Киберфизические системы в производстве

Введение

Актуальность работы. Деятельность современных производственных предприятий реализуется сегодня в соответствии с технологическими процессами Индустрии 3.0. В проектно-производственную деятельность внедряются новые технические и программные средства и системы автоматизации, повышающие производительность труда проектировщиков и снижающие время выполнения отдельных этапов жизненного цикла изделий. Анализ путей модернизации производственных мощностей предприятий показывает, что основные направления развития, которые поддерживают организации, ориентированы не только на снижение издержек, автоматизацию технологических процессов и т.д., но и на цифровизацию проектных процедур, процессов снабжения, производства, логистики, поддержания изделия в эксплуатации и т.д. в общем жизненном цикле изделий. Необходимость оптимизации этапов жизненного цикла изделий приводит к решению ряда сопутствующих задач, ориентированных на разработку новых подходов к созданию производственных комплексов предприятий будущего, поддерживающих интеграцию технологических, технических, программных и других средств и систем, автоматизирующих этапы разработки и изготовления изделий приборостроения. Такими системами, предназначенными для работы на предприятиях будущего, являются киберфизические системы.
Объект исследования: киберфизические системы в производстве
Предмет исследования: особенности применения киберфизических систем в производстве
Для осуществления поставленной цели необходимо решить задачи:
- рассмотреть основы применения киберфизических систем на производстве;
- привести примеры использования киберфизических систем на производстве.
1. Основы применения киберфизических систем на производстве
В основе организации производственных предприятий Индустрии 4.0 типа «умная фабрика» лежат [6] технологии промышленного Интернета вещей, облачные технологии, технологии сбора и обработки больших массивов производственных данных и др., обеспечивающие работу роботизированного автоматического технологического оборудования – киберфизических систем. Схема взаимодействия персонала и киберфизических систем на производственном предприятии приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема взаимодействия персонала и киберфизических систем на предприятиях Индустрии 4.0 типа «умная фабрика»
Как следует из анализа рис. 1, управление оборудованием персонал осуществляет удаленным способом при помощи средств вычислительной техники (персональный компьютер (ПК), планшет, телефон и пр.), подключенных к беспроводной сети промышленного Интернета вещей (IoT – Internet of Things). Интерфейс IoT поддерживается различными спецификациями беспроводных сетей. Наибольшее распространение на практике получили спецификации Bluetooth, Wi-Fi и др. Основной недостаток этих и ряда других протоколов передачи производственных данных в беспроводных сетях заключается в ограниченной дальности распространения радиосигналов между абонентами сети, вследствие чего на практике для организации бесперебойной работы технологического оборудования протяженных производственных линий задействуются роутеры. Со стороны персонала технологии беспроводных сетей поддерживаются на аппаратно-программном уровне пользовательским оборудованием (ПК, планшет, телефон), что создает предпосылки для организации «безлюдного» производства, управление которым обеспечивается дистанционно. В качестве примера практической реализации дистанционного способа управления компонентом киберфизической системы можно привести способ управления 3D-принтерами, установленными на производстве одного предприятия (участка), производственным персоналом, территориально размещенным в корпусах другого производственного предприятия, входящих в состав одной корпорации. Очевидно, что технологическое оборудование (3D-принтеры) целесообразно размещать в непосредственной близости от предприятия, формирующего сырье (металлическую пудру, спекаемую в рабочей камере 3D-принтера) для работы цифровых предприятий, поддерживающих аддитивные технологии

. При этом управленческий персонал предприятия может территориально располагаться в другом регионе страны, контролируя состояние процессов на предприятии по интерфейсам IoT с применением облачных технологий. Со стороны технологического оборудования киберфизических систем на физическом уровне протоколы беспроводной связи поддерживаются встроенными в производственные автоматы контроллерами сети IoT. Каждый производственный автомат оснащен персональным контроллером сети IoT. Производственные данные, передаваемые от киберфизической системы персоналу «умной фабрики», включают: состояние выполнения технологического процесса в рабочей камере производственного автомата (установка на печатные платы элементной базы, промывка печатных плат, нанесение гальванического покрытия на детали, полученные методом трехмерной печати и др.), регистрируемое специальной системой встроенных датчиков; состояние технологического оборудования, выполняющего производственную операцию (состояние исправности; остаток сырья (компонентов), необходимых для выполнения технологической операции; необходимость замены инструмента, проведения регламентных и предупредительных по техническому обслуживанию оборудования и т.д.), регистрируемое специальной системой встроенных датчиков. Предварительную обработку данных от датчиков состояния технологического оборудования и датчиков выполнения технологических операций обеспечивает встроенный контроллер управления, осуществляющий информационный обмен с контроллером IoT
Для обеспечения работы производственного автомата по заданной программе контроллер управления оборудованием обеспечивает формирование необходимых команд управления на привод исполнительного элемента, выполняющего необходимую производственную операцию.
Таким образом, «рабочая камера – датчик – контроллер управления – привод» образуют замкнутый контур цифровой автоматической системы управления, обеспечивающей выполнение заданных технологических операций в автоматическом режиме. Информационные процессы, циркулирующие в этом замкнутом контуре, становятся доступны персоналу производственного предприятия за счет обмена, поддерживаемого контроллером IoT. Эти процессы представляют интерес для персонала только в случае возникновения нештатных ситуаций в работе оборудования, чтобы выяснить время и причину возникновения сбоя (поломка, нарушение технологического процесса и пр.) в работе производственной линии. В то же время данные от датчика состояния технологического оборудования представляют для персонала постоянный интерес, так как от исправности оборудования, поддержания запаса инструмента и сырья внутри производственного автомата на заданном уровне и пр. зависит успех выполнения всей программы выпуска завода. Очевидно, что у персонала производственного предприятия в случае возникновения нештатных ситуаций в работе автоматического оборудования, выявляемых в процессе мониторинга, должны быть в распоряжении стандартизованные и утвержденные соответствующими инструкциями алгоритмы реагирования, показанные на рис. 1 библиотекой «проектно-производственные ресурсы», доступные по интерфейсам IoT специалистам «умной фабрики».
Взаимодействие отдельных компонентов киберфизических систем в составе единой производственной линии осуществляется на основе схемы (технологий) М2М и S2S, т.е. Machine-to-Machine и Systems-to-Systems соответственно. Пример схемы движения сборочных единиц на предприятиях Индустрии 4.0 типа «умная фабрика» приведен на рис. 2.
Рис. 2. Схема движения сборочных единиц на предприятиях Индустрии 4.0 типа «умная фабрика»
Каждая производственная линия состоит из набора автоматического технологического оборудования, выполняющего набор операций со сборочными единицами. В зависимости от назначения производственных автоматов это могут быть: технологические операции по установке компонентов элементной базы на печатные платы; операции промывки печатных плат после монтажа; операции рентгенологического контроля качества поверхностного монтажа компонентов; операции ультрафиолетового отвержения влагозащитного покрытия (лака); операции нанесения антикоррозийного гальванического покрытия на металлические детали; операции сборки модуля из набора деталей и печатной платы с установленными компонентами и пр.
Совокупность производственных линий образует производственный цех, специализирующийся на выполнении определенных технологических операций