Det industriella internet, som en framväxande affärsmodell och applikationsparadigm bildad av den djupa integrationen av nästa-generations informationsteknik med den industriella ekonomin, fungerar som den avgörande grunden för industriella företag att uppnå digital transformation. Under de senaste åren har många integrerade lösningar vuxit fram genom innovation som är skräddarsydd för produktionsegenskaper och smärtpunkter i nyckelbranscher. Exempel inkluderar samarbete i försörjningskedjan inom-avancerad utrustningstillverkning, fjärrdrift och underhåll av större utrustning, energibesparing och utsläppsminskningar inom stålindustrin och övervakning av produktionssäkerhet i den petrokemiska sektorn. Dessa lösningar utnyttjar till fullo det industriella internets aggregerings- och förstärkningseffekter, driver den digitala omvandlingen av tillverkning och levererar kärnvärde i kvalitetsförbättring, kostnadsreduktion och effektivitetsvinster.
Industriella internetplattformar tillhandahåller möjligheter för aggregering, integrering, lagring, bearbetning, beräkning och analys av massiv industriell data, vilket gör det möjligt för företag att bygga enhetliga, fullständiga-livscykelplattformar för driftskontroll. Många plattformsrelaterade-tekniker genomgår kontinuerlig iteration och utveckling (t.ex. mikrotjänstkomponenter, behållare, batchdatabearbetning, strömbearbetning). Dessa tekniker ger oss successivt möjlighet att utföra djupgående-analyser av heterogen, massiv industriell data samtidigt som vi accelererar ackumuleringen av industriell kunskap, frikoppling av hårdvara och mjukvara och snabb implementering av innovativa applikationer. Vi inser dock att dessa avancerade tekniker med öppen-källkod i grunden är verktyg för att hjälpa företag att uppnå intelligent tillverkning-inte själva slutmålet. Med hjälp av sådana plattformar kan stora företag optimera produktionen över hela tillverkningsomfånget, förbättra hela värdekedjan av tillgångar och verksamheter och i slutändan uppnå livscykel{11}}omfattande värdeoptimering. Till exempel använder Abu Dhabi National Oil Company (ADNOC) Group sitt digitala panoramakommandocenter för att centralt övervaka och optimera tillgången och operativa prestanda för 14 operativa företag från sitt huvudkontor. Genom lösningar som förutsägande underhåll och optimering av värdekedjor har man identifierat potentiella värdeoptimeringsmöjligheter värda 60 miljoner dollar till 100 miljoner dollar för gruppen (tillhandahåller lösningar för optimering av värdekedjor för olja och gas, integrera tillgångar och operativa värdekedjor och maximera produktion och operativ avkastning).
Det industriella internet erbjuder många lösningar i scenarier som tjänsteutvidgning, nätverkssamarbete och personlig anpassning genom att koppla samman företag, användare och produkter. Det är dock fortfarande i en utforskande fas för intelligenta produktionsscenarier, och företag står fortfarande inför betydande utmaningar i produktionsverksamheten.
Utmaningar som dagens tillverkningsföretag står inför
Marknadsutmaningar: Globala ekonomiska och marknadsmässiga osäkerheter tvingar tillverkare att snabbt anpassa strategier för att anpassa sig till vanligare och snabbare-marknadskrav samtidigt som de navigerar efter fluktuationer i råmaterial- och energikostnader. Denna trend tvingar företag att ompröva sina operativa tillvägagångssätt: de måste kontinuerligt lansera nya produkter samtidigt som de förkortar inköpscykler för utrustning, tidslinjer för ny produktutveckling och tid-till-marknaden. De måste etablera efterfrågedrivna-, försörjningskedjan-koordinerade affärsmodeller för optimering och flexibla produktionssystem som stor-blandad-linjeproduktion-särskilt kritiska för den diskreta tillverkningssektorn.
