Transformace znamená úspěch. Ať se vaše digitální továrna stane skutečností

Zajímá vás, jak funguje digitální továrna? Článek sleduje paralelu mezi činností digitální továrny a procesy v lidském těle, zatímco data zde bude spojovat s jeho „životní sílou“.

Pojďte společně s námi prozkoumat, jak na základě inteligentních systémů řešených přímo na místě docílit efektivního provozu výrobního závodu.

Digitální továrna, jejíž činnost bude neodmyslitelně spojena s daty, reprezentuje systém jednotlivých součástí, které společně pracují tak, aby zde optimalizovaly provozní účinnost. Do určité míry to lze připodobnit i k lidskému tělu. Senzory slouží coby oči a uši, které centrálnímu kontroléru, resp. mozku, umožní uvědomovat si dění okolo sebe. Akční členy zase fungují jako sval s předpokladem k realizaci potřebných změn. A síť řešící vzájemnou propojitelnost lze konečně považovat za nervový systém rozvedený po lidském těle, zatímco kůže zde symbolizuje technologie pro zajištění kyberbezpečnosti, tak důležité při ochraně dat.

Digitální továrna a její přínos

Dříve než u digitální továrny prozkoumáme jednotlivé součásti, ukažme si nejprve její výhody. Smysl zde přitom spočívá v zajištění vyšší produktivity, což také danou oblast výroby transformuje. Nově získané pochopení plynoucí z ekosystému digitální továrny napomáhá rozhodování v reálném čase. To se následně promítá do vyšší kvality produktů a rostoucí celkové provozní účinnosti, kdy vše dále završíme dlouhodobě udržitelnějšími výrobními procesy. Pokud uvážíme, že průmyslový sektor stojí přibližně za polovinou celosvětové spotřeby energie [1], bude pro výrobce skloňující nulové emise tvořit digitálně propojená továrna samotné jádro zmíněné transformace.

Kromě výhod spojených s udržitelností nabídne digitální továrna flexibilitu a také možnost konfigurace v reálném čase, takže lze rychle reagovat na postupné změny, pokud jde o požadavky zákazníků. V oblasti zdravotnické péče pozorujeme např. rostoucí zájem o nástroje uzpůsobené osobním potřebám, jako jsou kloubní implantáty vyráběné metodou 3D tisku, které odpovídají stavbě těla konkrétního pacienta. Továrny začínají více skloňovat modularitu, zatímco se jejich výrobní prostory zmenšují a ještě lépe přizpůsobují. Sled procesů lze proto naplánovat či pozměnit v reálném čase, což dále zrychluje výrobu a v Evropě či Severní Americe umožňuje realizovat cenově konkurenceschopný onshoring.

Obr. 1  Digitální továrna a její „anatomie“

Data: životní síla digitální továrny

Ať již hovoříme o datech, která v továrně získáváme z různých zdrojů, v reálném čase či nikoli, bude je pokaždé zapotřebí rychle a spolehlivě analyzovat s přispěním inteligentních systémů řešených přímo na místě, tzn. tam, kde zmíněná data i vznikají, a na centrální úrovni také agregovat, takže lze získat holistický obraz kompletního provozu. Přehled o provozu, odvozený ze zmíněných dat, bude při dosahování plné provozní účinnosti továrny tvořit nedílnou součást.

Senzory: oči a uši digitální továrny

Abychom dokázali získávat potřebná data, bude zapotřebí zapojit větší počet senzorů a počítat přitom s různými přístupy, pokud jde o teplotu, tlak, průtok, přiblížení či vibrace. Pokud máme v provozu vše nepřetržitě snímat, měřit a také interpretovat, bez technologie zajišťující precizní měření a snímání se zkrátka neobejdeme. Díky technologii IO-Link^® se čidla stávají chytrými. Snímač tlaku lokálně rozhoduje o tom, zda u dané veličiny překračujeme požadovanou prahovou úroveň a kontroléru tak stačí poskytnout pouze jediný bit – binární proměnnou (ano, či ne). Jeden datový bit proto nahrazuje kompletní číslicovou hodnotu reprezentující skutečné měření tlaku. Díky lokálnímu rozhodování lze ušetřit čas potřebný ke komunikaci a zpracování výsledků, což také znamená efektivní distribuované řízení.

Akční členy: sval digitální továrny

Akční členy, mnohdy opomíjení hrdinové digitální továrny, slouží jako sval. To je pro splnění daného úkolu rozhodující. Zmíněné mechanismy se použijí při ovládání ventilů, pístů a dalších mechanických zařízení. Lze proto přesně řídit průtok média a zajistit, že každá část procesu bude mít k dispozici odpovídající objemy.

Jak snímače, tak i akční členy musí dobře snášet podmínky, ve kterých se nacházejí. Drsné prostředí továren zde totiž zahrnuje vystavení vysokým teplotám či elektromagnetickému vyzařování (viz také otázka kompatibility, EMC), stejně jako krátkodobé špičky u napájecího napětí nebo mechanické vibrace. Dalším klíčovým faktorem se pro systémy, které v daném místě zajišťují měření a také spouštění, stává dodávka energie. Pokud jde o dosahované vlastnosti, požadavky kladené na napájení se budou zvyšovat se zmenšujícími se snímači a akčními členy, když nám zároveň při sběru dat (zpracování signálu) roste přesnost i kvalita. Bude proto vyžadováno vysoce účinné řízení napájení s nízkým rušením, které dále nezabere tolik místa (rozhodující v případě často skloňovaných návrhů v omezeném prostoru). Bez nezbytné technologie napájení, navržené s ohledem na konkrétní potřeby měření, nelze v prostředí digitální továrny počítat s výhodami spojenými s možností konfigurace v reálném čase.

Obr. 2  K výhodám digitální továrny

Inteligence – na místě nebo i centrální: mozek digitální továrny

Digitální továrna si žádá lokální zařízení s rostoucí nabídkou funkcí a také vlastní „chytrosti“. Abychom tedy umožnili rozhodování přímo na místě, bude v rámci samotných obvodů zapotřebí provádět více výpočtů, včetně související analýzy. Pro účely zmíněné místní autonomie se proto neobejdeme bez lokálně řešených systémů umělé inteligence (AI) či strojového učení (ML), nízkopříkonových akcelerátorů, rostoucí velikosti paměti nebo i výkonu potřebného ke zpracování.

S lokálně řešenou inteligencí se rovněž pojí otázka slučování senzorů, kdy data z většího počtu různých typů čidel dokážeme zároveň kombinovat a dosáhnout přitom přesnějšího měření (což by v případě ojedinělých snímačů nebylo ani možné). Díky novým analogově-číslicovým převodníkům s vysokou přesností a také velkou šířkou pásma lze při monitorování s větším počtem senzorů používat jediný front-end a šetřit přitom jak místo, tak i energii. Technologie umělé inteligence umožňují neuronovým sítím pracovat v případě mikrokontroléru s mimořádně nízkou spotřebou, zatímco nízkopříkonové transmittery budou dále podporovat rozšířené schopnosti diagnostiky i na odlehlých místech daného provozu, často jako rozšíření chytré továrny.

Konektivita: nervový systém digitální továrny

Navzdory autonomii zařízení pracujících přímo v místě určení (edge) bude pro výrobce, kteří hodlají z obrovského množství dostupných dat vytěžit hodnotné informace vedoucí ke zvyšování produktivity, stále nejdůležitější právě schopnost přenést, analyzovat a také skloubit v rámci provozu zmíněná data se stávajícími informačními toky. K tomu je ale zapotřebí robustní průmyslová technologie pro zajištění vzájemné propojitelnosti, která bude úzce provázána i s časem a vyznačuje se dále krátkou prodlevou či nízkou vlastní spotřebou. 10BASE-T1L je standardem fyzické vrstvy ethernetu (IEEE 802.3cg-2019) definovaným tak, aby v průmyslové oblasti zásadně změnil automatizaci procesů tím, že na základě konzistentního ethernetového připojení ke koncovým zařízením, jako jsou snímače nebo akční členy, výrazně zlepší provozní účinnost podniku [2].

Obr. 3  Stavební bloky moderní digitální továrny

Síť pro informační technologie (IT) se dnes v provozech nasazuje na úrovni kanceláří či podniku. IT síť má obvykle na starosti záležitosti spojené s ukládáním dat, jejich analýzou a také obchodem. To je samozřejmě důležité, nicméně se zpravidla nejedná o natolik časově klíčovou výměnu dat jako v případě samotného provozu. Síť, kterou v továrně používají výrobní linky, označujeme jako řídicí síť provozních technologií (OT). V rámci zmíněné řídicí sítě se mohou přitom nacházet různé části výroby nebo i stroje, které často mívají jen omezenou schopnost vzájemně mezi sebou komunikovat.

Koncept sbližující se IT/OT sítě to ale v rámci digitální továrny celé změní. Nabízí zde totiž jednu unifikovanou tovární síť, kde budou veškerá zařízení, stroje či roboty připojené, vzájemně propojené a ještě k tomu „hovoří stejným jazykem“. S každým zařízením, které je adresovatelné přes IP, lze komunikovat v reálném čase nebo se k tomu alespoň přibližovat a bude rovněž konfigurováno nezávisle na dalších zařízeních v síti. Mezi klíčové technologie, které něco takového pro sbližující se sítě v digitální továrně umožňují, patří průmyslový ethernet, TSN (time sensitive networking), Ethernet-APL (advanced physical layer) a IO-Link. Společně se všemi zařízeními, které hovoří stejným jazykem vrstvy 2, lze nyní řídit jak IT, tak i OT části sítě a používat přitom shodné ovládání a také systém pro správu sítě, zatímco dále respektujeme datový provoz provozní sítě, kde bude důležité právě časové hledisko. Výsledné řešení sítě, ať již v případě datového provozu, který je citlivý na čas, či nikoli, se následně promítá do rostoucí šířky pásma, takže lze zaručit přenos dat, který nebude zatížen zpožděním, což je také rozhodující pro vysokou kvalitu produktů a provozní účinnost výrobního závodu. Příležitosti k dalšímu rozšiřování jsou díky sbližování sítí OT a IT prakticky bez omezení.

Obr. 4  Autonomní řešení přímo na místě s využitím inteligentních senzorů

Kyberbezpečnost: vrstva kůže pro ochranu dat v důvěryhodné digitální továrně

S rostoucí mírou vzájemné propojitelnosti přichází též potřeba zesíleného zabezpečení dat, protože jsou lidé, technologie, procesy nebo i duševní vlastnictví v prostřední chytrých továren vystaveni kyberútokům. Znamená to tedy potřebu funkcí typu bezpečného bootování, zabezpečených aktualizací softwaru, ověřování pravosti přenosu nebo hardwarového „root of trust“. Při zabezpečení sítě bude rozhodující ověření pravosti každého nového zařízení, které se zde snaží připojit. Zahrnuje to kontrolu, že zařízení je skutečně pravé. Teprve pak lze povolit jakoukoli síťovou akci. Podobně jako v případě autentizace se dále neobejdeme ani bez dobře chráněného bootování, čímž zajišťujeme, že u nasazeného zařízení poběží jen program pocházející z důvěryhodného zdroje. K ověření digitálního podpisu firmwaru se využije šifrování s veřejným klíčem.

Jaká řešení jsou dnes k dispozici?

Firma Analog Devices byla vždy ceněna pro své inovativní precizní technologie použité ke snímání, měření a také pečlivému řízení zařízení nasazovaných ve všech částech továren. V kombinaci se širokou nabídkou z oblasti průmyslové konektivity a napájení a také dalšími možnostmi digitálních systémů, včetně zkušeností s umělou inteligencí, se mohou v ADI pochlubit potřebnou odborností, se kterou se pokročilé schopnosti digitální továrny stanou skutečností.

