Teollinen Internet on nouseva liiketoimintamalli ja sovellusparadigma, joka muodostuu seuraavan-sukupolven tietotekniikan syvästä integroinnista teollisuustalouteen, ja se toimii kriittisenä perustana teollisuusyrityksille digitaalisen muutoksen saavuttamisessa. Viime vuosina innovaatioiden kautta on syntynyt lukuisia integroituja ratkaisuja, jotka on räätälöity avaintoimialojen tuotannon ominaisuuksiin ja kipukohtiin. Esimerkkejä ovat toimitusketjun yhteistyö huippuluokan laitteiden valmistuksessa, tärkeimpien laitteiden etäkäyttö ja -huolto, energiansäästö ja päästöjen vähentäminen terästeollisuudessa sekä tuotannon turvallisuuden seuranta petrokemian alalla. Nämä ratkaisut hyödyntävät täysimääräisesti teollisen internetin yhdistämis- ja vahvistusvaikutuksia, ajaen tuotannon digitaalista muutosta ja tuottavat ydinarvoa laadun parantamisessa, kustannusten vähentämisessä ja tehokkuuden lisäämisessä.
Teolliset Internet-alustat tarjoavat valmiuksia valtavien teollisuustietojen kokoamiseen, integrointiin, tallentamiseen, käsittelyyn, laskemiseen ja analysointiin. Niiden avulla yritykset voivat rakentaa yhtenäisiä, koko{0}}elinkaaren toiminnanohjaustietoalustoja. Lukuisia alustaan liittyviä teknologioita (esim. mikropalvelukomponentteja, säilöjä, erätietojen käsittelyä, stream-käsittelyä) iteroidaan ja kehitetään jatkuvasti. Nämä tekniikat antavat meille asteittain valmiudet tehdä heterogeenisten, massiivisten teollisuustietojen perusteellista-analyysiä ja samalla nopeuttaa teollisen tietämyksen keräämistä, laitteiston ja ohjelmiston irrottamista sekä innovatiivisten sovellusten nopeaa käyttöönottoa. Ymmärrämme kuitenkin, että nämä kehittyneet avoimen lähdekoodin tekniikat ovat pohjimmiltaan työkaluja, jotka auttavat yrityksiä saavuttamaan älykkään tuotannon-eivät itse päämäärä. Tällaisten alustojen avulla suuret yritykset voivat optimoida tuotannon koko tuotantoalueella, parantaa omaisuuden ja toimintojen koko arvoketjua ja saavuttaa viime kädessä elinkaaren kattavan arvon optimoinnin. Esimerkiksi Abu Dhabi National Oil Company (ADNOC) -konserni hyödyntää digitaalista panoraamaohjauskeskustaan valvoakseen ja optimoidakseen keskitetysti 14 toimivan yrityksen omaisuutta ja toiminnallista suorituskykyä pääkonttoristaan. Ennakoivan ylläpidon ja arvoketjun optimoinnin kaltaisten ratkaisujen avulla se on tunnistanut potentiaalisia arvon optimointimahdollisuuksia 60–100 miljoonan dollarin arvosta konsernille (tarjoamalla öljyn ja kaasun arvoketjun optimointiratkaisuja, integroimalla omaisuus- ja toiminnallisia arvoketjuja sekä maksimoimalla tuotannon ja toiminnan tuoton).
Teollinen Internet tarjoaa lukuisia ratkaisuja skenaarioihin, kuten palvelun laajentamiseen, verkkoyhteistyöhön ja yksilölliseen räätälöintiin yhdistämällä yrityksiä, käyttäjiä ja tuotteita. Se on kuitenkin vielä tutkimusvaiheessa älykkäiden tuotantoskenaarioiden osalta, ja yrityksillä on edelleen merkittäviä haasteita tuotantotoiminnassaan.
