Практика цифровизации промышленности. Выпуск 1

Редактор Василий Сергеевич Чуранов

Благодарности:

Денис Владимирович Лямшев

Анатолий Александрович Туманов

© Сергей Чуранов, 2024

© Анатолий Александрович Туманов, 2024

© Денис Владимирович Лямшев, 2024

ISBN 978-5-0064-4709-7 (т. 1)

ISBN 978-5-0064-4710-3

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Чуранов С. А., Лямшев Д. В., Туманов А. А. ПРАКТИКА

ЦИФРОВИЗАЦИИ

ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ВЫПУСК 1

Смоленск

2024

УДК 004.67

ББК 30.607

Ч-93

Авторы:

Чуранов С. А. – технический директор ООО «ИЦ Станкосервис» г. Смоленск;

Лямшев Д. В. – руководитель департамента развития систем управления дискретным производством ГК «Цифра», г. Москва;

Туманов А. А. – руководитель отдела обучения и документирования ООО «ИЦ Станкосервис» г. Смоленск.

Сборник содержит материалы, характеризующие ряд аспектов происходящих в настоящее время кардинальных изменений в промышленности, связанных с глубоким проникновением в реальное производство средств цифровой вычислительной техники и высокоскоростной телекоммуникации.

Первая статья дает обзор принципиально новых технологических средств и методов, и их позиционирование в контексте развития промышленности за XIX—XX века.

Во второй статье рассматриваются современные тенденции и проблемы внедрения средств автоматизации на примере предприятий машиностроительной отрасли. Особое внимание уделено решению вопросов непосредственного управления производственной деятельностью.

Третья часть сборника посвящена важности синхронного и оптимального использования на предприятии множества информационных систем разной направленности, годов выпуска и технологических основ их реализации. Отмечается важность согласованности данных на разных уровнях управления и решения проблем неоднозначности и неактуальности используемой информации.

Четвертая статья предлагает развернутую картину практических результатов, достигнутых за последнее десятилетие в области создания автоматизированных средств сбора и обработки данных о реальной работе промышленного оборудования, унифицированных как для новых, так и старых моделей оборудования и устройств управления оборудованием.

Последняя статья рассказывает о целевом использовании обработанных производственных данных и формировании на их основе аналитической информации, необходимой для эффективной эксплуатации промышленного оборудования на предприятиях дискретного производства.

УДК 004.67

ББК 30.607

© Авторы, 2024.

ЦИФРОВИЗАЦИЯ КАК ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕВОЛЮЦИЯ

Цифровая трансформация промышленных предприятий (Digitalization) происходит в настоящее время по всему миру и означает четвертую промышленную революцию.

В Германии в 2011 г. в рамках немецкой инициативы Industrie 4.0 был впервые введен термин «Индустрия 4.0», который сегодня стал синонимом цифрового производства и четвертой промышленной революции.

Цифровое производство дает промышленным предприятиям шанс переосмыслить и кардинально перестроить существующие бизнес-процессы. Однако эта концепция не дает готовых ответов и не предлагает универсальных средств для решения всех проблем. Достижение поставленных целей возможно только за счет проведения согласованных друг с другом мер, основанных на технологиях Индустрии 4.0, которые будут рассмотрены в данной книге.

В России, где в большинстве своем уровень развития производства ниже, чем в развитых странах Запада, внедрение цифровых технологий имеет особенно важное значение.

Для начала рассмотрим, какими были предшествовавшие революционные изменения в промышленности.

Этапы развития промышленного производства

Считается, что уже прошли три промышленные революции, и сегодня мы находимся на этапе четвертой такой революции.

Чтобы понять сущность и специфические особенности всех промышленных революций, выделим двух «китов», на которых стоит промышленное производство:

– энергия, при помощи которой производится продукция;

– информация, применяемая в ходе производства продукции.

