Rambler's Top100
 
Статьи
Алексей ЧЕРНОБРОВЦЕВ  07 сентября 2020

Технологии индустриальной революции

Долгое время комплексы АСУ ТП и корпоративные ИТ-системы в промышленных организациях были мало связаны друг с другом. Четвертая промышленная революция коренным образом меняет сложившуюся ситуацию.

Новая парадигма использования современных информационных технологий и внедрение облачных решений являются эффективными инструментами повышения производительности предприятий различных областей экономики, включая промышленность. Цифровизации последней способствуют разработка концепций интернета вещей (IoT), промышленного интернета вещей (IIoT, он же промышленный интернет) и другие технологические достижения, стимулирующие развертывание процессов, которые в Европе называют четвертой промышленной революцией (Industry 4.0), а в Северной Америке – интеллектуальным производством (рис. 1).

Рис. 1. Характер промышленных революций

Термин «Индустрия 4.0» предложили в 2011 г. в Академии инженерных наук при правительстве Германии для описания перехода от традиционной промышленной автоматизации к внедрению сетевых киберфизических систем в процессы производства и сбыта предприятий обрабатывающей промышленности.

Четвертая промышленная революция характеризируется конвергенцией операционных и информационных технологий производственных компаний. Фундаментом индустриальной цифровизации служит интернет вещей, предоставляющий недоступные ранее объемы данных и средства для их обработки и помогающий значительно повысить эффективность производственных и операционных процессов предприятий.

Промышленный интернет

IIoT позволяет создавать для автоматизации производственных предприятий индустриальные киберфизические системы, используя для этого достижения современных инфокоммуникационных технологий. Одна из основных идей промышленного интернета – минимизация влияния человеческого фактора на работу комплексов автоматизации предприятий.

Цифровизация на основе промышленного интернета открывает доступ к значительным объемам массивов производственных данных, поступающих из различных источников: установленных в цехах датчиков, АСУ ТП, хранилищ информации приложений управления, включая ERP (Enterprise Resource Planning), MES (Manufacturing Execution System), и ряда других систем. Их обработка ИТ-ресурсами, предоставляемыми комплексами IIoT, дает возможность формировать технологические и принимать управленческие решения, которые способны заметно повысить продуктивность промышленных компаний. 

Анализ больших данных в промышленности и практическое использование его результатов являются наиболее существенными дополнениями к традиционным решениям автоматизации на базе программных диспетчерских систем SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), программируемых логических контроллеров (ПЛК), автоматизированных рабочих мест (АРМ) операторов и промышленных роботов.

Аналитики Boston Consulting Group рассматривают большие данные и методы их анализа в качестве важнейших технологий индустриальной трансформации, к которым они относят также промышленный интернет, решения на базе автономных роботов, моделирование, горизонтальную и вертикальную интеграцию, кибербезопасность, дополненную реальность и аддитивное производство (рис. 2). Последнее использует цифровые модели и системы генеративного дизайна, позволяющие передавать ИТ-платформам часть функций проектирования. В Deloitte добавляют к этому искусственный интеллект, машинное обучение и когнитивные системы.

Рис. 2. Технологии, преобразующие промышленное производство

Новыми источниками производственной информации служат цифровые копии физических объектов и процессов, которые применяются в приложениях моделирования, группы совместно работающих роботов, а также роботы, помогающие в работе персоналу предприятий.

Промышленный интернет не ограничивается простым подключением устройств, сбором, хранением и анализом данных. IIoT открывает пути к модернизации технологий и оптимизации экономики производственных процессов, обеспечивает взаимодействие с распределенными сетевыми структурами управления современных интеллектуальных производственных систем и, что не менее важно, ранее установленных устройств и машин, позволяя применять в современных технологических средах многочисленные решения, разработанные за последние десятилетия создателями систем автоматизации производственных процессов. Более того, IIoT разрушает барьеры, традиционно разделяющие команды специалистов подразделений информационных и операционных технологий промышленных компаний.

Индустриальные облака и платформы

Основной парадигмой четвертой промышленной революции становится облачное производство, объединяющее существующие индустриальные модели автоматизации и корпоративные информационные технологии и охватывающее полный жизненный цикл продуктов – от проектирования, моделирования, изготовления и тестирования до эксплуатации и технического обслуживания.

