Четвертая промышленная революция, более известная как «Промышленность 4.0», получила свое название от инициативы 2011 года, возглавляемой бизнесменами, политиками и учеными, которые определили ее как средство повышения конкурентоспособности обрабатывающей промышленности Германии через усиленную интеграцию «киберфизических систем», или CPS, в заводские процессы.
1. Введение.
На протяжении последних нескольких лет применение технологий Интернета вещей (IoT), Больших данных и Аналитики для промышленной автоматизации всё чаще обсуждается во всём мире. Общая цель - улучшить производительность производственной линии, снизить операционные издержки и сократить время отклика на индивидуальные требования клиентов. Происходит изменение парадигмы к централизованному массовому производству, представленному Генри Фордом, которое значительно снизило цены на автомобили и позволило большему количеству людей покупать, и тем самым расширять рынок. Но теперь, когда становятся доступными IT-технологии, такие как IoT, Большие данные и Аналитика, возможно изменение производства недорогих, персонализированных заказов.
Начало производственной эпохи, основанной на IoT, поддерживается рядом отраслевых групп (таких как Промышленность 4.0, созданная в Германии), и многие компании по автоматизации предлагают первые продукты и решения. Первые приложения, конечно же, дополняют существующие машины и системы автоматизации. Однако это будет лишь небольшим и начальным шагом по сравнению с тем, что обсуждается в качестве окончательной концепции производства «лот-1» на основе Интернета вещей. Существующие и новые поставщики индустрии автоматизации должны во всех деталях работать в направлении на понимание новой производственной парадигмы и обеспечить пользователей необходимыми аппаратно-программными продуктами.
2. Путь к Промышленности 4.0
2.1 Основы производства промышленных революций
Сегодняшний мир сформировался в течение последних 200 лет посредством крупных промышленных революций:
- Первая промышленная революция, начавшаяся в Великобритании в конце XVIII века и продолжавшаяся до середины XIX века, была обусловлена изобретением парового двигателя и механизации. Это вызвало переход от аграрной экономики к механическому производству с помощью воды и пара. Она также известна как Механическая Революция.
- Вторая промышленная революция началась в конце XIX века и характеризовалась внедрением массового производства, основанного на разделении труда (конвейер Генри Форда) и всё более широкого использования электрической энергии. Она положила начало веку доступных потребительских товаров и также известна как Электрическая Революция.
- Третья промышленная революция началась в конце 1960-х годов благодаря использованию электроники и IT в промышленных процессах. Она открыла дверь в новую эпоху оптимизированного и автоматизированного производства и также известна как Цифровая Революция.
- Четвертая промышленная революция началась совсем недавно и заявляет о соединении двух миров: производства и сетевых соединений путём использования Киберфизических Систем (CPS), Киберфизических производственных систем (CPPS) и Интернета вещей (IoT). На сегодня эта революция характеризующаяся социальными медиа и коммуникациями M2M, продолжает существование с помощью смарт-продуктов и автономных транспортных систем и наконец, приведет к полностью интегрированным заводам и концепциям Plug&Produce.
2.2 Промышленность 4.0 – высокотехнологичная стратегия
Термин «Промышленность 4.0» был впервые представлен в 2011 году в Германии на выставке в Ганновере как обозначение высокотехнологичной стратегии правительства Германии. Принцип Промышленности 4.0 заключается в том, что путем соединения машин, деталей и систем, а так же интеллектуальных сетей создаются цепочки, элементы которых могут управлять друг другом автономно. Это приведёт к переходу от традиционной пятиуровневой пирамиды автоматизации (состоящей из CNC, PLC, SCADA, MES и ERP) к чрезвычайно гибкому подключению интеллектуальной фабрики на основе облака.
Затем сетевые машины и производственные системы смогут самостоятельно обмениваться информацией и обрабатывать её для управления промышленными производственными процессами. Промышленность 4.0 представляет собой переход парадигмы от «централизованного» к «децентрализованному» производству, что стало возможным благодаря технологическим достижениям, которые представляют собой отмену традиционной логики производственного процесса.
Промышленное производство теперь не просто обслуживает продукт, а сам продукт связывается с машиной, чтобы точно сказать ей, что делать.
