Про Індустрію 4.0 | Кафедра АКТСУ НУХТ

Abut40: 1

Від датчика до хмари – сучасні системи автоматизації в епоху Індустрії 4.0

Нині про Індустрію 4.0 не говорять хіба що ліниві або ті, хто зовсім не має відношення до виробництва. Це таке слово-мантра, яке вживають щоб показати все новітнє і своє відношення до нього. Наприклад, замінюють словосполучення «новітні технології»:

Чи використовуєте ви у виробництві Індустрію 4.0?

Так звичайно, у нас на виробництві вже з десяток років використовується Індустрія 4.0!

Але, не всі знають, що 4-та промислова революція була об’явлена до того, як вона відбудеться. Можна казати про епоху 4-ї промислової, але про факт її настання очевидно що ще рано. По суті, саме словосполучення "Industrie 4.0" є назвою Німецької програми розвитку цифрового виробництва. У інших передових країнах подібні програми розвитку називаються інакше.

«ОкГугл, а що таке Індустрія 4.0?»

Так що ж це таке «Індустрія 4.0»? Можна звичайно набрати запит в Інтернеті, наприклад дізнатися з Вікіпедії. Зачекайте, я сказав слово «набрати запит»? Ні, ну це ж не по іЧотириНольному, я мав на увазі спитати, ну щось на кшталт:

«ОкГугл. А що таке Індустрія 4.0?»

Ну, або можна спитати у Сірі, якщо Вам до вподоби iPhone. І щоб не напружуватися (не вистачало ще читати!) вони вам навіть розкажуть, якщо Ви спитаєте мовою, якою вони вміють розмовляти. Так, їм ще рости до ідеалу ;-) Зрештою, Вікі дасть якусь інформацію, але навряд чи зрозумілу для непосвяченого. Тому спробуємо розповісти ми.

Якщо асистенти типу Google Assistant та Siri вміють щось шукати в Інтернеті та ще й спілкуватися, чому б їх не застосувати як помічника і на виробництві? Наприклад, при налагодженні якогось обладнання, можна щось спитати або попросити щось включити (руки ж можуть бути зайняті). Ну типу як ми тут пробували. Якщо дуже шумно, можна поклацати по екрану телефону.

«До чого тут це?», - спитаєте Ви. Мобільні гаджети увійшли в наше життя на стільки глибоко, що ми не усвідомили на скільки вони стали невід’ємною частиною нас самих. Це один із найбльших драйверів переходу в епоху Індустрії 4.0.

Тепер з телефону Ви робите покупки, шукаєте як пройти в потрібне місце, отримуєте нагадування про зустріч, просите Телеграм-бота сповістити про ті квитки, які Вам потрібно, … Можна цим списком заповнити усю статтю, але це вочевидь буде нудно.

Телефон + WiFi (або мобільний Інтернет) – це наш інтерфейс в цифровий світ; це той портал через який ми стаємо частиною взаємопов’язаної системи людей і речей. Саме на цих стиках кожної секунди зустрічаються два світи – реальний і віртуальний! У віртуальному світі кожна річ і людина мають своїх цифрових двійників (digital twins)! Ну, це типу … Ви і деякі речі існуєте не тільки реально, а і віртуально (деякі навіть в кількох екземплярах ;-) ) Звучить моторошно, еге ж, як епіграф до апокаліптичного фільму! Але ж Ви не заміните після цього ваш смартфон на Nokia 3310?

Якщо ви читаєте ці рядки, то вочевидь Індустрія 4.0 і всесвітня цифровізація Вас не лякає. Тоді поїхали далі! Звичайно, сам по собі смартфон, навіть найкрутіший на світі, не має такої ефективності без Інтернету. Зараз Інтернет є цифровим представленням знань, та великої кількості послуг. Окрім смартфонів і ноутбуків до Інтернету підключено багато різних речей. Вже нікого не дивує, що холодильник може замовляти продукти. Об’єднання речей в мережу Інтернет так і стали називати «Інтернет речей» (IoT Internet of Things).

Зрештою, перехід від фізичних «нерозумних» речей до «розумних», які ще й спілкуються між собою, відбувається в кілька кроків. Спочатку робиться цифровий двійник цієї речі в Інтернеті. Наприклад десь на хмарній платформі (від Google, Amazon, Microsoft, IBM) з’являється віртуальна копія якоїсь, скажімо … мікрохвильової печі. Потім встановлюється зв’язок цього двійника через фізичну взаємодію з річчю. Що? Нічого не зрозуміло? Нічого страшного, все по порядку.