- Vícekanálové A/D převodníky typu sigma-delta s malou šířkou pásma, jako je i rodina obvodů AD4130, integrují kompletní analogový front-end, takže lze snadno zajistit rozhraní s různými typy senzorů. Umožnuje to spojení (fúzi) senzorů s pokročilou diagnostikou, kdy podporujeme lokální detekci poruchy a rychlé rozhodování.

- MAC-PHY (10BASE-T1L) ADIN1110 s vůbec nejnižší spotřebou energie a také související PHY ADIN1100 umožňují přechod k hladce propojeným zařízením, kdy se Ethernet-APL dostává bez výjimky až k systému provádějícímu zpracování přímo na místě (1,7 km ethernetového kabelu s jediným párem).

- Z pohledu kyberbezpečnosti umožňují hardwarová řešení na klíč u daných produktů jednoduše vyřešit zabezpečení dat. DS28S60 a MAXQ1065 jsou bezpečnostní integrované obvody s mimořádně nízkou spotřebou energie, které zajistí šifrování s veřejným klíčem i v návrzích s nejpřísnějším omezením, pokud jde o spotřebu či výpočetní prostředky.

- Mikrokontrolér MAX78000 s podporou AI umožní neuronovým sítím dosahovat mimořádně nízké spotřeby energie a realizovat výstupy spojené s umělou inteligencí přímo na místě.

Obr. 5  Sbližování IT/OT v rámci digitální továrny

Na cestě k digitálním továrnám všude okolo nás

Průzkumy ukazují, že 85 % firem v uplynulých dvou až třech letech uspíšilo v rámci svých výrobních závodů digitální transformaci [3]. Plně digitální továrna není ale ani tak stále pravidlem. Přední výrobci sdružení pod hlavičkou Global Lighthouse Network (World Economic Forum) ukazují, jakým způsobem digitalizace a v tomto duchu řešené operace přináší výhody přesahující tradiční zvyšování produktivity, takže je vytvářen základ pro trvale udržitelný a blahodárný rozvoj. Zmínění výrobci pak budou vydělávat na rostoucí výkonnosti tím, že dostupnou kapacitu zpřístupní cestou nasazování inovativních technologií. Takové technologie zvyšují efektivitu a následně přináší též výsledky, které budou příznivé pro životní prostředí. Nakonec zde tedy pozorujeme dvojí výhodu – zvýšenou produktivitu společně s lepší udržitelností, což v podstatě znamená, že jsme ekologicky šetrní.

Závěr aneb ať se vaše digitální továrna stane skutečnou

Když digitální transformace začíná nabírat na obrátkách, otevírají se před podniky jak příležitosti, tak i náročné úkoly. Rostoucí efektivita se neobejde bez nových technologií, nicméně jejich zapracování již může být složité a vyžaduje promyšlenou realizaci. Pokud tedy máme zlepšit samotné fungování a neklást překážky možné efektivitě, bude v prvé řadě zapotřebí partnerů s hlubokými znalostmi v daném oboru. Taková spolupráce je přitom jádrem většiny robustních a také adaptabilních digitálních továren zítřka.

Odkazy

[1] Industrial Sector Energy Consumption. U.S. Energy Information Administration, 2016. Dostupné z https://www.eia.gov/outlooks/ieo/pdf/industrial.pdf

[2] Maurice O’Brien a Volker Goller. Enabling Seamless Ethernet to the Field with 10BASE-T1L Connectivity. Analog Devices, Inc. Dostupné z https://www.analog.com/en/technical-articles/enabling-seamless-ethernet-to-field-with-10base-t1l-connectivity.html

[3] Janet Foutty. How Digital Transformation - and A Challenging Environment - Are Building Agility and Resilience. Deloitte Insights, duben 2021. Dostupné z https://www2.deloitte.com/us/en/insights/industry/technology/focus-areas-to-accelerate-digital-transformation.html