Производители используют последние цифровые инновации для переосмысления своих операций. В опросе 2023 года, проведенном среди 1350 производителей из 13 стран исследовательской компанией Sapio Research и Rockwell Automation, 97% респондентов заявили о планах использовать технологии умного производства в течение следующих одного-двух лет. Такие технологии включают в себя робототехнику, Интернет вещей (IoT) и другое.
Эти инвестиции обеспечивают немедленные преимущества за счет усиления традиционных практик автоматизации, а также закладывают основу для того, чтобы производители могли по-новому взглянуть на работу своих предприятий через создание умных фабрик. Умные фабрики акцентируют внимание на взаимосвязи систем и обмене данными, помогая производителям выпускать продукцию быстрее и с меньшим количеством дефектов, при этом еще больше сокращая затраты.
Умная фабрика использует взаимосвязанные системы и оборудование для генерации данных, часто в реальном времени, чтобы улучшить процессы производства от начала до конца и помочь операторам машин, начальникам производственных линий, инженерам, руководителям компаний и другим принимать более обоснованные решения. Машины и устройства умной фабрики также генерируют данные о своем состоянии, чтобы можно было провести обслуживание до их поломки.
Что такое умная фабрика?
Умная фабрика использует взаимосвязанные системы и оборудование для генерации данных, часто в реальном времени, чтобы улучшить процессы производства от начала до конца и помочь операторам машин, начальникам производственных линий, инженерам, руководителям компаний и другим принимать более обоснованные решения. Машины и устройства умной фабрики также генерируют данные о своем состоянии, чтобы можно было провести обслуживание до их поломки.
Стоит отметить, что фабрики многие годы использовали робототехнику и автоматизацию. Однако такие объекты не считаются умными фабриками, если они не используют полностью интегрированные системы и машины, объединяющие физический и цифровой миры. Умные фабрики часто используют передовую робототехнику и иногда 3D-печать. Умные фабрики являются реальным воплощением более широкой концепции умного производства.
Что такое умное производство?
Умное производство — это концепция использования технологий для координации физических и цифровых процессов внутри фабрик и по всей цепочке поставок производства. Эти процессы включают снабжение материалами, логистику, производство и утилизацию. Основные цели умного производства — улучшение операционной эффективности и быстрый ответ на колебания спроса и предложения.
Ключевые выводы
- Умное производство — это использование полностью интегрированных технологий для сбора данных и цифровизации процессов внутри фабрик и по всей цепочке поставок производства.
- Умные фабрики — это реальное воплощение концепции умного производства.
- Искусственный интеллект, машинное обучение, Интернет вещей и передовая робототехника являются основой большинства умных фабрик.
- Умные фабрики привлекательны для производителей, потому что они могут снизить затраты, повысить эффективность, позволить производству быстро масштабироваться в зависимости от изменяющегося спроса, уменьшить зависимость от рабочей силы и снизить количество брака в продукции.
Умная фабрика и умное производство объяснены
Хотя термины умное производство и умные фабрики часто используются как взаимозаменяемые, между ними есть различия. Умное производство — это концепция использования передовых, связанных технологий для координации физических и цифровых процессов внутри фабрик и по всей цепочке поставок для улучшения производительности. Умные фабрики воплощают эту идею в практику, используя данные, собранные с сетевого оборудования, встроенных с датчиками — известных как промышленный Интернет вещей (IIoT), в паре с роботами и автоматизированными сборочными линиями. Например, умная фабрика может выявить потенциальные производственные ошибки на раннем этапе с помощью датчиков, встроенных в машины и прикрепленных к ним, и указать роботу вмешаться до возникновения проблемы. Технологические достижения, подобные этим, двигают Четвертую промышленную революцию, обычно называемую Индустрией 4.0.
Основная цель умной фабрики — ускорить процессы и исключить ошибки. Даже с автоматизацией умной фабрики люди все еще играют жизненно важную роль. Например, операторы линии могут отслеживать данные о производстве на мобильном устройстве и решить загрузить машину по-другому на основе данных, помогая улучшить работу машины или всей производственной линии.
Как работают умные фабрики?
Умные фабрики полагаются на сеть датчиков и программного обеспечения для сбора и обмена данными на каждом этапе производственного процесса, помогая производителям ускорять производство и улучшать качество продукции и обслуживание систем. Например, внутри фабрики контейнер на производственной линии может быть оснащен датчиком, который инициирует запрос на пополнение запасов, когда он почти пуст, вызывая робота доставить новые материалы как раз вовремя, чтобы избежать задержек. Кроме того, машины постоянно генерируют данные о своем состоянии, предсказывая потребности в обслуживании и уменьшая поломки. Связанные машины на умной фабрике также предотвращают дефекты, выявляя проблемы с материалами.
Структура и уровни умной фабрики
Умные фабрики обычно развиваются на следующих четырех уровнях или стадиях. Большинство сегодняшних фабрик находятся на уровне 1.
