Introduction: industry, Industry 4.0 and cyber-physical systems

Start with AikoDeck143 slides · 90 min

1. 01

   Kurzusinfó: számonkérés és elérhetőség

   14. hét | Zárthelyi | Az aláírás feltétele; a ponthatár a félév elején kerül kihirdetésre · Vizsgaidőszak | Vizsga | A vizsgajegy az átfogó fogalmi értést méri · Heti | Kvíz | Plusz pont, nem alappont: a folyamatos tanulást támogatja · Feladat és pub/sub | Megajánlott jegy | Két kötelező elem, részletesen a diasor végén · hajdu.csaba@sze.hu | Kapcsolat | Hajdu Csaba, Széchenyi István Egyetem

   Mielőtt bármibe belekezdenénk, öt dolog, amit érdemes most felírni. A zárthelyi a tizennegyedik héten lesz, és a sikeres teljesítése az aláírás feltétele. A vizsgajegyet a vizsgaidőszakban szerzed. A heti kvízek plusz pontot adnak, nem alappontot. Megajánlott jegy önálló mérnöki feladattal szerezhető. És ha bármi kérdésed van a félév során, a megadott e-mail-címen érsz el.

2. 02

   Követelmények részletesen

   Elem | Feltétel | Mit mér · Vizsgajegy | vizsgaidőszaki vizsga | átfogó fogalmi értés · Aláírás | sikeres zárthelyi a 14. héten | féléves minimum · Plusz pont | heti kvízek | folyamatos tanulás · Megajánlott jegy | mérnöki feladat és pub/sub | alkalmazott mérnöki képesség · Kapcsolat | hajdu.csaba@sze.hu | kérdés, téma, konzultáció

   Ugyanez tételesen. A vizsgajegyet a vizsgaidőszakban szerzed, és az átfogó fogalmi értést méri. Az aláírás feltétele a tizennegyedik heti zárthelyi sikeres teljesítése. A heti kvízek plusz pontot adnak. A megajánlott jegy pedig önálló mérnöki feladattal szerezhető — ennek két kötelező eleme van, és ezekre a félév végén visszatérünk.

3. 03

   Kezdjük egy rossz definícióval

   Amit a keresés ad: IoT · Felhő · Mesterséges intelligencia | Amit kérdezni fogunk: Mi a rendszer? · Hol a határa? · Mi zárja be a hurkot? · Mivel igazoljuk?

   Ha rákeresel, ezt kapod: Ipar 4.0 egyenlő IoT plusz felhő plusz mesterséges intelligencia. Ez a mondat három terméket sorol fel, és egyetlen dolgot sem mond arról, mitől lesz egy gyár másmilyen. A félév során négy másik kérdést fogunk feltenni — és ezekre lehet mérnöki választ adni.

4. 04

   A félév íve egyetlen sorban

   Ipar → termelés → gyártás → automatizálás → digitalizáció → kiberfizikai rendszer → Ipar 4.0

   Így épül fel a tárgy. Az iparral kezdünk, mert a gyár előbb volt, mint a szoftver. A termelésen és a gyártáson át jutunk el az automatizálásig, onnan a digitalizálásig, és csak ezután mondjuk ki, hogy amit kapunk, az egy kiberfizikai rendszer. Az Ipar 4.0 ennek a rendszernek a neve, nem egy technológiacsomagé.

5. 05

   Mit fogsz tudni a félév végén

   Leírni a rendszert · Megmérni a teljesítményét · Formálisan modellezni · Gazdaságilag indokolni

   Négy dolgot. Egy üzemről meg tudod mondani, milyen rendszer, és hol a határa. Meg tudod mérni, mit teljesít. Fel tudod írni formálisan, hogyan működik. És meg tudod indokolni, mit érdemes rajta digitalizálni — és mit nem.

6. 06

   Hogyan tanulunk

   Egy forrás: Vetítés · Webes magyarázat · Fogalomtár · Küldetés · Szimuláció

   Minden hét ugyanabból a forrásból épül. Ugyanaz a leírás adja a vetítést, a webes magyarázatot, a fogalomtárat, a heti küldetést és a szimulációt. Ezért nem fordulhat elő, hogy a dián más definíció szerepel, mint a fogalomtárban — és ezért tudsz bármikor visszaugrani.

7. 07

   Ipar és termelés

   B szakasz: Mi a termelés, mit alakít át, és mivel mérjük — mielőtt bármit digitalizálnánk.

   Először a tárgyat kell ismerni. Ha nem tudjuk, mit alakít át egy üzem és mivel mérjük a teljesítményét, akkor a digitalizálásról szóló minden mondat üres marad.

8. 08

   Ipar, termelés, gyártás

   Egyik a másik része: Termelés — minden érték-előállítás · Gyártás — anyagból termék · Gyártási művelet — egy konkrét lépés

   Három szó, amit a köznyelv keverni szokott. A termelés a tágabb fogalom: minden érték-előállítás, a folyamatipartól a szolgáltatásig. A gyártás ennek az a része, ahol anyagból alkatrész és termék lesz. A gyártási művelet pedig az egyes konkrét lépés: forgácsolás, hegesztés, szerelés.

9. 09

   A termelés átalakítás

   Anyag, energia, munka, információ → átalakítás → termék és érték

   Négy dolgot viszünk be — anyagot, energiát, munkát és információt —, és termék meg érték jön ki. A negyedik bemenet az, amiről ez a tárgy szól: az információ nélkül a másik három csak költség.

10. 10

    A négy bemenet három üzemben

    Bemenet | Présüzem | Sörfőzde | Szerelősor · Anyag | acéllemez tekercs | maláta, víz, komló | alkatrészkészlet · Energia | hidraulika, sűrített levegő | gőz és hűtés | villamos hajtás · Munka | beállítás, szerszámcsere | főzés felügyelete | kézi szerelés · Információ | nyomásgörbe, darabszám | hőmérséklet-profil, sarzsazonosító | taktjel, hibakód

    Nézzük meg ugyanazt a négy bemenetet három nagyon különböző üzemben. A présüzemben az anyag acéllemez, az energia hidraulika, a munka a szerszámcsere, az információ pedig a nyomásgörbe. A sörfőzdében ugyanez maláta, gőz, a főzés felügyelete és a hőmérséklet-profil. A szerelősoron alkatrészkészlet, villamos hajtás, kézi szerelés és a taktjel. A séma ugyanaz — csak a szavak cserélődnek.

11. 11

    Mit mérünk mindegyikből

    Anyag ↦ tömeg, darab, selejtarány · Energia ↦ kWh egy darabra · Munka ↦ ciklusidő és átállási idő · Információ ↦ késleltetés és eredet

    Minden bemenetnek van saját mértékegysége és saját mutatója. Az anyagot tömegben, darabban és selejtarányban mérjük. Az energiát fajlagosan, kilowattórában egy darabra. A munkát időben: ciklusidő és átállási idő. Az információt pedig késleltetésben és eredetben — mert egy adat, ami két órát késik, más adat, mint ugyanaz frissen.

12. 12

    Ami bemegy, arról számot kell adni

    Bemenő tömegáram = kimenő termék + készletváltozás + veszteség. A veszteség nem külön jelenség: az a tag, ami a mérlegből marad.

    Ez a mérnöki alap: az anyag- és az energiamérleg. Ami bemegy, az vagy termékké válik, vagy készletté, vagy veszteséggé. A harmadik tag az, amiért a mérés egyáltalán érdekes: a veszteséget nem lehet kiszámolni, csak megmérni, mert a másik kettőből marad vissza.

13. 13

    Egy műszak mérlege

    Nézzük egy valódi műszakon. Tizenkét tonna anyag megy be, tizenegy egész négy tized tonna kész alkatrész jön ki, negyvenöt század tonna hulladékot visszaforgatunk, és egy tized tonnával nő a készlet. Marad öt század tonna, amiről senki nem tudja, hová lett. Húzd a hulladék csúszkáját nullára: ha a hulladékot nem mérjük, a maradék tízszer akkorának látszik.

14. 14

    Munka: ami átalakít, és ami nem

    Átalakít: forgácsolás · Hegesztés · Szerelés · Felületkezelés | Nem alakít, de kell: szállítás · Várakozás · Átállás · Ellenőrzés · Adminisztráció

    A munka nem egynemű. Egy része valóban megváltoztatja a terméket: forgácsol, hegeszt, összeszerel. A másik része szükséges, de nem alakít: szállítás, várakozás, átállás, ellenőrzés, adminisztráció. A karcsúsított termelés ezt a második halmazt támadja. Az Ipar 4.0 ígérete pedig az, hogy egy részét információval váltja ki.

15. 15

    Egy présüzem egyetlen darabon

    Egy darab útja: tekercs → táblázás → présművelet → mérés → puffer és csomagolás

    Kövessünk végig egy lemezdarabot. Tekercsből tábla lesz, a táblából préselt alkatrész, azt megmérjük, majd pufferbe kerül és csomagolják. Öt lépés — és minden lépésnél kérdezhető ugyanaz a négy kérdés: milyen anyag, mennyi energia, kinek a munkája, és milyen információ keletkezik. A félév során ezt a négy kérdést fogjuk egyre pontosabban feltenni.

16. 16

    Termelési formák

    Diszkrét · Sarzsos · Folytonos · Projekt · Hibrid

    Öt alaptípus, és a legtöbb valódi üzem kettő-három keveréke. A diszkrét gyártás darabokat számol, a folytonos anyagáramot, a sarzsos gyártás pedig tételeket. A projekttermelés egyedi és nagy, a hibrid pedig az, ami a valóságban leggyakrabban előfordul.

17. 17

    Hol áll a vevői rendelés

    Ez a négy betűszó azt mondja meg, meddig gyártunk előre, és honnan gyártunk rendelésre. Raktárra, rendelésre szerelve, rendelésre gyártva, rendelésre tervezve. Ahogy jobbra haladunk, egyre személyre szabottabb a termék — és egyre hosszabb az átfutási idő. A négy stratégia valójában egyetlen kérdés négy válasza: hol áll a vevőirendelés-behatolási pont, vagyis meddig dolgozunk találgatásból.

18. 18

    A testreszabás ára

    Szemléltető görbe, nem mért adat: a cél a laposabb, nem az eltűnő összefüggés.

    A testreszabás növelése magával viszi a bonyolultságot és az átfutási időt. A fejlett digitális termelés ígérete nem az, hogy ez a görbe eltűnik, hanem hogy laposabb lesz: több változat ugyanannyi idő alatt. Ez a görbe szemléltetés, nem mérési adat — a valódi számokat a harmadik héten fogjuk kiszámolni egy konkrét üzemre.

19. 19

    Rugalmasság és termelékenység

    Merev, de gyors: nagy sorozat · Kevés változat · Alacsony egységköltség | Rugalmas, de lassú: egyedi termék · Sok átállás · Magas egységköltség

    A klasszikus tömegtermelés termelékeny, de merev. A műhelyrendszer rugalmas, de lassú. A fejlett digitális termelés célja e kettő között mozogni: rugalmasságot nyerni anélkül, hogy arányos termelékenységet adnánk érte cserébe.

20. 20

    Kérdés

    Egy üzem gépeket gyárt, mindegyiket a vevő igényeire tervezve, hosszú határidővel. Melyik stratégia szerint működik?

    Question

    1. 1. MTS, mert raktárra gyárt.
    2. 2. MTO, mert rendelésre gyárt kész tervekből.
    3. 3. ETO, mert a tervezés is a rendeléshez tartozik.

    Ha a tervezés is a rendelés után kezdődik, akkor ETO. Ennek a stratégiának a mérnöki következménye, hogy a bizonytalanság nem a raktárban, hanem a tervezésben és az ütemezésben jelenik meg — és ott is kell kezelni.

21. 21

    Mit mérünk egy üzemen

    Áteresztőképesség · Bent lévő munka · Átfutási idő · Kihasználtság · Szűk keresztmetszet · OEE

    Ezekkel a mutatókkal fogunk dolgozni a harmadik héttől. Áteresztőképesség, bent lévő munka, átfutási idő, kihasználtság, szűk keresztmetszet, és a mindenki által idézett, de ritkán helyesen használt OEE. Most csak jegyezd meg őket: a hét, amelyik számolni fog velük, még előttünk van.

22. 22

    A szűk keresztmetszet, kipróbálva

    A sor kimenete a leggyengébb láncszem kapacitása. Ami efölött van, az készlet vagy állásidő — nem termelés.

    Öt állomás, mindegyiknek saját kapacitása. A sor kimenetét nem az átlaguk adja, és nem is a legjobbé: kizárólag a leggyengébbé. Told feljebb egy olyan állomás csúszkáját, amelyik nem a szűk keresztmetszet — és nézd meg, mi történik a kimenettel. Semmi. Ez a dia egyetlen mondata.

23. 23

    Little-törvény

    Tanpélda, konzisztens számokkal: 240 darab bent, 30 darab óránként kilép — nyolc óra átfutás.

    A legolcsóbb mutató, amit egy üzemről kaphatsz. Ha tudod, mennyi munka van bent, és tudod, mennyi lép ki óránként, akkor tudod az átfutási időt is — mérőrendszer nélkül, pusztán számolással. Példa: kétszáznegyven darab van a soron, óránként harminc lép ki. Kétszáznegyven osztva harminccal: nyolc óra. Ennyi ideig van bent egy darab, akárhogy is érzi a művezető.

24. 24

    Ütemidő: amit a vevő diktál

    450 perc hasznos műszakidő, 300 darab igény — 90 másodperc darabonként.

    Az ütemidő nem a gép tulajdonsága, hanem a keresleté. Nyolcórás műszak négyszáznyolcvan perc, ebből harminc perc szünet és beállás, marad négyszázötven perc — huszonhétezer másodperc. Ha a vevő háromszáz darabot kér erre a műszakra, akkor kilencven másodpercenként kell egy darabnak elkészülnie. Ez a kilencven másodperc lesz a mérce minden további dián.

25. 25

    Hol a szűk keresztmetszet

    Lépés | Ciklusidő | Kapacitás egy műszakra | Korlátoz? · Táblázás | 60 s | 450 db | nem · Présművelet | 85 s | 317 db | igen · Mérés | 45 s | 600 db | nem · Csomagolás | 70 s | 385 db | nem

    Négy lépés, négy ciklusidő. A sor sebességét nem az átlaguk adja, hanem a leglassabb: a présművelet nyolcvanöt másodperce. Huszonhétezer osztva nyolcvanöttel: háromszáztizenhét darab a műszak elvi kapacitása. A vevő háromszázat kér, tehát elfér — de mindössze öt másodperc tartalékkal darabonként. Ez nem biztonságos sor, csak egy éppen elég sor. A csúszkán próbáld ki: ha a présművelet nyolcvanöt helyett kilencven másodperc lenne, a műszak kapacitása háromszáz alá esne — és a vevő rendelése nem férne el.

