Industriālais internets kā jauns uzņēmējdarbības modelis un lietojumprogrammu paradigma, ko veido nākamās paaudzes informācijas tehnoloģiju dziļa integrācija{0}}rūpnieciskajā ekonomikā, kalpo kā būtisks pamats rūpniecības uzņēmumiem digitālās transformācijas sasniegšanai. Pēdējos gados ir radušies daudzi integrēti risinājumi, izmantojot inovācijas, kas pielāgotas galveno nozaru ražošanas īpašībām un sāpīgajiem punktiem. Piemēri ir piegādes ķēdes sadarbība augstākās klases iekārtu ražošanā, galveno iekārtu attālināta darbība un apkope, enerģijas taupīšana un emisiju samazināšana tērauda rūpniecībā, kā arī ražošanas drošības uzraudzība naftas ķīmijas nozarē. Šie risinājumi pilnībā izmanto rūpnieciskā interneta apkopošanas un pastiprināšanas efektus, virzot ražošanas digitālo pārveidi un nodrošinot pamatvērtību kvalitātes uzlabošanā, izmaksu samazināšanā un efektivitātes paaugstināšanā.
Industriālās interneta platformas nodrošina apjomīgu rūpniecisko datu apkopošanas, integrēšanas, uzglabāšanas, apstrādes, skaitļošanas un analīzes iespējas, ļaujot uzņēmumiem izveidot vienotas, pilna -dzīves cikla darbības vadības datu platformas. Daudzas ar platformu{2}}saistītas tehnoloģijas tiek nepārtraukti atkārtotas un pilnveidotas (piemēram, mikropakalpojumu komponenti, konteineri, pakešu datu apstrāde, straumes apstrāde). Šīs tehnoloģijas pakāpeniski dod mums iespēju veikt padziļinātu-neviendabīgu, apjomīgu rūpniecisko datu analīzi, vienlaikus paātrinot rūpniecisko zināšanu uzkrāšanu, aparatūras un programmatūras atsaisti un inovatīvu lietojumprogrammu ātru ieviešanu. Tomēr mēs apzināmies, ka šīs uzlabotās,{8}}atklātā pirmkoda tehnoloģijas būtībā ir rīki, kas palīdz uzņēmumiem sasniegt viedo ražošanu-nevis pašu galamērķi. Izmantojot šādas platformas, lielie uzņēmumi var optimizēt ražošanu visā ražošanas jomā, uzlabot visu aktīvu un darbību vērtību ķēdi un galu galā sasniegt dzīves cikla{11}}vērtības optimizāciju. Piemēram, Abū Dabī Nacionālās naftas kompānijas (ADNOC) grupa izmanto savu panorāmas digitālo vadības centru, lai centralizēti uzraudzītu un optimizētu 14 strādājošo uzņēmumu aktīvus un darbības rādītājus savā galvenajā mītnē. Izmantojot tādus risinājumus kā paredzamā apkope un vērtību ķēdes optimizācija, tā ir identificējusi potenciālās vērtības optimizācijas iespējas 60 miljonu līdz 100 miljonu dolāru vērtībā grupai (naftas un gāzes vērtību ķēdes optimizācijas risinājumu nodrošināšana, aktīvu un darbības vērtību ķēžu integrēšana un ražošanas un darbības peļņas palielināšana).
Industriālais internets piedāvā daudzus risinājumus tādos gadījumos kā pakalpojumu paplašināšana, tīkla sadarbība un personalizēta pielāgošana, savienojot uzņēmumus, lietotājus un produktus. Tomēr tas joprojām ir viedo ražošanas scenāriju izpētes fāzē, un uzņēmumi joprojām saskaras ar ievērojamām problēmām ražošanas darbībās.
