Przemysł 4.0 - Pięć technologii, które zobaczymy w fabrykach przyszłości

W samym przemyśle miały miejsce trzy rewolucje, wywołane kolejno elektryfikacją i informatyzacją. Ostatnia, polegająca na dogłębnej cyfryzacji i automatyzacji procesów, trwa w najlepsze, a eksperci — zdumieni tempem zachodzących zmian — starają się odpowiedzieć na pytanie, jaki kształt obierze produkcja przemysłowa w najbliższej przyszłości?

Według analityków z CB Insights, przez dwie najbliższe dekady przemysł 4.0 polegać będzie głównie na podstawowej digitalizacji. Pojawią się również maszyny lepiej przystosowane do działania w cyfrowym środowisku. Dopiero później otworzy się przed nami prawdziwy potencjał konserwacji i inteligencji predykcyjnej. Istnieją jednak firmy, które pod tym kątem rozwijają się szybciej od pozostałych. Przedstawiamy 5 trendów, mających szansę odmienić oblicze przemysłu, z którymi już dziś eksperymentują liderzy cyfrowej transformacji.

Ludzie są omylni i nieprzewidywalni, a gdy w grę wchodzi żmudne powtarzanie czynności, cechy te okazują się dość problematyczne. Nic więc dziwnego, że producenci starają się zastąpić pracowników etatowych maszynami. — Fabryka przyszłości będzie miała tylko dwóch pracowników: człowieka i psa. Zadaniem człowieka będzie karmienie psa. Pies będzie tam po to, aby odciągnąć człowieka od dotykania sprzętu — przewiduje Warren Bennis, badacz problematyki przywództwa oraz zagadnień stosunków przemysłowych. Wytwórcy przemysłowi z różnych sektorów, produkujący leki, samochody, elektronikę czy inne dobra materialne, stawiają na robotyzację, by zachować konkurencyjność i przyspieszyć produkcję.

W fabrykach przyszłości u boku ludzi pracować  będą coboty  —  łatwe w obsłudze maszyny, które dzięki algorytmom sztucznej inteligencji doskonale radzą sobie w środowisku pracy. — Największą zaletą takich maszyn jest łatwość, z jaką można zlecać im zadania. Większość z nich coboty potrafią wykonać, naśladując człowieka, bez potrzeby dodatkowego programowania. Co ważne, zaprojektowano je w taki sposób, by interakcja z pracownikami przebiegała bezpiecznie, a ich obecność na hali produkcyjnej w żaden sposób nie zagrażała zdrowiu pracujących tam ludzi — tłumaczy Piotr Rojek z DSR SA, wrocławskiej firmy wspierającej producentów we wdrażaniu technologii dla przemysłu 4.0.

Zaawansowana automatyzacja zapewne wpłynie na zmniejszenie liczby etatów w fabrykach, zwłaszcza tych najnowocześniejszych, jednak póki co, pracownik etatowy to podstawowa jednostka wykonująca pracę w zakładach produkcyjnych. Powtarzalne czynności z pewnością spadną na maszyn. Ludzie natomiast zajmą się tym, co kreatywne, wymagające krytycznego myślenia, przewidywania i wrażliwości. — 10 lat temu rodzice mówili swoim dzieciom, by nie szły do pracy w fabrykach. Przemysł 5.0 sprawi, że fabryka stanie się miejscem, gdzie kreatywni ludzie znajdą dla siebie miejsce — przekonuje Esben Østergaard, dyrektor techniczny duńskiego producenta ramion robotycznych Universal Robots. Istotny dla rynku pracy jest również fakt, że roboty nie obejdą się bez konserwacji. Im więcej maszyn, tym więcej napraw, a co za tym idzie - większe zapotrzebowania kadrowe. 

Drukowanie przestrzenne wchodzi w nową, bardziej dojrzałą fazę, znajdując coraz szersze zastosowanie. Według ekspertów czołowym odbiorcą tej technologii będzie sektor przemysłowy. — Druk 3D. Przede wszystkim może usprawnić produkcję krótkoseryjną czy "na żądanie", ale to nie wszystko. Pomoże też zredukować koszty magazynowania i transportu — ocenia Julio Vial, research manager w IDC. Ekspertowi z USA wtóruje Paweł Kaleta, inżynier ds. Systemów Automatyki z DSR — Drukarki 3D, które niedawno pojawiły się na rynku, posiadają szybsze i lepiej połączone automatyczne systemy. Dzięki tym usprawnieniom przetwarzanie wstępne i końcowe uległo skróceniu. Wiemy od naszych klientów, że to właśnie przedłużające się w czasie przetwarzanie było głównym czynnikiem, jaki powstrzymywał ich przed inwestycją w tę technologię - mówi specjalista.

