پیش به سوی هوشمند سازی کارخانه
کارخانه هوشمند یک شبکه به هم پیوسته از ماشینها، مکانیسمهای ارتباطی و قدرت محاسباتی است که هدفش جمع آوری داده، تجزیه و تحلیل و بهبود فرآیندهای تولید است. کارخانه هوشمند یک سیستم فیزیکی سایبری است، که از فناوریهای پیشرفتهای مانند هوش مصنوعی (AI) و یادگیری ماشین استفاده میکند.
کارخانههای هوشمند و تولید هوشمند بخشی از تحول فناوری هستند که به عنوان صنعت 4.0 یا انقلاب صنعتی چهارم شناخته میشود. هر یک از سه انقلاب صنعتی اول از یک فناوری جدید و نوآورانه متولد شد که به طور کامل نحوه کار و تولید کالاها را تغییر داد: یعنی موتور بخار، خط مونتاژ و قدرت رایانه. امروز، انقلاب چهارم با تحول دیجیتال و اتوماسیون هوشمند هدایت میشود.
ساختار کارخانه هوشمند
ما اغلب در مورد فرآیندهای خودکار صحبت میکنیم که گویی برای یک کارخانه هوشمند منحصر به فرد هستند – با این حال اتوماسیون و رباتیک برای دههها در عملیات تولید مورد استفاده قرار گرفتهاند. بسیاری از کارخانه های سنتی از ماشینهای خودکار مانند اسکنر بارکد، دوربین ها و تجهیزات تولید دیجیتالی در بخش های مختلف عملیات خود استفاده میکنند. اما این دستگاه ها به هم متصل نیستند. افراد، داراییها و سیستمهای مدیریت دادهها در یک کارخانه سنتی، همگی جدا از یکدیگر عمل میکنند و باید به صورت دستی هماهنگ و یکپارچه شوند.
یک کارخانه دیجیتال هوشمند با ادغام ماشینها، افراد و دادههای بزرگ در یک اکوسیستم واحد و دیجیتالی کار میکند. یک کارخانه هوشمند نه تنها دادهها را مدیریت و تجزیه و تحلیل می کند، بلکه در واقع از تجربه یاد می گیرد. برای پیشبینی روندها و رویدادها و توصیه و پیادهسازی گردشهای کاری تولید هوشمند و فرآیندهای خودکار، مجموعههای داده را تفسیر میکند و بینشهایی به دست میآورد. یک کارخانه هوشمند برای اصلاح و بهینهسازی خود تحت بهبود رویهای مستمر قرار میگیرد – میتواند به خود (و انسانها) انعطافپذیرتر، سازندهتر و ایمنتر باشد.
ساختار اصلی یک کارخانه هوشمند را می توان به طور کلی در سه مرحله خلاصه کرد:
- استخراج داده ها: هوش مصنوعی و فناوریهای پایگاه داده مدرن امکان مدیریت و کسب مجموعههای متفاوتی از دادههای مفید را در سراسر تجارت، زنجیره تامین و جهان فراهم میکنند. از طریق حسگرها و دروازه ها، اینترنت اشیاء صنعتی (IIoT) به ماشین های متصل اجازه می دهد تا داده ها را در سیستم جمع آوری کنند. از طریق بیشمار پورتال داده دیگر، سیستمهای مجهز به هوش مصنوعی میتوانند مجموعههای دادههای مربوط به عملکرد، روند بازار، تدارکات یا هر منبع مرتبط بالقوه دیگری را جمعآوری کنند.
- تجزیه و تحلیل داده ها: یادگیری ماشینی و سیستم های کسب و کار هوشمند از تجزیه و تحلیل پیشرفته و راه حل های مدیریت داده مدرن استفاده می کنند تا تمام داده های جمع آوری شده متفاوت را درک کنند. حسگرهای IIoT میتوانند زمانی که ماشینها نیاز به تعمیر یا سرویس دارند هشدار دهند. داده های بازار و عملیاتی را می توان برای شناسایی فرصت ها و ریسک ها گردآوری کرد. راندمان گردش کار را می توان در طول زمان برای بهینه سازی عملکرد و تصحیح خودکار به عنوان تضمین مورد مطالعه قرار داد. در واقع، مجموعه دادههایی که قابل مقایسه و تجزیه و تحلیل هستند، امکان تقریباً نامتناهی از ترکیبها را برای اطلاعرسانی بهینهسازی کارخانه دیجیتال و پیشبینی زنجیره تامین ارائه میدهند.
