Przemysł 4.0. Czym jest przemysł 4.0?

Przemysł 4.0 – czym jest?

Przemysł 4.0 to koncepcja czwartej rewolucji przemysłowej związanej z przejściem do systemów cyberfizycznych – CPS (ang. Cyber-Physical Systems) [16,5] łączących ze sobą maszyny, procesy i produkty w inteligentne rozwiązania gospodarcze i samo sterowalne inteligentne sieci i łańcuchy dostaw. W ramach tych ostatnich współpracujące ze sobą inteligentne przedsiębiorstwa (ang. Smart Factory) wymieniają w inteligentnych łańcuchach dostaw, w sposób zautomatyzowany, informacje z kooperantami, dostawcami oraz sieciami dystrybucyjnymi i serwisowymi. Procesy te mają wymiar end-to-end i obejmują cały okres życia produktu (ang. Lifecycle). Tego rodzaju komponenty składają się na pojęcie Przemysłu 4.0 jako paradygmatu częściowo zdefiniowanego poprzez wykorzystanie urządzeń w komunikacji maszyna-maszyna (Internet Rzeczy – IoT) do tworzenia fabryk, które działają jak inteligentne systemy produkcyjne: szereg urządzeń i maszyn jest dostosowana do stałej komunikacji w celu stworzenia spójnego, dobrze widocznego systemu. W idealnym świecie rezultatem końcowym jest odkrycie obszarów nieefektywności, dokładniejsza optymalizacja decyzji oraz automatyzacja niektórych procesów.

Przemysł 4.0 stanowi nowy etap przemysłowy, który wpływa na strukturę przemysłu i wymagania klientów [3], a także zmienia zasady konkurencji, ponieważ modele biznesowe przedsiębiorstw ulegają przeformułowaniu poprzez przyjęcie koncepcji IoT i cyfryzację fabryk [2, 9]. Z punktu widzenia rynku, technologie cyfrowe pozwalają firmom oferować nowe rozwiązania cyfrowe dla klientów, takie jak usługi internetowe wbudowane w produkty [1]. Z perspektywy operacyjnej z kolei technologie cyfrowe, takie jak CPS, są wdrażane w celu skrócenia czasu konfiguracji, kosztów pracy i materiałów oraz czasu przetwarzania, co skutkuje wyższą efektywnością procesów produkcyjnych [5].

Przemysł 4.0 jako kolejny etap transformacji przemysłowej

Przemysł 4.0 to kolejny etap procesu industrializacji rozpoczętego wprowadzeniem mechanicznych urządzeń produkcyjnych w końcu XVIII w. Pierwsza rewolucja przemysłowa związana jest z pewną formą mechanizacji prac, bazującej na wykorzystaniu energii wodnej i pary wodnej. Dzięki temu rozpoczęła się transformacja od społeczeństwa rolniczego do przemysłowego. Następnie nastąpiła druga rewolucja przemysłowa na przełomie XIX i XX w., która polegała na wykorzystaniu w produkcji maszyn elektrycznych. Jej źródłem były przede wszystkim zmiany organizacyjne, takie jak wdrożenie linii montażowej Henry’ego Forda oraz procedury naukowego zarządzania opracowane przez Frederica W. Taylora, lepiej znane jako tayloryzm.

Trzecia rewolucja przemysłowa, która rozpoczęła się ok. 1969 r. charakteryzowała się wdrażaniem technologii informacyjnych i technologii komunikacyjnych w celu osiągnięcia większej automatyzacji procesów produkcyjnych. Nastąpił szybki rozwój automatyzacji w przemyśle poprzez zastosowanie inteligentnych systemów, takich jak robotyka przemysłowa oraz dziedzin inteligentnej mechatroniki i robotyki [8]. W konsekwencji koncepcja określana jako Cyber-Physical Systems (CPS), która łączy technologie Internetu Rzeczy z ekosystemem produkcyjnym wprowadza nową erę industrializacji [14] postrzeganą jako znaczącą zmianę paradygmatu w produkcji przemysłowej, określaną mianem Przemysłu 4.0. W wyniku zastosowania różnorodnych technologii świat fizycznej rzeczywistości został uzupełniony przez jej wirtualne odzwierciedlenie umożliwiające zwiększenie automatyzacji, elastyczności i różnorodności produktów poprzez lepszą integrację procesów oraz systemów produkcyjnych [6].

