Промышленный Интернет как новая бизнес-модель и парадигма приложений, сформированная в результате глубокой интеграции информационных технологий следующего-поколения с промышленной экономикой, служит важнейшей основой для достижения промышленных предприятий цифровой трансформации. В последние годы появилось множество интегрированных решений благодаря инновациям, адаптированным к производственным характеристикам и болевым точкам ключевых отраслей. Примеры включают сотрудничество в цепочке поставок при-производстве высококачественного оборудования, удаленном управлении и обслуживании основного оборудования, энергосбережении и сокращении выбросов в сталелитейной промышленности, а также мониторинге безопасности производства в нефтехимическом секторе. Эти решения в полной мере используют эффекты агрегирования и усиления промышленного Интернета, стимулируя цифровую трансформацию производства и обеспечивая основную ценность в повышении качества, сокращении затрат и повышении эффективности.
Платформы промышленного Интернета предоставляют возможности для агрегирования, интеграции, хранения, обработки, вычисления и анализа огромных объемов промышленных данных, что позволяет предприятиям создавать унифицированные платформы данных оперативного управления с полным-жизненным циклом. Многочисленные технологии,-связанные с платформами, постоянно совершенствуются и совершенствуются (например, компоненты микросервисов, контейнеры, пакетная обработка данных, потоковая обработка). Эти технологии постепенно дают нам возможность проводить-углубленный анализ разнородных массивных промышленных данных, одновременно ускоряя накопление промышленных знаний, разделение аппаратного и программного обеспечения и быстрое развертывание инновационных приложений. Однако мы понимаем, что эти передовые технологии с открытым исходным кодом-по сути являются инструментами, помогающими предприятиям достичь интеллектуального производства,-а не самой конечной целью. Используя такие платформы, крупные предприятия могут оптимизировать производство по всему объему производства, улучшить всю цепочку создания стоимости активов и операций и, в конечном итоге, добиться-оптимизации стоимости всего жизненного цикла. Например, группа Национальной нефтяной компании Абу-Даби (ADNOC) использует свой панорамный цифровой командный центр для централизованного мониторинга и оптимизации активов и операционных показателей 14 операционных компаний из своей штаб-квартиры. Благодаря таким решениям, как профилактическое обслуживание и оптимизация цепочки создания стоимости, компания определила потенциальные возможности оптимизации стоимости на сумму от 60 до 100 миллионов долларов для группы (предоставление решений по оптимизации цепочки создания стоимости в нефтегазовой отрасли, интеграция цепочек создания стоимости активов и операционной деятельности, а также максимизация производственной и операционной прибыли).
Промышленный Интернет предлагает множество решений в таких сценариях, как расширение услуг, сетевое сотрудничество и персонализированная настройка путем объединения предприятий, пользователей и продуктов. Тем не менее, он все еще находится на этапе исследования сценариев интеллектуального производства, и предприятия по-прежнему сталкиваются с серьезными проблемами в производственных операциях.
Проблемы, стоящие перед современными производственными предприятиями
Проблемы рынка. Глобальная экономическая и рыночная неопределенность вынуждает производителей быстро корректировать стратегии, чтобы адаптироваться к более частым и быстро меняющимся-требованиям рынка, одновременно справляясь с колебаниями цен на сырье и энергию. Эта тенденция заставляет компании переосмысливать свои операционные подходы: они должны постоянно выпускать новые продукты, сокращая при этом циклы закупок оборудования, сроки разработки новых продуктов и время-выхода-на рынок. Им необходимо создать-ориентированные на спрос,-скоординированные бизнес-модели оптимизации цепочки поставок и гибкие производственные системы, такие как крупномасштабное-смешанное-линейное производство-, что особенно важно для сектора дискретного производства.
