Internet przemysłowy, jako wyłaniający się model biznesowy i paradygmat zastosowań utworzony w wyniku głębokiej integracji technologii informacyjnej nowej-generacji z gospodarką przemysłową, stanowi dla przedsiębiorstw przemysłowych kluczową podstawę do osiągnięcia transformacji cyfrowej. W ostatnich latach pojawiło się wiele zintegrowanych rozwiązań dzięki innowacjom dostosowanym do charakterystyki produkcji i słabych punktów kluczowych branż. Przykłady obejmują współpracę w łańcuchu dostaw w-produkcji wysokiej klasy sprzętu, zdalną obsługę i konserwację głównych urządzeń, oszczędzanie energii i redukcję emisji w przemyśle stalowym oraz monitorowanie bezpieczeństwa produkcji w sektorze petrochemicznym. Rozwiązania te w pełni wykorzystują efekty agregacji i wzmacniania Internetu przemysłowego, napędzając cyfrową transformację produkcji i dostarczając podstawową wartość w postaci poprawy jakości, redukcji kosztów i wzrostu wydajności.
Przemysłowe platformy internetowe zapewniają możliwości agregowania, integrowania, przechowywania, przetwarzania, obliczania i analizowania ogromnych danych przemysłowych, umożliwiając przedsiębiorstwom budowanie ujednoliconych platform danych kontroli operacyjnej obejmujących cały-cykl życia. Liczne technologie-związane z platformą podlegają ciągłej iteracji i udoskonalaniu (np. komponenty mikrousług, kontenery, wsadowe przetwarzanie danych, przetwarzanie strumieniowe). Technologie te stopniowo umożliwiają nam przeprowadzanie-dogłębnej analizy heterogenicznych, masowych danych przemysłowych, przyspieszając jednocześnie gromadzenie wiedzy przemysłowej, oddzielenie sprzętu i oprogramowania oraz szybkie wdrażanie innowacyjnych aplikacji. Zdajemy sobie jednak sprawę, że te zaawansowane technologie-o otwartym kodzie źródłowym są zasadniczo narzędziami pomagającymi przedsiębiorstwom w osiągnięciu inteligentnej produkcji-a nie samym celem końcowym. Wykorzystując takie platformy, duże przedsiębiorstwa mogą zoptymalizować produkcję w całym zakresie, ulepszyć cały łańcuch wartości aktywów i operacji, a ostatecznie osiągnąć optymalizację wartości-w całym cyklu życia. Na przykład grupa Abu Dhabi National Oil Company (ADNOC) wykorzystuje swoje panoramiczne cyfrowe centrum dowodzenia do centralnego monitorowania i optymalizacji aktywów i wydajności operacyjnej 14 spółek operacyjnych ze swojej siedziby głównej. Dzięki rozwiązaniom takim jak konserwacja predykcyjna i optymalizacja łańcucha wartości zidentyfikowała potencjalne możliwości optymalizacji wartości o wartości od 60 do 100 milionów dolarów dla grupy (dostarczanie rozwiązań do optymalizacji łańcucha wartości ropy i gazu, integrowanie łańcuchów wartości aktywów i operacyjnych oraz maksymalizacja zysków produkcyjnych i operacyjnych).
Internet przemysłowy oferuje liczne rozwiązania w scenariuszach takich jak rozszerzenie usług, współpraca sieciowa i spersonalizowane dostosowywanie poprzez łączenie przedsiębiorstw, użytkowników i produktów. Pozostaje jednak w fazie eksploracyjnej inteligentnych scenariuszy produkcyjnych, a przedsiębiorstwa w dalszym ciągu stoją przed poważnymi wyzwaniami w zakresie działalności produkcyjnej.