Fundamentem Przemysłu 4.0 są technologie wykorzystywane w wielu dziadzinach produkcji, takie jak m.in. Cloud Computing [17, 12], Big Data [17, 12], Internet Rzeczy (IoT) [17], przemysłowe sieci bezprzewodowe [15], systemy cyber-fizyczne [4], rzeczywistość rozszerzona [10], uczenie maszynowe [13] czy cyberbezpieczeństwo [4]. Umożliwiają one wdrożenie wzajemnie połączonych, inteligentnych i samosterujących się struktur procesów oraz systemów [11], dlatego procesy biznesowe bazujące na tego typu technologiach zapewniają bardziej elastyczne, niezawodne i wydajne operacje. Najnowsze osiągnięcia technologiczne same w sobie oferują nowe możliwości biznesowe i tworzą nowe modele biznesowe [7], natomiast Przemysł 4.0 jest postrzegany jako przełomowy rozwój technologiczny, który wprowadza innowacje w modelu biznesowym w sektorze produkcyjnym [7].

Zasady funkcjonowania technologii Przemysłu 4.0

Istnienie wiele różnych technologii będących fundamentem funkcjonowania Przemysłu 4.0, jednak wszystkie one podlegają czterem nadrzędnym zasadom.

Zasada połączeń międzysystemowych (interoperacyjność)

Komunikacja pomiędzy maszynami oraz pomiędzy maszynami a osobami jest kluczowym elementem Przemysłu 4.0. Aby podejmować decyzje bazujące na uzyskanych danych i zmniejszyć zależność od ingerencji człowieka w zachodzące procesy, nowoczesne zakłady produkcyjne potrzebują szerokiej integracji pomiędzy urządzeniami produkcyjnymi oraz oprogramowaniem przeznaczonym do procesów produkcyjnych i informacyjnych.

Wykorzystanie technologii Internetu Rzeczy pozwala producentom pozyskać dane z umieszczonych w urządzeniach czujników. Postęp technologii sieciowej (szczególnie komórkowej IoT) umożliwia łączenie tysięcy urządzeń w jednym systemie i utrzymanie stabilnej komunikacji pomiędzy nimi. Tak przygotowane i skonfigurowane komponenty sprzętowe i programowe muszą cechować się pełną integralnością systemową, zapewniającą wymianę niezbędnych informacji. Dzięki takiemu rozwiązaniu operatorzy maszyn produkcyjnych nie są zmuszeni do analizy danych i przełączania się pomiędzy dziesiątkami aplikacji w celu prawidłowego nadzoru linii produkcyjnych. Z tego też względu nowoczesne podejście technologiczne w Przemyśle 4.0 cechuje się wykorzystaniem prostych interfejsów, stanowiących podstawę do zastosowania pełnej interoperacyjności w zakładach produkcyjnych.

Zasada przejrzystości informacji

Tradycyjne systemy produkcyjne charakteryzują się dużą liczbą różnego rodzaju ograniczeń, co w rzeczywistości sprowadza się do ich nieefektywności lub braku wykorzystania potencjału produkcyjnego. Jednym z nich jest konieczność uzyskiwania wielu informacji w sposób ręczny, co wpływa negatywnie na system podejmowania decyzji. Innym przykładem jest fakt, że w całym cyklu produkcyjnym występuję liczne, tzw. martwe strefy, z których operatorzy nie otrzymują niezbędnych danych, umożliwiających wprowadzenie ulepszeń i optymalizacji procesów. Rozwiązania Przemysłu 4.0 umożliwiają gromadzenie ogromnych ilości danych na każdym etapie produkcji. Korzystając z nich operatorzy mogą wykryć problemy, które wcześniej były niewidoczne, a następnie wprowadzić odpowiednie rozwiązania.