Доступность данных. Первый шаг заключается в том, чтобы производители собирали огромные объемы данных, генерируемых датчиками, прикрепленными к активам, перемещающимся по их цепочкам поставок, и к машинам на их заводских полах. Уровень 1 также включает в себя извлечение данных из устаревших систем, что часто может быть ручным процессом, включающим настраиваемую интеграцию, импорт электронных таблиц или даже повторный ввод данных.
Контекстуализация данных. На уровне 2 данные организуются и объединяются из разных областей, чтобы рассказать более широкую историю. Например, руководители производителя могут захотеть узнать, как разные уровни персонала влияют на выход, требуя базового анализа, коррелирующего данные HR и операционные данные. На этом этапе данные организуются в панели управления и другие визуальные отображения, чтобы их было легче усваивать.
Активация данных. На этом уровне применяются методы передовой аналитики, включая искусственный интеллект и машинное обучение, помогающие производителям предсказывать будущие результаты с минимальным человеческим вмешательством. Например, алгоритмы ИИ могут диагностировать, когда машина, скорее всего, выйдет из строя, предупреждая операторов о необходимости принять меры, чтобы избежать постоянных повреждений и длительных периодов дорогостоящего простоя производства.
Данные в действии. К тому времени, когда умная фабрика достигает этого четвертого уровня, пришло время доверить роботам и другим машинам действовать самостоятельно на основе их непрерывных анализов потоков данных. Например, умная фабрика может масштабировать производство на основе предсказанного потребительского спроса или использовать датчик видения для выявления плохого сварного шва и отдать команду роботу переделать его, прежде чем кусок металла продвинется дальше по производственной линии. Результаты затем возвращаются в замкнутую систему, так что она может со временем улучшать свой процесс принятия решений. На этом уровне производители осуществляют полное, автономное видение Индустрии 4.0
Типичная структура умной фабрики
Улучшения в операциях на фабрике производятся в течение четырех фаз: доступность данных, контекстуализация, активация и анализ.
Преимущества умной фабрики
Глобальный рынок технологий умного производства, в который входят продажи датчиков, роботов, передового программного обеспечения и других технических активов, вырастет с 254,24 миллиарда долларов США в 2022 году до 787,54 миллиарда долларов к 2030 году, по оценкам Grand View Research. Производители инвестируют в эту технологию, потому что они ищут следующие преимущества:
Ниже затраты. Умные фабрики снижают затраты в основном за счет сокращения численности персонала, человеческих ошибок, брака в продукции, отходов и за счет продления срока службы машин путем предиктивного обслуживания.
Принимайте лучшие решения быстрее. Данные, собранные с датчиков, а затем анализируемые на каждом этапе производственного процесса, включая всю цепочку поставок, помогают руководителям, менеджерам и рабочим на каждом этапе принимать более обоснованные и быстрые решения. Например, специалисты по цепочке поставок могут ознакомиться с рекомендацией умной фабрики заказать больше материалов и, если они согласны, решить, когда должна прибыть партия. Или они могут ознакомиться с доступными данными и решить изменить алгоритм, делающий рекомендации, чтобы будущие рекомендации были более в соответствии с потребностями производителя.
Повышение эффективности. Эффективность производства обычно относится к качеству и эффективности выполняемой работы, а не столько к количеству произведенной продукции (продуктивность). Таким образом, технологии умной фабрики повышают эффективность в основном за счет минимизации избыточных процессов, автоматизации повторяющихся задач, сокращения потраченного впустую времени и материалов, минимизации простоев и пополнения запасов на основе предсказанных дефицитов.
Делайте больше с меньшим количеством людей. Хотя люди все еще играют важную роль в умных фабриках, автоматизированные процессы позволяют производителям выполнять больше работы с меньшим количеством сотрудников. Это важное соображение, учитывая, что к 2030 году около 2,1 миллиона рабочих мест в производственной сфере Соединенных Штатов останутся незаполненными по ряду демографических, экономических и других причин, как прогнозирует Национальная ассоциация производителей.
Сокращение воздействия на окружающую среду. Благодаря более эффективному использованию материалов с помощью интеллектуальных, связанных технологий, умные фабрики помогают производителям уменьшать количество отходов, попадающих на свалки, сокращая свой углеродный след. Производители также могут отдавать предпочтение использованию устойчивых материалов и компонентов, отслеживая происхождение и транспортировку этих товаров с помощью технологий блокчейна и радиочастотной идентификации (RFID).
Технологии умной фабрики
В опросе 2023 года, проведенном EY, 97% генеральных директоров промышленных производств заявили, что продолжение проектов цифровой и технологической трансформации является приоритетом на ближайшее время. Эти проекты часто включают следующие технологии.