Utmaningar för att behålla mänskliga resurser och kunskap: När äldre generationer av arbetare går i pension riskerar den expertis de besitter inom kontrollsystem, drift och underhåll att gå förlorad. Industriföretag står inför betydande utmaningar från arbetskraftsövergångar. Den nya generationen av digitala infödda förväntar sig att kunskap om industriell automation ska vara inbäddad i de system de använder, medan traditionella OT-talanger blir alltmer knappa.
Utmaningar i totalkostnad och efterlevnad: Hur man optimerar och minskar kostnaderna för nybyggnadsprojekt och driftskostnader samtidigt som man följer allt strängare nationella miljöskyddslagar och -föreskrifter för att möjliggöra hållbar utveckling.
Industriella chefer hoppas att Industry 4.0 och Industrial Internet-tekniker kommer att hjälpa dem att hantera dessa nya utmaningar. Branschanalytiker uppskattar att mer flexibla-generations produktionstekniker kan öka tillverkningsproduktiviteten med 30 %. Men forskning visar också att 60 % av företagen misslyckas med att avancera sina projekt efter pilotfasen. Detta resultat härrör från olika faktorer relaterade till personal, processer och teknik. På den tekniska fronten kämpar de flesta tillverkare för att uppnå högre avkastning från dessa innovationer, främst på grund av att deras operativa anläggningssystem förblir stängda, proprietära inställningar. Sedan 1970-talet, när DCS- och PLC-system gick in i industriell automation, har egna system utvecklats. Hittills har marknaden utvecklats kring hårdvara{11}}mjukvarupaketeringsmodeller, där varje automations- och informationssystemleverantör har skapat sitt eget mjukvaruekosystem. Detta tvingar användare att underhålla flera OT- och IT-system, vilket främjar ett stort beroende av systemleverantörer.
Aktuella flaskhalsar vid kanten av det industriella internet
Icke-digital arkitektur-De flesta moderna automationssystem är mycket optimerade för kontroll i realtid- men lyckas inte dra nytta av den snabbt framskridande tekniken som kommer från IT-domänen. Dessa banbrytande digitala-teknologier-inklusive analys, artificiell intelligens/maskininlärning, objekt-orienterade tillvägagångssätt och tjänste-orienterade arkitekturer-är avgörande för att uppnå intelligent tillverkning.
Hårdvara-Centriska affärsmodeller-Medan hårdvaruförbättringar kan optimera befintliga kontrollmiljöer är de inte den mest kritiska aspekten av digital transformation. Den sanna nyckeln ligger i mjukvarudriven-innovation som på ett intelligent sätt hanterar tekniska utmaningar i driften. Följaktligen skiftar affärsvärdet stadigt från hårdvarudrivna-till mjukvarudrivna-modeller.
Begränsningar för proprietära system-För närvarande kan automationsapplikationer som utvecklats för ett system inte köras på ett annat. Men under de senaste decennierna inom IT har öppna operativsystem som Linux främjat applikationsutveckling från tredje part, vilket möjliggör snabb ekosystemexpansion och skapandet av rika programvaruportföljer som möter affärsbehov inom flera branscher och marknadssegment. Tyvärr skapar egenutvecklade system inom industrisektorn hinder för innovation: användare kan inte rimligtvis kostnadseffektivt förbättra produktionssystemen eller integrera och matcha bästa-i-produkter från olika leverantörer. Deras innovationstakt begränsas av deras beroende av proprietära systemleverantörer. Dessa hinder ökar i slutändan företagets totala kostnader.
För tillverkare av originalutrustning (OEM) ligger utmaningen i att balansera två prioriteringar: att utnyttja virtuella felsökningsmöjligheter under modulär design för att överbrygga den virtuella och fysiska världen-och därigenom minska kostnaderna, minska riskerna och påskynda tiden-till-marknaden-samtidigt som man ökar tjänsternas tillväxt{4} för att öka värdet på marknaden{4}}.
