כיצד אוטומציה, למידת מכונה ובלוקצ'יין מובילים את עתידו של תחום ייצור האלקטרוניקה

תפיסת 'תעשייה 4.0' (Industry 4.0) מסתמכת על אוטומציה חכמה לצורך ייצור אלקטרוניקה. אוטומציה בעלת יכולות הולכות וגוברות נמצאת בכל מקום, מנקודות הקצה ועד הענן, בחיישנים, ברובוטים וקובוטים, בבקרי לוגיקה ניתנים לתכנות (PLC) ובציוד אחר. פרוסות מוליכים למחצה, מעגלים משולבים, רכיבים פסיביים, אריזות ומערכות אלקטרוניות ליישומים צרכניים וליישומי אנרגיה ירוקה, רכב, רפואה, תעשייה, צבא / תעופה וחלל ועוד – כל אלה תלויים באוטומציה חכמה לצורך ייצורם. מערכות ניהול רצפת ייצור (MES) אחודות מבטיחות ניטור, בקרה, מעקב ותיעוד בזמן אמת לכל שרשרת הייצור, מחומרי הגלם ועד למוצרים המוגמרים.

המערכות האוטומטיות הסייבר-פיזיות במסגרת 'תעשייה 4.0' נפרסות מעבר לפעילויות הייצור המסורתיות ומסתמכות על צורות שונות של למידת מכונה (ML) – החל מלמידה מעמיקה באמצעות חיזוקים (RL) בענן ועד למידת מכונה זעירה (tinyML) בנקודת הקצה לצורך ייצור גמיש, שיפור מתמיד ואיכות גבוהה באופן עקבי. מספר שכבות החיבוריות גדל, והשילוב בין מחשוב קצה, אינטרנט של דברים ברמה התעשייתית (IIoT) ומחשוב ענן מגביר את האתגרים הקשורים לאבטחת סייבר. גם טכנולוגיית 'שרשרת הבלוקים' (בלוקצ'יין) נכנסה לאחרונה לתמונה לצורך ניהול מקיף ומאובטח של שרשרת האספקה.

מאמר זה בוחן מגמות מרכזיות באוטומציה של ייצור האלקטרוניקה, כולל ההתרבות הגוברת של שכבות חיבוריות, הצורך הגדל באבטחת סייבר, מימושי ה-ML הייחודיים המוכנסים לשימוש, וכן השאלה כיצד עקיבות ומערכות MES תומכות במדדי הייצור וניתוחם בזמן אמת. לאורך המאמר נבחנות חלק מהטכנולוגיות הדרושות כדי לממש באופן מלא את ההבטחה הגלומה ב'תעשייה 4.0' להתאמה מיוחדת המונית יחד עם איכות גבוהה ועלויות נמוכות – כולל האופן שבו DigiKey תומכת בצרכיהם של מתכנני מערכות אוטומציה בעזרת מגוון רחב של פתרונות. המאמר מסתיים במבט על האופן שבו משמשת טכנולוגיית הבלוקצ'יין לפריסת מערכות ניהול שרשרת אספקה מאובטחות במיוחד ברחבי הארגון.

שכבות חיבוריות ההולכות ומתרבות

האינטרנט התעשייתי (IIoT) במסגרת 'תעשייה 4.0' כולל יותר שכבות רשת קוויות ואלחוטיות עבור רשתות חיישנים, רובוטים ניידים אוטונומיים (AMR) ומערכות אחרות. לדוגמה, IO-Link פותחה כדי לספק חיבור רשת קווי פשוט למספר העצום של חיישנים, מפעילים, מחוונים והתקני קצה אחרים מהדור הקודם שלא היו מחוברים בעבר לרשתות ברמה גבוהה יותר, כגון Ethernet IP‏, Modbus TCP/IP ו-PROFINET. ב-IO-Link, הכניסות והיציאות (IO) של התקנים אלה נקלטים ומומרים לתוך פרוטוקול IO-Link לצורך חיבוריות טורית המוגדרת בתקן IEC 61131-9 באמצעות כבל 4 או 5 גידים לא מסוכך יחיד המוגדר בתקן IEC 60974-5-2 (איור 1). בנוסף להספקת שכבת רשת חדשה לצורך קליטת מידע מפורט יותר על תהליכי המפעל, IO-Link תומכת בפריסה מהירה וכן בהגדרת תצורה, בניטור ובאבחון מרחוק של התקנים מחוברים במטרה לתמוך בשינויי קווים ותהליכים הדרושים להתאמה מיוחדת המונית במפעלים מסוג 'תעשייה 4.0'.

