FABRİKA YÖNETİCİSİNİN ENDÜSTRİ 4.0 HABERLEŞME REHBERİ

👤GSL Mühendislik

Endüstri 4.0, ya da başka bir deyişle “Endüstriyel Nesnelerin İnterneti (IIoT)”, günümüzde hala bu kavrama aşina olanların çoğu tarafından somut çözümlerden çok genel bir kavram olarak görülüyor. Oysaki fabrikaların günbegün daha akıllı, daha entegre ve daha otonom hale geldiği fabrika otomasyonuyla uğraşanlar için bu kavram çoktan üretim kalitesi, varlık optimizasyonu, güvenlik ve maliyet düşürmede büyük yarar sağlayan bir gerçeklik haline gelmiş durumda. Endüstri 4.0’ı fabrikalarda bir kavramdan somut gerçekliğe dönüştürenlerin başında ise, Moxa gibi endüstriyel haberleşmeye yönelik donanım üreticileri ve çözüm sağlayıcılar geliyor.

Bu pratik rehber Endüstri 4.0’ı olabildiğince kısa ve net biçimde tanımladıktan sonra, somut Endüstri 4.0 çözümlerinin her fabrikanın ihtiyacına göre adapte edilebilmesi için izlenmesi gereken adımları gösteriyor. Buna ek olarak, işletmecilerin ağ bağlanabilirliğini kolaylaştırmada kullanabileceği operasyonel araç ve çözümlere de değiniyor.
ENDÜSTRİ 4.0 NASIL TANIMLANABİLİR?
“Endüstriyel İnternet”, “Endüstriyel Nesnelerin İnterneti” veya “Endüstri 4.0” kavramlarından hangisini tercih ederseniz edin, bu kavramlar aynı prensipte birleşir. Endüstri 4.0, işletmeler arası, cihazlar arası ve kişilerle cihazlar arası bağlantıyı internet üzerinden sağlayan teknolojinin gelişimini ve birleşimini ifade eder. Günümüzde otomasyon ve bilgi teknolojileri, kendi alanlarında son 20 senede yaşanan gelişmeleri enerji, toplu taşıma, şehir altyapısı ve üretim alanında dünyanın en büyük problemlerini çözmek için birleştiriyor.

Hatta, endüstriyel internetin potansiyelinin keşfi ve çözümlerin ortaya konmasında fabrikalar genellikle ilk akla gelen yer oluyor. En alt seviyede (uç) bağlantı, protokol dönüşümü ve uç seviyede programlama kavramlarını fabrika ortamında topluca uygulanabilir hale getirmek dile kolay, yapması ise hala zor gelebiliyor. Fabrika yöneticilerinin cihaz bağlantılarında ve fabrikaları daha akıllı hale getirirken karşılaştıkları zorlukları aşması, üç tasarım aşaması ve dört Endüstri 4.0 etkinleştirme adımıyla sağlanabiliyor.
Üzerinde durulması gereken üç tasarım aşaması şöyledir:
1. Bağlanabilirlik: Endüstri 4.0, cihazlar, sensörler ve kontrol yazılımları arasında baştan sona yayılan ve sorunsuz işleyen bağlantılara dayanır. Fabrika otomasyonu söz konusu olduğunda kullanılan yazılım, Üretim Yönetme Sistemi (Manufacturing Execution Software, MES) olarak bilinir.

Geçmişte saha üstü haberleşme, tesis düzeyinde ağlar, kontrol ağları ve bütünleşik endüstriyel operasyonların uygulama katmanları net bir biçimde tanımlanır ve bu katmanlar birbirinden ayrı tutulurdu. Bu uygulama fabrika yöneticileri ve IT yöneticileri arasında net iş tanımları için faydalı iken, operasyonel optimizasyon ve ölçeklenebilirlik söz konusu olduğunda ise dezavantajlıydı.

