Стандарт IEC 62264 як основа концепції Industrie 4.0

Сьогодні класична пірамідальна методологія побудови систем керування все більше витісняється сучасними підходами прямої взаємодії між компонентами M2M, як це бачиться наприклад в RAMI4.0 або в IIC (IIoT). Тому може скластися враження, що ієрархічні моделі, що викладені в стандарті ISA-95/IEC-62264, наприклад устатковання та функції вже не можуть працювати в таких системах. Однак це не так. Нові концепції в дійсності будуються на вже існуючих технологіях, які затверджені в стандартах. Так, наприклад, ідеї, закладені в ISA-95/IEC-62264 у свою чергу базуються на  концепціях ISA-88/IEC-61512. Усі моделі, викладені в цих стандартах є нічим іншим як цифровими моделями виробництва з описом обов’язкових полів та зв’язків між об’єктами. Ці моделі вдосконалюються з кожною версією стандарту, вони можуть доповнюватися і видозмінюватися в залежності від потреб, але вони не залежать від способів організації систем керування. Більше того, ці стандарти стали основою моделі RAMI4.0 на якій базується Industrie 4.0.   

Німецька ініціатива Industrie 4.0 передбачає застосування комплексного підходу до імплементації бізнес цілей. Однією з основних особливостей такої парадигми є злиття двох світів, світу інформаційно-комунікаційних технологій (ICT) та світу операційних технологій (ОТ), тобто технологій автоматизації промислових процесів та виробництв. Останні означуються стандартами, що застосовуються в машинобудуванні, електроніці, електротехніці, автоматизації в цілому. Крім Німеччини інші країни також долучилися до здійснення четвертої промислової революції у себе. Проте, саме концепція Industrie 4.0, яка представлена моделлю Reference Architecture Model Industrie 4.0 (RAMI 4.0), сформована на основі майстерного об’єднання кращих світових практик. З метою формування швидкої відповіді на потреби ринку модель RAMI 4.0 описана німецьким інститутом стандартизації DIN та затверджена шляхом спеціальної нової процедури стандартизації, як DIN SPEC 91345:2016-04. Ця модель сформована з міцних цеглин світового досвіду – найбільш важливих стандартів для виробництва.

Автоматизоване виробництво в концепції Industrie 4.0 бачиться як взаємодія кіберфізичних компонентів I4.0, який включає в себе актив (Asset) та його віртуальну сутність (цифровий двійник). Поняття фізичного активу присутнє як в стандарті IEC-62264 так і RAMI 4.0, що робить можливим супроводжувати усі сутності, задіяні у виробництві по їх життєвому циклу. У RAMI4.0 поняття активу значно розширене (включає персонал, стандарти, софт, поширюється і на продукт), тим не менше в загальному розумінні вони з IEC-62264 мають одну основу.          Згідно моделі RAMI 4.0 компонент I4.0 представляється тривимірною моделлю (рис.21), яка відображає основні аспекти його діяльності протягом усього життєвого циклу. Перевагою використання такого підходу є чітке та наочне розуміння функції кожного рівня.  Визначальною особливістю німецької концепції є організація виробничої діяльності за рахунок об’єднання всіх активів підприємства в єдину I4.0-сумісну мережу, яка не має конкретних меж та може мати урегульований доступ для встановлення з’єднання та здійснення автоматичного обміну інформацією з іншими активами, навіть за межами підприємства. Кожен актив – це певна цінність для організації, тому до активів належать не тільки матеріальні об’єкти, але й нематеріальні, такі як програмне забезпечення та навіть ідеї. Концепція Industrie 4.0 означує процес створення правил цифрового опису активів, який доповнюється та змінюється протягом усього його життєвого циклу. Мета цієї моделі – представити актив та всі аспекти, що мають відношення до нього, від його розробки, виробництва та використання аж до його утилізації та забезпечити його взаємодію з іншими активами.

рис.21 Еталонна модель архітектури Industrie 4.0

Шість архітектурних рівнів, які лежать на вертикальній вісі еталонної моделі архітектури Industrie 4.0 означують структуру представлення компонента Industrie 4.0 (елемента єдиної мережі), тобто яким чином і якими засобами активи підприємства взаємодіють між собою в мережі та як вони в ній представленні. Модель RAMI 4.0 передбачає застосування сервісно-орієнтованої архітектури (SOA), де компоненти I4.0 надають послуги іншим компонентам через протоколи зв’язку по мережі. Огляд цієї осі виходить за рамки даної книги. 