- اتوماسیون هوشمند کارخانه: پس از جمعآوری و تجزیه و تحلیل دادهها، گردش کار ایجاد میشود و دستورالعملها به ماشینها و دستگاههای درون سیستم ارسال میشوند. این دستگاهها ممکن است درون کارخانه یا از راه دور در حلقههای لجستیکی یا تولیدی در زنجیره تامین باشند. گردش کار و فرآیندهای هوشمند به طور مداوم در حال نظارت و بهینه سازی هستند. اگر یک گزارش خبری در مورد افزایش تقاضا برای یک محصول خاص هشدار دهد، می توان به گردش کار چاپگر سه بعدی دستور داد تا اولویت تولید آن کالا را افزایش دهد. اگر حمل و نقل مواد خام به تأخیر بیفتد، بافرهای موجودی را می توان در چرخش قرار داد تا هرگونه اختلالی را از بین ببرد.
مزایای یک کارخانه هوشمند
بسیاری از کسبوکارها به عملیات و سیستمهای زنجیره تامین بسنده کردهاند که اساساً طی دههها تغییر نکردهاند. اما با توجه به انتظارات مصرفکننده و عدم اطمینان اقتصادی در بالاترین حد خود، مدیران زنجیره تامین به راهحلهایی نیاز دارند که بتواند سود قابل اندازهگیری و قابل توجهی را ارائه دهد – و بتواند آن را به سرعت به ارمغان بیاورد. بر اساس گزارش مجله فوربس، در سال 2017، تنها 43 درصد از تولیدکنندگان ابتکارات کارخانه ای هوشمند را در دست اجرا داشتند. تا سال 2019، 68 درصد از آنها این کار را کردند. برای شرکت هایی که در تحول دیجیتال و راه حل های کارخانه های هوشمند سرمایه گذاری می کنند، پتانسیل مزایای تجاری قابل توجهی وجود دارد:
بهره وری و کارآیی
دیلویت در مطالعه کارخانه هوشمند خود در سال 2019 به ما میگوید: «شرکتها پس از سرمایهگذاری در طرحهای کارخانه هوشمند، تا 12 درصد سود را در زمینههایی مانند تولید، استفاده از کارخانه و بهرهوری نیروی کار گزارش میکنند. علاوه بر این، تولیدکنندگان با کارخانههای هوشمند احتمالاً تا سال 2030 از کارخانههای سنتی با 30 درصد بهرهوری خالص کار بالاتر پیشی خواهند گرفت.» از مزایای کارخانه هوشمند برای افزایش کارآیی می توان به موارد زیر اشاره نمود:
- کاهش نیاز به شیوههای واکنشی
- مدیریت زنجیره تامین به حالت انعطافپذیرتر و پاسخگوتر طراحی شدهاند.