Protokol ayrımı, bir CNC makinesini işletmenin küresel kontrol ağına bağlamak gerektiğinde çözümü karmaşık, pahalı ve işlevsellik açısından kısıtlayıcı olduğundan, sorun yaratırdı. Şu an bu durum yavaş yavaş değişiyor olsa da, fabrika ortamı ile tüm sanal iş istasyonları arasında sorunsuz kontrol elde edebilmek için kenar cihazları, protokolleri ve fiziksel ara yüzleri anlamak hala büyük önem taşır. Kısacası bağlanabilirlik Endüstri 4.0’ın temel ve en önemli bileşenidir.

2. Verinin Bilgiye Dönüşümü: Günümüzde endüstriyel üretim tesislerinde oldukça fazla veri ortaya çıkar. Örneğin otomobil üretim tesislerinde 8.000’e kadar cihaz tek bir ağa bağlanıyor olabilir. Tüketim malları üretiminde ise bu sayı 12.000’i dahi aşabilir.

Her iki durumda da hareket ve pozisyon sensörleri gittikçe daha entegre hale gelerek PLC engelini aşmaktadır. Bu nodlar bağlı hale geldikten sonra esas olay, tüm bu verileri kullanabilmektir. Yıllarca veri demetlerini kullanan kurumsal veri şirketleri, Büyük Veri’nin gücünü dijital B2C alanından endüstriyel otomasyona taşımaya çalışmış, ama şu ana kadar çabaları sınırlı başarıya ulaşmıştır. Bunun esas nedeni bağlanabilirlik sıkıntıları, üretim tesislerinin karmaşıklığı ve tipik bir üretim faaliyetinde muazzam ölçüde veri ortaya çıkmasıdır. Bununla birlikte endüstriyel ağların bant genişliği ve uç seviye modüler bilgisayarların kullanımında son dönemde yaşanan gelişmeler, fabrikaların bu büyük veri akışını karşılayabilmesini sağlamıştır. Ayrıca, bir üretim operasyonunun veri gereksinimlerinin de yıllar içinde büyüyeceği düşünülerek karşılanması gerekir. Mevcut operatörler kolayca yerel, gerçek zamanlı analizlere izin veren akıllı çözümler kurabilir. Bu çözümler fabrika ortamındaki LAN, kontrol LAN ve kurumsal ağlar arasındaki haberleşme boşluğuna köprü sağlayabilir. Fabrika yöneticileri uç seviye ile kurumsal seviye arasında bağlanabilirlik artışını güvenceye almanın kayda değer yararları olduğunu fark etmeye başlamıştır. Örneğin, yakın zamanda Endüstri 4.0 hakkında McKinsey & Company’nin yaptığı bir araştırmaya göre, bir küresel madencilik şirketi yerelde toplanan verilerden çıkardıklarını kimyasal süreçlerinde optimizasyon önlemlerine çevirmeyi başarmış, buradan %3,7 kazanım elde etmiştir. Bu kazanım yıllık 20 milyon dolara tekabül etmektedir.

🔍

Bir sayaç ağının bir günde üretebildiği oldukça yüksek hacimli veri nedeniyle, bu verinin aktarım ve depolanması genelde endüstriyel ağlarda büyük külfet olarak görülür. Ancak, gömülü bilgisayarlar ve endüstriyel kablosuz ağların gittikçe düşen maliyeti ve gelişimi sayesinde bu veri akışının işlenmesi ve depolaması küçükten büyüğe her türlü üretim operasyonunun yıllar boyu toplanan verileri kolayca kaydederek arşivlemesine, herhangi bir anomali meydana geldiğinde kontrol merkezini seri biçimde gerçek zamanlı olarak uyarmasına olanak tanıyor. Endüstriyel ağların uç katmanlarındaki bu “Veriden Bilgiye Dönüşüm”ün avantajları, firmaların ürün ömrünü yıl mertebesinde uzatabilmesini, bununla birlikte olası sistem aksaklıklarına daha ortaya çıkmadan işaret edebilmesini sağlıyor. Endüstriyel bağlantı altyapılarına yapılan küçük yatırımlar da, birçok proses otomasyonu firmasının muhasebe departmanlarını, kullandıkları düz oranlı amortisman modelini tekrar değerlendirmeye zorlarken, sonuçta bu departmanların alt eşiği her sene düşürerek hisse değerini artırmalarını sağladı.

