Systemy Cyber Fizyczne (CPS) w produkcji i logistyce

Niestety wzrastające oczekiwania klientów w zakresie dostaw JIT (Just-In-Time) stoją w sprzeczności z powyższymi oczekiwaniami producentów i powodują, że ilość informacji jaka jest niezbędna do zorganizowania optymalnego ruchu materiałów na terenie zakładu produkcyjnego, jest zwykle zbyt duża dla możliwości analitycznych człowieka. Wiele źródeł informacji, oraz dynamiczne zależności pomiędzy nimi, utrudniają operatorom logistycznym właściwą ocenę sytuacji, a co za tym idzie uniemożliwiają wyciągnięcie prawidłowych wniosków. Konsekwencją tego może być wadliwy proces dostawy, co może pociągać za sobą zwiększenie kosztów transportu. Kluczowa jest zatem organizacja transportu ograniczająca czy raczej optymalizująca koszty transportu zewnętrznego i wewnętrznego. Czynnikiem usprawniającym ten proces jest łączenie zleceń transportowych, w szczególności prawidłowe zaplanowanie kolejności załadunku pociągu logistycznego czy ciężarówki. Istotna jest także poprawna decyzja o rodzaju dostawy bezpośredniej czy pośredniej. W przypadku dużych przedsiębiorstw produkcyjnych, efektywne zarządzanie łańcuchem dostaw znacząco zmniejsza jego koszty. Podstawowymi procesami są tutaj mechanizmy dynamicznej alokacji zasobów i planowanie ich zużycia, a także ciągła optymalizacja cen, czy identyfikacja potencjalnych problemów. Znaczącą pomoc w tych procesach będą niedługo oferować projektowane nowoczesne systemy cyber fizyczne (CPS) opierające się na danych procesowych – zdobywanych w czasie rzeczywistym – i posiadające zaawansowane algorytmy uczenia maszynowego (Machine Learning).

Architektura cyber-fizycznej platformy logistycznej

Nowoczesne systemy cyber-fizyczne tworzone w formie platformy – CPS – CPLP Cyber Physical Logistics Platform, mają dwa główne cele biznesowe: redukcję kosztów logistycznych oraz usprawnienie procesu produkcyjnego, w tym poprawę jego wydajności i niezawodności. Szczegółowo oczekiwane cele dla kluczowych procesów należy zdefiniować w następujący sposób:

● poprawa alokacji zasobów możliwych do rozdysponowania – dynamiczne przydzielanie zasobów i planowanie ich zużycia,

● poprawa efektywności kluczowych operacji logistycznych – zarządzanie łańcuchem dostaw zewnętrznych, jak i transportu na terenie zakładu,

● optymalizacja buforów produkcyjnych i transportowych – minimalizacja wykorzystywanych powierzchni magazynowych i obszaru hal produkcyjnych,

● zmniejszenie zużycia energii,

● ograniczenie liczby operacji logistycznych, mających pośredni wpływ na uszkodzenia materiałów lub półproduktów,

● skrócenie czasu karencji materiałowej dzięki lepszemu monitoringowi temperatury i wilgotności magazynu – wykorzystanie stref klimatycznych magazynu,

● uzyskiwanie możliwie pełnej informacji o stanie kluczowych procesów produkcyjnych i procesów wspomagających – lepsze i szybsze reagowanie na sytuacje awaryjne,

● eliminacja przestojów wynikających z opóźnień w dostawach materiałów lub półproduktów,

● planowanie produkcji w oparciu o rzeczywisty i przewidywany park maszynowy oraz stany magazynowe,

● identyfikowanie potencjalnych problemów, gdy wielkość zamówień znacząco przekracza możliwości wytwórcze – zarządzanie brakami.

Podstawowym założeniem platformy CPLP jest wykorzystanie dostępnych źródeł danych pochodzących z fizycznych obiektów systemu produkcyjnego, ich uzupełnianie oraz, w razie potrzeby, rozbudowa systemu detekcji obiektowej (Produkcja, hale produkcyjne, magazyny, transport wewnętrzny). Ważnym założeniem jest również stopniowe wprowadzanie nowych środków produkcji i urządzeń transportowych z autonomicznymi systemami kontrolującymi ich pracę (np. autonomiczne wózki widłowe, roboty paletyzujące czy coboty pracujące na konfekcji produktów).

