Как устроен умный завод

Идея умного производства – одно из ключевых направлений развития общества. Оно просто необходимо развитым странам, где население стареет, природные ресурсы истощаются, а промышленность старого образца больше не является конкурентоспособной. Искусственный интеллект, интернет, роботизация меняют мир, создавая новые задачи для национальных экономик в условиях большей глобализации. Правительства этих стран вынуждены думать о том, как не проиграть гонку технологий.

Умное производство развивается сейчас в форме национальных инициатив в нескольких странах: в Германии, США, Эстонии, Японии. В последней на уровне кабинета министров и правительства была принята стратегия  «Общество 5.0» (Super Smart Society). В ее рамках планируются экономические и социальные преобразования, которые позволят стране бороться с последствиями стоящих перед ней проблем – например, сокращения работоспособного населения, роста количества пенсионеров и снижения рождаемости, недостатка природных ресурсов, ухудшения экологии. Повышение конкурентоспособности производственного сектора за счет применения цифровых технологий – ключевая задача долгосрочной стратегии развития общества.

Конвейер, который сам решает, что делать

Отличие умного производства от обычного – максимально интенсивное и всеобъемлющее использование сетевых информационных технологий и киберфизических систем на всех этапах производства продукции и ее поставки. По определению ученых из Штутгартского университета, «умное производство – это система производства, способная учитывать контекст и помогать людям и машинам в решении их задач, благодаря масштабному внедрению информационно-коммуникационных технологий в систему управления рабочим процессом». Проще говоря, все элементы производственной линии (например, промышленные роботы) подсоединены к интернету и связаны с программой визуализации, которую сотрудники и владельцы предприятия могут просматривать на компьютере и даже на смартфоне.

Концепция умного производства e-F@ctory, которую развивает Mitsubishi Electric, основана на интегрированных системных решениях для автоматизации промышленности и производства, обеспечивающих непрерывный поток информации на всех уровнях, от цеха до администрации. Прозрачность потоков информации реализована благодаря MES-интерфейсу и программно-логистическим контроллерам (ПЛК)  iQ-R.

По одному коммуникационному модулю установлено на каждом производственном участке. Станки и другие системы соединены с главным контроллером по системе полевой шины. Модуль вводит данные, собранные и предварительно обработанные контроллером, по внутренней шине и посылает их непосредственно в центральную базу данных. В этой схеме нет промежуточных шлюзовых ПК, что уменьшает вероятность сбоев и ускоряет передачу информации. MES-модуль отфильтровывает из всего массива данных ПЛК только те, которые необходимы для MES-системы.

Связь осуществляется с помощью стандартного языка баз данных SQL (языка структурированных запросов) через встроенный в модуль интерфейс Ethernet. Для обмена документами также включена поддержка формата XML (расширяемого языка разметки). MES-интерфейс может работать со всеми стандартными базами данных. Платформа управления отличается высокой масштабируемостью; она способна адаптироваться и к небольшому количеству каналов ввода/вывода, и к нескольким тысячам каналов. Она может отображать, контролировать и анализировать все каналы одновременно.

Как производство само может устранить дефект

Как все выглядит внешне, с точки зрения стороннего наблюдателя? Рассмотрим это на примере производства серводвигателей (они изготавливаются на заводе Mitsubishi Electric в городе Нагоя (префектура Айти, Япония). С предельной точностью робот осуществляет какую-либо операцию, например наматывает провод вокруг башмака статора. Как только заканчивается этот шаг, выполняется автоматический контроль качества. Безошибочные измерительные системы сравнивают реальные значения с заданными допусками. Если обмотка признается дефектной, компонент удаляется из процесса и генерируется сообщение. Каждая производственная единица снабжена дисплеем, что обеспечивает доступ к текущей производственной информации по сети Интранет с помощью Microsoft Internet Explorer. Это позволяет рабочим на производстве немедленно реагировать на ситуацию и принимать обоснованное решение о необходимых мерах, например удалять дефектный компонент.

Процесс продолжается шаг за шагом в полностью автоматизированном режиме, в случае с проводом – пока весь серводвигатель не будет полностью собран. Узлы и функциональные группы проверяются прямо в производственном процессе и удаляются из него, если окажутся дефектными. На выходе процесса остаются только бездефектные, полностью проверенные двигатели. В ходе производства каждому из них присваивается уникальный идентификационный номер, позволяющий скрупулезно отслеживать все технологические переходы и проверки качества, партию за партией, даже годы спустя. Все эти данные доступны управленческому персоналу предприятия в режиме реального времени. Таким образом, количество человеческих ресурсов, необходимых для обслуживания производства, снижается – так же, как и процент отходов и брака.

Что это дает?

На заводе Mitsubishi Electric в Нагое внедрение технологий умного производства увеличило скорость работы оборудования на 190 %, продуктивность – на 180 %, а стоимость производства сократилась на 65 %. Время выполнения заказов уменьшилось на 50 %.

Завод Mitsubishi Electric в городе Фукуяма приступил к внедрению системы умного производства в 1997 году. За годы работы она продемонстрировала, что дает не только экономическую выгоду, но и экологический эффект, который главным образом выражается в снижении потребления энергии. В среднем затраты на электроэнергию сократились почти на треть.

Почему в мире растет спрос на умное производство

Предполагается, что спрос на подобные решения будет неуклонно расти не только по причинам технологического характера, но и в связи с тем, что состав населения развитых стран стремительно меняется.

По данным Всемирной организации здравоохранения, мы живем в стремительно стареющем мире. Уже к 2050 году количество людей старше 60 лет будет превышать 2 млрд человек. Эта тенденция ярко проявляется в Японии, где более 26 % населения – пожилые люди. Кроме того, в развитых странах снижается уровень рождаемости, что создает риск невосполнимости трудовых ресурсов в перспективе.

Таким образом, в будущем экономики ведущих держав не смогут качественно функционировать из-за недостатка рабочей силы. При этом сторонними ресурсами, например, за счет привлечения труда мигрантов, эту проблему не решить, так как прогресс требует перехода от человеческого труда к роботизированному.

Еще один важный момент – энергоэффективность. Предприятия модернизируют системы потребления энергии, используют возобновляемые источники для сокращения энергозатрат. Здесь прослеживается не только повышение экологической сознательности, но и сугубо практический подход – сокращение издержек. 

Вкупе озвученные факторы создают картину, которая обуславливает необходимость изменения производств и модернизации предприятий. Только в этом случае перед человечеством откроются возможности устойчивого развития. Стимулирование разработки новых технологий и научно-исследовательской деятельности будет способствовать появлению  новых сфер бизнеса, вовлечению в экономическую деятельность широких слоев населения, повышению безопасности и качества жизни.