mag. Gorazd Rakovec , 19.2.2025
V pametni tovarni današnjega časa so osnovni gradniki digitalni dvojčki. Ti v svojem jedru izvajajo sinhronizirano interakcijo med fizičnimi in virtualnimi sistemi, ki so prvotno vsi v 3D dimenzijah. Predvsem v kosovni proizvodnji so hitrosti procesov na strojih sorazmerno velike in delovni cikli kratki, zato je na primer 3D simulacija sistemov v realnem času že lahko problematična. Potreben je nek enostavnejši sistem, ki lahko sledi vsem hitrim procesom kosovne proizvodnje in se ga lahko glede na možnosti in potrebe nadgradi v kompleksnejši 3D digitalni dvojček. V kosovni proizvodnji se je uveljavil IIoT Industrijski internet stvari kot sistem robnih računalnikov v sinhroni interakciji s fizičnimi sistemi ter asinhroni interakciji z računalništvom v jezeru, oblaku in z osebami preko XR sistemov, z namenom za simulacijo, optimiranje in inoviranje procesov pametne tovarne v zelenem okolju. IIoT postaja temelj digitalizacije celotne proizvodnje kot jedra pametne tovarne in tudi zadnje čase na Kitajskem vse bolj popularne temne proizvodnje – dark production, ki jo je prva izvedla leta 1989 družba Brankamp GmbH v Nemčiji, pri nas pa je z njo prva pričela družba Novi plamen d.o.o. iz Krope od leta 2009.
Od kje izraz IIoT?
Leta 1997 je britanski inženir Kevin Ashton, soustanovitelj Auto-ID Centra na MIT, začel raziskovati radiofrekvenčno identifikacijo (RFID), ki bi fizičnim objektom omogočil povezavo prek mikročipov in brezžičnih signalov. V govoru leta 1999 je Ashton prvi na svetu skoval besedno zvezo “internet stvari”. Mimogrede: izredno zanimivo je, kako Američani skrbijo za objavo, promocijo in spoštovanje imen svojih izumiteljev za vsako najmanjšo stvar, celo za besedno skovanko, kot je Internet of Things. Brez spoštovanja do avtorjev in izumiteljev ni inovacijske družbe, brez te pa ne višje dodane vrednosti.
Na začetku je šlo v bistvu za elektronsko nadgradnjo že znanega sistema črtnih kod. Že leta 1973 je IBM razvil UPC (Universal Product Code), ki je postal standard za avtomatsko identifikacijo vseh izdelkov. Leta 1974 so črtne kode bile prvič komercialno uporabljene v trgovinah. V 90 letih so črtne in tudi 2D kode (pr.: QR koda) postale ključna tehnologija v transportu, trgovini, zdravstvu, logistiki, knjižničnem sistemu in drugih industrijah za povezavo fizičnih stvari, pa tudi živali, rastlin, itd. z informacijskimi sistemi in njihovo sledenje po vsem svetu. Na začetku je bil RFID zgolj avtomatska brezžična identifikacija predmetov, podobno kot črtne in 2D kode, a je tiskano ID tehnologijo prerasel, prerasel pa je tudi področje identifikacije stvari.
Leta 2012 je General Electric (GE) prvi začel promovirati izraz IIoT (Industrial Internet of Things) v okviru svoje iniciative, imenovane “Industrial Internet”. General Electric (GE) je začel razvijati “Industrial Internet” kot povezavo med industrijskimi napravami (turbine, generatorji, črpalke) in internetom, da bi omogočili boljše sledenje, analitiko, napovedno vzdrževanje, strateško pa je predvidel tudi uporabo teh podatkov za optimizacijo procesov v realnem času. IIoT ni več elektronska koda pritrjena na izdelku, temveč je postal kar cel računalnik z merilniki, senzoriko, aktuatorji, regulatorji, povezan na izdelek na eni strani in na drugi z informacijskimi sistemi v tovarni in v oddaljenih strežnikih – oblakih. IIoT je postal osrednji del Industrije 4.0 definirane v Nemčiji leta 2011, saj povezuje fizične stroje in naprave ter računalniške sisteme v tovarnah za izboljšanje produktivnosti, kakovosti, fleksibilnosti in inovacij.
Od leta 2014 daje so IIoT platforme in pametni sistemi postali ključni del industrijske avtomatizacije. Razvili so se napredni senzorski sistemi, pametni roboti, avtonomni sistemi in oblačne platforme za analitiko podatkov, ki omogočajo boljšo optimizacijo proizvodnje, manjše stroške, večjo energetsko učinkovitost, boljše napovedno vzdrževanje, boljše sledenje procesom in boljšo varnost.
