ФТИМС НАН Украины, Гнатуш В. А., Дорошенко В. С. Направления развития литейного производства в контексте «Индустрии 4.0»
Наша цивилизация основана на промышленном комплексе, который, в свою очередь, базируется на металлах. В историческом плане планетарная промышленность прошла три революционных этапа: от ручного труда до автоматизированного производства с использованием информационных технологий (см. рисунок 1).
Во всем мире с большей или меньшей скоростью происходит переход к новому технологическому укладу, называемому «Индустрия 4.0». Термин «Индустрия 4.0» был впервые представлен в 2011 г. во время Ганноверской ярмарки группой представителей немецкой промышленности в рамках инициативы по повышению конкурентоспособности Германии в условиях ускоренной интернетизации и кибернетизации производства. Четвертая промышленная революция (англ. The Fourth Industrial Revolution) — прогнозируемое событие. Специалисты предложили интегрировать в промышленные процессы так называемые киберфизические системы (CPS), или автоматизированные машины и обрабатывающие центры, подключенные к интернету. Ставится цель создать такие системы, которые позволили бы машинам самостоятельно (автономно) изменять при необходимости производственные шаблоны. Цифровой (связанный с интернетом) подход затрагивает все этапы жизненного цикла продукта, включая дизайн и создание прототипа, наладку и обслуживание производственной линии, контроль и оптимизацию производства, а также данные, полученные в результате обратной связи от клиентов и потребителей. Массовое внедрение киберфизических систем в производство изменит также обслуживание человеческих потребностей, включая быт, труд и досуг.
«Индустрия 4.0» меняет не только процесс производства, но и сферу услуг, связанных с выпускаемой продукцией. Революционное изменение технологий в промышленности перестроит организацию труда. Киберфизические системы производства изменят традиционную логику производства, поскольку каждый рабочий объект будет сам определять, какую работу необходимо выполнить для производства.Эта новая архитектура промышленных систем может быть внедрена постепенно посредством цифровой модернизации существующих производственных мощностей. И это означает, что данную концепцию можно реализовать не только на абсолютно новых предприятиях, но и поэтапно разворачивать на существующих предприятиях в процессе эволюционного развития. В промышленности, построенной на основе концепции «Индустрия 4.0», производственное оборудование и продукты станут активными системными компонентами, управляющими своими производственными и логистическими процессами. Они будут включать в себя киберфизические системы, связывающие виртуальное пространство интернета с реальным физическим миром. При этом они будут отличаться от существующих мехатронных систем наличием способности взаимодействовать со своим окружением, планировать и адаптировать свое собственное поведение согласно окружающим условиям, учиться новым моделям и линиям поведения и, соответственно, быть самооптимизирующимися. Они обеспечат эффективный выпуск даже минимальных партий при быстром внесении изменений в продукцию и большом количестве вариантов. Применение встроенных датчиков / исполнительных механизмов, обеспечение межмашинного обмена данными и использование активной семантической памяти приведет к появлению новых методов оптимизации, направленных на сохранение ресурсов в производственной среде. Это, в свою очередь, будет способствовать будущему созданию экологически безопасного и передового производства.
«Индустрия 4.0» предполагает создание роботизированных систем в комплексе с интернет-технологиями в формате «умных» предприятий. Четвертая промышленная революция направлена на использование (сглаживание) различий между физической, цифровой и биологической сферой. По сравнению с предыдущими промышленными революциями четвертая эволюционирует в экспоненциальном, а не линейном темпе.
«Индустрия 4.0»: основные факторы
Одним из базовых элементов цифровой экономики является «Индустрия 4.0», которая, по мнению экспертов, основана на девяти инновационных сегментах (см. рисунок 2) [2, 3].
1. Большие данные и их анализ (Big Data and Analytics). Сбор, обработка и анализ технологических, торговых и финансовых данных в масштабах предприятия и торговых сетей для принятия решений по повышению конкурентоспособности товаров.
2. Автономные роботы (Autonomous Robots). Промышленные роботы, которые оснащены киберфизической системой (КФС) и могут самостоятельно (автономно) выполнять работы вместо людей — специалистов. Коллаборативные роботы (Collaborative robots), или короботы, которые могут контактировать как с другими роботами, так и с персоналом.