Systemintegratörer (SI) står inför en kritisk lucka: automationssystem saknar verktyg som kopplar ihop IT- och OT-domäner. I slutändan finner de sig tvungna att investera betydande mänskliga resurser i att utveckla mycket komplexa skräddarsydda lösningar. Avgörande är att sådana skräddarsydda tjänster är svåra att replikera brett på marknaden. De söker programvarufunktionella block som skyddar deras industriella kunskap och branschspecifika-lösningar, och därigenom minskar låg-ingenjörsinsats (genom att återanvända objekt och processalgoritmer i flera projekt). Detta gör att deras tekniska experter kan fokusera mer intensivt på att lösa smärtpunkter och utmaningar inom tillverknings-, drift- och underhållsprocesser (MOM), vilket i slutändan skapar större värde.
På slutanvändarsidan (EU) kräver hanteringen av dessa utmaningar omgående omfattande systemhantering för att minimera oplanerade driftstopp, säkerställa produktleverans under högsäsong och minska beroendet av extern teknisk support. Det finns ett önskemål om flexibla system/produktionslinjer för att säkerställa tillverkningsflexibilitet, vilket möjliggör större produktionsflexibilitet när efterfrågan förändras eller underhållsscheman ändras.
Att effektivt lösa dessa problem och verkligen etablera ett "mjukvarudefinierat-industriellt" digitalt industriellt ekosystem kräver att man hanterar slutna OT-system, standarder och ekosystemutmaningar vid källan. Detta innebär att man antar öppna automationssystem och standarder samtidigt som man integrerar ytterligare tekniska funktioner för att påskynda IT-OT-konvergens.
Framtiden för öppna automationssystem
Framtida automatiseringssystemsarkitekturer kommer oundvikligen att utvecklas mot öppenhet, distribuerad distribution och inneboende säkerhet. Industriell automationsteknik och edge computing utgör grunden för dessa öppna system. Jämfört med traditionella proprietära system kommer öppna automationsarkitekturer att uppvisa följande transformationer:
Det är uppenbart att öppna automationsarkitekturer påskyndar ingenjörsutvecklingen, förbättrar systemets smidighet, produktionsflexibilitet och övergripande effektivitet. Denna förändring representerar mer än en teknisk uppgradering-det omdefinierar i grunden hur processer och maskiner är utformade. Lång-programmering med lågt-värde för proprietära kontroller kommer att övergå till plug-and-automationssystem. Dessa system kommer att utnyttja omfattande, noggrant validerade programvarufunktionsblock utvecklade av ett stort ekosystem. De kommer att köra på olika hårdvara från flera leverantörer-som spänner över inbyggda kontrollsystem till kraftfulla edge-intelligensenheter.
Öppna standarder är avgörande för att bygga öppna automationssystem, och IEC 61499 är nyckelstandarden som låser upp denna nya gräns. Genom att definiera objekt-orienterade modelleringsregler kapslar den in kontrollmodellerna och algoritmerna för kontrollerade objekt i "svarta lådor" (programvarufunktionsblock). Dessa verifierade funktionsblock kan återanvändas i olika scenarier, vilket avsevärt minskar repetitiva programmeringsinsatser. För användarna räcker det att förstå den funktionalitet som tillhandahålls utan att behöva känna till implementeringsdetaljerna, och därmed skydda utvecklarnas immateriella rättigheter. Till skillnad från traditionella funktionsblock, fungerar de som definieras av denna standard baserat på händelseutlösning snarare än cyklisk skanning. Detta är i linje med objekt-orienterade koncept och programmeringsmetoder inom IT-domänen, vilket gör det till en naturlig IT/OT-konvergensteknik. Det underlättar förbättrad CPU-effektivitet och lastbalansering, är särskilt lämpad för distribuerade system och möjliggör sömlös integrering av avancerad IT-teknik i automationssystem. Standarden definierar vidare regler för applikationsmodeller, systemmodeller och enhets-/resursmodeller. Deras integration gör det möjligt för användare att designa applikationer oberoende av underliggande automationshårdvara. Denna hårdvaruabstraktionsmetod förkortar projekttidslinjer och minskar beroendet av utrustningstillverkare. I kombination med den objektorienterade-utvecklingen av funktionsblock förenklar det avsevärt onlinejusteringar för produktionslinjer och utrustning. Naturligtvis tillhandahåller standarden också metoder för att komponera grundläggande funktionsblock till sammansatta block och för att snabbt ansluta olika funktionsblock (via enkelt dra-och-släpp), vilket avsevärt minskar arbetsbelastningen för felsökning av programvara och programfel. Sammanfattningsvis är att uppnå enhetskompatibilitet, systemomkonfigurerbarhet och mjukvaruportabilitet dess kärnmål. Organisationer som Open Process Automation Forum (OPAF) och International Association of Process Industry Automation Users (NAMUR), som för närvarande leds av slutanvändares deltagande, förespråkar en övergång från befintliga proprietära ramverk för automationssystem baserade på denna standard-den bästa illustrationen av denna strävan.
