התפישה של בקרה מבוססת מחשב כטכנולוגיית הליבה של בית החרושת החכם (Smart Factory)

טכנולוגיית בקרה מבוססת מחשב מבית Beckhoff מציעה את ארגז הכלים האידיאלי לרעיונות של Industry 4.0. היא פותחת את הדלת לדרכים חדשות של מימוש רעיונות מלאי חזון בתחום הקיים כיום בין מחשוב ענן לאוטומציה חברתית. בראיון זה, דר’ אורסולה פראנק (Ursula Frank) ודר’ יוזף פפנפורט

(Dr. Josef Papenfort) יסבירו על טכנולוגיות, פונקציות ושירותים בסיסיים שקיימים עתה, ויפרטו היכן עדיין נדרשים פיתוחים נוספים.

המטרה של היוזמה הגרמנית Industry 4.0 היא לחזק את התחרותיות של התעשיות במדינה, דרך שיפור הגמישות, היעילות והעמידות בייצור באמצעות תקשורת ובקרה חכמה. כיצד יכולה טכנולוגיית בקרה מבוססת מחשב לתרום למאמצים אלו?
דר’ יוזף פפנפורט: מיזוג המידע (IT) וטכנולוגיות האוטומציה (AT) נמצאים בליבה של Industry 4.0, אשר בעבורם חברת Beckhoff הניחה את המסד לפני יותר מ-25 שנים וממשיכה להציע את הפתרון הטוב ביותר עבור רעיונות עתידיים. תוך כדי שימוש בתקני IT עולמיים, אנו מעשירים את טכנולוגיית האוטומציה בפתרונות הטובים ביותר שיש לעולם טכנולוגיית המידע להציע. הדבר נכון גם לגבי תוכנת האוטומציה שלנו TwinCAT 3, שמתאפיינת במודולריות ובהכוונה לעצמים הנחוצים למימוש הרעיונות של Industry 4.0. בנוסף, האינטגרציה של TwinCAT 3 לתוך Visual של Microsoft, מספקת את הבסיס האידיאלי לתכנון הנדסי עקבי על פני כל מחזור חיי המוצר, עם כלי הנדסת התוכנה המתקדמים ביותר שקיימים בעולם טכנולוגיית המידע. עם המחשב (PC), המקובל כפלטפורמה מוסכמת ומשמש בשילוב עם מפרט ההתקנים לאוטומציה (Automation Device Specification
-), פרוטוקול האוטומציה EtherCAT
() ועם הארכיטקטורה המאוחדת (OPC UA), לחברה יש את כל הכלים הדרושים למשתמש בעת מימוש אינטגרציה אנכית ורוחבית הרצויה ל-Industry 4.0.
דר’ אורסולה פראנק: מצד אחד, החברה מספקת את הטכנולוגיות הבסיסיות למימוש מתקני ייצור ובתי חרושת חכמים על פי רעיון Industry 4.0. מאידך, החשיבות שמערכות יפעלו ביעילות וגם בבטיחות ובאמינות, גוברת והולכת במיוחד בהקשר לרעיון Industry 4.0. זה המקום שבו רעיון האוטומציה המדעית (Scientific Automation) מציע פוטנציאל עצום, עם טכנולוגיית המדידות המשולבת ועם ניטור התנאים (Condition Monitoring). עד לניטור של מערכות ייצור מורכבות. כדי לסבר את האוזן, אוטומציה מדעית כרוכה בשילוב של ממצאים מדעיים המגיעים מדיסציפלינות שונות לתוך טכנולוגיית אוטומציה, כך שאנחנו יכולים לבנות מערכות ייצור אמינות יותר, בעלות נצילות אנרגיה גבוהה יותר ועם תכונות חכמות מובנות. פעולה כזו דורשת גם עקרונות חדשים לממשק מפעיל אינטואיטיבי, שיקלו על האנשים לבצע את עבודתם היומיומית ולפעול באופן אינטראקטיבי יעיל יותר, עם מכונות חכמות. ככלות הכל, Industry 4.0 לא נועדה לדחוק את רגליו של הגורם האנושי. לוחות ההפעלה התעשייתיים שלנו בעלי יכולת לריבוי מגע (multi-touch) הופכים את עקרונות ההפעלה החדשים האלו לאפשריים.