«Не треба зараз в паніці бігти до мікрохвильовки»

Якщо простими словами, цифровий двійник – це така собі база даних та програми, які відображають дійсний стан фізичного пристрою у світі. Наприклад, якщо у Вас увімкнена мікрохвильова піч, то в цій базі даних буде відображатися час, коли її включили, яку програму вибрали і що вона зараз робить. Крім сьогодення, двійник відображає минуле (скільки раз вона включалася) та майбутнє (скільки ще їй приблизно залишилося пропрацювати і коли треба замовляти нову).

А ще там можуть зберігатися купа документів про те, яка її конструкція і як її збирали! Але вочевидь, Вас, як користувача це мало хвилює. Звісно в промисловості цифрові двійники роблять не тільки для мікрохвильовок, але зараз Вас мабуть більше цікавить те, яким чином Ваша мікрохвильовка залізе в Інтернет і повідомить туди скільки попкорну вона наробила! Не треба зараз в паніці бігти до мікрохвильовки і вимикати її, так само роутер не треба вимикати. Не хвилюйтеся, ніхто не дізнається скільки попкорну було приготовлено… мабуть Ваша мікрохвильовка навіть не вміє з’єднуватися з Internet. Але за бажанням, все можна виправити! Будь яку річ можна з’єднати з віртуальним світом, користуючись …. наприклад, недорогим одноплатним комп’ютером типу Raspbery Pi. Не чули? А це зараз найпоширеніший інтелект для домашньої автоматизації, потужніший за Ардуіно. Ці девайси не оминули і навчальні заклади, втому числі і наш. Мабуть мікрохвильовки в Інтернет підключати не будемо, але якісь інші прилади – запросто! Це буде маленькою курсовою роботою на 1-му курсі ;-) .

Ми знову відволіклися … продовжимо. Такий маленький комп’ютер має на своєму борту багато смачної начинки: WiFi, LAN (мережа Ethernet), Bluetooth, різноманітні входи/виходи для підключення купи датчиків (сенсорів) типу термометра, та виконавчих механізмів (актуаторів) типу движка і ще багато чого корисного.

Оскільки девайс може щось вимірювати і ще чимось керувати, то він вже має вбудовані можливості для інтелектуалізації. Пристрої з такими можливостями прийнято називати «контролерами», і як Ви вже зрозуміли, вони вміють не тільки зв’язуватися з Інтернетом, а ще і керувати чимось за місцем. Отже за допомогою нього можна інтелектуалізувати і Вашу микрохвильовку. Може не так просто як електрочайник, але це можливо.

І так, не тільки люди через свої гаджети, а і речі через якісь цифрові інтерфейси можуть спілкуватися, і організовуючи таким чином Інтернет речей. Їдучи додому, Ви можете запустити мікрохвильовку для розігріву піци. Ось таким чином це може працювати в побуті, а на виробництві все набагато серйозніше і цікавіше. Тут об’єкт – це цілий завод, з купою обладнання, яке повинно випускати те, чого хоче замовник. Припустимо, захотілося Вам купити рюкзак з зображенням улюбленої групи (дівчини, хлопця, або всього разом) і зі своїм продуманим дизайном. Заходите через телефон в Інтернет-магазин і самі проектуєте свій рюкзак. Ну, типу заливаєте туди фото, вибираєте кількість кишень, блискавки або шнурки ну і т.п. Після натискання кнопки «розрахувати» Вам видається терміни виготовлення і вартість, звісно у кількох варіантах. Далі це замовлення автоматично проходить по всьому ланцюжку (обробка, виробництво, постачання) і доставляється Вам додому. І ні в кого такого рюкзака більше немає, бо він був спроектований саме під Ваші потреби і бажання. Це є частиною розумного виробництва Індустрії 4.0.

Спеціалісти, що займаються автоматизацією цієї діяльності навчаються за спеціальністю «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології», яка сьогодні сильно ІТ-фікувалась і потребує різносторонньої підготовки. Окрім класичних технологій керування все більше потребується програмування, тому сучасні автоматники, принаймні у нас, вже випускаються з компетенціями IIoT.

IoT на виробництві називається промисловим Інтернетом речей (IIoT). Технологія IIoT, що базується на Internet, цифрових двійниках, різноманітних шлюзах і мережних пристроях, та включає автоматизовані системи керування а також інші сучасні технології і є основою Індустрії 4.0.