IIoT v proizvodnji kosovne pametne tovarne kot digitalnem dvojčku
Industrijski internet stvari v okviru kosovne proizvodnje kot digitalni dvojček iz digitalnih dvojčkov je prikazan z modro elipso na sliki. Izhajamo iz definicij DTC [1]: »Digitalni dvojček je integrirana virtualna predstavitev entitet in procesov iz resničnega sveta, ki temelji na podatkih, s sinhronizirano interakcijo pri določeni frekvenci in natančnosti.« in »Sisteme digitalnih dvojčkov sestavljajo integrirani in sinhronizirani sistemi IT/OT/ET, uporabljajo podatke v realnem času in zgodovinske podatke za predstavitev preteklosti in sedanjosti ter simulacijo prihodnosti.« Najprej moramo področje pametne proizvodnje z IIoT razdeliti na osnovne kibernetične svetove.
Slika: Področje Industrijskega interneta stvari IIoT (elipsa) v okviru kosovne pametne tovarne s poudarkom na proizvodnji iz digitalnih dvojčkov
IIoT sistemi se nahajajo v kosovni tovarni večinoma v proizvodnji. To razdelimo na kibernetske svetove v zelenem okolju:
- Človeški svet je svet, v katerem se nahaja proizvodno osebje od operaterjev, preddelavcev, tehnologov, kontrolorjev, vzdrževalcev, planerjev, kooperantov do vodstva in vseh služb tehnologije, kakovosti, planiranja, vzdrževanja, logistike, proizvodne informatike in orodjarne.
- Fizični svet – fizični dvojčki vključujejo proizvodnjo, otoke (v 3. dobi: linije, celice), stroje, orodja, izdelke, dele izdelkov, materiale, zgradbe, energijo, notranje, zunanje okolje, transportna sredstva, skladišča, humanoidne robote sredstva zelenega prehoda in jedro proizvodnje, fizične procese; strojne in ročne. Fizični procesi v kosovni proizvodnji so že dolgo točno definirani na področju tehnologije kot vede o materialih, sredstvih, podatkih, energijah in procesih za izdelavo izdelkov in sicer so to: oblikovanje, preoblikovanje, spajanje, ločevanje, energijske obdelave, površinske obdelave, oplemenitenje, strega in montaža. Sledijo procesi kontrole, vzdrževanja, logistike, energetike in zelenega prehoda.
- Virtualni svet – virtualni dvojčki vključuje računalnike, omrežja, podatke, programe. Podatki so shranjeni v različnih spominskih enotah, od datotek, baz podatkov na robu (edge) UNS (Unified Namespace – poenoteni imenski prostor) do jezera (lake), megle (fog), oblaka (cloud) ipd. Sem spada tudi PLM (product lifecycle management) sistem, imenovan tudi digitalna nit, ki služi kot repozitorij in sistem upravljanja digitalnih dvojčkov z vsemi dodatnimi datotekami, ki ga opisujejo in se imenujejo AAS (asset administration schell). Poleg prenosa podatkov imamo tudi prenos zvoka, slike, videa, krivulj signalov in v svetu XR tudi drugih efektov v čim krajšem času. Prenos podatkov zajema žična, brezžična, optična omrežja, internetna omrežja, znotraj tovarn najpogosteje Ethernet in v proizvodnji Profibus, Profinet, Modbus, CAN bus, DeviceNet, Industrijski Ethernet, 5G, 6G, itd. Programi vključujejo poslovne programe, digitalne dvojčke, CAx, OT, MES, SCADA, itd.
- Digitalni svet – vmesnik sinhronizirane interakcije (ni dvojček) vzpostavlja interakcijo med človeškim, virtualnim in fizičnim svetom. Prek sistemov razširjene resničnosti XR in HMI vzpostavlja interakcijo med ljudmi in virtualnim svetom. Prek mehatronskih sistemov: tipala, merilniki povratne zveze, aktuatorji, regulatorji, indentifikacijski sistemi, robni računalniki, pa vzpostavlja interakcijo med virtualnim svetom in krmiljenimi stroji v fizičnem svetu. Mehatronski sistemi morajo delovati sinhrono, saj mora virtualni svet brez bistvenih zakasnitev slediti fizičnemu in obratno.