Проблемы с человеческими ресурсами и сохранением знаний. По мере того, как старшие поколения работников выходят на пенсию, опыт, которым они обладают в системах управления, эксплуатации и техническом обслуживании, рискует быть утерян. Промышленные предприятия сталкиваются с серьезными проблемами, связанными с переходом рабочей силы. Новое поколение цифровых аборигенов ожидает, что знания в области промышленной автоматизации будут встроены в системы, которые они используют, в то время как традиционные специалисты в области ОТ становятся все более дефицитными.
Проблемы с общей стоимостью и соблюдением требований: как оптимизировать и сократить затраты на новые строительные проекты и эксплуатационные расходы, одновременно соблюдая все более строгие национальные законы и правила по охране окружающей среды, чтобы обеспечить устойчивое развитие.
Менеджеры промышленных предприятий надеются, что технологии Индустрии 4.0 и промышленного Интернета помогут им решить эти новые проблемы. По оценкам отраслевых аналитиков, более гибкие производственные технологии-нового поколения могут повысить производительность производства на 30 %. Однако исследования также показывают, что 60% компаний не могут продвигать свои проекты дальше пилотной фазы. Этот результат обусловлен различными факторами, связанными с персоналом, процессами и технологиями. На технологическом фронте большинство производителей изо всех сил пытаются добиться более высокой отдачи от этих инноваций, прежде всего потому, что их производственные системы остаются закрытыми и запатентованными. С 1970-х годов, когда системы РСУ и ПЛК вошли в промышленную автоматизацию, появились собственные системы. На сегодняшний день рынок развивается вокруг моделей комплектации аппаратного-программного обеспечения, при этом каждый поставщик систем автоматизации и информационных систем создает свою собственную экосистему программного обеспечения. Это вынуждает пользователей поддерживать несколько OT- и ИТ-систем, что приводит к высокой зависимости от поставщиков систем.
Текущие узкие места на границе промышленного Интернета
Не-цифровая архитектура-Большинство современных систем автоматизации хорошо оптимизированы для управления-в режиме реального времени, но не могут использовать быстро развивающиеся технологии, возникающие в сфере ИТ. Эти передовые-цифровые технологии-включая аналитику, искусственный интеллект и машинное обучение, объектно--ориентированные подходы и сервисно-{7}}ориентированные архитектуры-имеют важное значение для создания интеллектуального производства.
Аппаратные-ориентированные бизнес-модели-Хотя усовершенствования аппаратного обеспечения могут оптимизировать существующие среды управления, они не являются наиболее важным аспектом цифровой трансформации. Истинный ключ заключается в программных-инновациях, которые разумно решают проблемы операционных технологий. Следовательно, ценность бизнеса постепенно смещается от моделей, основанных на аппаратном обеспечении,-к моделям, основанным на программном обеспечении-.
Ограничения проприетарных систем-В настоящее время приложения автоматизации, разработанные для одной системы, не могут работать в другой. Однако за последние десятилетия в сфере ИТ открытые операционные системы, такие как Linux, способствовали разработке сторонних-приложений, что позволило быстро расширить экосистему и создать богатые портфели программного обеспечения, отвечающие потребностям бизнеса в различных отраслях и сегментах рынка. К сожалению, запатентованные системы в промышленном секторе создают барьеры для инноваций: пользователи не могут с разумной затратой-эффективно совершенствовать производственные системы или интегрировать и сочетать лучшие-в-классе продукты от разных поставщиков. Их темпы инноваций ограничены их зависимостью от поставщиков собственных систем. Эти барьеры в конечном итоге увеличивают общие затраты предприятия.
Для производителей оригинального оборудования (OEM) задача заключается в балансировании двух приоритетов: использование возможностей виртуальной отладки при модульном проектировании для объединения виртуального и физического миров,-тем самым сокращая затраты, снижая риски и ускоряя время-выхода на-рынок-при одновременном повышении стоимости машин-дополнительных услуг для расширения рынков и стимулирования роста бизнеса.