Wyzwania stojące przed współczesnymi przedsiębiorstwami produkcyjnymi
Wyzwania rynkowe: niepewność gospodarcza i rynkowa na całym świecie zmusza producentów do szybkiego dostosowywania strategii w celu dostosowania się do częstszych i szybszych-zapotrzebowań rynku, jednocześnie radząc sobie z wahaniami kosztów surowców i energii. Tendencja ta zmusza firmy do ponownego przemyślenia swojego podejścia operacyjnego: muszą stale wprowadzać na rynek nowe produkty, skracając jednocześnie cykle zakupu sprzętu, harmonogramy opracowywania nowych produktów i czas-wprowadzenia-na rynek. Muszą ustanowić modele biznesowe oparte na{{5}zapotrzebowaniu i skoordynowanej optymalizacji łańcucha dostaw oraz elastyczne systemy produkcyjne, takie jak produkcja mieszana-na dużą skalę-liniowa-, szczególnie krytyczna dla sektora produkcji dyskretnej.
Wyzwania związane z zasobami ludzkimi i utrzymaniem wiedzy: W miarę odchodzenia na emeryturę starszych pokoleń pracowników istnieje ryzyko utraty posiadanej przez nich wiedzy specjalistycznej w zakresie systemów kontroli, operacji i konserwacji. Przedsiębiorstwa przemysłowe stoją przed poważnymi wyzwaniami wynikającymi z transformacji siły roboczej. Nowe pokolenie cyfrowych tubylców oczekuje, że wiedza z zakresu automatyki przemysłowej będzie osadzona w wykorzystywanych przez nich systemach, podczas gdy tradycyjne talenty OT stają się coraz rzadsze.
Wyzwania związane z kosztami całkowitymi i zgodnością: Jak zoptymalizować i zmniejszyć koszty nowych projektów budowlanych oraz wydatki operacyjne, zachowując jednocześnie zgodność z coraz bardziej rygorystycznymi krajowymi przepisami i regulacjami dotyczącymi ochrony środowiska, aby umożliwić zrównoważony rozwój.
Menedżerowie przemysłowi mają nadzieję, że technologie Przemysłu 4.0 i Internetu przemysłowego pomogą im stawić czoła tym nowym wyzwaniom. Analitycy branżowi szacują, że bardziej elastyczne technologie produkcyjne-nowej generacji mogłyby zwiększyć produktywność produkcji o 30%. Jednak badania wskazują również, że 60% firm nie wychodzi poza fazę pilotażową swoich projektów. Wynik ten wynika z różnorodnych czynników związanych z personelem, procesami i technologią. Na froncie technologicznym większość producentów ma trudności z osiągnięciem wyższych zysków z tych innowacji, głównie dlatego, że ich systemy operacyjne pozostają zamknięte i stanowią zastrzeżone konfiguracje. Od lat 70-tych XX wieku, kiedy systemy DCS i PLC weszły do automatyki przemysłowej, systemy autorskie ewoluowały. Do tej pory rynek rozwijał się wokół modeli łączenia sprzętu-oprogramowania, a każdy dostawca systemów automatyki i systemów informatycznych tworzył własny ekosystem oprogramowania. Zmusza to użytkowników do utrzymywania wielu systemów OT i IT, co sprzyja dużej zależności od dostawców systemów.
Aktualne wąskie gardła na obrzeżach Internetu przemysłowego
Architektura inna niż-cyfrowa-Większość nowoczesnych systemów automatyki jest wysoce zoptymalizowana pod kątem kontroli-w czasie rzeczywistym, ale nie wykorzystuje szybko rozwijających się technologii wyłaniających się z dziedziny IT. Te najnowocześniejsze-technologie cyfrowe-w tym analityka, sztuczna inteligencja/uczenie maszynowe, podejście-obiektowe i architektury-zorientowane na usługi-są niezbędne do osiągnięcia inteligentnej produkcji.
