Slim produceren Industrie 4.0 en steeds complexere productie

Hoe krijg ik de juiste informatie op tijd bij de operator? Hoe weet de operator wat hij moet als er heel veel verschillende producten langskomen? Kan de data uit de machine gebruiken om mijn onderhoud beter te plannen? Wat gebeurt er als ik deze spoed-order tussendoor plan?

Industrie 4.0 kan hier bij helpen en maakt het vaak ook mogelijk dat we flexibeler zijn. Maar het maakt de zaken ook nog complexer dan het al was. Om te zorgen dat je zaken in de greep houdt kun je gebruik maken van een architectuur plaat. In deze blog introduceren we een standaard architectuur, de zogenaamde industrial internet reference architecture (IIRA).

Een centrale gedachte van industrie 4.0 is dat we met behulp van digitale technologieën verschillende stappen in het proces (werkvoorbereiding, productie, logistiek,…) met elkaar kunnen verbinden. En dat we proces en product met elkaar kunnen laten communiceren. We maken (meer) gebruiken de data van sensoren, voegen meer sensoren toe aan producten en machines. Zo kunnen makkelijker en sneller, zien hoe processen verlopen, aanpassingen doen en verbeteringen doorvoeren.

Dat klinkt mooi, en dat is het ook. Maar het is niet gemakkelijk. Waar slaan we de data op? Hoe verwerken we de data, als we daar überhaupt al bij kunnen? Zijn de data wel vergelijkbaar? Wat moeten we doen om de robots goed aan te sturen? Hoe krijgen we de werkinstructies bij de operators? We hebben voor de aansturing van de productie vaak een enterprise resource system (ERP) en/of material requirements planning (MRP). Dat werkt in combinatie met een manufacturing execution system (MES). Die systemen integreren we vervolgens met de machines die een eigen operating system (OS) hebben van waaruit sensoren en actuatoren worden verbonden en aangestuurd. Als een klant belt om de order status te weten kijken we in de productieplanning of sturen we een update via customer relationship management system (CRM). Er is, kortom, een hele serie van systemen met eigen data, interfaces, etc. nauw met elkaar verweven.

Die digitale systemen en hardware vormen samen een ‘Cyber-Physical system’. Industrie 4.0 technologieën, zoals robots en digital twins, spelen hier een belangrijk rol omdat ze zowel een belangrijke digitale (cyber) component en fysieke component. Daardoor kunnen we snel reageren en met weinig mensen de productie aansturen. Er zitten ook risico’s aan. Data zijn niet compatibel en daarmee niet goed bruikbaar, data gaan verloren, gevolgen van aanpassingen zijn niet duidelijk, enzovoort.

Om dit samenhangende geheel in al zijn complexiteit te kunnen overzien helpt een architectuur. Een systeem architectuur laat zien welke componenten er zijn, hoe die samenhangen, en welke functies waar belegd zijn. Daarmee kunnen we makkelijk(er) zien wat er nog ontbreekt, wat er gebeurt als we zaken aanpassen in een systeem, waar welke data zitten.

Bedrijven hoeven bij het opstellen van zo’n systeem niet vanaf een leeg blad papier te starten. De industrie heeft een referentie architectuur opgesteld: industrial internet reference architecture (IIRA). Dat is een blauwdruk speciaal gemaakt voor industrie 4.0 toepassingen. Industrie en kennisinstellingen hebben samengewerkt bij het opstellen van de IIRA. Als bedrijf kun je dit als startpunt gebruiken en je eigen systemen en machines er op plotten. Dan worden vlekken zichtbaar, zie je data stromen. Je kunt de architectuur uiteraard naar eigen inzicht en behoefte aanpassen.

De architectuur is opgebouwd uit 3 lagen (tiers, uitgesproken zoals je het schrijft, zie figuur 1).