3. Siber Güvenlik Tarafı: Endüstri 4.0 trendinin siber tarafı, temelde bu “Endüstriyel Nesnelerin İnterneti”ni “Nesnelerin İnterneti”nden ayıran şeydir. Endüstri 4.0’da siber katman tüm saha üstü varlık ve sensörlerden gelen verinin depolandığı bir bilgi merkezidir. Özel ayarlanmış analizlerin yapıldığı ve makinelerin zaman içinde öz öğrenim süreçlerinden geçtiği yer işte bu siber katmandır. Daha basitçe ifade etmek gerekirse, ağ verisi bir yerel ağ (LAN) içindeki cihazlar arasında dağıtılır, bant genişliği ile programlamaların dosya aktarım ve güvenlik yükünün büyük bölümü, bu LAN içerisinde cihazlar arasında eşit dağılır. Bant genişliği darboğazları ile ağ zafiyeti potansiyelinin yüksek olduğu bölümler en aza indirilir. Endüstri 4.0 yapısının siber katmanı, doğası gereği, esas trafiği büyük kurumsal ağlardan bir uç cihaz ağı ve çalışma grubu alt ağlarına kaydırdığından, alışılagelmiş siber güvenlik ve yönetim modelleri geçersiz kalır. Geçerli modelde her bir cihazın ana ağ güvenliğinde bir rolü vardır. Fabrika yönetiminin ağı bir ağ kesintisi veya güvenlik ihlali durumuna göre, yedeklilik, güvenlik duvarlarının stratejik yerleşimi ve beklenmedik durum planlarının uygulanmasını göz önünde bulundurarak kurması gerekir. Aşağıdaki Endüstri 4.0 etkinleştirme adımları, her fabrika veya operasyon yöneticisi için doğru “durum tespit süreci”ni ve bir akıllı fabrika çözümü tasarlanırken düşünülmesi gerekenler listesini sunarak, bağlı ve güvenli bir ağ sağlar.

ENDÜSTRİ 4.0 ETKİNLEŞTİRME ADIMLARI
Hedef Tanımlama: Çözüme doğru atılması gereken ilk adım, operasyonel hedeflerin belirlenmesidir. Öte yandan bir operasyonel hedefin net biçimde ortaya konması her zaman kolay olmayabilir. Bir operasyonel hedefi belirlerken genellikle önceden ortaya konmuş prosedürleri izleme veya mevcut yollardan gitme eğilimi görülür. Ancak bu daha iyi, daha ölçeklenebilir haberleşme çözümlerini henüz değerlendirilmeden dışarıda bırakmak anlamına gelebilir. Haberleşme ve ağ yapısı üzerindeki teknik değerlendirmelerin en başta başlayabilmesi için, operasyonel hedefin çözüm sağlayıcı veya sistem entegratörüne mümkün olan en basit biçimde verilmesi süreci kolaylaşacaktır. 

Öncelikle zayıf noktaları belirleyerek, hedefinizi basit operasyonel ifadelerle ortaya koymaya çalışın. Daha sonra üretim sürecinizin her bir bölümünde operasyonel zayıf noktaları ortadan kaldırmak için ne gerektiğini adım adım detaylandırın. Dört Endüstri 4.0 etkinleştirme adımının ilk ikisi, akıllı bir fabrika tasarlamanın veya geliştirmenin tanılama bölümünde yer alır.