האם Industry 4.0 ממומשת כבר ביישומים ממשיים? מהם הפיתוחים הנוספים הנדרשים, אם יש כאלו?
דר’ אורסולה פראנק: כבר קיימים משתמשי קצה רבים כגון יצרני מטבחים גדולים, אשר בעזרת הטכנולוגיה של Beckhoff שהפכו לאוטומטיות את המערכות בשלמותן, מהקבלה ועד למשלוח, לרבות האינטגרציה שלהן לתוך המערכות שלהם לתכנון משאבי ארגון (ERP). כמה פתרונות ראשוניים כבר עומדים בהחלט בקו אחד עם תפישת Industry 4.0, למשל על ידי אספקת תקשורת רציפה על פני כל הרמות, עם כמה גישות לסביבת ייצור חכמה. ברור מאליו שנמשיך בפיתוח המוצרים ובהרחבת תיק המוצרים שלנו בכיוון זה, במהלך השנים הבאות.
דר’ יוזף פפנפורט: למשל, כחלק מ-TwinCAT 3, אנו פועלים על פונקציות הנדסיות משופרות על ידי אספקת תכונות נוספות כמו יכולות תקשורת ואפשרויות קונפיגורציה קלות יותר. כמו כן, בהקשר זה יש חשיבות להמשך הפיתוח של תקני תקשורת אוניברסאליים כדוגמת אלו שהוגדרו על ידי מוסד OPC ואיגוד PLCopen. החברה מעורבת באופן פעיל במאמצי יצירת התקנים של שני גורמים אלו. אחד היעדים הוא האפשרות לקרוא לשיטות באופן ישיר בבקר המתוכנת ולבצע אותן בנוסף ומעבר להחלפת הנתונים עם מערכת ERP דרך OPC, UA או ADS.

כמה חשובה פתיחות הבקרה בעזרת מחשב עבור “האינטרנט של הדברים” (internet of things)?
דר’ אורסולה פראנק: חשיבות רבה מאוד. כאשר מערבים בכך מושגים מופשטים ביותר, האינטרנט של הדברים מרמז על כך שמוצרים וכן מערכות והמודולים שלהם, יוכלו לקיים תקשורת פתוחה אלו מול אלו. מצב זה הוא בדיוק מה שטכנולוגיית הבקרה הפתוחה של החברה מאפשרת, על ידי כך שהיא מעניקה לאיש הפיתוח את היכולת לתכנן את המערכת בצד היכולת לתפקד וליצור תקשורת באופן חכם.
דר’ יוזף פפנפורט: הממשקים הפתוחים מייצגים יתרון משמעותי של הבקרה במחשב. יתרון זה ישים ליישומים הנדסיים ולטכנולוגיית Fieldbus שנמצאת בשימוש, וכן לרכיבים המשולבים בהם כדוגמת שבבי RFID או חיישנים חכמים.

האם פתיחות זו ישימה גם בארכיטקטורת האוטומציה כמערכת ממורכזת או מבוזרת?
דר’ יוזף פפנפורט: ברור שהפתיחות ישימה לכך. ככלל אנו מעדיפים את הגישה המרכזית, מפני שיש לה יתרונות בתחומי ההנדסה, ניהול הנתונים והאבחון. אך קיימות גם מערכות מסוימות, כגון מכונות הרכבה, שבהן הגישה המבוזרת יכולה לפעול טוב יותר. למשל, פתרון כזה יכול להקל על החלפת מודולים יחידים, מפני שיש להתאים רכיבי בקרה מרכזיים רק לתחנות עבודה חדשות. בנוסף, מערכות או מכונות ברצפת הייצור לא פועלות כאיים מבודדים, אלא בדרך כלל הן מחוברות ברשת – מגמה שתואץ באופן משמעותי בהקשר ל-Industry 4.0. בהתאם לכך, כל מכונה מבוקרת באופן מקומי בתוך מערכת רחבה יותר או ברעיון Industry 4.0. גורם שחשיבותו רבה ביותר בגישה זו הוא המימוש מבחינת התוכנה, שבו אנו תומכים עם תכנות מודולרי באמצעות TwinCAT. ככלות הכל, אין חשיבות לעובדה אם 10 מודולי תוכנה פועלים ביע”מ (CPU) מרכזי או בנפרד ב-10 בקרים נפרדים. הדרך שבה תעבורת הנתונים מתבצעת בין המודולים – אם במחשב מקומי או דרך פרוטוקול EAP, שהוא דטרמיניסטי ומהיר באותה מידה – גם היא לא משפיעה. בקרה באמצעות מחשב מקילה את המימוש בשתי הגרסאות בתלות בדרישות היישום.