3. Моделирование (Simulation). Создание виртуальной модели производства наряду с реальным производством позволяет использовать виртуальную модель для ее корректирования с последующим переносом изменений на реальное производство. Это позволит экономить время и финансы при выборе оптимального варианта действий, что проиллюстрировано на примере схемы виртуальной модели литейного производства «Foundry 4.0» (см. рисунок 3).
4. Горизонтальная и вертикальная система интеграции (Horizontal and Vertical Integration). Объединение информационно-технологической системы предприятия или компании посредством интернета вещей с поставщиками сырья и продавцами производимой продукции.
5. Промышленный интернет вещей (The Industrial Internet of Things - IoT) – инструмент для создания производственно-торговых сетей, работающих в режиме реального времени.
6. Кибернетическая безопасность (Cybersecurity). Система защиты баз данных и систем их обработки, а также программного обеспечения «умного» производства от кибератак.
7. Облачные технологии (The Cloud Technology) обеспечивают максимально быструю обработку данных, как от внутренних, так и внешних источников информации (оборудование, склады, поставщики, торговые сети).
8. Аддитивное производство (Additive Manufacturing) базируется на 3D-принтерах, которые обеспечивают как изготовление экспериментальных образцов продукции, так и их небольших партий. В перспективе весьма вероятна разработка 3D для массового производства продукции.
9. Виртуальная (дополненная) реальность (Augmented Reality) [4] — создание расширенных возможностей персонала для анализа текущей ситуации, ремонта оборудования и его обучения.
Как видим, мир движется и не стоит на месте. По словам Петра Щедровицкого, сегодня существует три основных технологических коридора: первый — «все в цифре»; второй — новые материалы, прежде всего материалы с управляемыми свойствами; третий — это «умные» системы управления.
Термин «четвертая промышленная революция» Европейской комиссией трактуется прежде всего как технологии и концепции организации цепочки создания стоимости. По данным сайта https://ec.europa.eu, Европейская комиссия поместила «цифру» в суть своей стратегии, установив цифровой единый рынок в качестве одного из 10 своих приоритетов. Стратегия DSM направлена на открытие цифровых возможностей для людей и бизнеса, а также укрепление позиций Европы как мирового лидера в области цифровой экономики.
DSM призван обеспечить свободное передвижение людей, услуг и капитала, где частные лица и компании могут легко получить доступ и осуществлять деятельность в интернете в условиях честной конкуренции, а также высокий уровень защиты потребительских и персональных данных, независимо от гражданства или места жительства.
Европейская комиссия 10.05.2017 г. опубликовала среднесрочный обзор цифровой стратегии единого рынка, который показывает прогресс, достигнутый в осуществлении стратегии с 2015 г., и необходимые дальнейшие действия. Европейская комиссия определила осуществление DSM в качестве одного из 10 своих политических приоритетов.
Выполнение оцифровки промышленности поможет большим и малым компаниям, исследователям и государственным органам максимально использовать новые технологии. Они свяжут национальные и региональные инициативы и увеличат инвестиции через стратегические партнерства и сети. Промышленность является одним из столпов европейской экономики: на промышленный сектор в Европейском союзе приходится 2 млн предприятий, 33 млн рабочих мест и 60 % роста производительности. Информационные технологии нового поколения, такие как IоT, облачные вычисления, большие данные, робототехника и 3D-печать, открывают новые горизонты, чтобы промышленность стала более предприимчивой и эффективной, улучшала процессы и разрабатывала инновационные продукты и услуги.Недавние исследования (по данным сайта ec.europa.eu) показывают, что оцифровка продуктов и услуг может принести прибыль в более 110 млрд евро в год в Европе в течение следующих пяти лет. Европейская индустрия сильна в таких цифровых секторах, как электроника для автомобильных и энергетических рынков, телекоммуникационное оборудование, программное обеспечение для бизнеса, лазерные и сенсорные технологии. Европа обладает научно-исследовательскими и технологическими институтами мирового уровня. Однако высокотехнологичные секторы сталкиваются с серьезной конкуренцией со стороны других регионов мира, и многие традиционные секторы, малые и средние предприятия (МСП) отстают. Существуют также большие различия в оцифровке между регионами.
Европейская комиссия 19.04.2016 г. запустила первую в отрасли инициативу пакета DSM. Основываясь на различных национальных инициативах для оцифровки промышленности (Industrie 4.0, Smart Industry и l’industrie du futur), комиссия будет использовать свои инструменты политики, финансовую поддержку, координацию и законодательные полномочия для стимулирования дальнейших государственных и частных инвестиций во всех промышленных секторах и создавать рамочные условия для цифровой промышленной революции.
