CC BY
24
Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2023. Т. 19, № 2. С. 145-158. ISSN 1999-5458 (print) Electrical and Data Processing Facilities and Systems. 2023. Vol. 19. No. 2. P. 145-158. ISSN 1999-5458 (print)
Научная статья УДК 658.5, 681.5
doi: 10.17122/1999-5458-2023-19-2-145-158
ТЕХНОЛОГИИ АВТОМАТИЗАЦИИ КАК КЛЮЧЕВОЙ КОМПОНЕНТ ПУТИ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА ИНДУСТРИИ 4.0
Богдан Алексеевич Соловьев Bogdan Л. Solovev
магистрант кафедры «Электротехника и электрооборудование предприятий», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
Гиорги Кахаберович Гамисония Giorgi К. Gamisonia
магистрант Уфимской высшей школы экономики и управления, Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
Рахмидин Шомидинович Саъдулоев Rahmidin Sh. Sayduloev
студент кафедры «Нефтехимия и химическая технология», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
Актуальность
С 2011 г. инициатива «Индустрия 4.0» является ключевым направлением исследований и разработок в области гибких производственных систем. Целью инициативы является решение проблемы повышенной сложности производства, вызванной различными факторами, такими как усиление глобальной конкуренции между компаниями, разнообразие продукции и индивидуализация для удовлетворения потребностей клиентов. Для этого Индустрия 4.0 предусматривает всеобъемлющую связь информационных технологий с производственным процессом, что обеспечивает интеллектуальное производство. Доведение существующих производственных систем до этой цели будет долгим процессом преобразования, который требует согласованного пути миграции.
Цель исследования
Представить примерный путь развития производства к Индустрии 4.0 с использованием выдающихся подходов к формализации и стандартизированных технологий автоматизации.
Ключевые слова
Индустрия 4.0, краткосрочное прогнозирование, вертикальная интеграция, оптимизация, эффективность, модель, инструмент, управление, математическая модель, цифровая трансформация
© Соловьев Б. А., Гамисония Г К., Саъдулоев Р. Ш., 2023
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 19, 2023
Data processíng facílítíes and systems
Методы исследования
Исследование направлено на предоставление теоретического последовательного руководства по развитию производственных процессов в направлении Индустрии 4.0 с учетом как ИТ-инфраструктуры, так и добавленной стоимости предприятия. Результаты
В ходе исследования подробно изучены характеристики и функциональные возможности каждого этапа концепции, а также обоснованы выбор технологии и назначение соответствующих этапов.
Для цитирования: Соловьев Б. А., Гамисония Г. К., Саъдулоев Р. Ш. Технологии автоматизации как ключевой компонент пути развития производства индустрии 4.0 // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2023. № 2. Т. 19. С. 145-158. http://dx.doi.org/10.17122/1999-5458-2023-19-2-145-158.
Original article
AUTOMATION TECHNOLOGIES AS A KEY COMPONENT OF THE INDUSTRY 4.0 MANUFACTURING DEVELOPMENT PATH
Keywords
Industry 4.0, short-term forecasting, vertical integration, optimization, efficiency, model, tool, management, mathematical model, digital transformation
Relevance
Since 2011, the Industry 4.0 initiative has been a key area of research and development in the field of flexible manufacturing systems. The aim of the initiative is to address the increased complexity of manufacturing caused by various factors such as increased global competition between companies, product diversity and customization to meet customer needs. To do this, Industry 4.0 provides for a comprehensive connection of information technology with the production process, which ensures intelligent production. Bringing existing production systems to this goal will be a long process of transformation that requires a consistent migration path.
Research methods
The study was aimed at providing a theoretical consistent guide to the development of production processes in the direction of Industry 4.0, taking into account both the IT infrastructure and the added value of the enterprise.
Results
In the course of the study, the characteristics and functionality of each stage of the concept were studied in detail, and the choice of technology and the appointment of the corresponding stages were justified.
For citation: : Solovev B. A., Gamisonia G. K., Sayduloev R. Sh. Tekhnologii avtomatizatsii kak klyuchevoy komponent puti raz-vitiya proizvodstva Industrii 4.0 [Automation Technologies as a Key Component of the Industry 4.0 Manufacturing Development Path]. Elektrotekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy - Electrical and Data Processing Facilities and Systems, 2023, No. 2, Vol. 19, pp. 145-158. [in Russian]. http://dx.doi.org/10.17122/1999-5458-2023-19-2-145-158.
Введение
В настоящее время промышленное производство сталкивается с проблемой быстрорастущей глобальной конкуренции между компаниями из разных регионов мира с различными экономическими условиями. Учитывая тот факт, что производственные затраты в Европе,
как правило, выше, чем в развивающихся странах, европейские компании вынуждены увеличивать ассортимент продукции и индивидуализацию, чтобы оставаться конкурентоспособными [1]. Кроме того, быстро меняющиеся рыночные условия вызывают более высокий уровень неопределенности и ускоряют жиз-
ненный цикл продукта. Все эти проблемы побуждают современные производственные системы быть высокоэффективными, адаптируемыми и в высшей степени гибкими, что приводит к увеличению сложности производства [2].