26. 26

    Az átállás ára darabonként

    Tanpélda: 85 s ciklus, 30 perc átállás. A vízszintes vonal a 90 másodperces ütemidő.

    A présművelet nyolcvanöt másodperc, de a szerszámcsere fél óra, és azt a sorozat minden darabjára szét kell osztani. Kétszáz darabos sorozatnál ez kilenc másodperc darabonként — kilencvennégy másodperc, több mint az ütemidő, tehát a sor lemarad. Hatszáz darabnál már csak három másodperc, összesen nyolcvannyolc: elfér. A sorozatnagyság tehát nem beszerzési szokás, hanem mérnöki döntés.

27. 27

    OEE: három szorzó, egy szám

    Tanpélda: 40 perc állás, 260 gyártott darab, 6 selejt — nyolcvan százalék.

    Az OEE három hányados szorzata. Rendelkezésre állás: négyszázötven tervezett percből negyven kiesett, marad négyszáztíz — kilencvenegy százalék. Teljesítmény: négyszáztíz perc alatt kétszázhatvan darab készült, az ideális ciklussal ez huszonkétezer-száz másodpercnyi munka a huszonnégyezer-hatszázból — közel kilencven százalék. Minőség: kétszázhatvanból hat selejt, kilencvennyolc százalék. A szorzat nyolcvan százalék.

28. 28

    Fajlagos energia és a selejt ára

    Tanpélda: 380 kWh egy műszakra, 260 gyártott darab, ebből 254 jó és 6 selejt. A hat selejt energiája — kilenc kilowattóra — is bent van a számlálóban.

    A prés műszakonként háromszáznyolcvan kilowattórát fogyaszt, és kétszázhatvan darabból kétszázötvennégy jó darab jön ki. Ez darabonként másfél kilowattóra. A hat selejtes darabra viszont ugyanúgy ráment az energia: kilenc kilowattóra, amit senki nem fizet ki. A selejt nem csak anyagveszteség, hanem energiaveszteség és kapacitásveszteség is — háromszor számít, és rendszerint csak egyszer könyveljük el.

29. 29

    Mikor éri meg digitalizálni

    Tanpélda, nem cégadat: 12 000 EUR beruházás, ~19 000 EUR éves megtakarítás — nagyjából nyolc hónap.

    Végül a kérdés, amit minden beruházásnál fel kell tenni. Tegyük fel, hogy egy tizenkétezer eurós állapotfigyelő rendszer műszakonként negyed óra váratlan állást előz meg. Negyed óra a présen tíz-tizenegy darab; darabonként négy euró fedezettel ez műszakonként negyvenkét euró. Két műszak, kétszázharminc munkanap: nagyjából tizenkilencezer euró egy évben. A megtérülés tizenkétezer osztva tizenkilencezerrel — körülbelül nyolc hónap.

30. 30

    Ipari korszakok

    C szakasz: Négy korszak, és minden alkalommal más vált rendszeralkotóvá.

    A korszakolás nem évszámokról szól, hanem arról, mi rendezte át a gyárat maga körül. Ezért lehet megkérdezni az Ipar 4.0-ról is: mit rendez át, és mihez képest.

31. 31

    Négy korszak

    1.0 Gépesítés: az erő gépi lesz — gőzgép, vízikerék, szíjhajtás, mechanikus szövőszék · 2.0 Villamosítás: a munka szervezetté válik — villanymotor, futószalag, présgép, hegesztőállomás · 3.0 Programozhatóság: a viselkedés programmá válik — PLC, CNC, ipari robot, SCADA · 4.0 Kiberfizikai termelés: a döntés visszahat — ipari hálózat, digitális iker, MES, szemantikus modell

    A korszakolás nem évszámokról szól. Mindegyik lépés mást tett rendszeralkotóvá: először az erőt, aztán a szervezést és a tömegtermelést, harmadszor a programozhatóságot, negyedszer pedig az összekötött kiberfizikai termelést.

32. 32

    Mi vált rendszeralkotóvá

    Korszak | Rendszeralkotó technológia | Amit hozzátett · 1.0 | gőz és víz | erő az izom helyett · 2.0 | villamos energia, futószalag | a munka szervezése · 3.0 | elektronika, PLC, CNC, robot | programozhatóság · 4.0 | hálózat, modell, szemantika | visszacsatolt információ a szintek között

    Nézzük soronként. Nem az számít, mikor jelent meg egy technológia, hanem mikortól szervezte át körülötte a gyárat. A számítógép a hatvanas években megvolt; a programozható vezérlés viszont az, ami a termelést átrendezte.

33. 33

    Az Ipar 3.0 lánca

    Érzékelő — a fizikai mennyiséget jellé alakítja → PLC — determinisztikus ciklusban dönt a rögzített program szerint → Beavatkozó — a döntést fizikai hatássá alakítja → Gép — a szerszámot és az anyagot mozgatja → Fizikai folyamat — itt keletkezik a darab, és itt mérhető a hatás

    A harmadik korszak alaplánca ez: érzékelő, vezérlő, beavatkozó, gép, folyamat. Rövid, gyors, determinisztikus — és zárt. Ami ezen a láncon kívül van, arról a vezérlő nem tud. Ez a szigetszerű automatizálás, és ma is jól működik ott, ahol a folyamat stabil.

34. 34

    Az Ipar 4.0 szerkezete

    Szintek: Vállalat és ellátási lánc · ERP — tervezés · MES — üzemvégrehajtás · Cella és SCADA — felügyelet · Gép, PLC, CNC, robot — vezérlés · Fizikai folyamat

    A negyedik korszakban ugyanez a lánc megmarad, de fölé kerül még néhány szint, és ami fontosabb: a nyilak kétirányúak lesznek. A gépből cella lesz, a cellából üzem, az üzemből vállalat — és az információ nemcsak felfelé megy, hanem vissza is hat.

35. 35

    Három tengely, nem egy

    Egy rendszer, három leírás: Fizikai tengely — gép, szerszám, darab, kopás, ütemidő → Digitális tengely — mérés, adat, modell, előrejelzés → Üzleti tengely — fedezet, készletlekötés, állásidő ára, megtérülés ↺

    Az Ipar 4.0 ott kezdődik, ahol a fizikai, a digitális és az üzleti nézet ugyanarról a rendszerről szól, és hatnak egymásra. A gép állapota megjelenik az adatban, az adat a döntésben, a döntés pedig visszahat a gépre — és mindez pénzben is mérhető.

36. 36

    Automation is not Industry 4.0

    Ipar 3.0: automatizált gépek · Vezérlési szigetek · Helyi optimalizálás | Ipar 4.0: összekötött kiberfizikai rendszer · Szemantikus integráció · Visszacsatolás a szintek között

    Ez a félév egyik legfontosabb megkülönböztetése. Egy rendkívül automatizált, de elszigetelt sor fogalmilag a harmadik korszakhoz tartozik. A negyedik korszak nem a robotok számáról szól, hanem arról, hogy zárul-e a kör a szintek között.

37. 37

    Why the connected line does better

    Ugyanazok a gépek. Két különbség: mennyi idő alatt derül ki a hiba, és mekkora puffert kell emiatt tartani.

    Az előző dián láttad a különbséget. Most számoljuk ki. A két sor ugyanaz: azonos gépek, azonos ciklusidő, azonos hibagyakoriság, azonos javítási idő. Két dolog különbözik, és mindkettő az összekötöttségből következik. Az első: mennyi idő alatt derül ki, hogy baj van. A második: mekkora puffert kell emiatt tartani. Told le az észlelési időt nullára, és a különbség eltűnik — ez a bizonyítéka annak, hogy tényleg ez a különbség.

38. 38

    Kérdés

    Egy üzemben minden gép robotizált, de a gépek nem cserélnek adatot, és a termelési adat hetente egyszer kerül a vállalati rendszerbe. Mi ez?

    Question

    1. 1. Ipar 4.0, mert automatizált.
    2. 2. Fogalmilag inkább Ipar 3.0: automatizált szigetek, zárt kör nélkül.
    3. 3. Ipar 5.0, mert emberek is dolgoznak ott.

    Az automatizálás foka nem dönti el a korszakot. Ha az információ nem jut el időben oda, ahol dönteni kell, és a döntés nem hat vissza a folyamatra, akkor a kör nem zárul be — akkor pedig a rendszer fogalmilag a harmadik korszakhoz tartozik.

39. 39

    And Industry 5.0?

    Cél | Mit követel | Mit NEM változtat meg · Emberközpontúság (human-centricity) | Az ember képessége és biztonsága tervezési korlát, nem utólagos szempont | A rendszeralkotó elemek ugyanazok: érzékelő, vezérlő, beavatkozó, visszacsatolás · Fenntarthatóság (sustainability) | Anyag- és energiafelhasználás mérhető és elszámolt mennyiség | A mérési lánc ugyanaz, csak több mutatót viszünk végig rajta · Ellenállóképesség (resilience) | A rendszer kiesés után is működőképes marad, tervezetten | Az architektúra nem kap új réteget, a követelménylista kap új sorokat

    Hallani fogsz Ipar 5.0-ról. Óvatosan bánj vele. Ami mögötte van — emberközpontúság, fenntarthatóság, ellenállóképesség — cél és hangsúly, nem új technológiai alap. Nem hasonlítható a gőzhöz, a villamos energiához, az elektronikához vagy a kiberfizikai rendszerhez. Ezen a kurzuson kiterjesztésként kezeljük: az Ipar 5.0 hangsúly és cél, nem új rendszeralkotó technológia. A táblázat jobb oszlopa a fontos — az mutatja meg, mi az, ami NEM változik.

40. 40

    CPS és rendszertervezés

    D szakasz: A nyelv, amelyen egy ilyen rendszerről pontosan lehet beszélni.

    Innentől nem történetet mondunk, hanem modellt építünk. Komponensosztályok, áramlások, rendszerhatár, három tervezési nézőpont és az igazolás szerkezete: ez a félév mérnöki szótára.

41. 41

    Kell egy mérnöki nyelv

    Az Ipar 4.0 a jelenség. A kiberfizikai rendszer a mérnöki modell, amivel leírjuk.

    Ha az Ipar 4.0 összekötött rendszerekről szól, akkor kell egy nyelv, amin ezekről a rendszerekről pontosan lehet beszélni. Ezt a nyelvet a kiberfizikai rendszerek mérnöki keretrendszere adja. Innentől ezt használjuk — a félév minden hetén.

42. 42

    Rövidítések, kibontva — I.

    Rövidítés | Angol | Magyar · CPS | Cyber-Physical System | kiberfizikai rendszer · CPPS | Cyber-Physical Production System | kiberfizikai termelési rendszer · SoS | System of Systems | rendszerek rendszere · NIST | National Institute of Standards and Technology | amerikai szabványügyi intézet · IoT | Internet of Things | dolgok internete · IIoT | Industrial Internet of Things | ipari dolgok internete · M2M | Machine to Machine | gép-gép kommunikáció · PLC | Programmable Logic Controller | programozható logikai vezérlő · CNC | Computer Numerical Control | számítógépes szerszámgépvezérlés · DCS | Distributed Control System | elosztott folyamatirányító rendszer · SCADA | Supervisory Control and Data Acquisition | felügyeleti irányítás és adatgyűjtés

    Mielőtt bármelyiket használnám, kibontom. Ez a tárgy tele van betűszóval, és a legtöbb félreértés abból származik, hogy valaki évekig használ egy rövidítést anélkül, hogy tudná, mit takar. A táblázat első oszlopa a rövidítés, a második az angol kifejtés, a harmadik a magyar jelentés.

43. 43

    Rövidítések, kibontva — II.

    Rövidítés | Angol | Magyar · MES | Manufacturing Execution System | gyártásvégrehajtási rendszer · MOM | Manufacturing Operations Management | termelésirányítás, a MES-nél tágabb · ERP | Enterprise Resource Planning | vállalatirányítási rendszer · CAD | Computer-Aided Design | számítógéppel segített tervezés · CAM | Computer-Aided Manufacturing | számítógéppel segített gyártás · AI | Artificial Intelligence | mesterséges intelligencia · ML | Machine Learning | gépi tanulás · OEE | Overall Equipment Effectiveness | teljes eszközhatékonyság · AAS | Asset Administration Shell | eszközkezelő héj · AIDC | Automatic Identification and Data Capture | automatikus azonosítás és adatgyűjtés · RFID | Radio-Frequency Identification | rádiófrekvenciás azonosítás

    A második tábla a vállalati és a mérnöki réteget fedi le. Figyelj a MES és a MOM különbségére: a MOM a tágabb fogalom, a MES annak a végrehajtási része. És figyelj az OEE-re, mert azt szinte mindenki idézi, és szinte senki nem ugyanúgy számolja.

44. 44

    A kiberfizikai rendszer a NIST szerint

    Definíció (NIST): A kiberfizikai rendszerek olyan intelligens rendszerek, amelyek magukba foglalják a fizikai és számítástechnikai komponensek interaktív hálózatát · Integráció — egy kiberfizikai rendszer számítási teljesítményt, köztes kommunikációt, érzékelést és beavatkozási képességeket integrál · Új funkcionalitás — az erősen összekötött és integrált hálózatok új funkcionalitásokat szolgáltatnak

    Mielőtt a fogalmi lépcsőt végigjárnánk, álljon itt a definíció, amelyre az egész félév épül. A NIST keretrendszere szerint a kiberfizikai rendszer intelligens rendszer, amely a fizikai és a számítástechnikai komponensek interaktív hálózatát foglalja magában. Két következményét érdemes kimondani. A rendszer egyszerre integrál számítást, kommunikációt, érzékelést és beavatkozást. És az erősen összekötött hálózat olyan funkciót ad, amelyet egyik komponense sem tudna egyedül.

45. 45

    Eszköz, rendszer, rendszerhálózat — és az ember

    Rendszerhálózat — infrastruktúra, rendszerek rendszere | Rendszer | Eszköz — egy CPS állhat sok eszközből, vagy akár egyetlen eszközből | Döntés — rekurzív döntési folyamat; minden CPS-ben megvan | Fizikai állapot | Információ — a fizikai állapot méréseinek digitális képe | Beavatkozás — a cselekvés, amely a fizikai állapotot befolyásolja | Kibernetikus világ | Fizikai világ | Emberek — külső interakció, például kezelő vagy karbantartó | Interakciók

    Ez a kép a definíciót rajzolja ki. Belül az eszköz, benne a kör: a fizikai állapotról információ megy fel a kibernetikus világba, ott döntés születik, és a döntés beavatkozásként visszahat a fizikai állapotra. Az eszköz egy rendszer része, a rendszer egy rendszerhálózaté. És az egész kívülről is elérhető: az ember interakcióban áll vele.