Na warstwę fizyczną CPLP składają się zatem zarówno obiekty fizyczne, w tym tradycyjne środki produkcyjne, takie jak ciągi technologiczne, urządzenia dozujące, kartoniarki, pakowarki i inne wymagające obsługi ludzkiej, jak również autonomiczne urządzenia wykonawcze, oraz hale produkcyjne, magazyny i ciągi komunikacyjne czy łączniki między zakładowe (rozumiane jako źródło danych odczytywanych z istniejących systemów rejestracji oraz czujników).

Różnorodność przedstawionych obiektów fizycznych znajduje również odzwierciedlenie w warstwie komunikacyjnej. Głównym medium transmisji danych jest sieć Ethernet, która zapewnia odpowiednią szybkość, a przede wszystkim stabilność w warunkach produkcyjnych. Sieć Ethernet jest również wykorzystywana w systemach klasy ERP, WMS, MES, SCADA, czy w mechanizmach związanych z ciągłym nadzorem nad lokalizacją wózków transportowych – RTLS. Obok sieci Ethernet, medium komunikacyjnym są również połączenia bezprzewodowe – oparte na WiFi i Bluetooth Low Energy (BLE) – które są wykorzystywane wszędzie tam, gdzie nie występują zakłócenia pochodzące z maszyn produkcyjnych oraz nie jest wymagana duża przepustowość. W tej technologii najczęściej pobierane są dane z czujników rejestrujących warunki klimatyczne na terenie zakładu, a także wartości zarejestrowane przez sensory zabudowane na autonomicznych wózkach transportowych – roboty mobilne AGV, AMR (AGV – Automated Guided Vehicle, AMR – Autonomous Mobile Robots).

Warstwa cyber

Warstwa cyber zawiera cyfrowe odwzorowanie magazynów i buforów produkcyjnych, a także wzorce maszyn czy ciągów technologicznych. Każdy w powyższych obiektów posiada swój własny model w formie cyfrowego bliźniaka (DT – digital twin), który do bezpośredniego odczytu parametrów pracy układu wykorzystuje przede wszystkim informacje ze sterowników PLC lub, jeśli to możliwe, pobiera zmienne procesowe jako wartości przetworzone z systemów SCADA. Często stosuje się również dedykowane interfejsy komunikacji bezpośredniej dla danych z czujników zainstalowanych na magazynach, maszynach czy na obwodach zasilających w media czy surowce produkcyjne. Na szczególną uwagę zasługują tutaj systemy rejestracji wibracji związane z mechanizmami predykcyjnymi, które znacząco poprawiają dostępność produkcyjną maszyn.

Modele pozostałych procesów (nie są właściwymi cyfrowymi bliźniakami obiektów fizycznych), koncentrują się na najważniejszych atrybutach tych obiektów, niezbędnych do dostarczania informacji dla modułów CPLP. Tak więc, model transportu wewnętrznego mapuje przede wszystkim aktualną lokalizację i stan wózków widłowych (a dodatkowo np. dane z czujników kolizji), modele magazynowe określają lokalizację materiałów i półproduktów (a dodatkowo udostępniają dane z czujników rejestrujących temperaturę i wilgotność), wreszcie model dystrybucji opiera się na danych prezentujących status przesyłek logistycznych (w tym również dystrybucja, która jest realizowana przez podmioty zewnętrzne, gdzie nie ma możliwości zastosowania systemów śledzenia w oparciu o moduły GPS). Najwyższa warstwa cyber to modele optymalizacyjne, które pozwalają na automatyczną lub półautomatyczną (np. za pomocą interfejsów HMI) kontrolę kluczowych procesów logistycznych. Pozwalają również na właściwą kontrolę maszyn i urządzeń w warstwie fizycznej, a także na regulację parametrów fizycznych obszarów produkcyjnych czy magazynowych. Dodatkowo, niektóre modele w tej warstwie pozwalają na przetwarzanie danych z warstwy komunikacyjnej w połączeniu z danymi z systemów informatycznych przedsiębiorstw jak ERP, TMS, WMS, Forecasting.