Инициатива «Индустрия 4.0» является ключевым направлением исследований и разработок в области гибких производственных систем с 2011 г. Эта инициатива направлена на решение сложных производственных и жизненных циклов продукта путем улучшения вертикальной и горизонтальной интеграции участников производственного процесса [3]. Для достижения этой цели необходимо обеспечить глобальную связь информационных технологий с производственным процессом, обеспечивающую междоменный доступ к данным. Совместное использование предметных знаний во всех соответствующих производственных областях может открыть совершенно новые возможности для всех участников процесса, сократив разрыв между ними. Таким образом, могут быть созданы высокоавтоматизированные, но гибкие производственные системы, предоставляющие всю необходимую информацию в режиме реального времени всем активным участникам процесса [4]. Поэтому требуется согласованная техническая, синтаксическая и семантическая функциональная совместимость взаимодействия, основанного на общении [5].
Для достижения горизонтальной и вертикальной интеграций производственных компонентов решающее значение имеет общее понимание этого процесса. По этой причине была постулирована Модель эталонной архитектуры для Индустрии 4.0, названная RAMI 4.0. Формализованный немецкой организацией по стандартизации DIN RAMI 4.0 интегрирует элементы Индустрии 4.0 в трехмерную модель уровня, давая формальные определения их вертикальной и
Электротехнические и информационные комплексы
горизонтальной интеграций и проектирования жизненного цикла продукта [6, 7].
Кроме того, внедрение Индустрии 4.0 будет длительным процессом трансформации, который затронет многие части производственных систем. В то же время риски смены работающих систем должны быть минимальными, чтобы компании оставались конкурентоспособными. Поэтому цифровая трансформация производственных систем требует согласованного пути миграции.
Уникальной особенностью является то, что исследование объединяет технологический и экономический взгляды на процесс разработки традиционных производственных систем и предоставляет конкретный пример реализации. Прошлые исследования в этой области в основном упускают из виду одну из этих основных точек зрения. Была разработана концепция устройства управления, совместимого с Индустрией 4.0, с упором на его технологическую пригодность, но без учета его экономической выгодности для предприятия. Некоторые исследования имеют аналогичный недостаток, представляя собой убедительную попытку создания компонента Индустрии 4.0 с использованием существующих технологий, но не в контексте развития предприятия. Где-то анализируется будущее направление развития Индустрии 4.0, оставляя позади анализ вспомогательных технологий. Таким образом, концепция данного исследования преследует цель объединения всех актуальных аспектов, включая формальные стандарты с использованием RAMI 4.0, экономическую заинтересованность производственных компаний путем миграции и возможную концепцию внедрения с помощью доступных технологий. Соответственно, рассматривается демонстрационный проект разработанной структуры для оценки осуществимости и применимости предлагаемого подхода [8].
-147
и системы. № 2, т. 19, 2023
Модель эталонной архитектуры
Индустрия 4.0
В ходе дискуссии о развитии Индустрии 4.0 сошлись самые разные области интересов. Подходы к автоматизации производства и процессов, технологии связи и автоматизации, а также производственные стандарты должны быть надлежащим образом связаны друг с другом, обеспечивая согласованное техническое, синтаксическое и семантическое взаимодействие. Следовательно, нет никаких сомнений в том, что требуется общепринятая эталонная модель.
На Ганноверской ярмарке в 2015 г. была представлена модель, обеспечивающая формальную основу для компонентов Индустрии 4.0, в которой могут быть адаптированы его основные характеристики для производственных систем. Модель содержит три оси, описанные следующим образом [9]:
1. ось архитектуры («Уровни») с шестью уровнями, дающими информацию об ИТ-структуре производственной системы и роли активов в ней;
2. ось «Жизненный цикл и поток создания ценности», представляющая жизненный цикл актива и процесс создания добавленной стоимости, на основе IEC 62890;
3. ось «Уровни иерархии», предоставляющая обзор иерархических уровней производственной системы на основе разных стандартов.
С точки зрения технологии автоматизации большая проблема внедрения RAMI 4.0 заключается в разработке реальных решений, поддерживающих функциональные возможности каждого уровня и взаимодействие между ними. Поэтому эта работа фокусируется на вертикальной оси Архитектуры.
На этой оси слой активов представляет физический мир, т.е. реально существующий актив (машины, детали машин, оси и т.д.) и связь актива с его
148-
Electrical and
виртуальным представлением на более высоких уровнях.
На уровне интеграции происходит переход из физического мира в информационный. Следовательно, этот уровень содержит свойства и функции, связанные с процессом, которые делают актив пригодным для использования по назначению, включая человеко-машинные интерфейсы (по-английски human-machine interface (HMI)) и описания технических элементов. Каждое соответствующее событие в реальном мире вызывает событие в виртуальном мире, о чем сообщается на уровне интеграции.
Коммуникационный уровень содержит стандартизированную связь, соответствующую Индустрии 4.0, с использованием единого формата данных. Другими словами, он описывает связь актива с информацией и функциями других активов.
