Цифровизация производственных систем:
советы по внедрению технологий

Такие темы, как цифровизация и технологии промышленного «Интернета вещей», постоянно мелькают в средствах массовой информации и материалах, рассчитанных на специалистов разных отраслей. Некоторые компании, например Amazon или Uber & Co., часто демонстрируют всему миру, как можно использовать стратегии цифровизации для достижения экономического успеха в области Интернет-торговли, логистики и многих других сферах.

Конечно, для цифровизации производственных предприятий необходим более специализированный подход. В настоящей статье мы остановимся на возможных шагах по цифровизации типового жизненного цикла оборудования, то есть только на тех шагах, которые относятся к продуктам, услугам и другим предоставляемым конечному пользователю преимуществам.

Прежде всего следует упомянуть один немаловажный аспект. Некоторые эксперты сомневаются в том, что технологии цифровизации и IIoT в машиностроении и проектировании способны стать причиной изменения основ производства и даже бизнес-моделей. В исследовании «Цифровизация в машиностроении» Фонда Hans Böckler 2018 г. приведена цитата эксперта из одной немецкой компании по этому поводу: «Очевидно, что мы останемся инженерами в области машиностроения и не превратимся в программистов. Но для того чтобы продать наше оборудование и оставаться привлекательными на рынке, нам необходимы программное обеспечение и сетевые технологии. Внедряя цифровые технологии, мы хотим помочь нашим заказчикам лучше решать поставленные перед ними задачи. И прежде всего мы хотим реализовать новые возможности в сфере цифровых технологий, чтобы напрямую взаимодействовать с нашими заказчиками. Это перспективная стратегия, которая ограничивает влияние извне и способствует тому, что никто – ни Amazon, ни Google, ни Microsoft, ни кто-либо еще — не сможет встать между нами и нашими заказчиками». Из-за давления конкуренции производители товаров промышленного назначения просто обязаны учитывать развитие цифровых технологий.

Таким образом, цифровизация — это не вопрос выбора, а задача, которую необходимо решить. Тем не менее заинтересованные лица по-разному оценивают степень развития цифровизации и необходимые приоритеты с точки зрения машиностроения и проектирования. Например, Фонд IMPULS в составе Союза немецких машиностроителей в исследовании 2016 г. отметил следующее: «Концепцию «Индустрии 4.0» начали применять в сфере машиностроения Германии. Компании пытаются занять лидирующее положение, в частности, стать поставщиками цифровых сетевых технологий и сервисов. Так создаются дополнительные преимущества для заказчиков по всему миру».

Гюнтер Кегель (Gunther Kegel), председатель правления Pepperl+Fuchs, который сейчас является президентом Ассоциации производителей электротехнической и электронной промышленности Германии (ZVEI), в своем интервью в июне 2018 г. дал следующий комментарий: «Я думаю, что… мы двигаемся вперед слишком медленно. Нам открыты такие разные возможности, что нужно сделать осознанный выбор: на что потратить ресурсы, какие степени свободы предпочесть и стоит ли принять что-то новое? Нам необходимо взвесить все «за» и «против» и решить, какие подходы реализовать сейчас, а какие — позже, в долгосрочной перспективе».

Приведенные высказывания показывают, насколько разную оценку дают ситуации в машиностроении заинтересованные лица. В конце 2019 г. Commerzbank AG попытался провести количественный анализ цифровизации в сфере машиностроения Германии. Вот один из выводов: «Ключевыми критериями развития для трансформации в компанию, ведущую свою деятельность на базе цифровых технологий, является интеграция решений для построения цифровых платформ как на уровне процессов, так и на уровне сервисов, а также продаж. При этом три из четырех компаний сектора утверждают, что платформы IIoT имеют для них большое значение, и приблизительно 30% компаний уже внедрили соответствующие решения». Это означает, что более половины немецких машиностроительных компаний пока не предприняли никаких шагов в направлении внедрения цифровизации и IIoT. Похожая ситуация складывается и в других странах со схожим уровнем развития машиностроительной отрасли.

Рассмотрим, какие конкретные шаги рекомендует предпринять компания HARTING Technology Group машиностроительным предприятиям для цифровой трансформации.