החזון ברעיון Industry 4.0 מתרחב למשהו שאליו מתייחסים כאל “ה-Facebook של המכונות” או “אוטומציה חברתית”. מה המשמעות האמיתית שלו?
דר’ אורסולה פראנק: חזון האוטומציה החברתית כרוך בהעברת הפיתוחים החדשים בטכנולוגיית המידע ובטכנולוגיית התקשורת ליישומים תעשייתיים. כפי שכבר ציינו קודם, קישור טכנולוגיות של מידע ושל אוטומציה עם טכנולוגיית בקרה מבוססת מחשב נמצא בליבת הטכנולוגיה של החברה. בהתאם לכך, החברה תמיד תבחן מקרוב את הפיתוחים המתקדמים ביותר בטכנולוגיית המידע ביחס לשימוש בהם בטכנולוגיית האוטומציה. למשל, מגמות כגון מדיה חברתית יכולות להציע אפשרויות חדשות של תקשורת. עלינו לבדוק מה הם היתרונות הפוטנציאליים שיכולים לנבוע מהשימוש ביכולות תקשורת אלו בתחום
האוטומציה. “ה-Facebook של המכונות” הוא אחד התרחישים האלה. למשל, משתמשים יכולים ליצור פרופילים אישיים ב-Facebook, לתאר את החיים שלהם על קו זמן ולהציע מידע או שירותים על ה-“קיר” (wall) שלהם. אם נעביר את התרחיש ליישומים תעשייתיים, המשמעות יכולה להיות, למשל שמכונה תוכל להציג את השימוש הנוכחי שלה או להציע שירותים על “קיר” דומה. אם לא תהיה לה היכולת המבוקשת, היא תוכל להפנות את הצד המעונין ל”חברה” בקבוצת ה-Facebook המתאימה של מכונות. אפשרות נוספת יכולה להיות ההתאמה של מערך מידע גיבוי התעבורה בשירותי אינטרנט כדוגמת Google Maps או TomTom לעולם הייצור התעשייתי. השימוש במערך כזה יאפשר לנטר את קצבי השימוש במכונות או אפילו ליצור רשימות עבודה למכונות באמצעות סקרי Doodle.
דר’ יוזף פפנפורט: אנחנו שוב חוזרים למיזוג המידע וטכנולוגיית האוטומציה בתוך המסגרת של בקרה באמצעות מחשב. בדיוק כפי ששילבנו את הידע שלנו בתחום האוטומציה עם כלי הנדסת טכנולוגיית המידע ®Visual Studio כדי ליצור את TwinCAT 3, הצעד הבא יכול להיות כרוך בהעשרת שירותי אינטרנט כמו Facebook, Doodle או WhatsApp בתכונות של אוטומציה. גישה אחרת כבר מומשה על ידי Beckhoff עם מחקר טכנולוגי שהוכיח שהתקני Google Glass המשמשים “כהתקנים מתלבשים” יכולים לפשט באופן משמעותי את פעילות הגומלין בין אדם למכונה בפעילויות הכרוכות למשל בהכנסה לפעולה ובאבחונים. פונקציות, כמו אחזור של מידע תמיכה מקוון או תמיכה מקוונת באיתור תקלות בעזרת מומחה דרך צ’אט חי מבוסס וידיאו הופכים את התקני Google Glass לטכנולוגיה שמעניקה יכולות באוטומציה חברתית.