Информационный слой включает описания всех данных, которые используются, генерируются или модифицируются техническими функциями актива. На этом уровне происходит непротиворечивая интеграция различных данных, их сохраняющаяся и непротиворечивая интеграция.
Функциональный уровень содержит формальное цифровое описание технических функций актива с учетом его роли в производственной системе, предоставляя платформу для горизонтальной интеграции различных функций всех активов.
Наконец, что очень важно, бизнес-уровень представляет собой более высокий стратегический взгляд на предприятие. Он включает в себя оркестровку услуг на функциональном уровне, обеспечение целостности функций в цепочке добавленной стоимости, сопоставление бизнес-моделей и результирующих бизнес-процессов и т.д. Однако роль бизнес-уровня не связана с конкретными решениями, такими как Планирование ресур-
сов предприятия (по-английски enterprise resource planning (ERP)), которые вместо этого расположены на функциональном уровне.
Путь развития Индустрии 4.0
В настоящее время владельцы производственных систем сталкиваются с проблемой перехода на Индустрию 4.0. Нет сомнения, что это будет длительный процесс, связанный с кардинальными изменениями практически во всех частях предприятия. Планирование и реализация этих изменений должны быть разработаны таким образом, чтобы они постоянно оказывали положительное влияние на прибыльность, рост и эффективность производственной системы и всего предприятия. Преимущество цифровой трансформации должно быть прозрачным в любой момент; иначе предприниматели его не поддержат. Следовательно, требуется последовательный путь миграции, предоставляющий владельцам производственных систем руководство по внедрению основ Индустрии 4.0 на своих
предприятиях. Существует один выдающийся исследовательский подход к этой цели. Этот путь состоит из пяти последовательных шагов развития, которые описывают соответствующую зрелость предприятия для Индустрии 4.0 и его предполагаемую ценность для бизнеса (рисунок 1). Крайне важно, чтобы компетенции накапливались постепенно, чтобы каждый следующий шаг основывался на предыдущем.
Первый шаг «Компьютеризация» описывает изолированное использование информационных технологий (ИТ) на предприятии, например, использование фрезерного станка с числовым программным управлением (по-английски computer numerical control (CNC)). Это позволяет ускорить и улучшить простые повторяющиеся действия, так что основным преимуществом этого шага является более эффективное и менее подверженное ошибкам производство. В настоящее время этот шаг почти завершен на большинстве немецких предприятий.
Цифроэизация R
Изолированно«;
Подключенное
IT
Шаг 01
Компьютеризация
Шаг 02
Видимость
Шаг 03
Прозрачность.
Шаг 04
Прогностическая способность.
Шаг 05
Адаптивности,
Рисунок 1. Путь развития Индустрии 4.0 Figure 1. The path of development of Industry 4.0
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 19, 2023
Data processíng facílítíes and systems
«Связанность» представляет собой связанное использование ИТ на предприятии. Используемые технологии могут взаимодействовать друг с другом, и реализованы первые API-интерфейсы от операционных технологий (OT) до бизнес-ИТ, так что происходит приблизительное отражение основных бизнес-процессов. На этом этапе, например, роботы-манипуляторы на производственной линии могут общаться друг с другом, и результаты их работы автоматически передаются в систему управления производством (по-английски manufacturing execution system (MES)). Оба шага, компьютеризация и сетевое взаимодействие, объединены термином цифровизация, обеспечивая основы для Индустрии 4.0, но не являясь ее частью.
Следующий шаг, «Видимость», представляет собой отправную точку для Индустрии 4.0. На этом этапе актуальная цифровая модель предприятия доступна в режиме реального времени, предоставляя соответствующую информацию о текущем состоянии производственной системы. Такой подход можно определить как своеобразную цифровую тень предприятия. С помощью Digital Shadow можно должным образом интегрировать стратегические системы, такие как управление жизненным циклом продукта (по-английски product lifecycle management (PLM)), что делает текущее состояние производства видимым для руководителей предприятия.
На этапе «Прозрачность» уже видимые производственные данные обрабатываются, и выполняется их подробный анализ, чтобы можно было идентифицировать отношения элементов системы. Методы анализа данных, такие как искусственный интеллект (по-английски artificial intelligence (AI)), позволяют такую обработку производственных данных. Например, методы распознавания изображений, основанные на искусствен-
150-
Electrical and
ном интеллекте, могут использоваться для обнаружения дефектов поверхности заготовки с точки зрения контроля качества. Используя данные об этих ошибках в сочетании с частотными данными работающей машины, можно найти опасные частоты и избежать их. Следовательно, правильная оценка поведения системы позволяет целенаправленно воздействовать на нее с точки зрения мониторинга состояния.
На следующем этапе возможно построение возможных сценариев будущего поведения системы на основе проанализированных прошлых данных. Другими словами, дается возможность прогнозирования, чтобы можно было предвидеть приближающиеся ситуации, а ответственный менеджер мог своевременно принимать соответствующие решения и превентивные меры [10].