Это может привести к заводам, которые работают аналогично одной сложной машине. Отдельные автоматизированные производственные устройства будут подключены как часть полного производственного процесса. Этот процесс будет использовать подключенные Киберфизические производственные системы (CPPS, датчики, приводы и машины в режиме реального времени) которые работают вместе с автоматизированным бизнес-процессом, который контролирует поток материалов и логистику. Наконец, подключение этих iFactories (интеллектуальных фабрик) к компьютерным программам проектирования позволит процессу производства измениться по мере появления новых продуктов.
Несмотря на то, что Промышленность 4.0 всё ещё находится на ранней стадии развития, она полагается на сложное программное обеспечение и машины, которые взаимодействуют друг с другом для оптимизации производства. Умные подключённые машины будут работать вместе и интерпретировать данные, в то же время меньше полагаясь на человеческий интеллект. Компьютеризация производства, высокий уровень взаимосвязи, умные фабрики и связь между оборудованием создают новую эпоху автоматизации, технологий производства и развития цепочки поставок: «Промышленность 4.0».
3. Киберфизические системы (CPS) и Интернет вещей (IoT)
Два основных элемента позволяют этой изменяющейся производственной среде использовать, так званую, Промышленность 4.0: Машина-к-Машине (M2M) в сочетании с Интернетом вещей. Связь M2M используется для автоматической передачи и измерения данных между механическими или электронными устройствами. Типичными компонентами системы M2M являются развернутые на месте беспроводные устройства со встроенными датчиками или RFID-беспроводные сети связи.
3.1 Киберфизические системы (CPS)
Согласно Эдварду А. Ли (2008), Киберфизические системы являются интеграцией вычислений в физические процессы. Встроенные компьютеры и сети проверяют и контролируют физические процессы, как правило, с циклами обратной связи, где физические процессы влияют на вычисления и наоборот. Киберфизические системы обеспечивают технологии, которые объединяют виртуальные и физические миры для создания сетевого мира, в котором интеллектуальные объекты общаются и взаимодействуют друг с другом. CPS в обрабатывающей промышленности, например, включает в себя всевозможные датчики, устройства и механизмы, которые становятся интерактивными благодаря встроенному программному обеспечению и подключению к сети для мониторинга и управления физическими процессами с помощью контуров обратной связи. CPS собирает, хранит и анализирует данные датчиков через свою локальную бизнес-логику для предоставления и использования данных и услуг. Такой децентрализованный интеллект создает интеллектуальную сеть объектов и независимое управление процессами, взаимодействуя с реальным и виртуальным мирами. Это представляет собой совершенно новый аспект промышленных и производственных процессов.
CPS не основаны на новой технологии, а используют и сочетают существующие и устоявшиеся тенденции разумным образом:
- Благодаря инновационной IT-индустрии, коммуникационные технологии, соответствующие аппаратные средства и программное обеспечение будут понижаться в цене и становиться эффективнее с каждым годом. Это станет очень востребованным среди пользователей во многих отраслях, поскольку они позволяют им получать больше ценной информации с устройств, машин и соответствующих процессов, таких как статус, диагностика, параметры процесса и т.д.
- Из вышеизложенного следует, что устройства, системы и машины - как физические объекты в реальном мире - будут все больше и больше подключаться друг к другу в заводских сетях, а также в Интернете. После этого, существующие в сети «точки данных», устройства и машины будут хранить все больше и больше конкретных данных для создания «объекта данных» в сети, который со временем будет расти до кибероснованной второй идентичности или «киберобъекта», помимо физического существования устройства в реальном мире.
- Физические объекты будут продолжать хранить данные, которые могут включать специфические ноу-хау, опыт и т.д. Это приведет к тому, что их киберидентичность станет более разумной и в определенной степени, автономной.
- Программные услуги будут все более доступны для подключения киберобъектов к «киберфизическим системам» с целью оптимизации определенных процессов. Одним простым, но известным примером является оптимизация потока трафика путем подключения киберобъектов как транспортных средств, так и систем светофора к киберфизической системе, которая затем позволяет оптимизировать поток трафика, предоставляя «зеленые волны».
В производстве CPS машины можно рассматривать как зеркальное изображение реальной машины, которая может непрерывно записывать и отслеживать свое состояние во время использования. Благодаря высокой возможности подключения, предлагаемой технологией облачных вычислений, зеркальная модель может обеспечивать, например, данные для оптимизации производства лучше, чем реальная машина.