Problēmas, ar kurām saskaras mūsdienu ražošanas uzņēmumi
Tirgus izaicinājumi: globālā ekonomikas un tirgus nenoteiktība liek ražotājiem ātri pielāgot stratēģijas, lai pielāgotos biežākām un ātrākām tirgus prasībām, vienlaikus novēršot izejvielu un enerģijas izmaksu svārstības. Šī tendence liek uzņēmumiem pārdomāt savas darbības pieejas: tiem nepārtraukti jālaiž klajā jauni produkti, vienlaikus saīsinot aprīkojuma iepirkumu ciklus, jaunu produktu izstrādes termiņus un laiku, lai-nodotos{3}}tirdzniecībā. Viņiem ir jāizveido uz pieprasījumu-vadīti, piegādes ķēdes-koordinēti optimizācijas biznesa modeļi un elastīgas ražošanas sistēmas, piemēram, liela-jaukta{8}}līnijas ražošana-, kas ir īpaši svarīga atsevišķai ražošanas nozarei.
Problēmas ar cilvēkresursiem un zināšanu saglabāšanu. Vecākās paaudzes strādniekiem aizejot pensijā, pastāv risks, ka tiek zaudēta viņu pieredze kontroles sistēmās, darbībās un uzturēšanā. Rūpniecības uzņēmumi saskaras ar ievērojamām problēmām darbaspēka maiņas dēļ. Jaunās paaudzes digitālie vietējie iedzīvotāji sagaida, ka viņu izmantotajās sistēmās tiks iestrādātas industriālās automatizācijas zināšanas, savukārt tradicionālo OT talantu kļūst arvien mazāk.
Kopējo izmaksu un atbilstības izaicinājumi: kā optimizēt un samazināt jaunu būvniecības projektu izmaksas un ekspluatācijas izdevumus, vienlaikus ievērojot arvien stingrākos valsts vides aizsardzības likumus un noteikumus, lai nodrošinātu ilgtspējīgu attīstību.
Rūpniecības vadītāji cer, ka Rūpniecība 4.0 un rūpnieciskā interneta tehnoloģijas viņiem palīdzēs risināt šos jaunos izaicinājumus. Nozares analītiķi lēš, ka elastīgākas nākamās paaudzes ražošanas tehnoloģijas varētu palielināt ražošanas produktivitāti par 30%. Tomēr pētījumi arī liecina, ka 60% uzņēmumu nespēj virzīt savus projektus tālāk par izmēģinājuma posmu. Šis rezultāts izriet no dažādiem faktoriem, kas saistīti ar personālu, procesiem un tehnoloģijām. Tehnoloģiju jomā lielākā daļa ražotāju cīnās, lai sasniegtu lielāku atdevi no šiem jauninājumiem, galvenokārt tāpēc, ka viņu darbības iekārtu sistēmas joprojām ir slēgtas, patentētas iekārtas. Kopš 1970. gadiem, kad DCS un PLC sistēmas ienāca rūpnieciskajā automatizācijā, patentētas sistēmas ir attīstījušās. Līdz šim tirgus ir attīstījies ap aparatūras{11}programmatūras komplektēšanas modeļiem, un katrs automatizācijas un informācijas sistēmu piegādātājs ir izveidojis savu programmatūras ekosistēmu. Tas liek lietotājiem uzturēt vairākas OT un IT sistēmas, veicinot lielu atkarību no sistēmu piegādātājiem.
Pašreizējie sašaurinājumi rūpnieciskā interneta malā
Ne-digitālā arhitektūra-Lielākā daļa mūsdienu automatizācijas sistēmu ir ļoti optimizētas reāllaika-kontrolei, taču tās nespēj izmantot IT jomā strauji augošās tehnoloģijas. Šīs jaunākās digitālās tehnoloģijas-, tostarp analītika, mākslīgais intelekts/mašīnmācīšanās, objektorientētas pieejas- un pakalpojumu-orientētās arhitektūras{8}}ir būtiskas, lai panāktu viedo ražošanu.
Aparatūras{0}}Uzņēmējdarbības modeļi-Lai gan aparatūras uzlabojumi var optimizēt esošās vadības vides, tie nav vissvarīgākais digitālās transformācijas aspekts. Patiesā atslēga slēpjas programmatūras-vadītā inovācijā, kas gudri risina darbības tehnoloģiju problēmas. Līdz ar to uzņēmējdarbības vērtība nepārtraukti mainās no aparatūras-uz programmatūras-vadāmiem modeļiem.