איור 1: ניתן להשתמש ב-IO-Link לצורך חיבור חיישנים והתקנים אחרים באמצעות ממשקים מגוונים לרשתות Ethernet‏, PROFINET או Modbus. (מקור התמונה: Banner Engineering‏)

התקני IIoT אלחוטיים, החל מחיישנים ועד רובוטים, תורמים גם הם לשכבות הרשת ההולכות וגדלות. פרוטוקולי אלחוט שונים, לרבות Wi-Fi‏, 5G‏, LTE ואחרים, נמצאים בשימוש במפעלים מודרניים. לדוגמה, רובוטי AMR משתמשים בשילוב של חיישנים מובנים וחיבוריות Wi-Fi כדי להבין את הסביבה שלהם, לזהות מכשולים אפשריים ולנוע בבטחה וביעילות ממקום למקום. רובוטים שיתופיים (קובוטים) נועדו לעבוד עם אנשים כדי לשפר את היעילות התפעולית ודורשים, בדרך כלל, חיבוריות אלחוטית. במקרים מסוימים, רובוטי AMR מעבירים קובוטים ממשימה למשימה לפי הצורך (איור 2).

איור 2: רובוט AMR (למטה) שיכול לנווט ממקום למקום באמצעות שילוב של חיישנים מובנים וחיבוריות אלחוטית ואף להרים ולהעביר קיוביט (למעלה) לתחנת עבודה חדשה. (מקור התמונה: Omron)

סכנות הסייבר ההולכות וגוברות

ההתרבות הגוברת של מספר השכבות ברשתות התעשייתיות, בשילוב עם הזינוק במספר ההתקנים המחוברים, אלה מביאים לגידול במספר הווקטורים של איומי האבטחה ולסכנות סייבר גוברות. פותחו כמה תקנים ומתודולוגיות אבטחה ספציפיים לתעשייה ול-IoT, לרבות תקן הנציבות הבין-לאומית לאלקטרוטכניקה (IEC‏) 62443 ותקן הערכת האבטחה לפלטפורמות IoT‏ (SESIP).

תקן IEC 62443 הנו סדרה של תקנים שפותחו על ידי הוועדה ה-99 של הארגון הבינלאומי לאוטומציה (ISA) ואושרו על ידי ה-IEC. ה-IEC 62443 כולל סדרה בת יותר מ-800 עמודים של תקנים עבור מערכות אוטומציה ובקרה תעשייתיות (IACS) בצורת 14 סעיפי משנה וארבע שכבות (איור 3). הסעיפים העיקריים המגדירים את דרישות פיתוח המוצר ואבטחתו לרכיבים הם:

• תקן IEC 62443-4-1: דרישות מחזורי חיים לפיתוח אבטחת מוצר – מגדיר מחזור חיים של פיתוח מוצר מאובטח כולל הגדרת דרישות ראשוניות, תכנון ומימוש מאובטחים, אימות ותיקוף, ניהול פגמים ותיקונים וסוף חיי השירות.
• תקן IEC 62443-4-2: אבטחה לאוטומציה תעשייתית ומערכות בקרה: דרישות אבטחה טכניות עבור רכיבי IACS – מפרט יכולות אבטחה המאפשרות לרכיב להפחית איומים עבור רמת אבטחה נתונה.

איור 3: תקן IEC 62443 הנו מערכת תקני אבטחה מקיפה של IACS. (מקור התמונה: IEC‏)

תקן SESIP מתפרסם על ידי GlobalPlatform ומגדיר מבנה משותף להערכת האבטחה של מוצרים מחוברים, תוך התייחסות לאתגרי תאימות, אבטחה, פרטיות ומדרגיות ספציפיים ל-IoT. תקן SESIP מספק הגדרות ברורות של פונקציונליות אבטחה ברכיבים ובפלטפורמות בצורת דרישות אבטחה פונקציונליות (SFR). הוא גם מספק מדדי חוזק המודדים חוסן מפני התקפות בצורת 'רמות' SESIP מ-1 עד 5, כאשר 1 הוא הסמכה עצמית ו-5 מתאים לבדיקות מקיפות והסמכת צד שלישי.