Що ж це за інші сучасні технології? Якщо Ви ще не втомилися, тоді коротко поглянемо і на них.

Отже, існують два взаємопов’язані світи – цифровий (віртуальний) і реальний. Хоч цифровий світ також реальний (сервери, мережі і все таке), речі в ньому віртуальні. Ну ви ж не можете з’їсти цифрову копію попкорну?! Хоч Ваша віртуальна копія – запросто! Думаю, вона може з’їсти навіть віртуальну копію статуї свободи, хоча це може бути трактовано як кіберзлочин!

Людина перебуваючи у цифровому світі, сприймає його як нереальний. Як можна вірити в існування віртуальної мікрохвильовки, яка відображається таблицею і графіками? Інша справа – подивитися на неї, відкрити, взяти, пхнути ногою. І тут на допомогу приходять технології Віртуальної реальності (VR). Одягнувши шлем і спеціальні рукавиці можна побродити по Вашій віртуальній кухні, навіть якщо у фізичному світі її поки не існує. Так, цифрові двійники часто з’являються ще до появи фізичних речей. У промисловості віртуальна реальність використовується для навчання, тренування та перевірки моделей.

Це все добре, ці світи наче зв’язані, але вони зовсім різні! Те що є у віртуальному світі, наче там і залишається! А ось візуальний зв'язок світів можна виправити доповненою реальністю (Augmented reality – AR). Мабуть Вам найбільш відома доповнена реальність іграшкою “Pokemon Go”. Звісно пошук покемонів на заводі не є основною задачею, хоч хтось цим потайки таки займається. Ви ж не думаєте що саме покемони роблять усю продукцію, навіть у віртуальному світі. На виробництві, доповнена реальність може допомогти під час ремонту устаткування, показуючи на реальному обладнанні через, скажімо, планшет, що необхідно зробити в якому місці.

Доповнена реальність також стрімко входить у бортові системи автомобілів. Вона може підказувати як паркуватися, або куди повертати, показуючи це безпосередньо на лобовому склі.

Також доповнена реальність допомагає в навчальному процесі. Ось, наприклад, презентація на INNOVATION MARKET розробок наших викладачів.

Окуляри з можливістю відображення та знімання відео, наприклад google glass, є гарним додатком до доповненої реальності і поступово впроваджуються в сферу обслуговування обладнання на виробництві. Крута штука, чи не так?! А з голосовим асистентом можна будь-яку людину перетворити в потужного Аватара!

Очевидно, якою б досконалою не була автоматизацiя, поки що на виробництві певні робОти виконують люди.. Що Ви подумали? Ні, не покемонів ловлять. Усю рутинну роботу виконують машини, а деяку роботи. Роботів, які працюють разом з людиною називають коботами. Чим коботи відрізняються від промислових роботів? Їм можна дати потиличника, а вони не зроблять того самого у відповідь :-) . Ну, а якщо зроблять, то це буде не дуже боляче. А от промисловий може і … Якщо серйозно, коботи працюють максимально акуратно і взаємодіють з людьми та іншими коботами. Вони можуть, наприклад, збирати щити під наглядом людини.

У результаті тривалої роботи речей у цифрових двійниках накопичується велика кількість історичних даних. Все пишеться, і ми повинні вчитися на історії. Це ж купа інформації, на снові якої можна зробити певні висновки і навіть робити прогнозування! Так і є, але це робиться не простим аналізом таблиць людиною, а спеціальними алгоритмами для обробки Великих даних (Big Data). Оскільки великі дані не можуть накопичуватися безпосередньо в речах (у Вашій микрохвильовці можуть бути тільки крохи), вони зберігаються у їх цифрових двійниках, тобто в хмарах. Спеціально розроблені а інколи навчені алгоритми, пропускають через себе ці дані і видають рекомендації.

Для обробки великих даних і прийняття рішень на основі них, може знадобитися штучний інтелект (Artificial Intelligence). Згадайте про Сірі чи Гугл Асистент, а краще згадайте про Софію. Вони працюють на штучному інтелекті, який формується в результаті аналізу великих даних з використанням нейромереж – цифровий аналог нервової системи і мізків людини. Уявіть собі, що вони ще і вчаться, не те що деякі! Ні, це був не натяк.