Підхід Industrie 4.0 передбачає можливість розробки та вдосконалення продуктів, машин, заводів/фабрик і т.д. протягом всього їх життєвого циклу. Тому ліва горизонтальна вісь моделі використовується для представлення життєвого циклу систем або продуктів («Life cycle & value stream») у вигляді пов’язаних стадій «типу» («Type») та «екземпляру» («Instance»). За рахунок постійного збору даних це дає можливість простежувати стан продукту в будь-який момент часу його існування: від ідеї до експлуатації та утилізації. Розгляд активів з точки зору їх життєвого циклу спирається на стандарт IEC-62890 «Life Cycle Management». Права вісь моделі RAMI 4.0 – «Ієрархічні рівні» («Hierarchy levels») – забезпечує відображення активу на  конкретну роль у виробництві. Ієрархічні рівні RAMI 4.0 в рамках одного підприємства базуються на ієрархії технологічного устатковання на основі ролей, означених стандартом IEC-62264 та відповідно фізичній моделі технологічного устатковання, означеної в IEC-61512  (див. рис. 22). Але ця модель в деякій мірі є розширеною, що, до речі, дозволяється цими стандартами.

рис.22 Ієрархічні рівні еталонної моделі архітектури Industrie 4.0

Виділені зеленим кольором елементи на рисунку 22 присутні серед ієрархічних рівнів RAMI 4.0. Поняття «Підприємства» та «Робочих центрів» (за деякими джерелами «Робочі вузли») відображені в тому ж функціональному сенсі, що й в IEC-62264. З метою застосування концепції Industrie 4.0 на більшій кількості виробничих секторів «модулі технологічного устатковання» та «модулі керування» були замінені поняттями «Станція» та «Пристрій керування», які використовуються в ISA-TR88.00.02-2015 «Machine and Unit States – An implementation example ISA88». Можливо використання саме такої ієрархії зумовлено розвитком на території Німеччини дискретного виробництва, а саме машинобудування.

У концепції Industrie 4.0 також виділяється ще кілька нових функціональних ієрархічних рівнів, які не представленні в класичній рольовій ієрархії устатковання IEC-62264/IEC-61512. До таких рівнів належать «Польовий пристрій» («Field device») та «Продукт» («Product») в нижній частині ієрархії, а також «Зовнішній світ» у верхній частині. Польовий пристрій може представляти собою інтелектуальний датчик або виконавчий механізм та самостійно приймати рішення в реальному часі. Нам наразі невідомі принципи розділення польових пристроїв від пристроїв керування.   

Нижче польового пристрою додано рівень «Продукту» («Product»), на який варто звернути особливу увагу. Наявність рівня продукту передбачає його функціонування як повноцінного компонента I4.0, тобто він відіграє таку ж важливу роль під час свого виробництва, як і устатковання, що бере участь у його виготовленні. По-перше, продукт в машинобудуванні це також актив (Asset), який після його виготовлення на іншому виробництві може стати на місце виробничого устатковання. По-друге, етапи виготовлення продукту є частиною його життєвого циклу, яким передують процеси його проектування, поставки на виробництво та інші кроки виготовлення. Це дає змогу взаємодіяти між виробничим устаткованням та компонентом продукту безпосередньо, оскільки вся необхідна інформація знаходиться в цифровому двійнику активу та накопичується на ньому ж. Таким чином, роль продукту забезпечує самодостатність усіх компонентів для прямої взаємодії між «речами» на виробництві, що і є однією з фундаментальних основ Індустрії 4.0.       Розглянемо це більш детально через призму різних етапів життєвого циклу продукту.