- Zeleno notranje okolje je fizični prostor, v katerem se nahajajo prvi štirje svetovi pametne tovarne. Notranje okolje običajno omejujejo zgradbe pametne tovarne, ki so tudi pametni sistemi, ki zagotavljajo in optimirajo dejavnike notranjega okolja in njihove lastnosti: zrak, vakuum, plini, hitrost, smer plinov, turbulentnost, ioni, mikroorganizmi, kapljice, vlaga, temperatura, tlak, prah, vibracije, hrup, zvok, svetloba, nečistoče, elektromagnetno sevanje, ipd.
- Zeleno zunanje okolje vključuje fizični del: planet Zemljo s površjem, rekami, oceani, ljudi, stvari, pojave, naravo, ozračje in pa družbeni del z vidika tovarn: država, trgi, konkurenca, zakonodaja, geografska lega, prebivalstvo, kultura, religija, politika, mediji, mesta, transport, energijski viri, kmetijstvo, ipd. Dve dvojni puščici iz notranjega v zunanje okolje nakazujeta logistiko izdelkov in drugih objektov, ki se nadaljuje v krožno gospodarstvo, ki bo obravnavano v drugem prispevku.
- Kibernetični fizični proces je multiinterakcija med vsemi šestimi dejavniki (človeški svet, fizični svet, virtualni svet, digitalni svet, zeleno notranje in zunanje okolje) in je sedmi dejavnik kibernetičnega fizičnega sveta – pametne tovarne. Vsi dejavniki hkrati delujejo drug na drugega z interakcijo. En dejavnik vpliva na vse ostale in vsi ostali vplivajo z nasprotno enakim vplivom na enega. Vplivi vseh dejavnikov so spojeni v en kibernetični fizični proces, ki ima drugačne lastnosti od interakcije posameznih parov dejavnikov kibernetičnega fizičnega procesa.
Rezultat celotnega kibernetičnega fizičnega sistema z vsemi 7 dejavniki mora biti optimalen razvoj in izdelava individualnih izdelkov po naročilu kupca in tudi velikoserijskih izdelkov po ceni ne dosti večji od masovnih izdelkov v zelenem varnem okolju za dobrobit ljudi v super inovacijski družbi.
Definicije IIoT v proizvodnji kosovne pametne tovarne
Kot pri vseh sistemih pametnih tovarn, je veliko definicij tudi za IIoT. Če naredimo povzetek z upoštevanjem sheme na sliki, dobimo definicijo:
IIoT je sistem računalnikov na robu procesov, ki so preko merilnih, identifikacijskih sistemov in aktuatorjev v sinhroni interakciji s stroji, orodji, izdelki in drugimi fizičnimi sistemi, trenutnimi podatki UNS ter v asinhroni interakciji z računalništvom v jezeru, megli, oblaku in z osebami preko razširjene resničnosti XR za vizualizacijo, simulacijo, nadzor, diagnosticiranje, predikcijo, vzdrževanje, kakovost, analizo in optimizacijo ter inoviranje vseh procesov pametne tovarne v zelenem notranjem in zunanjem okolju s krožnim gospodarstvom.
Sledi skrajšana definicija: IIoT je sistem robnih računalnikov v sinhroni interakciji s fizičnimi sistemi ter asinhroni interakciji z računalništvom v jezeru, oblaku in z osebami preko XR sistemov, za simulacijo, optimiranje in inoviranje procesov pametne tovarne v zelenem okolju.
Posamezne krajše specifične definicije so lahko tudi:
- IIoT je sistem integracije fizičnih in virtualnih sistemov pametnih tovarn.
- IIoT SISTEM je nosilec interakcije med virtualnimi in fizičnimi sistemi pametnih tovarn.
- IIoT SISTEM je jedro digitalnih dvojčkov.
- IIoT SISTEM je jedro Industrije 4.0 in 5.0.
- IIoT SISTEM je temelj digitalne in zelene transformacije.
UNS (Unified Namespace) – centralni repozitorij trenutnih podatkov
UNS (Unified Namespace) ali poenoten imenski prostor je programska plast v sistemu industrijske avtomatizacije prihodnosti, ki deluje kot centraliziran repozitorij vseh podatkov, zbranih iz senzorjev, IIoT naprav, strojev, robotskih sistemov, ipd. Uspešno delovanje UNS zagotavlja komunikacijski protokol MQTT (Message Queuing Telemetry Transport). Ta zagotavlja, da lahko posredniki podatkov, ki sestavljajo enotni imenski prostor, obdelujejo ogromno količino podatkov, ki tečejo skozi njih, in zmanjšajo obremenitev na “satelitskih” sistemih. UNS beleži in predstavlja samo trenutno stanje vsakega procesa, aplikacije ali podatkovnega toka v realnem času. Za dostop do podatkov o preteklih časovnih vrstah je potrebna še druga sistemska komponenta: podatkovno jezero.