3.2 Интернет вещей (IoT)
Киберфизические системы должны быть подключены к сети, чтобы обеспечить предполагаемый поток информации. Эта сеть не ограничивается фабрикой или заводом - она также может быть подключена к Интернету, который делает CPS частью Интернета вещей (IoT). Это сеть физических объектов или «вещей», встроенных в электронную систему, программное обеспечение, датчики с возможностью подключения, чтобы представлялось возможным обмениваться данными с людьми (производителем, оператором, специалистом по обслуживанию) и/или другими подключенными устройствами, чтобы достичь большей ценности и мгновенной поддержки. Каждая «вещь» идентифицируется в сети через встроенную вычислительную систему и способна взаимодействовать во всей интернет-инфраструктуре. Благодаря возможности подключения ко всем вещам в Интернете, IoT предлагает больше, чем установленная связь между машинами (M2M). Ожидается, что взаимосвязь этих встроенных устройств, включая интеллектуальные объекты, будет поддерживать автоматизацию в различных областях с помощью универсальных приложений.
Интернет вещей - это текущий термин, который специалисты по автоматизации использовали для названия коммуникаций между машинами. SAP AG, ведущий мировой производитель корпоративного программного обеспечения, определяет Интернет вещей как «мир, в котором физические объекты легко интегрируются в информационную сеть, и где они могут стать активными участниками бизнес-процессов. Для взаимодействия с этими «умными объектами» через Интернет доступны сервисы, запросы, а так же любая связанная с ними информация с учетом вопросов безопасности и конфиденциальности».
Интернет вещей (IoT) основательно меняет технологические и бизнес требования в бизнес-ландшафте. Инновационные решения, которые контролируют и управляют удаленными датчиками и устройствами, революционизируют корпоративные вычисления. Эти интеллектуальные системы, следующего поколения, собирают, анализируют и позволяют организациям влиять на огромные объемы необработанных бизнес-данных, создаваемых большим количеством конечных точек, для улучшения бизнес-аналитики и автоматических бизнес-процессов.
Используя IoT, физические производственные устройства становятся активной частью производственного процесса и реальный мир производства, своего рода, изменится на информационную систему. С помощью датчиков и исполнительных механизмов, встроенных в физические объекты и связанных через проводные и беспроводные сети, заводы начнут создавать физические объекты из команд и информации. Эти новые киберфизические системы нуждаются в программном обеспечении и усовершенствованных встроенных процессорных технологиях, которые могут поддерживать новые требования к подключению в реальном времени и распределенному управлению.
4. Связность и Smart Factory
Связность - это концептуальная разработка для Интернета, которая позволит потребителю, а также промышленным объектам иметь или получить возможность подключения, позволяя им отправлять или получать данные по сети. Фактически, любому объекту, который оснащен транспондером, может быть назначен IP-адрес и он может быть подключен к сети. Это означает, что всем устройствам потребуется IP-адрес в качестве уникального идентификатора. Благодаря новому интернет-протоколу IPv6 с длиной адреса 128 бит, будет доступно 340 триллионов интернет-адресов. Связность объединяет людей, вещи, процессы и данные, чтобы сделать сетевые соединения более ценными и превращать информацию в действия, которые создают новые способности и возможности для бизнеса и личного пользования.
4.1 Подключенные устройства
Связность, в контексте этого документа, включает все виды интеллектуальных устройств, которые используют соответствующие данные. Существующий Интернет, связанных между собой людей (через социальные сети) быстро распространяется на Интернет связанных вещей (IoT) и процессов. Источники прогнозируют около 30 миллиардов устройств, подключенных к 2020 году, что представляет собой количество значительно превосходящее население Земли. Поэтому Интернет будущего будет, в первую очередь, Интернетом Вещей - или, скорее, Интернетом всего (IoE). Технология связности наиболее тесно ассоциируется с установленной «умной» технологией машин-к-машинам (M2M). Связанные устройства имеют встроенный интеллект, который позволяет им отслеживать и анализировать данные и предпринимать действия без вмешательства человека, хоть люди и проверяют, контролируют эти сети. Машинный интеллект делает подключенные системы намного более эффективными, выполняя операции, которые могут выполняться быстрее, последовательнее и надежнее, в отличие от систем, которые требуют отбора, анализа и обработки информации с помощью людей.