Nykypäivän valmistusyritysten haasteet
Markkinoiden haasteet: Maailmantalouden ja markkinoiden epävarmuus pakottaa valmistajat mukautumaan nopeasti strategioihinsa sopeutuakseen yleisempiin ja nopeampiin{0}}tahtiisiin markkinoiden vaatimuksiin samalla kun selviytyvät raaka-aine- ja energiakustannusten vaihteluista. Tämä suuntaus pakottaa yritykset harkitsemaan toimintatapojaan uudelleen: niiden on lanseerattava jatkuvasti uusia tuotteita ja samalla lyhennettävä laitteiden hankintasyklejä, uusien tuotteiden kehitysaikatauluja ja markkinoille tuloaikaa-. Heidän on luotava kysyntään-ohjautuva, toimitusketjun-optimointiliiketoimintamallit ja joustavat tuotantojärjestelmät, kuten laajamittainen-sekalinjatuotanto-,-erityisen kriittistä erilliselle valmistussektorille.
Henkilöstöresurssien ja tiedon säilyttämisen haasteet: Kun vanhemmat työntekijät jäävät eläkkeelle, heidän hallussaan oleva asiantuntemus ohjausjärjestelmistä, toiminnoista ja kunnossapidosta on vaarassa kadota. Teollisuusyritykset kohtaavat merkittäviä haasteita työvoiman siirtymien vuoksi. Digitaalisten syntyperäisten uusi sukupolvi odottaa teollisen automaation osaamisen upottavan käyttämiinsä järjestelmiin, kun taas perinteiset OT-kyvyt vähenevät.
Kokonaiskustannusten ja vaatimustenmukaisuuden haasteita: Kuinka optimoida ja vähentää uusien rakennusprojektien kustannuksia ja käyttökustannuksia noudattaen samalla yhä tiukempia kansallisia ympäristönsuojelulakeja ja -määräyksiä kestävän kehityksen mahdollistamiseksi.
Teollisuusjohtajat toivovat, että Teollisuus 4.0 ja Industrial Internet -teknologiat auttavat heitä vastaamaan näihin uusiin haasteisiin. Teollisuusanalyytikot arvioivat, että joustavammat seuraavan-sukupolven tuotantotekniikat voisivat lisätä tuotannon tuottavuutta 30 %. Tutkimukset osoittavat kuitenkin myös, että 60 prosenttia yrityksistä ei vie projektejaan pilottivaiheen jälkeen. Tämä tulos johtuu erilaisista henkilöstöön, prosesseihin ja teknologiaan liittyvistä tekijöistä. Teknologisella rintamalla useimmat valmistajat kamppailevat saavuttaakseen suuremman tuoton näistä innovaatioista, pääasiassa siksi, että heidän operatiiviset laitosjärjestelmänsä pysyvät suljettuina, omilla asetuksilla. 1970-luvulta lähtien, jolloin DCS- ja PLC-järjestelmät tulivat teollisuusautomaatioon, patentoidut järjestelmät ovat kehittyneet. Tähän mennessä markkinat ovat kehittyneet laitteiston{11}ohjelmistoniputusmallien ympärille, ja jokainen automaatio- ja tietojärjestelmätoimittaja on luonut oman ohjelmistoekosysteeminsä. Tämä pakottaa käyttäjät ylläpitämään useita OT- ja IT-järjestelmiä, mikä edistää suurta riippuvuutta järjestelmätoimittajista.
Nykyiset pullonkaulat teollisen Internetin reunalla
Ei--digitaalinen arkkitehtuuri-Useimmat nykyaikaiset automaatiojärjestelmät ovat erittäin optimoituja-reaaliaikaiseen ohjaukseen, mutta ne eivät pysty hyödyntämään IT-alan nopeasti kehittyviä teknologioita. Nämä huippuluokan-digitaalitekniikat-mukaan lukien analytiikka, tekoäly/koneoppiminen, olio-lähestymistavat ja palvelu-palvelukeskeiset arkkitehtuurit-ovat välttämättömiä älykkään valmistuksen saavuttamiseksi.
Laitteisto{0}}Keskeiset liiketoimintamallit-Vaikka laitteistoparannukset voivat optimoida olemassa olevia ohjausympäristöjä, ne eivät ole digitaalisen muutoksen kriittisin osa. Todellinen avain on ohjelmistopohjaisessa-innovaatiossa, joka vastaa älykkäästi operatiivisen teknologian haasteisiin. Tämän seurauksena liiketoiminnan arvo muuttuu tasaisesti laitteistopohjaisista-ohjelmisto{6}}malleista.
