Промышленный интернет вещей доклад

Обновлено: 02.07.2024

Промышленный интернет вещей ( II oT) — это комплекс совместно подключенных через всемирную сеть индустриальных компьютеров, которые применяются в различных подразделениях промпредприятия для контроля и сбора информации о производимом процессе при помощи программного обеспечения и встроенных датчиков. Подобные компьютеры способны обмениваться требуемой информацией между собой без участия людей, однако людям открыт удаленный доступ и контроль этих компьютеров.

Промышленный интернет вещей: процесс работы

На ключевых точках работающего промпредприятия устанавливаются различные контролирующие элементы: датчики, механизмы, контроллеры, видеокамеры, и др., в общем , то, что поможет собрать объективные сведения о работоспособности и изготовлении продукции предприятия.
Проводится сбор и анализ полученной информации в производственных компьютерах.
Потом проанализированная информация отправляется в нужные подразделения организации или в контролирующие органы.

предотвратить простой станков и механизмов компании;
предсказать поломку дорогостоящего оборудования;
сократить внеплановое техническое обслуживание;
предотвратить сбои при изготовлении продукции;
наладить эффективную работу организации, а также взаимодействие между его подразделениями и контролирующими органами;
и др.

Примерно на 11% увеличивается эффективное использование производственных ресурсов, потому что уменьшается количество внеплановых простоев оборудования.
Примерно на 12% снижаются затраты на те хо бслуживание индустриальных ресурсов за счет возможности прогнозировать их поломки заранее и выявлять их неэффективное использование.
Общая производительность предприятий возрастает на 10% за счет качественного мониторинга всех производственных процессов: энергоэффективности, эксплуатации оборудования и др.

Промышленный интернет вещей и экономика

Промышленный интернет вещей: преимущества для экономики

Открытость данных. Применение описываемого технологического подхода открыло доступ к сведениям, которые раньше были закрыты ( к информации о технологическом процессе ) , для всех участников индустриального цикла. Поэтому возникают новые идеи о модернизации этого самого цикла в том или ином контексте, возникают новые услуги и бизнес-модели и др.
Экономика совместного пользования. Увеличивается эффективность и производительность предприятий из-за изменения политики использования уже имеющихся оборудования и технологий производства путем простого изменения способа контролировать и управлять ими.
Минимальная цена продукта. За счет модернизации и оптимизации производственного процесса и контроля на этапах создания продукта в онлайн - режиме снижаются риски и себестоимость продукта. А это значит, что для заказчика конечная продукция будет стоить дешевле.
Доступность малому и среднему бизнесу. Промышленный интернет вещей дает возможность арендовать только часть рабочих технологий или только отдельный их функционал, следовательно , это дешевле, чем полная аренда, а значит , открывает доступ к производственным мощам больших промпредприятий малому и среднему бизнесу.
Автоматическое принятие решений. Технологии будут только усложняться, а взаимодействие между отдельными частями экономики и производствами буд е т только расти, объем получаемых сведений будет только увеличиваться. Поэтому качественный анализ и автоматическое принятие решений по его результатам — это залог быстрого и эффективного взаимодействия между экономическими объектами.

Отрасли экономики, где может применяться промышленный интернет вещей

когда компания выпускает широкий ассортимент продукции и комплектующих к ней;
высокий процент производственного брака при невысоком качестве продукции;
есть необходимость обеспечивать обслуживание уже выпущенной продукции;
нужно снизить нагрузку на ресурсы предприятия, не уменьшая производства;
очень энергоемкое производство и нужно уменьшить этот показатель;
сложный производственный цикл;
частые незапланированные остановки оборудования из-за неисправностей, которые нужно диагностировать заранее, чтобы этого не допускать;
нужно увеличить производительность работников предприятия;
необходимо обеспечить более высокую безопасность работникам предприятия;
нужно интегрировать широкий спектр дополнительных условий производства;
и др.

Заключение

Мы будем очень благодарны

если под понравившемся материалом Вы нажмёте одну из кнопок социальных сетей и поделитесь с друзьями.

