Industry 4.0: van visie naar realiteit

Na de mechanisatie met machines, massaproductie en de automatisering met de pc is de wereldwijde industrie beland in intelligente systemen die verbonden zijn via de cloud, oftewel Internet of Things (IoT). Deze vierde industriële revolutie biedt kansen voor de verpakkingsindustrie. Op Interpack toonde de VDMA-tentoonstelling Industry 4.0 diverse voorbeelden hiervan en geeft een blik in de toekomst.

Industry 4.0 is de verregaande digitalisering van apparaten, productiemiddelen en organisaties, waardoor nieuwe manieren van produceren, nieuwe businessmodellen en nieuwe sectoren ontstaan. Het is een paraplunaam voor nieuwe technologieën, zoals Internet of Things (IoT), Smart Factory en Smart Industry, Virtual Reality, 3D printing en Big Data. Het één heeft vaak te maken met het ander. Smart Industries bijvoorbeeld, haalt uit grote en diverse informatiestromen nieuwe business en is gebaseerd op big data processing, het Internet of Things, nieuwe generatie adaptieve robots, 3D printing, nanotechnologie en miniaturisering en nieuwe sensortechnologie. Technieken die invloed hebben op hoe de verpakkingslijnen er over twintig jaar uitzien.

Internet deint uit
In de toekomst zullen ‘dingen’ niet alleen informatie geven over alle belangrijke proces- en systeemcondities, maar de verwachting is dat ze met elkaar zullen communiceren via het internet en zullen ingrijpen in productieprocessen om deze te corrigeren en te optimaliseren zonder menselijke interventie. De basis voor deze web-gebaseerde communicatie is het internetprotocol (IP) met zijn unieke IP-adressen.
Het oude internetprotocol, IPv4, was in staat een adresruimte van net minder dan 4,3 miljard IP-adressen te bieden en deze waren in 2012 al vergeven aan pc’s, notebooks, tablets en mobiele telefoons. Daarom is de nieuwe standaard IPv6 ontwikkeld, met een gigantische ruimte voor IP-adressen. Een tekort aan adressen is geen zorg meer. De overgang naar het nieuwe protocol is op dit moment in volle gang. Het probleem is niet de ‘dingen’ en hun adressen, maar eerder de overvloed aan data die ze met zich meebrengen als op een dag miljarden sensoren ontelbare data per seconde zullen overdragen naar computers. Al die data moet worden geëvalueerd voor visualisatie en simulatie en worden opgeslagen voor traceerbaarheid. Het Internet of Things gaat dus vooral over data en over de informatie die deze data met zich meebrengt.

Preventief onderhoud
De nieuwe technologie heeft ook gevolgen voor de verpakkingsindustrie. Tekortkomingen in productie- en verpakkingslijnen worden al gesignaleerd lang voordat de schade zichtbaar wordt door bijvoorbeeld afwijkende trillingen of temperatuurschommelingen. Sensoren detecteren deze afwijkingen en dat kan realtime worden gevisualiseerd dankzij complexe analyse- en simulatieprogramma’s. Op basis van deze informatie kunnen machine-operators op afstand interveniëren in het systeem. Dit betekent dat we door deze nieuwe technologie bewegen van reactief naar preventief onderhoud met cyclusgebaseerde vervanging van componenten en met voorspelbaar, zeer precies te plannen onderhoud. De voordelen zijn een hogere beschikbaarheid van machines en productiefabrieken en minder downtime. Terwijl het de productie en productieveiligheid verhoogt, gaan de onderhoudskosten omlaag.

Communicatie met machines
De toenemende prestaties, flexibiliteit en intelligentie van machines en fabrieken resulteert in nog complexere systemen. Dit stel de ontwikkelaars van mens-machine-interfaces voor grote uitdagingen. De operators moeten met deze grafische gebruikersinterfaces machines veilig kunnen bedienen en bij voorkeur zonder specifieke training en zelfs zonder voldoende taalkennis kunnen gebruiken. Om bedieningsfouten te voorkomen, zorgen de ontwikkelaars voor intuïtieve grafische elementen in plaats van taal. Fotorealistische 3D CAD-displays van machines zijn in opkomst. De bedieningsschermen kunnen ook worden afgestemd op de verschillende kennis en ervaring van bedieners, zodat bijvoorbeeld managers, onderhoudspersoneel of productiemanagers verschillende grafische interfaces zien. Iedere gebruiker ziet dus alleen de data die relevant zijn voor hun verantwoordelijkheid en de specifieke situatie. Verder is de data beperkt tot de essentiële zaken, zodat in één oogopslag op het display is te zien wat de status is van de kernparameters in de productie.
Andere karakteristieken van moderne mens-machine interfaces zijn mobiliteit en consistentie. Er is een trend naar mobiele apparaten waarmee de gebruiker machines en apparatuur op afstand kan bedienen. Dit bespaart tijd en reiskosten, vooral op het gebied van service en onderhoud.

Werken in virtuele werelden
Het testen van fysieke prototypes, bijvoorbeeld een flow wrapper, is tijdrovend en kostbaar. Met behulp van Digital Twins gaat dit makkelijker en sneller. Digital Twins zijn realistische virtuele tegenhangers van fysieke objecten. Constructeurs en programmeurs creëren kopieën die alle eigenschappen van het origineel bevatten. Hierdoor kunnen realistische simulaties plaatsvinden, zonder daadwerkelijk tijd en middelen te investeren in de productie. Dit detecteert ontwerpfouten voordat een echt onderdeel wordt geproduceerd. Het creëren van Digital Twins kan met losse machine-onderdelen tot aan complete verpakkingslijnen.
De technische basis voor deze virtual twins zijn 3D CAD simulatieprogramma’s. Programmeurs kunnen deze 3D-modellen vervolgens in een virtual reality-omgeving plaatsen.
Een belangrijke toepassing hiervan is de virtuele start-up. Dit is niet alleen een virtuele test, waarbij eventuele fouten naar boven komen, maar het helpt ook de operator vertrouwd te raken met de machine en het systeem. In andere woorden: de digital twin is de flight simulator voor industriële processen, machines en apparatuur. Het bespaart tijd, maar bovenal grondstoffen, energie en menskracht.

Standaardisatie noodzakelijk
Het standaardiseren van de interfaces is een belangrijke uitdaging, omdat de meeste machinefabrikanten sterk leunen op hun eigen interfaces. Integratie is een belangrijk aspect van het Internet of Things. Deze integratie vraagt om consistente data- en informatie-uitwisseling tussen machines, zowel verticaal als horizontaal. De trend naar open source-protocollen draagt hieraan bij. Een voorbeeld hiervan is de OPC Unified Architecture (OPC UA), diverse specificaties voor het koppelen van machines van verschillende fabrikanten. OPC UA zorgt voor de beveiliging door middel van authenticatie en autorisatie, encryptie en data-integriteit. Dit protocol is ideaal voor een veilige en betrouwbare dataverwerking van het productieniveau naar het bovenliggende productieplanning- (oftewel ERP-) systeem.

Ombouwen naar 4.0
Veel oudere verpakkingsmachines en hun onderdelen zijn niet uitgerust met de sensoren en communicatietechnologie voor Industrie 4.0. Dit betekent niet, dat deze systemen zijn achterhaald in het licht van de digitale transformatie. Fabrikanten kunnen de sensoren later inbouwen. Door ze in te zetten op belangrijke parameters van de machines en de machines te voorzien van communicatie-interfaces kunnen ze alsnog in de wereld van de industrie 4.0 meedraaien.

VDMA