Warstwa komunikacji

Warstwa komunikacji łączy sprzęt i oprogramowanie w celu gromadzenia i przetwarzania danych pochodzących z warstwy fizycznej. Sprzęt obejmuje urządzenia wykonawcze, czujniki, komputery i inne komponenty, takie jak np. sterowniki PLC. Oprogramowanie natomiast dotyczy metod pracy, algorytmów warunkowych czy iteracyjnych, programów wykonywalnych, logiki abstrakcyjnej i innych podstawowych instrukcji. Monitorowanie w czasie rzeczywistym całego procesu przemysłowego wymaga niezawodnej sieci urządzeń rejestracyjnych oraz czujników zintegrowanych za pomocą bezawaryjnych protokołów i aplikacji. Dlatego systemy monitorowania parametrów oraz szeroko pojęta infrastruktura pomiarowa, ma kluczowe znaczenie w zarządzaniu procesami. W zakresie tej warstwy należy przeprowadzić szczegółową analizę możliwych do wykorzystania technologii komunikacyjnych, ponieważ środowisko produkcyjne jest bardzo szczególne w zakresie generowania szumów i zakłóceń. Warto tutaj również zaznaczyć, że rozwiązania bezprzewodowe same w sobie mogą stwarzać niedogodności wynikające z udostępnionych do użytku cywilnego, kanałów komunikacyjnych o częstotliwości 2,4 GHz. W tym paśmie pracuje bardzo wiele urządzeń użytku codziennego, takich jak wszelkie urządzenia posiadające interfejs BT – Bluetooth, w tym telefony komórkowe, zegarki, opaski sportowe. Dlatego warto budować rozwiązania pracujące w paśmie 5 GHz, gdzie ilość możliwych zakłóceń jest znacząco mniejsza.

Dla warstwy komunikacyjnej znaczenie ma również jej architektura i poprawna segmentacja sieci – tworzenie VLAN, jest tutaj optymalnym rozwiązaniem. Dodatkowo należy zaznaczyć, że właściwą praktyką stosowaną w systemach CPLP jest ochrona informacji, urządzeń i zasobów cyfrowych czyli cyber bezpieczeństwo (cyber security). Jest ono bardzo istotne ze względu na nowoczesne kierunki rozwoju zakładów produkcyjnych zgodne z założeniami Przemysłu 4.0 i Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT – Industrial Internet of Things). Znacząco większa otwartość platform na przepływ informacji wewnątrz zakładu i na zewnątrz zakładu wiąże się z coraz większymi zagrożeniami cybernetycznymi, potęgowanymi dodatkowo przez nieuchronną automatyzację wszelkich procesów czy urządzeń.

Prawidłowe zabezpieczenie warstwy komunikacji, a przez to całej platformy cyber fizycznej opiera się na wykorzystaniu podejścia do kwestii bezpieczeństwa w formie koncepcji głębokiej ochrony (Defence in depth). Zawiera ono rozwiązania w zakresie różnego rodzaju cyber zagrożeń dla sieci – interfejsów komunikacyjnych IT (Information Technology – Systemy informatyczne) i OT (Operational Technology – systemy / urządzenia wykonawcze i komunikacji w obszarze stricte przemysłowym). Szczegółowa analiza podatności platformy oraz zastosowanie właściwych środków ochrony gwarantują, że wszelkie zagrożenia są wykrywane na wczesnym etapie. Oczywiście wiąże się to z ciągłym monitorowaniem stanu bezpieczeństwa.