Sprzęt-Modele biznesowe zorientowane na sprzęt-Chociaż ulepszenia sprzętu mogą zoptymalizować istniejące środowiska sterowania, nie są one najważniejszym aspektem transformacji cyfrowej. Prawdziwy klucz leży w innowacjach-opartych na oprogramowaniu, które w inteligentny sposób odpowiadają na wyzwania związane z technologią operacyjną. W rezultacie wartość biznesowa stale przesuwa się z modeli opartych-sprzętem na modele oparte-oprogramowaniu.
Ograniczenia systemów zastrzeżonych-Obecnie aplikacje automatyzujące opracowane dla jednego systemu nie mogą działać na innym. Jednak w ciągu ostatnich dziesięcioleci w IT otwarte systemy operacyjne, takie jak Linux, sprzyjały tworzeniu-aplikacji innych firm, umożliwiając szybką ekspansję ekosystemu i tworzenie bogatych portfeli oprogramowania, które spełniają potrzeby biznesowe w wielu branżach i segmentach rynku. Niestety, zastrzeżone systemy w sektorze przemysłowym tworzą bariery dla innowacji: użytkownicy nie mogą rozsądnie-efektywnie kosztowo ulepszać systemów produkcyjnych ani integrować i dopasowywać najlepszych-w-swojej klasie produktów od różnych dostawców. Ich tempo innowacji jest ograniczone przez ich zależność od własnych dostawców systemów. Bariery te ostatecznie zwiększają całkowite koszty przedsiębiorstwa.
Dla producentów oryginalnego sprzętu (OEM) wyzwanie polega na zrównoważeniu dwóch priorytetów: wykorzystaniu możliwości wirtualnego debugowania podczas projektowania modułowego w celu połączenia świata wirtualnego i fizycznego,-w ten sposób redukując koszty, ograniczając ryzyko i skracając czas--wprowadzenia produktu na rynek-przy jednoczesnym zwiększaniu wartości-usług dodanych maszyny w celu poszerzania rynków i napędzania rozwoju firmy.
Integratorzy systemów (SI) stoją przed krytyczną luką: w systemach automatyki brakuje narzędzi łączących domeny IT i OT. Ostatecznie są zmuszeni zainwestować znaczne zasoby ludzkie w opracowywanie bardzo złożonych, niestandardowych rozwiązań. Co najważniejsze, takie usługi szyte na miarę są trudne do szerokiego powielenia na rynku. Poszukują bloków funkcjonalnych oprogramowania, które chronią ich wiedzę przemysłową i rozwiązania-branżowe, redukując w ten sposób wysiłek inżynieryjny o niskiej-wartości (poprzez ponowne wykorzystanie obiektów i algorytmów procesów w wielu projektach). Dzięki temu ich eksperci techniczni mogą w większym stopniu skoncentrować się na rozwiązywaniu problemów i wyzwań w procesach produkcji, operacji i konserwacji (MOM), ostatecznie tworząc większą wartość.
Ze strony-użytkownika końcowego (UE) sprostanie tym wyzwaniom pilnie wymaga kompleksowego zarządzania systemami, aby zminimalizować nieplanowane przestoje, zapewnić dostawę produktów w szczytowych sezonach i zmniejszyć zależność od zewnętrznego wsparcia technicznego. Istnieje zapotrzebowanie na elastyczne systemy/linie produkcyjne, które zapewnią elastyczność produkcji, umożliwiając większą elastyczność produkcji w przypadku zmian popytu lub harmonogramów konserwacji.
Skuteczne rozwiązanie tych problemów i rzeczywiste utworzenie „oprogramowanego-przemysłowego” cyfrowego ekosystemu przemysłowego wymaga zajęcia się zamkniętymi systemami OT, standardami i wyzwaniami ekosystemowymi u ich źródła. Wiąże się to z przyjęciem otwartych systemów i standardów automatyzacji przy jednoczesnej integracji dodatkowych możliwości technicznych w celu przyspieszenia konwergencji IT-OT.
