problemy-perehoda-otechestvennogo-mashinostroeniya-k-tehnologiyam-industrii-4-0
advertisement
Ссылка на статью: // Машиностроение и компьютерные технологии. 2019. № 05. С. 11–20. DOI: 10.24108/0519.0001500 Представлена в редакцию: 27.04.2019 © Лаптева Е.Н., Назарочкина О.В. УДК 621 Проблемы перехода отечественного машиностроения к технологиям Индустрии 4.0 Лаптева Е.Н.1,*, Назарочкина О.В.2 1 Институт судостроения и морской арктической техники (Севмашвтуз) Северного (Арктического) федерального университета им. М.В. Ломоносова, Северодвинск, Россия 2 АО «Северное производственное объединение «Арктика», Северодвинск, Россия Статья посвящена анализу проблем, возникающих при переходе отечественного машиностроения к технологиям Индустрии 4.0. Рассмотрены ключевые технологии аддитивной печати, промышленного интернета вещей, цифровизации произодства. Ключевые слова: индустрия 4.0, инновации, цифровизация Введение Отечественное машиностроение прошло долгий путь сквозь тернии советской плановой системы, кризис перестройки, смутное послеперестроечное время, чтобы в начале миллениального подъема столкнуться с суровой необходимостью импортозамещения, в то время, как зарубежное машиностроение выходит на новый технологический уровень, обусловленный четвертой промышленной революцией. Цель данного исследования выявить основные классы проблем как уже стоящих перед нашей машиностроительной промышленностью, так и возможных в будущем. 1. Основные положения Автоматизация и компьютеризация отдельных машин и процессов производства, характерная для третьей промышленной революции, к настоящему времени распространилась настолько повсеместно, что стал возможен качественный скачок, называемый четвертой промышленной революцией или Индустрией 4.0. Этот термин родился в 2011 году в Германии для обозначения процесса сквозной цифровизации и интеграции данных цепочки создания стоимости. К ключевым технологиям Индустрии 4.0 принято относить аддитивное производство (3D-печать), промышленный интернет вещей, тотальную цифровизацию [1-3]. Машиностроение и компьютерные технологии 11 Аддитивной технологией называют производство изделия методом послойной печати на базе цифрового макета [4]. Это делает возможным изготовление деталей сложнейшей геометрии без технологических ограничений и дополнительных сборочных операций. Оптимизация топологии существующих деталей при помощи бионического дизайна позволяет увеличить их жесткость в 3 – 5 раз без изменения массы, или, напротив, получить деталь аналогичных механических свойств, потратив на 95% меньше материала. Тенденции к миниатюризации и снижению себестоимости изделий промышленной электроники (датчиков, сервомоторов, приводов), дополненные технологиями распознавания образов, привели к эволюции станков с ЧПУ в многофункциональные высокоавтоматизированные обрабатывающие центры, по своей сути являющиеся киберфизическими системами. Производительность таких агрегатов чрезвычайно велика из-за сокращения вспомогательного и подготовительно-заключительного времени, автоматизации холостых перемещений и смены режущего инструмента. Всего лишь две вспомогательные операции обрабатывающего центра требуют ручного труда – это установка заготовки и снятие готовой детали. Для исключения ошибок, вызванных человеческим фактором, рационально применить для этих операций современных промышленных роботов. Если команды такому роботу отдает человек – это не соответствует парадигме Индустрии 4.0. Кооперация между агрегатами может и должна производиться в автономном режиме посредством общей информационной сети. Взаимодействие по схеме «машина – машина» с минимальным участием человека получило название «промышленный интернет вещей» (Industrial Internet of Thingth, IIoT). Для каждого устройства физического мира создается программное обеспечение – агент. Этот объект виртуального мира с задатками искусственного интеллекта анализирует текущее состояние устройства и наличие необходимых ресурсов, прогнозирует поведение устройства, при необходимости рассылая контрагентам