«کارخانه هوشمند نشان دهنده ی جهشی رو به جلو از یک اتوماسیون سنتی به یک سیستم کاملاً متصل و انعطاف پذیر است. »
یکی از مفاهیم کلیدی در صنعت ۴.۰ ، کارخانه هوشمند است که به آن کارخانه دیجیتال نیز گفته میشود. کارخانه ی هوشمند مصداقی است که وضعیت آینده یک سیستم تولید کاملاً متصل را توصیف میکند، که عمدتا بدون استفاده از نیروی انسانی عمل میکند. کارخانهی هوشمند به تولید، انتقال، دریافت و پردازش دادههای ضروری میپردازد و از آنها در جهت تولید انواع کالاها استفاده مینماید.
نویسندگان
پریسا حسنی
کارشناس شرکت مگفا
شهره مهرآسا
مدیر پروژه شرکت مگفا
مفهوم کارخانه ی هوشمند
در سال ۲۰۰۸، قبل از آنکه کارخانه ی هوشمند به عنوان یکی از اجزای اصلی و سازنده ی صنعت ۴.۰ معرفی شود، این مفهوم به عنوان یک محیط تولید، جایی که انسان و فرآیندهای تولیدی به وسیله ی سیستم های هوشمند و مبتنی بر رایانه پشتیبانی می شوند و از یک جریان مداوم و یکپارچه تولید برای افزایش کارایی و کیفیت پشتیبانی می کند مطرح شد. پس از آن در سال ۲۰۱۶، با تاکید بر همکاری خودمختار کلیه ماشین های مورد استفاده در فرآیند تولید با استفاده از داده های به دست آمده از بی شمار حسگر، مفهوم کارخانه ی هوشمند گسترش یافت. بنابراین یک کارخانه هوشمند همیشه از ماشین هایی که مجهز به مجموعه ای از سنسورها و اکتورها که قادر به جمع آوری، ارسال، دریافت، پردازش داده ها و تصمیم گیری بر مبنای آنها هستند، تشکیل شده است. این ماشین ها برای انجام وظایف از پیش تعریف شده با یکدیگر ارتباط برقرار میکنند. علاوه بر آن، این مجموعه از ماشین ها بطور هدفمند به سازماندهی و پیکربندی خود در راستای تحقق یک هدف یکسان میپردازند. بنابراین این سیستم توسط یک نهاد بالاتر، یعنی یک مدل نرم‌افزاری ارشد، یا یک انسان یا ترکیبی از هر دو (نرم افزار و انسان) کنترل میشود و دستورالعمل های یک برنامه رایانه‌ای پیشرفته را دنبال می کند. در سال ۲۰۱۷ با ارائه یک نمای متمایز از لایه ها و ادغام عمودی به‌عنوان محور اصلی در کارخانه هوشمند، این مفهوم تقویت شد. بر این اساس، یک کارخانه ی تولیدی، دیگر به عنوان مجموعه ای از فعالیتها دیده نمی شود بلکه در قالب چهار لایه مجزا توسعه می‌یابد. لایه فیزیکی، لایه داده، لایه ابر و لایه ی کنترل که در شکل ۱ نشان داده شده است.
کلیه دستگاهها، کل کارگاه و فعالیتهای مربوط به آن در قالب یک مجموعه به لایه فیزیکی اختصاص داده شده است. لایه داده شامل فرایند انتقال دادهها از ماشینها (سنسورها) به ابر و بالعکس است، در حالی که نرم افزار کنترلکننده، آنچه ارسال یا دریافت میشود (نوع دادهها و تنوع آنها) و همچنین نرخ این انتقال (سرعت و حجم) را کنترل میکند. سپس دادهها، به طور موقت، در ابر ذخیره میشوند، جایی که میتوان تجزیه و تحلیل‌های پیچیده را پردازش کرد. در لایه بالایی، نظارت انجام میشود. در لایهی نظارت (کنترل)، برنامه اصلی که کارخانه هوشمند را کنترل میکند، اجرا میشود. این برنامه قابلیت آن را دارد که در هر زمان و در صورت لزوم با اقدامات انسانی اصلاح شود. [۱]
شکل۱ چهار لایه مفهوم کارخانه هوشمند[۱]
ویژگی های کارخانه ی هوشمند
متصل:
شاید مهمترین ویژگی کارخانه هوشمند، ماهیت متصل آن است. کارخانه های هوشمند برای فراهم سازی مجموعه داده های موردنیاز برای تصمیم گیری بلادرنگ، نیازمند اتصال فرآیندهای اساسی و اجزا هستند. در یک کارخانه ی هوشمند، دارایی ها به حسگرهای هوشمند مجهز شده اند، بنابراین سیستم ها می توانند به طور مداوم داده ها را از منابع جدید و سنتی دریافت کنند و اطمینان حاصل کنند که این پایگاه های داده دائماً به روز می شوند و شرایط فعلی را توصیف و گزارش میکنند. یکپارچه سازی دادههای مربوط به عملیات و سیستم های کسب وکار، یک دیدگاه جامع از فرآیندهای زنجیره تأمین بالادست و پایین دست را فراهم میکند و باعث افزایش کارایی بیشتر شبکه تامین میگردد.