Производства нового типа поддерживаются промышленными платформами IoT и распределенными системами индустриальных облаков (Industrial Clouds), которые содержат пулы взаимосвязанных виртуализированных ИТ-ресурсов, средства интеллектуального управления ими, предоставляют по запросам услуги различным категориям специалистов, вовлеченным в производственный цикл. Индустриальные облака позволяют оплачивать только потребляемые пользователями ИТ-ресурсы (модель pay as you go) в рамках хорошо известных на корпоративном рынке сервисных моделей.

Сервис «инфраструктура как услуга» (IaaS) обеспечивает доступ к информационно-технологическим ресурсам; «программное обеспечение как услуга» (SaaS) позволяет применять готовое прикладное ПО, полностью обслуживаемое провайдером; «платформа как услуга» (PaaS) дает возможность пользоваться средами разработки и развертывания облачных приложений, операционными системами, СУБД, связующим ПО, средствами тестирования и другими размещенными у провайдеров инструментами.

Поставщики индустриальных облачных услуг стараются обеспечить их соответствие рекомендациям ассоциации Open Connectivity Foundation, которая занимается стандартизацией экосистемы интернета вещей и унификацией IoT-стандартов, гарантирующих безопасность подключений и устройств в различных облачных средах.

Многие облачные провайдеры, включая Amazon, Google, Microsoft и IBM, дополняют свои предложения сервисами поддержки интернета вещей. Игроками этого рынка становятся также ведущие операторы связи, обладающие развитой коммуникационной инфраструктурой. Эффективными инструментами для реализации современных решений IIoT служат облачные платформы и услуги, предоставляемые Amazon Web Services (AWS) и Microsoft Azure.

Корпорация Microsoft десятилетиями занимала лидирующие позиции в области ПО для промышленной автоматизации. С 1990-х гг. она поставляла инструменты и решения поддержки операционных технологий (ОТ), включая ОС и СУБД SQL Server, широко распространенные в том числе в MES-системах управления производством. Многолетний опыт сотрудничества Microsoft с разработчиками ОТ-решений оказал заметное влияние на выбор последними облачных сервисов корпорации для развертывания платформ IIoT.

В течение последних лет заметно укрепились позиции облачных сервисов AWS в промышленности. На их основе разрабатываются SaaS-комплексы для производственных компаний, развивается экосистема разработчиков и пользователей, в состав которой входят такие индустриальные гиганты, как Georgia-Pacific, Siemens и Volkswagen, заинтересованные в переходе к моделям Industry 4.0.

Наряду с промышленными облаками общего назначения существуют специализированные облачные решения Industry Clouds, предназначенные для различных вертикальных рынков. Такие отраслевые облака, учитывающие специфику определенных рыночных секторов, обеспечивают соответствие принятым в них деловым, операционным, юридическим и другим нормам, включая требования безопасности.

Рынок сегодня заполнен множеством платформ IIoT, создатели которых предлагают их промышленности, коммунальным и управляющим компаниям, другим подобным организациям в качестве инструмента перехода к технологиям Industry 4.0.

В Gartner отмечают обилие схожих по возможностям IIoT-платформ. В выпущенном в июне 2019 г. отчете Magic Quadrant for Industrial IoT Platforms лидеры этого сегмента рынка ПО и стремящиеся занять такие позиции компании-претенденты не указаны. Тем не менее ведущие аналитики относят к наиболее перспективным платформенным продуктам Atos Codex IoT, Hitachi Lumada, IBM Watson IoT Platform, Microsoft Azure IoT, Oracle IoT Cloud, PTC ThingWorx, SAP Leonardo IoT, Schneider Electric EcoStruxure, Siemens MindSphere, Software AG Cumulocity IoT. При выборе учитывались такие факторы, как опыт работы вендоров платформ IIoT в области индустриального ПО, применимость предлагаемых решений для широкого спектра сценариев, известность и размер организаций-разработчиков.