Рис. 1. Цифровизация производственных систем

Для построения производственных систем (рис. 1) производителям важно определить ключевых игроков в области промышленной цифровизации и внедрения IIoT и принять во внимание их роль, возможности и интересы:

• Производители промышленных товаров – поставщики отдельных модулей оборудования или комплексного оборудования / систем, обладающие собственными ноу-хау. Они могут предложить пользователям ключевые функции для цифровизации, позволяющие достичь различной экономической эффективности, а также расширить эти функции с целью интеграции цифровых компонентов и сервисов IIoT.
• Поставщики компонентов для средств автоматизации – поставщики ПЛК, систем ЧПУ, промышленных компьютеров, ЧМИ, систем приводов, технологий для измерений, датчиков и т. д. Эти компании специализируются в основном на производстве цифровых систем на базе контроллеров. Такие системы применяют цифровые сигналы и данные для непосредственного управления оборудованием и процессами, а в будущем могут быть адаптированы для сбора других сигналов и данных.
• Поставщики программного обеспечения для управления производством на уровне предприятия/компании – поставщики ERP, MES и других аналогичных информационных систем управления, которые обеспечивают взаимодействие на самом высоком уровне с целью управления бизнес-процессами и обработки больших массивов данных. Тем не менее такие системы редко имеют доступ к данным оборудования и процесса.
• Поставщики платформ для реализации новых бизнес-моделей (по-прежнему мало представлены в сфере производства промышленных товаров) – широко известные компании, работающие в секторе B2C, например Amazon & Co. Но по мере роста спроса на модели с подпиской («Pay per Use», «Pay per Month», «Pay per Unit» и т. д.) наблюдается все большая активность в секторе B2B, и поставщики платформ надеются завоевать рынок, предоставляя новые преимущества и сервис-ориентированные модели.
• Ассоциации и партнерства, направленные на развитие цифровизации и IIoT – стратегические партнерства машиностроительных и ИТ-компаний, цель которых часто состоит в создании открытой и независимой среды IIoT, а также соответствующих стандартов на основе инновационных программных решений и технологий (например, Open Industry 4.0 Alliance: Endress + Hauser, KUKA, MULTIVAC, Pepperl + Fuchs, SAP, SVA, Voith и др.; Open Manufacturing Platform: BMW и Microsoft, umati: machine tools и т. д.).
• Пользователи/операторы оборудования и агрегатов, во-первых, обладают глубокими профессиональными знаниями в области эксплуатации оборудования и агрегатов, а также применения соответствующих технологий, очень хорошо понимают причины возникающих проблем. Во-вторых, они являются главными «бенефициарами» продолжающегося развития технологий, в том числе всех аспектов цифровизации.

Кроме того, цифровизацию в сфере производства товаров промышленного назначения нельзя рассматривать как отдельный тренд: она затрагивает все ключевые тренды развития технологий. Можно выделить следующие тренды:

• Конечным пользователям необходимо все большее разнообразие производственных систем: должно быть обеспечено производство максимально широкого спектра продуктов небольшими или средними партиями при использовании одной системы.
• Производственные предприятия должны обладать масштабируемостью и давать возможности для последующего экономически эффективного расширения существующих систем с увеличением производительности и объема выпускаемой продукции.
• Устранение препятствий на пути внедрения новых производственных систем, а также высокие ожидания конечных пользователей, направленные на получение технической поддержки и сервисов, способствуют развитию бизнес-моделей на базе LCC (затрат за срок службы) и новых бизнес-концепций (в том числе технического обслуживания, сервисов, модернизации). Этот подход становится для производителей промышленных товаров все более экономически эффективным и, следовательно, целесообразным.
• Постоянно растут ожидания пользователей в отношении взаимозаменяемости модулей оборудования и подсистем. Сочетать оборудование и его отдельные модули различных поставщиков для формирования одной производственной линии должно быть максимально просто. Результатами указанного тренда являются повышение совместимости и более жесткая конкуренция производителей.

Эффективное следование всем этим трендам в области машиностроения как с экономической, так и с технической точки зрения можно обеспечить только при использовании согласованных модульных, масштабируемых и, наконец, интегрированных в сеть производственных систем. Только модульное оборудование (рис. 2), интегрированное в сеть, в долгосрочной перспективе будет успешным с экономической точки зрения. Поэтому сегодня именно модульность и масштабируемость должны быть главными характеристиками передового аппаратного обеспечения для современного машиностроения.

Рис. 2. Модульные и масштабируемые соединительные компоненты HARTING для сетей Ethernet

Подтвердить данное утверждение могут два примера из смежных отраслей:

• Модульность современных промышленных ПЛК, систем ЧПУ и ЧМИ уже стала их неотъемлемой характеристикой. Аппаратное обеспечение и среда разработки создаются для каждого конкретного случая на основе принципа «ровно столько, сколько нужно». Но при необходимости доступны дальнейшие обновления, в частности, для интерфейсов передачи данных. Таким образом, последующее развитие программного обеспечения для управления в поставляемых системах, в принципе, не является проблемой и ограничивается только ноу-хау поставщиков, работающих с промышленными компаниями.
• Масштабируемость современных высокопроизводительных систем привода, содержащих сервоинвертер и серводвигатель, не всегда реализована производителями в аппаратном обеспечении и может поддерживаться только программными средствами (такими как программная прошивка двигателей внутреннего сгорания). Для построения простых продуктов применяется стандартное аппаратное обеспечение, а функциональность и производительность конкретной системы, установленной на площадке заказчика, определяется уже программным обеспечением.