Відповідно до лівої горизонтальної вісі моделі, виділяються поняття типа та екземпляра. Існування продукту за концепцією Industrie 4.0 розпочинається із виникнення ідеї виготовлення продукту. З цього ж моменту виникає тип «продукту». З часом накопичується інформація, яка стосується розроблення продукту. Як тільки продукт переходить на стадію виробництва, то він стає конкретним екземпляром, тому що тип набуває конкретного фізичного відображення у реальному світі. Виділення продукту як окремого функціонального рівня полягає в тому, що «продукт» має здатність до взаємодії з іншими пристроями. Така функція може бути реалізована, наприклад, за допомогою використання QR-коду для ідентифікації продукту на будь-якій стадії його виробництва. Ідентифікувавши продукт, інші пристрої можуть отримати інформацію, яка стосується продукту або напівпродукту. Ця інформація може стосуватися або стадії виробництва, або ж надавати конкретні вказівки щодо того, що ж робити з напівпродуктом, наприклад,  яким кольором повинен бути зафарбований напівпродукт. Тобто, під час виробництва продукт може надавати дані іншим пристроям, а інші пристрої відповідно записувати дані у цифровий двійник продукту. Реалізація рівнів вертикальної осі може бути різноманітною. Наприклад, інтеграційний рівень для конкретного продукту може бути реалізований тільки засобами ідентифікації, а комунікаційний рівень – здатністю інших пристроїв, які взаємодіють з продуктом, до комунікації. Якщо продукт зрештою стає частиною устатковання у якійсь виробничій установці конкретного підприємства, він стає на інше місце у ієрархії рольової моделі, і його функції можуть відповідати, наприклад, рівню «Станції».

Той самий актив з точки зору різних зацікавлених сторін (стейхолдерів) займає різну позицію. Припустимо на виробництві використовується транспортер, який в рольовій ієрархії устатковання знаходиться на рівні «польового пристрою». Інформацією про життєвий цикл кожного екземпляра оперує постачальник транспортерів (наприклад, інформація про виробництво транспортера), оператор виробничої комірки (наприклад, споживання енергії та рух транспортера) та постачальник сервісів обробки та аналізу даних (наприклад, прогнозований ступінь забруднення).

Але кожен із зацікавлених сторін у ланцюжку вартості використовує різні типи моделей транспортера (рис. 23):

  • постачальник перевізника оперує документами про розробку;
  • системний інтегратор програмує транспортну систему;
  • оператор повинен мати можливість змінювати порядок запуску транспортерів;
  • постачальник сервісів обробки та аналізу даних аналізує рівень забруднення.
рис.23 Розгляд транспортера з точки зору життєвого циклу та ієрархічного рівня

Таким чином польовий пристрій представлений на різних підприємствах і має різне наповнення своїх цифрових двійників. Обмін інформацією між різними підприємствами може реалізовуватися за рахунок використання ще одного нового для класичної піраміди рівня – «Зовнішній світ» («Сonnected world»). Cтандарт IEC-62264 означує ієрархію технологічного устатковання лише в межах підприємства, тому на вищому рівні ієрархії RAMI 4.0 був доданий «Зовнішній світ» («Сonnected world»), який розширює межі окремого заводу/фабрики та передбачає обмін інформацією за межами конкретного підприємства.

Взагалі ця вісь RAMI 4.0 не передбачає побудову ієрархічних систем, в яких функціональні компоненти підпорядковуються компонентам, які знаходяться безпосередньо над ними. Вона означує конкретний функціонал для кожного компоненту системи, які можуть взаємодіяти безпосередньо, навіть якщо знаходяться на не суміжних рольових рівнях, якщо цього вимагає логіка керування. Здатність всіх компонентів до зв’язку передбачає можливість простого налаштування, за рахунок використання І4.0-сумісного зв’язку, який повинен бути стандартним та передбаченим у всіх компонентах системи.

Таким чином, IEC-62264 відіграє істотну роль у формуванні передових поглядів на високотехнологічне виробництво. Обізнаність про цей стандарт, досвід його впровадження значно сприятиме переходу від Індустрії 3.0 до гнучкого, високоефективного, орієнтованого на задоволення потреб клієнта світу Індустрії 4.0. На такому підприємстві обладнання, сировина і готові продукти спілкуються між собою і спільно керують виробництвом. Заготовки самостійно знаходять свій шлях на всіх етапах виробничого процесу, а невеликі фабрики зможуть самостійно об’єднуватися в єдину промислову систему для виконання конкретного замовлення.