Omistusjärjestelmien rajoitukset{0}}Tällä hetkellä yhteen järjestelmään kehitetyt automaatiosovellukset eivät voi toimia toisessa. Kuitenkin viime vuosikymmeninä IT-alalla avoimet käyttöjärjestelmät, kuten Linux, ovat edistäneet kolmannen osapuolen sovelluskehitystä, mikä mahdollistaa ekosysteemin nopean laajentumisen ja monipuolisten ohjelmistoportfolioiden luomisen, jotka vastaavat liiketoiminnan tarpeita useilla toimialoilla ja markkinasegmenteillä. Valitettavasti teollisuuden omat järjestelmät luovat esteitä innovoinnille: käyttäjät eivät voi kohtuuhintaan-tehokkaasti parantaa tuotantojärjestelmiä tai integroida ja yhdistää eri toimittajien luokkansa parhaita--tuotteita. Heidän innovaatiovauhtiaan rajoittaa heidän riippuvuus omistetuista järjestelmätoimittajista. Nämä esteet lisäävät viime kädessä yrityksen kokonaiskustannuksia.
Alkuperäisten laitteiden valmistajien (OEM-valmistajien) haasteena on tasapainottaa kaksi prioriteettia: hyödyntää virtuaalisia virheenkorjausominaisuuksia modulaarisen suunnittelun aikana virtuaalisen ja fyysisen maailman yhdistämiseksi-mutta alentaen kustannuksia, minimoimalla riskejä ja nopeuttaen-}-markkinoiden-aikaa ja samalla laajentamalla liiketoimintaa ja lisäämällä markkinoiden koneiden arvoa{4}}.
Järjestelmäintegraattoreiden (SI) edessä on kriittinen aukko: automaatiojärjestelmistä puuttuu IT- ja OT-alueita yhdistäviä työkaluja. Viime kädessä he joutuvat investoimaan merkittäviä henkilöresursseja erittäin monimutkaisten räätälöityjen ratkaisujen kehittämiseen. Olennaista on, että tällaisia räätälöityjä palveluita on vaikea toistaa laajasti markkinoilla. He etsivät ohjelmiston toiminnallisia lohkoja, jotka suojaavat heidän teollista tietämystään ja -alakohtaisia ratkaisuja ja vähentävät siten vähäarvoista-suunnittelutyötä (käyttämällä objekteja ja prosessialgoritmeja useissa projekteissa). Tämän ansiosta heidän tekniset asiantuntijansa voivat keskittyä tiiviimmin tuotanto-, käyttö- ja huoltoprosessien (MOM) kipukohtien ja haasteiden ratkaisemiseen, mikä lopulta lisää arvoa.
Loppukäyttäjältä (EU) näihin haasteisiin vastaaminen vaatii kiireellisesti kokonaisvaltaista järjestelmähallintaa, joka minimoi suunnittelemattomat seisokit, varmistaa tuotteiden toimituksen sesonkien aikana ja vähentää riippuvuutta ulkoisesta teknisestä tuesta. Joustaviin järjestelmiin/tuotantolinjoihin halutaan varmistaa valmistuksen ketteryys, mikä mahdollistaa suuremman tuotannon joustavuuden kysynnän vaihtuessa tai huoltoaikataulujen muuttuessa.
Näiden ongelmien tehokas ratkaiseminen ja "ohjelmisto{0}}teollisen" digitaalisen teollisen ekosysteemin luominen edellyttää, että suljetut OT-järjestelmät, standardit ja ekosysteemihaasteet niiden lähteellä on ratkaistava. Tämä edellyttää avoimien automaatiojärjestelmien ja -standardien käyttöönottoa samalla kun integroidaan lisäteknisiä ominaisuuksia IT{2}}OT-konvergenssin nopeuttamiseksi.
