Что такое «умные» среды, «умные» системы и «умные» производства

На сегодняшний день гибкость и скорость внедрения инноваций являются ключевыми факторами успеха не только любого производства, но и экономики в целом. В этом смысле «умным» средам принадлежит особая роль: по сути, они выполняют функцию каркаса, на который в ближайшем будущем будет крепиться и тем самым обеспечивать новое качество продукции не только сама промышленность, но и транспортная и энергетическая инфраструктура.

Пока в мире отсутствует одно общепризнанное определение «умных» сред, «умных» систем и «умных» производств. Как бы то ни было, общей идеей, стоящей за всеми этими понятиями, является использование распределенных сетей сенсоров и вычислительных устройств, взаимодействующих между собой для максимального обеспечения удобства и безопасности человека (в сфере инфраструктуры) или высокоэффективного производства (в сфере промышленности).

Большинство технологий «умных» сред находится на достаточно раннем этапе своего развития, им еще предстоит преодолеть многие ограничения технического и регулятивного характера. При этом уже сегодня существуют отдельные примеры их эффективного применения в промышленности, на транспорте и в энергетике. Об этом свидетельствуют соответствующие программы и проекты в США, Европейском союзе, прочих странах ОЭСР, гибкие инструменты государственной политики, созданная нормативно-правовая база, включающая необходимые стандарты.

В России существует значительный потенциал развития «умных» сред, однако пока он сдерживается сложившейся в советский период моделью производства, масштабным выбытием исследовательских центров и конструкторских бюро в 1990-е годы, слабой развитостью электронной промышленности. Наиболее артикулированный запрос на «умные» среды

представлен в сфере энергетики и транспорта, однако в стране отсутствуют системные интеграторы, способные предоставить адекватный ответ в виде «умных» систем под ключ.

Результаты опроса российских промышленных компаний показали, что хотя большинство предприятий использует программное обеспечение для управления производством, обычно речь идет об ERP-системах, которые имеют весьма опосредованное отношение к концепции «умных» заводов. Еще хуже ситуация обстоит с промышленными роботами — они используются менее чем на трети опрошенных предприятий.

Что такое «умные» среды, «умные» системы и «умные» производства

«Умные» производства, «умные» заводы, «умные» предприятия (smart factory) как термин используется в разных смыслах в зависимости от контекста. Иногда под этим понимается любая роботизированная система производства; изготовители оборудования склонны добавлять прилагательное «умный» (intelligent, smart) в описание своих станков, когда речь идет лишь об исключительных характеристиках скорости работы, точности или производительности6.

Более фундаментальное определение дают исследователи из Штутгартского университета, понимающие под «умным» предприятием такую производственную систему, которая, будучи осведомленной о контексте, помогает сотрудникам и оборудованию в выполнении своих заданий7. По их мнению, концепт «умного» предприятия является одной из размерностей многошкального производства, предполагающей использование самых передовых инструментов и технологий повсеместной компьютеризации. Эта точка зрения опирается на представление об «умном» предприятии как о среде производства, способной справляться с турбулентностью производственного процесса в режиме реального времени посредством использования децентрализованной информационно-коммуникационной структуры для управления производственным процессом.

В Белой книге промышленной политики Фландрии 8 центральное место в структурных изменениях экономики отведено именно предприятию будущего (factory of the future). В документе под этим понимается концепция организации производства, сфокусированная на кооперации, повышении экологичности и новых трудовых отношениях. В рамках этой концепции стираются границы между производственной площадкой и поставщиком, между потребителями, сотрудниками и исследователями, между производством и обслуживанием.

Предприятие будущего служит хабом, объединяющим в себе три стратегических элемента политики трансформации экономики: 1) процессные и продуктовые инновации; 2) направления трансформации в зависимости от типа промышленности (производство, обработка, наукоемкая промышленность, переработка сырья); 3) характерный для системы подход на уровне цепочки создания стоимости.

Нередко Smart Factory используется как полный синоним словосочетания Factories of the Future, что не совсем верно. Последнее более объемно и включает в себя не только «умные» предприятия, но и виртуальные и цифровые компании. Э. Филос, координатор ИКТ-проектов в Factories of the Future седьмой Рамочной программы Европейского союза по научно-технологическому сотрудничеству 9, разделяет эти три вида компаний по цели создания, средствам достижения цели и акценте в работе10. Так, «умные» предприятия имеют своей целью более широкое использование средств автоматизации, улучшенный контроль и оптимизацию процессов. Виртуальные компании создаются с целью управления цепочками поставок, а также для того чтобы создавать ценность посредством объединения продуктов и услуг. Иной вариант интерпретации виртуальных компаний — это объединение виртуальных активов и виртуальных способов управления11. Цифровые предприятия, в свою очередь, стремятся «увидеть» продукт до того, как он будет реально произведен.