Для того, чтобы изготовить любой продукт, надо знать, как это сделать и приложить энергию для его изготовления. С тех пор как на земле появился Homo sapiens, человек разумный, информация «как» передавалась из уст в уста, на глиняных табличках, бересте, бумаге и т. д. А для непосредственного изготовления использовалась живая сила человека или животных. Так строились пирамиды и была подкована блоха. И все продолжалось много лет пока не грянула первая промышленная революция…

Первая промышленная революция

Это середина-конец XVIII века и это – изобретение паровой машины, внедрение механического производства продукции с использованием силы пара. Это также и первый этап индустриализации в текстильной промышленности и металлургии.

Человек все время своего существования постоянно пытался облегчить свой труд, для чего придумывал различные механизмы. Для приведения их в действие использовалась не только человеческая сила или сила животных. Например, для приведения в действие мельниц использовалась энергия ветра и воды

Что изменилось в середине XVIII века, почему изобретение паровой машины считается революцией?

Человек впервые научился вырабатывать из природных ресурсов энергию, необходимую для приведения в действие машин и механизмов, производящих продукцию.

Ветряная мельница будет работать только при наличии ветра, водяная мельница может находиться только у воды, и энергия, вырабатываемая ими, зависит от скорости ветра и течения воды.

А паровая машина (рис. 1) может быть установлена, где угодно, например, на производственной или мобильной площадке (паровоз, пароход). Главное, обеспечить ее природными ресурсами: дровами или углем.

При этом паровой двигатель обеспечивает непрерывную и равномерную выработку энергии, что критически важно для работы производства.

Рис. 1. Схема паровой машины

Вторая промышленная революция

Это уже вторая половина XIX – начало XX века и это открытие электрической энергии, внедрение ленточных конвейеров, поточное производство, целенаправленное разделение труда (рис. 2).

Рис. 2. Производственный цех начала XX века

Использование электроэнергии существенно изменило способ передачи энергии по сравнению с энергией пара. Появилась возможность передавать энергию на большие расстояния с минимальными потерями.

При этом электростанции строились рядом с источниками энергии: на крупных реках, недалеко от угольных бассейнов, а заводы в больших городах, где жили работники предприятий. Расстояние между ними не имело значения, поскольку электроэнергию научились передавать на большие расстояния без существенных затрат.

В результате массово стали строиться заводы и снабжающие их энергией электростанции. Соответственно изменилась технология производства продукции. Появились конвейеры, усилилось разделение труда. Одновременно резко возросла производительность труда за счет массового производства продукции.

Генри Форд говорил, что массовое производство было бы невозможно без электричества, потому что именно оно обеспечило работу множества станков и другого оборудования на конвейере.

Стоит отметить, что именно план электрификации ГОЭЛРО, предложенный В. И. Лениным, предопределил выход СССР в мировые индустриальные лидеры.

Таким образом, вторая промышленная революция произошла вследствие изменения способа получения и возможности передачи энергии в больших объемах и на любые расстояния.

Но при этом способы создания и передачи информации о производстве продукции не изменились. Человек (конструктор, технолог) разрабатывал технологию изготовления, передавал ее, как правило, на бумаге человеку, непосредственному изготовителю: станочнику, слесарю.

Технология производства закладывалась непосредственно в проектируемое оборудование. Перестройка конвейера на другой вид продукции была практически невозможна. так как станки имели узкую специализацию. Например, станки, выпускающие валы, не могли выпускать шестерни. Универсальные станки, позволяющие делать разнообразную продукцию, были малоэффективны. Фактически принципы, заложенные в технологию производства продукции начала и середины XX века не поменялись.

Третья промышленная революция

Примерно в 60-е годы XX века началось применение на промышленном производстве электронных устройств управления, внедрялись средства автоматизации и роботизации, а также информационные системы управления производственными процессами.

В этот период на производстве появился компьютер – электронно-вычислительная машина (ЭВМ), которая работает с информацией, может получать, хранить, и обрабатывать различные данные.

Человек создал машину, которая могла общаться с ним, для чего использовался цифровой язык, состоящий из нулей и единиц. Теперь человек мог передавать данные в машину и получать результаты в понятной ему форме. Это делалось для того, чтобы компьютер помогал решать определенные интеллектуальные задачи, которые ранее были посильны только человеку.