بهینه:
یک کارخانه هوشمند بهینه اجازه می دهد تا عملیات با حداقل دخالت دست و قابلیت اطمینان بالا انجام شود. ویژگی هایی چون گردش کار خودکار، هماهنگ سازی دارایی ها، ردیابی و برنامه ریزی بهتر و بهینه سازی مصرف انرژی جزء ویژگی های ذاتی یک کارخانه هوشمند محسوب میشوند و می توانند منجر به افزایش بازده، قابلیت اطمینان و کیفیت و همچنین کاهش هزینه ها و ضایعات شود.
شفاف:
در کارخانه هوشمند، داده های جمع آوری شده شفاف هستند؛ مصورسازی بلادرنگ داده ها این امکان را فراهم میکند تا داده های جمع آوری شده از فرآیندها، محصولات نهایی و محصولات نیمه تمام به بینش های عملی تبدیل شوند. این بینش ها در نهایت هم می تواند توسط انسان و هم در تصمیم‌گیری‌های خودمختار مورد استفاده قرار بگیرد. یک شبکه شفاف می تواند هشدارها و اعلان ها و ردیابی و نظارت بلادرنگ را در اختیار نقش مورد نظر قرار دهد، شفافیت بیشتری از دارایی های فیزیکی را ارائه داده و از طرفی دیگر از اخذ تصمیمات دقیق تر یک سازمان به واسطه ی این امکانات اطمینان حاصل کند.
فعال:
در یک سیستم فعال، کارمندان و سیستم ها می توانند پیش از بروز مشکلات یا چالش ها، آنها را پیش بینی کرده و اقدامات موردنیاز را در این راستا انجام دهند. این سیستم فعال کارکردهایی مانند شناسایی ناهنجاری ها، بازپرسازی موجودی، شناسایی و پیشبینی مسائل مربوط به کیفیت و نظارت بر ملاحظات مربوط به ایمنی و نگهداری را شامل میشود. توانایی کارخانه هوشمند برای پیش بینی بلادرنگ نتایج آینده بر اساس داده های تاریخی میتواند باعث بهبود قابلیت اطمینان، بازده و کیفیت و جلوگیری از مشکلات ایمنی شود.
در کارخانه هوشمند، تولیدکنندگان می توانند فرایندهایی مانند دوقلوی دیجیتال را ایجاد نمایند. دوقلو دیجیتال، تولیدکنندگان را قادر می سازد تا فراتر از اتوماسیون، یک فعالیت را دیجیتالی کنند. تولیدکنندگان همچنین می توانند با استفاده از این فناوری به پیش بینی بپردازند.
چابک:
انعطاف پذیری سریع (چابک بودن) کارخانه هوشمند باعث می شود تا با کمترین مداخله؛ سازگاری با تغییرات به وجود آمده در زمانبندی و محصول صورت بگیرد. کارخانه های هوشمند پیشرفته همچنین بسته به محصولی که ساخته می شود می توانند تجهیزات و جریان مواد را به صورت خودکار تنظیم نموده و تغییرات را در برنامه زمانبندی اعمال و سپس تاثیر بلادرنگ آن تغییرات را مشاهده نمایند. علاوه بر این، چابکی می تواند با به حداقل رساندن جابجایی ها به دلیل تغییر در زمان بندی یا محصول، قابلیت اطمینان دارایی ها و فرایندهای کارخانه را افزایش داده و برنامه ریزی انعطاف پذیر را امکان پذیر کند [۲]
شکل۲ ویژگی های کارخانه ی هوشمند[۲]
جایگاه کارخانه ی هوشمند در شبکه ی تامین دیجیتال
در شکل ۳، مدل جدید شبکه تامین دیجیتال با ارتباطات چند جهته در کنار زنجیره تامین سنتی قرار گرفته است. در این شبکه به هم پیوسته ی جدید، هسته دیجیتال در مرکز شبکه قرار گرفته است و از هر گره به هر نقطه دیگر از شبکه امکان ارتباط وجود دارد؛ که این امر، امکان اتصال بیشتر در مناطقی را که قبلاً اتصال در آن وجود نداشته است را فراهم میسازد.[۲]
شکل۳، جایگاه کارخانه ی هوشمند در مدل جدید زنجیره تامین دیجیتال[۲]
تأثیرات کارخانه هوشمند بر فرآیندهای تولید
تولیدکنندگان می توانند کارخانه هوشمند را به روش های مختلفی (چه در داخل و چه در خارج از چهار دیواری کارخانه) پیاده سازی کنند و با توجه به تغییرات به وجود آمده در اولویت های موجود یا با توجه به ظهور اولویت های جدید، به تنظیم کارخانه هوشمند بپردازند.