Для достижения своих целей «умные» предприятия используют специализированное программное обеспечение, лазеры и устройства с искусственным интеллектом, встроенные в машины, и инфраструктуру предприятия. Виртуальные организации задействуют для работы ПО, чтобы единообразно обеспечивать взаимодействие между распределенными в пространстве производственными активами и осуществлять управление этими активами; кроме того, предлагаются новые бизнес-модели и идеи создания ценности. В частности, возможен переход от реального компонента к виртуальному по нескольким характеристикам, например характер продукции/услуги, взаимосвязь с клиентами и проч. Цифровые компании используют ПО в целях цифрового представления (визуализации) и тестирования продуктов и процессов перед их реальным производством или осуществлением.

Акценты в каждом из типов предприятий распределяются следующим образом. Smart factories делают упор на производительности всей организации (уменьшение отходов, потребления электроэнергии, сокращение времени вывода нового изделия на рынок, повышение качества). Виртуальные предприятия акцентируют внимание на производительности цепочки поставок (продукты с высокой ценностью, сохранение рабочих мест в своем регионе, прозрачность процесса, защита прав интеллектуальной собственности, снижение выбросов CO2). Цифровые компании стремятся к повышению эффективности разработки и дизайна нового изделия (снижение числа ошибок разработки, более эргономичные товары, меньше отходов и

доработки, сокращение времени вывода нового изделия на рынок).

Таким образом, можно разграничить «предприятия будущего» (factories of the future) и «умные» предприятия, которые соотносятся как общее и частное.

Основные направления технологических разработок, поддерживаемые на государственном или наднациональном уровне (например, Еврокомиссией в рамках седьмой Рамочной программы ЕС по научно-технологическому сотрудничеству), охватывают три сферы: энергетическая эффективность, производство не наносящих ущерба окружающей среде товаров и экономичность производства.

В «умных» предприятиях данные приоритетные направления находят отражение в использовании таких технологических и управленческих инструментов, как (в той же последовательности): роботизированное производство, применение лазеров, автоматизация и оптимизация процессов и использование ИКТ и сенсоров для достижения энергоэффективности.

Использование подобного рода инструментов позволяет программным приложениям «умного» предприятия действовать в зависимости от контекста производственного процесса. Под контекстом понимается любая информация, которая может быть использована для описания ситуации, в которой находится рассматриваемый объект12. Объектами являются предметы реального мира, т. е. необходимо соотносить виртуально проистекающие процессы с реальными объектами, которые имеют физические характеристики (в т. ч. положение в пространстве). Технологии производства микроскопических сенсоров и беспроводных коммуникаций позволяют собирать больше информации об объектах реального мира. В свою очередь вызываемые реально произошедшими событиями автоматические сбор и распределение информации, знаний и задач между всеми рабочими местами обусловливают становление идеи «умного» предприятия.

Вышеописанное позволяет определить цель функционирования «умных» машин как прогнозирование и предупреждение о возникновении условий, которые потенциально могут снизить производительность, точность или качество производства. Это означает, что такое оборудование должно вести себя так же, как человек с опытом выполнения определенного процесса, т. е. определять отклонения от нормального выполнения процесса (для этого оно

должно быть чувствительно к силовому воздействию, вибрации и температуре) и предлагать возможные пути решения1.

В качестве отличительных черт «умных» производств выделяются следующие:

1. Способность к «умному» действию и «умному» реагированию, максимально увеличивающим техническую эффективность, эффективность затрат и выгоду благодаря планированию, постоянному мониторингу операций и непрерывному обучению.

2. «Оперативные активы» — работники, завод, оборудование, операционные модели и базы данных — интегрированы и осведомлены о своем состоянии благодаря системе сенсоров. Периферийные устройства, исполнительные механизмы и производственное оборудование обладают способностями к обработке информации и оснащены сенсорами для автоматического самоанализа. Каждое устройство способно определить свое состояние и сообщить об этом всем связанным с ним устройствам.

3. Оборудование «умного» производства способно обнаружить внештатные ситуации и приспособиться к ним. Благодаря постоянному мониторингу и применению полученного знания, система обладает способностью адекватно функционировать в зависимости от меняющихся обстоятельств, таких как внезапное прерывание рабочих процессов, изменений в свойствах получаемого сырья и т. п.

4. Оборудование обладает полным доступом к необходимой информации в любое время работы.

5. Для предотвращения аварий в рамках «умного» производства осуществляется сбор информации в реальном времени.

6. Система обладает способностью к оперативному реагированию на изменения в технологическом процессе и неполадки.

7. «Умное» производство является экологически устойчивым, использует рециклинг и обладает минимальным воздействием на окружающую среду.