למידת מכונה מהענן לנקודת הקצה

למידת מכונה (ML) היא המאפשרת העיקרית של אוטומציה חכמה, תוך תמיכה בשיפורים של תהליכים רציפים ובמוצרים באיכות גבוהה. השימוש ברשתות עצביות הוא טכניקת למידת מכונה מבוססת היטב במסגרת 'תעשייה 4.0'. הוא מתחיל לזכות בהשלמה דרך למידה מעמיקה באמצעות חיזוקים בענן. למידה מעמיקה באמצעות חיזוקים מוסיפה מסגרת של אלגוריתמים מוכווני מטרה לליבת הרשת העצבית. בתחילה, הלמידה באמצעות חיזוקים הוגבלה לסביבות שניתן לחזור עליהן, כמו משחק במשחקים, אולם כיום האלגוריתמים יכולים לפעול בסביבות מעורפלות יותר בעולם האמתי. בעתיד, יישומי למידה מתקדמים באמצעות חיזוקים עשויים לכלול בינה מלאכותית כללית.

למידת המכונה אינה נמצאת רק בענן – היא מגיעה אל אולם המפעל עד לנקודת הקצה. חריצי ההרחבה של מחשבים תעשייתיים ושל בקרים ניתנים לתכנות ברצפת הייצור מארחים יותר ויותר כרטיסים מאיצים של למידת מכונה ובינה מלאכותית (AI) לצורך בקרת תהליכים חכמה.

למידת מכונה זעירה (tinyML) ממוטבת במיוחד לפריסה ביישומים בעלי הספק נמוך. השימוש ב-tinyML ביישומי חיישנים הולך ומתרחב במהירות. דוגמה ליישום tinyML היא ניתוח חיישן IIoT בהתקני קצה המופעלים בסוללות או בקצירת אנרגיה. כרטיס Arduino מציע ערכת למידת מכונה זעירה שבה לוח Arduino Nano 33 BLE Sense המכיל MCU ומגוון חיישנים אשר יכולים לנטר תנועה, תאוצה, סיבוב, צלילים, מחוות, קרבה, צבע, עוצמת אור ותזוזה (איור 4). מודול מצלמה OV7675 ולוח הרחבה ל-Arduino כלולים גם הם. ה-MCU המובנה יכול ליישם רשתות עצביות עמוקות המבוססות על מסגרת הלמידה המעמיקה בקוד פתוח TensorFlow Lite לצורך הסקת מסקנות בהתקן עצמו.

איור 4: ערכת למידת מכונה זעירה של Arduino המיועדת לפיתוח יישומי חיישנים עבור האינטרנט התעשייתי (IIoT). (מקור התמונה: DigiKey)

מדדים וניתוחים בזמן אמת

מדדים וניתוחים בזמן אמת הם היבטים חיוניים של אוטומציה חכמה. תפיסת 'עקיבות 4.0' (Traceability 4.0) משלבת את נראות המוצר, נראות שרשרת האספקה ונראות פריטי השורה מדורות קודמים של עקיבות ומבטיחה היסטוריה מלאה של כל היבטי המוצר. בנוסף, היא כוללת את כל פרמטרי המכונה והתהליך ותומכת במדדי יעילות הציוד הכוללת (OEE) הממטבים תהליכי ייצור (איור 5).

איור 5: 'עקיבות 4.0' הנה יישום מקיף התומך במגוון הדרישות של פעולות 'תעשייה 4.0'. (מקור התמונה: Omron)

העקיבות הנה חיונית בתעשיות רבות, החל מייצור מכשור רפואי וכלה בתעשיית הרכב ובתעשיית התעופה והחלל. במקרה של מכשור רפואי, דרישות התקינה מחייבות מעקב ועקיבות נרחבים. כלי רכב ומערכות תעופה וחלל עשויים לכלול עשרות אלפי חלקים למעקב. אין מדובר אך ורק בהיסטוריית חלקים – העקיבות כוללת מעקב אחר ממדים גיאומטריים ואפיצויות (GD&T) של חלקים פרטניים. ה-GD&T מאפשר ייצור מדויק והתקנת חלקים על סמך ערכי ה-GD&T המדויקים שלהם, אשר תומכים במכלולים מדויקים ביותר עבור תעשיות כגון תעופה וחלל וייצור כלי רכב.

העקיבות יכולה לשפר את רמת הדיוק והיעילות במימוש של קריאות לאחזור מוצרים. היא מאפשר ליצרן לזהות את כל המוצרים המושפעים ואת הספק(ים) של כל רכיב פגום.

שימוש בתפיסת העקיבות יכול להאיץ פעולות מתקנות ומונעות. בדומה למצב בקריאות לאחזור מוצרים, הכרת מקורם המלא של המוצרים מאפשרת ליצרנים למקד ולתזמן ביעילות פעילויות שירות ותחזוקה עבור המוצרים בשטח.

