Już dziś w przemyśle mamy cyfrową rzeczywistość

Materiał powstał we współpracy z Siemens Polska

357 boisk do piłki nożnej, czyli 2,5 mln metrów kwadratowych – taką powierzchnię ma fabryka CIECH Soda Polska w Inowrocławiu, jedyny w Polsce i drugi w Europie producent sody kalcynowanej ciężkiej i lekkiej, a przy okazji soli warzonej. Gdy na początku grudnia grupa czterech dronów wykonywała drobiazgową dokumentację całego tego kompleksu, maszyny spędziły w powietrzu w sumie 18 godzin i przeleciały jakieś 50 kilometrów, przynosząc około 3000 zdjęć i filmów, a także gigabajty szczegółowych danych dotyczących funkcjonowania fabryki i jej wpływu na bezpośrednie otoczenie.

Wszystkie te informacje wpadają do jednego cyfrowego kotła, którym jest technologia zaawansowanego sterowania procesem. Jednym z jej kluczowych elementów jest też wirtualny symulator linii produkcyjnej sody (advanced process control). – Stworzenie oprogramowania w pełni odzwierciedlającego produkcję sody kalcynowanej już dziś pozwala naszym technologom na poszukiwanie sposobów zwiększenia wydajności tego procesu. W kolejnym kroku umożliwi stworzenie trenażera dla pracowników będących operatorami produkcji – podkreślał członek zarządu firmy Mirosław Skowron, gdy kilka miesięcy temu ruszały prace nad owym, dostarczonym przez Siemens Polska, cyfrowym bliźniakiem (digital twin) zakładu.

Bliźniak ów nie ogranicza się do odtworzenia samej linii produkcyjnej. Model odtwarza działanie całego zakładu produkcyjnego: 266 operacji jednostkowych, na które składa się 240 tys. równań opisujących zjawiska fizykochemiczne oraz 460 równań opisujących dynamikę bilansu masy i energii. Oprogramowanie uwzględnia też funkcjonowanie i parametry elektrociepłowni dostarczającej do instalacji parę pod wysokim ciśnieniem. Analizuje także bilans dwutlenku węgla.

Rezultatem wdrożenia ma być wydajniejsze odzyskiwanie wody czy ciepła w instalacji oraz szeroko rozumiana optymalizacja. Cyfrowy bliźniak analizuje i wskazuje najlepsze parametry pracy instalacji oraz optymalne stężenia mediów konieczne dla uzyskania solanki (produktu) o określonej czystości.

Przez optymalizację do portfela

– Koncept digital twin idealnie wpisuje się w ideę Przemysłu 4.0, zwłaszcza że w pełni korzysta z najnowszych osiągnięć technologii informatycznych – podkreśla w rozmowie z nami Szymon Paprocki, dyrektor Process Automation w Siemens Polska. – Takie wirtualne rozwiązanie pozwala odwzorować całą instalację albo jej fragment. Pozwala przeprowadzić pilotaż, czy dostarczyć proof of concept (w uproszczeniu: realizacja pomysłu mająca zademonstrować, że jest on wykonalny – przyp. red.), zanim ją wdrożymy. A jednocześnie może być skalowane na całą fabrykę lub kilka fabryk, na całe przedsiębiorstwo – opowiada.

W realiach wielu firm, zwłaszcza tych, które działają od wielu dekad, istnieją znaczące luki w dokumentacji technologicznej, automatycznej czy elektrycznej. Coraz trudniej też o kontynuację procesu przekazywania wiedzy przez odchodzących wieloletnich pracowników nowo zatrudnianym specjalistom. Zresztą o wykwalifikowanych specjalistów, inżynierów i techników przemysłowych, coraz trudniej: wydziały inżynierskie przez ostatnie lata znacznie się wyludniły i znalezienie następcy specjalisty, który np. po latach pracy odchodzi na emeryturę, staje się coraz trudniejsze.