Przyszłość otwartych systemów automatyki
Przyszłe architektury systemów automatyki będą nieuchronnie ewoluować w kierunku otwartości, rozproszonego wdrażania i nieodłącznego bezpieczeństwa. Podstawą tych otwartych systemów jest technologia automatyzacji przemysłowej i przetwarzanie brzegowe. W porównaniu z tradycyjnymi systemami autorskimi, otwarte architektury automatyzacji ulegną następującym przemianom:
Oczywiste jest, że otwarte architektury automatyki przyspieszają rozwój inżynierii, zwiększają elastyczność systemu, elastyczność produkcji i ogólną wydajność. Ta zmiana to coś więcej niż ulepszenie techniczne-. Zasadniczo na nowo definiuje sposób projektowania procesów i maszyn. Długoterminowe-programowanie o niskiej-wartości dla zastrzeżonych kontrolerów zostanie przeniesione na systemy automatyki typu „podłącz i używaj”. Systemy te będą wykorzystywać rozbudowane, dokładnie sprawdzone bloki funkcyjne oprogramowania opracowane przez rozległy ekosystem. Będą one działać na różnorodnym sprzęcie od wielu dostawców-od wbudowanych systemów sterowania po zaawansowane inteligentne urządzenia brzegowe.
Otwarte standardy są niezbędne do budowania otwartych systemów automatyki, a IEC 61499 jest kluczową normą otwierającą tę nową granicę. Definiując reguły modelowania-zorientowanego obiektowo, hermetyzuje modele sterowania i algorytmy kontrolowanych obiektów w „czarnych skrzynkach” (blokach funkcyjnych oprogramowania). Te zweryfikowane bloki funkcyjne można ponownie wykorzystać w różnych scenariuszach, znacznie redukując powtarzalne wysiłki programistyczne. Użytkownikom wystarczy zrozumienie dostarczanej funkcjonalności bez konieczności znajomości szczegółów implementacji, chroniąc w ten sposób własność intelektualną programistów. W przeciwieństwie do tradycyjnych bloków funkcyjnych, te zdefiniowane w tym standardzie działają w oparciu o wyzwalanie zdarzeń, a nie cykliczne skanowanie. Jest to zgodne z koncepcjami-obiektowymi i podejściami programistycznymi w dziedzinie IT, co czyni tę technologię naturalną konwergencją IT/OT. Ułatwia poprawę wydajności procesora sterownika i równoważenia obciążenia, jest szczególnie odpowiedni dla systemów rozproszonych i umożliwia bezproblemową integrację zaawansowanych technologii IT z systemami automatyki. Standard dalej definiuje zasady dotyczące modeli aplikacji, modeli systemów i modeli urządzeń/zasobów. Ich integracja umożliwia użytkownikom projektowanie aplikacji niezależnie od podstawowego sprzętu automatyki. Takie podejście do abstrakcji sprzętu skraca terminy realizacji projektów i zmniejsza zależność od producentów sprzętu. W połączeniu z obiektowym-rozwojem bloków funkcyjnych znacznie upraszcza to dostosowywanie online linii produkcyjnych i sprzętu. Naturalnie standard zapewnia również metody łączenia podstawowych bloków funkcyjnych w bloki złożone i szybkiego łączenia różnych bloków funkcyjnych (poprzez proste przeciąganie i{{16}upuszczanie), co znacznie zmniejsza obciążenie pracą związaną z debugowaniem oprogramowania i liczbę błędów programu. Podsumowując, jego głównymi celami są osiągnięcie interoperacyjności urządzeń, możliwości rekonfiguracji systemu i przenośności oprogramowania. Organizacje takie jak Open Process Automation Forum (OPAF) i Międzynarodowe Stowarzyszenie Użytkowników Automatyzacji Przemysłu Procesowego (NAMUR), w których obecnie kieruje się udziałem-użytkowników końcowych, opowiadają się za odejściem od istniejących zastrzeżonych struktur systemów automatyzacji opartych na tym standardzie-najlepiej ilustrującym to dążenie.
