КИБЕРФИЗИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ

АННОТАЦИЯ

С появлением решения Индустрия 4.0 и всё более стремительному развитию таких технологий, как Интернет вещей, однокристальные компьютеры, облачные вычисления, Big Data и искусственный интеллект, взаимодействие между различными отделами и устройствами производства заметно усложнилось. Сама концепция Индустрии 4.0 подразумевает возможность улучшения сотрудничества между вышеупомянутыми технологиями, предоставляя, вместе с тем, информацию людям в режиме реального времени с целью повышения эффективности. Поэтому, неудивительно, что ключевым элементом данного подхода являются киберфизические системы (КФС), однако, мало кто действительно понимает, что они из себя представляют.

ABSTRACT

With the advent of Industry 4.0 and the recent rapid development of technologies such as the Internet of Things, single-chip computers, cloud computing, Big Data and artificial intelligence, the interaction between different departments and production devices has become noticeably more complicated. The very concept of Industry 4.0 implies the possibility of improving the cooperation between the aforementioned technologies, while providing information to people in real time in order to increase efficiency. Therefore, it is not surprising that Cyber-Physical Systems (CPS) are a key element of this approach, however, few people really understand what they are.

Ключевые слова: киберфизические системы, интернет вещей, производство, индустрия 4.0, цифровое производство, автоматизация.

Keywords: Cyber-Physical Systems, Internet of Things, manufacturing, Industry 4.0, digital production, automation.

Основной характеристикой четвёртой промышленной революции являются полностью автоматизированные производства, изделия и линии, взаимодействующие друг с другом и с пользователем с помощью концепции Интернета вещей [1]. Ведущим трендом данного подхода становится понятие Индустрии 4.0 или «умной фабрики», в которой можно выделить следующие ключевые элементы [2]:

• киберфизические системы;
• интернет вещей;
• когнитивные вычисления;
• доступность ресурсов компьютерной системы.

В данной статье будет рассмотрено понятие «киберфизические системы».

Киберфизическая система – это интеллектуальная система, включающая интеграцию физических и вычислительных компонентов. Этот термин является основным в концепции Индустрия 4.0 и одним из основных элементов в четвёртой промышленной революции, поскольку именно эта система имеет возможность совмещать в себе все остальные современные технологии и обеспечивать их взаимодействие, причём, как правило, без активного участия человека или вовсе в его полное отсутствие.

Конкретно с точки зрения производства, киберфизическая система представляет из себя физический объект с доступом в Интернет, оснащённый различными вычислительными компьютерными компонентами и элементами управления, такими как датчики и исполнительные механизмы. Такие объекты используют данные из окружающей среды, перерабатывают их и затем на основе полученных результатов могут изменить, переконфигурировать или оптимизировать управление процессом.

Говоря по существу, киберфизические системы являются обновлённой версией встраиваемых систем или микроконтроллеров. Такие вычислительные системы, собранные на базе однокристальных компьютеров, могут иметь процессоры достаточной мощности, чтобы обрабатывать информацию, получаемую с устройств связи с объектом. Эти же микроконтроллеры имеют скорость, начинающаяся значениями в МГц и заканчивая в ГГц, встроенную память от 100 МБ до нескольких ГБ, а также точки доступа различных сетевых протоколов, включающие в себя ZigBee, Wi-Fi, Ethernet и Bluetooth.

Концептуально, модель типичной киберфизической системы состоит из пяти основных уровней: физический, сетевой, хранилище данных, аналитический и уровень приложения.

Физический уровень состоит из исполнительных механизмов, вычислительных элементов, устройств отслеживания и датчиков. Датчики преобразуют цифровые или аналоговые физические сигналы из окружающей среды, инструментов, приборов в электрический сигнал. Контроллер собирает полученную информацию, которая, затем, обрабатывается локально в соответствии с алгоритмом управляемой системой. Датчики и устройства слежения могут быть подключены к контроллеру через порты связи RS232, USB, I2C, CAN и др. В соответствии с полученными результатами проводится активация необходимых сопряжённых устройств или передача данных на уровень хранения и обработки сервером в локальной системе или в облако. С учётом алгоритма контроллера, даются различные команды исполнительным механизмам с целью изменения производственной системы.

Через сетевой уровень киберфизические системы могут подключаться к сети, используя такие протоколы связи, как GPRS, WiMAX, технологию 3G/4G/5G/LTE и Wi-Fi [3]. Для взаимодействия между конечными устройствами и облаком обычно используются протоколы AMQP, MQTT, CoAP, Websocket, Node, ZigBee, Bluetooth [3]. Данные технологии на технологическом оборудовании поддерживаются благодаря встраиваемому непосредственно в устройства контроллеру.