46. 46

    Rövidítések, kibontva — III.

    Rövidítés | Angol | Magyar · ISO | International Organization for Standardization | Nemzetközi Szabványügyi Szervezet · IEC | International Electrotechnical Commission | Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság · IEEE | Institute of Electrical and Electronics Engineers | Villamos- és Elektronikai Mérnökök Egyesülete · ISO/IEC/IEEE | a három szervezet közös szabványa | közösen kiadott szabvány · NIST SP, SP | National Institute of Standards and Technology, Special Publication | az amerikai szabványügyi intézet kiadványsorozata · CSF | Cybersecurity Framework | kiberbiztonsági keretrendszer (NIST) · IT | Information Technology | információtechnológia — az irodai és adatoldali rendszerek · OT | Operational Technology | üzemeltetéstechnológia — a gépeket vezérlő rendszerek · DMZ | Demilitarized Zone | demilitarizált zóna: az IT és az OT közé tett, ellenőrzött átjáróhálózat · IP | Internet Protocol | internetprotokoll — a hálózati címzés alapja · HTTPS | HyperText Transfer Protocol Secure | titkosított webes protokoll · SMTP | Simple Mail Transfer Protocol | levéltovábbítási protokoll · SQL | Structured Query Language | strukturált lekérdezőnyelv · OPC UA, OPC, UA | Open Platform Communications Unified Architecture | ipari kommunikációs szabvány, információmodellel együtt · MQTT | Message Queuing Telemetry Transport | könnyű, közzététel–feliratkozás alapú üzenetprotokoll · DDS | Data Distribution Service | valós idejű adatterjesztési szabvány · PROFINET | Process Field Network | ipari Ethernet-protokoll · API | Application Programming Interface | programozási felület · SysML | Systems Modeling Language | rendszermodellezési nyelv, az UML rendszertervezési kiterjesztése · PLM | Product Lifecycle Management | terméklétciklus-kezelés · MTS | Make To Stock | készletre gyártás · MTO | Make To Order | rendelésre gyártás · ATO | Assemble To Order | rendelésre szerelés — közös alkatrészek, egyedi összeállítás · ETO | Engineer To Order | rendelésre tervezés · WIP | Work In Process | folyamatban lévő termelés — a soron belül álló, még be nem fejezett darabok · SMED | Single-Minute Exchange of Die | egy számjegyű percben végzett szerszámcsere · MTBF | Mean Time Between Failures | átlagos hibamentes működési idő · DES | Discrete Event Simulation | diszkrét eseményű szimuláció · CPU | Central Processing Unit | központi feldolgozóegység · GS1 | Global Standards One | a vonalkód- és azonosítószabványokat gondozó szervezet · QR | Quick Response (code) | kétdimenziós, gyorsan olvasható kód · EUR | euró | az összegek pénzneme a tanpéldákban · US | United States | amerikai (szabadalom, szabvány jelölésében) · CC BY-ND, CC, BY-ND | Creative Commons Attribution-NoDerivatives | forrásmegjelölés kötelező, a mű nem módosítható · FA | Factory Automation | gyáriautomatizálás — a Mitsubishi Electric üzletágának neve · PARI, PT-ADP | terméknevek, nem rövidítések | a Wipro PARI robotintegrátor, illetve egy Mitsubishi analóg bemeneti modul típusjele

    A harmadik tábla azokat hozza, amelyek a diasor közben kerülnek elő: szervezetek, protokollok, gyártási stratégiák. Kettőt érdemes külön kiemelni. Az IT és az OT nem ugyanaz, és a különbség nem szervezeti, hanem következményi: az egyiknél adat vész el, a másiknál gép áll le vagy ember sérül. A másik a négy gyártási stratégia — MTS, MTO, ATO, ETO —, mert ezek mondják meg, hol áll a vevői rendelés a folyamatban, és ebből következik minden készletezési döntés.

47. 47

    A fogalmi lépcső

    Alkalmazási kontextus: Ipar 4.0 · CPPS — kiberfizikai termelési rendszer · CPS — kiberfizikai rendszer · Számítási rendszer · Fizikai rendszer · Rendszer

    Innen indulunk, és nem a technológiától. Lentről fölfelé mindegyik fok hozzátesz valamit az alatta lévőhöz, és a legfelső fokon jelenik meg az Ipar 4.0 — nem rendszerosztályként, hanem alkalmazási kontextusként. A következő dián végigmegyünk a fokokon, egyesével.

48. 48

    A lépcső fokai, kimondva

    Fokonként. A rendszer a legtágabb fogalom: elemek, amelyek együtt olyat tudnak, amit külön egyik sem. A fizikai rendszernek tömege és energiája van, tehát tehetetlensége és kopása is. A számítási rendszer állapota információ — másolható, késleltethető, elveszíthető. A kettő EGYÜTTES tervezéséből lesz kiberfizikai rendszer, és ha ez terméket állít elő, akkor kiberfizikai termelési rendszer.

49. 49

    A CPS tágabb, mint az Ipar 4.0

    Kiberfizikai rendszer — területek: robotika · Autonóm járművek · Okosépületek · Energetika · Egészségügy · Közlekedésirányítás · Mezőgazdaság · Logisztika | Ebben a tárgyban: termelés — azaz CPPS · A többit hivatkozásként említjük · Az architektúra közös, a jelentés nem

    Ez a dia egyetlen félreértést hivatott megelőzni. A kiberfizikai rendszer nem az Ipar 4.0 szinonimája. Robotika, autonóm járművek, okosépületek, energetika, egészségügy, közlekedésirányítás — mind kiberfizikai rendszer. Az Ipar 4.0 ezek közül a termelési terület, és ebben a tárgyban ezzel foglalkozunk. A CPPS pedig ennek a pontos neve: a CPS termelési alkalmazása.

50. 50

    A CPS-keretrendszer fő elemei

    Domén (domain) — a CPS alkalmazási területei · Concern (aggály) — az érdekfelek megfogalmazott elvárásai; a teljes fejlesztési folyamatra kihat, és iteratívan javul, bővül · Tulajdonság (property) — konkrét elvárás, amely egy concern-t teljesít; belőle követelmény, tervezési elem és teszt lesz · Aspektus (aspect) — egymással fogalmilag hasonló tulajdonságok csoportja · Felület (facet) — a CPS egy nézete; a CPS azonosított felelősségeit, a társított folyamatait és az elvárt kimeneteit tartalmazza

    Öt szó, amelyen a NIST-keretrendszer áll. A domén az alkalmazási terület. A concern az érdekfelek megfogalmazott elvárása — ez hat ki a teljes fejlesztésre, és menet közben javul, bővül. A tulajdonság az a konkrét elvárás, amely egy concern-t teljesít: belőle lesz követelmény, tervezési elem és teszt. Az aspektus egymással fogalmilag hasonló tulajdonságok csoportja. A felület pedig a CPS egy nézete: a felelősségei, a folyamatai és az elvárt kimenetei.

51. 51

    Rendszertervezési alapszavak

    Fogalom | Mit jelent · Rendszer | elemek együttese, amely együtt olyat tud, amit külön egyik sem · Környezet | ami a rendszeren kívül van, de hat rá vagy hatunk rá · Rendszerhatár | ahol a felelősség és a modellezés véget ér — döntés, nem adottság · Interfész | a határon átnyúló kapcsolat, megállapodott tartalommal · Komponens | a rendszer eleme, amelynek belsejét ezen a szinten nem bontjuk · Alrendszer | komponens, amelyet rendszerként is elemzünk · Rendszerek rendszere | önállóan is működő rendszerek együttese, közös céllal

    Hét szó, amit a félév során pontosan fogunk használni. Ezek nem a mi találmányaink: a rendszer- és architektúradefiníciók az ISO, IEC és IEEE közös szabványából származnak. A lényeg nem a szó szerinti memorizálás, hanem az, hogy egy konkrét üzemre rá tudd mutatni mindegyikre.

52. 52

    Érintettől a bizonyítékig

    A lánc: Érintett (stakeholder) — akinek a rendszer működése számít → Aggály (concern) — amit ez az érintett fontosnak tart → Tulajdonság (property) — az aggály megnevezhető, a rendszerre vonatkozó jellemzője → Követelmény (requirement) — a tulajdonság mérhetővé és eldönthetővé téve → Terv (design) — az a megoldás, amellyel a követelményt teljesíteni akarjuk → Bizonyíték (evidence) — a mérés vagy elemzés, ami a teljesülést alátámasztja → Állítás (claim) — amit a bizonyíték birtokában vállalni lehet

    Ez a lánc köti össze azt, amit valaki fontosnak tart, azzal, amit igazolni tudunk. Az érintettnek van egy aggálya. Az aggályból megnevezhető tulajdonság lesz, a tulajdonságból mérhető követelmény, a követelményből terv, a tervből bizonyíték, a bizonyítékból pedig állítás, amit vállalni lehet. Aki kihagy egy szemet, az a végén véleményt fog vitatni adat helyett.

53. 53

    Ugyanez egy robotcellán

    Lépés | A robotcella esetében · Aggály | a kezelőt ne veszélyeztesse a robot · Tulajdonság | biztonságos elválasztás, biztonságos megállás · Követelmény | adott sebességnél adott távolságon belüli megállás · Megvalósítás | érzékelés és biztonsági szabályozó · Bizonyíték | időzítési és funkcionális mérés · Állítás | a megadott működési tartományban teljesül a követelmény

    Töltsük ki a láncot egy konkrét esetre. Az aggály: a kezelőt ne veszélyeztesse a robot. A tulajdonság: biztonságos elválasztás és biztonságos megállás. A követelmény: megadott sebesség mellett megadott távolságon belül megálljon. A megvalósítás: érzékelés plus biztonsági szabályozó. A bizonyíték: időzítési és funkcionális mérés. Az állítás: a rendszer a megadott működési tartományban teljesíti a biztonsági követelményt. Figyeld meg az utolsó öt szót — az állítás mindig tartományhoz kötött.

54. 54

    Architektúra-leírás: ISO/IEC/IEEE 42010

    Architektúra-keretrendszer (architecture framework) — konvenciók, paradigmák és gyakorlatok összessége egy architektúra leírására, egy megadott kontextus keretein belül · Concern (aggály) — egy érdekeltség, ahogy valamely érdekelt fél (stakeholder) megfogalmazza; vö. megfogalmazott elvárások · Architekturális nézet (architecture view) — az architektúra részleges leképezése, meghatározott concern-ek halmazának szemszögéből · Architekturális nézőpont (architecture viewpoint) — módszerek és paradigmák architekturális nézetek előállítására, meghatározott concern-ek alapján

    A nézet és a nézőpont nem a mi szavaink: az ISO/IEC/IEEE 42010 szabvány rendszer- és architektúra-definícióiból származnak. Négy fogalom. Az architektúra-keretrendszer a konvenciók, paradigmák és gyakorlatok összessége, amellyel egy adott kontextusban architektúrát írunk le. A concern egy érdekelt fél érdekeltsége. Az architekturális nézet az architektúra részleges képe, meghatározott concern-ek szemszögéből. Az architekturális nézőpont pedig az a módszer, amellyel ilyen nézet készül.

55. 55

    Nézet és nézőpont

    Nézet (view): A rendszer egy konkrét ábrázolása — rajz, modell vagy táblázat, amit oda lehet adni valakinek · Funkcionális nézet (functional view) — mit csinál a rendszer; funkciók, be- és kimenetek, átalakítások · Kommunikációs nézet (communication view) — ki kivel beszél; jelek, protokollok, ütemek, sávszélesség · Telepítési nézet (deployment view) — mi hol fut; vezérlő, hálózat, fizikai elhelyezés · Szándékosan hiányos — csak arra a kérdésre válaszol, amire készült | Nézőpont (viewpoint): Nem kép, hanem recept — az a szabály, amely szerint a nézet elkészül · Érintett (stakeholder) — kinek az aggályára válaszol; üzemeltető, integrátor, auditor · Aggály (concern) — melyik kérdést kell megválaszolnia; biztonság, időzítés, karbantarthatóság · Modellezési konvenció (modelling convention) — mit kell ábrázolni, és mit tilos · Két ellentmondó rajz gyakran két helyes nézőpont, nem hiba

    Két szó, amit könnyű összekeverni. A nézet a kép: a rendszer ábrázolása egy meghatározott szempontból — funkcionális, kommunikációs, telepítési. A nézőpont az a szabály, amely szerint a kép készül, és az az aggály, amelyre válaszol. Ha valaki azt kérdezi, miért így rajzoltuk, akkor nem a nézetre kérdez rá, hanem a nézőpontra.

56. 56

    Ugyanaz a cella, két SysML-nézet

    bdd Préscella: Préscella · Présgép · PLC · Nyomásérzékelő · Fényfüggöny [2] | Nézőpont: érintett a karbantartó — aggálya, hogy mi miből áll, és mi cserélhető | sd Túlnyomás: Nyomásérzékelő → PLC — nyomás(p) · PLC → Présgép — leállít() · Présgép → PLC — leállt · PLC → MES — riasztás(túlnyomás) | Nézőpont: érintett az integrátor — aggálya, hogy ki kinek szól, és milyen sorrendben

    Nézzük meg ugyanezt egy valódi modellezési nyelven. A SysML-ben a nézet egy diagram, és a diagram a keretén hordja, hogy mi a fajtája. Bal oldalt egy blokkdefiníciós diagram, röviden bdd: miből áll a préscella. Ez a karbantartó kérdésére felel. Jobb oldalt egy szekvenciadiagram, röviden sd: túlnyomásnál ki kinek szól, és milyen sorrendben. Ez az integrátor kérdése. Ugyanaz a cella, két helyes rajz, és egyik sem pótolja a másikat.

57. 57

    Igazolás és tanúsítás

    Igazolás (assurance): Bizonyosság megteremtése — mérnöki tevékenység, a követelménnyel együtt indul, nem a projekt végén · Állítás (claim) — egy pontosan kimondott tulajdonság, amiről el akarjuk dönteni, hogy igaz-e · Érvelés (argument) — a levezetés, amely a bizonyítékot az állításhoz köti; enélkül a bizonyíték csak adat · Bizonyíték (evidence) — mérés, teszt, elemzés vagy formális levezetés · Bizalmi szint (assurance level) — milyen feltételezéseken áll az érvelés, és mi dönthetné meg | Tanúsítás (certification): Formális elismerés — egy külső fél mondja ki a megfelelést · 1. Követelményrendszer kiválasztása — melyik szabvány, milyen alkalmazási körre · 2. Bizonyítékok összeállítása — tervek, tesztjegyzőkönyvek, kockázatelemzés, üzemeltetési utasítás · 3. Független audit — a bizonyítékokat és a folyamatot külső fél vizsgálja · 4. Tanúsítvány kiadása — megnevezett körre, megadott időre, feltételekkel · 5. Felügyelet és megújítás — ismételt audit és változáskezelés; a tanúsítvány lejár

    Ezt a kettőt gyakran összemossák, pedig más. Az igazolás mérnöki tevékenység: állítást fogalmaz meg, bizonyítékot gyűjt, érvelést épít a kettő közé, és a végén megmondja, mennyire bízik benne. A tanúsítás intézményes elismerés: egy külső fél kimondja, hogy megfelelsz egy követelményrendszernek. Igazolás nélkül a tanúsítás papír; tanúsítás nélkül az igazolás attól még érvényes.