Patentēto sistēmu ierobežojumi{0}}Pašlaik vienai sistēmai izstrādātās automatizācijas lietojumprogrammas nevar darboties citā sistēmā. Tomēr pēdējo desmitgažu laikā IT jomā atvērtās operētājsistēmas, piemēram, Linux, ir veicinājušas trešo pušu lietojumprogrammu izstrādi, ļaujot ātri paplašināt ekosistēmu un izveidot bagātīgus programmatūras portfeļus, kas atbilst biznesa vajadzībām vairākās nozarēs un tirgus segmentos. Diemžēl patentētas sistēmas rūpnieciskajā sektorā rada šķēršļus inovācijai: lietotāji nevar saprātīgi izmaksu{4}}efektīvi uzlabot ražošanas sistēmas vai integrēt un saskaņot labākos-savā-produktus no dažādiem piegādātājiem. Viņu inovāciju tempu ierobežo viņu paļaušanās uz patentētiem sistēmu piegādātājiem. Šie šķēršļi galu galā palielina kopējās uzņēmuma izmaksas.
Oriģinālā aprīkojuma ražotājiem (OEM) izaicinājums ir divu prioritāšu līdzsvarošana: virtuālās atkļūdošanas iespēju izmantošana modulārā dizaina laikā, lai savienotu virtuālo un fizisko pasauli, -tādējādi samazinot izmaksas, mazinot riskus un paātrinot laiku-tirgū-, vienlaikus paplašinot{4}}uzņēmējdarbības{3}}reklāmas vērtību.
Sistēmu integratori (SI) saskaras ar kritisku plaisu: automatizācijas sistēmām trūkst rīku, kas savienotu IT un OT domēnus. Galu galā viņi ir spiesti ieguldīt ievērojamus cilvēkresursus ļoti sarežģītu pielāgotu risinājumu izstrādē. Būtiski, ka šādus pasūtījuma pakalpojumus tirgū ir grūti plaši izplatīt. Viņi meklē programmatūras funkcionālos blokus, kas aizsargā viņu rūpnieciskās zināšanas un nozarei specifiskos risinājumus, tādējādi samazinot zemas-vērtības inženierijas darbu (atkārtoti izmantojot objektus un procesa algoritmus vairākos projektos). Tas ļauj viņu tehniskajiem ekspertiem vairāk koncentrēties uz sāpju punktu un problēmu risināšanu ražošanas, ekspluatācijas un apkopes (MOM) procesos, galu galā radot lielāku vērtību.
No gala lietotāja (ES) puses, lai risinātu šīs problēmas, steidzami nepieciešama visaptveroša sistēmas pārvaldība, lai samazinātu neplānotu dīkstāvi, nodrošinātu produktu piegādi sezonas maksimuma laikā un samazinātu paļaušanos uz ārēju tehnisko atbalstu. Pastāv vēlme pēc elastīgām sistēmām/ražošanas līnijām, lai nodrošinātu ražošanas veiklību, nodrošinot lielāku ražošanas elastību, kad pieprasījums mainās vai mainās apkopes grafiki.
Lai efektīvi atrisinātu šīs problēmas un patiesi izveidotu "programmatūras{0}}noteiktu rūpniecisko" digitālo industriālo ekosistēmu, ir jārisina slēgtās OT sistēmas, standarti un ekosistēmu problēmas to rašanās vietā. Tas ietver atvērtu automatizācijas sistēmu un standartu pieņemšanu, vienlaikus integrējot papildu tehniskās iespējas, lai paātrinātu IT{2}}OT konverģenci.