Podatkovno jezero zbira in shranjuje vse zgodovinske podatke v komponentah sistema industrijske avtomatizacije in infrastrukturnih elementih, vključno s OT, SCADA, ERP in MES. Podatki se zbirajo in shranjujejo v vseh domačih formatih in strukturah – strukturiranih, polstrukturiranih in nestrukturiranih. Uporaba podatkovnega jezera omogoča podjetjem, da shranijo podatke iz vseh virov v svojem poslovnem omrežju na enem mestu, kar zaposlenim v podjetju omogoča, da hitro najdejo in dostopajo do informacij, ki jih potrebujejo, izvedejo analizo in sodelujejo pri njih v realnem času.
Seveda v današnjem času sledi še prenos podatkov preko interneta na oddaljene strežnike v oblaku, kjer se lahko uporabi tudi enake programe, kot v jezeru, samo da je zakasnitev še nekoliko večja. Možno je procesiranje različno predelanih informacij tako na robu, jezeru in oblaku.
Prednosti IIoT
Sedanje in prihodnje izvajanje IIoT je tesno povezano z najnovejšim tehnološkim razvojem: strojno učenje, umetna inteligenca, poslovna inteligenca, veliki podatki, kvantno računalništvo, ipd. IIoT podjetjem prinaša številne prednosti, nekaj glavnih po mnenju svetovalnega podjetja Morgan Stanley [3]:
- Povečuje kakovost in produktivnost.
- Ustvarja nove poslovne priložnosti.
- Zmanjšuje stroške sredstev v njihovem življenjskem ciklu.
- Povečuje varnost delavcev.
- Poganja proces inovacije izdelkov.
- Izboljšuje razumevanje zahtev potrošnikov.
- Platforma IIoT je jedro pametne tovarne in digitalnih dvojčkov
Temna proizvodnja – Dark production
Zadnje čase je na Kitajskem vse bolj popularna temna proizvodnja – dark production. To je kosovna obdelovalna strojna proizvodnja v kateri se ponoči med drugo in tretjo izmeno ugasnejo luči, ker je v njej minimalna prisotnost oseb. To je nekaj avtomatiziranih linij, ki so že izdelane za avtomatsko delovanje. Podnevi je še vedno prisotna večja človeška posadka. Določena dela namreč ni možno izvajati brez ljudi: kontrola kakovosti, vzdrževanje, menjave večjih orodij, menjave večjih količin materialov, ipd. Proizvodnjo z ugasnjenimi lučmi je prva izvedla leta 1989 inženiring družba Brankamp GmbH v Nemčiji. Ta je predtem razvila posebne IIoT sisteme s specialnimi senzorji in ojačevalci, ki so to proizvodnjo prvič omogočili. Vsi stroji so opremljeni z analognimi senzorji v orodjih, stikali na mehanizmih in tudi izhodnimi releji za krmiljenje strojnih funkcij. Proizvodnjo so poimenovali Geisterschicht (angleško Ghost Shift). Danes se bolj uporablja izraz temna proizvodnja- dark production. V Sloveniji smo temno proizvodnjo s posredovanjem avtorja tega članka prvič pričeli graditi v družbi Novi plamen d.o.o. iz Krope od leta 2008 dalje in po nekaj letih deluje na preko 50 strojev v proizvodnji. Seveda je potrebno avtomatizirati tudi vse strojne in strežne podsisteme.
Sklep
Ko začnemo postavljati pametno tovarno (slika), moramo postaviti najprej temelje, to je arhitekturo. Digitalni dvojčki so virtualna replika fizičnih sistemov. Repliko lahko naredimo samo če poznamo fizični sistem. Bolje, ko poznamo fizične sisteme, boljše digitalne replike lahko naredimo. Najprej moramo poznati fizične stroje, orodja, izdelke, materiale, fizične procese z vsemi parametri, šele potem lahko razvijamo digitalne dvojčke, digitalne sence in tudi IIoT.