Zasada przewidywalności zdarzeń

Każdy człowiek mając dostęp do właściwych danych może je źle interpretować i podjąć na ich podstawie błędne decyzje, dlatego pomocne okazują się rozwiązania bazujące na uczeniu maszynowym, umożliwiające urządzeniom i aplikacjom skanowanie i ocenę danych znacznie szybciej oraz dokładniej niż potrafią zrobić to ludzie. W przypadku złożonych procesów, które nadal wymagają podejmowania decyzji przez człowieka Przemysł 4.0 tworzy możliwości wykorzystania technologii wspomagających, np. wykrywanie słabych punktów w procesach produkcyjnych, potencjalnych awarii przed ich wystąpieniem (analityka predykcyjna) czy też informują na bieżąco o stanie realizacji procesu. Ponadto, technologie, takie jak rozszerzona rzeczywistość czy przetwarzanie w chmurze umożliwiają organizacjom tworzenie symulacji i środowisk testowych, dzięki czemu mogą one identyfikować problemy zanim staną się one kosztownymi błędami, a także opracowywać rozwiązania możliwe do bezpośredniego wdrożenia do produkcji.

Nowoczesne technologie mogą również wspierać ludzi w wykonywaniu zadań, które są trudne lub niebezpieczne. Przykładowo konserwacja jest niezbędna do utrzymania stałej wydajności i maksymalnego wydłużenia żywotności sprzętu. Jednak tradycyjnie stanowi proces reaktywny, w którym ludzie ręcznie zbierają informacje i okresowo rozpoznają potrzeby konserwacyjne, a jednocześnie zidentyfikowanie problemów może być trudne do momentu wystąpienia awarii, które często powodują nieplanowane przestoje. W przypadku Przemysłu 4.0 można wykorzystać konserwację predykcyjną – dzięki takim technologiom jak IoT, Big Data czy uczenie maszynowe możliwe jest pozyskanie informacji jakie działania należy podjąć, aby uniknąć potencjalnej awarii.

Przedsiębiorstwa produkcyjne nieustannie dążą do tworzenia bezpieczniejszych warunków dla swoich pracowników. Jednak nadal istnieje wiele niebezpiecznych zadań, które człowiek po prostu musi wykonać. Przemysł 4.0 zmienia ten stan rzeczy, wykorzystując robotykę do wspomagania ich w zadaniach związanych z pracą w szkodliwych środowiskach, w ciasnych przestrzeniach, przy podnoszeniu ciężarów czy wykonywaniu czynności w nienaturalnych dla człowieka pozycjach.

Zasada decentralizacji decyzji

Przemysł 4.0 oprócz prostych procesów wspomagających pracę człowieka umożliwia maszynom podejmowanie prostych, rutynowych decyzji w sposób autonomiczny. W procesie produkcyjnym pozbawionym możliwości automatyzacji prac powstają wąskie gardła prowadzące do spowolnienia lub zatrzymania produkcji, co zawsze skutkuje zmniejszeniem efektywności ekonomicznej. Wynika to najczęściej z błędnych decyzji podejmowanych w pośpiechu lub w stresie. Ten problem można rozwiązać wykorzystując urządzenia wyposażone w sztuczną inteligencję, które mogą rozpoznawać wzorce i być skonfigurowane tak, aby optymalnie reagować na zmieniającą się sytuację. Dzięki temu pracownicy mogą skupić się na innych działaniach – bardziej istotnych, nietypowych lub wymagających jakiejś formy ingerencji.