Поскольку экономический успех цифровизации в сфере машиностроения может значительно разниться от сегмента к сегменту и, кроме прочего, зависит от специализации и бизнес-моделей компании, привести еще более конкретные рекомендации в рамках одной статьи невозможно.

Как производителям товаров промышленного назначения выбрать и создать успешные цифровые решения? Оценивая опыт заказчиков компании HARTING в разных сегментах машиностроительной отрасли в разных странах мира, мы выделили три важных аспекта:

1. Следующие функции и элементы существующего программного обеспечения изначальной системы должны иметь самый высокий приоритет:
   • ключевые функции, которые относятся к главной специализации производителя;
   • базовые функции, которые применяются во всей системе, но не оказывают влияния на основные ноу-хау;
   • дополнительные функции, которые играют второстепенную роль для производителя и конечного пользователя и, как правило, приобретаются в виде подсистем.
2. На следующем этапе необходимо объединить профессиональные знания конечных пользователей (заказчиков) и собственных экспертов, которые могут представлять важность для возможных проектов цифровизации, определить приоритет функций и элементов программного обеспечения. Затем следует попробовать сравнить полученные результаты с ноу-хау конкурентов и составить список требований. С точки зрения приоритетных функций и элементов программного обеспечения список должен быть максимально модульным и исчерпывающим.
3. Необходимо оценить экономическую эффективность цифровизации для отдельных функциональных модулей. На этом этапе рекомендуется привлечь всех экспертов компании из всей цепочки создания ценности и предоставления услуг. Кроме того, оценка может предоставляться и сторонними специалистами, а также на основании любых ранее определенных спецификаций или стандартов, которые могут применяться в качестве шаблонов (например, стандартов компании umati).

На третьем этапе промышленная компания может столкнуться со следующими сложностями:

• Противоречия между различными индивидуальными требованиями заказчиков оборудования и экономическая нецелесообразность развертывания необходимого количества модулей / процессов для соблюдения этих требований (в частности, для реализации ключевых функций). Промышленные компании уже сегодня решают эту проблему, постепенно разбивая свои системы на логические блоки для формирования модульной структуры. Для того чтобы на этом этапе цифровизация стала экономически эффективной, рекомендуется учитывать следующие условия:
  • Следует собрать как можно больше имеющейся информации по технологическим процессам и параметрам оборудования и упорядочить эту информацию на самом низком модульном уровне с целью реализации будущих проектов цифровизации, т. е. использовать уже доступные источники, данные и модели оборудования и процессов. Особое внимание следует обратить на ранее неиспользуемые или мало используемые «интеллектуальные» свойства средств автоматизации, например приводов, датчиков для определения состояния оборудования и процесса и т. д.
  • На всех высоких уровнях (периферийный уровень и выше) следует выбрать самые открытые и перспективные стандарты, доступные для физических соединений, а также новейшие программное обеспечение и протоколы взаимодействия.
• Применение слишком общих концепций и выбор недостаточно четко сформулированных целей в сочетании со слишком высокими ожиданиями в отношении экономического эффекта цифровизации. Во-первых, при реализации важных проектов ожидания руководства предприятия часто завышены, а во-вторых, количество доступных ресурсов ограничено. Поэтому в процессе разработки, реализации и поддержки проектов цифровизации не рекомендуется стремиться получить все и сразу. Важно также учитывать следующие аспекты:
  • определение подпроектов должно проводиться в соответствии с модулями, и необходимо сосредоточиться на ключевых функциях с высоким приоритетом;
  • архитектура соединений на физическом уровне, а также на уровне передачи данных всегда должна строиться на базе самых современных технологий и быть открытой для последующего обновления и расширения программного обеспечения;
  • участников проекта необходимо разделить на междисциплинарные рабочие группы: во-первых, для организации непрерывного обмена информацией, а во-вторых, для обеспечения возможности взаимодействия с руководством компании в любое время с целью корректировки поставленных задач и целей.

Наконец, последнее и главное правило звучит так. Если степень модульности проектов цифровизации (программных средств) будет соответствовать степени модульности оборудования и систем (аппаратных средств), а также функциям современных физических соединений и интерфейсов для передачи данных, то промышленная компания сможет построить оптимальную с экономической и технической точки зрения систему в соответствии с актуальными требованиями заказчиков. Также в них заложен потенциал, который поможет быстро перестроиться на новые требования в будущем.

Соединения играют важную роль в модульных сетевых производственных системах: их называют жизненно важными нервными путями и синапсами, обеспечивающими необходимую инфраструктуру для взаимодействия модулей и оборудования, периферийных устройств, взаимодействия предприятия с другими высокими уровнями. Поэтому наша компания – производитель соединений для современных систем управления, приводов, ЧМИ – продолжает следить за развитием технологий, привнося полученные знания в проекты промышленных предприятий.