58. 58

    Fizikai, jelátalakító, logikai — és az ember

    L3: Logikai réteg (logical layer) — adat, modell, döntés: itt fut a receptúra, az ütemező és a kiértékelés; ami itt történik, az szám és szabály, nem anyag · L2: Jelátalakító réteg (transducer layer) — érzékelő és beavatkozó, a híd a két világ között: fizikai mennyiség lesz jellé, jel lesz mozgássá; minden mérési hiba és minden késleltetés itt keletkezik · L1: Fizikai réteg (physical layer) — tömeg, energia, mozgás: szerszám, anyag, hajtás; ez az egyetlen réteg, ami a terméket ténylegesen előállítja · L0: Ember (human) — a fizikaiban dolgozik és a logikaiban dönt: beállít, felülbírál, értelmez; nem a rétegek fölött van, hanem mindkettőben benne

    Három réteg és egy szereplő. Alul a fizikai világ: tömeg, energia, mozgás. Felül a logikai: adat, modell, döntés. A kettő között a jelátalakító réteg, amely oda-vissza fordít — érzékelő az egyik, beavatkozó a másik irányba. Az ember pedig mindkettővel érintkezik: a fizikaiban dolgozik, a logikaiban dönt. A jövő heti tárgy pontosan a középső réteg.

59. 59

    Rekurzív felépítés egy termelési példán

    Egy szint a másikban: Szervohajtás (servo drive) — mér, dönt, beavatkozik: önmagában is zárt szabályozási kör → Robot (robot) — szervohajtások összehangolt együttese közös kinematikával és programmal → Robotcella (robot cell) — a robot, a gép és a kezelő közös munkatere, közös biztonsági logikával → Gyár (factory) — cellák és sorok együttese, közös ütemezéssel és anyagárammal → Termelési hálózat (production network) — gyárak és beszállítók együttese, közös rendeléssel és készlettel

    Ugyanaz az elemzés minden szinten megismételhető. A szervohajtás önmagában is kiberfizikai rendszer: mér, dönt, beavatkozik. A robot komponensként tartalmazza. A robotcella a robotot. A gyár a cellákat. A termelési hálózat a gyárakat. Hogy valami rendszer vagy komponens, az nem a tárgy tulajdonsága, hanem attól függ, hol húztuk meg éppen a határt. Nézd meg a rajzot: a dobozok nem egymás után állnak, hanem egymásban — a szervohajtás nem a robot előtt van, hanem benne.

60. 60

    Másik nézőpont: az ágensmodell

    Ágens: Érzékelés · Döntés · Kiértékelés · Vezérlés | Környezet: Emberek | Tanulási tapasztalatok | Mérések · Interakciók | Beavatkozások

    Ugyanaz a rendszer másképp is leírható. Van egy ágens és van egy környezet. A környezetből mérések érkeznek, az ágenstől beavatkozások mennek vissza, és a beavatkozás hatása a következő mérésben tér vissza. Ez az absztrakció ismerős lesz a szabályozástechnikából, a robotikából és a megerősítéses tanulásból — de vigyázz: attól, hogy ugyanaz a rajz, a három nem ugyanaz. Az ágens négy lépése — érzékelés, döntés, kiértékelés, vezérlés — belül fut le, és mind a négybe beleszól a tanulási tapasztalat; ezért áll az emlékezet a kör mellett, nem benne. És figyeld meg, hol van az ember: a környezetben, nem az ágensben.

61. 61

    The cognitive cycle: human and cyber-physical system

    Négy lépés: Érzékelés — az ember hallja, a rendszer méri: mindkettő a világból vesz jelet → Értelmezés — az ember felismeri, a rendszer számol: a jelből állítás lesz → Döntés — mindkettő választ a lehetséges beavatkozások közül → Cselekvés — az ember keze, a rendszer beavatkozója: itt ér vissza a világba ↺

    Két kör, ugyanaz a szerkezet. Az ember érzékel, értelmez, dönt, cselekszik. A kiberfizikai rendszer mér, számol, dönt, beavatkozik. A tanulság nem az, hogy a gép utánozza az embert, hanem az, hogy a kettő kiegészíti egymást: a rendszer olyan tartományban érzékel és olyan sebességgel dönt, ahol az ember nem tud, az ember pedig ott ítél, ahol a rendszernek nincs fogalma.

62. 62

    A kiberfizikai rendszer nem azonos a mesterséges intelligenciával

    Ami a CPS architektúrája — mesterséges intelligencia nélkül is teljes: Mérés — a fizikai mennyiség jellé válik · Számítás — a jelből állítás lesz a folyamat állapotáról · Döntés — a rendszer választ a megengedett beavatkozások közül · Beavatkozás — a döntés visszahat a folyamatra · A kör bezárul — a hatás a következő mérésben látszik | Amit az MI ehhez hozzátehet — funkció, nem réteg: Felismerés — ott, ahol a szabály nem írható le előre, de a példa megvan · Előrejelzés — kopás, meghibásodás, minőségi kifutás · Optimalizálás — ütemezés sok korlát mellett · Amit NEM ad — a bizonyítást: a helyessége nem levezethető, hanem mérni kell · Amit NEM cserél le — a biztonsági architektúrát: az MI javasol, nem engedélyez

    Fontos, hogy ez tiszta legyen. A kiberfizikai rendszer architektúra: mérés, számítás, döntés, beavatkozás, és a kör bezárása. Ez a szerkezet mesterséges intelligencia nélkül is teljes — a legtöbb működő ipari CPS ma sem használ tanuló modellt. Az MI később bizonyos modellezési és döntési funkciókat tölthet be ebben az architektúrában. Betölthet — nem kötelező, és nem automatikusan jobb. A bal oszlop enélkül is működő rendszer; a jobb oszlop az, amit hozzátesz — és a két utolsó sor az, amit nem.

63. 63

    Tíz szempont, tíz mérnöki kérdés

    Szempont | A kérdés, amit fel kell tenni · Funkcionális | Mit kell a rendszernek tennie? · Kommunikációs | Milyen információt, kik között, milyen garanciával? · Üzleti | Gazdaságilag miért létezik ez a rendszer? · Emberi | Mi az ember szerepe benne? · Megbízhatóság | Mennyire lehet a viselkedésére támaszkodni? · Időzítés | A szükséges cselekvés a szükséges időn belül megtörténik? · Adat | Mit jelent az adat, honnan jön, milyen a minősége? · Határok | Mi tartozik a rendszerhez és mi a környezethez? · Összetétel | Mi történik, ha a rendszereket összerakjuk? · Életciklus | Hogyan tervezzük, telepítjük, üzemeltetjük és vezetjük ki?

    A szempontokat nem címkeként használjuk, hanem kérdésként. Mindegyikhez tartozik egy mondat, amit fel lehet tenni bármelyik rendszerről. Ha végigkérdezed a tízet, akkor a legtöbb meglepetést megtaláltad, mielőtt az üzemben találkoznál vele. Ezt a tíz kérdést a féléves feladatnál kifejezetten számon fogom kérni.

64. 64

    Egy szempont a három faceten: időzítés

    Facet | Időzítés · Fogalomalkotás | a válaszidőnek 10 ms alatt kell maradnia · Megvalósítás | valós idejű szabályozó és kommunikációs architektúra · Igazolás | mért legrosszabb válaszidő: 7,3 ms

    Nem töltjük ki az egész mátrixot — most egyetlen sorral mutatom meg, mire jó. Fogalomalkotás: kimondjuk, hogy a válaszidőnek tíz ezredmásodperc alatt kell maradnia. Megvalósítás: valós idejű szabályozó és megfelelő kommunikációs architektúra. Igazolás: megmérjük, és azt kapjuk, hogy a legrosszabb eset hét egész három tized ezredmásodperc. Három oszlop, egy sor — és most már állítás helyett tudás van.

65. 65

    Amitől egy kiberfizikai rendszer nehéz

    Összekötöttség · Közös időalap · Átkonfigurálhatóság · Szintaktikai együttműködés · Jelentésbeli együttműködés · Meglévő eszközök bekötése · Kritikus szolgáltatás megbízhatósága · Több szakterület együttműködése

    Nyolc visszatérő nehézség. Nem hibák: ezek a feladat természetéből következnek. Az összekötöttség adja az értéket és a támadási felületet. Közös időalap nélkül két mérés nem vonatkoztatható ugyanarra az eseményre. Az átkonfigurálhatóság nyílt felületeket kíván. A szintaktikai együttműködés a könnyebbik fele, a jelentésbeli a nehezebbik. És a legtöbb munka nem az új beszerzése, hanem a meglévő bekötése.

66. 66

    A CPS-elemzés folyamata

    A menet: Érintettek — akiknek a rendszer működése számít → Nyers aggályok — társadalmi, üzleti és szakmai oldalról, ahogy elhangzanak → Szempontokhoz rendelés — mindegyik aggály a tíz szempont egyikéhez, hogy egy se vesszen el → Fogalomalkotás — követelmény és funkcionális modell → Megvalósítás — architektúra és technológia → Igazolás — bizonyíték és állítás; ami nem teljesül, új aggályt szül ↺

    Végül a menet, amely mindezt összefogja. Az érintettektől nyers aggályok érkeznek — társadalmi, üzleti és szakmai oldalról. Ezeket szempontokhoz rendeljük, hogy ne vesszen el egyik sem. Következik a fogalomalkotás: követelmény és funkcionális modell. Utána a megvalósítás: architektúra és technológia. Végül az igazolás: bizonyíték és állítás. A folyamat visszacsatolt — az igazolás rendszeresen új aggályt szül.

67. 67

    Concern-ektől a tanúsított CPS-ig

    Érdekfelek — társadalmi, üzleti, szakmai | Nyers CPS concern-ek | Aspektusok és concern-ek | Fogalomalkotási felület — a CPS modellje; mi legyen a rendszer része, és mit tegyen | Megvalósítási felület — a CPS példánya; hogyan készüljön, és hogyan működjön | Biztosítási felület — a CPS tanúsítása; hogyan bizonyítjuk, hogy úgy működik, ahogy elvárjuk | Tanúsított CPS | Lépések: CPS domének azonosítása · egymást kizáró concern-ek azonosítása; az érdekfelek átfedő concern-eket is megadhatnak · a concern-ek vizsgálata aspektusok készítéséhez vagy csoportosításához · az aspektusok megtámasztása folyamatokon és kimeneteken, a fő felületcsoportokon belül szervezve | Eredmény — támpont a fejlesztések megkezdéséhez, a követelmények és az architektúra azonosításához

    Ugyanez a menet szerkezetként. Balról az érdekfelek — társadalmi, üzleti és szakmai oldalról — nyers concern-eket hoznak. Ezeket aspektusokba rendezzük, és az aspektusok mindhárom felületen végigkísérnek. A fogalomalkotási felület a CPS modelljét adja: mi legyen a rendszer része, és mit tegyen. A megvalósítási felület a CPS példányát: hogyan készüljön, és hogyan működjön. A biztosítási felület a tanúsítást: hogyan bizonyítjuk, hogy úgy működik, ahogy elvárjuk. A végén a tanúsított CPS áll.

68. 68

    Azonosítás és automatikus adatgyűjtés

    Azonosítás — melyik darab, melyik tétel; vonalkód, kétdimenziós kód, RFID → Mérés — a darab jellemzője jellé válik, az azonosítóhoz kötve → Automatikus adatgyűjtés — azonosító és mérés emberi gépelés nélkül jut a rendszerbe → Nyomonkövethetőség — utólag megmondható, miből, mikor és melyik gépen készült a darab

    Egy dolgot még megemlítek, mert az információáramlás első lépése. Ahhoz, hogy egy darabról bármit tudjunk, azonosítani kell: melyik darab, melyik tétel, melyik gépen járt. Erre való az automatikus azonosítás és adatgyűjtés — vonalkód, kétdimenziós kód, rádiófrekvenciás azonosítás, érzékelők. Ez a jövő heti anyag: a mérési lánc bemenete. Most annyi elég, hogy tudd, hol a helye a képen. A részletek — vonalkód, GS1, kétdimenziós kód, közvetlen alkatrészjelölés, RFID — a második hét anyaga.

69. 69

    A központi hurok

    Fizikai folyamat → mérés → információ → döntés → beavatkozás ↺

    Ez a kurzus központi mondata. A fizikai folyamatból mérés útján információ lesz, az információból számítás útján döntés, a döntésből beavatkozás útján fizikai hatás — és a hatás megint mérhető. Ha ez a kör nem zárul be, akkor nem kiberfizikai rendszerről beszélünk, hanem drága adatgyűjtésről.

70. 70

    Négy komponensosztály

    Logikai: szoftver, modell, vezérlés · Fizikai: gép, anyag, energia · Jelátalakító: érzékelő és beavatkozó · Emberi: kezelő, mérnök, karbantartó

    A kiberfizikai rendszer logikai, fizikai, jelátalakító és emberi komponensekből áll, és ezeket együtt tervezik. A logikai számol és dönt, a fizikai tömeggel és energiával rendelkezik, a jelátalakító a kettő között fordít, az ember pedig nem a felhasználó, hanem a rendszer része.