Реализация обычно основана на беспроводных сетях датчиков, которые подключаются к Интернету и анализируют информацию. Благодаря увеличению интеллекта и мощности обработки, датчики смогут выполнять такие высокоскоростные процессы, как сбор данных, обработку и связь, что приносят облачные вычисления в IoT. Облако обеспечивает масштабируемое хранилище для огромного количества данных, предоставляемых сенсорными узлами, а также аналитические инструменты, необходимые пользователям, чтобы понять все эти данные. Облако может предоставить необходимые вычислительные ресурсы и услуги для управления большими сетями Интернета вещей. Облачное программное обеспечение как услуга (SaaS) является ключом к масштабированию приложений IoT.
4.2 Применение
Случаи использования варьируются от городского транспорта до медицинского мониторинга, от бытовых приборов до обрабатывающей промышленности, от энергоснабжения до управления движением и многие другие. Приложения подразделяются на такие категории, как умный дом, умный город, умное производство, умная среда и умное предприятие, и будут заниматься главным образом управлением теплом, электроэнергией, энергетикой, производством и транспортировкой. Что касается безопасности, то системы домашней сигнализации смогут обладать улучшенной способностью уведомлять владельцев собственности и если есть подозрение на нарушение, одновременно обращаться к соответствующим властям, позволяя домовладельцу контролировать различные аспекты своей системы со смартфона.
В бизнесе и промышленности существует множество различных потенциальных приложений, включая улучшенное отслеживание активов, управление запасами, оптимизация производства и т.д.
4.3 Связанные процессы и бизнес
Связанный («умный») город представляет собой систему взаимосвязанных процессов, включая трудоустройство, здравоохранение, розничную торговлю и развлечения, общественные услуги, распределение энергии и транспорт. Такое скопление систем связано между собой информационно-коммуникационными технологиями, которые передают и обрабатывают данные обо всех видах деятельности в городе. Вся транспортировка, которая помогает сделать город умным, - это «связанный транспорт», когда транспортные средства, путешественники и инфраструктура общаются друг с другом через различные потоки данных. Эти данные могут оптимизировать городские процессы и улучшить предоставление городских услуг и управление инфраструктурой.
Если компания применяет большое количество активов, эти применения должны быть тесно интегрированы с бизнес-процессами предприятия. Это начинается с производства, продаж и ввода в эксплуатацию – процессов, связанных с активами, поэтому они должны быть зарегистрированы в Интернете вещей. Во время работы активы должны иметь возможность взаимодействовать с различными бэкэнд-процессами, например, для управления изменениями состояния, обработки событий предупреждения и т.д. Большое количество данных, поступающих из актива, должно быть эффективно проанализировано и очень важно обеспечить сопоставление бэкэнд-процессов, которые могут реагировать на результаты этого анализа. Точно так же бизнес-процессы должны иметь возможность обращаться к устройствам, чтобы, например, перенастраивать устройство на основе результатов процесса.
Для того чтобы сформировать Связанный Бизнес, требуется интегрированная среда, которая ускоряет взаимодействие внутри организации и за ее пределами, уменьшает трение взаимодействия и повышает производительность. Интегрированный бизнес нуждается в интегрированных бизнес-данных, процессах, правилах, услугах и возможностях между внутренними и внешними IT-активами в среде, которая оптимизирует бизнес-взаимодействия внутри, снаружи и между организационными границами. Приложения для самообслуживания должны позволить клиентам подключаться и просматривать доступные продукты, инвентарь и статус транзакции. Опубликованные API-интерфейсы предоставляют данные и позволяют подключать автоматические уведомления, основанные на деловой активности.
4.4 Умная фабрика
Слияние виртуальных и физических миров с помощью CPS и связанное с этим слияние технических и бизнес-процессов приводят к новой концепции производства под названием «умная фабрика». Умные заводские продукты, ресурсы и процессы обеспечивают - по сравнению с более ранними методами производства - значительное качество в реальном времени вместе с преимуществами времени и стоимости. Умный завод спроектирован в соответствии с устойчивыми и ориентированными на обслуживание бизнес-практиками. К ним относятся гибкость, характеристики обучения, отказоустойчивость и управление рисками.