Отличие конечного шага пути развития «Адаптивность» от предыдущего шага «Прогностическая способность» заключается в возможности реакции автономной системы на изменение текущего состояния производства. Другими словами, производственная система является самооптимизирующейся и может самостоятельно принимать определенные решения. Уровень автоматизации, таким образом, основан на сложности решения и соотношении затрат и выгод.
Таким образом, цель последнего шага пути развития достигается, если данные цифровой тени могут использоваться для автономного управления в режиме реального времени, что приносит предприятию более высокую выгоду.
Концепция эволюции
производственного процесса
В соответствии с обоими теоретическими подходами можно определить концепцию эволюции производственного процесса, которая учитывает как ценность для бизнеса, так и ИТ-инфраструк-
туру предприятия [11]. Эта концепция может быть применена для определения конкретных шагов внедрения Индустрии 4.0 на основе существующих технологий автоматизации.
На рисунке 2 показана матрица эволюции заданного производственного процесса. Его горизонтальная ось представляет шесть слоев RAMI 4.0. Вертикальная ось показывает этапы зрелости Индустрии 4.0 согласно. В ячейках построенной матрицы размещены информационные и коммуникационные технологии, необходимые для обеспечения функциональности соответствующих слоев RAMI 4.0 и достижения добавленной стоимости соответствующих этапов зрелости.
Таким образом, в данной статье эволюция производственного процесса в направлении Индустрии 4.0 рассматривается как последовательный процесс, основанный на одновременном развитии ИТ-инфраструктуры и бизнес-зрелости предприятия путем внедрения «отработанных на этапах» технологий автоматизации. Эти этапы детализированы следующим образом.
1. Полевые устройства В начальной точке эволюции производственного процесса необходимо правильно установить аппаратные компоненты, такие как машины, датчики, приводы и контроллеры (по-английски Power Line Communication (PLC)). На этом этапе контроллеры в основном отвечают за управление работой машины: за обработку данных датчиков, срабатывание исполнительных механизмов и изменение состояния машины. Пограничные устройства также могут быть реализованы для поддержки функций и дальнейшего управления операциями. Более того, соответствующие устройства должны иметь соответствующее уникальное виртуальное представление с точки зрения идентификации. Для этого могут использоваться технологии автоматической идентификации и сбора данных (по-английски automatic identification and data capture (AIDC)). К ним относятся радиочастотная идентификация (по-английски radio frequency identification (RFID)), штрих-коды, магнитные полосы и т.д. Таким образом, этот стар-
Рисунок 2. Концепция эволюции производственного процесса на основе стадий зрелости
Индустрии 4.0 и RAMI 4.0
Figure 2. The concept of the evolution of the production process based on the stages of maturity
of Industry 4.0 and RAMI 4.0
-151
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 19, 2023
товый этап объединяет слои Актив и Интеграция и первый этап зрелости Компьютеризация.
2. Услуги связи
В дальнейшем установленные полевые устройства необходимо соединить друг с другом и с пользовательскими приложениями, чтобы обеспечить непрерывный обмен данными. Таким образом, этот этап предоставляет услуги связи (протоколы) для удовлетворения потребностей следующих этапов. Эти протоколы должны быть определены технологически независимым способом для достижения взаимосвязи между различными полевыми сетями и службами. Фактическими механизмами обмена данными в промышленном секторе являются протоколы Fieldbus, такие как CAN, Modbus или Profibus, и механизмы связи между машинами, такие как унифицированная архитектура связи на открытой платформе (по-английски open platform communications united architecture OPC UA) и передача телеметрии с очередью сообщений (по-английски message queuing telemetry transport (MQTT)). В качестве основного руководства для исследований рекомендуют OPC UA в качестве основного подхода к Индустрии 4.0 благодаря его превосходной, стабильной и стандартизированной производительности. Многие авторы одобряют эту рекомендацию своим опытом. Однако OPC UA имеет сложную архитектуру, поэтому в некоторых обычных случаях использования с несколькими участниками производственного процесса может быть более разумным использовать протоколы Fieldbus или MQTT.
3. Информационные услуги
На этом этапе необходимо создать глобальную систему управления данными. Эта система должна включать в себя не только фактическое цифровое представление производственной системы, ее визуализацию и хранение данных, но
также непрерывную фильтрацию и непротиворечивую интеграцию соответствующих данных, объединяя таким образом этапы «Видимость» и «Прозрач-ность». Одна из основных проблем заключается в том, что данные поступают из множества инженерных инструментов в разных форматах; поэтому технологии, прошедшие стадию выдержки, должны позволять отображать и интегрировать эти данные. Для этой цели перспективны следующие методы: Стан-дарт обмена данными модели продукта (STEP), Язык моделирования систем (SysML), Язык моделирования автоматизации (AML), описание электронного устройства (EDD). Для хранения и визуализации данных могут использоваться различные базы данных и информационные панели.