Системные интеграторы (СИ) сталкиваются с критическим пробелом: в системах автоматизации отсутствуют инструменты, соединяющие домены ИТ и ОТ. В конечном итоге они вынуждены инвестировать значительные человеческие ресурсы в разработку весьма сложных индивидуальных решений. Важно отметить, что такие индивидуальные услуги трудно широко тиражировать на рынке. Они ищут программные функциональные блоки, которые защищают их промышленные знания и отраслевые-решения, тем самым сокращая малозатратные инженерные усилия (за счет повторного использования объектов и алгоритмов процессов в нескольких проектах). Это позволяет их техническим экспертам более пристально сосредоточиться на решении болевых точек и проблем в процессах производства, эксплуатации и обслуживания (MOM), что в конечном итоге создает большую ценность.
Со стороны конечного-пользователя (ЕС) решение этих проблем срочно требует комплексного управления системой, чтобы свести к минимуму незапланированные простои, обеспечить доставку продукции в пиковые сезоны и снизить зависимость от внешней технической поддержки. Существует потребность в гибких системах/производственных линиях, обеспечивающих гибкость производства и обеспечивающую большую гибкость производства при изменении спроса или графиков технического обслуживания.
Чтобы эффективно решить эти проблемы и по-настоящему создать «программно--промышленную» цифровую промышленную экосистему, необходимо решать закрытые OT-системы, стандарты и проблемы экосистемы в их источнике. Это предполагает внедрение открытых систем и стандартов автоматизации, а также интеграцию дополнительных технических возможностей для ускорения конвергенции ИТ-OT.
Будущее открытых систем автоматизации
Будущие архитектуры систем автоматизации неизбежно будут развиваться в сторону открытости, распределенного развертывания и внутренней безопасности. Технологии промышленной автоматизации и периферийные вычисления составляют основу этих открытых систем. По сравнению с традиционными запатентованными системами открытые архитектуры автоматизации претерпят следующие преобразования:
Очевидно, что открытые архитектуры автоматизации ускоряют инженерные разработки, повышают гибкость системы, гибкость производства и общую эффективность. Этот сдвиг представляет собой нечто большее, чем просто техническое обновление.-он фундаментально меняет представление о том, как проектируются процессы и оборудование. Долгосрочное-недорогое-программирование проприетарных контроллеров приведет к переходу к системам автоматизации "подключи-и-работай". Эти системы будут использовать обширные, тщательно проверенные функциональные блоки программного обеспечения, разработанные обширной экосистемой. Они будут работать на разнообразном оборудовании от различных поставщиков,-от встроенных систем управления до мощных периферийных интеллектуальных устройств.
Открытые стандарты необходимы для создания открытых систем автоматизации, а IEC 61499 является ключевым стандартом, открывающим этот новый горизонт. Определяя правила объектно-ориентированного моделирования, он инкапсулирует модели управления и алгоритмы управляемых объектов в «черные ящики» (функциональные блоки программного обеспечения). Эти проверенные функциональные блоки можно повторно использовать в различных сценариях, что значительно сокращает повторяющиеся усилия по программированию. Пользователям достаточно понять предоставляемую функциональность без необходимости знать детали реализации, тем самым защищая интеллектуальную собственность разработчиков. В отличие от традиционных функциональных блоков, определенные этим стандартом, они работают на основе запуска событий, а не циклического сканирования. Это согласуется с объектно-ориентированными концепциями и подходами к программированию в области ИТ, что делает его естественной технологией конвергенции ИТ и ОТ. Оно способствует повышению эффективности ЦП контроллера и балансировке нагрузки, особенно подходит для распределенных систем и обеспечивает плавную интеграцию передовых ИТ-технологий в системы автоматизации. Стандарт далее определяет правила для моделей приложений, системных моделей и моделей устройств/ресурсов. Их интеграция позволяет пользователям разрабатывать приложения независимо от базового оборудования автоматизации. Такой подход к абстракции оборудования сокращает сроки реализации проекта и снижает зависимость от производителей оборудования. В сочетании с объектно--ориентированной разработкой функциональных блоков это значительно упрощает онлайн-настройку производственных линий и оборудования. Естественно, стандарт также предоставляет методы для объединения базовых функциональных блоков в составные блоки и для быстрого соединения различных функциональных блоков (посредством простого перетаскивания-и-), что значительно снижает рабочую нагрузку при отладке программного обеспечения и частоту ошибок в программе. Таким образом, основными целями являются обеспечение совместимости устройств, реконфигурации системы и переносимости программного обеспечения. Такие организации, как Открытый форум автоматизации процессов (OPAF) и Международная ассоциация пользователей автоматизации обрабатывающей промышленности (NAMUR), которые в настоящее время возглавляются участием конечных-пользователей, выступают за отказ от существующих запатентованных систем автоматизации, основанных на этом стандарте,-лучшая иллюстрация этого стремления.