других устройств оповещения и команды. Профессор В. Вальстер, глава научно-исследовательского Центра искусственного интеллекта (Германия), считает, что «Появление у машин способности понимать определенную ситуацию приведет к абсолютно новому уровню качества в промышленном производстве. Взаимодействие между большим количеством отдельных компонентов позволит вырабатывать решение, которые ранее было невозможно запрограммировать на производственных установках» [3]. Основоположник концепции Индустрии 4.0 К. Шваб сказал: «Путь IoT начинается с повышения операционной эффективности и продолжается созданием новых продуктов и услуг». Он рассматривал последствия революции, как в долгосрочной, так и в краткосрочной перспективе [1]. В частности, сложную, запутанную логистику современного производства сменит электронная производственная биржа – виртуальная торговая площадка. В недалеком будущем полностью автоматизированные «умные заводы», размещая предложения и заказы на таких торговых площадках, будут формировать спрос и предло- Машиностроение и компьютерные технологии 12 жение на глобальном рынке промышленных изделий, заготовок и полуфабрикатов. Последствия четвертой промышленной революции представлены на рис.1. Рис. 1. Последствия четвертой промышленной революции Реализация IIoT невозможна без тотального перехода на цифровое, электронное представление информации. Цифровизация – неотъемлемая составляющая Индустрии 4.0. Без разработки 3D-модели невозможна аддитивная печать, обрабатывающим центрам и промышленным роботам необходимо задать алгоритмы функционирования. Современный проектант посылает заводу-изготовителю не бумажные чертежи, а полное цифровое описание изготавливаемого изделия: 3D-модель, дополненная пакетом электронных документов [5,6]. Катализатором развития цифровых технологий в России стали санкции, объявленные ей сначала Соединенными Штатами, а затем и странами Евросоюза в 2014 году. Проблемы с доступом к технологиям, риски возникновения проблем с поддержкой и обновлением программных продуктов привели к развитию импортозамещения и даже импортоопережению, ставшие мощным стимулом для отечественных разработчиков [7]. Информация, собираемая с киберфизических устройств, задействованных в технологическом процессе, позволяет создать цифровое описание процесса производства, что в свою очередь дает возможность создания цифрового макета производственного процесса в целом. Виртуальная реальность - альтернативная форма бытия, актуальное существование которой возможно только благодаря компьютерным системам [8]. В виртуальном мире можно оптимизировать конструкцию устройства и отрегулировать производственные процессы до начала самого производства или разработки. Инженеры и технологи имеют возможность проверить, испытать изделия и процессы и выявить особенности их функционирования на начальном этапе разработки программы, когда затраты времени и средств, а также риски, связанные с внесением модификаций, низки. Виртуальная реальность исключительно полезна при конструировании высокотехноло- Машиностроение и компьютерные технологии 13 гичных изделий, например при разработке топологии систем жизнеобеспечения с учетом ребер жесткости корпуса. Виртуальная сборка и оптимизация технологического процесса позволяет, вопервых, смоделировать процесс сборки изделия, во-вторых, на основе схемы сборки разработать инструкции с применением технологии дополненной реальности, в-третьих, проанализировать эффективность сборочного процесса, выявить и устранить слабые места и, в-четвертых, обеспечить возможность контроля корректности выполнения операций. Под дополненной реальностью принято понимать совмещение виртуальной и физической реальности, в котором цифровые образы наложены на картину реального мира в целях улучшения восприятия информации [9]. Технологии дополненной реальности позволят оператору получать информацию о состоянии оборудования и различных характеристиках изделия при прохождении по технологическому маршруту . Если возникает необходимость в ремонте или техническом обслуживании, пользователь устройства получит возможность вывести на экран информацию о компонентах или просмотреть обучающее видео. Цифровизация – приоритетное направление развития России во время перехода к цифровой экономике [10]. Следовательно, переход отечественного машиностроения к технологиям Индустрии 4.0 – актуальная задача. 