Průmyslový internet jako vznikající obchodní model a aplikační paradigma vytvořené hlubokou integrací informačních technologií nové{0}}generace s průmyslovou ekonomikou slouží jako zásadní základ pro průmyslové podniky k dosažení digitální transformace. V posledních letech se objevila řada integrovaných řešení prostřednictvím inovací přizpůsobených výrobním charakteristikám a problémům klíčových průmyslových odvětví. Mezi příklady patří spolupráce dodavatelského řetězce při výrobě špičkových-zařízení, vzdálený provoz a údržba hlavních zařízení, úspora energie a snižování emisí v ocelářském průmyslu a monitorování bezpečnosti výroby v petrochemickém sektoru. Tato řešení plně využívají agregační a zesilovací efekty průmyslového internetu, pohánějí digitální transformaci výroby a přinášejí základní hodnotu ve zlepšování kvality, snižování nákladů a zvyšování efektivity.
Průmyslové internetové platformy poskytují možnosti pro agregaci, integraci, ukládání, zpracování, výpočet a analýzu rozsáhlých průmyslových dat, což podnikům umožňuje vytvářet jednotné platformy pro provozní řízení s plným{0}}cyklem. Četné technologie související s platformou-procházejí neustálou iterací a pokrokem (např. komponenty mikroslužeb, kontejnery, dávkové zpracování dat, zpracování streamů). Tyto technologie nám postupně umožňují provádět-hloubkovou analýzu heterogenních, masivních průmyslových dat a zároveň urychlují shromažďování průmyslových znalostí, oddělování hardwaru a softwaru a rychlé zavádění inovativních aplikací. Uvědomujeme si však, že tyto pokročilé-technologie s otevřeným zdrojovým kódem jsou v zásadě nástroji, které pomáhají podnikům dosáhnout inteligentní výroby-ne samotného konečného cíle. Využitím těchto platforem mohou velké podniky optimalizovat výrobu v celém rozsahu výroby, zlepšit celý hodnotový řetězec aktiv a operací a nakonec dosáhnout optimalizace{11}}celé životního cyklu. Například skupina Abu Dhabi National Oil Company (ADNOC) využívá své panoramatické digitální velitelské centrum k centrálnímu monitorování a optimalizaci aktiv a provozní výkonnosti 14 provozních společností ze svého ústředí. Prostřednictvím řešení, jako je prediktivní údržba a optimalizace hodnotového řetězce, identifikoval potenciální příležitosti k optimalizaci hodnoty v hodnotě 60 až 100 milionů USD pro skupinu (poskytování řešení optimalizace hodnotového řetězce ropy a zemního plynu, integrace majetkových a provozních hodnotových řetězců a maximalizace výrobních a provozních výnosů).
Průmyslový internet nabízí četná řešení ve scénářích, jako je rozšíření služeb, síťová spolupráce a personalizované přizpůsobení propojením podniků, uživatelů a produktů. Zůstává však ve fázi průzkumu pro inteligentní výrobní scénáře a podniky stále čelí významným výzvám ve výrobních operacích.
Výzvy, kterým čelí dnešní výrobní podniky
Výzvy trhu: Globální ekonomické a tržní nejistoty nutí výrobce rychle upravovat strategie, aby se přizpůsobili častějším a rychlejším{0}}požadavkům trhu a zároveň zvládali kolísání cen surovin a energie. Tento trend nutí společnosti přehodnotit své provozní přístupy: musí neustále uvádět nové produkty a zároveň zkracovat cykly nákupu zařízení, časové osy vývoje nových produktů a dobu-uvedení{3}}na trh. Potřebují zavést-poptávkou řízené, dodavatelské řetězce-koordinované obchodní modely optimalizace a flexibilní výrobní systémy, jako je rozsáhlá-smíšená{8}}linková výroba-obzvláště zásadní pro sektor diskrétní výroby.