8. Необходимой чертой «умного» производства является высококвалифицированная рабочая сила.

9. Система обладает пониманием границ автоматического действия и снабжает всей необходимой информацией операторов и управленцев для принятия необходимых решений.

10. Работники «умного» производства обучены для осуществления действий,

обеспечивающих стратегическую эффективность предприятия.

Ряд упомянутых выше элементов свойственен лучшим практикам лидирующих производств. Отсутствие полномасштабных промышленных образцов «умных» сред в производстве делает концепцию «умного» производства во многом идеальной ситуацией, нежели каким-либо стандартом. Такая ситуация, скорее всего, сохранится до первичного распространения «умных» сред в промышленности, после чего это понятие сможет быть более точно определено.

С технической и организационной точки зрения для реализации «умных» производств должен быть выполнен ряд условий14:

• Дальнейшее улучшение, удешевление и автономизация «умных» устройств.

• Развитие сетевых протоколов, в частности переход от IPv4 к IPv6.

• Развитие мобильных устройств, позволяющих осуществлять распределенные вычисления (без опоры на центральные серверы). Архитектура мобильных устройств должна быть способна к улучшениям без перепрограммирования всей производственной системы.

• Развитие системы открытых стандартов связи, поддерживаемых всеми производителями устройств, а также стандартов взаимодействия между электронными устройствами и автоматическими системами планирования (CAD, CAM, CAE…).

Общим трендом развития «умных» систем и сред является оказание ими трансформирующего влияния на производственные системы и инфраструктуры. Пока соответствующие технологии находятся на раннем этапе своего развития, полностью промышленные образцы их применения отсутствуют, и дорога от пилотных зон внедрения к масштабному использованию, скорее всего, будет достаточно длинной. Объем необходимых исследовательских работ, развития новых архитектур, тестирования оборудования и согласования стандартов огромен.

При этом очевидно, что масштабирование отдельных технологий на первом этапе повлечет за собой создание новых поколений продуктов и услуг, а в перспективе — и системную реструктуризацию инфраструктур.

Трансформация производственных систем и инфраструктур в связи с внедрением технологий «умных» систем и сред

Для дальнейшего интенсивного развития «умных» сред должны быть выполнены следующие условия:

• Должны быть найдены предельно надежные программные и аппаратные решения, устойчивые как к техническим авариям, так и к хакерским атакам.

• Должны быть развиты новые стандарты защиты данных.

• Рынок полупроводников должен расти активными темпами, обеспечивая поставки многочисленных и дешевых устройств.

• Не должно возникнуть дефицита (или политических мер по ограничению торговли) ключевых для производства электроники редкоземельных металлов.

• Производители и потребители электроники должны согласовать стандарты как минимум в масштабах крупных регионов мира (Северная Америка, Европейский союз, Китай/Япония и пр.).

Ограничениями для развития применения «умных» сред в сфере промышленного производства и транспорта являются:

• Недостаточная надежность современных электронных средств и их уязвимость к хакерским атакам и средствам радиоэлектронной борьбы будет накладывать значительные ограничения на развитие «умных» сред в сфере критических инфраструктур и масштабных производств.

• На сегодняшний день экономические преимущества производств, использующих «умные» среды, перед традиционными производствами не до конца очевидны. При определенных изменениях на рынке труда и колебаниях на рынке полупроводников людской труд может оказаться дешевле высокотехнологичных решений.

SWOT-анализ использования «умных» сред в промышленном производстве и транспорте

a) Происходит объединение автоматизации АСУ и информационных технологий, которые 20–25 лет назад были разными понятиями. В конце 1970-х — начале 1980-х годов в промышленности появились распределенные микропроцессорные системы управления (Distributed Control System, DCS). Многие из этих технологий пришли из оборонной, и в частности авиационной промышленности. В те годы это было отдельное изделие и все крупнейшие мировые производители распределенных микропроцессорных систем управления производили их целиком. Современные системы, неважно какого производителя, сегодня являют совокупность всех IT-брендов (Microsoft, Dell, CISCO и многие другие) в этом большом изделии.

b) Происходит интеллектуализация систем управления, которые теперь включают оптимизационные решения, построенные на глубоких знаниях физико-химических свойств процессов, системы усовершенствования управления, тренажеры для операторов, MES-системы (Manufacturing Execution System), системы оптимизации планирования производства. Выстраивается единая интеллектуальная система повышения эффективности производства, включая управление жизненным циклом объектов. Происходит переход от оптимизации каждого этапа производства по отдельности к оптимизации производственного процесса целиком, включая

экономические и логистические параметры. Например, они могут учитывать такие факторы, как изменение качества и цены топлива, результативность ремонта и обслуживания, возможности по сбору и обработке данных. Современные системы управления способны оперировать множеством переменных, связанных с крупномасштабными объектами, и решать проблемы не только технологической, но и экономической оптимизации.

c) Общим трендом является удешевление в пересчете на количество сигналов или контуров, в частности за счет использования стандартных решений, миниатюризации. Развитие беспроводных измерительных приборов и инструментов направлено на удешевление и упрощение установки и запуска системы. При этом основную затратную часть определяет не «железо», а инжиниринг, «мозги», например функционал систем, обеспечивающих расширенное оптимизирующее управление, такое как системы MES и APC (Advanced Process Control).