В целом сегодняшними планами предусмотрена мобилизация до 50 млрд евро государственных и частных инвестиций в поддержку оцифровки промышленности, включая инвестиции в размере 37 млрд евро для развития цифровых инноваций, 5,5 млрд евро национальных и региональных инвестиций в цифровые инновационные центры, 6,3 млрд евро для первых производственных линий электронных компонентов следующего поколения и 6,7 млрд евро для европейской облачной инициативы.
Цифровые данные являются важным ресурсом для экономического роста, конкурентоспособности, инноваций, создания рабочих мест и общественного прогресса в целом, а создание европейской экономики данных — часть стратегии цифрового единого рынка. Инициатива направлена на содействие наилучшему использованию потенциала цифровых данных в интересах экономики и общества. В нем рассматриваются барьеры, препятствующие свободному потоку данных для достижения единого европейского рынка. ЕС должен обеспечить, чтобы данные проникали через границы и секторы, а также должны быть доступны для использования оптимальным образом большинством заинтересованных сторон. Скоординированный европейский подход необходим для развития экономики данных в рамках стратегии DSM.
Европейская комиссия приняла сообщение «Построение европейской экономики данных» в сопровождении рабочего документа персонала в январе 2017 г. В нем приведены правила и положения, препятствующие свободному потоку данных, и предоставлены варианты устранения неоправданных или несоразмерных ограничений на местоположение данных, а также излагаются юридические вопросы, касающиеся доступа к данным и передачи, переносимости данных и ответственности за неличные машинные цифровые данные.
Развитие экономики европейских данных является одной из трех новых проблем, выявленных в среднесрочном обзоре. Устранение ограничений локальных данных — свободный поток данных – означает свободу обработки и хранения данных в электронном формате в любом месте ЕС. Это необходимо для разработки и использования инновационных технологий и услуг данных. Для этого Европейская комиссия будет собирать информацию об ограничениях данных на местах, оценивать их воздействие на производства, особенно малые, средние предприятия и стартапы, а также организации государственного сектора. Комиссия обсудит обоснования и пропорциональность этих ограничений на размещение данных с государствами-членами и другими заинтересованными сторонами, затем предпримет последующие действия в соответствии с лучшими принципами регулирования для решения этой проблемы.
Технологии, основанные на данных, трансформируют нашу экономику и общество, что приводит к производству постоянно растущих объемов данных. Это явление ведет к инновационным способам сбора, приобретения, обработки и использования данных, которые могут представлять собой проблему для нынешней правовой базы. Не личные машинные данные должны быть проданы для развития потенциала инновационных бизнес-моделей, новым участникам рынка с новыми идеями и стартапами следует обеспечить справедливые шансы на конкуренцию. Доступ и передача не личных данных, ответственность за данные, а также переносимость не личных данных, совместимость и развитие стандартов являются сложными юридическими вопросами.
Для удовлетворения будущих потребностей в широкополосной связи комиссия предлагает, чтобы к 2025 г. все школы, транспортные узлы и основные поставщики государственных услуг, а также предприятия с цифровым доступом должны иметь доступ к интернет-соединениям со скоростью загрузки / выгрузки 1 Гбит/с. Кроме того, все европейские домохозяйства, сельские или городские, должны иметь доступ к сетям со скоростью загрузки не менее 100 Мбит/с с последующей модернизацией до 1 Гбит/с, а городские районы, основные дороги и железные дороги должны иметь непрерывную беспроводную широкополосную связь 5G, начиная с полномасштабной коммерческой службы, по крайней мере, в одном крупном городе в каждом государстве — члене ЕС уже к 2020 г.
Стратегия DSM поддерживает открытую науку и открытый доступ к научным результатам. Цель состоит в том, чтобы предоставить европейской науке, промышленности и государственным органам отличную цифровую инфраструктуру – суперкомпьютер и хранение данных. Цифровая инфраструктура предлагает исследователям простой и контролируемый онлайн-доступ к средствам, ресурсам и инструментам совместной работы, принося им мощь информационно-коммуникационных технологий (ИКТ — Information and Communication Technologies) для вычислений, подключения, хранения данных и доступа к виртуальным исследовательским средам. Это обеспечит более эффективные, прозрачные и доступные исследования с помощью новых цифровых инструментов для научного сотрудничества через Open Science.Комиссия также работает над инициативами по стимулированию инноваций в Европе путем укрепления экосистемы ИКТ и поддержки европейских исследователей, компаний и предпринимателей, а также инвестирует в развивающиеся технологии с перспективными и долгосрочными идеями исследований.
Признаки изменения вектора современной макроэкономики
Практика глобального падения цен на сырьевых рынках, включая нефть и металлургическую продукцию, объясняется изменением вектора современной макроэкономики. Помимо инициатора, Германии, к «Индустрии 4.0» присоединились большинство высокоразвитых стран, в том числе США, Китай, Польша, Чехия, Венгрия, Италия, Литва, Эстония, Белоруссия, Казахстан и Россия.
Прогнозные точки развития цифрового литейного производства
Очевидно, что в формат «Индустрия 4.0» литейная промышленность будет вписываться с учетом ее технологических особенностей [6, 8]. Полагаем, что основными задачами, которые предстоит решить в проекте «Литье 4.0» являются следующие:
- обеспечение бездефектности отливок в производственной концепции сочетания высокопрочных сплавов с точными способами формообразования;
- быстрые сроки технологической подготовки и поставки продукции;
- короткие интервалы при переходе от изготовления одного изделия к другому;
- использование датчиков контроля технологических процессов;
- компьютерный мониторинг и проведение интеллектуального анализа данных.
Mark Lewis, Omega Foundry Machinery Ltd, Великобритания [7, 9] полагает, что «умное» литейное производство будет представлять собой интеграцию «умных» исполнительных комплексов (смесеприготовления, плавки металлов, изготовления отливок, приема и реализации заказов), т. е. образовывать некий «внутренний круг». В свою очередь, такое предприятие будет связано посредством интернета вещей с поставщиками, заказчиками и торговыми сетями, которые формируют «внешний круг» [8]. Выстраивая прямые и обратные связи, «внутренний» и «внешний» круги создадут единую виртуально-производственную систему.
Конечно, такая организация литейного производства имеет ряд рисков. В частности, возможны проблемы с интернетом при связи с «внешним кругом», регламентацией качества исходных формовочных и шихтовых материалов а также появится необходимость качественно иного уровня подготовки персонала. Система внешних поставок должна соответствовать уровню основного производства, как и система реализации продукции. И главное — литейное оборудование «умного» предприятия должно быть оснащено интеллектуальными системами, обеспечивающими взаимодействие с персоналом, роботами и друг с другом.
Очевидно, что создание «умного» литейного производства может быть реализовано несколькими путями.
Первый путь — импорт необходимого литейного оборудования, что позволит ускорить процесс создания соответствующего производства в формате «Индустрия 4.0».
Второй путь — создание отечественных интеллектуальных литейных комплексов (ИЛК), исходя из сегментации литья и имеющихся конструкторско-технологических разработок с привлечением ИТ-компаний.
Полагаем, что как в первом, так и во втором варианте потребуется пересмотр отечественных стандартов на формовочные и шихтовые материалы, разработка и налаживание надежных цепочек поставки формовочных, шихтовых и расходных материалов. Очевидно, что в рамках формата «Индустрия 4.0», а точнее, «Литье 4.0» перед литейщиками и металловедами встанет вопрос не только о модернизации и расширении номенклатуры литейных сплавов, но и о создании нового класса металлических сплавов универсального назначения.
Революция в промышленности невозможна без модернизации системы подготовки инженерных кадров и научного обеспечения. Очевидно, что потребуется существенное обновление специальных курсов, а также углубление подготовки в сегменте информационных технологий. Реальные очертания должна иметь прямая и обратная связь между бизнесом и университетами (кафедрами). Что касается литейной науки, то без создания комплексов по автоматической обработке экспериментальных данных, а также новых подходов к процессам изготовления точных, бездефектных и имеющих сверхвысокие эксплуатационные свойства отливок, а также без возможности коммерциализации разработок она не сможет соответствовать уровню четвертой промышленной революции.Функционирующие в странах СНГ литейные предприятия являются продуктом второй и третьей промышленных революций. Поэтому, на наш взгляд, переход к формату «Литье 4.0» будет достаточно длительным во времени. В то же время, очевидно, что создание «Литья 4.0» будет дифференцировано в координатах «развес литья — серийность литья — технологический процесс».