Atvērto automatizācijas sistēmu nākotne
Nākotnes automatizācijas sistēmu arhitektūras neizbēgami attīstīsies uz atvērtību, izkliedētu izvietošanu un raksturīgo drošību. Rūpnieciskās automatizācijas tehnoloģijas un malu skaitļošana veido šo atvērto sistēmu pamatu. Salīdzinot ar tradicionālajām patentētām sistēmām, atvērtās automatizācijas arhitektūrās būs šādas transformācijas:
Ir skaidrs, ka atvērtās automatizācijas arhitektūras paātrina inženiertehnisko attīstību, uzlabo sistēmas veiklību, ražošanas elastību un kopējo efektivitāti. Šī maiņa ir vairāk nekā tehnisks jauninājums,{1}}tas būtiski no jauna definē procesu un iekārtu projektēšanu. Ilgtermiņa-zemas vērtības{4}}programmēšana patentētiem kontrolleriem tiks pāriet uz plug{5}}and-automatizācijas sistēmām. Šīs sistēmas izmantos plašus, rūpīgi pārbaudītus programmatūras funkciju blokus, ko izstrādājusi plaša ekosistēma. Tie darbosies ar dažādu aparatūru no vairākiem piegādātājiem-aptverot iegultās vadības sistēmas līdz jaudīgām malu izlūkošanas ierīcēm.
Atvērtie standarti ir būtiski, lai izveidotu atvērtas automatizācijas sistēmas, un IEC 61499 ir galvenais standarts, kas atbloķē šo jauno robežu. Definējot objektu-orientētas modelēšanas noteikumus, tas iekapsulē kontrolēto objektu vadības modeļus un algoritmus "melnajās kastēs" (programmatūras funkciju blokos). Šos pārbaudītos funkciju blokus var atkārtoti izmantot dažādos scenārijos, ievērojami samazinot atkārtotas programmēšanas centienus. Lietotājiem pietiek izprast nodrošināto funkcionalitāti, nezinot ieviešanas detaļas, tādējādi aizsargājot izstrādātāju intelektuālo īpašumu. Atšķirībā no tradicionālajiem funkciju blokiem, šajā standartā noteiktie funkciju bloki darbojas, pamatojoties uz notikumu aktivizēšanu, nevis ciklisku skenēšanu. Tas atbilst objektorientētajām-koncepcijām un programmēšanas pieejām IT jomā, padarot to par dabisku IT/OT konverģences tehnoloģiju. Tas veicina uzlabotu kontroliera CPU efektivitāti un slodzes līdzsvarošanu, ir īpaši piemērots sadalītām sistēmām un nodrošina progresīvu IT tehnoloģiju nemanāmu integrāciju automatizācijas sistēmās. Standarts sīkāk definē noteikumus lietojumprogrammu modeļiem, sistēmas modeļiem un ierīču/resursu modeļiem. To integrācija ļauj lietotājiem izstrādāt lietojumprogrammas neatkarīgi no pamatā esošās automatizācijas aparatūras. Šī aparatūras abstrakcijas pieeja saīsina projektu termiņus un samazina atkarību no iekārtu ražotājiem. Apvienojumā ar uz objektu{13}}orientētu funkciju bloku izstrādi, tas ievērojami vienkāršo tiešsaistes pielāgošanu ražošanas līnijām un iekārtām. Protams, standarts nodrošina arī metodes pamata funkciju bloku salikšanai saliktos blokos un dažādu funkciju bloku ātrai savienošanai (izmantojot vienkāršu vilkšanu{15}}un-nomešanu), ievērojami samazinot programmatūras programmēšanas atkļūdošanas darba slodzi un programmu kļūdu līmeni. Rezumējot, ierīces sadarbspējas, sistēmas pārkonfigurēšanas un programmatūras pārnesamības sasniegšana ir tās galvenie mērķi. Tādas organizācijas kā Atvērtā procesa automatizācijas forums (OPAF) un Starptautiskā Procesu nozares automatizācijas lietotāju asociācija (NAMUR), kuras pašlaik vada galalietotāju līdzdalība, iestājas par pāreju no esošajiem patentētajiem automatizācijas sistēmu ietvariem, kuru pamatā ir šis standarts,{20}}labākais šīs darbības piemērs.