Avointen automaatiojärjestelmien tulevaisuus
Tulevat automaatiojärjestelmäarkkitehtuurit kehittyvät väistämättä kohti avoimuutta, hajautettua käyttöönottoa ja luontaista turvallisuutta. Teollisuusautomaatiotekniikka ja reunalaskenta muodostavat näiden avoimien järjestelmien perustan. Perinteisiin patentoituihin järjestelmiin verrattuna avoimet automaatioarkkitehtuurit ilmentävät seuraavia muutoksia:
On selvää, että avoimet automaatioarkkitehtuurit nopeuttavat suunnittelun kehitystä, lisäävät järjestelmän ketteryyttä, tuotannon joustavuutta ja yleistä tehokkuutta. Tämä muutos on enemmän kuin tekninen päivitys{1}}se määrittelee perusteellisesti uudelleen prosessien ja koneiden suunnittelun. Pitkäaikainen-pieniarvoinen ohjelmointi-omistetuille ohjaimille siirtyy Plug{5}}and-automaatiojärjestelmiin. Nämä järjestelmät hyödyntävät laajan ekosysteemin kehittämiä laajoja, perusteellisesti validoituja ohjelmistotoimintolohkoja. Ne käyttävät erilaisia laitteita useista toimittajista-ja sulautetuista ohjausjärjestelmistä tehokkaisiin reunaälylaitteisiin.
Avoimet standardit ovat välttämättömiä avoimien automaatiojärjestelmien rakentamisessa, ja IEC 61499 on avainstandardi, joka avaa tämän uuden rajan. Määrittämällä olio-mallinnussäännöt se kapseloi ohjattujen objektien ohjausmallit ja algoritmit "mustiksi laatikoiksi" (ohjelmiston toimintolohkoiksi). Näitä vahvistettuja toimintolohkoja voidaan käyttää uudelleen eri skenaarioissa, mikä vähentää merkittävästi toistuvia ohjelmointiponnisteluja. Käyttäjille riittää, että he ymmärtävät tarjotut toiminnot ilman, että heidän tarvitsee tietää toteutuksen yksityiskohtia, mikä suojaa kehittäjien immateriaalioikeuksia. Toisin kuin perinteiset toimintolohkot, tämän standardin määrittämät toimintolohkot toimivat tapahtumien liipaisuun perustuen syklisen skannauksen sijaan. Tämä sopii yhteen IT-alan olio-konseptien ja ohjelmointimenetelmien kanssa, mikä tekee siitä luonnollisen IT/OT-konvergenssiteknologian. Se helpottaa ohjaimen prosessorin tehokkuuden ja kuormituksen tasapainotuksen parantamista, sopii erityisen hyvin hajautetuille järjestelmille ja mahdollistaa edistyneiden IT-tekniikoiden saumattoman integroinnin automaatiojärjestelmiin. Standardi määrittelee lisäksi säännöt sovellusmalleille, järjestelmämalleille ja laite/resurssimalleille. Niiden integrointi antaa käyttäjille mahdollisuuden suunnitella sovelluksia riippumatta taustalla olevista automaatiolaitteistoista. Tämä laitteiston abstraktio lähestymistapa lyhentää projektien aikatauluja ja vähentää riippuvuutta laitevalmistajista. Yhdessä toimintolohkojen olio{13}kehityksen kanssa se yksinkertaistaa merkittävästi tuotantolinjojen ja laitteiden online-säätöjä. Luonnollisesti standardi tarjoaa myös menetelmiä perustoimintolohkojen muodostamiseen yhdistelmälohkoiksi ja eri toimintolohkojen nopeaan yhdistämiseen (yksinkertaisella vedä-ja-pudottamalla), mikä vähentää merkittävästi ohjelmistoohjelmoinnin virheenkorjaustyötä ja ohjelman virhetiheyttä. Yhteenvetona voidaan todeta, että laitteiden yhteentoimivuuden, järjestelmän uudelleenkonfiguroitavuuden ja ohjelmistojen siirrettävyyden saavuttaminen ovat sen keskeisiä tavoitteita. Organisaatiot, kuten Open Process Automation Forum (OPAF) ja International Association of Process Industry Automation Users (NAMUR), joita tällä hetkellä johtaa loppukäyttäjien osallistuminen{19}}, kannattavat siirtymistä pois olemassa olevista patentoiduista automaatiojärjestelmän kehyksistä, jotka perustuvat tähän standardiin -paras esimerkki tästä pyrkimyksestä.