В последние годы технологии периферийных вычислений также получили быстрое развитие. Контейнерная технология предоставляет эффективные методы пакетного обновления/модернизации приложений для периферийного контроля и обеспечения своевременной передачи и обработки данных. Контейнерные технологии, в первую очередь Docker, и инструменты оркестрации контейнеров, такие как Kubernetes, сейчас развиваются. Архитектура микросервисов постоянно повышает эффективность использования ресурсов на периферии, способствует функциональному развязыванию и повторному использованию, ускоряет разработку приложений и стала ключевой тенденцией в технологии периферийных вычислений. Такие стандарты, как OPC UA и-чувствительная к времени сеть (TSN), предоставляют международные структуры и детерминированные сети для взаимодействия полевых устройств, удовлетворяя разнообразные требования к передаче и обмену данными в промышленных приложениях. Интеграция этих информационных и коммуникационных технологий следующего-поколения с технологиями стандарта IEC 61499 ускорит прогресс открытой автоматизации. Эта открытость распространяется не только на стандарты, но и на сети, аппаратное обеспечение, программное обеспечение и системную архитектуру, закладывая прочную основу для достижения цифровизации, сетей и интеллекта на заводах и в мастерских.
Открытая автоматизация будет способствовать быстрому развитию промышленного Интернета, в конечном итоге решая болевые точки конечных пользователей, системных интеграторов и OEM-производителей. Такой подход обеспечивает гибкое производство, сокращает время-выхода-на рынок, сокращает время и затраты на разработку, повышает эксплуатационную и производственную эффективность и защищает интеллектуальную собственность. Действительно, недавнее сравнительное исследование, проведенное международной-фирмой, наглядно это демонстрирует: для завершения типичного небольшого-проекта автоматизации (задачи, включающие создание приложений, импорт соответствующих баз данных, создание логики, настройку устройств, разработку HMI и развертывание проекта) традиционным программным средствам автоматизации требовалось 40 часов. Напротив, использование открытой системы автоматизации сократило это время на 68%. Чтобы проверить гибкость системы, контроллеры вручную переключались между устройствами и новыми контроллерами, настроенными для исходных устройств. Эти операции оказались громоздкими при использовании традиционных проприетарных систем, тогда как открытые системы автоматизации выполняли их на 70–80% быстрее.
Подводя итог, можно сказать, что сможет ли будущий промышленный Интернет преодолеть нынешние узкие места и способствовать дальнейшему углублению и расширению цифровой трансформации промышленных предприятий, зависит от создания открытой системы автоматизации, основанной на новых концепциях, архитектурах и стандартах. Традиционные проприетарные системы,-ориентированные на аппаратное обеспечение, будут заменены открытыми системами,-ориентированными на программное обеспечение. В периферийных вычислениях будет применяться больше облачных технологий, что позволит большому количеству ИТ-специалистов глубоко интегрироваться со знаниями промышленных приложений в рамках этой открытой среды. Мы можем предвидеть, что промышленный Интернет проложит здоровый и устойчивый путь вперед, используя эту открытую экосистему.