Przemysł 4.0 – korzyści z wdrożenia rozwiązań

Wdrożenie technologii Przemysłu 4.0 niesie ze sobą szereg korzyści m.in.:

• ułatwia zachowanie zgodności z przepisami poprzez automatyzację, w tym śledzenie, kontrolę jakości, serializację, rejestrację danych itp.,
• stwarza możliwość poprawy doświadczenia klienta i obsługi poprzez skrócenie czasu rozwiązywania problemów czy zmniejszenie liczby usterek, co skutkuje szerszą gamą oferowanych produktów,
• zwiększa elastyczność, szybkość oraz sprawność wprowadzania nowych produktów i usług na rynek (w inteligentnej fabryce łatwiej jest zwiększyć lub zmniejszyć produkcję poprzez wprowadzenie minimalnych modyfikacji),
• poprawia wydajność operacyjną, przy minimalnych przestojach maszyn można produkować więcej i szybciej, a jednocześnie alokować zasoby w sposób bardziej ekonomiczny i efektywny,
• zapewnia możliwość kontroli procesów produkcyjnych i stały monitoring pracy maszyn, a co za tym idzie – ich optymalizację i ograniczenie liczby awarii, ponadto prowadzi do oszczędności w zakresie minimalizacji strat, np. energii i surowców, a więc również do oferowania konkurencyjnych cen,
• pozwala szybko reagować na potrzeby rynku i klientów oraz zwiększa elastyczność produkcyjną, np. w zakresie personalizacji czy tworzenia krótkich serii lub pojedynczych egzemplarzy produktów.

Problemy wynikające z Przemysłu 4.0

Wdrożenie technologii Przemysłu 4.0 może wiązać się również z kilkoma problemami, takim jak:

• kwestie bezpieczeństwa danych, które są jednym z głównych zmartwień producentów, którzy uważają, że inwestowanie w inteligentne fabryki może zwiększyć ryzyko naruszenia bezpieczeństwa i szansę na kradzież zastrzeżonej wiedzy produkcyjnej,
• usterki techniczne, utrata wysokopłatnych miejsc pracy i opór ze strony interesariuszy przed inwestowaniem w nowe technologie,
• zarządzanie zmianami kulturowymi musi zostać dobrze przeprowadzone, w przeciwnym przypadku będzie stanowiło ogromną przeszkodę we wdrożeniu nowoczesnych rozwiązań, jeśli pracownicy nie są gotowi na zmiany mogą być niechętni, oporni lub niezdolni do adaptacji, dlatego przygotowanie ich na zmiany technologiczne i uzyskanie ich akceptacji ma kluczowe znaczenie dla powodzenia wdrożenia projektu cyfrowego,
• brak wewnętrznej zgodności, co do tego, jakie strategie należy realizować, wraz z nadejściem technologii cyfrowych pojawiają się nowe modele biznesowe, które wymagają od firm przemyślenia sposobu prowadzenia działalności, bez konsensusu w sprawie strategii biznesowej lub odpowiednich ludzi na stanowiskach, którzy będą ją realizować, pokonanie wewnętrznych wyzwań może być trudne,
• dostęp do umiejętności stanowi często największą barierę dla transformacji cyfrowej, podmioty wdrażające technologię zgłaszają trudności ze znalezieniem, przeszkoleniem i przekwalifikowaniem pracowników, szczególnie w zakresie interfejsu użytkownika, nauki o danych, rozwoju oprogramowania oraz kontroli na poziomie maszyn, czasami pojawiają się również trudności związane z dostępnością technologii, ponieważ ludzie nie chcą (lub jest to dla nich zbyt trudne) korzystać z nowych cyfrowych narzędzi i aplikacji.

Podsumowując, bez względu na to czy czwarta rewolucja przemysłowa zostanie uznana za szansę czy zagrożenie, nie zmieni to faktu, że ma ona miejsce. Postępująca robotyzacja i cyfryzacja produkcji to wyzwania, którym będą musiały sprostać firmy chcące przetrwać na coraz bardziej konkurencyjnym rynku.