71. 71

    The logical component, in the flesh

    Siemens S7-1200 (compact PLC): Kompakt vezérlő — tápegység, processzor és digitális be- és kimenetek egy házban · Ciklus (scan cycle) — bemenetek beolvasása, program lefuttatása, kimenetek kiírása, determinisztikus időzítéssel | Siemens S7-200 (previous generation): Korábbi nemzedék — ugyanaz a feladat, kevesebb memória, lassabb busz · A szerepe változatlan; egy üzemben húsz évig is elfut, és ez nem elmaradottság, hanem eszközélettartam | Mitsubishi FX3G (another vendor): Másik gyártó, ugyanaz a funkció — a komponensosztályt a szerep adja, nem a logó · A program elvben hordozható (IEC 61131-3), a huzalozás és a könyvtárak nem | Mitsubishi FX3U-4AD-PT-ADP (analogue input module): Analóg bemeneti modul — hőelem és ellenállás-hőmérő jelét olvassa · Ez már NEM logikai, hanem jelátalakító: itt válik a fizikai mennyiség számmá, és itt keletkezik a mérési bizonytalanság

    Eddig dobozokat rajzoltunk; nézzük meg, mi van bennük. Az első három kép ugyanazt a komponensosztályt mutatja — a logikait —, két gyártótól és két nemzedékből. A tanulság nem az, hogy melyik a jobb, hanem az, hogy a funkció ugyanaz: ciklusonként beolvassa a bemeneteket, lefuttatja a programot, kiírja a kimeneteket, determinisztikus időzítéssel. A negyedik kép a kivétel, és pont ezért van itt: az egy analóg bemeneti modul, vagyis már nem a logikai réteg, hanem a jelátalakító. Ha ránézésre nem tudod eldönteni, melyik melyik, az nem a te hibád — a szekrényben egymás mellett ülnek.

72. 72

    Három áramlás, nem egy

    Információáramlás · Döntési áramlás · Beavatkozási áramlás

    A hurokban három különböző dolog áramlik, és mindhármat külön kell megtervezni. Az információ arról szól, mi jut el hova és mikor. A döntés arról, ki dönt és milyen hatáskörrel. A beavatkozás arról, hogyan lesz a döntésből fizikai hatás. Ha a harmadik hiányzik, csak jelentés készült.

73. 73

    Ugyanaz az elemzés, négy szinten

    Összeépítési szintek: SoS: rendszerek rendszere — a gyár · Rendszer: a gyártócella · Alrendszer: a robot a vezérlőjével · Eszköz: egy érzékelő vagy hajtás

    A rendszer fogalma rekurzív. Ami az egyik szinten rendszer, az a következőn komponens. A gyár rendszerek rendszere: a robotcella akkor is működik, ha az ERP éppen áll — és éppen ez különbözteti meg egy nagy monolit rendszertől.

74. 74

    Rendszer, környezet, határ, interfész

    Rendszer ↦ a kölcsönhatások · Környezet ↦ feltételezések · Határ ↦ döntés és felelősség · Interfész ↦ ami átmegy

    Négy fogalom, amit a küldetésben használni fogsz. A rendszert a kölcsönhatásai adják. A környezet az, amire nincs ráhatásunk, csak feltételezésünk. A határ mérnöki döntés: mi tartozik hozzánk. Az interfész pedig az, ami a határon átmegy — rögzített alakban, időzítéssel és jelentéssel.

75. 75

    Kérdés

    Egy gyártócellában van egy hidraulikus prés, egy PLC, egy nyomásérzékelő és egy kezelő. Melyik a jelátalakító komponens?

    Question

    1. 1. A PLC, mert az köti össze a többit.
    2. 2. A nyomásérzékelő, mert fizikai mennyiséget alakít jellé.
    3. 3. A kezelő, mert ő közvetít a gép és az irányítás között.

    A jelátalakító a fizikai és az információs világ között fordít: érzékelő az egyik irányba, beavatkozó a másikba. A PLC logikai komponens, a kezelő emberi. A jövő héten végigmegyünk azon, mit tesz hozzá az érzékelő dinamikája, a mintavételezés és a szűrés.

76. 76

    Három facet: ahogy a rendszert nézzük

    Fogalomalkotás (conceptualisation): Mit akarunk, és milyen feltételek mellett — a szándék rögzítése · Használati esetek (use cases) — mire fogják használni, milyen körülmények között · Érintettek és aggályaik (stakeholders, concerns) — ki kér számon rajtunk mit · Követelmények (requirements) — mérhetően kimondott elvárások, elfogadási küszöbbel · Kimenete a rendszer modellje, nem a rendszer | Megvalósítás (realisation): Hogyan építjük meg — a szándék anyaggá és kóddá fordítása · Architektúra és részletes terv (architecture, design) — elemek, interfészek, felelősségek · Implementáció és integráció (implementation, integration) — gyártás, kódolás, összeépítés · Üzemeltetés és karbantartás (operation, maintenance) — a rendszer élete az átadás után · Kimenete maga a működő rendszer | Igazolás (assurance): Mivel bizonyítjuk, hogy a megépített rendszer a szándékot teljesíti · Állítás és bizonyíték (claim, evidence) — mit állítunk, és mi szól mellette · Érvelés (argument) — a levezetés, amely a kettőt összeköti · Bizalmi szint (assurance level) — mennyire erős az érvelés, és mi dönthetné meg · Kimenete az igazolási dosszié, és rá épülve a tanúsítvány

    A rendszertervezés három nézőpontot használ. A fogalomalkotás azt mondja meg, mit akarunk. A megvalósítás azt, hogyan építjük meg. Az igazolás azt, mivel bizonyítjuk, hogy a megépített rendszer teljesíti a szándékot. Ez nem vízesés: mindhárom egyszerre érvényes ugyanarra a rendszerre. Angolul conceptualisation, realisation és assurance — a NIST-keret is ezen a három felületen kérdez.

77. 77

    Fogalomalkotás és megvalósítás

    Fogalomalkotás (conceptualisation): Érintettek (stakeholders) — akiknek az aggálya követelménnyé válik; üzemeltető, karbantartó, auditor, vevő · Követelmények (requirements) — mérhetően kimondott elvárás; ha nem tudsz hozzá mérést és elfogadási küszöböt rendelni, még nem követelmény · Funkciók (functions) — mit csinál a rendszer, a megvalósítás megnevezése nélkül · Határ (boundary) — mi tartozik a rendszerhez és mi a környezethez; ez dönti el, kinek a felelőssége a hiba · Elvárt tulajdonságok (qualities) — biztonság, rendelkezésre állás, időzítés, karbantarthatóság | Megvalósítás (realisation): Architektúra (architecture) — elemekre bontás, interfészek és felelősségek rögzítése · Részletes terv (detailed design) — méretezés, alkatrészválasztás, vezérlési logika · Implementáció (implementation) — gyártás, szerelés, kódolás, paraméterezés · Integráció (integration) — az elemek összeépítése és az interfészek kipróbálása · Szimuláció (simulation) — a döntés olcsó kipróbálása, mielőtt anyag lesz belőle · Üzemeltetés (operation) — a leghosszabb szakasz, és az egyetlen, amit a vevő lát

    Az első oszlop a kérdéseké, a második a döntéseké. A követelmény akkor követelmény, ha lehet hozzá mérést és elfogadási kritériumot rendelni; a megvalósítási döntések ára pedig időben nő — az interfészek megváltoztatása két év múlva nagyságrendekkel drágább.

78. 78

    Igazolás: állítástól a bizalomig

    Állítás (claim) — egy pontosan kimondott tulajdonság, amelyről el akarjuk dönteni, hogy igaz-e → Bizonyíték (evidence) — mérés, teszt, elemzés vagy formális levezetés, ami az állítás mellett szól → Érvelés (argument) — a levezetés, amely a bizonyítékokat az állításhoz köti; enélkül a bizonyíték csak adat → Bizalmi szint (assurance level) — mennyire erős az érvelés: milyen feltételezéseken áll, mekkora a maradék bizonytalanság, mi dönthetné meg

    Az igazolás négy részből áll. Az állítás egy pontosan kimondott tulajdonság. A bizonyíték mérés, teszt vagy elemzés. Az érvelés az, ami a kettőt összeköti. A bizalmi szint pedig azt mondja meg, min áll az érvelés, és mi dönthetné meg. Bizonyíték érvelés nélkül csak adat.

79. 79

    Ten aspects to interrogate a system with

    Funkcionális szempont (functional) · Kommunikációs szempont (communications) · Üzleti szempont (business) · Emberi szempont (human) · Megbízhatósági szempont (trustworthiness) · Időzítési szempont (timing) · Adat szempont (data) · Összeépítési szempont (composition) · Határ szempont (boundaries) · Életciklus szempont (lifecycle)

    A szempont — angolul aspect, és a NIST kerete is így nevezi — mérnöki aggályok csoportja, nem komponens. Nem arra kérdez rá, miből áll a rendszer, hanem arra, hogy mi az, ami miatt aggódnunk kell. Tíz van belőlük, és mindegyikhez ugyanaz a három facet-kérdés tartozik: mit követelünk meg, hogyan valósítjuk meg, mivel igazoljuk.

80. 80

    Szempont × facet

    Szempont | Fogalomalkotás | Megvalósítás | Igazolás · Időzítés | 10 ms alatti válasz | valós idejű ütemező, determinisztikus hálózat | mért legrosszabb eset 7,3 ms · Adat | jelentés, minőség, eredet | séma, kalibrálás, időbélyeg | visszavezethető adathalmaz · Emberi | kezelői szerep és hatáskör | kezelőfelület, eljárás, képzés | megfigyelt használhatóság · Megbízhatóság | biztonságos állapot | biztonsági felügyelő, tartalék logika | igazolt leállítási út

    Innen lesz a félév visszatérő munkaeszköze. Minden szempontot háromszor kérdezünk meg: mit követelünk meg, hogyan valósítjuk meg, és mivel igazoljuk. A harmadik oszlop az, amit a legtöbb projekt üresen hagy.

81. 81

    The conceptual model of a cyber-physical system

    Domének (domains): Gyártás · Közlekedés · Energia · Egészségügy · Mezőgazdaság · Épületek | Szempontok (aspects): Funkcionális · Üzleti · Emberi · Megbízhatóság · Időzítés · Adat · Határok · Összetétel · Életciklus | Fogalomalkotás (conceptualisation): Igények, használati esetek, követelmények ↦ CPS-modell | Megvalósítás (realisation): CPS-modell, tervek, komponensek ↦ Kiberfizikai rendszer | Igazolás (assurance): Állítások, bizonyítékok, érvelés ↦ Igazolási dosszié

    Ez az ábra egyben mutatja, amit eddig darabonként néztünk. Balra a domének: ugyanaz a keret érvényes a gyártásra, a közlekedésre vagy az energiára — a szavak mások, a szerkezet ugyanaz. Középen a szempontok: ez az a tíz kérdés, amivel végig lehet kérdezni bármelyik rendszert. Jobbra a három felület, és most figyelj a nyilakra: mindegyik felület kap valamit és ad valamit. A fogalomalkotás igényekből modellt csinál, a megvalósítás modellből rendszert, az igazolás pedig állításokból dossziét. Ha a három közül bármelyik kimenete hiányzik, a következő nem tud elindulni.

82. 82

    Egy sor a mátrixból, közelről

    Időzítés: követelmény ↦ válaszidő < 10 ms · Megvalósítás ↦ valós idejű ütemező és determinisztikus hálózat · Igazolás ↦ mért legrosszabb eset 7,3 ms

    Nézzük az időzítést végig. A fogalomalkotás oldalán ez egy szám: tíz ezredmásodpercen belüli válasz. A megvalósítás oldalán ebből valós idejű ütemező és determinisztikus hálózat lesz. Az igazolás oldalán pedig egy mérési kampány eredménye. Csak a harmadik oszlop után mondhatjuk, hogy a követelmény teljesül.

83. 83

    Kérdés

    Egy jelentésben ez áll: a rendszer válaszideje a mérések szerint 7,3 ezredmásodperc volt. Mi hiányzik ahhoz, hogy ez igazolás legyen?

    Question

    1. 1. Semmi: van mérés, tehát van bizonyíték.
    2. 2. A kimondott állítás és az érvelés, hogy a mérés lefedi a lényeges üzemmódokat.
    3. 3. Egy pontosabb műszer.

    A mérés önmagában adat. Igazolás akkor lesz belőle, ha van kimondott állítás, és van érvelés arról, hogy a mérési kampány lefedi a lényeges üzemmódokat — meg arról, mekkora a maradék bizonytalanság. Egy üresjárati mérés nem bizonyít semmit a terhelt üzemállapotról.

84. 84

    A kiterjesztett kognitív ciklus

    Emberi kognitív tér | Érzékelés → Döntés → Cselekedet → Hatás | Mérés, információ → Számítás → Beavatkozás → Anyagi, fizikai hatás | Kognitív tér | Materiális tér | CPS-javított felhasználói élmény | Frissítési fázis

    Van egy kör, amit az ember is fut: érzékel, dönt, cselekszik, és a cselekedetének hatása visszajut hozzá. Ez a belső kör. A kiberfizikai rendszer ezt nem helyettesíti, hanem kiterjeszti a külső körrel: mérés és információ, számítás, beavatkozás, anyagi hatás. A vízszintes vonal fölött a kognitív tér, alatta a materiális. A két kör a frissítési fázisban kapcsolódik össze: az ember a rendszer hatásából tanul, a rendszer az ember döntéseiből — ebből lesz a CPS-javított felhasználói élmény.

85. 85

    Az ember a rendszerben

    Felhasználó · Felügyelő · Irányító · Partner

    Az ember négyféleképpen jelenik meg: felhasználóként, felügyelőként, irányítóként és partnerként. Mind a négy más tervezési következménnyel jár. Amit mindegyikhez tervezni kell, az a helyzeti tudatosság: ha a képernyő nem mutatja meg, mi történik és mit jelent, akkor a felügyelet formális marad.

86. 86

    Iparági példák és mért eredmények

    E szakasz: Öt iparág, egy architektúra — és három cégjelentette eredmény, forrással.

    A modell akkor ér valamit, ha különböző iparágakban is működik. Az itt következő számok cégjelentette adatok, hivatkozással; kitalált teljesítményszám nincs az anyagban.

87. 87

    Öt tárgyterület, egy architektúra

    Terület | Alapobjektum | Amit mérünk | Fő mutató · Vegyipar | anyagáram | hőmérséklet, nyomás, összetétel | kihozatal és energia · Gyógyszeripar | sarzs | kritikus minőségjellemzők | minőség és megfelelőség · Járműipar | jármű, részegység | geometria, nyomaték | ütem és OEE · Mikroelektronika | szelet, lapka | metrológiai mérés | kihozatal · Nukleáris | reaktor és rendszerei | fluxus, hőmérséklet, nyomás | biztonság és rendelkezésre állás

    Az Ipar 4.0 nem járműipari szerelősorokat jelent. Ez az öt terület végigkíséri a félévet, és mindegyikben ugyanaz a szerkezet jelenik meg — más mennyiségekkel, más kockázattal és más mutatóval.