در حقیقت، قابلیت چابکی، به عنوان یکی از مهمترین ویژگی های کارخانه هوشمند، طیف گستردهای از گزینه های مختلف را با توجه به نیازهای خاص تولیدکنندگان در جهت استفاده از فناوری های دیجیتال و فیزیکی، در اختیار آنها قرار میدهد.
تأثیرات مشخص کارخانه هوشمند بر فرآیندهای تولید احتمالاً برای هر سازمان متفاوت خواهد بود. مجموعه ای از فناوری های پیشرفته که به طور معمول جریان اطلاعات و حرکت میان دنیای فیزیکی و دیجیتال را تسهیل میکنند، شناسایی شده است. این فناوری ها منجر به تقویت شبکه تأمین دیجیتال و کارخانه هوشمند میشوند، این فناوری ها در یک کارخانهی هوشمند، فرصت های جدیدی را در جهت رقمی سازی (digitization) فرایندهای تولید ایجاد می نمایند. جدول ۱ مجموعهای از فرآیندهای اصلی کارخانه هوشمند و مثال‌هایی از فرصتهای رقمی‌سازی (digitization) متناظر با آنها که توسط فناوری های مختلف دیجیتالی و فیزیکی ارائه میشود را نشان میدهد. [۲]
جدول ۱ مثال هایی از تأثیرات کارخانه هوشمند بر فرآیندهای تولید[۲]
انتقال به کارخانه هوشمند: آنچه باید مورد بررسی قرار گیرد
درست همانطور که یک پیکربندی واحد برای کارخانه هوشمند وجود ندارد، احتمالاً هیچ مسیر واحدی برای دستیابی موفق به یک راه حل کارخانه هوشمند نیز وجود ندارد. به واسطه ی طیف گسترده ی طرحه ای مربوط به خطوط تولید، محصولات، تجهیزات اتوماسیون و سایر عوامل؛ هر کارخانه هوشمند میتواند متفاوت به نظر برسد. با این حال، با وجود همه تفاوت های بالقوه ای که در میان تسهیلات صنعتی وجود دارد، اجزای مورد نیاز برای ایجاد یک کارخانه هوشمند موفق تا حد زیادی یکسان و هر یک از آنها مهم هستند. این اجزا عبارتند از : داده ها، فناوری، فرآیند، افراد و امنیت.
تولیدکنندگان میتوانند بر اساس اهداف خاص خود، اولویت خود را برای سرمایه گذاری تعیین کنند.
دادهها و الگوریتم‌ها
داده ها از اجزاء حیاتی کارخانه هوشمند محسوب میشوند. از طریق تجزیه وتحلیل به دست آمده از الگوریتم ها، داده ها تمام فرایندها را هدایت میکنند، خطاهای عملیاتی را شناسایی کرده، بازخورد کاربر را گزارش داده و هنگامی که در مقیاس و اندازه ی کافی جمعآوری شوند، میتوانند درجهت پیشبینی ناکارآمدی های عملیاتی و دارایی ها یا نوسانات عرضه و تقاضا مورد استفاده قرار گیرند.
داده ها می توانند اشکال مختلفی داشته باشند و اهداف مختلفی را در محیط کارخانه هوشمند دنبال میکنند، مانند اطلاعات مجزا در مورد شرایط محیطی از جمله رطوبت، دما یا آلودگی ها.
چگونگی تلفیق و پردازش داده ها و خروجی ها، آنها را با ارزش می کند. در این راستا تولیدکنندگان باید ابزاری برای ایجاد و جمع آوری جریان های مداوم داده ها، مدیریت و ذخیره انبوه اطلاعات تولید شده و تجزیه و تحلیل ها و در نهایت عمل کردن مطابق با آنها به روش های متنوع در اختیار داشته باشند.
