Cyber-fysieke systemen: de drijvende kracht achter Industrie 4.0

Het principiële idee achter de implementatie van Industrie 4.0-oplossingen is om productiebedrijven te verbeteren in samenwerking tussen verschillende afdelingen, door de juiste informatie beschikbaar te maken voor de juiste mensen op real-time basis. Het doel is om passende besluitvorming op het juiste moment te faciliteren, waardoor efficiëntie en productiviteit toenemen.

Cyber-fysieke systemen

Het sleutel-element in de implementatie van de concepten van Industrie 4.0 is het idee van cyber-fysieke systemen (CPS). De term "cyber-fysieke systemen" werd gecreëerd door Helen Gill bij de National Science Foundation in de Verenigde Staten.

Volgens de NIST Special Publication 1500-201 Framework for Cyber-Physical Systems: Volume 1, Overview, zijn cyber-fysieke systemen slimme systemen die ingenieursgewijs interactieve netwerken van fysieke en computationele componenten omvatten. De publicatie benadrukt dat deze hoogst onderling verbonden en geïntegreerde systemen nieuwe functionaliteiten bieden om de levenskwaliteit te verbeteren en technologische vooruitgang in cruciale gebieden mogelijk te maken, zoals gepersonaliseerde gezondheidszorg, noodrespons, verkeersstroombeheer, slimme productie, verdediging en homeland security, en energievoorziening en -gebruik. Dus CPS hebben groot potentieel om innovatieve toepassingen mogelijk te maken en meerdere economische sectoren in de wereldwijde economie te beïnvloeden.

Acatech (Nationale Academie van Wetenschappen en Techniek, Duitsland), in zijn rapport Cyber-Physical Systems, beschrijft CPS als volgt: cyber-fysieke systemen zijn systemen met ingesloten software (als onderdeel van apparaten, gebouwen, transportmiddelen, transportroutes, productiesystemen, medische processen, logistieke processen, coördinatieprocessen, en managementprocessen). Cyber-fysieke systemen:

• Registreren direct fysieke data met sensoren en beïnvloeden fysieke processen met actuatoren

• Evalueren en opslaan geregistreerde data en actief of reactief interacteren met zowel de fysieke als digitale wereld

• Zijn verbonden met elkaar en in wereldwijde netwerken via digitale communicatiefaciliteiten

• Gebruik wereldwijd beschikbare data en diensten

• Hebben een reeks gewijde, multimodale human-machine interfaces

Het resultaat is een rijkdom aan verstrekkende oplossingen en toepassingen voor alle gebieden van ons dagelijks leven.

Productie en Cyber-fysieke systemen

Uit het perspectief van de productie-industrie is een cyber-fysiek systeem een internet-ingeschakelde fysieke entiteit, zoals een pomp of compressor, ingesloten met computers en controlecomponenten bestaande uit sensoren en actuatoren. Zo'n entiteit, die een IP-adres toegewezen krijgt, is in staat zichzelf te monitoren, informatie over zijn eigen functioneren te genereren, en te communiceren met andere geassocieerde entiteiten of zelfs naar buiten. Het is een zelfregulerende en autonoom operatie.

In de komende jaren, naarmate de Vierde Industriële Revolutie evolueert, zullen industriële bedrijven de principes van CPS steeds meer gaan benutten om operationele excellentie te bereiken door productiviteitsverbeteringen, efficiënte inzet van alle bronnen (inclusief materiaal en menselijk), klanttevredenheid, en versterking van aandeelhouderswaarde. Dit ontwikkelingsbeeld voor ogen habend, gebruikte Klaus Schwab, oprichter en voorzitter van het World Economic Forum, de term "Vierde Industriële Revolutie" om de trend te beschrijven.

De fundering voor Industrie 4.0 werd gelegd tijdens de Derde Industriële Revolutie, gekenmerkt door de uitgebreide toepassing van elektronica en computers om industriële productieprocessen te automatiseren. Het uitbreidende gebruik van elektronica en computers droeg bij aan hun dalende prijzen, de miniaturisering en robuustheid van computers, en een massive toename in reken- en verwerkingskracht. Digitale en communicatietechnologieën begonnen te convergeren. We zagen de eerste stadia van ontwikkeling van edge/cloud computing, het Industrial Internet of Things (IIoT), kunstmatige intelligentie (AI), autonomere robots, en dergelijke anderen. De integratie van digitale technologieën met industriële technologieën is ingesteld om productie te transformeren en de visie van Industrie 4.0 te realiseren.

De leer van Industrie 4.0 is dat een productiebedrijf in staat zal zijn om hogere efficiëntie, productiviteit, en autonoom operatie van productieprocessen te bereiken door te zorgen dat machines/fabrieksapparatuur, logistieke systemen, work-in-progress componenten, en dergelijke andere elementen (inclusief mensen) direct met elkaar communiceren om samenwerking te bereiken. Een productiebedrijf dat zijn visie wil uitlijnen met die van Industrie 4.0 moet stappen ondernemen om bestaande fysieke entiteiten om te zetten in cyber-fysieke systemen.

Op basis van zijn eigen beoordeling moet elk bedrijf machines, apparatuur, of andere fysieke systemen van zijn industriële installatie identificeren die het potentieel hebben om maximale waarde te leveren. Het bedrijf moet verdergaan met het integreren ervan met cyber-systemen en evolueren naar een netwerk van cyber-fysieke systemen. Een raffinaderijcomplex, bijvoorbeeld, kan on-site en off-site tankparken hebben met pipelines, regelafkappen, en pompstations die ze verbinden met de hoofdfabriek. Wat tankparkonderhoud betreft, is de huidige praktijk doorgaans handmatige inspectie en periodiek onderhoud, wat duur en niet efficiënt is. Door deze activa om te zetten in CPS en ze te ondersteunen met geschikte analytics-software, zal de raffinaderij in staat zijn om over te schakelen op remote monitoring, en kan predictief onderhoud baat hebben.