- شناسایی و راهاندازی فرآیندهای بهینهسازی شده
- مدیریت بهموقع موجودی
- پیشبینی دقیق تقاضا
- بهبود سرعت ورود به بازار
انجمن بینالمللی اتوماسیون گزارش میدهد که رباتها و دستگاههای خودکار میتوانند به کاهش یا حذف سه مورد از پنج علت اصلی آسیبهای محل کار کمک کنند. فناوریهای مدرن کارخانههای هوشمند، شناسایی و پیادهسازی فرصتهایی را برای شیوههای تولید ایمن و پایدار برای کسبوکارها آسانتر از همیشه میکند. فناوری هایی نظیر:
- بازوهای رباتیک
- بینایی ماشین
- حسگرهای کنترل فرآیند
- بلاک چین
- حسگرهای RFID
پایداری و ایمنی
کیفیت محصول و تجربه مشتری
تولیدکنندگان سنتی معمولاً مشکلات زیادی برای اطمینان از اینکه دستورالعمل های آنها به طور دقیق دریافت می شود و توسط تأمین کنندگان و تولید کنندگان رده پایین زنجیره تأمین دارند. در کارخانه هوشمند، اتصال ابری تمامی تجهیزات سبب می شود بتوان نگاهی کلی به فرآیند های تولید و صحت عملکرد آن داشت. از مزایای آن برای کنترل کیفیت می توان به موراد زیر اساره نمود:
- توانایی سفارشی سازی سریع و تولید محصولات مطابق با خواسته های مشتری
- تجزیه و تحلیل پیشرفته داده های سیستم برای شناسایی نقاط ضعف یا زمینه های بهبود
- بهبود رقابت در بازار
- بازرسی بهتر محصول
- بازدهی بیشتر
فناوری های کارخانه هوشمند
فن آوری های کارخانه های هوشمند بسیار چابک هستند. همانطور که ابتکارات تحول دیجیتال در یک کسب و کار افزایش می یابد، تقریباً امکانات بی نهایتی برای مقیاس بندی، اصلاح و تطبیق در صورت نیاز وجود دارد.
- اتصال ابری (Cloud): چه عمومی، چه خصوصی و چه ترکیبی، ابر مجرای است که از طریق آن تمام داده ها و اطلاعات در یک کارخانه هوشمند جریان می یابد. اتصال ابری در سطح تجاری و جهانی تضمین می کند که هر منطقه از کسب و کار با داده های زمان واقعی (Real-Time) کار می کند و همه دارایی ها و سیستم های متصل در زنجیره تأمین قابل مشاهده است.
- هوش مصنوعی: سیستمهای عملیاتی که از فناوریهای هوش مصنوعی یکپارچه استفاده میکنند، سرعت، قدرت و انعطافپذیری را دارند که نه تنها مجموعههای دادههای متفاوت را جمعآوری و تجزیه و تحلیل میکنند، بلکه بینشهای بلادرنگ (Real-Time) و توصیههای پاسخگو را ارائه میکنند. فرآیندهای خودکار و سیستم های هوشمند در یک کارخانه هوشمند به طور مداوم توسط هوش مصنوعی بهینه شده و مطلع می شوند.
- یادگیری ماشینی: یکی از با ارزش ترین مزایایی که یادگیری ماشین برای کارخانه هوشمند به ارمغان می آورد، ظرفیت آن برای تعمیر و نگهداری پیش بینی پیشرفته است. با نظارت و تجزیه و تحلیل فرآیندهای تولید، هشدارها می توانند قبل از وقوع خرابی سیستم ارسال شوند. بسته به موقعیت، تعمیر و نگهداری خودکار میتواند انجام شود یا در صورت لزوم، مداخله انسانی توصیه شود.
- رباتیک: ربات ها با انجام طیف وسیعی از کارهای تکراری نیروی کار ماهر را افزایش می دهند. ربات های لجستیک موجودی را انتخاب می کنند و آن را در اطراف انبار حمل می کنند. بازوهای رباتیک وظایف مونتاژ محصول را در کارخانه انجام می دهند.
- Big Data: مجموعه داده های قوی و بزرگ اجازه می دهد تا تجزیه و تحلیل های پیش بینی و پیشرفته در یک کارخانه هوشمند انجام شود. کسبوکارها مدتهاست ارزش استراتژی دادههای بزرگ را درک کردهاند، اما تا همین اواخر، اغلب فاقد سیستمهای لازم برای استفاده معنادار از آن بودند. تحول دیجیتال در زنجیرههای تامین و کارخانههای هوشمند، دنیایی از پتانسیل را برای کسبوکارها برای بهینهسازی و نوآوری با استفاده از بینشهای کلان داده باز کرده است.