Тенденции рынка

Трансформация производства на основе технологий Industry 4.0 становится реальностью. Основные направления преобразований промышленных компаний продемонстрировали, в частности, экспоненты выставки Hannover Messe 2019. Одна из важнейших тенденций – освоение крупнейшими автостроительными компаниями облачных решений гиперскейлеров. В BMW это делают вместе с Microsoft, в Volkswagen – с AWS и Siemens MindSphere.

Индустриальное облако Volkswagen Industrial Cloud, находящееся на завершающей стадии разработки, станет не только промышленной корпоративной, но и партнерской сетью. Решения и приложения Volkswagen будут доступны в рамках открытой экосистемы компаниям-партнерам. В 2020 г. сеть должна охватить около двух десятков производственных площадок Volkswagen Group. Консолидированная аналитическая обработка данных всех 124 заводов группы и сетевое взаимодействие с 1500 поставщиками приведут, как ожидается, к экономии средств в несколько миллиардов евро. Вклад в эту сумму от ввода в действие первых полутора десятков приложений, стандартизированных для всех заводов, должен составить около 200 млн евро. Предполагается, что развертывание Volkswagen Industrial Cloud позволит к 2025 г. увеличить производительность группы компаний на 30%.

Разработчики промышленного ПО предлагают инструменты оркестровки для развертывания мультивендорных комплексных решений, которые исключают привязку заказчиков к продуктам только конкретных вендоров. Такие решения охватывают в том числе процессы управления эффективностью производственных активов, включая управление жизненным циклом продуктов, ориентированное на безотказность технического обслуживания на основе условий, и прогнозную аналитику.

В этой области весьма активны AspenTech, GE Digital, Uptake, IBM и SAP, а также ряд других компаний. Значительные средства в IoT-приложения, ориентированные на рост производительности промышленности, эффективности использования производственных активов, управления людскими ресурсами и парками транспортных средств, инвестируют и в Oracle. Формируются также партнерские экосистемы для создания цифровых двойников. Примеры такого сотрудничества демонстрируют Siemens и Bentley Systems, PTC и Rockwell, ABB и Dassault Systems, Schneider Electric и Aveva. 

Архитектурные различия

Важнейшая архитектурная особенность современных комплексов автоматизации – применение технологий кибербезопасности для ИТ-поддержки операционных процессов промышленных предприятий, включая глубокую защиту информации, автоматическое обнаружение аномалий и угроз, анализ трафика, мониторинг поведения оборудования, шифрование соединений и другие технологии борьбы с современными киберугрозами.

Обеспечить безопасность комплексов на базе промышленного интернета призваны в том числе рекомендации Industrial Internet Security Framework, выпущенные глобальным некоммерческим партнерством Industrial Internet Consortium, выявляющим, тестирующим и продвигающим лучшие практики в области IIoT. 

Повысить защищенность производственных систем способны и сами индустриальные облака, поскольку методы и технологии киберзащиты, которые предлагают провайдеры облачных услуг, зачастую гораздо эффективнее локальных решений производственных компаний. Провайдеры следят за постоянными обновлениями информационной защиты, внедряют новейшие системы управления событиями и информационной безопасностью (Security Information and Event Management, SIEM), осуществляют резервное копирование и упрощают процедуры восстановления в случае потери данных из-за возникновения нештатных ситуаций.

Промышленный интернет оказывает также влияние на изменение традиционных комплексов АСУ ТП. В Honeywell Process Solutions, к примеру, предлагают на основе IIoT переход от традиционных (датчики – ПЛК – АРМ) к двухуровневневым решениям, состоящим из защищенных облачных платформ и связанных с ними сетевой инфраструктурой периферийных комплексов. Такие периферийные комплексы являются гетерогенными средами, в состав которых входят датчики, исполнительные устройства, контроллеры и средства взаимодействия с операторами.

Периферийные вычисления и поддерживающие их системы становятся важнейшими связующими звеньями, осуществляющими взаимодействие АСУ ТП, комплексов управления и индустриальных облачных сред. Дело в том, что оперативные производственные процедуры тесно связаны с технологической инфраструктурой предприятий, срок службы которой измеряется десятилетиями, а программно-аппаратные решения граничных комплексов позволяют поэтапно с минимальным нарушением существующих операций внедрять новые технологии, постепенно модернизировать ПО и приобретать ИТ-услуги. 