4. Функциональные услуги
После создания согласованной системы управления информацией необходимо обеспечить среду выполнения для системных приложений и ее техническую функциональность. Другими словами, отфильтрованные релевантные данные из различных инструментов и источников позволяют оценить и предвидеть будущие состояния системы на этом этапе. Интеграция полевых устройств (по-английски field device tool (FDI)) является рекомендуемой технологией для интеграции информационных и функциональных услуг. Для оценки состояния системы могут быть реализованы методы искусственного интеллекта. Основываясь на их результатах, системы управления операциями, такие как MES или ERP, могут использоваться для принятия стратегических решений как в технических (например, диагностическое обслуживание), так и в коммерческих (объемы продаж и т. д.) взглядах.
5. Автономные алгоритмы
поддержки принятия решений
Этот последний этап тесно связан с
предыдущим. Функциональность биз-
нес-уровня не связана с конкретными решениями: все они закреплены за функциональным слоем. Таким образом, технологии реализации не указаны в явном виде для этого заключительного этапа эволюции производственного процесса. Его внимание сосредоточено на разработке алгоритмов поддержки принятия решений, которые могут оптимизировать поведение системы как с функциональной, так и с коммерческой точек зрения. В целом, этот этап представляет собой оркестровку сервисов на предыдущих этапах, которая в разумной степени автономна и самооптимизируется.
Пример реализации
В станках технические жидкости в виде смазочно-охлаждающих жидкостей (по-английски cutting fluid (CF)) используются для охлаждения и смазки между инструментом и заготовкой и для удаления стружки. Концентрация CF должна регулироваться в зависимости от различных параметров машины и процесса и должна регулярно проверяться. Применение правильно отрегулированного CF способствует повышению точности размеров и качества поверхности обрабатываемых заготовок и снижает износ инструмента. В то же время неправильно леченный муковисцидоз может стать опасным веществом, способным вызывать заболевания и выделять токсические вещества [12]. Тем не менее, обслуживанием и уходом за CF часто пренебрегают из-за непрозрачности или отсутствия технологической документации.
В рамках одного проекта из Германии в сотрудничестве разрабатывают мобильную систему дозирования жидкости с подключением к цифровым системам управления производством для автоматической, ориентированной на спрос и документированной заливки технических жидкостей на станки. Вновь разработанная система дозирования жидкости
Электротехнические и информационные комплексы
распознает станок, измеряет уровень CF в баке, обрабатывает данные датчиков о состоянии жидкости и осуществляет доливку по заданным параметрам АСУ ТП. Параметры испытаний, а также количество и концентрация CF на машину регистрируются, при этом потребление каждого станка доступно в виде исторических данных.
Предполагаемая разработка новой системы дозирования жидкости в проекте MoTeF 4.0 является примером применения концепции, представленной в этой статье. Уже существующее ручное устройство для дозирования смазочно-охлаждающих жидкостей будет доработано с учетом его применения в контексте Индустрии 4.0. Существующее устройство, по сути, представляет собой смесительную станцию, где все параметры, необходимые для дозирования CF, необходимо вводить вручную [13]. Эта смесительная станция размещена на небольшой тележке, которую можно подвезти непосредственно к машине для заполнения. Нет автоматического сбора параметров, хранения данных или внешнего подключения. Все эти функции добавляются на разных этапах эволюции производственного процесса (рисунок 3).
1. Полевые устройства
В баке машины встроены датчики для автоматического измерения концентрации смазочно-охлаждающей жидкости, значения ее pH, содержания нитритов и нитратов, а также уровня заполнения CF в баке. Все датчики подключены к PLC на машине. Для идентификации машины к машине прикрепляется передатчик RFID, а к каретке — соответствующий считыватель. На каретке установлен еще один PLC с сенсорным дисплеем, который рассчитывает количество и концентрацию доливаемых смазочно-охлажда-ющих жидкостей. PLC также управляет насосами станции смешивания и проверяет правильность количества заливае-
-153
и системы. № 2, т. 19, 2023
Этапы зрелости
Рисунок 3. Этапы эволюции производственного процесса для проекта МТЭФ 4.0 Figure 3. Stages of evolution of the production process for the MTEF 4.0 project
мой жидкости с помощью датчиков расхода. Оператор машины может идентифицировать себя с помощью дисплея и впоследствии начать заправку. Каждый PLC подключен к устройству Edge (Revolution Pi), которое служит точкой доступа WLAN и обеспечивает дальнейшую обработку полученных данных.
2. Услуги связи
Между PLC и связанными с ними пограничными устройствами устанавливается специальное соединение PLC. Пограничные устройства подключены к локальной сети WLAN. Брокер MQTT реализован на каждом устройстве Edge, предоставляя собранные данные всем заинтересованным участникам процесса, например, в базу данных (см. следующий этап). MQTT в качестве коммуникационного протокола выбран из-за его простой реализации и возможности обмена данными с множеством различных участников процесса.
3. Информационные услуги
Для обеспечения понятности данных реализована следующая структура. База данных (InfluxDB), расположенная на сервере локального предприятия, подписывается на MQTT-Brokers и хранит все поступающие данные: концентрацию смазочно-охлаждающей жидкости, зна-
чение ее рН, содержание нитритов и нитратов, идентификатор машины и уровень заполнения и т.д. Находится там же, к базе данных подключается подходящая панель управления (сборка с помощью Grafana), которая визуализирует эти данные. Визуализация позволяет оператору в цехе и вышестоящему руководству видеть всю необходимую информацию о фактическом состоянии жидкостной системы на своих экранах. Кроме того, отчет о состоянии регулярно отправляется в выбранный репозиторий и сохраняется как данные истории для дальнейшей обработки данных. Учитывая тот факт, что данные процесса являются однородными и поступают из смежных инженерных инструментов, дополнительные инструменты интеграции не применяются.