Výzvy v oblasti lidských zdrojů a uchovávání znalostí: S tím, jak starší generace pracovníků odejde do důchodu, hrozí ztráta odborných znalostí, které mají v řídicích systémech, provozu a údržbě. Průmyslové podniky čelí významným výzvám spojeným s přechodem pracovní síly. Nová generace digitálních domorodců očekává, že znalosti průmyslové automatizace budou zakotveny v systémech, které používají, zatímco tradiční OT talenty jsou stále vzácnější.
Výzvy v oblasti celkových nákladů a dodržování předpisů: Jak optimalizovat a snižovat náklady na nové stavební projekty a provozní náklady a zároveň dodržovat stále přísnější národní zákony a předpisy na ochranu životního prostředí, aby byl umožněn udržitelný rozvoj.
Průmysloví manažeři doufají, že Průmysl 4.0 a průmyslové internetové technologie jim pomohou tyto nové výzvy řešit. Průmysloví analytici odhadují, že flexibilnější výrobní technologie nové-generace by mohly zvýšit produktivitu výroby o 30 %. Výzkum však také ukazuje, že 60 % společností nedokáže pokročit se svými projekty za pilotní fázi. Tento výsledek pramení z různých faktorů souvisejících s personálem, procesy a technologií. Na technologické frontě se většina výrobců snaží dosáhnout vyšších výnosů z těchto inovací, především proto, že jejich provozní systémy závodů zůstávají uzavřené, proprietární nastavení. Od 70. let 20. století, kdy systémy DCS a PLC vstoupily do průmyslové automatizace, se proprietární systémy vyvinuly. Dosud se trh vyvíjel kolem modelů sdružování hardwaru{11}}softwaru, přičemž každý dodavatel automatizačních a informačních systémů si vytvořil svůj vlastní softwarový ekosystém. To nutí uživatele udržovat více systémů OT a IT, což podporuje vysokou závislost na dodavatelích systémů.
Současná úzká místa na okraji průmyslového internetu
Ne-digitální architektura-Většina moderních automatizačních systémů je vysoce optimalizována pro řízení v-reálném čase, ale nedokáže využít rychle se rozvíjející technologie vznikající v oblasti IT. Tyto špičkové-digitální technologie-včetně analytiky, umělé inteligence/strojového učení, objektově{6}}orientovaných přístupů a na služby-orientované architektury-jsou zásadní pro dosažení inteligentní výroby.
Hardwarové{0}}Centrické obchodní modely{1}}I když hardwarová vylepšení mohou optimalizovat stávající řídicí prostředí, nejsou tím nejdůležitějším aspektem digitální transformace. Skutečný klíč spočívá v inovacích-řízených softwarem, které inteligentně řeší výzvy provozních technologií. V důsledku toho se obchodní hodnota neustále přesouvá z modelů řízených hardwarem-k modelům řízeným softwarem-.
Omezení proprietárních systémů-V současné době nelze automatizační aplikace vyvinuté pro jeden systém spustit na jiném. V posledních desetiletích v IT však otevřené operační systémy, jako je Linux, podpořily vývoj aplikací třetích-stran, což umožnilo rychlé rozšiřování ekosystému a vytváření bohatých softwarových portfolií, která splňují obchodní potřeby v různých odvětvích a segmentech trhu. Patentované systémy v průmyslovém sektoru bohužel vytvářejí překážky inovacím: uživatelé nemohou za rozumnou cenu{4}}efektivně vylepšovat výrobní systémy nebo integrovat a spojovat nejlepší-ve-výrobky od různých dodavatelů. Jejich inovační tempo je omezeno tím, že se spoléhají na dodavatele proprietárních systémů. Tyto překážky v konečném důsledku zvyšují celkové náklady podniku.
Pro výrobce originálního vybavení (OEM) spočívá výzva ve vyvážení dvou priorit: využití virtuálních možností ladění během modulárního návrhu k přemostění virtuálního a fyzického světa-a snížení nákladů, zmírnění rizik a zrychlení času-k-uvedení na trh-při současném zvýšení hodnoty stroje-přidané služby k rozšíření trhů.