Przyspieszanie rozwoju produktów jest głównym priorytetem dla firm implementujących druk 3D, wynika z raportu The State of 3D Printing 2018. Aż 93 proc. objętych badaniem przedsiębiorstw chwali się, że w ten sposób jest w stanie uzyskać przewagę nad konkurencją, skrócić czas wprowadzania produktów na rynek i zwiększyć elastyczności realizując krótsze serie produkcyjne. Nie dziwi więc fakt, że 20 proc. największych korporacji do 2021 roku ma powołać specjalne działy poświęcone drukowi przestrzennemu - wynika z szacunków Gartnera. Johnson & Johnson, Boeing czy Rolls Royce posiadają już takie centra.

Druk przestrzenny rekordy popularności bije w przemyśle lotniczym. Wykorzystano go m.in. w produkcji silnika turbośmigłowego GE ATP Engine. Pochodzi z niego aż 35 proc. elementów urządzenia. Nowy, "wydrukowany" silnik daje o 10% więcej mocy przy mniejszym o 20% zużyciu paliwa. Czas i koszty związane z przygotowaniem i wdrożeniem przez GE Aviation silnika były również niższe, niż ma to miejsce w przypadku konwencjonalnych rozwiązań.

Większość prototypów w branży produkcyjnej powstaje z wykorzystaniem metodologii CAD, czyli projektowania wspomaganego komputerowo. Popularne oprogramowanie tej klasy ma być zastąpione rozwiązaniami opartymi o wirtualną i rozszerzoną rzeczywistość. W niektórych przypadkach wirtualne projekty mogą wyeliminować potrzebę drukowania fizycznych modeli 3D. To więcej niż udogodnienie. Po wdrożeniu takiego rozwiązania firmy mogą spodziewać się redukcji kosztów i szybszego wprowadzania produktów na rynek.

O prym na rynku rozwiązań VR i AR dla przemysłu walczą najwięksi gracze. Jednym z nich jest Autodesk — firma, której zawdzięczamy popularny wśród specjalistów program do projektowania AutoCAD. Z informacji podanych CB Insights wiadomo, że nad podobnym rozwiązaniem pracuje również Apple. Gigant z Cupertino zarejestrował patent na oprogramowanie nakładające wirtualne warstwy na obiekty w świecie rzeczywistym. Ma ono pozwolić projektantom przemysłowym na wprowadzanie drukowanych przestrzennie zmian w już istniejących lub jeszcze nieukończonych obiektach.

Badacze z nowojorskiego Uniwersytetu Cornella udowodnili niedawno, jak duży potencjał drzemie w połączeniu technologii rozszerzonej rzeczywistości z drukiem 3D. W przedstawionym przez nich eksperymencie projektant korzysta ze specjalnych okularów i ręcznych kontrolerów do tworzenia wirtualnego modelu warstwa po warstwie. Po ukończeniu każdego elementu, ramię robota nanosi go na rzeczywisty prototyp. — Najlepsze jest to, że robot drukuje projekt użytkownika w tym samym czasie i miejscu. W ten sposób twórca dostaje namacalną informację zwrotną we wczesnej fazie projektowania i może sprawnie wprowadzać poprawki. Kombinacja AR i robota drukującego umożliwia użycie wydrukowanej chwilę wcześniej części do projektowania kolejnego elementu - powiedział Huaishu Peng, doktorant na wydziale informatyki Uniwersytetu Cornella. 

System do planowania zasobów przedsiębiorstwa śledzi alokację środków, począwszy od zamówień surowców, na narzędziach do prowadzenia relacji z klientem kończąc. Tymczasem niektóre biznesy mogą posiadać tak wiele systemów ERP, że zamiast uproszczonego obiegu danych posiadają bałagan poplątanego ze sobą oprogramowania. Z raportu PwC wynika, że wielu największych producentów przemysłowych posiada nawet po 100 różnych systemów ERP.

Receptą na ten problem ma być blockchain i technologia rozproszonych rejestrów. W ostatnim czasie pojawiło się wiele projektów łączących dane pochodzące z różnych firmowych procesów oraz te, od interesariuszy w uniwersalną strukturę. Jak donosi firma analityczna CB Insights, wielu gigantów korporacyjnych realizuje już projekty oparte o blockchain, mające na celu zmniejszenie złożoności i rozbieżności w bazach danych. W zeszłym roku British Airways testowała rozwiązanie wykorzystujące technologię blockchain. Pozwoliło ono na stworzenie ujednoliconej bazy danych o lotach. Celem projektu była eliminacja sprzecznych informacji, które często pojawiały się w bramkach, na monitorach lotniskowych, stronach linii lotniczej oraz w jej aplikacjach mobilnych.