В том числе, автоматизация технологических линий и рабочих центров на основе событийной информации применяется на заводе по производству электрических кабелей в Австрии. Для статистической обработки результатов процессов кабельного производства многими поставщиками автоматизированных рабочих центров используются контрольные карты Шухарта. Интерпре-
точек, лежащих по одну сторону от средней линии, находятся в зоне 3 а», «четыре из пяти последовательных точек, лежащих по одну сторону от средней линии, находятся в зоне 2а», «семь точек по одну сторону от средней линии»;
у(х) — значение х. точки контрольной карты; а, 2а, 3а—зоны контрольной карты.
Данная методология организации интегрированной системы управления производством кабельной продукции позволяет реализовать следующую функциональность автоматизированного рабочего места (АРМ) (таблица 1).
Как показано на рисунке 3, этот этап представляет текущее состояние проекта MoTeF 4.0. Описанные полевые устройства, коммуникационные и информационные услуги уже реализованы, обеспечивая связь и видимость процесса дозирования СЕ
Таблица 1. Описание функциональности АРМ
Table 1. Description of workstation functionality
Функциональность АРМ
Старший мастер Начальник производства Технолог Диспетчер
Мониторинг технических операций Обеспечение контроля протоколов нарушений Мониторинг хода технологического процесса Отображение состояния комплекса аппаратных средств ПТК
Отслеживание выполнения заказов, объемов, партий Контроль выполнения плановых работ в реальном времени Оповещение об аварийных, нештатных и штатных событиях, происходящих в системе Отслеживание наработки оборудования
Управление задачами смены Контроль состояния технологического оборудования Коррекция настроечных параметров задач Контроль в реальном времени выполнения ремонтных работ в соответствии с планом
Контроль работы смены Формирование отчетной документации Мониторинг справочников Отслеживание аварийных ситуаций
Подготовка отчетов Представление данных измерений о качестве продукции в реальном времени Отслеживание истории продукта Отслеживание истории оборудования
-155
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 19, 2023
тацию контрольных карт Шухарта для большей части кабельного производства можно представить в следующем виде:
11, ¿/ э у < 11 \yixj) I г (-За, За), o,ifvj<i\\у(Х]) | е (-3(7,3(7);
|Ч,if V ) е а г - 2) 11у(х;) | е (2а, За), [о, if Б ]■ е ¿(¿, I - 2) 11у(рс]) | е (2а, За);
Fi(f) =
F2( i) = ■
(1) (2)
F3(})=
F*( 0 =
1, if V je (i, i - 4)| y(xj) e (Iff, 2a), 1, if У je (i, i - 4)1 y(xj) e (-1(7, -2a), 0, if Э У G ta i - 4) 11y(xj) I * (la, 2a), ^ ' o, if3jei(i,i- 4) \sgn (y(xj)J Ф sgn(y(Xi));
l, if v j e (i, i - 7) |s5n (y(*/)) =
= sgn(y(Xi)), 0, if 3 j e i(i, i - 7) Isgn (y(xj)J Ф Ф sgn(y(xi)),
(4)
где \ — номер текущей точки;
^(0, Бз(;), Б4(;) — соответственно «выход одной точки за границы 3 а», «две из трех последовательных
4. Функциональные услуги Системы MES и ERP могут подписаться на брокеров MQTT пограничных устройств или получить доступ к базе данных для получения всей информации о процессе обработки CF. Эта информация может быть использована руководством для принятия стратегических решений по планированию производства, например, о дальнейших объемах поставок CF. Кроме того, PLC на тележке получает информацию от MES о количестве и концентрации CF, которую необходимо заполнить в соответствующей машине, так что полевой оператор получает правильные рабочие инструкции. Кроме того, считается, что методы с применением искусственного интеллекта предсказывают будущее поведение системы и дают рекомендации по действиям. Основываясь на сохраненных данных истории, можно спрогнозировать дату возможной поломки машины из-за отсутствия CF в баке с помощью анализа тенденций, что позволяет осуществлять профилактическое техническое обслуживание. Например, раннее принятие контрмер позволяет предприятиям избежать затрат, связанных с простоями.
5. Автономные алгоритмы поддержки принятия решений Алгоритмы поддержки принятия
решений в МЧС и на PLC вагона помогают оценить расход и техническое обслуживание CF, что позволяет осуществлять автоматический, ориентированный на спрос и документированный розлив технических жидкостей. Полевой оператор берет тележку, идет к машине и должен начать заполнение без ввода каких-либо параметров или идентификационных кодов машины. Он получает все инструкции от внедренных систем. Таким образом, возможные ошибки и связанные с ними затраты сводятся к
минимуму. Следовательно, система автономна и в разумных пределах самооптимизируется, и цель проекта достигается.