Literatura
1. N.F. Ayala, C.A. Paslauski, A. Ghezzi, A.G. Frank, „Knowledge sharing dynamics in service suppliers involvement for servitization of manufacturing companies”, „International Journal of Production Economics” 193/2017, https://doi.org/10.1016/j.ijpe.2017.08.019.
2. J. Dregger, J. Niehaus, P. Ittermann, H. Hirsch-Kreinsen, M. Ten Hompel, „The digitization of manufacturing and its societal challenges: A framework for the future of industrial labor”, IEEE International Symposium on Ethics in Engineering 2016, https://doi.org/10.1109/ETHICS.2016.7560045.
3. A. Gilchrist, „Industry 4.0: the industrial internet of things”.
4. M. Hermann, T. Pentek, B. Otto, „Design principles for industrie 4.0 scenarios”, 49th Hawaii International Conference on System Sciences (HICSS), 2016.
5. S. Jeschke, C. Brecher, T. Meisen, D. Özdemir, T. Eschert, „Industrial Internet of Things and Cyber Manufacturing Systems”, 2017, https://doi.org/10.1007/978-3-319-2559-7_1.
6. H. Kagermann, W. Wahlster, J. Held, P.A. Deutsche, „Recommendations for implementing the strategic initiative INDUSTRIE 4.0”, 2013.
7. H. Kagermann, W. Wahlster, J. Held, „Bericht der Promotorengruppe Kommunikation. Im Fokus: Das Zukunftsprojekt Industrie 4.0. Handlungsempfehlungen zur Umsetzung Forschungsunion”, 2012.
8. T.L. Kunii, „The 3rd Industrial Revolution through Integrated Intelligent Processing Systems”, IEEE International Conference on Intelligent Processing Systems, 1997.
9. H. Lasi, P. Fettke, H.G. Kemper, T. Feld, M. Hoffmann, „Industry 4.0”, „Business & Information Systems Engineering” 6/2014, https://doi.org/10.1007/s12599-014-0334-4.
10. V. Paelke, „Augmented reality in the smart factory: Supporting workers in an industry 4.0. environment”, IEEE Emerging Technology and Factory Automation (ETFA), 2014.
11. A. Reiner, „Industrie 4.0 – Advanced Engineering of Smart Products and Smart Production”, 19th International Seminar on High Technology, 2014.
12. R. Schmidt, M. Möhring, R.C. Härting, C. Reichstein, P. Neumaier, P. Jozinović, „Industry 4.0 – potentials for creating smart products: empirical research results”, International Conference on Business Information Systems, 2015.
13. S.J. Shin, J., Woo, S. Rachuri, „Predictive Analytics Model for Power Consumption in Manufacturing”, „Procedia CIRP” 15/2014.
14. F. Shrouf, J. Ordieres, G., Miragliotta, „Smart factories in Industry 4.0: A review of the concept and of energy management approached in production based on the Internet of Things paradigm”, IEEE International Conference on Industrial Engineering and Engineering Management, 2014.
15. J. Wan, S., Tang, Z., Shu, D. Li, S. Wang, M. Imran, A. Vasilakos, „Software-Defined Industrial Internet of Things in the Context of Industry 4.0”, „IEEE Sensors Journal” 16/2016.
16. L. Wang, M. Törngren, M. Onori, „Current status and advancement of cyber-physical systems in manufacturing”, „Journal of Manufacturing Systems 37/2015, https://doi.org/10.1016/j.jmsy.2015.04.008.
17. G. Xiong, T. Ji, X. Zhang, F. Zhu, W. Liu, „Cloud operating system for industrial application”, 10th IEEE International Conference Service Operation and Logistic and Informatics, SOLI 2015.
18. C.J. Bartodziej, „The concept Industry 4.0.”, 2017.