- اینترنت صنعتی اشیا (IIoT): در یک کارخانه هوشمند، زمانی که دستگاه ها و ماشین ها دارای شناسه های منحصر به فرد و قابلیت ارسال و دریافت داده های دیجیتالی هستند، یک شبکه IIoT را تشکیل می دهند. ممکن است ماشینآلات مدرن از قبل دارای پورتالهای دیجیتالی باشند، اما حتی ماشینهای آنالوگ چند دههای را میتوان با دستگاههای دروازهای IIoT برای افزایش سرعت آنها نصب کرد. اساساً، دادههای ارسال شده از دستگاه، وضعیت و فعالیت آن را گزارش میدهند و دادههای ارسال شده به دستگاه، اقدامات و گردش کار آن را کنترل و خودکار میکند.
- دوقلوهای دیجیتال: یک کپی دقیق و مجازی از یک ماشین یا سیستم به دوقلو دیجیتال آن تبدیل می شود. این امکان را برای حداکثر نوآوری و خلاقیت با حداقل ریسک عملیاتی فراهم می کند. یک دوقلو دیجیتال را می توان به حد خود رساند، به چندین روش مجازی پیکربندی مجدد کرد، یا برای سازگاری آن در یک سیستم موجود آزمایش کرد – همه اینها بدون اینکه هیچ خطر یا اتلاف منابع در دنیای فیزیکی متحمل شوند.
- چاپ افزودنی (Additive): همچنین به عنوان چاپ سه بعدی شناخته می شود، به کارخانه های هوشمند اجازه می دهد تا از اتوماسیون هوشمند برای تولید بر اساس تقاضا استفاده کنند. این امر به ویژه در مواقع اختلال زنجیره تامین غیرمنتظره یا تقاضای ناگهانی محصول بسیار مهم است. اما حتی زمانی که کار معمول است، موجودیهای مجازی میتوانند با اجازه دادن به تولید بهموقع، ریسک و ضایعات را تا حد زیادی به حداقل برسانند.
- واقعیت مجازی (VR) و واقعیت افزوده (AR): در سال 2019، مجله Assembly برخی از کاربردهای پوشیدنی های VR در کارخانه هوشمند را اینگونه توصیف کرد: «قادر بودن شرایط محیطی، سطح موجودی، وضعیت فرآیند، داده های خطای مونتاژ، استفاده را به هم متصل کند. و معیارهای توان عملیاتی به روشی وابسته به زمینه (جایی که نگاه می کنید یا راه می روید). این تجربه حسی همه جانبه به کاربران اجازه میدهد تا حواس طبیعی خود را با دادههای بیدرنگ از هر مکان یا نقطهای در زمان تقویت کنند – تا آگاهی بدون مانعی از وضعیت کارخانه ایجاد کنند.
- بلاک چین: خوشبختانه با پیشرفت فناوریهای کارخانههای هوشمند، راهحلهای امنیتی در کنار آنها همگام میشوند. بلاک چین کاربردهای زیادی در زنجیره تامین دارد، از ایجاد “قراردادهای هوشمند” با تامین کنندگان گرفته تا ردیابی منشأ کالاها و مدیریت در طول سفر زنجیره تامین. در کارخانههای هوشمند، بلاک چین بهویژه برای مدیریت دسترسی به داراییها و ماشینهای متصل در سراسر کسبوکار مفید است – محافظت از امنیت سیستم و دقت سوابق نگهداری شده توسط آن دستگاهها.
- پایگاه داده مدرن: پایگاه های اطلاعاتی درون حافظه و سیستم های ERP مدرن «مغز» پشت صنعت 4.0 و تمام راه حل های هوشمند کارخانه و زنجیره تامین هوشمند هستند. پایگاههای داده قدیمی و مبتنی بر دیسک – اغلب فراتر از محدودیتهایشان – برای همگام شدن با مدیریت پیچیده داده و عملکرد تحلیلی مورد نیاز برای راهاندازی کارخانههای هوشمند و زنجیرههای تامین مدرن به کار گرفته میشوند.