Bu izlenmesi gereken dört adım şöyledir:
1. Adım: Operasyonel Zayıf Noktalarınızı
Değerlendirin
Operasyonel sıkıntılarınızı ve eksiklerinizi belirleyin. Bunlar çevresel veya teknik nedenlerden kaynaklanabildiği gibi, üst yönetim tarafından belirlenmiş süreç geliştirme talepleri de olabilir. Kısacası, operasyonel zayıf noktalar spesifik veya genel olarak belirlenebilir. Operasyonunuzun tek bir eski tip bölümünü Ethernet’e aktarma kadar özele inebildiği gibi, şirket genelinde üretim maliyetlerini önümüzdeki 5 yıl içerisinde %10 azaltma kadar genel bir talep de olabilir. Her bir durumda zayıf noktaları ve bunları gidermede karşılaşılması beklenen engelleri sunmak, çözüm sağlayıcılar için çok büyük fark yaratıyor.
Örneğin;
Bir makine üreticisinde çalışan bir işletme müdürü, yıllar önce fabrika genelinde bir Bilgisayar Destekli Üretim (Computer Integrated Manufacturing, CIM) sistemi uygulamaya koyar. Şirket başka bir şirket tarafından satın alınır, ve mevcut süreçlerinin yeni şirketin operasyonlarına entegre edilmesi gerekir. Bu operasyonlara MES ve operasyonel süreç kontrol standartları da dahildir. Kurulmuş olan CIM sistemi yeni gereksinimleri karşılamadığından, performans olumsuz etkilenir.

Bütün CIM uygulamasını değiştirmek gibi bir seçenek yoktur, ancak tesisin de şirket genelinde geçerli operasyonel süreçlere uyumlu ve daha verimli hale gelmesi gereklidir. Bu durumda işletme müdürünün, akıllı I/O durum denetimi sağlayarak mevcut CIM sisteminin optimizasyonuna yardımcı olacak, ve yeni MES’e de bağlanabilecek bir orta yol çözümüne ihtiyacı vardır.

🔍

2. Adım: Operasyonel Hedefler Geliştirerek
Önceliklendirin
Operasyonel hedeflerinizi, belirlediğiniz zayıf noktalar çerçevesinde geliştirin, ve önem sırasına göre önceliklendirin. Buradaki amaç, ek fayda oluşturacağı öngörülenlerden faaliyetler için kritik çözümleri ayırmaktır. Ayrıca, operasyonel hedeflerin önceliklendirilmesi, sizin, entegratörün ve tedarikçinin ölçeklenmeye en açık akıllı fabrika çözümünü seçebilmenizi sağlar. Böylece operasyonel hedeflere proje bitimi noktasında ulaşmak güvenceye alınırken, ileride bir büyüme veya küçülme ihtiyacı öngörülüyorsa, uzun vadeli işletim ve bakım maliyetleri de değerlendirilmiş olur.
Örneğin;
Bir içecek üreticisinin fabrika yöneticisi, hem kontrol hem de kurumsal seviyede daha yüksek şeffaflık ve üst düzey kontrol sağlamak üzere tüm eski tip şişeleme hatlarını yeni MES sistemine entegre ederken, iş gücü maliyetini de azaltmak zorundadır.  Ana problemin üretim hatlarındaki görünürlük ve kontrol eksikliği olduğuna karar verdikten sonra, yönetici önceliğinin 1’den 8’e kadar olan hatlar üzerinde yer alan tüm sensörlerin MES paneli üstünde gerçek zamanlı olarak maksimum görünürlük elde etmek olduğu sonucuna varır. Bu noktadan sonra, sensörler ve protokoller teftiş edilerek, çeşitli sensör ve aktüatörlerin SCADA sistemine bağlanabilmesi için ne gibi çözümler ve teknolojiler bulunduğu araştırılabilir. Dolayısıyla, bir ağ denetimi gereklidir, ve bu denetimin distribütör, sistem entegratörü veya hizmet sağlayıcı ile birlikte yapılması gerekir.

3. Adım: Ana Süreçlerin Birlikte Çalışabilirlik
Durumunu Değerlendirin
Sorunsuz bağlantılı bir akıllı fabrika elde etmenin temel unsuru ve zorluğu, protokol ayrımıdır. Söz konusu operasyona bağlı olarak, operasyonel hedefinize ulaşmak için bağlanması gereken çok sayıda birbiriyle alakasız ve özel fieldbus otomasyon protokolüyle karşılaşmak mümkündür. Tüm ilgili cihaz ve protokolleri ortaya çıkarabilmek için iç kaynaklar ve entegrasyon ekiplerini kullanarak, tüm cihazları, uç noktaları ve çözüm alanında yer alan tüm donanımı kayıt altına almak ve organize etmek gerekir. Bu noktada cihazların ilgili protokolleri, fiziki ara yüzleri, tesis içindeki konumları ve operasyonel işlevleri kaydedilmelidir. Ayrıca kullanılan teknoloji, cihaz veya donanım parçasıyla alakalı olup ağ donanım tedarikçisi veya sistem entegratörünün bilmesi gerekebilecek, varsa özel kısıtlama veya detayları da not etmek gerekir.