К очевидным преимуществам граничных сред относятся предварительная обработка исходных данных в непосредственной близости от их источников, сокращающая время формирования управляющих воздействий и существенно снижающая нагрузку на локальные и глобальные сети. Периферийные вычисления обеспечивают быстрый отклик для принятия решений в режиме реального времени.

Граничные решения различаются по степени сложности в зависимости от выполняемых функций. Это могут быть и IIoT-шлюзы, поддерживающие стандартные промышленные протоколы и способные взаимодействовать с облачными ресурсами и устройствами визуализации АСУ ТП, и ЦОДы «в коробках», содержащие локальные озера данных, системы искусственного интеллекта и машинного обучения, и фрагменты полноценных дата-центров. Инфраструктурные компоненты для них предлагают многие производители аппаратуры и ПО – от разработчиков устройств АСУ ТП до грандов инженерной инфраструктуры и известных ИТ-вендоров.

Так, в Hewlett Packard Enterprise разработали открытую платформу HPE Edgeline OT Link Platform, которая на границе сети автоматизирует взаимодействие OT-систем и ИТ-приложений управления данными. Платформа, утверждают в HPE, формирует экосистему работающих в периферийных и облачных средах сторонних приложений. В нее входят решения AWS, Google, Microsoft, SAP, PTC, GE и других компаний, предоставляющие информацию всем подразделениям предприятий и участникам цепочек поставок. 

Среди решений Dell Technologies – промышленные шлюзы Edge Gateways серий 3000 и 5000, поддерживающие такие стандарты и протоколы, как Bluetooth Low Energy, Zigbee, GPS и CANopen. 

Концерн Schneider Electric поставляет в том числе изготовленные и протестированные на заводах контейнерные решения для ЦОДов и комплексы Micro Data Center Xpress, корпуса NetShelter, литий-ионные ИБП, системы охлаждения.

Industry 4.0 и российские ИТ-компании

Industry 4.0 ставит задачи, с которыми хорошо знакомы специалисты ИТ-подразделений: выбор облачных платформ и их поставщиков, развертывание облачных сред, как правило, гибридных, определение того, в каком соотношении внедрять сервисы IaaS, PaaS и SaaS. Решение этих задач открывает новые возможности для формирования партнерских связей производственных предприятий с сервисными ИТ-компаниями. В число последних входят и крупные системные интеграторы, которые имеют опыт разработки заказных программных решений, располагают дата-центрами и облачными платформами. 

В 2019 г. около 40% российского рынка IoT пришлась на бизнес-услуги. Такие сведения опубликованы IDC в отчете «Возможности и тенденции интернета вещей: углубленный анализ российского рынка». Объем этого рынка достиг $3,7 млрд, увеличившись в 2019-м более чем на 8% по сравнению с предыдущим годом. На первое место вышли производственные компании, за ними следовали предприятия транспортной отрасли и консьюмерского сегмента. По прогнозам IDC, среднегодовой показатель роста рынка интернета вещей до конца 2023 г. приблизится в нашей стране к 20%. В то же время аналитики ожидают роста объема мирового рынка промышленного интернета до $200 млрд уже к 2021 г. (рис. 3).


Рис. 3. Доходы от поставок решений IoT и средств аналитики по сегментам рынка

Такие перспективы должны стимулировать разработку решений Industry 4.0 игроками ИТ-рынка. Российские системные интеграторы способны оказать здесь неоценимую помощь отечественным, в том числе региональным, компаниям различного масштаба, участвуя в модернизации существующих и внедрении новых комплексов автоматизации на базе IIoT.

 Сбор данных в комплексах Industry 4.0

Один из важнейших компонентов промышленного интернета – инфраструктура сбора данных датчиков АСУ ТП. Для ее создания на рынке имеются несколько десятков предложений с применением традиционных и беспроводных протоколов и технологий.
К проводным решениям относится однопарная сеть Ethernet, к работе над которой институт IEEE приступил в начале 2017 г. Стандарт IEEE 802.3cg Single Pair Ethernet регламентирует формирование «коротких» двухточечных и многоточечных 25-метровых сетей, а также «длинных» двухточечных соединений с расстоянием между узлами до 1000 м. Для таких сетей разработаны две модификации технологии физического уровня – 10Base-T1S и 10Base-T1L, которые определяют передачу данных по одной сбалансированной витой паре с быстродействием 10 Мбит/с.