На основе компьютеров были созданы системы числового программного управления (ЧПУ) и программируемые логические контроллеры (ПЛК). Системы ЧПУ уже не просто умели управлять оборудованием, они стали своеобразными посредниками между человеком и станком (рис. 3). Впервые появилась возможность передавать на оборудование технологическую информацию о производстве детали, которая ранее была жестко связана с применяемым оборудованием.

Рис. 3. Токарный станок с ЧПУ

Теперь для работы станков с ЧПУ требуется не только энергия, но и информация, представленная в цифровом виде. При этом один станок теперь мог в автоматическом режиме изготавливать различные детали, в зависимости от «загруженной» в него управляющей программы, характеризующей технологии обработки. Выросли точность и качество обработки деталей, снизилось влияние на качество квалификации станочника: оно обеспечивалось соблюдением выполнения программы, написанной технологом.

Вместе с «умными станками» в практическую деятельность производственного предприятия прочно вошел компьютер. Были разработаны компьютерные программы и достаточно сложные информационные системы по подготовке и управлению производством.

Цифровизация расчетов превратила часы, дни или месяцы человеческого труда в секунды. К расчетам добавились обработка текстов и графический дизайн. В прошлое ушли логарифмические линейки и кульманы для подготовки чертежей.

Цифровизация упростила и автоматизировала работу. Это подняло производство на новый уровень, дало возможность заметно сокращать время внедрения новых технологических процессов, но все же не привело к резкому скачку производительности. Почему?

Дело в том, что все происходящие перемены на производстве в основном носили локальный характер.

Станки с ЧПУ работали по управляющим программам, которые передавались на станки при помощи ручного ввода или переносных носителей, например перфоленты.

Планово-управленческие программы и прочие информационные системы не имели оперативной связи с производственными подразделениями. Производственные и технологические данные от информационных систем недостаточно быстро доставлялись к производственным подразделениям – главным образом, на бумаге. Аналогично и данные о результатах производственной деятельности передавались в обратном направлении «на малой скорости». В результате на такую коммуникацию тратилось весьма большое время, не позволяющее существенно увеличить общую эффективность производства.

Четвертая промышленная революция

Четвертая промышленная революция (Индустрия 4.0) предполагает новый подход к производству, основанный на массовом внедрении информационных технологий в промышленность.

Заявленная в 2011 г. в Ганновере (Германия) концепция «Индустрия 4.0», стала синонимом Четвертой промышленной революции. Было введено понятие «Цифровое производство», в основу которого положены разнообразные технологии «автоматизированного производства» и «умного предприятия», которые уже существуют на практике. В этих условиях новшество Индустрии 4.0 заключается в объединении нескольких технологий, ранее развивавшихся отдельно. с целью создания единой производственной системы. И вот это кардинально меняет подход к организации и управлению производством продукции.

Развитие в начале XXI века интернета, мобильных систем передачи данных, а также технологического оборудования, управление которым базируется на современных компьютерах, позволило объединить информационные системы управления производственными процессами предприятия и производственное оборудование. Появление глобальных промышленных сетей дало возможность оперативно передавать большие массивы информации между территориально удаленными производственными и управленческими объектами, в том числе и обеспечивая коммуникацию за границами предприятия. Таким образом, теперь вся технологическая и производственная информация по подготовке, контролю и управлению производством может передаваться в цифровом виде внутри предприятия и за его пределы.

Рис. 4. Передача энергии и информации на оборудование

Возможность передавать на расстояние и в больших объемах не только энергию, но и технологию (рис. 4), другую производственную информацию обусловливает синергический эффект, что позволяет резко увеличить производительность труда и обеспечить массовое производство продукции по индивидуальным заказам.

По аналогии с передачей энергией, когда все начиналось с местных и колхозных электростанций, а потом появилась единая энергосистема, в недалеком будущем будут созданы крупные, а возможно глобальные технологические центры. Это позволит использовать технологический опыт и незагруженные производственные мощности не только в рамках одного предприятия или корпорации, а в рамках страны и даже земного шара.

С другой стороны, при переходе на цифровое производство появляется реальная возможность, объединив получаемую цифровую информацию с искусственным интеллектом, превратить производство в управляемый компьютером в реальном времени процесс, работающий эффективно, как в случае массового производства, так и по индивидуальным заказам, согласно потребностям конкретных заказчиков.