Ağ Denetimi:
Operasyonel zayıf noktalar ve hedefler net bir şekilde tanımlandıktan ve tüm ilgili taraflara aktarıldıktan sonra, artık bir haberleşme planı geliştirilebilir. Bunu yapan lider üreticilerden Moxa, geçtiğimiz 30 yıldır haberleşme ve ağ üzeri IIoT çözüm sağlayıcısı olarak elde ettiği uzmanlığı, şirketlerin operasyonel hedeflerini kavramdan uygulamaya dönüştürmede kullanıyor. 15 yıllık partneri GSL Mühendislik ise Moxa ürünleriyle, aşağıdaki tabloda yer alan tüm maddeleri kapsayan, her müşteriye özel olarak tespit edilmiş çözümleri tedarik ederek, uygulanmasına danışmanlık yapıyor.

Örneğin:
İşletme müdürü, büyük otomotiv üretim tesislerinde tüm hareket ve pozisyon sensörleri ile sistemlerinin fabrikanın mevcut SCADA sistemine entegrasyonundan sorumlu olduğu kadar, çeşitli donanımların durumu hakkında gerçek zamanlı analiz yapabilmesini sağlayacak bir uç programlama çözümüne de ihtiyacı vardır. Bu süreçteki çoğu üretim aşaması, an itibariyle sorunsuz çalışacağından emin olmak için birbirine hep bağlı durumda olması gereken ayrı ağlarda kontrol edilmektedir. Mevcut MES’in tesis genelinde haberleşmeyi desteklemesine karşın, bu ölçekte üretim analizi ve sistem tanılamaya izin verecek çözümler an itibariyle bulunmamaktadır. İşletim müdürü, eski tip I/O donanımının desteklenip entegre edildiğinden emin olmakla kalmayıp, üretim süreci boyunca kritik noktalarda uç seviyede programlanabilirliği sağlamanın da en iyi yolu bulmak durumundadır. Buna ek olarak, sensörlerden MES’e aktarılan verinin hacmindeki artışı destekleyebilmek için, kullanılabilir bant genişliği ve ağ yedekliliğinde de kayda değer bir artış gerekecektir. Son olarak, süreç alt bölümlerini ve güvenliğini korumak için, yeni çözüme yedeklilik ve endüstriyel bir yönlendirici güvenlik duvarı da dahil etmeye ihtiyaç olacaktır. Tüm bunları elde etmek için işletme müdürünün eldeki tüm varlıkları, sensörleri ve cihazlarına olduğu kadar bunların ilgili protokollerine de hakim olması, ve iş akışındaki yerlerine göre bunları kataloglaması gerekir. Nümerik Kontrol Uygulama’dan Parça Kalite Kontrol’e, işletme müdürü yeni bağlanan çözüme dahil edilecek tüm nodları, ve bunların protokolleri ile fiziki ara yüzlerini belirlemelidir. Moxa, fabrika modernizasyonu ile kapalı ve açık sahalarda Endüstri 4.0 çözümünün kurulumunda yol gösterici olabilmesi için, işletme müdürüne yardımcı olacak çok sayıda benzersiz araç sunuyor.

4. Adım: Bağlantılar için Doğru Cihaz Seçin
Operasyonel Avantajları Nitelendirin:
Herhangi bir yatırımın validasyon süreci, özellikle de büyük bir şirketin üst yönetimi söz konusuysa, ve uzmanlık alanınız işin görece küçük bir kısmını ilgilendiren spesifik bir üretim operasyonuna odaklıysa, zor bir süreç olabilir. Akıllı fabrika çözümü için yapılacak bir yatırımın potansiyel gizli maliyet ve tasarruflarını ortaya çıkarmak, bilinen ve hatta öngörülmüş operasyonel masraf ve tasarrufların da tanımlanmasını gerektirir. Buna ek olarak, tasarruf öngörüleri dikkatlice formüle edildiğinde, ilk yatırım üzerine bir geri ödeme planıyla da birleştirilince son derece güçlü bir operasyonel izahname ortaya çıkarılabilir.