На уровне хранилищ данных хранится информация, полученная киберфизической системой на физическом уровне. Данный уровень может представлять из себя как локальный сервер, так и облако, куда данные поступают блоками обычно по 64 или 128 МБ.

Аналитический уровень обрабатывает полученные данные различными методами и алгоритмами, например, многомерное моделирование, а также визуализирует результаты для дальнейшего мониторинга практически в режиме реального времени.

На уровне приложения работникам производства или другим потребителям, пользующимся киберфизическими системами, предоставляется пользовательский интерфейс в привилегированном режиме доступа для взаимодействия с вышеупомянутой системой в целом и всеми её уровнями по отдельности. Управление оборудованием производится сотрудниками с использованием тех же протоколов беспроводной связи, что и рассмотренные ранее в сетевом уровне. Поскольку они не зависят от нахождения человека в непосредственной близости к устройству, достигается одно из условий концепции Индустрии 4.0 – отсутствия человека вблизи работающих устройств.

Технологическое оборудование, входящее в состав киберфизической системы, подразделятся на две сущности – физическую и виртуальную. Физическая часть оборудования представляет из себя сам механический инструмент, а виртуальная существует в виде цифрового двойника.

Цифровой двойник – это математическая модель реального производственного оборудования, воспроизводящий функции и характеристики работы своего оригинала. С помощью данной технологии можно проводить дополнительный контроль выполнения технологического процесса устройством, в то время, когда сама работа может находится ещё только на этапе проектирования.

Непосредственно во время выполнения производственных операций физический уровень осуществляет сбор и вычисление данных, необходимых для цифрового двойника. В данной математической модели производится обработка полученных параметров и последующее проектирование реагирования и работы реального технологического устройства. Выработанный алгоритм и новые знания о процессе через контроллер передаются в систему управления оригинального оборудования, что позволяет реализовать выявленные требуемые действия или применить новые параметры для исполняющих устройств. Грамотное использование цифрового двойника позволяет адекватно оценить качество выполнения производственной операции, что в будущем может оказать эффект на дальнейшее планирование производства. Успешное планирование производства увеличивает конкурентоспособность компании.

Однако, это зависит от качества получаемых данных во время контроля исполняемого процесса, которые чаще всего отличаются от изначально прогнозируемых. Решением такой проблемы может стать использование на продуктах производства RFID меток, что позволит дополнительно собирать данные о ресурсах во время их производства.

На пике эксплуатации киберфизических систем в производстве наступит момент автоматизации, когда единственной функцией человека в технологическом процессе с использованием вышеописанных решений будет являться лишь мониторинг за организованным и спланированным выполнением. Взаимодействующие устройства системы самостоятельно собирают необходимые данные, анализируют и обрабатывают их, чтобы после на основе полученных результатов выполнить требуемый новый порядок действий и операций.

Не смотря на все свои достоинства, киберфизические системы ещё далеки от идеала. Поскольку собираемый поток данных на производстве для регулирования работы физических механизмов остаётся довольно большим, текущим системам не хватает методов и технологий сбора информации подобного количества, что также способствует ухудшению пропускной способности связи между устройствами системы. Кроме того, существует негативное мнение, относящееся ко всей автоматизации производства в целом и утверждающее постепенное приближение к большему количеству технологической безработицы среди определённого числа населения.

Для успешного внедрения и использования киберфизических систем следует пересмотреть некоторые текущие моменты производства:

• технологическое оборудование больше не представляется, как только исполнительное устройство, но и как полноценный информационный агент, активно участвующий в планировании и проектировании процесса;
• функциями человека в рамках четвёртой промышленной революции остаются лишь мониторинг и проектирование технологического процесса, поскольку в киберфизических системах и общей концепции Индустрия 4.0 процесс неумолимо движется к вытеснению человека из области непосредственной близости от производства.

Список литературы:

1. Уринсон, Я. М. Промышленная революция и экономический рост / Я. М. Уринсон. ­– М. : Фонд «Либеральная миссия», 2018. – 49 с.
2. Четвёртая промышленная революция // Wikipedia — 2021. [электронный ресурс] — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Четвёртая_промышленная_революция#Компоненты (дата обращения: 24.01.2022)
3. Технологии и протоколы Интернета вещей // Microsoft  Azure — 2022. [электронный ресурс] — URL: https://azure.microsoft.com/ru-ru/overview/internet-of-things-iot/iot-technology-protocols/ (дата обращения: 24.01.2022)