Сети IEEE 802.3cg предоставляют возможность передавать данные по кабелям связи с одновременной подачей напряжения электропитания по технологии Power over Data Line. Они совместимы с существующими стандартами Ethernet, включая форматы и размеры пакетов.

Установка в датчиках, камерах и других устройствах интерфейсов IEEE 802.3cg Single Pair Ethernet унифицирует кабельную инфраструктуру Industry 4.0 и упрощает ее, поскольку в сетях Fast Ethernet (100 Мбит/с) для передачи данных требуется две, а в Gigabit Ethernet – четыре пары проводов.

Спецификация 802.3cg-2019 – IEEE Standard for Ethernet – Amendment 5: Physical Layer Specifications and Management Parameters for 10 Mb/s Operation and Associated Power Delivery over a Single Balanced Pair of Conductor утверждена в 2020 г. Опубликован также международный стандарт IEC 63171-6 для соединений однопарного Ethernet в промышленных приложениях.

Для организации беспроводных коммуникаций в комплексах IIoT предлагаются энергоэффективные персональные сети малого радиуса действия Low Power Short Range Networks, большого радиуса – Low Power Wide Area Networks (LPWAN), а также решения на основе сотовых сетей. 

В сетях малого радиуса физический уровень и управление доступом регламентируются стандартом IEEE 802.15.4, который служит основой для таких протоколов, как Zigbee, WirelessHART, MiWi, ISA100.11, Thread. Zigbee, к примеру, подходит для приложений IoT среднего радиуса действия с равномерным распределением узлов на расстояниях до 100 м. Эта технология применяется обычно в ячеистых топологиях для расширения зоны покрытия путем ретрансляции данных датчиков через несколько узлов. Используется, как правило, в системах интеллектуального освещения, безопасности, управления энергопотреблением.

Сети LPWAN, в свою очередь, применяются в крупномасштабных комплексах IoT, охватывающих промышленные и коммерческие кампусы. Они предназначены для передачи небольших объемов данных из многочисленных конечных точек через довольно длительные промежутки времени. 

LPWAN характеризуются низким энергопотреблением и минимальной мощностью передаваемых сигналов, обеспечивают связь на расстояниях не менее 500 м от шлюзов до конечных точек. LPWAN поддерживаются такими стандартами и технологиями, как SigFox, Symphony Link, Nwave, Ingenu (RPMA), Weightless, LoRa.

На наиболее ресурсоемкие приложения с интенсивными коммуникациями рассчитаны сети пятого поколения с быстродействием более 20 Гбит/с. Однако, что наиболее важно для IIoT, сети 5G позволяют подключать более 1 млн устройств, размещенных на площади 1 кв. км, и обеспечивают задержку передачи сигналов, не превышающую единиц миллисекунд. 

Первая в России промышленная сеть пятого поколения введена в действие в 2020 г. на заводе КАМАЗ в Набережных Челнах. Она поддерживает технологии 5G и LTE и на первом этапе используется для видеонаблюдения, групповой связи, защищенного доступа к локальным информационным ресурсам, а также для VR/AR-решений и удаленного обучения персонала. Во время тестирования, по данным разработчиков, максимальное быстродействие в стандарте LTE достигло 46 Мбит/с, а в стандарте 5G – 870 Мбит/с. Использование диапазона LTE 2100 МГц для передачи сигнальной информации сети пятого поколения позволило существенно увеличить зону покрытия базовой станции 5G в диапазоне 28 ГГц.

Такие частные беспроводные сети связи для ведомственных приложений являются, как правило, коммуникационными решениями для взаимодействия устройств в рамках одного предприятия. Стандартизация технологий и решений 5G, как ожидают, завершится к 2021 г. Одной из главных проблем остается выбор частотных диапазонов.
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!