فناوری
در یک کارخانه هوشمند، دارایی ها (یا تجهیزات کارخانه مانند سیستم های انتقال مواد، ابزار، پمپ ها و …) باید بتوانند با یکدیگر و با یک سیستم کنترل مرکزی ارتباط برقرار کنند. این نوع از سیستم های کنترل می توانند به شکل یک سیستم مدیریت تولید (manufacturing execution system) یا شبکه تامین دیجیتال باشند. شبکه ی تامین دیجیتال یک مرکز چندلایه ی یکپارچه است. داده ها از سراسر کارخانه هوشمند و شبکه تامین دیجیتال گسترده تر جمع آوری میشوند و به این مرکز چندلایه ی یکپارچه وارد میشوند، در این مرکز، اطلاعات، یکپارچه و ترکیب شده، سپس در فرایندهای تصمیم گیری استفاده میشوند.
با این حال، سازمان ها باید سایر فناوری ها را نیز درنظر بگیرند، از جمله سیستم های برنامه ریزی منابع سازمانی و تبادلات مالی، اینترنت اشیا و پلت‌فرمه ای تجزیه و تحلیل و همچنین امکانات مورد نیاز برای پردازش لبه (edge processing) و ذخیره سازی ابر. این امکانات غالبا به واسطه ی بهره گیری از فناوری های موردنیاز و گوناگون دیجیتالی و فیزیکی صنعت ۴.۰ برآورده می شود. این فناوری ها که شامل تجزیه و تحلیل پیشرفته، تولید افزایشی، رباتیک، محاسبات با عملکرد بالا، هوش مصنوعی و فناوری های شناختی، مواد پیشرفته و واقعیت افزوده می شوند در اتصال دارایی ها و تجهیزات صنعتی، درک داده ها و دیجیتالی کردن عملیات کسب وکار کاربرد دارند.
فرایند و حکمرانی
یکی از ارزشمندترین ویژگی های کارخانه هوشمند، توانایی آن در خود بهینه سازی (self-optimize)، خود سازگاری (self-adapt) و اجرای خودکار فرآیندهای تولید است که به واسطه ی این ویژگی ها، فرایندهای سنتی و مدل های حکمرانی اساساً تغییر می کنند. یک سیستم خودمختار میتواند بدون دخالت انسان، تصمیمات متعددی را اخذ و اجرا کند، مسئولیت های تصمیم گیری را از انسان به دستگاه واگذار نماید و یا افراد کمتری را در فرایند تصمیم گیری درگیر کند.
علاوه بر این، مقیاس اتصال در یک کارخانه هوشمند ممکن است فراتر از محیط داخلی کارخانه تعریف شود و این مقیاس تا یکپارچگی بیشتر با تأمین کنندگان، مشتریان و سایر کارخانه ها رشد کند. این سطح از همکاری ممکن است سوالات جدیدی در مورد فرآیندها و مدل های جدید حکمرانی ایجاد کند. با نگاه عمیق تر و جامع تر در سراسر کارخانه و شبکه تولید و تامین گسترده تر، تولیدکنندگان با سوالات جدید و متفاوتی روبه رو میشوند. سازمان ها ممکن است بخواهند فرآیندهای تصمیم گیری خود را مشاهده و بررسی نموده و شاید مجدداً طراحی کنند تا این تغییرات و سوالات را پاسخگو باشند.
افراد
انتظار می رود که افراد هنوز هم عنصری کلیدی برای عملیات باشند. با این حال، کارخانه هوشمند می تواند باعث ایجاد تغییرات عمیق در عملیات و سازمان های فناوری اطلاعات (IT) یا فناوری عملیات (OT) شود و در نتیجه مجدداً نقش هایی را برای پشتیبانی از فرآیندها و قابلیت های جدید ایجاد کند. برخی از نقش ها ممکن است از بین بروند زیرا ممکن است، رباتها (فیزیکی و منطقی)، اتوماسیون فرایند و هوش مصنوعی جایگزین آنها شوند. از طرفی دیگر برخی از نقش ها نیز ممکن است به واسطه ی قابلیتهای جدید مانند واقعیت مجازی/ واقعیت افزوده و مصورسازی داده ها پررنگتر از سابق ظاهر شوند. همچنین به احتمال زیاد نقش های ناآشنا و جدیدی ظهور خواهد کرد. مدیریت افراد و فرآیندها که دچار تغییرات متعددی شده اند، به یک برنامه مدیریت چابک و انعطاف پذیر نیاز دارد. به طور کلی مدیریت تغییر سازمانی می تواند نقش مهمی در اتخاذ هر راه حل (کارخانه هوشمند) داشته باشد. سفر موفقیت آمیز کارخانه هوشمند به نیروی کار با انگیزه ای نیاز دارد.