Systémoví integrátoři (SI) čelí kritické propasti: automatizačním systémům chybí nástroje propojující IT a OT domény. Nakonec jsou nuceni investovat značné lidské zdroje do vývoje vysoce komplexních řešení na míru. Zásadní je, že takové zakázkové služby je obtížné široce replikovat na trhu. Hledají softwarové funkční bloky, které chrání jejich průmyslové znalosti a specifická -odvětvová řešení, čímž snižují inženýrské úsilí s nízkou hodnotou{4}} (opětovným použitím objektů a procesních algoritmů ve více projektech). To umožňuje jejich technickým odborníkům zaměřit se více soustředěně na řešení problémů a problémů v rámci procesů výroby, provozu a údržby (MOM), což v konečném důsledku vytváří vyšší hodnotu.
Na straně koncových{0}}uživatelů (EU) řešení těchto výzev naléhavě vyžaduje komplexní správu systému, aby se minimalizovaly neplánované prostoje, zajistilo se dodání produktů během hlavní sezóny a snížilo se spoléhání na externí technickou podporu. Existuje potřeba flexibilních systémů/výrobních linek, které by zajistily agilitu výroby a umožnily větší flexibilitu výroby, když se mění poptávka nebo se mění plány údržby.
Efektivní řešení těchto problémů a skutečné vytvoření „softwarově{0}}definovaného průmyslového“ digitálního průmyslového ekosystému vyžaduje řešení uzavřených OT systémů, norem a ekosystémových problémů u jejich zdroje. To znamená přijetí otevřených automatizačních systémů a standardů a zároveň integraci dalších technických možností pro urychlení konvergence IT-OT.
Budoucnost otevřených automatizačních systémů
Architektury budoucích automatizačních systémů se budou nevyhnutelně vyvíjet směrem k otevřenosti, distribuovanému nasazení a vlastní bezpečnosti. Technologie průmyslové automatizace a edge computing tvoří základ těchto otevřených systémů. Ve srovnání s tradičními proprietárními systémy budou otevřené automatizační architektury vykazovat následující transformace:
Je zřejmé, že otevřené automatizační architektury urychlují technický vývoj, zvyšují agilitu systému, flexibilitu výroby a celkovou efektivitu. Tento posun představuje více než jen technický upgrade,-zásadně nově definuje, jak jsou navrhovány procesy a strojní zařízení. Dlouhodobé-programování s nízkou{4}}hodnotou pro proprietární ovladače přejde na systémy automatizace plug{5}}and{6}}. Tyto systémy budou využívat rozsáhlé, důkladně ověřené softwarové funkční bloky vyvinuté rozsáhlým ekosystémem. Budou fungovat na různém hardwaru od různých výrobců-od vestavěných řídicích systémů až po výkonná zařízení edge intelligence.
Otevřené standardy jsou zásadní pro budování otevřených automatizačních systémů a IEC 61499 je klíčový standard odemykající tuto novou hranici. Tím, že definuje objektově{2}}orientovaná pravidla modelování, zapouzdřuje řídicí modely a algoritmy řízených objektů do „černých skříněk“ (softwarových funkčních bloků). Tyto ověřené funkční bloky lze znovu použít v různých scénářích, což výrazně snižuje úsilí o opakované programování. Pro uživatele stačí porozumět poskytovaným funkcím, aniž by potřebovali znát detaily implementace, a tím chránit duševní vlastnictví vývojářů. Na rozdíl od tradičních funkčních bloků fungují bloky definované tímto standardem spíše na základě spouštění událostí než na cyklickém skenování. To je v souladu s objektově{7}}orientovanými koncepty a programovacími přístupy v oblasti IT, což z ní činí přirozenou technologii konvergence IT/OT. Usnadňuje vylepšenou efektivitu CPU řadiče a vyrovnávání zátěže, je zvláště vhodný pro distribuované systémy a umožňuje bezproblémovou integraci pokročilých IT technologií do automatizačních systémů. Norma dále definuje pravidla pro aplikační modely, systémové modely a modely zařízení/zdrojů. Jejich integrace umožňuje uživatelům navrhovat aplikace nezávisle na základním automatizačním hardwaru. Tento přístup abstrakce hardwaru zkracuje časové plány projektů a snižuje závislost na výrobcích zařízení. V kombinaci s objektově{13}}orientovaným vývojem funkčních bloků výrazně zjednodušuje online úpravy výrobních linek a zařízení. Standard samozřejmě také poskytuje metody pro skládání základních funkčních bloků do složených bloků a pro rychlé spojování různých funkčních bloků (prostým přetažením-a{16}}přetažením), což výrazně snižuje zátěž při ladění softwarového programování a chybovost programu. Stručně řečeno, dosažení interoperability zařízení, rekonfigurovatelnosti systému a přenositelnosti softwaru jsou jeho hlavními cíli. Organizace jako Open Process Automation Forum (OPAF) a International Association of Process Industry Automation Users (NAMUR), které jsou v současné době vedeny participací koncových{19}uživatelů, obhajují odklon od stávajících proprietárních systémů automatizace založených na tomto standardu-nejlepším příkladem tohoto úsilí.