Warstwa fizyczna

Warstwa fizyczna obejmuje fizyczne obiekty modelowane w ramach CPLP. Obiekty te można podzielić na Produkcja wykorzystywane bezpośrednio do produkcji (np. ciągi technologiczne, Produkcja dozujące, Produkcja pakujące) oraz Produkcja pomocnicze (np. roboty / coboty paletyzujące) przeznaczone do automatyzacji wybranych operacji ręcznych, takich jak pakowanie, foliowanie, paletyzacja. Kolejna grupa to urządzenia służące do logistyki wewnętrznej, głównie wózki widłowe i autonomiczne roboty transportowe. Tradycyjnie zakłady produkcyjne korzystają w transporcie wewnętrznym z wózków widłowych obsługiwanych przez operatorów, którzy bardzo często wykorzystują do odbioru zlecenia transportowego bezprzewodowe terminale czy zestawy słuchawkowe (urządzenia te również pracują w tej warstwie). Zasadniczo, wszelkie fizyczne źródła informacji należy traktować jako komponenty warstwy fizycznej. Zatem, należy tutaj także wskazać systemy udostępniające informację o warunkach środowiskowych panujących na hali produkcyjnej czy magazynowej. Każdy z powyższych elementów ma swój cyfrowy obraz w warstwie cyber, który poprzez warstwę komunikacji prezentuje parametry swojej pracy, takie jak status, prędkość, czy lokalizacja.

Do pełnego obrazu cyfrowego zakładu produkcyjnego w warstwie cyber niezbędne są informacje z trzeciej głównej grupy obiektów fizycznych czyli magazynów surowców, produktów czy materiałów pomocniczych. Do tej grupy należy również zaliczyć dane związane z ilością, jakością oraz lokalizacją materiałów, jak i ich parametry w przypadku, gdy mają one znaczenie w procesie produkcji – czas sezonowania produktu / surowca. Mają tutaj znaczenie również warunki środowiskowe panujące na magazynie czy w specjalnych strefach przeznaczonych do kwarantanny produktów.

Struktura transformacji

Transformacja opierająca się na trzech przedstawionych powyżej warstwach, wypełniona odpowiednimi danymi, ich zależnościami oraz algorytmami, to tak naprawdę przeprowadzenie w zakładzie cyfrowej rewolucji przemysłowej – wdrożenie rozwiązań IIoT i P4.0 (Przemysł 4.0). Infrastrukturę tej transformacji należy przedstawić jako sześciokąt (hexagon) zależności, pomiędzy danymi procesowymi, produktami , relacjami, klientami, procesami oraz organizacją – zakładem. Zawierające w swojej strukturze modele biznesowe oraz opracowane i wdrożone ekosystemy informatyczne, jak i procesowe. To w szczególności inicjowanie i realizacja procesów występujących w organizacji współpracującej z jej otoczeniem, podczas których następuje aktywna wymiana wiedzy i informacji. Dzięki temu te rozwiązania czerpią dane i innowacyjne pomysły z otoczenia, by w konsekwencji sięgać po rozwiązania o charakterze strategicznym. Powstają zatem kolejne rozwiązania, nowe ekosystemy, a wraz z nimi zależności generujące wzrost wartości danego rozwiązania, czy docelowego produktu. Wspólną wykładnią dla nowoczesnych systemów cyber fizycznych jest otwartość na wymianę danych oraz możliwość łatwego wprowadzania modyfikacji czy implementowania nowych modułów.

Należy zauważyć, że powstanie rozwiązań cyber fizycznych jest wynikiem szybko zmieniających się zewnętrznych oraz wewnętrznych uwarunkowań, w jakich obecnie działają przedsiębiorstwa. Podstawowym kluczem do osiągnięcia sukcesu jest posiadanie odpowiedniej wiedzy oraz wdrożenie innowacyjnych rozwiązań w zakresie ekosystemu biznesowego. Czynnikiem pomocniczym natomiast jest współpraca pomiędzy modułami i zespołami, związana głównie z ekosystemem innowacyjnym. Takie podejście bezpośrednio wpływa na efektywność zespołów uczestniczących w transformacji oraz jakość modelowanych rozwiązań.

Artykuł został opublikowany w kwartalniku "Świat Przemysłu Kosmetycznego" 4/2022