امنیت سایبری
در کارخانه هوشمند، نگرانی های بیشتری در رابطه با خطرات امنیت سایبری، نسبت به یک مرکز تولید سنتی وجود دارد، درنتیجه امنیت سایبری باید به عنوان بخشی از معماری کلی کارخانه هوشمند مورد توجه قرار گیرد. در یک محیط کاملاً متصل، با توجه به تعدد نقاط اتصال، حملات سایبری می توانند تأثیر گسترده تری داشته باشند و محافظت در برابر آنها دشوارتر است. به نظر میرسد خطر امنیت سایبری با رشد مقیاس یک کارخانه هوشمند بارزتر شده و به طور بالقوه از چارچوب آن کارخانه فراتر رفته و شامل تامین کنندگان، مشتریان و سایر تجهیزات تولیدی می شود. تولیدکنندگان باید از همان ابتدا امنیت سایبری را در اولویت استراتژی کارخانه هوشمند خود قرار دهند.
شروع سفرکارخانه هوشمند و نیازمندیهای آن
سرمایه گذاری در کارخانه های هوشمند اغلب با تمرکز بر فرصت های خاص آغاز میشود. تولیدکنندگان در ابتدا می توانند جهت رسیدن به یک کارخانه هوشمند واقعی در هر سطح از شبکه خود دست به کار شوند، ایجاد ارزش می تواند مختص به یک دارایی واحد باشد و از آن آغاز شود، سپس از یک روش چابک برای تکرار و رشد استفاده کند.
در حقیقت، با این رویکرد (شروع در مقیاس کوچک) مفاهیم در یک محیط قابل کنترل آزمایش شده و سپس از آنچه در این راستا آموخته می شود در راستای رشد و تکرار استفاده میگردد. پس از شناسایی راه حل موثر، این راه حل می تواند در رابطه با دارایی های دیگر، خطوط تولید و کارخانه ها نیز مورد استفاده قرار گیرد و با توجه به هر کدام از این سطوح، اصلاح و سفارش سازی شود، این روند فرصت ایجاد ارزش بالقوه ای با رشد نمایی را ایجاد میکند. (شکل ۴)
شکل۴
در راستای شناسایی فرصت های خاص و راه حل های ارزش آفرین کارخانه ی هوشمند، استراتژی و محیط تولید یک شرکت، عواملی تعیین کننده به شمار می روند. این سفارش سازی رویکرد با توجه به هر سناریو و هر موقعیت باعث می شود که کارخانه هوشمند موردنظر به نیاز تولیدکننده پاسخ دهد.
سفر کارخانه هوشمند(smart factory journey) به مجموعه ای از دارایی های متصل وابسته است. اما در کنار آن، تولیدکنندگان به روشی برای ذخیره سازی، مدیریت، و ابزاری برای درک داده های جمع آوری شده نیز نیاز دارند. علاوه بر این، نیروی کار مناسب نیز در جهت هدایت این سفر و استفاده از فرآیندهای صحیح ضروری است. هر سفر کارخانه هوشمند نیازمند آن است که تحول در طراحی راه حل، فناوری و ابعاد مدیریت تغییر رخ دهد.
همانطور که قبلاً ذکر شد، راه حل کارخانه هوشمند یک راه حل جامع است که به واسطه ی آن آنچه که در محدوده ی چهار دیوار یک کارخانه رخ می دهد با آنچه در کل شبکه تامین دیجیتال اتفاق میافتد، یکپارچه می شود. بنابراین، برای دستیابی به یک نتیجه واقعی موفق، هر سازمانی که سفر کارخانه هوشمند را آغاز میکند، باید از همان ابتدا مجموعه کامل شرکای زنجیره تامین و مشتریان را در نظر بگیرد، چراکه اقدامات صورت گرفته در یک گره از این شبکه یا فعالیت های یک سهامدار می تواند بر کل شبکه و یا سایر افراد تأثیر بگذارد.[۲]
کلیدواژه ها
کارخانه هوشمند،IOT،زنجیره تامین،صنعت ۴.۰
منابع
[۱].Philipp Osterrieder,et al. The smart factory as a key construct of industry 4.0: A systematic literature review, International Journal of Production Economics, https://doi.org/10.1016/j.ijpe.2019.08.011