Тому може виникнути питання на скільки результати цих нових ініціатив чи то Німеччини, США, Китаю можна назвати Новими? Чи це просто дуже влучне об’єднання кращих світових напрацювань? Залишається також багато питань щодо самої RAMI4.0, зокрема:

  • яке місце в RAMI4.0 займають модель персоналу, матеріалу чи сегментів, означених в IEC 62264?
  • як матеріал перетворюється в продукт, і взагалі в актив?
  • як передбачається робити планування виготовлення продукції?

Питань набагато більше і вони потребують дослідження, і нам наразі невідомо, чи є відповіді на ці питання у самих розробників RAMI4.0. У свою чергу, закликаємо колег до об’єднання зусиль щодо розробки дорожніх карт і можливо своїх реферативних моделей компонентів І4.0, які б були адаптовані під теперішні реалії української промисловості.    

Деякі деталі RAMI4.0 Ви можете дізнатися подивившись вебінар за цим посиланням.  

Експерти про MOM та IEC-62264: думка Максима Романова

Ми провели опитування кількох експертів щодо стану та перспектив впровадження стандартів IEC-62264 в Україні. Нижче наводяться відповіді Максима Романова, консультанта по MES в Brighteye.

  • Яке ваше основне місце роботи?
    Brighteye
  • Які місця роботи були в минулому? Арселор Митал, Интерпайп
  • Оцініть кількома реченнями Вашу обізнаність в стандартах IEC-62264, IEC-61512, ISO-22400. Уровень 6 – по ИСА95, Уровень 4 по 22400 и уровень 1 по ИСА98 (EQF уровни).
  • Досвід впровадження яких функцій MOM був у Вашій практиці, і в якості якого стейкхолдера виступали? Дважды руководил/участвовал в реализации комплексного МОМ решения.
  • Чи задоволені Ви результатами впровадження, на скільки вони були успішними? Да – успешны – на примере Интерпайп
  • З якими основними проблемами зустрілися при впровадженні? Сопротивление изменениям со стороны персонала.
  • Яка сама велика «перемога»? Запуск онлайн-картотек НЗП. 
  • Яка сама велика «невдача»? Запуск систем ручного ввода информации.
  • Чи використовувалися стандарти IEC-62264, IEC-61512, ISO-22400? Нет, на тот момент они были нам неизвестны.
  • Які найбільші переваги стандарту IEC-62264 на Вашу думку? Чи відчули Ви їх на свої практиці? Как и любой хороший стандарт – IEC-62264 является обобщением лучшего опыта реализации МОМ решений, соответственно является хорошей базой для старта при необходимости повышения квалификации в области МОМ решений. Со всеми вытекающими. Второе преимущество – это отличный инструмент коммуникации и обмена ключевыми определениями в рамках проекта реализации МОМ функционала.
  • Оцініть ступінь обізнаності на Вашу думку українського ринку по MOM взагалі, та стандартів IEC-62264, IEC-61512, ISO-22400. Уровень EQF0 или EQF1 – полное отсутствие знаний или базовые знания.
  • В чому проблеми впровадження стандарту на ринок? Я думаю, что драматических «проблем» нет – есть общеэкономическая ситуация с «не подходящим» рынком для МОМ решений.
  • Кому можуть бути вигідні стандарти? Тем, кто принимает решение делать МОМ проекты.
  • Кому впроваджені стандарти можуть заважати і чому? Не думаю, что для кого-то стандарт может составлять реальную угрозу или помеху.
  • Оцініть на скільки імплементація стандарту (в оригінальному англомовному варіанті) в Україні допоможе розвитку. На скільки зміниться ситуація, якщо імплементацію зробити методом перекладу? Я думаю, что мы переоцениваем объём рынка, который реально может быть заинтересован в решениях МОМ, соответственно в отсутствии активного интереса со стороны заказчиков и интеграторов видим проблему. Активности в области продвижения английского варианта, и тем более его перевод на украинский на мой взгляд не приведут ни к каким драматическим переменам в этой области.
  • Які на Вашу думку інструменти, засоби, методи можуть значно покращити ситуаційну обізнаність в наведених стандартах? Я полагаю, что наиболее результативной активностью в вопросах информированности о стандартах является преподавание соответствующих предметов с использованием стандартов в вузах и в форме коммерческих курсов. Узкая специфика данной темы подразумевает факультативность подобного рода активностей – а хоть спрос и не является массовым, в то же время достаточен чтобы окупить затраты на создание образовательных продуктов подобного рода.