Выводы
Возвращаясь к зрелости RAMI 4.0 и Индустрии 4.0 согласно, в этом исследовании представлена концепция эволюции производственного процесса на основе существующих технологий автоматизации. Подробно обсуждаются характеристики и функциональные возможности каждого этапа концепции, а также обосновывается выбор технологии и назначение соответствующих этапов. Для оценки целесообразности и применимости предложенного подхода детализирован примерный проект внедрения из области технического обслуживания технических жидкостей. В целом, это исследование направлено на предоставление теоретического последовательного руководства по развитию производственных процессов в направлении Индустрии 4.0 с учетом как ИТ-инфраструктуры, так и добавленной стоимости предприятия.
В дальнейшей работе описанный прикладной проект будет дорабатываться в целях последующей валидации и уточнения предложенной концепции. Будут реализованы дальнейшие этапы зрелости. Технологии автоматизации, которые лучше всего подходят для этой цели, будут дополнительно изучены и проверены на предмет их пригодности для Индустрии 4.0. Впоследствии будет обсуждаться их общая применимость для других приложений, включая оценку влияния допущений на предлагаемый метод. Еще одной целью будущей работы является оценка преимуществ названных технологий с точки зрения их взаимного использования в рамках глобальной производственной системы.
Список литературы
1. Фурсенко С.Н., Якубовская Е.С., Волкова Е.С. Автоматизация технологических процессов. Минск: БГАТУ, 2007. 592 с.
2. Аль-Дарабсе А.М.Ф., Маркова Е.В. Реализация концепции программы автоматизации управленческого учета // Актуальные проб-лемы финансов глазами молодежи: материалы III Всероссийской студенческой научно-практической конференции 2017. С. 31-33. EDN: ZVYWMZ.
3. Сасскинд Д. Будущее без работы. Технология, автоматизация и стоит ли их бояться. Litres, 2022.
4. Бородин И.Ф., Андреев С.А. Автоматизация технологических процессов и систем автоматического управления. 2-е изд., испр. и доп. М.: Изд-во Юрайт, 2023. 386 с. ISBN 978-5-53407895-4.
5. Клокотов И.Ю. Автоматизация технологических процессов и производств // Международный журнал прикладных наук и технологий «Integral». 2019. № 3. С. 200-205. EDN: OYCXGL.
6. Николаенко С.А. и др. Автоматизация технологических процессов. Краснодар, 2016. 218 с.
7. Шукалов А.В., Заколдаев Д.А., Жаринов И.О. От Индустрии 3.0 к Индустрии 4.0: обзор инноваций // Вопросы оборонной техники. Серия 16: Технические средства противодействия терроризму. 2018. № 11-12. С. 153-159. EDN: YPXBDV.
8. Тебекин А.В., Тебекин П.А., Егорова А.А. Является ли инициатива «Индустрия 4.0» промышленной революцией? // Теоретическая экономика. 2021. № 7 (79). С. 59-73. EDN: MGBLDX.
9. Шеве Г. и др. От индустрии 3.0 к индустрии 4.0: основные понятия, измерения и компоненты индустрии 4.0 // Инвестиции в России. 2019. № 9. С. 32-40. EDN: CGPCIM.
10. Юдина М.А. Индустрия 4.0: конкуренция за актуальность // Государственное управление. Электронный вестник. 2020. № 80. С. 282-299. EDN: OTYHUZ.
11. Гладилина И.П., Литвенко И.Ю., Кирю-хина Е.О. Современные управленческие технологии и индустрия 4.0 Modern management technologies and industry 4.0 // Финансовые рынки и банки. 2021. № 12. С. 21-23.
12. Фролов Е.Б., Паршина И.С., Зайцев А.С., Климов А.С. Индустрия 4.0: «Цифровой двойник» как средство повышения эффективности производственной системы // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2019. № 2. С. 42-48. doi: https://doi.org/10.30987/article_5c486cc5 1ea422.53107269.
13. Хомутинникова М.Е. Цифровые технологии — будущее нефтегазовой отрасли //
Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых: прикладная геология, нефтегазовое дело и геодезия: материалы XIII Всерос. науч.-техн. конф. (г. Пермь, 18-19 ноября 2020 г). Пермь-Екатеринбург, 2020. С. 136-143. ISBN 978-5-39802458-6. EDN: HLVNYS.
References
1. Fursenko S.N., Yakubovskaya E.S., Volko-va E.S. Avtomatizatsiya tekhnologicheskikh pro-tsessov [Automation of Technological Processes]. Minsk, BGATU Publ., 2007. 592 p. [in Russian].
2. Al'-Darabse A.M.F., Markova E.V. Realiza-tsiya kontseptsii programmy avtomatizatsii upravlencheskogo ucheta [Implementation of the Concept of the Management Accounting Automation Program]. Materials of the III All-Russian Student Scientific-Practical Conference «Actual Problems of Finance through the Eyes of Youth» [Materialy III Vserossiiskoi studencheskoi nauchno-prakti-cheskoi konferentsii «Aktual'nye problemy finan-sov glazami molodezhi»]. 2017, pp. 31-33. EDN: ZVYWMZ. [in Russian].