В статье авторы пытаются описать преимущества и проблемы от внедрения промышленного интернета вещей.

Ключевые слова: промышленный интернет вещей, интернет вещей.

Одним из главных трендов развития промышленной автоматизации является промышленный интернет вещей (IIoT).

Оснащение производственных линий устройствами, входящими в промышленный интернет вещей, может позволить компаниям отслеживать устройств, что предоставляет легкий доступ к отслеживанию используемых на производстве материалов и предиктивному техническому обслуживанию.

Некоторые из возможных применений для IIoT, указанные консорциумом промышленного интернета вещей:

Предиктивное и удаленное техническое обслуживание
Системы измерения и дозировки
Промышленные системы безопасности
Мониторинг производственных линий
Объединенные логистические системы

В 2015 году, сотрудниками компании Morgan Stanley был проведен опрос 200 руководителей, занимающихся автоматизацией производства.

Рис. 1. Относительная важность преимуществ от внедрения IIoT [1]

Согласно этому опросу, наиболее важными бизнес-стимулами для внедрения IIoT считаются повышение оперативной эффективности и продуктивности.

Благодаря мобильной связи, промышленный интернет вещей может радикально изменить производственные процессы для работников производства. К примеру, техникам не придется выезжать на осмотр оборудования после его поломки, а менеджеры смогут получить более полное представление о текущих процессах производства, через мобильные устройства.

Рис. 2. Относительная важность проблем, связанных с внедрением IIoT [1]

Обеспокоенность безопасностью данных характерна для почти что каждого бизнеса, однако это в особенности касается бизнесов, полагающихся на всеобщее подключение устройств на производстве. Производители переживают из-за возможных уязвимостей IIoT, что отражено в ещё одном опросе руководителей бизнесов. Кибербезопасность в промышленном интернете вещей потребует использования индивидуальных решений, помимо стандартных файерволов. Строгие системы управления учетными записями и многоэтапная аутентификация, а также безопасность используемых приложений могут стать гарантией безопасности IIoT.

Введение

Предпосылки и текущие исследования IoT

Рис. 1. Технологии, связанные с IoT

Рис. 2. Связанные с IoT технологии и их влияние на новые информационно-коммуникационные технологии (ИКТ) и на корпоративные системы

Рис. 3. Сервис-ориентированная архитектура для IoT

Уровень зондирования

Сетевой уровень

Сервисный уровень

Интерфейсный уровень

Ключевые технологии

Технологии идентификации и отслеживания

Технологии идентификации и отслеживания, применяемые в IoT, включают системы RFID, штрихкоды и интеллектуальные датчики. Простая RFID-система состоит из RFID-считывателя и RFID-метки. Благодаря способности этой системы к выявлению и отслеживанию устройств и физических объектов она все чаще используется в промышленных отраслях, таких как логистика, управление цепями поставок, служба мониторинга здоровья [6, 43]. Другое преимущество системы RFID заключается в предоставлении точной информации в режиме реального времени о подключенных устройствах, что позволяет сократить затраты на рабочую силу, упростить бизнес-процессы, повысить точность информации об оборудовании и в итоге улучшить общую экономическую эффективность.

На данный момент развитие технологий RFID фокусируется на следующих аспектах [6, 7, 8, 43]: 1) активные RFID-системы с расширенным спектром передачи; 2) технология управления RFID-приложениями [7, 8].

