Дипломная работа: Тематический анализ исследований в области Индустрии 4.0

Четвертая промышленная революция означает внедрение цифровых технологий абсолютно во всех этапах и процессах производства:

Цифровое проектирование изделия

Создание цифровой копии изделия

Удаленная настройка оборудования на заводе

Автоматический заказ необходимых материалов в нужном количестве, а также контроль их поставки

Совместная работа сотрудников в едином информационном пространстве

Контроль пути готового продукта от склада завода до магазина и до конечного потребителя и т. д.

Внедрение технологий «Индустрии 4.0» лишь в некоторых производственных процессах не позволит организациям получить максимальную экономическую выгоду, так как нарушится принцип автономности. Это означает, что часть процессов будут выполняться сотрудниками, а это увеличит вероятность человеческих ошибок и приведет к росту расходов предприятия.

Для компаний, которые хотят внедрять сценарии четвертой промышленной революции на своих предприятиях, сформулированы основные принципы Индустрии 4.0:

Совместимость человека и машины, что означает возможность взаимодействовать напрямую через интернет вещей.

Прозрачность информации и способность систем создавать цифровую копию всех объектов, и функций компании для дальнейшего накопления полной и достоверной информации обо всех процессах, которые происходят с конечными продуктами, оборудованием и производством в целом. Такого рода информация должна собираться с помощью датчиков и сенсоров, которые взаимодействуют между собой.

Техническая поддержка. Суть данного принципа заключается в том, что информационные системы помогают людям принимать решения путем сбора и анализа информации. Также предполагается визуализация собранной информации для наилучшего восприятия. Этот принцип также может означать полное замещение людского труда при выполнении рутинных и опасных операций.

Децентрализация управленческих решений. Этот принцип характеризуется способностью систем самостоятельно и автономно принимать решения. При этом сотрудникам отводится роль контролеров, которые смогут вмешаться в процесс в нестандартных и экстренных ситуациях.

Результатом внедрения концепции «Индустрия 4.0», следуя данным принципам, будет являться изменение бизнес-моделей предприятия. Таким образом, компании будут стремиться внедрять выпуск персонализированной массовой продукции и переходить на выпуск партий с единственным продуктом. При этом принцип экономии будет сохраняться, так как исключается человеческий фактор, а, следовательно, уменьшается вероятность допущения ошибок. Также роботизированное производство более энергоэффективно и сопровождается меньшим количеством отходов и брака [4].

Примером реализации «умного производства» может служить завод Siemens, который производит контроллеры Simatic. На предприятии полностью автоматизированное производство, компоненты которого связаны друг с другом и заказчиком через интернет. Процесс производства описан на следующей схеме [5]:

С помощью RFID-меток производится удаленное отслеживание работы.

RFID-метки наносятся на модели. Затем они сообщают оборудованию о требованиях к каждой операции и технологическом маршруте.

Тысячи датчиков и сканеров в режиме реального времени регистрируют все выполняемые операции и их параметры, такие как место установки компонента, температура пайки, результаты испытаний и т. д. Каждый день регистрируются более 50 миллионов записей.

На основе собранных и проанализированных производственных данных люди принимают решения в режиме реального времени.

Конструкторско-технологические изменения, после согласования, передаются на этап изготовления в MES-систему.

Компания Siemens стала одной из первых организаций, которая внедрила у себя на заводе, полностью автоматизированное производство. Все производственные процессы компании выполняются согласно установленным требованиям. Информационные системы взаимодействуют между собой, передавая данные в режиме реального времени. Также системы могут самостоятельно принимать решения на основе проанализированных данных. Человек здесь играет роль контролера, а также выполняет процесс установки печатной платы на линию. Благодаря успешному взаимодействию информационных систем и человека, качество выпускаемой продукции в компании Siemens составляет 99,99%.

Таким образом, данная компания имеет более 60 тысяч заказчиков по всему миру ежегодно, производит более 1 миллиона контроллеров ежемесячно, имеет около 50 миллионов записей о состоянии производства в MES Simatic IT. Манипуляторы производят около 250 тысяч электронных компонентов в час. Также около 75% работ в этой компании выполняются станками и компьютерами (Таблица 2).

На примере производственного предприятия по изготовлению контроллеров, можно оценить, какие основные принципы Индустрии 4.0 были учтены при внедрении цифровых технологий. Следует отметить, что в данной компании автономное производство осуществляется практически на всех этапах изготовления продукции. Взаимодействие всех систем, оборудования и сотрудников компании происходит напрямую через интернет вещей в режиме реального времени. В производстве присутствует прозрачность информации, которая осуществляется за счет регистрации данных об операциях в системе MES Simatic IT. Также системы создают цифровые копии операций и технологических маршрутов. Информационные системы компании производят сбор и анализ производственных данных, после чего сотрудники принимают окончательное решение. Однако стоит отметить, что последний принцип концепции Индустрии 4.0 выполняется не в полной мере, так как системы этой компании всего лишь анализируют данные, но не принимают решения самостоятельно.

Таблица 2. Исполнители производственных процессов

Источник: Статья «Индустриальная революция 4.0» [5]

Таким образом, концепция Индустрии 4.0 заключается в использовании цифровых технологий во всех процессах и этапах производства, где сотрудникам при этом отводится роль контролеров. Также Индустрия 4.0 характеризуется внедрением «киберфизических систем» в процессы производства. Главной особенностью четвертой промышленной революции является взаимодействие всех систем, сотрудников и оборудования в одной сети, которая может самонастраиваться и учиться новым моделям поведения. Цифровые технологии должны внедряться практически на всех этапах и процессах производства, чтобы обеспечить автономность предприятия. Существуют основные принципы внедрения технологий Индустрии 4.0, которых должны придерживаться компании, желающие перейти на новый уровень промышленного производства.