3. Sasskind D. Budushchee bez raboty. Tekhno-logiya, avtomatizatsiya i stoit li ikh boyat 'sya [The Future without Work. Technology, Automation and Whether to Be Afraid of Them]. Litres, 2022. [in Russian].
4. Borodin I.F., Andreev S.A. Avtomatizatsiya tekhnologicheskikh protsessov i sistem avtomati-cheskogo upravleniya [Automation of Technological Processes and Automatic Control Systems]. 2-e izd., ispr. i dop. Moscow, Yurait Publ., 2023. 386 p. ISBN 978-5-534-07895-4. [in Russian].
5. Klokotov I.Yu. Avtomatizatsiya tekhnologicheskikh protsessov i proizvodstv [Technological Process Automation]. Mezhdunarodnyi zhurnal prikladnykh nauk i tekhnologii «Integral» — International Journal of Applied Sciences and Technology Integral, 2019, No. 3, pp. 200-205. EDN: OYCXGL. [in Russian].
6. Nikolaenko S.A. e.a. Avtomatizatsiya tekhnologicheskikh protsessov [Automation of Technological Processes]. Krasnodar, 2016. 218 p. [in Russian].
7. Shukalov A.V., Zakoldaev D.A., Zharinov I.O. Ot Industrii 3.0 k Industrii 4.0: obzor innovatsii [From the Industry 3.0 Standard to the Industry 4.0 Standard : the Review of Innovations]. Voprosy oboronnoi tekhniki. Seriya 16: Tekhnicheskie sredstva protivodeistviya terrorizmu — Issues of Defense Technology. Series 16: Technical Means of Countering Terrorism, 2018, No. 11-12, pp. 153159. EDN: YPXBDV. [in Russian].
Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 19, 2023
Data processíng facílítíes and systems
8. Tebekin A.V., Tebekin P.A., Egorova A.A. Yavlyaetsya li initsiativa «Industriya 4.0» promyshlennoi revolyutsiei? [Is Industry 4.0 an Industrial Revolution?]. Teoreticheskaya ekonomika — Theoretical Economics, 2021, No. 7 (79), pp. 59-73. EDN: MGBLDX. [in Russian].
9. Sheve G. e.a. Ot industrii 3.0 k industrii 4.0: osnovnye ponyatiya, izmereniya i komponenty industrii 4.0 [From Industry 3.0 to Industry 4.0: Key Concepts, Dimensions, and Components of Industry 4.0]. Investitsii v Rossii — Investments in Russia, 2019, No. 9, pp. 32-40. EDN: CGPCIM. [in Russian].
10. Yudina M.A. Industriya 4.0: konkurentsiya za aktual'nost' [Industry 4.0: Competition to Stay Relevant]. Gosudarstvennoe upravlenie. Elektronnyi vestnik — Public Administration. Electronic Bulletin, 2020, No. 80, pp. 282-299. EDN: OTYHUZ. [in Russian].
11. Gladilina I.P., Litvenko I.Yu., Kiryukhi-na E.O. Sovremennye upravlencheskie tekhnologii i industriya [4.0 Modern Management Technologies and Industry 4.0]. Finansovye rynki i banki — Financial Markets and Banks, 2021, No. 12, pp. 21-23. [in Russian].
12. Frolov E.B., Parshina I.S., Zaitsev A.S., Klimov A.S. Industriya 4.0: «Tsifrovoi dvoinik» kak sredstvo povysheniya effektivnosti proizvod-stvennoi sistemy [Industry 4.0: «Digital twin» as a Means of Increasing the Efficiency of the Production System]. Naukoemkie tekhnologii v mashinostroenii
— Science-Intensive Technologies in Mechanical Engineering, 2019, No. 2, pp. 42-48. doi: https:// doi.org/10.30987/article_5c486cc5 1ea422.53107269. [in Russian].
13. Khomutinnikova M.E. Tsifrovye tekhnologii
— budushchee neftegazovoi otrasli [Digital Technology is the Future of the Oil and Gas Industry]. Materialy XIII Vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii «Problemy razrabotki mestorozhdenii uglevodorodnykh i rudnykh poleznykh iskopaemykh: prikladnaya geologiya, neftegazovoe delo i geodeziya» (g. Perm', 18-19 noyabrya 2020 g.). [Materials of the XIII All-Russian Scientific and Technical Conference «Problems of Development of Deposits of Hydrocarbon and Ore Minerals: Applied Geology, Oil and Gas Business and Geodesy» (Perm, November 18-19, 2020)]. Perm-Ekaterinburg, 2020, pp. 136-143. ISBN 978-5-398-02458-6. EDN: HLVNYS. [in Russian].
Статья поступила в редакцию 30.03.2023; одобрена после рецензирования 12.04.2023; принята к публикации 27.04.2023. The article was submitted 30.03.2023; approved after reviewing 12.04.2023; accepted for publication 27.04.2023.