Высокие уровни автоматизации устанавливаются в стандартном исполнении на умной фабрике гибкой сетью производственных систем на базе CPS, которые в значительной степени автоматически контролируют производственные процессы. Гибкие производственные системы, способные реагировать практически в режиме реального времени, позволяют радикально оптимизировать внутренние производственные процессы. Производственные преимущества не ограничиваются исключительно одноразовыми условиями производства, но также могут быть оптимизированы в соответствии с глобальной сетью адаптивных и самоорганизующихся производственных единиц, принадлежащих более чем одному оператору.
5. Подход Advantech к Industry 4.0
Группа промышленной автоматизации Advantech объявила 2015 год «Годом Промышленности 4.0». Компания Advantech, штаб-квартира которой находится в Тайване, основана в 1983 году, является мировым лидером в области внедрения инновационных, встроенных и автоматизированных аппаратных и программных продуктов и решений, включая системную интеграцию, ориентированные на клиента услуги дизайна и глобальную логистическую поддержку. Текущая миссия компании - обеспечить интеллектуальную планету с автоматизацией и встраиваемыми вычислительными продуктами и решениями, которые расширят возможности для развития умных рабочих и жилых помещений.
Подход Advantech к Промышленности 4.0 структурирован как трехслойное строение, позволяющее использовать Интеллектуальные роботы и машины (Уровень 1), подключенные Решения iFactory (Уровень 2) и Интернет услуги (Уровень 3). Благодаря интеграции информации, быстрому реагированию и гибкому производству, общая эффективность и эффективность производственных процессов будет значительно улучшена. Эта трехслойная концепция сочетается с интенсивным развитием вертикальных рынков.
5.1 Включение интеллектуальных машин и роботов (Уровень 1)
Для интеллектуальных машин и робототехники Advantech предлагает полный спектр продуктов и технологий, включая контроллеры, управление движением, машинное зрение, вычислительные системы автоматизации и интегрированный контроллер станков и роботов. Благодаря этим современным инструментам и технологиям, традиционные машины станут более интеллектуальным (умным) оборудованием. Цель Advantech - превратить машины в киберфизические системы.
5.2 Решения iFactory (Уровень 2)
В среде Промышленности 4.0 все машины и оборудование подключены к сети и постоянно обеспечивают информацию о состоянии машины в системе управления технологическим процессом. Таким образом, система может выполнить немедленный анализ и быстро предпринять необходимые действия. Кроме того, эта информация может быть интегрирована в крупные корпоративные системы, такие как Системы производственных процессов (MES) и Система планирования ресурсов предприятия (ERP).
Чтобы достичь вышеупомянутых целей, Advantech предоставляет решения, позволяющие полностью подключить iFactory к сети. Advantech’s WebAccess Integrated IoT Software Suite и Solution Platform могут подключать машины, роботов и оборудование к заводской сети и интегрироваться с такими системами, как MES и ERP.
5.3 Интернет услуг (Уровень 3)
Сектор услуг стал одним из крупнейших и быстрорастущих секторов бизнеса в мире. Услуги должны стать более широкими и доступными, а также повысить производительность. Это новое видение, предоставляемых через Интернет, услуг следующего поколения называется Интернетом Услуг. Здесь инновационные технологические разработки обеспечивают новые каналы доставки услуг и совершенно новые бизнес-модели. Создание этих сервисов обеспечивается открытыми платформами и строением интерфейсов.
Статус заводского оборудования и производственной информации можно беспрерывно создавать с помощью полного анализа данных и развития интернет-услуг. Бесконечный поток информации - отличный источник для разработки новых приложений и творческих услуг. Например, традиционное обслуживание машин зависит от человеческого суждения, которое зачастую субъективно и не очень точно. При полном анализе данных, таком как вибрация подшипников станка, мы можем сконфигурировать модель возникновения сбоя и, следовательно, разработать прогностическую систему обслуживания. Таким образом, действие техобслуживания может быть выполнено в нерабочее время и это не повлияет на регулярную работу, а также будет улучшена эффективность. Другие услуги включают сериализацию продукта, производственное исполнение или массовую настройку.