Цифровое производство предполагает множество возможностей для улучшения производственных процессов, улучшения качества и условий труда работников предприятия, качественного прорыва в оптимизации всей цепи создания стоимости.

Технологии цифрового производства

Цифровое производство представляет собой естественное продолжение предыдущих трех промышленных революций. В его основе лежат аспекты и технологии автоматизированного производства, которые уже существуют и находятся на разных этапах своего развития.

Новшество заключается в опережающем развитии информационных или цифровых технологий. Базовые требования к новым технологиям – это обеспечить сбор, хранение, обработку и анализ производственной информации, объем которой стремительно увеличивается.

Технологии Интернет вещей (IIoT), Большие данные (Big data), Облачные вычисления позволяют создать инфраструктуру и исходные материалы для реализации технологий Непрерывное цифровое моделирование, Виртуальная и дополненная реальность, Искусственный интеллект, Блокчейн, которые дают возможность кардинально изменить подход к организации и управлению производством продукции в целом и отдельными бизнес-процессами (рис. 5).

Рис. 5. Технологические компоненты Цифрового производства

Промышленный интернет вещей и услуг

В Цифровом производстве продукты, оборудование, средства производства и даже целые производственные комплексы будут соединены между собой при помощи Интернета вещей и услуг.

Промышленный Интернет вещей (Industrial Internet of Things, IIoT) – это система объединенных компьютерных сетей и подключенных к ним производственных объектов, обменивающихся данными в режиме реального времени.

Целью технологии промышленного Интернета вещей и услуг является подключение всех физических производственных объектов к сети Интернет.

Благодаря этому появляется возможность коммуникации любых производственных объектов, которым можно присвоить IP- адрес. Получив полноценное членство в глобальной сети, они могут теперь передавать данные о своей работе ИТ-системам и другим объектам, а также получать и использовать предоставляемые внешними системами услуги.

Развитие электронных систем управления и датчиков, их миниатюризация позволяют уже сегодня превратить, с минимальными финансовыми затратами, практически все производственное оборудование и даже определенные изготавливаемые продукты в «компьютеры», подключенные к вычислительной сети. Это возможно и для оборудования прошлого века, для которого требуется недорогая модернизация.

Объединение «умных» объектов, оснащенных информационными технологиями, представляет собой первый и ключевой этап в организации на предприятии Цифрового производства.

Вертикальная и горизонтальная интеграция

Коммуникации производственных объектов дают наилучший эффект при правильно организованной вертикальной интеграции информационных систем, обычно учитывающей имеющиеся уровни, этапы и подсистемы общего цикла производства продукции. Этот подход позволяет создать единую и непрерывную систему обмена данными в реальном времени между оборудованием, системами планирования и управления производством.

Горизонтальная интеграция означает объединение смежных производственных систем, при котором на протяжении всей цепи создания стоимости обеспечивается обмен данными между предприятиями холдинга, а также клиентскими организациями, поставщиками, сторонними производителями. Данные, полученные от горизонтально интегрированных систем, позволяют системе управления и планирования оптимизировать собственные производственные процессы.

Кибербезопасность

Подключаемые в Internet производственные объекты становятся потенциальной мишенью для кибератак. Следовательно, особая роль здесь играет кибербезопасность, комплекс мер обеспечения конфиденциальности, целостности и доступности данных.

Кибербезопасность (компьютерная безопасность) – это совокупность методов и практик защиты от атак злоумышленников для ЛВС, серверов, систем управления оборудованием, а также защиты данных, как в процессе их передачи, так и при хранении.

Отдельно можно выделить заранее предусмотренные на предприятии процессы «Аварийное восстановление», набор правил по восстановлению рабочих процессов после кибератак и план действий «Непрерывность бизнеса» на случай, если предприятие теряет доступ к определенным ресурсам из-за атаки злоумышленников. Эти процессы сегодня особенно важны при использовании «облачных вычислений».