2. Результаты и обсуждение Каждая из ключевых технологий Индустрии 4.0, в силу своей уникальности, порождает специфическое множество проблем при внедрении. Выделим основные проблемы, возникающие при внедрении аддитивных технологий. Стабильность. Для обеспечения необходимого качества изделий при аддитивной печати необходимо управлять более чем 130 технологическими параметрами. Предлагаемое на рынке оборудование по факту является черным ящиком, что не обеспечивает стабильной повторяемости надежности и качества изделия. Стандартизация. Термином «аддитивное производство» обозначаются принципиально разные технологии ( SLA, DMLS, SLS, SLM, EBF, EBM, FDM и др.). В настоящее время создаются стандарты по терминологии и спецификации, стандарты на отдельные материалы. Однако на разработку достаточно полного комплекта международных стандартов, разработку национальных стандартов потребуется время. Сертификация. В связи с отсутствием полной нормативной базы и недостаточности статистических данных об эксплуатации изделий, применение аддитивной технологии осложняется чрезвычайно строгими и трудоемкими испытаниями и выходным контролем, что неприемлемо для широкого промышленного применения. Стоимость. Переход на аддитивные технологии требует существенных капиталовложений и затрат на расходные материалы. Себестоимость стандартных компонентов, произведенных по аддитивной технологии, пока еще выше стоимости серийных компонентов, изготовленных традиционными способами. Машиностроение и компьютерные технологии 14 Кадры. Применение принципиально новых технологий требует соответствующих компетенций персонала. Существенному изменению подвергнутся все стадии производственного цикла. На смену станочному персоналу должны прийти инженеры по аддитивному производству. Существенные изменения ожидают и технологическую подготовку производства: инженеров-технологов заменят специалисты по разработке 3D-моделей. В связи с этим на текущий момент с экономической точки зрения внедрение аддитивных технологий перспективно для изготовления компонентов с уникальными техническими и массогабаритными характеристиками или удовлетворения уникальных потребностей клиентов. В настоящее время аддитивные изделия активно используются в авиакосмической промышленности. Отечественные машиностроительные предприятия, в частности НПО «Энергомаш», Тихвинский вагоностроительный завод, Уралвагонзавод, Воронежсельмаш, Тушинский машиностроительный завод, в основном применяют 3D-печать для создания прототипов деталей и элементов оснастки, а не конечных изделий [11]. Для широкого применения аддитивных технологий в отечественном машиностроении необходимо подтвердить возможность серийно производить детали соответствующего качества и по адекватной цене в сравнении с традиционными технологиями. Основные проблемы внедрения концепции промышленного интернета вещей могут быть объединены в две группы. Первая группа связана с трудностями совмещения различных технических решений и форматов. На настоящий момент имеется около 300 IoTплатформ, объединение которых, начавшееся в 2017 году должно сократить количество поставщиков программного обеспечения до 5-7 и привести к представлению на рынке нескольких конкурирующих наиболее успешных платформы с открытым исходным кодом [12 - 14]. Вторая группа проблем связана с необходимостью обеспечения конфиденциальности информации. Последствиями такой утечки могут стать экономические и репутационные потери. Отечественное машиностроение находится на стадии перехода от отдельного функционирования киберфизических устройств к созданию систем межмашинного обмена данными. В 2017-2018 гг. в области IIoT был реализованы следующие проекты: автоматическая оптическая инспекция на «Остек-СМТ», дистанционное управление вентиляционной системой на Московском метрополитене, система управления операционной деятельностью в «Газпром нефть», мониторинг работы производственных линий в Арсеньевской авиационной компании «Прогресс» им. Н.