Мікрохвильовка це добре, але вона не може повністю приготувати піццу, а тільки розігріти! Зустрічайте, 3D-принтери! Зараз виробництво часто використовує Адитивні технології (3D друк). Що тільки сьогодні не друкують, навіть будинки з мостами. Ви думаєте, що не можна надрукувати піццу? А Ви давно користувалися пошуком в Інтернет? Може спитайте у Сірі, вона Вам ще її і замовить?

А Ви знаєте, що 3D-принтер можна зробити своїми руками. Ось, як це зробили наші студенти гуртку.

Окрім коботів в реальному житті масово почали використовуватися Роботи-дрони. Хто як не вони повинні вам доставляти піцу і носити рюкзаки в походи? Квадрокоптером вже нікого не здивуєш, а от BigDog поки ексклюзивний варіант. Що ж, прийдеться поки рюкзак в похід самостійно носити.

Щоб віртуальні злочинці не вломилися у ваш віртуальний дім або на виробництво, треба дбати про хороші віртуальні двері і замки. Це все входить в область дії кіберзахисту і є найвідповідальнішим моментом в промисловому інтернеті речей.

Наведені вище технології і складають основу Індустрії 4.0, про яку сьогодні усі говорять. Як Ви вже побачили, вона включає цілий комплекс взаємопов’язаних технологій і діяльностей. Тому в Індустрії майбутнього задіяно багато виробничих спеціальностей, які сьогодні прийнято відносити до сектору ОТ (операційних технологій) та спеціалістів інформаційних технологій (ІТ). Містком, який об’єднує ці два світи ІТ та ОТ (або іншими словами кібернетичний і фізичний, віртуальний і реальний), слугують різноманітні інтеграційні технології. На виробничому підприємстві саме спеціалісти з автоматизації та комп’ютерно-інтегрованих технологій відповідають за об’єднання цих світів.

Наявність таких спеціалістів наразі є конче необхідною, а промислова автоматика прийняла більш ІТ-фікований вигляд. Одна з передових в Україні кафедр, яка готує таких спеціалістів є кафедра Автоматизації та комп’ютерних систем управління (АКТСУ) Національного університету харчових технологій (НУХТ).

У нас на кафедрі дійсно круті лабораторії, сильні викладачі, методично укомплектовані дисципліни. Цього року ми ще більше підсилили ці складові – модернізували лабораторії , модернізували робочі програми магістрантів новими дисциплінами, елементи яких вже були апробовані на нових випусках, інтенсивно почали впроваджувати нові напрямки промислового інтернету речей (IIoT), автоматизації виробництва, роботехніки. Цього року багато наших викладачів отримали нові наукові ступені (доктор, кандидати), підвищили свою кваліфікацію в Україні і за кордоном. Розвиваються напрямки теоретичних та практичних досліджень, зокрема по експертним системам та інтелектуальним системам керування.

Ми рухаємося вперед і не плануємо зупинятися! Цього року ми вирішили підсилити IT-шну підготовку на молодших курсах, так як сучасні системи промислової автоматизації потребують багато ІТ-шних компетенцій. Крім того, вирішено приділити більшу увагу студентським гурткам. Робота у студентському гуртку показала надзвичайні результати. З останніх робіт студентів – це піаноробот (в якого вже, до речі, дві руки), який дивує відвідувачів.

Будемо ще більше підсилювати напрямок цифровізації виробництва, зокрема по створенню цифрових двійників, та помічників по обслуговуванню. Будемо далі розвивати використання доданої реальності в навчанні та виробництві. Перші кроки в цьому напрямку ми вже зробили.

Наші студенти-бакалаври також започатковують нові для нас напрямки. Зокрема це стосується машинного зору у промисловому виробництві. Напрямки IIoT, експертні системи, інтелектуальні системи та MES/MOM планується об'єднати для "розумного виробництва" з використанням хмарних сервісів. Цього року багато речей було випробувано з використанням сервісів IBMCloud, тому в нас вже є певний досвід, хоч роботи попереду дуже багато.

Також планується відкрити Центр4.0 сумісно з іншими підрозділи університету. Це дасть змогу робити конкурентні рішення в харчовій та фармацевтичній промисловостях, і не тільки.
Ще планується багато чого цікавого, але це все не передати в одній статті.

Ми шукаємо розумних і амбітних абітурієнтів, з якими разом будемо рухати Україну як сильну високотехнологічну країну в епоху Індустрії 4.0!