W ostatnich latach szybki rozwój nastąpił także w przypadku technologii przetwarzania brzegowego. Technologia kontenerowa zapewnia skuteczne metody zbiorczego aktualizowania/uaktualniania aplikacji w celu kontroli brzegowej oraz zapewnienia terminowej transmisji i przetwarzania danych. Technologie kontenerowe, głównie Docker, oraz narzędzia do orkiestracji kontenerów, takie jak Kubernetes, obecnie dojrzewają. Architektura mikrousług stale zwiększa efektywność wykorzystania zasobów na brzegu, promuje funkcjonalne oddzielenie i ponowne wykorzystanie, przyspiesza rozwój aplikacji i stała się kluczowym trendem w technologii przetwarzania brzegowego. Standardy takie jak OPC UA i Time-Sensitive Networking (TSN) zapewniają międzynarodowe ramy i sieci deterministyczne dla wzajemnych połączeń urządzeń polowych, spełniając różnorodne wymagania dotyczące transmisji i wymiany danych w zastosowaniach przemysłowych. Integracja technologii informacyjno-komunikacyjnych nowej-generacji z technologiami zgodnymi ze standardem IEC 61499 przyspieszy postęp otwartej automatyzacji. Ta otwartość dotyczy nie tylko standardów, ale także sieci, sprzętu, oprogramowania i architektury systemów, kładąc solidne podstawy do osiągnięcia cyfryzacji, tworzenia sieci i inteligencji w fabrykach i warsztatach.
Otwarta automatyzacja będzie motorem szybkiego rozwoju Internetu przemysłowego, ostatecznie rozwiązując problemy użytkowników końcowych, integratorów systemów i producentów OEM. Takie podejście zapewnia elastyczną produkcję, skraca czas-wprowadzenia produktu na-rynek, skraca czas i koszty prac inżynieryjnych, zwiększa wydajność operacyjną i produkcyjną oraz chroni własność intelektualną. Rzeczywiście, niedawne badanie porównawcze przeprowadzone przez międzynarodową-firmę zewnętrzną skutecznie to podkreśla: do ukończenia typowego projektu automatyzacji-na małą skalę (zadania obejmujące tworzenie aplikacji, importowanie odpowiednich baz danych, ustanawianie logiki, konfigurowanie urządzeń, opracowywanie interfejsów HMI i wdrażanie projektu) tradycyjne narzędzia oprogramowania do automatyzacji wymagały 40 godzin. Natomiast zastosowanie otwartego systemu automatyki skróciło ten czas o 68%. Aby przetestować elastyczność systemu, kontrolery zostały ręcznie zamienione między urządzeniami, a nowe kontrolery zostały skonfigurowane dla oryginalnych urządzeń. Operacje te okazały się kłopotliwe w przypadku tradycyjnych, zastrzeżonych systemów, podczas gdy otwarte systemy automatyzacji wykonywały je od 70% do 80% szybciej.
Podsumowując, to, czy przyszły Internet przemysłowy będzie w stanie przezwyciężyć obecne wąskie gardła i dalej pogłębiać cyfrową transformację przedsiębiorstw przemysłowych, zależy od ustanowienia otwartego systemu automatyzacji opartego na nowych koncepcjach, architekturach i standardach. Tradycyjne,-zastrzeżone systemy skupione na sprzęcie zostaną zastąpione-systemami otwartymi skupionymi na oprogramowaniu. Więcej technologii chmurowych zostanie zastosowanych w przetwarzaniu brzegowym, umożliwiając dużej grupie talentów IT głęboką integrację z wiedzą na temat zastosowań przemysłowych w ramach tej otwartej platformy. Możemy przewidzieć, że Internet przemysłowy wytyczy zdrową i zrównoważoną ścieżkę naprzód, wykorzystując ten otwarty ekosystem.