עקיבות ו-MES

מימושי מערכות MES אחודות המשלבים עקיבות יכולים ליצור מסד נתונים ניתן לחיפוש לגבי כל המידע הקשור למוצרים פרטניים, כולל תכנים כפי שתוכננו ותוצאות כפי שנבנו. לדוגמה, העקיבות משמשת למעקב אחר רכיבים וחומרים פרטניים כשהם מגיעים, כולל נתוני בדיקות איכות בכניסה, מיקום מפעל ההספקה וכן הלאה, עוד לפני תחילת הייצור. מערכת ה-MES מאמתת את המידע על סמך התכן המתוכנן ומזינה אותו לפעולות זיווד ולעבודה במסדי נתונים של תהליכים.

נתוני העקיבות המסופקים על ידי האינטרנט התעשייתי (IIoT) בשילוב עם מערכת MES תומכים בהתאמה אישית מיוחדת של מוצרים במסגרת 'תעשייה 4.0'. מערכת MES מאפשרת לחומרים, לתהליכים ולמשאבים הנכונים האחרים להיות במקום הנכון כדי להבטיח את עלות הייצור הנמוכה ביותר ואת התוצאה האיכותית ביותר. כמו כן, מערכת MES משולבת עקיבות יכולה לשלב ולהוכיח עמידה בתקנות ממשלתיות ולהפוך את הנתונים לנגישים עבור מבקרים או גורמים אחרים על פי הצורך.

'שרשרת בלוקים' (בלוקצ'יין)

'שרשרת בלוקים' (בלוקצ'יין) הנה מערכת ספר ראשי דיגיטלית לא מרכזית, כלומר מבוזרת, לרישום עסקאות בין צדדים מרובים בצורה חסינת פגיעה וניתנת לאימות. עסקאות שבהן יש חשיבות לאמון, כמו ניהול שרשרת אספקה, הן שימושים פוטנציאליים עבור מערכת בלוקצ'יין. בשרשרת אספקה מרובת משתתפים, טכנולוגיית בלוקצ'יין יכולה לשפר את יעילות העסקאות ולעשות אותן ניתנות לאימות וחסינות פגיעה. להלן שתי דוגמאות ליתרונות השימוש בטכנולוגיית בלוקצ'יין בפעילויות שרשרת אספקה:

החלפת תהליכים ידניים. באמצעות בלוקצ'יין ניתן לשפר תהליכים ידניים המבוססים על עותקי נייר אשר מסתמכים על חתימות או צורות אחרות של אימות פיזי. המגבלה היא שאוכלוסיית המשתתפים בספר הראשי חייבת להיות סופית וניתנת לזיהוי בקלות. חברת משלוחים בעלת מסד נתוני לקוחות המשתנה במהירות עשויה שלא להיות מועמדת טובה לשימוש במערכת בלוקצ'יין. תפעול של ייצור עם קבוצה סופית של ספקים מהימנים המשתנה באטיות הוא מועמד טוב לכך.

חיזוק העקיבות. מערכת בלוקצ'יין יכולה לספק כלי טוב לשיפור שקיפותה של שרשרת האספקה ולעמידה בדרישות התקינה והמידע לצרכן ההולכות ומתרבות. לדוגמה, מערכת בלוקצ'יין יכולה לתמוך בחוק לעניין שרשרת האספקה והאבטחה של תרופות (Drug Supply Chain and Security Act) ובהרשאה לגבי מזהה התקנים ייחודי מטעם מנהל המזון והתרופות של ארה"ב. בתעשיית הרכב ובתעשיות אחרות, ספקים שונים בכל חלקי שרשרת האספקה יכולים להיות מעורבים במימוש קריאות לאחזור מוצרים, ומערכת בלוקצ'יין יכולה לספק כלי טוב למימוש הנחיות העקיבות שפורסמו על ידי קבוצת הפעולה של תעשיית הרכב (AIAG).

סיכום

האוטומציה החכמה, שהיא הבסיס לתפיסת 'תעשייה 4.0', מסתמכת על טכנולוגיות רבות למימושה, כולל מספר גדל והולך של שכבות רשת בעלות חיבוריות קווית ואלחוטית הגורם לאיומי אבטחת סייבר מורכבים יותר ויותר. בנוסף, למידת מכונה מיושמת מנקודת הקצה ועד לענן במטרה לתמוך במדדים וניתוחים בזמן אמת, כולל עקיבות ומערכות MES אחודות. ולבסוף, טכנולוגיית בלוקצ'יין מוכנסת לשימוש במטרה לתמוך בבסיסי נתונים חסיני פגיעה וניתנים לאימות.