• In de edge tier, links op de plaat, bevinden zich de machines, sensoren, actuatoren, routers, en mogelijk ook het MES systeem. Dat is de plek waar data worden gegenereerd en naartoe worden gestuurd om machines aan te sturen.
• De aansturing gebeurt vanuit de applicatie laag in de enterprise tier, rechts op de plaat. Daar zit de logica over proces flow. Data over machines en producten worden naar de platform tier gestuurd.
• De platform tier, midden op de plaat, bevat de onderdelen die nodig zijn om data op te slaan en verwerken. Dat gebeurt concreet op twee plekken. Data die nodig zijn voor het monitoren van machines, het verbeteren van de OEE, het plannen van onderhoud, wordt opgeslagen in het operations domain. Daarnaast worden data opgeslagen in het information domain. Met die data kun je complexere analyses doen over het gehele proces. Daar gebeuren alle small en big data bewerkingen om met de data te kunnen werken, worden data opgeschoond, en opgeslagen. Een deel van die data wordt vervolgens doorgezet naar het business domain in de enterprise tier. Daar worden bijvoorbeeld ERP en CRM systemen geupdate.

Het inrichten van zo’n architectuur is niet zwart-wit. Je kunt verschillende keuzes maken. Soms moet je heel snel reageren. Dan is het handig dat een applicatie in de edge tier draait (dan gaat er minder tijd verloren over het netwerk). Soms is de rekenkracht die nodig is zo groot dat je hem laten draaien op een server in de platform tier.

De IIRA geeft je niet alle antwoorden. De IIRA helpt wel om inzicht te creëren in de complexe wereld van industrie 4.0. En, heel belangrijk, IIRA geeft een gedeeld referentiekader voor gesprekken tussen collega’s van IT en productie, van planning en werkvoorbereiding, en voor gesprekken met leveranciers en afnemers.

In de U-Shaped Assembly Cell (USAC) op de HAN worden verschillende producten geassembleerd. Voor de operators betekent dit dat afhankelijk van de order die wordt geassembleerd er andere werkinstructies nodig zijn. Sensoren meten of er producten en operators aanwezig zijn, en sturen dan informatie. Via augmented reality / google glass krijgen zij de werkinstructies geprojecteerd. Via tablets worden bewerkingsstappen gereed gemeld. De status wordt opgeslagen in het ERP systeem en een apart database die de digital show voedt. In die digitale schaduw is alle (near)real-time informatie over het proces opgeslagen. Alle data over een langere periode wordt gebruikt om het proces te analyseren en simulaties uit te voeren. In figuur 2 staat de USAC componenten afgebeeld op de IIRA.

Het grote belang van deze mapping is dat het helpt de complexiteit te beheersen. Het wordt duidelijk waar welke informatie beschikbaar komt en wordt opgeslagen en vervolgens gebruikt. Als later iets wordt toegevoegd – bijvoorbeeld nieuwe sensoren of robot – dan is ook duidelijk waar de informatie naar toe moet en waar die vandaan moet komen. Je voorkomt dan dat dezelfde soort informatie op verschillende plaatsen wordt opgeslagen, dat je verschillende standaarden gebruikt of beschikbare informatie niet benut.

De IIRA help ons om de verschillende projecten die we doen overzichtelijk te houden en goed op elkaar te laten aansluiten. Dat is geen eenvoudige opgave maar wel noodzakelijk. Het biedt de kans om nieuwe technologieën te introduceren en greep op de zaak te houden. Onze studenten en docent-onderzoekers werken aan de USAC. De projectleiders houden het overzicht via de IIRA. Kom gerust eens kijken!

Op en rond de u-vormige assemblage lijn organiseren we regelmatig kennissessies. Bekijk onze agenda voor het aanbod. 

• Meer informatie over dit onderwerp? Neem contact op met Thomas Lautenbach (Thomas.Lautenbach@han.nl)
• Voor meer informatie over onderzoek, onderwijs, nieuws en publicaties rond Lean en continu verbeteren kun je je abonneren op de nieuwsbrief