Также одной из главных задач по обеспечении кибербезопасности являются обучения и тренинги персонала предприятий, т. к. даже самая защищенная система может подвергнуться атаке из-за человеческого фактора, чьей-то ошибки или незнания.

Организация работ по кибербезопасности на промышленном предприятии является сложным и постепенным процессом, зависящим от специфики предприятия.

Большие данные (Big Data)

С развитием производства постоянно рос и объем производственных данных. В цифровом производстве за счет использования технологий промышленного интернета вещей, вертикальной и горизонтальной интеграции объем данных возрастает многократно. Появились единицы измерения информации, соответствующие тысячам миллиардов гигабайт:

1 гигабайт (ГБ) – 1024 мегабайта

1 терабайт (ТБ) – 1024 гигабайта

1 петабайт (ПБ) – 1024 терабайта

1 экзабайт (ЭБ) – 1024 петабайта

1 зеттабайт (ЗБ) – 1024 экзабайта

1 йоттабайт (ИБ) – 1024 зеттабайта

В средствах массовой информации, в научно-популярных публикациях, в том числе, в материалах по Цифровому производству все чаще появляется термин Большие данные, публикуются и обсуждаются специфические технологии обработки таких данных.

Говоря упрощенно, Большие данные – это структурированные или даже неструктурированные массивы данных, у которых объем, разнородность, частота поступления или обновления выходят за стандартные рамки.

Необходимо дополнить, что конкретное определение больших данных необязательно ставит во главу угла их объем. Конкретность других важных свойств больших данных тесно связана с решаемыми на основе этих данных задачами. С этой точки зрения особое значение имеют такие свойства, как достаточность имеющегося объема данных для решения задачи, достаточная интенсивность (дискретность) поступления свежих данных для обеспечения точности расчетов без необходимости прибегать к интерполяции ради искусственного восстановления отсутствующих данных.

До эпохи больших данных, при ограниченности вычислительных мощностей, часто материалом для обработки (расчетов) служили далеко не все необходимые данные. Обработке подвергались ограниченные выборки данных, что прямо или косвенно оборачивалось наличием погрешности и стесненностью границами достоверности. Сегодня мы можем обрабатывать все необходимые данные, связанные с конкретной задачей, за счет чего исчезает множество когда-то неразрешимых проблем.

Технологии обработки больших данных включают в себя операции сбора, накопления, хранения, проведения расчетов и прочих операций над данными любого типа и размера, с возможностью обеспечения требуемой производительности обработки, в том числе за счет масштабируемой многопоточности и параллелизма.

Важной особенностью больших данных является также возможность решения на их основе многих задач, относящихся к сфере искусственного интеллекта (ИИ), в частности задач предиктивного анализа и прогнозирования, представляющих интерес для сферы цифрового производства.

Облачная обработка данных

Тенденция объединения производственных объектов и программных средств в глобальные сети, появление Больших данных создают необходимость создания ИТ-решений, которые могут справиться с этой задачей. Вычислительные ресурсы на промышленном предприятии, как правило, ограничены и используются неравномерно. Идея об аренде части ресурсов для вычисления и хранения данных, которые доступны моментально была революционной и привела к созданию, так называемого «облака».

Облачная обработка данных (также используется термин Облачные вычисления) – технология обработки данных, в которой компьютерные ресурсы, программное обеспечение предоставляются пользователям как Интернет-сервис.

С точки зрения промышленного предприятия это означает, что ИТ-инфраструктура (частично или полностью) находится не на самом предприятии, а арендуется у внешних, в том числе географически удаленных провайдеров. На предприятии так называемое «Облако» играет роль промежуточного звена между оборудованием, ИТ-сервисами и бизнес-процессами.

Потребитель может пользоваться отдельными компонентами ИТ-инфраструктуры: программным обеспечением, хранилищем данных, сервером, различными платформами, аппаратными средствами и другими сервисами, которые хранятся в Облаке.

Предоставляемые услуги можно разделить на 3 категории:

– Инфраструктура как услуга (IaaS);

– Платформа как услуга (PaaS);

– Программное обеспечение как услуга (SaaS).

В таблице 1 показаны компоненты, которые предлагаются пользователю в зависимости от вида услуги.