Pēdējos gados strauji attīstās arī malu skaitļošanas tehnoloģija. Konteineru tehnoloģija nodrošina efektīvas metodes lietojumprogrammu pakešu atjaunināšanai/jaunināšanai malu kontrolei un savlaicīgas datu pārraides un apstrādes nodrošināšanai. Tagad tiek izstrādātas konteineru tehnoloģijas, galvenokārt Docker, un konteineru orķestrēšanas rīki, piemēram, Kubernetes. Mikropakalpojumu arhitektūra nepārtraukti uzlabo resursu izmantošanas efektivitāti malās, veicina funkcionālu atsaisti un atkārtotu izmantošanu, paātrina lietojumprogrammu izstrādi un ir kļuvusi par galveno tendenci malu skaitļošanas tehnoloģijā. Standarti, piemēram, OPC UA un Time{4}}sensitive Networking (TSN), nodrošina starptautiskus ietvarus un deterministiskus tīklus lauka ierīču savstarpējai savienojamībai, kas atbilst dažādām datu pārraides un apmaiņas prasībām rūpnieciskos lietojumos. Šo nākamās-paaudzes informācijas un komunikācijas tehnoloģiju integrācija ar IEC 61499 standarta tehnoloģijām paātrinās atvērtās automatizācijas progresu. Šī atvērtība attiecas ne tikai uz standartiem, bet arī uz tīklu, aparatūras, programmatūras un sistēmu arhitektūru, liekot stabilu pamatu digitalizācijas, tīklošanas un inteliģences sasniegšanai rūpnīcās un darbnīcās.
Atvērtā automatizācija virzīs rūpnieciskā interneta straujo attīstību, galu galā risinot problēmas galalietotājiem, sistēmu integratoriem un oriģinālo iekārtu ražotājiem. Izmantojot šo pieeju, tiek panākta elastīga ražošana, saīsināts laiks-nodošanai tirgū, samazināts projektēšanas laiks un izmaksas, uzlabota darbības un ražošanas efektivitāte, kā arī tiek aizsargāts intelektuālais īpašums. Patiešām, nesen veikts starptautiskas trešās puses uzņēmuma salīdzinošais pētījums to efektīvi uzsver: lai pabeigtu tipisku maza mēroga automatizācijas projektu (tostarp lietojumprogrammu izveide, atbilstošu datu bāzu importēšana, loģikas izveide, ierīču konfigurēšana, HMI izstrāde un projekta izvietošana), tradicionālajiem automatizācijas programmatūras rīkiem bija vajadzīgas 40 stundas. Turpretim, izmantojot atvērto automatizācijas sistēmu, šis laiks tika samazināts par 68%. Lai pārbaudītu sistēmas veiklību, kontrolieri tika manuāli apmainīti starp ierīcēm un jauniem kontrolieriem, kas konfigurēti sākotnējām ierīcēm. Šīs darbības izrādījās apgrūtinošas ar tradicionālajām patentētām sistēmām, savukārt atvērtās automatizācijas sistēmas tās veica par 70% līdz 80% ātrāk.
Rezumējot, tas, vai nākotnes industriālais internets var pārvarēt pašreizējās vājās vietas un vēl vairāk veicināt rūpniecisko uzņēmumu digitālo pārveidi padziļināti un plaši, ir atkarīgs no atvērtas automatizācijas sistēmas izveides, kuras pamatā ir jaunas koncepcijas, arhitektūra un standarti. Tradicionālās uz aparatūru{1}}centrētas patentētās sistēmas tiks aizstātas ar programmatūras{2}}atvērtajām sistēmām. Vairāk mākoņtehnoloģiju tiks izmantotas malu skaitļošanā, ļaujot lielam IT talantu lokam dziļi integrēties ar industriālo lietojumu zināšanām šajā atvērtajā sistēmā. Mēs varam paredzēt, ka rūpnieciskais internets veidos veselīgu, ilgtspējīgu ceļu uz priekšu, izmantojot šo atvērto ekosistēmu.