Тренд снижения стоимости систем привел как к некоторому сокращению

надежности, так и к влиянию на жизненный цикл систем. Жизненный цикл систем автоматизации в 1980-х — начале 1990-х годов был около 15–20 лет, а сейчас он составляет порядка 7 лет. Поскольку большая часть системы базируется на современной компьютерной базе, то в связи с быстрым развитием компьютерных технологий и быстрой сменой поколений компьютеров, после 7–8 лет, как правило, требуется дорогостоящий апгрейд, который обходится примерно в 50 % от стоимости системы. Важно найти золотую середину между универсализацией и использованием IT-технологий в промышленной автоматизации и перейти к тем уровням надежности, которые для этого требуются.

d) Снижение стоимости систем управления привело к расширению использования интеллектуализации для объектов гражданского строительства. В современном мире развитие и сращивание промышленной автоматизации с автоматикой зданий и сооружений связано с вопросами обеспечения надежности и безопасности, что происходит, в частности, из-за повышенной террористической угрозы в отношении важнейших топливно-энергетических объектов. Соответственно, все вопросы промышленной безопасности функционирования объекта требуют нового уровня контроля доступа, видеонаблюдения, видеоаналитики. Также ужесточение требований по энергозатратам требует внедрения систем управления не только для производства, но также для зданий и сооружений. Современные технологии

позволяют соединять эти функции на единой платформе управления.

На таких объектах возникает вопрос интеграции отдельных компонентов в единую систему управления предприятием. В зависимости от специфики производства, в случае строительства крупных промышленных предприятий зачастую технологии строятся в целом, однако, как в случае с модернизацией существующих объектов, заказчик фактически самостоятельно строит комплексную систему управления объектами, увязывая существующие технологии в одну платформу. При этом важнейшим является вопрос стандартизации протоколов связи, удобства и стандартизации интерфейсов, построения алгоритмов, выработки технологии интерфейса на базе современных IT-технологий, Ethernet и промышленного Ethernet. На многих предприятиях существуют свои стандарты, часто закрытые. Вопросы стандартизации активно развиваются во многих сферах, что способствует экономии средств на модернизацию, обновление парка, оборудования в целом и систем управления отдельных частей данного оборудования.

e) Развитие современных систем мониторинга и переход к предупредительному и дистанционному обслуживанию. Системы контроля состояния оборудования (Asset Monitoring) собирают текущие данные о состоянии технологического оборудования двигателей, клапанов, контакторов, пускателей, и пр., на основе которых планируется проведение необходимых работ по их обслуживанию. Это уменьшает вероятность отказов, повышает надежность и увеличивает техническую готовность производственного оборудования, что в целом позволяет снизить расходы на его обслуживание. Дальнейшим развитием систем мониторинга является переход к предупредительному обслуживанию, выполняемому на основе анализа текущих данных, а также концепция дистанционного сервиса, когда оборудование само сообщает о неисправности, и с помощью беспроводной технологии специалист сервисной службы получает всю необходимую диагностическую информацию, анализирует данные и оперативно выдает рекомендации по устранению неисправностей.

f) Роботизация производств. В отличие от стандартной жесткой автоматизации, требующей существенных затрат ресурсов и времени, роботизация обеспечивает производителям массу конкурентных преимуществ: улучшение качества деталей, более продуктивное использование оборудования, сокращение производственного цикла, более упорядоченный производственный процесс, более регулярное исполнение всех производственных операций. Общая тенденция развития робототехники направлена на сокращение сроков переналадки оборудования, рост мощности, особенно для высокоэнергетических процессов, таких как процесс

прессования, внедрение систем самодиагностики с удаленным доступом, внедрение интегрированных систем технического зрения. В частности, новые поколения 6-осевых роботов в сочетании с гибкой автоматизацией позволяют адаптировать сложные производственные процессы: литье пластмассовых изделий под давлением, выдувание в форме, резка и чистовая обработка, нанесение клеящих материалов и склеивание, сварка и склепка, обжиг и покраска, сборка упаковка и палетирование, выполнение широкого спектра покрасочных операций.

Что такое «умные» среды, «умные» системы и «умные» производства

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: