný pomocou tzv. „Administration Shell“, čo je 3D model reálneho objektu a dáta popisujúce jeho vlastnosti, všetky dáta vytvorené počas výrobného procesu. Dáta vytvorené v rámci Administration Shell sú priebežne ukladané a aktualizované v podnikovej databáze a dostupné počas celého životného cyklu výrobku.
„Reference Architecture Model Industry RAMI 4.0“ sa stal základom pre nemeckú normu DIN SPEC 91345 [2].

Spracované s podporou Slovenskej grantovej agentúry VEGA 1/0182/15 Výskum stratégií súradnicového merania povrchov voľných tvarov dotykovým a bezdotykovým meracím systémom“.

TEXT JAROSLAV ŠEMINSKÝ FOTO ARCHÍV REDAKCIE

LITERATÚRA
[1] VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik. Status Report: Reference Architecture Model Industrie 4.0 (RAMI4.0) (Vol. 0). (2015). Dostupné: http://www.zvei.org/Downloads/Automation/5305
[2] DIN SPEC 91345 Referenzarchitekturmodell Industrie 4.0 (RAMI4.0)