Датчики. Датчики — это устройства, которые производители размещают на машинах или в них на полу умной фабрики для сбора данных о различных факторах, включая температуру, вибрации, давление, крутящий момент, близость и движение. Датчики являются основой промышленного Интернета вещей.
Промышленный Интернет вещей (IIoT). Руководители производства и операторы используют данные, собранные с машин и других объектов, подключенных к Интернету на заводском полу, для анализа физического состояния, производительности и выхода этих активов, а также процессов производства, которые они поддерживают. Затем они могут применять исправления машин и корректировки процессов по мере необходимости. Например, датчики, подключенные к IIoT, могут предупреждать работников о будущих проблемах с обслуживанием, обнаруживая необычные вибрации или изменения температуры на машине. С помощью предиктивного обслуживания производители могут предотвратить дорогостоящие простои и повреждения машин, вмешиваясь до возникновения проблемы. Опрос, проведенный IIoT World в 2022 году, показал, что 67% производителей развернули или разрабатывают стратегию IIoT.
Облачные вычисления. Облачные вычисления являются технологической основой большинства умных фабрик, где данные, приложения и базовая инфраструктура находятся. Облачные сервисы предлагают несколько ключевых преимуществ. Их можно легко масштабировать в соответствии с потребностями производителя. Новые функции приложений, а также улучшения производительности и другие улучшения автоматически доставляются через Интернет, не требуя от команд ИТ производителя дорогостоящих и трудоемких обновлений. Облачные сервисы можно получить из любой точки, и они, как правило, обладают надежной безопасностью и резервным копированием. И производители платят только за ту мощность приложений и инфраструктуры, которую они используют и нуждаются.
Большие данные. Производители собирают и анализируют огромные объемы данных — так называемые большие данные — на своих умных фабриках. Приложения, поддерживаемые мощными системами ERP, включают предиктивное обслуживание, выявление аномалий, проверку качества, сокращение отходов, улучшение процессов и прогнозирование рынка. Например, в предвидении прогнозируемого скачка спроса на определенный продукт производитель мог бы посвятить больше своих сборочных линий этому продукту и/или создать больший запас его, чем мог бы иначе.
Примеры умных фабрик
Умные фабрики все еще являются стремлением для большинства производителей, но первопроходцы показывают путь вперед.
Возьмем, к примеру, LG Electronics, чей Smart Park в Чханвоне, Южная Корея, был назван «Маяком» фабрикой Всемирным экономическим форумом за ее производственную эффективность, безопасность и низкое воздействие на окружающую среду. Внутри фабрики, которая производит бытовую технику, детали для холодильников и другой техники доставляются на производственные линии с помощью подвесной конвейерной системы или автономных направляемых транспортных средств (AGV), управляемых через сеть 5G объекта. К каждой линии прикреплен «интеллектуальный склад», который в реальном времени отслеживает запасы и запрашивает дополнительные детали и материалы по мере необходимости. Система автоматизации 3D-логистики сокращает необходимое количество складского пространства на 30% по сравнению с традиционными системами, говорит компания, при этом сокращая время на транспортировку материалов на 25%. Датчики, прикрепленные к машинам и внутри них, выявляют потенциальные производственные проблемы и командуют роботам устранить их до возникновения проблемы. Роботы также выполняют опасные работы, такие как сварка и подъем тяжелого оборудования, делая фабрику безопаснее для работников. В 2022 году LG заявила, что планирует применить эти и другие передовые технологии умного производства, разработанные в ее умном парке Чханвон, к 26 производственным объектам в 13 странах.
Приобретая права на полосу пропускания 50 МГц, производитель сельскохозяйственной техники John Deere построил собственную сеть 5G для своих фабрик на Среднем Западе, чтобы помочь ему анализировать данные с производственных линий для улучшения сборки. Она планирует оснастить эти фабрики роботами, которые могут работать бок о бок с работниками. Компания также создает 3D-модели или цифровые двойники своих производственных машин для мониторинга их производительности, обучения техников и помощи им в обслуживании оборудования. Эти модели доступны в любое время на планшетах и смартфонах.
На фабрике Ford в Дирборне, штат Мичиган, где производится электрический пикап F-150 Lightning, рабочие производственной линии используют планшеты, подключенные к сети 5G завода, для доступа к данным о поставках материалов и состоянии оборудования. Отдельные транспортные средства, размещенные на AGV, перемещаются от одной группы работников к другой. Тем временем, на заводе автопроизводителя в Великобритании, где производятся электромобили, датчики позволяют Ford фиксировать фотографии процесса сварки (двигатели и батареи EV требуют тысяч сварных швов), и анализ на основе ИИ затем определяет, соответствует ли конкретный сварной шов стандартам. Если нет, сварной шов переделывается, прежде чем деталь переходит к следующему этапу производства. Эта возможность экономит время и сокращает отходы, потому что детали, которые иначе могли бы быть непригодными для использования, регулярно исправляются.