Nasproti fizičnega sveta se nahaja virtualni svet, ki se začne s podatki. Ti podatki so izdelani avtomatsko z IIoT interakcijskim sistemom sinhrono s potekom fizičnih procesov. In kakšna je struktura teh podatkov? Struktura podatkov v proizvodnji dela po strukturi orodij, strojev, otokov, tehnoloških procesov, njihovih parametrov, materialov, itd. Struktura podatkov je delana v skladu s strukturo strojev v eni simbolni besedi za vse fizične sisteme in procese.
Zadeva postane še bolj kompleksna, ko ugotovimo, da je za vsako vrsto procesa nabor orodij, strojev, procesov s parametri, materialov, izdelkov drugačen in močno specifičen. Istih podatkov (npr. temperatura v prvem gnezdu orodja) ne smemo zamenjati niti med različnimi orodji iste tehnologije. Kar je pravilen parameter (npr. temperatura v prvem gnezdu) v enem orodju, je napačno (npr. temperatura v prvem gnezdu) v drugem orodju. Povezave podatkov in struktura morajo biti popolnoma v skladu s strojništvom.
Ker je v neki manjši proizvodnji več deset strojev več različnih tehnologij in ima vsak stroj več deset različnih orodij s katerimi izdelujejo iz več deset različnih materialov več sto različnih izdelkov in je za vsakega potrebno narediti svoj IIoT (še bolje digitalni dvojček) dobimo hitro okrog dva tisoč digitalnih slik IIoT (lahko tudi digitalnih dvojčkov). V večji tovarni gre število digitalnih 2D slik IIoT plus 3D digitalnih dvojčkov že v milijone. Zato je tu bistven sistematičen, tipiziran, standardiziran močno strokovno voden pristop.
Poleg nabora in strukture podatkov je treba definirati tudi metode, funkcije, algoritme, za njihovo vizualizacijo, simulacijo, nadzor, diagnosticiranje, predikcijo, vzdrževanje, kakovost, analizo in optimizacijo ter inoviranje in arhitekturo vseh programov 2D digitalnih slik in morda tudi 3D digitalnih dvojčkov.
Po vseh orodjih, strojih in prostorih je treba dograditi ustrezne senzorje, na točno določena mesta, drugače zajeti podatki niso uporabni. Za pravilno vgradnjo analognih senzorjev glavnih tehnoloških parametrov mora arhitekt poznati na pamet vsa orodja, vse stroje, vse materiale, vse izdelke, vse tehnološke in kontrolne procese z vsemi parametri, da lahko postavi optimalno konfiguracijo senzorjev, merilnikov, kamer, aktuatorjev in omrežja robnih računalnikov, ki jih tudi mora poznati na pamet, in vse skupaj tvori celoviti IIoT sistem, ki je temelj pametne tovarne.
Pametna tovarna kot zgradba iz IIoT, digitalnih dvojčkov in digitalnih senc mora delovati kot en optimalen sistem, zato je bistveno načrtovanje najprej arhitekture cele tovarne s strani arhitekta, podobno kot v gradbeništvu. Kjer izdelujejo posamezne projekte s projektnim vodenjem različnih inženiring izvajalcev, vsak naredi svoj sistem in malo upošteva obstoječe. Nihče pa ne more upoštevati sistemov, ki jih še ni in bodo prišli v naslednjih letih, so pa del pametne tovarne. Sistemi morajo biti ne samo povezani, temveč tudi prilagojeni drug drugemu, odvisni drug od drugega, v sinhroni ali asinhroni interakciji. Če za celo tovarno ni načrtovane arhitekture za več let naprej, nihče ne more upoštevati vseh sistemov, zato taka tovarna postane najprej skrpucalo in zgradba brez arhitekture se na določeni točki podre sama od sebe. Seveda klasika vodenja projektov ostaja še naprej enaka kot pri projektih iz 3. industrijske dobe in na projektih razvoja in izdelave izdelkov za kupce. Pri gradnji pametne tovarne se ne uporablja klasičnega projektnega vodenja. Pametna tovarna se zgradi lahko samo z uporabo kibernetično fizičnega menedžmenta..
Viri:
[1] DTC Digital Twin Consortium; What is a Digital Twin?, 02.2025. Dostopno na: https://www.digitaltwinconsortium.org/initiatives/the-definition-of-a-digital-twin/.
[2] Grieves Micheal. Digital Model, Digital Shadow, and Digital Twin. Digital Twin Institute, April 6, 2023.
[3] Iberdrola. What is IIoT? Discover the Internet of things. 02.2025 Dostopno na:
https://www.iberdrola.com/innovation/what-is-iiot