Under de senaste åren har även edge computing-tekniken utvecklats snabbt. Containerteknologi ger effektiva metoder för batchuppdatering/uppgradering av applikationer för kantkontroll och säkerställer snabb dataöverföring och bearbetning. Containerteknologier, främst Docker, och containerorkestreringsverktyg som Kubernetes håller på att mogna. Microservices-arkitekturen förbättrar kontinuerligt resursutnyttjandet vid kanten, främjar funktionell frikoppling och återanvändning, accelererar applikationsutvecklingen och har blivit en nyckeltrend inom edge computing-teknologi. Standarder som OPC UA och Time-Sensitive Networking (TSN) tillhandahåller internationella ramverk och deterministiska nätverk för sammankoppling av fältenheter, vilket uppfyller olika krav på dataöverföring och utbyte i industriella tillämpningar. Integreringen av dessa nästa-generations informations- och kommunikationstekniker med IEC 61499 standardtekniker kommer att påskynda utvecklingen av öppen automatisering. Denna öppenhet sträcker sig inte bara till standarder utan även till nätverk, hårdvara, mjukvara och systemarkitektur, vilket lägger en solid grund för att uppnå digitalisering, nätverk och intelligens i fabriker och verkstäder.
Öppen automation kommer att driva på den snabba utvecklingen av det industriella internet, och i slutändan åtgärda smärtpunkter för slutanvändare, systemintegratörer och OEM:er. Detta tillvägagångssätt uppnår flexibel produktion, förkortar tiden-till-marknaden, minskar konstruktionstid och kostnader, förbättrar drifts- och produktionseffektivitet och skyddar immateriella rättigheter. Faktum är att en nyligen genomförd jämförande studie av ett internationellt-företag från tredje part belyser detta effektivt: För att slutföra ett typiskt små-automationsprojekt (uppgifter inklusive att skapa applikationer, importera relevanta databaser, upprätta logik, konfigurera enheter, utveckla HMI:er och distribuera projektet), krävdes traditionella automatiseringsprogramvaruverktyg 40 timmar. Däremot minskade användningen av ett öppet automationssystem denna tid med 68 %. För att testa systemets smidighet byttes kontroller manuellt mellan enheter och nya kontroller konfigurerade för de ursprungliga enheterna. Dessa operationer visade sig vara besvärliga med traditionella proprietära system, medan öppna automationssystem utförde dem 70 % till 80 % snabbare.
Sammanfattningsvis, huruvida framtidens industriella internet kan övervinna nuvarande flaskhalsar och ytterligare främja den digitala transformationen av industriföretag på djupet och bredden beror på att etablera ett öppet automationssystem byggt på nya koncept, arkitekturer och standarder. Traditionella-hårdvarucentrerade proprietära system kommer att ersättas av mjukvarucentrerade-öppna system. Fler molntekniker kommer att tillämpas på edge computing, vilket gör det möjligt för en stor pool av IT-talanger att djupt integreras med kunskap om industriell applikation inom detta öppna ramverk. Vi kan förutse att det industriella internet kommer att skapa en sund, hållbar väg framåt genom att utnyttja detta öppna ekosystem.