И. Сазыкина и мониторинг парка станков на Московском машиностроительном заводе «Вперед» [15]. В отличие от рассмотренных ранее ключевых технологий, цифровая трансформация большинства отечественных промышленных производств уже начата - внедрена автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУТП), построенная на российских решениях и программном обеспечении. Следующим шагом будет построение системы управления производством, контролирующей материальные и информациМашиностроение и компьютерные технологии 15 онные потоки. При построении такой системы основой станет технология цифровых двойников: на заводе создается виртуальный близнец всех производственных процессов [16]. Эффективность подобной системы значительно повысится, если данные будут поступать не только от персонала, но и от киберфизических устройств. Большинство предприятий пользуются преимуществами как внутреннего так и внешнего электронного документооборота, используют электронную подпись. Все больше предприятий утверждают приоритет 3D-модели над чертежом изделия. Работа конструкторов и технологов в единой системе информационной поддержки жизненного цикла продукции (PLM ) существенно ускоряет разработку изделия и технологическую подготовку производства к его изготовлению. Следующим шагом - тотальной цифровизацией - будет использование на протяжении всего жизненного цикла продукта только цифровые инструменты, чтобы повысить маневренность, динамичность и функциональность производства [17]. Для цифровизации характерна проблема отсутствия единой платформы, надежных и безопасных механизмов интеграфии, что приводит к слабым, компромиссным решениям Успешность цифровой трансформации зависит и от кадрового потенциала предприятия, от аналитических способностей работников. Благодаря эволюционному характеру цифровизирующих изменений, предприятие имеет возможность постепенно адаптировать инженерно-технический персонал, организуя превентивное обучение по недостающим компетенциям. Это создаст условия для формирования цифровой культуры в коллективе. В настоящее время цифровые заводы характерны для высокотехнологичных отраслей. Примерами цифровизированных предприятий являются «Объединенная двигателестроительная корпорация», ижорский завод карьерных тяжёлых экскаваторов имени ПГ Коробкова, НПЦ газотурбостроения Салют, ульяновский «Авиастар-СП» , уральский турбинный завод УТЗ, RubEx: Курскрезинотехника, НПП Станкостроительный завод Туламаш" [18]. Заключение В данной статье дано описание ключевых технологий четвертой промышленной революции, представлен анализ проблем, возникающих при внедрении данных технологий в отечественное машиностроительное производство. К общим проблемам относятся отсутствие единых стандартов, недостаточность нормативной документации и кадровый вопрос. Авторы рекомендуют отечественному производителю с осторожностью подходить к внедрению революционных технологий аддитивной печати, отдавая предпочтение цифровизации материальных и информационных потоков предприятия; оперативно анализировать динамику развития технологий; уделять большее внимание организационнотехническим новациям, увеличению производительности труда инженерно-технических работников. Машиностроение и компьютерные технологии 16 Список литературы 1. Шваб К. Четвертая промышленная революция: пер. с англ. М.: Эксмо, 2017. 285 с. [Schwab K. The fourth industrial revolution. N.Y.: Crown Business, [2016]. 184 p.] 2. Шваб К., Дэвис Н. Технологии четвертой промышленной революции: пер. с англ. М,: Бомбора, 2018. 317 с. [Schwab K., Davis N. Shaping the future of the fourth industrial revolution. N.Y.: Currency, [2018]. 274 p.]. 3. Цифровая трансформация экономики и промышленности: проблемы и перспективы / Алетдинова А.А. и др.; под ред. А.В. Бабкина. СПб.: Изд-во С.