88. 88

    Az architektúra általános, a jelentés nem

    Mérés → Modell → Döntés → Beavatkozás | Présüzem: nyomásgörbe löketenként · a jó darab görbéje, tűréssávval · selejt-e a darab · kidobás, szerszámállítás · selejt, szerszámkár | Sörfőzde: hőmérséklet-profil cefrézés közben · a receptúra hőlépcsői · fűteni vagy hűteni kell-e · gőzszelep állítása · elrontott sarzs | Kórház: vitálparaméterek · a beteg normál tartománya · riasztás, orvos hívása · infúzió adagolása · emberi élet

    Ez a félév egyik visszatérő mondata. A rendszerelvek tárgyterülettől függetlenek: mindenhol van mérés, modell, döntés és beavatkozás — ez a felső sor. De nézd meg, mit jelent ugyanez a négy lépés három helyen. A présüzemben a mérés nyomásgörbe, a sörfőzdében hőmérséklet-profil, a kórházban vitálparaméter. Hogy mit jelent egy hiba, mekkora a kockázata, és mit fogadunk el bizonyítéknak, az iparáganként gyökeresen más.

89. 89

    Hogyan olvasunk egy ipari eredményt

    Mi volt a probléma · Mit mértek · Mit integráltak · Mi változott a döntési hurokban · Melyik mutató javult · Mibe került

    A következő három dián valódi, cég által közölt eredményeket nézünk meg. Mindegyiknél ugyanazt a hat kérdést tesszük fel. És mindig megnézzük, ki állítja a számot: a szállító, egy független mérés, vagy egy tanórai szemléltető számítás. A három nem ugyanaz.

90. 90

    Virtuális üzembe helyezés — Siemens esettanulmány

    Probléma ↦ hosszú helyszíni üzembe helyezés, újramunkálás · Integráció ↦ szimulált gép és valódi vezérlés · Változás a hurokban ↦ a hibák a modellen derülnek ki · Jelentett hatás ↦ 70% rövidebb helyszíni idő

    Egy automatizálási rendszereket építő cég, a Wipro PARI, motorszerelő sor üzembe helyezését végezte el először virtuálisan, hardver a hurokban típusú teszteléssel. A cég által közölt eredmény: a helyszíni üzembe helyezési idő hetven százalékkal csökkent, a projekt három hónap alatt készült el a szokásos hat-nyolc helyett, az újramunkálás pedig negyven-ötven százalékkal csökkent. Ez szállítói esettanulmányban közölt adat.

91. 91

    Peremintelligencia az üzemben — Mitsubishi Electric

    Amit a cég közölt (reported): Üzem — Mitsubishi Electric, Shinshiro gyár, Japán; motortengelyek gyártása · Termékváltozat — több mint ezerféle, kis sorozatokban · Átállás — havonta mintegy 240 átállás; a szűk keresztmetszet nem a forgácsolás sebessége, hanem az átállás · Megoldás — e-F@ctory: peremszintű adatgyűjtés a gépekről, gépállapot és átállási idő mérése, és erre épülő ütemezés · Jelentett hatás — mintegy másfélszeres termelékenység és bővülő éjszakai automatikus üzem | Amit ebből tanulunk (how to read it): Cégjelentette adat — nem független mérés; a szám a gyártó saját kommunikációja a saját termékéről · Hiányzik a kiindulópont — másfélszeres mihez képest, mekkora időszak alatt, és mi változott még közben · A mechanizmus viszont ellenőrizhető — sok változat és gyakori átállás mellett az átállási idő és az ütemezés dominál; ezt a 3. héten ki fogjuk számolni · Az átvihető tanulság nem a termék neve — hanem a kérdés: nálad mi a szűk keresztmetszet, és mennyibe kerül egy átállás · Ha a válasz nem az átállás, akkor ez az eset nálad nem érvényes

    A Mitsubishi Electric saját, Shinshiro nevű gyárában motortengelyeket gyártanak, több mint ezerféle változatban, kis sorozatokban. Az átállások száma havi kétszáznegyven körül van. A cég által közölt eredmény: az e-F@ctory megoldással másfélszeres termelékenységet értek el, és bővült az éjszakai automatikus üzem.

92. 92

    Összekötött gyártás — Bosch Nexeed

    Amit a cég közölt (reported): Rendszer — Bosch Nexeed, először a Bosch saját gyáraiban bevezetve · Mérés — egy telephelyen több mint 60 000 érzékelő adatának kiolvasása és közös adatrétegbe rendezése · Integráció — valós idejű visszajelzés a gyártásnak és a belső logisztikának, közös jelentéssel · Jelentett hatás — egyes telephelyeken akár 25 százalék termelékenységnövekedés és 30 százalék készletcsökkenés · Homburg — mintegy 40 százalékkal kisebb energiafogyasztás | Amit ebből tanulunk (how to read it): Cégjelentette adat — a gyártó a saját termékéről beszél; a szám marketingkörnyezetben született · Az „akár” szó a legjobb esetet jelenti — az átlagról és a sikertelen bevezetésekről nincs adat · A felsorolt mutatók ismerősek — termelékenység, készlet, energia, állásidő: pontosan a 3. hét fogalmai · Ezért nem külön téma a gazdaságtan — a mérés folytatása, ugyanazokkal a mutatókkal · A jó kérdés nem az, hogy igaz-e, hanem az, hogy nálad melyik mutató mozdulna el, és mennyivel

    A Bosch saját gyáraiban használja a Nexeed rendszerét: egy helyen több mint hatvanezer érzékelő adatát olvassák ki. A cég által közölt eredmények között szerepel, hogy egyes telephelyek akár huszonöt százalékkal növelték a termelékenységet, harminc százalékkal csökkentették a készletet, a homburgi telephely pedig negyven százalékkal kevesebb energiát fogyaszt. Ismét: cégjelentette adat.

93. 93

    És ami nem szám: a módszer

    Előbb: a folyamat megértése · A hiba láthatóvá tétele · A készlet csökkentése | Utána: mérés és adat · Modell és döntés · Automatizált visszacsatolás

    A Toyota termelési rendszere évtizedekkel az Ipar 4.0 előtt megfogalmazta, hogy a folyamat megértése előbbre való a technológiánál. Jidoka: a gép álljon meg, ha hibát észlel. Éppen időben: ne termelj készletre. A digitális eszközök ezt nem váltják ki — felerősítik. Ez a kurzus is ebben a sorrendben halad.

94. 94

    Szintek, autonómia, futtatható modellek

    E2 szakasz: Szintek, autonómia, és a modell, amely futtatható.

    Két tengelyt választunk szét: a funkcionális hierarchiát és az autonómiát. A kettő nem ugyanaz, és az összekeverésük a leggyakoribb félreértés az Ipar 4.0 körül.

95. 95

    Funkcionális hierarchia

    Szintek: L4: ERP — tervezés, ellátási lánc, hetek · L3: SCADA, MES — üzemvégrehajtás, nyomonkövetés, órák · L2: PLC, CNC, DCS, robotvezérlő — vezérlés, ezredmásodpercek · L1: Érzékelők, hajtások, beavatkozók — a fizikai határ · L0: Gépek, anyag, ember — a fizikai folyamat

    Az ipari rendszerek klasszikus rétegzése öt szint. Alul a fizikai folyamat, fölötte az érzékelés és a beavatkozás, aztán az automatikus vezérlés, az üzemvégrehajtás, végül a vállalati szint. Mindegyik más időskálán dönt: a vezérlő ezredmásodpercben, az ERP hetekben.

96. 96

    Az Ipar 4.0 nem egy hatodik szint

    Ha újabb szint volna (the misreading): Egy újabb rendszer a tetején — még egy doboz az ERP fölé, saját adatbázissal · Több jelentés felfelé (more reporting) — az adat útja hosszabb lesz, nem rövidebb · A döntés ugyanott marad — a műhely továbbra is megvárja a választ · A beruházás egy termék megvásárlása, a haszna pedig a szállító ígérete | Amit valójában ad (what it actually does): Kapcsoltság a szintek között (connectivity) — a mérés és a döntés között kevesebb kézi átadás van · Közös jelentés az adatnak (semantics) — ugyanaz a szám ugyanazt jelenti két rendszerben; enélkül az integráció örökös fordítási munka marad · Modell és visszacsatolás (model, feedback) — a rendszer előre tud jelezni, és a saját hibájából tanul · A döntés oda kerül, ahol hatni tud (decentralised decision) — a cellában dől el, ami a cellában eldönthető · A beruházás tárgya integráció, nem doboz

    Gyakori félreértés, hogy az Ipar 4.0 egy újabb réteg az ERP fölött. Nem az. A meglévő szintek közé visz kapcsoltságot, szemantikát, modelleket és visszacsatolást — az információ útja rövidül, és kétirányúvá válik. A piramis nem tűnik el; átjárhatóbb lesz.

97. 97

    A másik tengely: autonómia

    Kézi (manual) — ember végzi és ember dönt; a gép szerszám, nem szereplő → Műszerezett (instrumented) — mérünk és rögzítünk, de a döntés az emberé; ez az első fok, ahol egyáltalán van adat → Automatizált (automated) — rögzített szabály szerint fut egy zárt kör; gyors és ismételhető, de a szabályon kívülre nem tud lépni → Összekötött (connected) — a gépek és a szintek között folyik az adat; itt jelenik meg először a rendszerszintű kép → Modellalapú (model-based) — modell számol előre: mi lesz, ha; a döntés már nem csak a jelen mérésén áll → Adaptív (adaptive) — a rendszer a saját tapasztalatából hangolja magát, megadott korlátok között → Autonóm (autonomous) — a rendszer célt kap, és az odavezető utat maga választja; itt a legnagyobb az igazolási teher

    Ez nem ugyanaz, mint a hierarchia, és a kettőt gyakran összekeverik. A hierarchia azt mondja meg, melyik réteg mit csinál. Az autonómialétra azt, milyen érett a döntés. Egy vezérlő lehet pusztán automatizált és lehet modellalapú is — ugyanazon a szinten.

98. 98

    Mit ad egy fok, és mit kér cserébe

    Fok | Mi válik láthatóvá | Milyen döntés gépesül | Új kockázat · Műszerezett | a valódi ciklusidő és állásidő | semmi, az ember dönt | rossz mérés, hamis biztonság · Automatizált | a gép állapota | gyors, ismétlődő döntés | merevség, vak automatizmus · Összekötött | az üzem egésze | koordináció, nyomonkövetés | hálózat mint hibaforrás · Modellalapú | a nem mért mennyiség is | ütemezés, becslés | a modell érvényessége · Adaptív | a viselkedés változása | a hangolás maga | a viselkedés már nem állandó

    Minden fok három dolgot változtat: mi válik láthatóvá, milyen döntés gépesül, és milyen mutató javulhat. És mindegyik hoz egy negyediket is: új kockázatot, amit igazolni kell. Ez a félév egyik alapelve — a magasabb autonómia nagyobb igazolási teher.

99. 99

    A félév referenciaüzeme

    1. gép → puffer → robot → 2. gép

    Hogy ne minden héten új példát kelljen megérteni, egyetlen üzemet viszünk végig: gép, puffer, robot, gép. Elég egyszerű ahhoz, hogy felrajzolható legyen, és elég gazdag ahhoz, hogy sorképződés, holtpont, ütemezés és hiba is megjelenjen benne.

100. 100

     Ugyanaz a cella, hét fokozaton

     Fokozat | Mi történik | Mi válik lehetségessé · 0 Kézi | ember mozgat és tud | tapasztalat, de nincs adat · 1 Műszerezés | jelenlét és számlálás | a valódi ciklusidő megismerése · 2 Vezérlés | PLC vezérli a sorrendet | ismételhetőség, programozott átállás · 3 Koordinált cella | közös ütemezés | a puffer tervezett szerepe · 4 MES-integráció | rendelés és állapotjelentés | nyomonkövetés, üzemszintű mutató · 5 Kiberfizikai | digitális állapotmodell visszahat | mi-lenne-ha, ütemezés, karbantartás · 6 Adaptív | a cella hangolja magát | változékonyság kezelése, igazolt korlátok között

     Nézzük meg, mi változik. Nem számokat ígérek: a haszon üzemenként más, és kitalált százalékokat nem mondok. Azt viszont pontosan meg lehet mondani, mi válik lehetségessé az egyes fokozatokon — és mi az ára.

101. 101

     A referenciacella, futtatva

     Egy közös állapot, öt nézet, és egy hatodik, amely megmondja, mi okozta a változást.

     Ez már nem ábra, hanem futó modell. Négy elem: gép, puffer, robot, gép. Lépj egyet, és nézd meg, melyik átmenet tüzelt és miért. Aztán injektálj hibát a második gépbe, és figyeld, mi történik egyszerre: a befejezés átmenet letiltódik, a rendelkezésre állás kettőről egyre esik, a hibaszámláló nő, és a kockázati nézet megmondja, hogy fizikai hiba okozta — a hozzá tartozó őrfeltétellel együtt.

102. 102

     P-gráf és Petri-háló

     P-gráf: mit építsünk? · Anyagok és műveleti egységek · Alternatív technológiák · Szerkezeti keresés | Petri-háló: hogyan működik? · Helyek, átmenetek, tokenek · Egyidejűség és erőforrás · Elérhetőség és holtpont

     Két formalizmus, két különböző kérdés. A P-gráf a szerkezetről szól: milyen technológiákból milyen folyamathálózatot építsünk. A Petri-háló a viselkedésről: hogyan működik az, amit megépítettünk, és hol állhat be holtpont. Az ötödik és a negyedik hét témája.

103. 103

     Követelménytől a bizonyítékig

     Követelmény → szerkezeti szintézis → architektúra → viselkedési modell → vezérlés → fizikai üzem → mérés és bizonyíték ↺

     És így áll össze az egész. A követelményből szerkezeti szintézissel architektúra lesz, abból viselkedési modell, abból vezérlés, abból fizikai üzem — a mérés pedig visszavezet a követelményhez. A három facet ezen a körön oszlik el: a fogalomalkotás az elején, a megvalósítás középen, az igazolás a mérésnél.

104. 104

     One system description, many views

     Egy leírásból vezetjük le: kanonikus rendszerleírás — SysML v2, AAS, Modelica · Futtatókörnyezet — állapot, átmenetek, invariánsok · Projekciók — Petri-háló, szerkezeti gráf, szemantikus gráf, mutatók · Megjelenítés — fizikai jelenet, geometria, animáció

     Az elv nem egy konkrét eszközé, hanem a rendszertervezésé: egyetlen kanonikus rendszerleírás, és belőle vezetjük le a nézeteket. A blokkdiagram, az állapotgép, a Petri-háló, a mutatók és a fizikai jelenet nem öt külön rajz, hanem ugyanannak az egy leírásnak öt vetülete. Ha a rendszerleírás megváltozik, mindegyik nézet vele változik — és ez az egyetlen módja annak, hogy ne mondjanak ellent egymásnak.

105. 105

     Előnyök, kockázatok, MI és kiberbiztonság

     E3 szakasz: Megéri-e, mikor, és milyen áron.