V posledních letech zaznamenala rychlý rozvoj také technologie edge computingu. Kontejnerová technologie poskytuje efektivní metody pro dávkovou aktualizaci/upgrade aplikací pro kontrolu hran a zajištění včasného přenosu a zpracování dat. Kontejnerové technologie, především Docker, a nástroje pro orchestraci kontejnerů, jako je Kubernetes, nyní dozrávají. Architektura mikroslužeb neustále zvyšuje efektivitu využití zdrojů na okraji, podporuje funkční oddělení a opětovné použití, urychluje vývoj aplikací a stala se klíčovým trendem v technologii okrajových počítačů. Standardy jako OPC UA a Time{4}}Sensitive Networking (TSN) poskytují mezinárodní rámce a deterministické sítě pro propojení zařízení v terénu, splňující různé požadavky na přenos a výměnu dat v průmyslových aplikacích. Integrace těchto informačních a komunikačních technologií nové{6}}generace se standardními technologiemi IEC 61499 urychlí pokrok v otevřené automatizaci. Tato otevřenost se vztahuje nejen na standardy, ale také na sítě, hardware, software a systémovou architekturu, čímž pokládá pevný základ pro dosažení digitalizace, vytváření sítí a inteligence v továrnách a dílnách.
Otevřená automatizace bude hnacím motorem rychlého rozvoje průmyslového internetu a v konečném důsledku řeší problémové body pro koncové uživatele, systémové integrátory a výrobce OEM. Tento přístup umožňuje flexibilní výrobu, zkracuje čas-uvedení-na trh, snižuje čas a náklady na vývoj, zvyšuje provozní a výrobní efektivitu a chrání duševní vlastnictví. Nedávná srovnávací studie mezinárodní třetí-firmy to skutečně zdůrazňuje: Dokončení typického malého-automatizačního projektu (úkoly zahrnující vytváření aplikací, import relevantních databází, vytvoření logiky, konfiguraci zařízení, vývoj HMI a nasazení projektu) vyžadovaly tradiční automatizační softwarové nástroje 40 hodin. Naproti tomu použití otevřeného automatizačního systému zkrátilo tuto dobu o 68 %. Aby se otestovala agilita systému, byly ovladače ručně vyměněny mezi zařízeními a novými ovladači nakonfigurovanými pro původní zařízení. Tyto operace se ukázaly jako těžkopádné u tradičních proprietárních systémů, zatímco otevřené automatizační systémy je prováděly o 70 % až 80 % rychleji.
Stručně řečeno, zda budoucí průmyslový internet dokáže překonat současná úzká místa a dále pokročit v digitální transformaci průmyslových podniků do hloubky a šířky, závisí na vytvoření otevřeného automatizačního systému postaveného na nových konceptech, architekturách a standardech. Tradiční hardwarové-proprietární systémy budou nahrazeny softwarovými-otevřenými systémy. V oblasti edge computingu bude aplikováno více cloudových technologií, což umožní velké skupině IT talentů hluboce se integrovat se znalostmi průmyslových aplikací v tomto otevřeném rámci. Můžeme předvídat, že průmyslový internet vytvoří zdravou a udržitelnou cestu vpřed využitím tohoto otevřeného ekosystému.