-Петербург. политехн. унта, 2017. 806 с. 4. ГОСТ Р 57586-2017. Изделия, полученные методом аддитивных технологических процессов. Общие требования. Введ. 2017-12-01. М.: Стандартинформ, 2017. 4 с. 5. ГОСТ 2.051-2006. Единая система конструкторской документации (ЕСКД). Электронные документы. Общие положения. Введ. 2006-09-01. М.: Стандартинформ, 2006. 16 с. 6. ГОСТ 2.052-2006. Единая система конструкторской документации (ЕСКД). Электронная модель изделия. Общие положения. Введ. 2006-09-01. М.: Стандартинформ, 2011. 15 с. 7. Прохоров А., Коник Л. Цифровая трансформация. Анализ, тренды, мировой опыт. Режим доступа: www.telecomlaw.ru/news/Digital-Transformation.pdf (дата обращения 05.08.2019). 8. Иванов А.Ф. Об онтологическом статусе виртуальной реальности // Виртуальное пространство культуры: науч. конф. (С.-Петербург, 11–13 апреля 2000 г.): Материалы. СПб.: Изд-во С.-Петербург. философского о-ва, 2000. С.14-16. 9. Липкин Е.Б. Индустрия 4.0: Умные технологии – ключевой элемент в промышленной конкуренции М.: Остек-СМТ, 2017. 223 стр. 10. Паспорт национальной программы «Цифровая экономика Российской Федерации». Режим доступа: http://static.government.ru/media/files/urKHm0gTPPnzJlaKw3M5cNLo6gczMkPF.pdf (дата обращения 06.06.2019). 11. Горобец О.В. 8 российских предприятий, успешно внедряющих аддитивные технологии. Режим доступа: http://blog.iqb.ru/am-technologies-russian-experience (дата обращения 06.06.2019). 12. Росляков А.В., Ваняшин С.В., Гребешков А.Ю. Интернет вещей: учеб. пособие. Самара: ПГУТИ, 2015. 136 с. 13. «Интернет вещей» и его значение для промышленности. Режим доступа: https://www.pwc.ru/ru/publications/iot-for-industy_.pdf (дата обращения 06.06.2019). 14. Исследование IIoT 2017 / РАЭК; Ростелеком. Режим доступа: https://iotas.ru/files/documents/wg/РАЭК_Экосистема_индустриального.pdf (дата обращения 06.06.2019). Машиностроение и компьютерные технологии 17 15. Толмачева Т.А., Ершова Е.Н. IIoT в России: от эволюции к революции? Режим доступа: https://www.iksmedia.ru/articles/5573946-IIoTv-Rossii-ot-evolyucii-krevolyu.html#ixzz5twR9ZQ6O (дата обращения 06.06.2019). 16. Grieves М. Origins of the digital twin concept. Melbourne: Florida Inst. of Technology, 2016. DOI: 10.13140/RG.2.2.26367.61609 17. Mueller М., Eddy S., Geissbauer R., Jaruzelski B. Industrial manufacturing trends 2018-19. Режим доступа: https://www.strategyand.pwc.com/trend/2018-manufacturing (дата обращения 06.06.2019). 18. «Цифра»: (данные о компании). Режим доступа: http://www.tadviser.ru/index.php/Компания:Цифра (дата обращения 06.06.2019). Машиностроение и компьютерные технологии 18 Mechanical Engineering and Computer Science, 2019, no. 05, pp. 11–20. DOI: 10.24108/0519.0001500 Received: 27.04.2019 © NP “NEICON” Domestic Engineering - Industry 4.0 Technology Transition Problems E.N. Lapteva1,*, O.V. Nasarochkina2 1 Institute of Shipbuilding and Marine Arctic Engineering (Sevmashvtuz) Northern (Arctic) Federal University n.a. M.V. Lomonosov, Severodvinsk, Russia 2 Joint Stock Company Northern Industrial Association "Arctic", Severodvinsk, Russia Keywords: industrial revolution, innovation, digitalization The paper deals with problem analysis due to domestic engineering transition to the Industry 4.0 technology. It presents such innovative technologies as additive manufacturing (3Dprinting), Industrial Internet of Things, total digitization of manufacturing (digital description of products and processes, virtual and augmented reality). Among the main highlighted problems the authors include a lack of unification and standardization at this stage of technology development; incompleteness of both domestic and international regulatory framework; shortage of qualified personnel. References 1. Schwab K. The fourth industrial revolution. N.Y.: Crown Business, [2016]. 184 p. (Russ. ed.: Schwab K. Chetvertaia promyshlennaia revolyutsiia. Moscow: Еksmo Publ., 2017. 285 p.). 2. Schwab K., Davis N. Shaping the future of the fourth industrial revolution. N.Y.: Currency, [2018]. 