5.4 Инновация бизнес-модели для Промышленности 4.0
Для развития различных вертикальных рынков, Advantech интенсивно продвигает программу WebAccess+ IoT Solution Alliance. WebAccess+ - интегрированная платформа IoT Software Suite & Solution Platform, которая является основной программной платформой решений Интернета вещей. Будучи поставщиком оборудования, Advantech разработала эту открытую программную платформу для поддержки партнеров - системных интеграторов, для внедрения различных приложений. Платформа объединяет интеллектуальное программное обеспечение HMI/SCADA, программное обеспечение для управления удаленными устройствами, интеллектуальное видеопрограммное обеспечение и соединяет промышленную облачную платформу, а также анализирует и управляет большими объемами видео и голосовых данных. Таким образом, платформа обеспечивает критически важную информацию в любое время и в любом месте для решений промышленных клиентов по управлению, эффективно реализуя видение Промышленности 4.0.
6. WebAccess (Обзор)
WebAccess+ Integrated Software Suite и Solution Platform - это интегрированная платформа IoT Software Suite&Solution Platform, которая является ядром интернет-решений Advantech или решений Интернета вещей. Она объединяет четыре пакета программного обеспечения WebAccess/SCADA, WebAccess/NMS, WebAccess+IVS и WebAccess+IMM в одном наборе.
WebAccess/SCADA является ядром всех решений Advantech IoT. Это 100% интеллектуальное веб-программное обеспечение HMI/SCADA с мощными сетевыми возможностями и открытым строением для универсальной вертикальной реализации приложений. В качестве основных функций он может поддерживать удалённую аналитическую службу данных или панель управления бизнес-аналитикой кросс-браузера, легко подключается к различным устройствам IoT и управляет ими, поддерживает протоколы и более 200 драйверов устройств, что делает его гибким и подходящим для любого проекта автоматизации. Для сбора данных, анализа и отображения наибольшее преимущество имеет WebAccess/SCADA - это панель инструментов Business Intelligence, основанная на HTML5. Пользователи могут настраивать панель управления, перетаскивая встроенную библиотеку виджетов.
WebAccess/NMS - это Программное обеспечение для управления сетью, т.е. предназначенное для управления и мониторинга сетей промышленных устройств. Он включает в себя различные расширенные функции управления сетью, такие как визуальное управление, поддержка кольцевой топологии, иерархическое строение, автоматически сгенерированные топологии и интеграция карты Google. Эти функции могут обеспечить более удобный для пользователя опыт управления, помимо общего управления сетью. Если системы управления не могут создать правильную топологию для пользователей, они должны последовательно подключать соединение от устройства к устройству. WebAccess/NMS может автоматически генерировать топологию, которая может помочь избежать сложной работы, необходимой для ручного подключения устройств. WebAccess/NMS на 100% использует веб-дизайн. Пользователи могут просто установить NMS на одном сервере ПК и управлять всей глобальной сетью, они также могут получить доступ к NMS, используя браузер на планшете.
WebAccess+IVS - это интеллектуальное программное обеспечение для видео: предлагает платформу интеллектуального видеопрограммного обеспечения, которая может поддерживать мониторинг в режиме реального времени, гибкие планы действий, несколько режимов резервного копирования, быстрый журнал поиска событий, мощный мониторинг браузера IE и многое другое. WebAccess+IVS поставляется с различными модулями интеллектуальной видеоаналитики (IVA), такими как распознавание лиц, подсчет людей, обнаружение движения, время ожидания и многое другое. Используя этот модульный SDK (Комплект для разработки программного обеспечения), системные интеграторы могут легко внедрить WebAccess+IVS в свою центральную систему управления и прикладное программное обеспечение. Это может применяться к различным сценариям приложений, которые помогают администраторам или менеджерам повысить операционную производительность и понять рыночную тенденцию с помощью бизнес-аналитики.
WebAccess+IMM - это интеллектуальная платформа для управления цифровыми указателями. Она обладает структурой сервер-клиента, где пользователи могут размещать, составлять и высылать контент в Интернет на 500 дисплеев. Она поддерживает более 30 типов форм мультимедиа и относится к различным отраслям промышленности и вертикальным рыночным приложениям.
Хотя Промышленность 4.0 все еще находится на начальном этапе, Advantech полагает, что быстрые темпы технологического развития вскоре приведут ее к поворотной точке, где текущий ландшафт производства и других отраслей промышленности будет радикально изменен. Advantech посвящает себя ускорению перехода парадигмы и реализации видения Промышленности 4.0 для будущего мира.