  • Які засоби MOM та ERP можете назвати, що однозначно підтримують наведені стандарти. Как обсуждалось на одном из собраний ТК 185 – стандарты не поддерживают, им соответствуют. В частности, было выделено три уровня соответствия стандарту. Максимальное соответствие – формальный уровень практически нигде не встречается. Исключением являются спецификации интеграционных модулей – так, например SAP декларирует соответствие B2MML в модуле для интеграции ERP с другими решениями третьего уровня. Средний уровень соответствия – понятийный, ситуация в которой основные понятия МОМ решения и связи между ними действительно повторяют рекомендации стандартов. Ряд систем обладает этим уровнем соответствия, но как правило в рамках отдельных модулей или на уровне ядра системы. Наиболее низкий уровень соответствия – идейное соответствие. Большинство МОМ систем придерживаются стандартов и реализуют функционал, близкий по смыслу и назначению рекомендациям. Однако внутренности реализации или отдельные функции не имеют корреспонденции с тем, что рекомендует стандарт. Такой подход характерен для МОМ систем, созданных не непосредственно для решения задач управления на третьем уровне – а выросших из других систем путем расширения функционала. Поэтому я считаю не лишенной оснований классификацию МОМ решений на Clear MOM, ERP driven MOM, Automation vendor driven MOM (SCADA driven MOM). Чистые решения как правило максимально близки к стандартам – в то время как другие несут в себе характерный функционал и подходы систем из которых они развились. Подчеркнутая «легкость интеграции» такого рода решений как правило является недостатком, а не достоинством – так как по факту «легкость» обеспечена только по отношению к материнской системе.
  • Чи можуть стандарти на Вашу думку пришвидшити цифровізацію підприємства? Якщо так, то як? Да, поскольку следование стандартам, во-первых, снижает совокупную стоимость владения решения, во-вторых существенно снижает риски, связанные как с определением решения так и с его интеграцией.
  • На мою думку є великий бар’єр (фінансовий, нехватка кваліфікованих кадрів) впровадження MOM для середніх та малих підприємств. Чи погоджуєтесь Ви з цим, і якщо так як його подолати? Барьеры преодолеваются с возникновением реальной экономической потребности. На самом деле проект внедрения МОМ не такой уж и затратный в финансовом плане. Таким образом когда ЛПР для роста объемов предприятия, либо при внешних изменениях конъюнктуры рынка выбирают не экстенсивные стратегии, а варианты интенсивного цифрового развития, как правило сопровождающегося необходимостью изменения подходов и переподготовки персонала, создается благоприятная среда для реализации МОМ проекта. Средние и малые предприятия в Украине, сталкиваясь с проблемами роста или изменениями рыночной среды в целом нечасто имеют волю и ресурсы продолжать вести бизнес. Естественно, ещё реже выбирается интенсивный путь развития. И уж совсем редко МОМ проект является действительно стратегической инициативой менеджмента. Поэтому в Украине мы с большей вероятностью можем наблюдать интерес к МОМ системам от более крупных и стабильно работающих компаний, для которых МОМ проект не является по факту прямым способом достижения стратегических целей, а скорее составной частью стратегий устойчивого развития, цифровизации и/или достижения операционной эффективности. Этим и определяется общее восприятие ЛПР проектов МОМ не как вариантов «скорой помощи» в критических ситуациях – а как «профилактических» мероприятий, направленных на оздоровление предприятия в долгосрочной перспективе. Такое отношение формирует соответственно приоритетность финансирования проектов МОМ. Возвращаясь к вопросу – дело на мой взгляд в общей культуре ведения бизнеса в Украине. И в сложившейся в 2019 году обстановке предпосылок для массовых эффективных инвестиций в МОМ проекты и в повышение квалификации в области МОМ со стороны малого и среднего бизнеса нет.

Пропонуємо Вам пройти опитування за посиланням.