Örneğin:
Orta ölçekli bir yarı iletken operasyonunun fabrika yöneticisi, mevcut süreç akışındaki tüm cihazların tanılamasını içeren uzun ve özen isteyen süreci tamamlamıştır. Bunun için Moxa Ağ Teftiş Aracı üzerinde cihaz ismi, süreçteki konumu, protokolü, fiziki ara yüzü ve tesisteki konumunu doldurmuştur. Ayrıca, bir adım öteye giderek şirket içinde geliştirilmiş bazı çizim eplanlrı da eklemiştir. Üretim tesisinin zayıf noktaları ve operasyonel hedefleri halihazırda tanımlanmış olduğundan, fabrika yöneticisi farklı bant      genişliği, uç seviye programlama yetkinliği ve yedeklilik düzeylerine sahip birden fazla haberleşme çözümü arasından seçim yapabilecek durumdadır.

Şimdi, farklı avantajlar sunan çok sayıda çözümün varlığı bilgisine de sahip olan fabrika yöneticisi, iş ihtiyaçları için en uygun çözümün ne olduğuna bakabilir. Yönetici, duruş süresi, iş gücü masrafları ve toplam mülkiyet maliyetinin yanı sıra maksimum üretim kriterlerini göz önünde bulundurarak, mümkün olan en yüksek yatırım geri dönüşünün (return of investment, ROI) ne olduğunu bulmalıdır. 

Otomasyon sektörüne ağ ve haberleşme çözümleri tedarik ettiği otuz yıllık deneyimiyle, Moxa akıllı fabrikalara yapılacak bir yatırımı gerçekleştirilebilir ve pratik hale getiren çok çeşitli unsurlara son derece vakıf hale gelmiştir. Şirket içi farklı bir kurumsal sürecin halihazırda mevcut olması doğal ve hatta tavsiye edilir olsa da, Moxa çok geniş bir yelpazede senaryoya ve fabrika otomasyon sektörlerine uygulanacak biçimde özelleştirilebilecek bir araç seti sunmaktadır. Bu seti tavsiye etmekteki amaç, şirketin hisse sahiplerine bir yatırım önerisinde bulunurken göz önünde bulundurulmamış hiçbir teknik mesele veya masraf bırakmamaktır. Bu geri ödeme hesaplayıcısı, aşağıdakileri yapmanıza büyük kolaylık sağlar:

  •  Duruş maliyetini hesaplama
  •  Endüstri 4.0 yatırımından doğacak yıllık tasarrufu tahmin etme
  •  Endüstri 4.0 yatırımınızın geri ödeme planını hesaplama

Moxa ile Endüstri 4.0
Sonuç olarak, akıllı bir fabrika, kâr getiren bir fabrika olmak zorundadır: Endüstri 4.0 trendini büyük ölçekte gerçekleştirebilmek için birçok benzersiz teknoloji ve endüstri birbiriyle uyumlu çalışmayı öğrenmek durumundadır. Moxa, çok çeşitli dikey pazarlara haberleşme çözümleri sağlamadaki başarısına dayanarak büyümüş, endüstriyel haberleşme sektörünün lider üreticilerinden biridir. Moxa şimdiye kadar 40 milyon cihazı haberleştirmeyi başarmış, veri odaklı karar almayı fabrikalara veya sahalara getirmenin maliyet düşürme ve kâr artırma üzerindeki etkisine tanıklık etmiştir. Deneyimleri, bunun temel yolunun önceden kurulmuş endüstriyel seri ağları endüstriyel internete güvenli bir biçimde bağlamakla başladığını göstermiştir.

Kaynakça:
Nuth, T. (2016) “The Plant Manager’s Guide to IIoT Connectivity” Moxa Inc.