274 p. (Russ. ed.: Schwab K., Davis N. Tekhnologii chetvertoj promyshlennoj revolyutsii. Moscow: Bombora Publ., 2018. 317 p.). 3. Tsifrovaia transformatsiia ekonomiki i promyshlennosti: problemy i perspektivy [Digital transformation economy and industry: problems and prospects] / Aletdinova A.A. a.o.; ed. by. А.V. Babkin. S.-Petersburg, 2017. 806 p. (in Russian). 4. GOST Р 57586-2017. Izdeliia poluchennye metodom additivnykh tekhnologicheskikh protsessov. Obshchie trebovaniia [State standard of the RF R 57586-2017. Products obtained by additive processes. General requirements]. 2017-12-01. Мoscow: Standardinform Publ., 2017. 4 p. (in Russian). 5. GOST 2.051-2006. Edinaia sistema konstruktorskoj dokumentatsii. Elektronnye dokumenty. Obshchie polozheniia [State standard of the RF 2.051-2006. Unified system for design docu- Mechanical Engineering and Computer Science 19 mentation. Digital documents. General principles]. 2006-09-01. Мoscow: Standardinform Publ., 2006. 16 p. (in Russian). 6. GOST 2.052-2006. Edinaia sistema konstruktorskoj dokumentatsii. Elektronnaia model’ izdeliia. Obshchie polozheniia [State standard of the RF 2.052-2006. Unified system for design documentation. Electronic model of product. General principles]. 2006-09-01. Мoscow: Standardinform Publ., 2017. 15 p. (in Russian). 7. Prokhorov A., Konik L. Tsifrovaia transformatsiia: analiz, trendy, mirovoj opyt [Digital transformation: Analysis, trends, global experience]. Available at: www.telecomlaw.ru/news/DigitalTransformation.pdf, accessed 05.08.2019 (in Russian). 8. Ivanov A.F. Ob ontologicheskom statuse virtual’noj real’nosti [On the ontological status of virtual reality]. Virtual’noe prostranstvo kul’tury: nauchnaia konferentsiia [Virtual space of culture: scientific conf. (S.-Petersburg, April 11-13, 2000)]: Proc. S.-Petersburg, 2000. Pp. 14-16 (in Russian). 9. Lipkin E.B. Industriia 4.0: Umnye tekhnologii – klyuchevoj element v promyshlennoj konkurentsii [Industry 4.0: Smart technology is a key element in industrial competition]. Мoscow: Оstek-SМТ Publ., 2017. 223 p. (in Russian). 10. Pasport natsional’noj programmy “Tsifrovaia ekonomika Rossii” [Passport of the national program “Digital economy of the Russian Federation»]. Available at: http://static.government.ru/media/files/urKHm0gTPPnzJlaKw3M5cNLo6gczMkPF.pdf, accessed 06.06.2019 (in Russian). 11. Gorobets O.V. 8 rossijskikh predpriiatij uspeshno vnedriayushchikh additivnye tekhnologii [8 russian enterprises successfully implementing additive technology]. Available at: http://blog.iqb.ru/am-technologies-russian-experience, accessed 06.06.2019 (in Russian). 12. Rosliakov A.V., Vaniashin S.V., Grebeshkov A.Yu. Internet veshchej [Internet of things]: a textbook. Samara, 2015. 136 p. (in Russian). 13. “Internet veshchej” i ego znachenie dlia promyshlennosti [«Internet of things» and its importance to industry]. Available at: https://www.pwc.ru/ru/publications/iot-for-industy_.pdf, accessed 06.06.2019 (in Russian). 14. Issledovanie IIoT 2017 / RAEK; Rostelekom [Research of the IIoT 2017 / RAEK; Rostelecom]. Available at: https://iotas.ru/files/documents/wg/РАЭК_Экосистема_индустриального.pdf, accessed 06.06.2019 (in Russian). 15. Tolmacheva T.A., Ershova E.N. IIoT v Rossii: ot evolyutsii k revolyutsii [IIoT in Russia: from evolution to revolution?] Available at: https://www.iksmedia.ru/articles/5573946-IIoTv-Rossiiot-evolyucii-k-revolyu.html#ixzz5twR9ZQ6O, accessed 06.06.2019 (in Russian). 16. Grieves М. Origins of the digital twin concept. Melbourne: Florida Inst. of Technology, 2016. DOI:10.13140/RG.2.2.26367.61609 17. Mueller М., Eddy S., Geissbauer R., Jaruzelski B. Industrial manufacturing trends 2018-19. Available at: https://www.strategyand.pwc.com/trend/2018-manufacturing, accessed 06.06.2019. 18. “Zyfra”: dannye o kompanii [“Number”: information about the company). Available at: http://www.tadviser.ru/index.php/Компания:Цифра, accessed 06.06.2019 (in Russian). Mechanical Engineering and Computer Science 20