1.3 Компоненты Индустрии 4.0

Благодаря развитию облачных технологий, устойчивых каналов связи и цифровых платформ, появились открытые информационные системы и глобальные промышленные сети, выходящие за рамки отдельного предприятия. Такие системы и сети оказывают огромное влияние на современный бизнес и выходят на новый уровень индустриализации.

Четвертая промышленная революция реализуется за счет внедрения цифровых технологий. Концепция Индустрии 4.0 заключается в использовании этих цифровых технологий в едином информационном пространстве. На сегодняшний день выявлены следующие основные элементы «Индустрии 4.0» [6]:

Большой объем данных и продвинутая аналитика. Для эффективного применения необходимо производить интеграцию данных из нескольких информационных систем. Большие данные считаются неотъемлемой частью Индустрии 4.0, так как одним из принципов четвертой промышленной революции является сбор и анализ большого количества данных.

Роботизация. Применение автономных роботов в промышленном производстве поможет снизить зависимость завода от стоимости рабочей силы. В основном в качестве такого рода роботов выступают различные датчики, сенсоры и технологически оснащенное оборудование. Предполагается, что данные роботы настраиваются и конструируются так, чтобы взаимодействовать между собой и сотрудниками.

Моделирование и прогнозирование. На сегодняшний день уже применяется виртуальное моделирование изделий, материалов, продуктов и даже процессов. В ближайшем будущем планируется расширение процесса моделирования для имитации полного цикла производственных процессов. Такого рода модели будут использовать данные в режиме реального времени для создания виртуальной копии реального производства с участием продуктов, машин и сотрудников.

Горизонтальная и вертикальная интеграция ИТ-систем. Концепция Индустрии 4.0 предполагает, что все подразделения в рамках одной компании и целые компании образуют единую цифровую экосистему. Данные обо всех протекающих процессах и этапах производства должны быть доступны авторизованным пользователям в режиме реального времени [7].

Интернет вещей (IoT) является ключевым элементом четвертой промышленной революции. Интернет вещей обеспечивает взаимосвязь оборудования, приборов и продуктов, которые объединены между собой и оптимизируют все цепочку создания стоимости.

Кибербезопасность. Четвертая промышленная революция предполагает переход на полностью цифровое и автономное производство. Наличие огромного количества информации и быстрой передачи данных между системами создает потребность в защите ключевых информационных систем.

Облачные вычисления и хранение данных. На сегодняшний день наблюдается рост вычислительных мощностей облачных платформ. Индустрия 4.0 предполагает переход систем мониторинга и контроля на облачные платформы, а также увеличение потоков обмена данными. Облачные вычисления дают такие преимущества, как экономичность работы, скорость обслуживания, массовый масштаб и доступность. Независимо от того, насколько далеко расположено облако, данные могут быть доступны в любой точке мира.

Аддитивное производство (3D-печать). Предполагается применение 3D-печати для прототипирования и создания отдельных компонентов, а также более широкое применение инструментов аддитивного производства для создания небольших партий продукции.

Дополненная реальность. В данный момент системы дополненной реальности используются в различных складах для оптимизации работы и подбора комплектующих. В будущем планируется использование данных систем для упрощения работы производственного персонала.

Ценность концепции Индустрии 4.0 заключается в объединении этих элементов в целостную экосистему. Многие из перечисленных элементов уже давно применяются на практике, только по отдельности. Но сочетание этих идей в одной единой концепции дает огромное преимущество компаниям, которые хотят внедрять технологии Индустрии 4.0 в своем производстве. Также объединение этих технологий делает Индустрию 4.0 перспективным направлением для развития промышленности.

Внедрение данных цифровых технологий приведет к коренным изменениям не только в бизнес-моделях промышленных предприятий, а также к переменам в целых отраслях. На сегодняшний день выявлены наиболее перспективные технологии, которые смогут изменить бизнес или целую индустрию (Рисунок 2).

Рисунок 2. Влияние наиболее прорывных технологий на бизнес и отрасль

Источник: Исследования компании PwC [5]

Наиболее перспективными цифровыми технологиями в данный момент являются интернет вещей и искусственный интеллект, как для бизнеса, так и для отрасли. Робототехника, искусственный интеллект и интернет вещей большее влияние оказывают на бизнес-модели организаций. Также следует отметить, что остальные технологии примерно в одинаковой степени влияют на бизнес и индустрию.

На сегодняшний день основной проблемой в промышленности, сельском хозяйстве, логистике и энергетике является отсутствие необходимого количества информации для оперативного принятия решений. Существующие процессы организаций выполняются таким образом, что полученная информация в большинстве случаев является не полной для принятия управленческих решений. Одна только наиболее прорывная технология «Интернет вещей» (IoT) может внести огромный вклад в основные отрасли экономики. Так, например, интернет вещей может привести к онлайн-управлению техническими процессами в производстве, а также к обслуживанию клиентов «по потребности». В логистике данная технология приведет к роботизированным складам и «умному» управлению транспортом. В энергетической отрасли появится возможность управлять затратами организации в зависимости от спроса потребителей на электричество. В сельском хозяйстве интернет вещей позволит интеллектуальным системам принимать решения самостоятельно на основе собранных данных, а управлять полями и теплицами будет возможно в онлайн-режиме. В IoT существует сеть устройств, где каждое устройство имеет свой уникальный код в компьютерной системе, к которой оно подключено. Устройства, подключенные к системе, могут управляться одновременно с высокой точностью и эффективностью. Именно так интернет вещей делает эту систему «умной», и это привело к промышленной революции, известной как Индустрия 4.0.