מהם התפקידים שיש לנושאים לוהטים בתחום טכנולוגיית המידע כיום, כגון מחשוב ענן או נתונים בכמות עצומה (Big Data)?
דר’ אורסולה פראנק: אנחנו נראה בעתיד עוד ועוד פתרונות שבהם הנתונים והפרמטרים נמצאים בענן המחשוב. בסיכומו של דבר, באמת אין חשיבות למקום שבו המידע מאוחסן. עם זאת, כיום ובשנים הבאות, רוב המידע עדיין יעבור עיבוד במחשב או במערכת. מצד שני, נתונים כמו נתוני מדידה מאוחסנים כבר כיום בענן המחשוב ובמקרים רבים עוברים ניתוח באופן בלתי מקוון. אין ספק שנראה מעבר גובר והולך למחשוב ענן. בטווח הזמן הארוך אין ספק שיהיו כמה שירותי אינטרנט שישפיעו על טכנולוגיית האוטומציה כמו למשל על יישומי ניטור המכונות.
דר’ יוזף פפנפורט: בהתייחס לנתונים בכמות עצומה (Big Data), כלומר כמויות גדולות של נתונים מטווח רחב של מקורות, המוקד עומד, בעיקרו של דבר, על נושא אחסון הנתונים, בזמן זה. בנוסף, סביר להניח שכמות הנתונים תגדל אף יותר, כתוצאה מתמונות וקטעי וידיאו שיאוחסנו למשל עבור יישומי מעקב ועיקוב מקיפים יותר. בנוסף לכך, נראה יותר ניתוחים בלתי מקוונים, ואלו יבוצעו באופן גובר והולך כשירות מבוסס מחשוב ענן. בתחום קצירת אנרגיית הרוח, כבר נעשה שימוש בגישה זו מזה שנים. ספקי השירות לא ניגשים לנתונים בטורבינה עצמה, אלא לוקחים אותה מענן המחשוב לצורך ניתוח בלתי מקוון.

האם נראה שירותי זמן אמת בהקשר זה?
דר’ יוזף פפנפורט: כשיותר ויותר נתונים מאוחסנים בענן המחשוב, נראה גם יותר עיבוד בזמן אמת או, יותר עיבוד דטרמיניסטי. בעזרת הפרוטוקול IEEE 1588 כבר מממשים שירותים כאלה בזמן אמת לצורך סנכרון מכונות. אוסף מסונכרן זה של נתונים מבוזרים יהפוך להיות שכיח יותר, במיוחד בתחום טכנולוגיית המדידות, אך הוא לא יחליף את הבקרה המקומית. היבט אחר שיש לו חשיבות גדולה יותר: בידינו יש כבר טכנולוגיות לניתוח נתונים בזמן אמת, כלומר, בדרכם אל ענן המחשוב. טכניקות אלו יכולות להתקבל באופן נרחב בטווח הזמנים הבינוני כדי לאפשר סינון של הכמויות הגדולות של מידע שאינו חשוב בטרם יאוחסן.

האם עדיין יש אפשרות לנהל רעיונות הנדסיים מורכבים כאלו של Industry 4.0?
דר’ יוזף פפנפורט: מערכות מודרניות הופכות להיות מורכבות יותר ורעיון Industry 4.0 רק יאיץ את המגמה. זו הסיבה שנצטרך להקדיש בעתיד יותר תשומת לב להנדסה יעילה ואמינה. כבר נקטנו צעד גדול בכיוון זה עם TwinCAT 3, שמקטינה את המאמצים ההנדסיים בעזרת תכונות כמו בקרת קוד מקור ויצירה אוטומטית של קוד. אני עדיין רואה פוטנציאל לשיפור היעילות של ניהול הנתונים, למשל, על ידי העברת נתוני תכנון המנוע ישירות לתוך המערכת ההנדסית והפיכתם לזמינים שם ללא צורך בהשקעת מאמצים נוספים.
דר’ אורסולה פראנק: זהו תחום שעדיין יש בו הרבה מה לבצע. מנקודת מבט הנדסית, שידור הנתונים בין מישורי הפיתוח השונים, למשל בין טכנולוגיית הבקרה ו-E-CAD או M-CAD, עדיין אינו חלק וחופשי לחלוטין משגיאות. יש כמה גישות ופתרונות כמו תקן AutomationML, אך אין לנו, לעת עתה, אמצעי סטנדרטי לצירוף נתונים. ל- TwinCAT יש מזה כמה שנים ממשקי יבוא ויצוא רבים. תוכנית הייבוא E-CAD של TwinCAT משתמשת בממשקים אלו ויכולה ליצור באופן ישיר תקשורת עם תוכניות E-CAD שונות שנמצאות בשוק. עם זאת, עדיין נדרשים כלים נוספים. לדוגמה, יש צורך שנתוני הזמנה ממערכת ERP יוכלו לעבור לרמת ההנדסה. עם זאת חשוב יותר שניתן יהיה לחלוק את הנתונים בכל הרמות, כך שהנדסה יעילה ומסונכרנת תהפוך להיות אפשרית על פני מחזור החיים כולו.