Przypuszczalnie, fabryki przyszłości wyglądać będą jak wielkie, samowystarczalne cyber-fizyczne organizmy, które sporadycznie wymagają ludzkiej interwencji. Niemniej, przed nami jeszcze długa droga, nim ta ambitna wizja stanie się bliska rzeczywistości.

Zgodnie ze wskaźnikami lean manufacturing (mierzonymi przez ogólną efektywność sprzętu lub OEE), światowej klasy zakłady produkcyjne pracują na 85 proc. swojej teoretycznej wydajności. Tymczasem przeciętna fabryka funkcjonuje na 60 proc. swoich możliwości. Oznacza to, że producenci dysponują sporym polem do popisu w obszarze usprawniania procesów i optymalizacji działań. Nie jest tajemnicą, że technologią, która może tu zdziałać najwięcej, jest przemysłowy internet rzeczy (IIoT). - Potrafimy zmniejszyć lub nawet całkowicie wyeliminować zjawiska obniżające jakość wyrobów i podwyższające koszty produkcji. Jest to możliwe dzięki mierzeniu oraz poddaniu analizie komputerowej w czasie rzeczywistym wielu parametrów technologicznych. W podobny sposób działa analityka predykcyjna, w której wykorzystanie np. specjalnych czujników drgań harmonicznych i analiza strumienia danych daje szerokie możliwości w zakresie wykrywania i identyfikacji konkretnych usterek, zanim dojdzie do uszkodzenia całej maszyny, i w konsekwencji wstrzymania procesu produkcyjnego - wylicza Jan Skowroński, R&D manager w DSR.

Jego zdaniem na IIOT trzeba mieć pomysł, a umieszczanie tanich czujników tam, gdzie tylko jest to możliwe, nie jest dobrym rozwiązaniem. Więcej pożytku przyniesie inwestycja w mniejszą liczbę czujników, lecz bardziej wyspecjalizowanych, dokładniejszych i inteligentnych. Obliczenia komputerowe dokonywane w urządzeniach monitorujących to nowy, obiecujący trend w architekturze IIOT. Peter Levine z a16z wieszczy całkowity koniec obliczeń dokonywanych w chmurze dla wielu urządzeń, w tym dronów i zaawansowanych czujników IOT.

Istnieją dwa podejścia do tego tematu. Pierwsze reprezentuje np. firma Saguna Networks, specjalizująca się w edge computingu. Polega on na wykonywaniu obliczeń w małej odległości do punktu zbierania danych. Tymczasem Foghorn Systems proponuje swoim klientom tzw. fog computing. To nic innego jak "nisko wisząca chmura", czyli umieszczona w najbliższym otoczeniu maszyn, która w filozofii działania przypomina sieć LAN. Obie metody charakteryzują się dużą przepustowością i eliminują opóźnienia występujące przy  przesyłaniu informacji do klasycznej chmury obliczeniowej.

Dzięki takim rozwiązaniom oraz postępowi w rozwoju sztucznej inteligencji, w niedalekiej przyszłości infrastruktura IOT funkcjonować będzie niezależnie od scentralizowanej chmury. Oznacza to, że przesyłanie tysięcy wiadomości pomiędzy maszynami stanie się zbędne, a wiele decyzji urządzenia podejmować będą automatycznie.

Wchodzące technologie dają firmom nowe możliwości i pozwalają osiągnąć cele, których realizacja dotychczas była niemożliwa lub nieopłacalna, jednak ich implementacja nie może odbiegać od realnych potrzeb przedsiębiorstwa. - Testowanie nowych technologii to zawsze dobry pomysł. Gdy przyglądamy się im w działaniu, rodzą się ciekawe pomysły na ich wykorzystanie. John Cleese powiedział kiedyś, że wystarczy utrzymać umysł w sporze z tematem w przyjazny, ale uporczywy sposób, a wcześniej czy później dostanie się nagrodę od swojej nieświadomości. Pomiędzy testowaniem a wdrażaniem jest jednak spora różnica. Każda implementacja powinna odbywać się oparciu o pogłębione badanie potrzeb przedsiębiorstwa i jego pracowników, inaczej będzie tylko ozdobą i nie przyczyni się do rozwiązania realnych problemów - zwraca uwagę Irek Piętowski, trener i konsultant innowacji w DT Makers, firmie specjalizującej się w design thinking.

Artykuł powstał na bazie publikacji firmy analitycznej CB Insights “Future Factory: How Technology Is Transforming Manufacturing".