Рынок литья мотивирует трансформацию некоторых предприятий от продажи продукта (отливок и материалов для их производства) к поставке услуг – не только обеспечения предприятий литейной продукцией, научно-технической и технологической поддержкой, но и временную установку на площадях заказчика тех или иных литейных машин, которые обеспечат его отливками. Например, все больше будет компаний, выбирающих, устанавливающих и обслуживающих для потребителей отливок 3D-принтеры (как кофейные автоматы), которые по месту изготавливают металлоотливки требуемого спектра. Эти 3D-принтеры, как правило, обладают средствами контроля геометрии и ряда служебных свойств отливок до и после механической обработки.
Аналогично будут изготавливаться литейные линии, производство которых на основе концепции «все в цифре» позволит рассчитать оптимальный вариант технологического потока, а разработанная на ее базе программа выполнит так называемый базисный инжиниринг. Затем конструктор с заказчиком выберут лучший из предложенных системой вариантов, а дальше программа рассчитывает технические требования к каждому из единиц оборудования и систему взаимодействия между ними. Далее компьютерная программа на базе серийных машин и станков сама проектирует недостающее оборудование в 3D из тысяч конструкционных модулей, которые собирают на предприятии-изготовителе, выполнив автоматизированную резку, гибку, сварку металла и т. п. несущих конструкций. Выстраивается дизайн-схема: идея — модель — технологии — оборудование и аппараты — продукция (отливки). В цифровом формате: система автоматического проектирования передает заказ станкам с ЧПУ и обрабатывающим центрам. Чертежи в 2D уйдут в прошлое вместе со старыми технологиями. Успешную экономику связывают с развитием рынка инноваций, созданием новых продуктов, не имеющих аналогов и ориентированных на глобальный рынок.
И в завершение немного экономики. По прогнозам, внедрение «Индустрии 4.0» в Германии приведет в среднем к приросту производительности труда на 5–8 %, а в отдельных отраслях — и до 20 %. Важнейший фактор, который виртуально имеется в «Индустрии 4.0», — это время [9]. Именно своевременность разработки программы «Литье 4.0» и непродолжительная ее реализация являются определяющими в создании эффективной и конкурентоспособной литейной промышленности. Одновременно целесообразно проведение в ближайшее время цикла семинаров и конференций с целью определения методов, бизнес-программ, научных программ и направлений инновационных разработок по реализации в стране программы «Литье 4.0». Логично образование экспертной группы для проведения системного анализа литейной отрасли как основной заготовительной базы машиностроения, создания моделей ее развития и выработки рекомендаций для менеджеров, принимающих решения.
Литература
1. Матюшенко И. Ю. Технологическая конкурентоспособность Украины в условиях новой промышленной революции и развития конвергентных технологий // Проблемы экономики. — 2016. — № 1.
2. Кравченко А. А. Задачи, которые ставит 4-я промышленная революция перед Украиной // Вестник Донбасской гос. машиностроительной академии. — 2016. — № 2 (38).
3. Скіцько В. І. Індустрія 4.0 як промислове виробництво майбутнього // Інвестиції: практика та досвід. — 2016. — № 5.
4. Дорошенко А. В., Дорошенко В. С. Патент № 83902 Украина, МПК G06F 3/00, G06F 17/00, G06F 19/00. Способ распространения информации с применением технологии дополненной реальности. — Опубл. 10.10.2013. — Бюл. 19.
5. Foundry 4.0 Using FRP-Driving the Digital Transformayion // Foundry Reviev. — 2017. — № 7.
6. Производственно-технологические комплексы цифрового литейного производства // Электронный ресурс: http://ntk-pt.com/projects/casting-ptk.
7. Mark Lewis Industry 4.0 and what it means to the FOUNDRY INDUSTRY // Электронный ресурс: http://www.foundrytradejournal.com/feat ... y-industry.
8. Дорошенко В. С. Информационные кластеры как сетевые структуры предприятий промышленности // Промышленность в фокусе. — 2016. — № 8.
9. Фищук В. Цифровая экономика – это реально // Электронный ресурс: http://biz.nv.ua/ukr/experts/fichuk/tsifrova — ekonomika — tse-realno — 1001102.html.
Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 2 (44) 2018
| Вложения: |
|
