Кибер-физические системы: Движущая сила Индустрии 4.0

Принципиальная идея внедрения решений Индустрии 4.0 — усилить сотрудничество между различными отделами производственных компаний, делая правильную информацию доступной правильным людям в реальном времени. Цель — облегчить принятие соответствующих решений в нужное время, тем самым повышая эффективность и производительность.

Кибер-физические системы

Ключевым элементом внедрения концепций Индустрии 4.0 является идея кибер-физических систем (КФС). Термин «кибер-физические системы» был введен هيلен Гилл в Национальном научном фонде США.

Согласно Специальной публикации NIST 1500-201 Framework for Cyber-Physical Systems: Volume 1, Overview, кибер-физические системы — это умные системы, включающие спроектированные взаимодействующие сети физических и вычислительных компонентов. Публикация подчеркивает, что эти высоко взаимосвязанные и интегрированные системы предоставляют новые функциональности для улучшения качества жизни и технологических достижений в критических областях: персонализированное здравоохранение, экстренное реагирование, управление транспортными потоками, умное производство, оборона и внутренняя безопасность, энергоснабжение и использование. Таким образом, КФС имеют большой потенциал для обеспечения инновационных приложений и влияния на множество экономических секторов во всем мире.

Acatech (Национальная академия науки и инженерии, Германия) в своем отчете Cyber-Physical Systems описывает КФС следующим образом: кибер-физические системы — это системы со встроенным программным обеспечением (как часть устройств, зданий, средств транспорта, транспортных маршрутов, производственных систем, медицинских процессов, логистических процессов, процессов координации и управления). Кибер-физические системы:

• Непосредственно записывают физические данные с помощью датчиков и влияют на физические процессы с помощью актуаторов

• Оценивают и сохраняют записанные данные и активно или реактивно взаимодействуют как с физическим, так и цифровым миром

• Связаны друг с другом и в глобальных сетях через цифровые средства коммуникации

• Используют глобально доступные данные и сервисы

• Имеют серию выделенных, мультимодальных человеко-машинных интерфейсов

Результатом является обилие далеко идущих решений и приложений для всех областей нашей повседневной жизни.

Производство и кибер-физические системы

С точки зрения производственной отрасли, кибер-физическая система — это физическая сущность с доступом в интернет, такая как насос или компрессор, со встроенными компьютерами и компонентами управления, состоящими из датчиков и актуаторов. Такая сущность, которой присвоен IP-адрес, способна на самонаблюдение, генерацию информации о своем функционировании и общение с другими связанными сущностями или даже внешними. Это саморегулирующаяся и автономная операция.

В грядущие годы, по мере развития Четвертой промышленной революции, промышленные фирмы начнут все больше использовать принципы КФС для достижения операционного совершенства через улучшение производительности, эффективное развертывание всех ресурсов (включая материальные и человеческие), выполнение заказов клиентов и увеличение стоимости для акционеров. Предвидя это развитие, Клаус Шваб, основатель и исполнительный председатель Всемирного экономического форума, использовал термин «Четвертая промышленная революция» для описания этого тренда.

Фундамент Индустрии 4.0 был заложен во время Третьей промышленной революции, характеризующейся обширным применением электроники и компьютеров для автоматизации промышленных производственных процессов. Расширяющееся использование электроники и компьютеров способствовало снижению их цен, миниатюризации и надежности компьютеров и массивному росту вычислительной и обработки мощности. Цифровые и коммуникационные технологии начали сходиться. Мы стали свидетелями первых стадий развития граничных/облачных вычислений, Промышленного интернета вещей (ППИО), искусственного интеллекта (ИИ), автономных роботов и других. Интеграция цифровых технологий с промышленными технологиями должна трансформировать производство и помочь реализовать видение Индустрии 4.0.

Постулат Индустрии 4.0 заключается в том, что производственная компания сможет достичь более высокой эффективности, производительности и автономной операции производственных процессов, обеспечивая, чтобы станки/заводское оборудование, логистические системы, компоненты незавершенного производства и другие элементы (включая людей) непосредственно общаются друг с другом для достижения сотрудничества. Производственная компания, желающая согласовать свое видение с Индустрией 4.0, должна предпринять шаги для превращения существующих физических сущностей в кибер-физические системы.

На основе собственной оценки каждая компания должна определить станы, оборудование или другие физические системы своего промышленного завода, имеющие потенциал доставки максимальной ценности. Компания должна пойти дальше, чтобы интегрировать их с кибер-системами и эволюционировать в сеть кибер-физических систем. Нефтеперерабатывающий комплекс, например, может иметь на сайте и вне сайта танковые фермы с трубопроводами, регулирующими клапанами и насосными станциями, соединяющими их с основным заводом. Что касается обслуживания танковых ферм, текущая практика обычно — ручной инспекции и периодическое обслуживание, что дорого и неэффективно. Преобразуя эти активы в КФС и поддерживая их подходящим аналитическим ПО, нефтепереработчик сможет перейти к удаленному мониторингу, и предиктивное обслуживание принесет пользу.