Cyfrowy bliźniak pozwala nieco złagodzić ten trud, ponieważ oprogramowanie uczy nowo zrekrutowanych pracowników, jak działa zakład, jak funkcjonują jego poszczególne instalacje czy urządzenia, a finalnie w wielu sytuacjach podpowiada, jakie działania użytkownik powinien podjąć w określonych sytuacjach. Błędy popełnione w czasie takich wirtualnych przymiarek do nowego miejsca pracy nie przełożą się na realne straty, utratę czy przestoje produkcji, konieczność utylizacji materiałów czy jakiekolwiek sytuacje niebezpieczne dla życia i mienia. Ba, z możliwości przetestowania sytuacji awaryjnych w bezpiecznych wirtualnych okolicznościach skorzystać będą mogli nie tylko nowi pracownicy, ale też wszyscy ci, którzy już w firmie pracują.

Digital twin wdrożony w Ciechu powinien się już zwracać: jak szacuje nasz rozmówca, zwrot z inwestycji cyfryzacyjnych wynosi pół roku, a w obecnych okolicznościach – przy szalejących cenach energii – może nawet krócej. – Wszystkie stosowane przez nas technologie mają swój wpływ na uzyskiwanie oszczędności. Przykładem może być nadzór nad urządzeniami elektrycznymi, ale też liczniki gazu czy wody. Wszystko jest spięte w jeden system pozwalający analizować zużycie bieżące, dobowe czy tygodniowe. To pozwala kontrolować urządzenia, sprawdzać, czy są odpowiednio wyłączone, w razie szybszego zrealizowania celu szybciej je wyłączyć. Efekt każdej optymalizacji może zostać sprawdzony. W ten sposób zużywamy mniej zasobów naturalnych, wody, energii. Spadki zużycia odnotowujemy praktycznie co roku – mówi nam Cezary Tadej, lider inicjatywy strategicznej Przemysłu 4.0 w Volkswagen Poznań.

– Cyfrowe wyniki pomiarów zawsze są jednoznaczne, co pozwala nam na pewną stabilność w ocenie sytuacji oraz większą precyzję w podejmowanych decyzjach – uzupełnia nasz rozmówca. – Niektóre aspekty procesów produkcyjnych są też analizowane automatycznie, co skraca nasz czas reakcji na pojawiające się wyzwania. Wszystko to przekłada się na mniejszą liczbę awarii, a zatem lepszą produktywność. Lepsza produktywność to niższe koszty, a niższe koszty to większa zyskowność przedsiębiorstwa. Związek między cyfryzacją produkcji a kondycją firmy jest więc jednoznaczny – dodaje.

Jak podkreśla Szymon Paprocki, taka optymalizacja to zasługa kolejnego filaru przemysłowej rewolucji 4.0 – chmur obliczeniowych. – Przemysł 4.0 był możliwy, bo dysponujemy ogromną mocą obliczeniową i technologiami, które mogą ją wreszcie wspierać. Dzięki niej możemy w końcu obliczać wszystkie te parametry – tłumaczy ekspert Siemens Polska. Za strumień tych danych odpowiadają z kolei setki, a nawet tysiące urządzeń, które nieustannie zbierają dane w całym zakładzie czy może nawet jego otoczeniu: czujniki, liczniki, kamery, urządzenia mobilne czy komputery – wszystko, w zależności od specyfiki i potrzeb danej branży.

– Tych danych jest dużo, coraz więcej – podkreśla Paprocki. – Aby taki system utrzymywania ruchu, połączony choćby z cyfrowym bliźniakiem, współpracującym w chmurze, zadziałał, musimy też te dane przesyłać. Taka komunikacja musi być nowoczesna i bezpieczna, co oznacza nie tylko cybersecurity jako ochronę przed hakerami czy szpiegostwem przemysłowym, ale też zabezpieczenie przed konsekwencjami jakichś awarii. Tu na scenę wkraczają technologie 5G, które przede wszystkim mają ogromną przepustowość, ale też redukują opóźnienia oraz oferują gigantyczną elastyczność: w zakładach przemysłowych uniknięcie układania kabli czy światłowodów to olbrzymie ułatwienie dla digitalizacji – wskazuje.

Widać to w płockim kompleksie rafineryjno-petrochemicznym PKN Orlen. To tam Siemens Polska wspólnie z płockim koncernem sprawdzał w warunkach przemysłowych zalety dedykowanej sieci 5G. Odbyło się to za zgodą Urzędu Komunikacji Elektronicznej i w oparciu o czasowy przydział częstotliwości – nie mylmy bowiem 5G w przemyśle z 5G w telekomunikacji, adresowanym do indywidualnych użytkowników telefonów. Platforma Siemens Industrial Edge i routery 5G dostarczone przez Siemens Polska pozwoliły w tym przypadku na uzyskanie bezprzewodowego przesyłu danych na terenie zakładów produkcyjnych z prędkością do 1 GB/s. Przetestowano łączność dyspozytorską głosową i wideo, sprawdzono możliwość transmisji danych przez urządzenia końcowe systemu łączności krytycznej.

– W testach sieci 5G wykorzystano technologię Video as a Sensor (VaaS), w której dane obrazu wideo (pasmo widzialne i termowizja) były przetwarzane jak dane pobrane z inteligentnego, wyspecjalizowanego sensora pomiarowego. Dla zapewnienia wysokiej jakości algorytmów sztucznej inteligencji wymagane jest zapewnienie stabilnego przepływu analizowanego strumienia danych wideo wysokiej rozdzielczości do serwerów analitycznych – podsumowywał Wiesław Łodzikowski, szef biura infrastruktury IT płockiego koncernu. Innymi słowy, monitoring wskoczył na wyższy poziom – stał się narzędziem analitycznym.

Dla każdego coś cyfrowego

Oczywiście, digitalizacja przemysłu to nie jedna czy dwie ultranowoczesne technologie, lecz cały ekosystem.

– Cyfryzacja musi zaspokajać określone potrzeby firm, dostarczać wartość dodaną – uważa Szymon Paprocki.

– I przedsiębiorcy w coraz większym stopniu przyjmują, że taką wartość dostarcza. Z badania Digi Index, jakie Siemens Polska co roku przeprowadza na polskim rynku, wynika, że taki indeks gotowości procesowej i technicznej do wdrażania cyfryzacji skokowo rośnie, np. między 2021 a 2022 rokiem odnotowaliśmy wzrost deklaracji chęci ich wdrożenia o 30 proc.: w tej chwili aż 70 proc. firm, i to wcale nie tych największych i międzynarodowych, ale też średnich, z polskim kapitałem, zapowiada inwestycje w digitalizację. A ci, którzy już taki proces zaczęli, deklarują zwiększenie nakładów na cyfryzację o 40 proc.

Trudno się dziwić, cyfryzacja to proces wszechogarniający. – Właściwie można powiedzieć, że cały proces produkcyjny w Volkswagen Poznań jest nadzorowany elektronicznie: od momentu pojawienia się zlecenia na dany samochód, przez cały okres budowy pojazdu – opisuje Cezary Tadej.

– Gromadzone są dane zbierane podczas tego procesu, zatem cyfrowe technologie nie tylko sterują budową auta, ale i przynoszą szerokie spektrum informacji, które można wykorzystać dla optymalizacji procesu. Wykorzystywane są technologie, jakie znamy z życia codziennego: operatorzy są wyposażeni w smartfony czy smartwatche i za ich pośrednictwem dostają dokładne informacje o stanie maszyn w fabryce czy ich potencjalnych awariach. Dzięki temu są w stanie szybko i precyzyjnie reagować. W procesach planistycznych używamy rozszerzonej rzeczywistości (AR): w specjalnych okularach jesteśmy w stanie testować przygotowywany model w warunkach odzwierciedlających realia, co pozwala usprawnić projektowanie elementów, zanim jeszcze wyprodukujemy coś ze stali – tłumaczy.

Nie inaczej jest w branży pozornie dalekiej od motoryzacji. – Zbiór technologii rozwijanych obecnie w browarach Grupy Żywiec określamy mianem Platformy Connected Breweries, która obejmuje przemysłowy internet rzeczy, narzędzia skupione na pracownikach, zbiorczo określane jako Connected Worker, a także druk 3D – mówi nam Magdalena Brzezińska, dyrektor ds. korporacyjnych Grupy.

– Nasz browar w Warce może być doskonałym przykładem. Mamy w nim ponad 10 tys. punktów pomiarowych rozmieszczonych w magazynach na warzelni, fermentowni i rozlewni. Generujemy miliony pomiarów każdego dnia, a większość naszych podzespołów dostarcza nam odczyty co sekundę. Dane z naszych sterowników przemysłowych trafiają do chmury, a na kolejnym etapie są obrabiane w taki sposób, żeby wyłuskać z nich to, co jest nam najbardziej potrzebne. Poprzez właściwą obróbkę możemy te dane potem przedstawić w użytecznej, zrozumiałej formie naszym operatorom czy inżynierom – podsumowuje.

Potwierdza też, że cyfryzacja standardów reagowania na konkretne sytuacje umożliwia automatyczne rozwiązywanie problemów. – Kiedyś pracownicy musieli przeprowadzać analizy sytuacji samodzielnie, w wersji papierowej, i na ich podstawie podejmować akcję. Teraz po prostu otrzymują alert, gdy zdarzenie ma miejsce, i ich rolą jest zareagować na informację. Nie muszą sami wykrywać anomalii w procesie produkcji, np. zbyt dużego poboru wody czy energii – dodaje nasza rozmówczyni. Branża doceniła tę sprawność firmy, przyznając jej w 2020 r. specjalną nagrodę za... skuteczną walkę z mikroprzestojami na liniach produkcyjnych.

– Branże przemysłu mogą się różnić, ale w sumie mają wiele wspólnego – kwituje Szymon Paprocki. – Gdziekolwiek popatrzyć, to liczy się optymalizacja zużycia energii czy utrzymanie ruchu. W każdej branży rację bytu ma rozszerzona rzeczywistość czy analiza obrazu. Kamera wideo może przyglądać się płomieniom rafinerii, ale też analizować, czy do słoika z dżemem nie trafił jakiś okruch szkła. Podobnie gdy chodzi o szkolenie nowych kadr, zastosowanie cyfrowych technologii jest uniwersalne – dorzuca.

Jego zdaniem różnice pojawiają się raczej, gdy weźmiemy pod uwagę wielkość danego biznesu. Przeważnie im większy biznes, tym większa jego automatyzacja – a im większa automatyzacja czy robotyzacja, tym większe pole do popisu dla technologii cyfrowych. – Operator zamienia się tu w nadzorcę instalacji, a nie ogniwo produkcyjne – mówi obrazowo Paprocki.

Każdy kolejny rok wydaje się powiększać listę wyzwań, na które digitalizacja może odpowiadać. Od dobrych kilku lat przemysł borykał się z niedoborem specjalistów, co zresztą widać było w ich szybko rosnących zarobkach.

Niemal trzy lata temu wybuchła pandemia Covid-19, która z kolei stworzyła palącą potrzebę umożliwienia pracownikom wykonywania swoich obowiązków zdalnie. Już niemal rok temu wybuchła wojna w Ukrainie, uświadamiając wszystkim konieczność ściślejszego monitorowania infrastruktury krytycznej i zapewnienia jej bezpieczeństwa.

Najbliższe lata przyniosą kolejne wyzwania związane z odpowiedzią świata – a zatem i przemysłu – na zmiany klimatyczne. A tu z kolei aspekt oszczędności zużycia energii i surowców, a zatem niższej emisyjności, mniejszego śladu węglowego, przyjazności dla otoczenia i środowiska naturalnego, będzie zyskiwać na znaczeniu. Te ostatnie elementy widać choćby na przykładzie digitalizacji zleceń produkcyjnych, upraszczającej zarządzanie dokumentacją produkcyjną – projektu, jaki wspólnie z Siemensem zrealizowała firma farmaceutyczna Adamed.