     Ez a tárgy mérlegelő része. Az előny mutatóhoz kötve érvényes, a kockázat mérnöki intézkedéshez kötve kezelhető, az állítás bizonyítékhoz kötve hihető.

106. 106

     Kihívások, előnyök, MI és kiberbiztonság

     Az Ipar 4.0 nem automatikus haladás, hanem mérnöki mérlegelés.

     Eddig arról beszéltünk, mi az Ipar 4.0 és hogyan épül fel. Most arról, hogy megéri-e, mikor, és milyen áron. Ez a blokk a tárgy mérlegelő része. Aki csak az előnyöket tanulja meg, az nem mérnök, hanem értékesítő; aki csak a kockázatokat, az nem óvatos, hanem tehetetlen.

107. 107

     Miben segít az Ipar 4.0?

     Mérés → információ → modell → döntés → beavatkozás → megváltozott mutató

     Ez az egész tárgy egyetlen mondatban. Az Ipar 4.0 akkor teremt értéket, ha a mérés, az információ, a modell, a döntés és a beavatkozás együtt elmozdít egy konkrét rendszermutatót. Nézd meg a láncot: nincs benne technológia. Ha bármelyik szem hiányzik — mert nincs mérve, mert az adat késik, mert a döntés nem jut vissza a géphez —, akkor a végén nem mozdul semmi.

108. 108

     Várható előnyök I.: rendelkezésre állás és idő

     Állapotfigyelés és kopásjelzés ↦ állásidő csökken · Folyamatjellemzők valós idejű kiértékelése ↦ selejt csökken · Cellák közti állapotmegosztás ↦ áteresztőképesség nő · Rendelésállományhoz igazított ütemezés ↦ átfutási idő csökken

     Ezek nem garanciák, hanem lehetséges eredmények jól megtervezett rendszer esetén. Szándékosan nyilakat írok, nem százalékokat: konkrét szám csak konkrét üzemre, konkrét méréssel mondható. Az E szakaszban láttál cégjelentette adatokat forrással; ez a dia nem azokat ismétli, hanem a szerkezetet mutatja.

109. 109

     Várható előnyök II.: átállás, energia, nyomonkövethetőség

     Szerszámcsere-támogatás ↦ átállási idő csökken · Gépenkénti energiamérés ↦ fajlagos energia csökken · Darabszintű azonosítás ↦ nyomonkövethetőség javul · Program- és receptúraváltás automatizálása ↦ rugalmasság nő

     A második négy ugyanígy olvasandó: bal oldalon egy megnevezett beavatkozás, jobb oldalon egy mutató, és közte egy feltétel, ami nélkül a nyíl nem érvényes. Ez a négy azért került külön, mert ezeknél a beruházás jellemzően kisebb, a hatás pedig hamarabb mérhető — a nyomonkövethetőség és az energia sokszor az első lépés, nem az utolsó.

110. 110

     Az előny nem jár automatikusan

     Amitől előny lesz: mérhető kiindulási érték · A döntéshez visszajutó információ · Felelős, aki dönthet · Igazolt működés | Amit nem old meg: rosszul tervezett folyamat · Hiányzó karbantartás · Tisztázatlan felelősség · Rossz termékszerkezet

     Balra az, ami az előnyt lehetővé teszi, jobbra az, amit a technológia önmagában nem old meg. A második oszlop a fontosabb. Rossz folyamatból nem lesz jó folyamat attól, hogy mérjük; csak pontosabban fogjuk tudni, mennyire rossz. Ez egyébként már önmagában érték — de nem az az érték, amit a beruházási kérelem ígért.

111. 111

     Hol fizetődik ki először?

     Szűk keresztmetszet · Nagy változékonyság · Későn kiderülő minőségi hiba · Drága leállás · Nagy anyag- vagy energiaveszteség · Gyenge nyomonkövethetőség · Elmenő szaktudás · Bonyolult átállás · Nem látható folyamatállapot · Összekötetlen automatizálási szigetek

     Tíz tipikus helyzet, ahol a beavatkozás hatása nagy és rövid úton mérhető. Ha egy üzemben kettő-három ezek közül egyszerre igaz, ott érdemes kezdeni. Ahol egyik sem, ott a digitalizálás nem rossz ötlet — csak nem az első lépés.

112. 112

     Jó és rossz első projekt

     Jó első projekt: kicsi · Mérhető · Egy döntéshez kötött · Van kiindulási értéke · Van határideje | Rossz első projekt: nagy · Homályos · Technológiával kezdődik · Nincs sikerkritérium · Nincs gazdája

     A jó első projekt kicsi, mérhető, és egy konkrét döntéshez kapcsolódik. Van kiindulási értéke, van határideje, és a végén meg lehet mondani róla, hogy sikerült-e. A rossz nagy, homályos, technológiával kezdődik, és sikerkritérium helyett vízió van benne. A második rendszerint működő demóval és semmilyen üzemi változással végződik.

113. 113

     Hátrányok és rejtett költségek

     Víz fölött: hardver · Licenc · Érzékelő | Víz alatt: integráció · Adattisztítás · Jelentésbeli illesztés · Igazolás · Kiberbiztonság · Betanítás · Üzemeltetés · Modellkarbantartás · Migráció · Szállítói bezáródás

     A beszerzési ár a jéghegy csúcsa. A víz fölött van a hardver, a licenc és az érzékelő — ezekre kérünk árajánlatot. A víz alatt van az integráció, az adattisztítás, az igazolás, a kiberbiztonság, a betanítás, az üzemeltetés, a migráció és a karbantartás. Egyik sem opcionális; a különbség csak annyi, hogy tervezve van-e, vagy menet közben derül ki.

114. 114

     A teljes költség

     A digitális átalakítás költsége nem azonos a beszerzési árral. Húzd az élettartamot: a beszerzési ár egyszer szerepel, az évenkénti tétel n-szer.

     Írjuk fel. A teljes költség a hardver, a szoftver, az integráció, a betanítás, az igazolás, az üzemeltetés, a kiberbiztonság, a migráció és a karbantartás összege. Konkrét számot most nem mondok, mert az üzemenként más — de a szerkezetet érdemes megjegyezni: kilenc tag, és a beszerzési ár közülük kettő.

115. 115

     Kihívások a NIST-szempontok szerint

     Szempont | Tipikus kihívás · Adat | zajos, késő, hiányzó, jelentésében gyenge adat · Időzítés | a helyes döntés túl későn érkezik · Ember | automatizálási elfogultság, tisztázatlan hatáskör, készségvesztés · Üzlet | meggyőző demó, negatív megtérülés · Megbízhatóság | igazolatlan MI, kiberkockázat, bizonytalan rendelkezésre állás · Kommunikáció | protokolleltérés, átjárók, hálózati terhelés · Határok | rossz rendszerhatár, kihagyott külső függés · Összetétel | az integrációból új hibamódok keletkeznek · Életciklus | modellöregedés, támogatás vége, migráció

     Ugyanaz a szempontrendszer, amit az első órán bevezettünk, most a kockázatokra alkalmazva. Ez nem új keret: ugyanaz a kilenc szempont, csak most azt kérdezzük, hol szokott elromlani. Ha a saját projektedet végigolvasod ezen a táblázaton, a legtöbb meglepetést előre megtalálod.

116. 116

     Ugyanaz a mátrix egy szemponton: időzítés

     Facet | Időzítés · Fogalomalkotás | a döntésnek 100 ms-on belül meg kell érkeznie · Megvalósítás | peremen futó döntés, determinisztikus kommunikáció, helyi tartalék · Bizonyítás | mért legrosszabb késleltetés és hibainjektálási nyomvonalak

     Vegyünk egyetlen szempontot, és vigyük végig a három faceten. Fogalomalkotás: kimondjuk, hogy a döntésnek száz ezredmásodpercen belül meg kell érkeznie. Megvalósítás: peremen futtatunk, determinisztikus kommunikációval és helyi tartalékkal. Bizonyítás: megmérjük a legrosszabb esetet, és hibainjektálással megmutatjuk, mi történik, ha elmarad. A három együtt ad mérnöki választ; bármelyik önmagában vélemény.

117. 117

     Az MI az Ipar 4.0-ban: döntési réteg

     Adat → modell → javaslat, előrejelzés vagy optimum → felügyelt vagy korlátozott beavatkozás

     Az MI nem külön világ, hanem a kiberfizikai hurok egyik rétege. Adatból modell lesz, a modellből javaslat, előrejelzés vagy optimum, és abból — felügyelet mellett vagy korlátok között — beavatkozás. Nézd meg, hol van a hangsúly: az utolsó nyílon. Az, hogy egy modell pontos, még nem jogosítja fel arra, hogy hozzányúljon a géphez.

118. 118

     MI-lehetőségek: hol ad értéket?

     Anomáliafelismerés · Állapotalapú karbantartás · Hátralévő élettartam becslése · Minőség-előrejelzés · Gépi látásos ellenőrzés · Virtuális metrológia · Folyamatoptimalizálás · Ütemezés · Energiaoptimalizálás · Mérnöki segédek · Karbantartási tudásasszisztens · Kezelői döntéstámogatás

     Ezek a tipikus ipari alkalmazások. Figyeld meg, hogy a lista első fele megfigyelés és előrejelzés, a második fele döntés és beavatkozás. A kettő között húzódik az a határ, ahol a bizonyítási teher megugrik. Az első felével érdemes kezdeni — nem óvatosságból, hanem mert olcsóbban ad bizonyítékot.

119. 119

     MI-autonómia: minden fokkal nő a bizonyítási teher

     L5: Autonóm kiberfizikai működés · L4: Felügyelt autonómia · L3: Optimalizálás · L2: Javaslattétel · L1: Megfigyelés

     Öt fok, alulról fölfelé egyre több hatáskörrel. Megfigyelés: néz és jelez. Javaslat: az ember dönt. Optimalizálás: a rendszer átveszi az eredményt. Felügyelt autonómia: önállóan cselekszik egy engedett halmazon belül. Autonóm működés: emberi jóváhagyás nélkül zárja a hurkot. A lényeg nem az, hogy melyik fok a fejlettebb, hanem az, hogy minél közelebb kerül az MI a fizikai beavatkozáshoz, annál több bizonyíték kell hozzá.

120. 120

     MI-kockázatok: nem a pontosság az egyetlen kérdés

     Modellöregedés · Eloszláseltolódás · Téves riasztás · Téves elfogadás · Magabiztos kitalálás · Rossz javaslat · Jutalomhekkelés · Rosszul megválasztott célfüggvény · Visszacsatolási instabilitás · Adatszivárgás · Visszavezethetetlen kimenet · Reprodukálhatatlanság · Automatizálási elfogultság · Rejtett karbantartási költség

     Ezek azok a hibamódok, amelyeket egy pontossági szám nem mutat meg. A modell elöregszik, a bemeneti eloszlás elmozdul, a nyelvi modell magabiztosan kitalál valamit, az optimalizáló megtalálja a célfüggvény kiskapuját, a kezelő pedig egy idő után elhiszi, amit lát. Egyik sem programhiba: mindegyik a rendszer és a környezete viszonyából származik.

121. 121

     A hibák ára nem szimmetrikus

     Osztálytermi számpélda, nem üzemi adat: ha C_FN a C_FP ötvenszerese, akkor a küszöböt a költség állítja be, nem a pontosság.

     A teljes hibaköltség a téves elfogadások és a téves riasztások árának összege. Ipari minőség- és biztonsági feladatokban ez a két ár szinte soha nem egyenlő. Osztályteremi számpélda, kitalált értékekkel: ha egy kicsúszott hibás darab százezer forintba kerül, egy fölösleges riasztás pedig kétezerbe, akkor ötven fölösleges riasztás ára egyetlen kicsúszott darabéval egyenlő. A küszöb helyét ez dönti el, nem a pontossági szám.

122. 122

     Kiberbiztonság: az összekötöttség ára

     Amit az összekötés ad (the value): Adat a döntéshez (data for decisions) — a mérés eljut oda, ahol dönteni kell vele, és nem műszak végén · Távoli diagnosztika (remote diagnostics) — a hiba oka kiderül anélkül, hogy valaki odautazna · Rendszerszintű ütemezés (plant-wide scheduling) — a sorokat együtt lehet ütemezni, nem külön-külön · Gyorsabb hibafelismerés (faster detection) — az eltérés percekben derül ki, nem a selejtes rakat láttán | Amit az összekötés hoz (the price): Nagyobb támadási felület (attack surface) — minden új kapcsolat egy új bejárat is · Leállás és selejt (downtime, scrap) — az incidens itt nem adatvesztés, hanem álló sor és rossz termék · Eszközkár (equipment damage) — egy hamis alapjel fizikai kárt okoz, nem hibaüzenetet · Nem biztonságos üzemállapot (unsafe state) — a támadás célja lehet maga az ember veszélyeztetése · Adat- és szellemitulajdon-vesztés (IP loss) — a receptúra és a paraméterkészlet maga az érték

     Ugyanaz a kapcsolat adja az értéket és a támadási felületet. Ez nem érv az összekötés ellen — hanem az, ami miatt meg kell tervezni, melyik forgalom indokolt. És van egy különbség az irodai informatikához képest, ami mindent átrendez: itt egy incidensnek fizikai következménye lehet.

123. 123

     IT és OT — definíció szerint

     Szempont | IT (information technology) | OT (operational technology) · Mit jelent | adat feldolgozása: gyűjtés, tárolás, továbbítás, megjelenítés | programozható rendszer vagy eszköz, amely a fizikai világgal érintkezik, vagy ilyet irányít · Mire optimalizál | információ és szolgáltatás | folyamat és termék · Védelmi sorrend | bizalmasság, sértetlenség, rendelkezésre állás | biztonság, rendelkezésre állás, sértetlenség, bizalmasság · Időskála | másodperctől napokig; a várakozás megengedett | ezredmásodperctől másodpercig; a késés maga a hiba · Élettartam | 3–5 év, folyamatos csere | 10–25 év, a gép élettartamához kötve · Frissítés | ütemezett, gyakori, sokszor automatikus | karbantartási ablakhoz kötött, ritka, újraminősítéssel · Egy hiba következménye | adatvesztés, kieső szolgáltatás | álló sor, selejt, eszközkár, sérülés · Tipikus protokoll | HTTPS, SQL, SMTP | OPC UA, Modbus, PROFINET, EtherNet/IP · Ki felel érte | informatikai szervezet | termelés, karbantartás, üzemeltetés

     Két szó, amit gyakran egymás szinonimájaként használnak, pedig nem az. Az informatikai technológia adatot dolgoz fel: gyűjti, tárolja, továbbítja, megjeleníti — a tárgya az információ. Az üzemi technológia olyan programozható rendszer vagy eszköz, amely a fizikai világgal érintkezik, vagy ilyen eszközöket irányít — a tárgya a folyamat. Ebből következik minden további sor a táblázatban, és ebből következik az is, hogy az irodai biztonsági gyakorlat nem emelhető át változtatás nélkül.