Viime vuosina myös reunalaskentateknologia on kehittynyt nopeasti. Konttiteknologia tarjoaa tehokkaita menetelmiä eräpäivityksiin/päivityssovelluksiin reunan hallintaan ja oikea-aikaisen tiedonsiirron ja käsittelyn varmistamiseen. Konttiteknologiat, ensisijaisesti Docker, ja kontin orkestrointityökalut, kuten Kubernetes, ovat nyt kypsymässä. Microservices-arkkitehtuuri parantaa jatkuvasti resurssien käytön tehokkuutta reuna-alueilla, edistää toiminnallista irrottamista ja uudelleenkäyttöä, nopeuttaa sovellusten kehitystä ja siitä on tullut avaintrendi reunalaskentateknologiassa. Standardit, kuten OPC UA ja Time{4}}Sensitive Networking (TSN) tarjoavat kansainvälisiä puitteita ja deterministisiä verkkoja kenttälaitteiden yhteenliitettävyydelle, jotka täyttävät erilaiset tiedonsiirto- ja vaihtovaatimukset teollisissa sovelluksissa. Näiden seuraavan-sukupolven tieto- ja viestintäteknologioiden integrointi IEC 61499 -standardin tekniikoiden kanssa nopeuttaa avoimen automaation edistymistä. Tämä avoimuus ulottuu standardien lisäksi myös verkko-, laitteisto-, ohjelmisto- ja järjestelmäarkkitehtuuriin, mikä luo vankan perustan digitalisaation, verkottumisen ja älykkyyden saavuttamiselle tehtaissa ja työpajoissa.
Avoin automaatio tulee ajamaan teollisen Internetin nopeaa kehitystä ja ratkaisee viime kädessä loppukäyttäjien, järjestelmäintegraattoreiden ja OEM-valmistajien kipupisteet. Tämä lähestymistapa mahdollistaa joustavan tuotannon, lyhentää-markkinoilletuloaikaa-, vähentää suunnitteluaikaa ja -kustannuksia, parantaa toiminnan ja tuotannon tehokkuutta ja suojaa immateriaalioikeuksia. Todellakin, äskettäinen kansainvälisen kolmannen osapuolen -yrityksen vertaileva tutkimus korostaa tätä tehokkaasti: tyypillisen pienen-mittakaavan automaatioprojektin loppuun saattamiseen (kuten sovellusten luominen, relevanttien tietokantojen tuonti, logiikan luominen, laitteiden määrittäminen, käyttöliittymän kehittäminen ja projektin käyttöönotto) perinteiset automaatioohjelmistotyökalut vaativat 40 tuntia. Sitä vastoin avoimen automaatiojärjestelmän käyttö pienensi tätä aikaa 68 %. Järjestelmän ketteryyden testaamiseksi ohjaimia vaihdettiin manuaalisesti laitteiden välillä ja uusia ohjaimia konfiguroitiin alkuperäisille laitteille. Nämä toiminnot osoittautuivat raskaiksi perinteisillä patentoiduilla järjestelmillä, kun taas avoimet automaatiojärjestelmät suorittivat ne 70–80 % nopeammin.
Yhteenvetona voidaan todeta, että se, voiko tuleva teollinen Internet voittaa nykyiset pullonkaulat ja edistää teollisuusyritysten digitaalista muutosta syvällisesti ja laajasti, riippuu uusille konsepteille, arkkitehtuureille ja standardeille rakennetun avoimen automaatiojärjestelmän perustamisesta. Perinteiset laitteisto{1}}keskeiset järjestelmät korvataan ohjelmisto{2}}keskeisillä avoimilla järjestelmillä. Lisää pilviteknologioita sovelletaan reunalaskentaan, mikä mahdollistaa suuren IT-alan osaamisen integroitumisen syvällisesti teollisten sovellusten tietoon tässä avoimessa kehyksessä. Voimme ennakoida, että teollinen Internet luo terveen ja kestävän polun eteenpäin hyödyntämällä tätä avointa ekosysteemiä.