האם כתוצאה מ-Industry 4.0 הדמיות ימלאו תפקיד נרחב יותר בתחום ההנדסה?
דר’ אורסולה פראנק: Industry 4.0 תהפוך את המערכות למורכבות וחכמות יותר, אבל גם למערכות ניתנות פחות לחיזוי. כאשר המכונות יורשו להגיב על “דעת” עצמן ולבצע משא ומתן עם מכונות אחרות, המוח האנושי לא יוכל עוד לחזות את ההתנהגות הכוללת. לכן לא ניתן יהיה לוותר על השימוש בכלי הדמיה רבי יכולת. זהו חזון ארוך טווח באמת, אך באופן אידיאלי יהיו לנו כלים שיבצעו הדמיה של תפישת הפיתוח בנוסף על יכולתם להניע הדמיות משל עצמם.
דר’ יוזף פפנפורט: מערכות אלו יקצרו את זמן ההכנסה לשימוש ויפחיתו את העלויות. הדמיה יכולה לתמוך בכל התחומים למשל, בתהליך תכנון המכונה, בהנדסת חשמל ובפיתוח התוכנה, מפני שהן יאפשרו לבדוק במהירות כל שינוי דרך טכנולוגיית הבקרה והתוכנה מבלי שיהיה צורך לשנות את החומרה. ברור שאותם ממשקים, המתאימים לייבוא מודלים המשמשים להדמיה ומספקים את הנתונים המתאימים, חייבים להיות זמינים. TwinCAT 3 מציע כבר כיום תכונות כגון אינטגרציה בזמן אמת של מודלים של ®Matlab או ®Sinukink וכן גם את מנהל ההדמיות (Simulation Manager) של TwinCAT לביצוע קל של קונפיגורציית סביבת ההדמיה.
אלו תוצאות מעשיות של פעילויות המחקר עבור Industry 4.0 אפשר כבר לראות?
דר’ אורסולה פראנק: לדוגמה, אנחנו מעורבים באופן פעיל ברשת ‘It’s OWL’ (מערכות טכניות חכמות ב-OstWestfalenLippe), שעליו הכריז בשנת 2012 המשרד הגרמני הפדרלי לחינוך ולמחקר כ-“אשכול טכנולוגיה מובילה”, והוא הפרוייקט הגדול הראשון ב-Industry 4.0. אנו עובדים בין היתר על דגמים לייחוס, כלומר פתרונות אוטומציה לרמות שונות של מערכות ייצור שאותם אפשר להעביר למערכות דומות. בנוסף, פרוייקט ScAut, אשר מתמקד בפלטפורמת אוטומציה מדעית לפיתוח והפעלה של מכונות ומערכות חכמות עם יכולת ביצוע עצמי של אופטימיזציה, כבר מניב כמה יתרונות כלכליים מעשיים. בתלות ביישום, פונקציות האוטומציה המדעית, כגון ניטור התנאים ואספקת המתח, יכולים להפיק חיסכון באנרגיה של 20 אחוזים בערך, שיפורים ביכולת הייצור של 10 אחוזים והפחתה של 50 אחוזים בעלויות התחזוקה.

למידע נוסף בקרו באתר החברה.
שטפן ציגלר עוסק בתקשורת שיווקית בחברת Beckhoff