124. 124

     IT és OT között: egyszerűsített architektúra

     Vállalati IT (enterprise IT) — ERP, beszerzés, pénzügy; irodai eszközök, internetkapcsolat, napok és hetek időskáláján → Elválasztó zóna és perem (DMZ, edge) — az egyetlen hely, ahol a két világ találkozik: adatmásolat, tűzfal, egyirányú átjáró, hitelesítés → Üzemi működtetés (MES, SCADA) — gyártásirányítás és felügyelet: recept, ütemezés, riasztás; percek és órák → Vezérlőcella (PLC, hajtás, robot) — determinisztikus szabályozás; a ciklusidő ezredmásodperc, és változtatni csak engedéllyel szabad → Fizikai folyamat (physical process) — szerszám, anyag és ember; itt egy hibás parancsnak nem üzenete van, hanem következménye

     Így néz ki egy szokásos rétegzés. A vállalati informatika, egy elválasztó zóna vagy peremréteg, az üzemi működtetés, a vezérlőcella, és legvégül a fizikai folyamat. A lényeg a nyilakon van: minden átmenet ellenőrzött, és minél lejjebb megyünk, annál kevesebb és annál szigorúbban meghatározott forgalomnak szabad átjutnia.

125. 125

     Tipikus belépési pontok

     Eltulajdonított azonosító · Távoli hozzáférés visszaélése · Gyenge beszállítói kapcsolat · Zsarolóvírus · Vezérlés kompromittálása · Védtelen üzenetközvetítő · Érzékelőjel hamisítása · Fertőzött frissítés · Ellátásilánc-támadás · Hibás konfiguráció

     Egyik sem egzotikus. Eltulajdonított azonosító, visszaélésszerű távoli hozzáférés, gyengén védett beszállítói kapcsolat, zsarolóvírus, vezérlő vagy felügyeleti rendszer kompromittálása, hitelesítés nélküli üzenetközvetítő, érzékelőjel-hamisítás, fertőzött készülékszoftver- vagy modellfrissítés, ellátásilánc-támadás, nyitva hagyott felhő- vagy peremszolgáltatás. A legtöbb nem sérülékenységet használ ki, hanem jogosultságot vagy figyelmetlenséget.

126. 126

     NIST CSF 2.0: hat funkció mint tájékozódás

     Irányítás (Govern) — ki dönt a kockázatról és ki felel érte → Azonosítás (Identify) — mi van a hálózaton, mi mennyit ér, mi történik kiesésnél → Védelem (Protect) — hozzáférés, szegmentálás, frissítés, mentés → Észlelés (Detect) — feltűnik-e a baj, és mennyi idő alatt → Reagálás (Respond) — ki mit tesz az első órában → Helyreállítás (Recover) — mennyi idő alatt és milyen igazoltan tiszta állapotból ↺

     Hat funkció, és mindegyik egy-egy kérdés, nem egy-egy termék. Az irányítás a 2.0 kiadás új funkciója, és nem véletlenül került a többi köré: ha nincs megnevezett felelős, a másik öt papíron marad.

127. 127

     IEC 62443 szemlélet: zónák, conduitok, felelősségek

     Fogalom | Mit mond ki · Zóna | azonos biztonsági követelményű eszközök csoportja · Conduit | megtervezett és ellenőrzött útvonal két zóna között · Biztonsági szint | milyen támadói képességgel szemben kell helytállni · Szerepek | üzemeltető, integrátor, termékgyártó, szolgáltató · Életciklus | tervezés, üzemeltetés, frissítés, kivezetés

     Az IEC 62443 család az ipari automatizálási és vezérlőrendszerek kiberbiztonságával foglalkozik, az életciklus egészén és több szerepre bontva. Négy gondolatot érdemes megjegyezni belőle. A zóna azonos követelményű eszközök csoportja. A conduit a zónák közötti, szándékosan megtervezett útvonal. A biztonsági szint az a támadói képesség, amellyel szemben helyt kell állni. És a felelősség megosztott: az üzemeltető, az integrátor, a gyártó és a szolgáltató mást tud megvédeni.

128. 128

     MI és kiberbiztonság: összekapcsolt kockázat

     Kompromittált adat, modell vagy ügynök → téves döntés → téves fizikai beavatkozás → termelési, biztonsági vagy gazdasági következmény

     Ez a lánc a blokk legfontosabb ábrája. Ha az adat, a modell vagy az ügynök kompromittálódik, abból téves döntés lesz, a téves döntésből téves fizikai beavatkozás, abból pedig termelési, biztonsági vagy gazdasági következmény. Vedd észre, hogy a lánc egyik pontján sem történik semmi látványos. A rendszer végig működik, a naplók rendben vannak, csak nem arról szólnak, amiről hisszük.

129. 129

     Biztonságos MI-architektúra

     MI-javaslat → szabály- és kiberkapu → biztonsági felügyelő → determinisztikus, igazolt szabályozó → fizikai folyamat

     És ez az, ami a láncot megszakítja. Az MI javasol. A javaslat áthalad egy szabály- és kiberkapun, ahol eldől, hogy egyáltalán megengedett műveletről van-e szó. Utána a biztonsági felügyelő következik, amely az engedett működési tartományt őrzi. Csak ezután jut el a determinisztikus, igazolt szabályozóhoz, és onnan a folyamathoz. Egyetlen mondatban: az MI javasolhat, de azt, hogy fizikailag mi történhet meg, a biztonsági architektúra dönti el.

130. 130

     Az engedett halmazban döntünk

     Kemény korlát megelőzi a puha preferenciát. A halmazt az állapot határozza meg, nem a modell.

     Formálisan: a végrehajtott beavatkozás az MI javaslatának vetülete az adott állapotban engedett halmazra. Ha a javaslat a halmazon belül van, változatlanul megy tovább; ha kívül, akkor a legközelebbi engedett pontra vetül. A biztonsági, kiberbiztonsági, jogi és technológiai korlát kemény korlát — nem egy újabb puha jutalomtag, amit elég nagy nyereségért fel lehet adni.

131. 131

     Unigaku és HyMeKo: egy esemény, több nézet

     Nézet | Mit mutat ugyanarról az eseményről · Fizikai | a második gép láthatóan megáll · Petri | egy átmenet tilthatóvá válik · P-gráf | alternatív szerkezet vagy útvonal válik relevánssá · Szemantikus | a gép állapota és képessége megváltozik · Gazdasági | áteresztőképesség, bent lévő munka, állásköltség mozdul · Kockázati | fizikai hiba, rossz adat, kiberesemény, MI-javaslat vagy kezelői beavatkozás

     Ide tartunk a félév során. Egyetlen közös futtatható állapot, több nézet ugyanarra. Ha meghibásodást injektálunk a második gépbe, akkor a fizikai nézetben a gép megáll, a Petri-nézetben egy átmenet tilthatóvá válik, a P-gráf nézetben egy másik útvonal válik érdekessé, a szemantikus nézetben a gép képessége változik meg, a gazdasági nézetben az áteresztőképesség és az állásköltség mozdul, a kockázati nézetben pedig az látszik, hogy mindez fizikai hibából, rossz adatból, kiberesemény miatt vagy egy MI-javaslat nyomán következett-e be.

132. 132

     Amit ebből a blokkból vinni kell

     Az előny kontrollált mérlegelés, nem automatikus haladás.

     Három mondat. Az előny mutatóhoz kötve érvényes. A kockázat mérnöki intézkedéshez kötve kezelhető. Az állítás bizonyítékhoz kötve hihető. Ha ezt a hármat betartod, akkor nem kell eldöntened, hogy az Ipar 4.0 jó-e vagy rossz — meg tudod mondani, hogy egy konkrét esetben megéri-e.

133. 133

     Gazdaság, terv, számonkérés

     F szakasz: Pénz, félévterv, számonkérés, és az első küldetés.

     Minden műszaki döntésnek van pénzben mérhető oldala. A szakasz végén megnézzük, hogyan épül fel a félév, mit kérek számon, és mi az első feladat.

134. 134

     Miért éri meg egyáltalán

     Az eredmény két oldalról javítható; a gyártás a költségoldalon szólal meg.

     Az eredmény árbevétel mínusz költség. A gyártás jellemzően a költségoldalon szólal meg, de a bent álló munka lekötött pénz, az álló gép pedig elmaradt fedezet. A teljes megtérülésszámítást a tizennegyedik héten nézzük meg; most annyi elég, hogy minden műszaki döntésnek van pénzben mérhető oldala.

135. 135

     A digitalizálás nem cél

     Áteresztés — több jó darab ugyanannyi idő alatt; a szűk keresztmetszet kevesebbet áll · Minőség — kevesebb selejt és utómunka; a hiba ott derül ki, ahol keletkezik · Átfutási idő — rövidebb út a rendeléstől a szállításig; kevesebb várakozás a lépések között · Állásidő — kevesebb és rövidebb leállás; a kopás előre látszik, a hiba oka hamarabb megvan · Rugalmasság — gyorsabb átállás más termékre; a beállítás adatból jön, nem emlékezetből · Energia — kevesebb kWh darabonként; a fogyasztás gépenként és állapotonként mérhető · Biztonság — kevesebb baleset és kiberesemény; a veszélyes állapot előbb látszik · Mérnöki ráfordítás — kevesebb munkaóra tervezésre és üzembe helyezésre; a modell újrahasznosítható

     Ez a mondat a félév egyik fogódzója. A digitalizálás akkor ér valamit, ha valamelyik mutatót javítja: áteresztést, minőséget, átfutási időt, állásidőt, rugalmasságot, energiát, biztonságot vagy mérnöki ráfordítást. Ha egyiket sem, akkor költség.

136. 136

     A félév térképe

     Hét | Téma | Amit hozzátesz · 01–02 | CPS és méréstechnika | a rendszer és a fizikai határa · 03–05 | termelés, DES, P-gráf | mérés és formális modell · 06–08 | PLC, CNC, robot | a megvalósítás · 09–11 | MES, hálózat, iker | integráció és digitális kép · 12–14 | MI, megbízhatóság, gazdaság | döntés, igazolás, érték

     Így halad a tizennégy hét. Minden sor az előzőre épül: a kiberfizikai keretből lesz mérés, a mérésből termelési mutató, abból formális modell, abból vezérlés, aztán integráció, hálózat, iker, intelligencia, igazolás, és végül gazdasági döntés.

137. 137

     Az üzemi hierarchia, amit végigjárunk

     Vezérlési szintek: ERP — vállalatirányítás, hetek · MES — üzemvégrehajtás, órák · SCADA — felügyelet, másodpercek · PLC, CNC, robot — vezérlés, ezredmásodpercek · Érzékelő és beavatkozó — a fizikai folyamat

     Ez a kép a féléves térkép másik olvasata. Alul a fizikai folyamat, fölötte a vezérlés, a felügyelet, az üzemvégrehajtás és a vállalati tervezés. Minden szint más időskálán dönt: a vezérlő ezredmásodpercben, a vállalati rendszer hetekben. Az Ipar 4.0 ígérete az, hogy a szintek közötti út rövidebb és kétirányú lesz.

138. 138

     Hogyan dolgozunk hétről hétre

     Felvezetés · Célok · Fogalmak · Modell · Magyarázat · Küldetés · Ellenőrzés · Szabvány · Iparági példa

     Minden hét ugyanazt a szerkezetet követi. Rövid felvezetés, célok, fogalmak, modell, egy webes magyarázat, egy küldetés, egy ellenőrzés, szabványtájékozódás és iparági példa. A küldetés mindig problémával kezdődik, nem tananyaggal.

139. 139

     Megajánlott jegy: két kötelező elem

     Érzékelő vagy szimulált folyamat → publikáló → közvetítő → feliratkozó → feldolgozás → megjelenítés vagy döntés

     Az első egy mérnöki rendszerfeladat: egy kisméretű kiberfizikai rendszer megtervezése, elemzése vagy javítása — problémameghatározással, rendszerhatárral, komponensbesorolással, legalább egy szempont-facet érveléssel és verifikációval. A második egy működő publish/subscribe adatút, valódi adatárammal. Egy hello world publikáló nem elég.

140. 140

     Példák megajánlott jegyhez

     Érzékelő és műszerfal · Cellaállapot és rendelkezésre állás · Petri-modell és események · OPC UA eszközmodell · Peremszintű szűrés · Digitális iker könnyű változatban · Hálózatminőség mérése

     Hét kiindulópont, a legegyszerűbbtől a mérőkísérletig. Érzékelő és műszerfal, cellaállapot-figyelés rendelkezésre állással, Petri-modell eseményekkel, szemantikus eszközmodell OPC UA-n, peremszintű szűrés, könnyű digitális iker, végül hálózatminőség-vizsgálat. A legjobb munkák több hét anyagát kötik össze.

141. 141

     Küldetés 01 — Mi a rendszer?

     Határ → komponensek → áramlások → mátrix → követelmény → megvalósítás → bizonyíték

     A heti feladat egy gyártócella: gép, robot, PLC, érzékelő, beavatkozó, kezelő és egy MES-kapcsolat. Jelöld ki a rendszerhatárt, sorold be a komponenseket, mutasd meg a három áramlást, tölts ki néhány cellát a szempont-facet mátrixból, mondj ki egy követelményt, javasolj hozzá megvalósítást, és nevezd meg, milyen bizonyíték kellene az igazolásához.

142. 142

     Források

     NIST SP 1500-201 · NIST SP 1900-202 · Európai Bizottság: Industry 5.0 · Siemens és Wipro PARI esettanulmány · Mitsubishi Electric FA, Shinshiro · Bosch Nexeed

     A fogalmi keret a NIST kiberfizikai rendszerekre vonatkozó anyagaiból származik. Az Ipar 5.0 megfogalmazása európai bizottsági anyagokból. Az ipari eredmények a megnevezett cégek saját esettanulmányaiból valók — ezt minden diánál kimondtuk, mert nem mindegy, ki állítja a számot.

143. 143

     Amit vigyél magaddal

     A hurok, és a bizonyíték arról, hogy tényleg zárul.

     Egy mondat az egész óráról: az Ipar 4.0 nem technológiák listája, hanem az, hogy a fizikai folyamat, a mérés, az információ, a modell, a döntés és a gazdasági cél egyetlen visszacsatolt rendszerré áll össze — és ez a rendszer igazolható. A jövő héten azt a határt nézzük meg, ahol a fizikai világ információvá válik.