Коммуникационные технологии в IoT

Сети для IoT

Управление сервисами в IoT

Ключевые приложения IoT в промышленности

Использование IoT в горном производстве

Обеспечение безопасности на шахтах является большой проблемой для многих стран в связи с условиями труда на подземных рудниках. В целях предотвращения и уменьшения количества несчастных случаев необходимо использовать технологии IoT, которые смогут принимать аварийные сигналы из шахты [53]. С помощью RFID, Wi-Fi и других технологий и устройств беспроводной связи, обеспечивающих эффективное взаимодействие между наземным и подземным пространствами, горнодобывающие компании смогут отслеживать местоположение шахтеров и анализировать критически важные данные по безопасности, полученные от датчиков. Еще одним полезным приложением являются химические и биологические сенсоры, применяемые для диагностики и раннего определения заболеваний у шахтеров, что особенно важно, поскольку они работают в опасных условиях. Эти сенсоры можно использовать для получения биологической информации о состоянии человеческого тела и органов, для выявления опасной пыли, вредных газов и других факторов окружающей среды, которые могут стать причиной несчастных случаев. Проблема использования всех этих технологий заключается в том, что беспроводным устройствам нужна энергия, которая потенциально может привести к взрыву газа в шахте. Таким образом, необходимы дополнительные исследования характеристик безопасности IoT-устройств, используемых в горнорудной промышленности.

Использование IoT в сфере здравоохранения [49]

Использование IoT в цепочках поставок пищевых продуктов [52]

Использование IoT в области транспорта и логистики

Использование IoT для пожаротушения

Исследовательские проблемы и будущие тенденции

Технические проблемы

Хотя уже было проведено немало исследований по технологиям IoT, остается еще достаточно технических проблем.

Стандартизация

Информационная безопасность и защита конфиденциальности

Направления исследований

Заключение

НЕМНОГО О КОНЦЕПЦИЯХ

Общепринятое определение, что же такое Промышленный интернет вещей, пока не сформировалось. В этом контексте следует отметить две инициативы, которые во многом определяют два подхода: европейский и американский (надеюсь, в скором времени будет выработан и наш, российский).

Что такое киберфизическая система

Классический пример киберфизической системы — инфраструктура Smart Grid, в которой данные, собираемые с разных узлов электросети, используются программными средствами управления для корректировки работы этих узлов с целью повышения надежности и эффективности.

Другой пример — подключенный автомобиль, состояние различных элементов которого постоянно контролируется как локально, самой системой управления, так и удаленно, например из сервисного центра. Различные события, скажем стирание тормозной колодки, приведут как к изменению настроек системы торможения, так и к формированию заказа на выпуск новых колодок для замены. Новые запчасти поступят на сервис, и одновременно владелец будет проинформирован о необходимости замены.

В этой статье мы сконцентрируемся на обсуждении инфраструктурной проблематики Промышленного интернета вещей в его европейском понимании — то есть на производственной сфере.

Помимо сенсоров, в микросхемы могут встраиваться и приводы, назначение которых — контроль за физическими объектами и управление ими. Такие интегрированные решения называют микроэлектромеханическими системами (МЭМС). Примерами подобных устройств, объединяющих в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты, являются акселерометры и гироскопы. Классические же примеры приводов — это моторы, перемещающие различные объекты; клапаны, открывающие и закрывающие каналы поступления жидкости или газа; электрические переключатели. Приводы обычно имеют механический, гидравлический, пневматический или электрический компонент для выполнения необходимых функций, а также электронный блок управления.

С проводами или без

Традиционно в промышленных сетях подавляющее большинство подключений были проводными. Однако в последнее время беспроводные технологии используются все шире. Чаще их применяют для некритичных приложений, таких как конфигурирование и мониторинг, передача дополнительных данных, поддержка приложений мобильных сотрудников.

Одной из трудноразрешимых проблем применения радиотехнологий является разделяемая среда передачи (использование общего частотного диапазона), что может привести к невозможности передачи данных, если все частотные каналы окажутся занятыми. Кроме того, радиосвязь подвержена негативному влиянию электромагнитных помех, которые в производственных цехах могут быть довольно существенными. Случайная потеря пакетов также достаточно типична для многих радиосистем. Если для офисных сетей это приемлемо, то для критически важных промышленных решений требуется передача данных без потерь.

За пределами локальной сети

Если говорить о беспроводных технологиях, на данный момент для подключения вещей к Интернету наиболее активно используются сети сотовой связи. Причем развитие последних в рамках организации 3GPP идет именно в направлении адаптации к потребностям IoT. В рамках разработки систем поколения 5G изменение структуры кадра позволит на порядок сократить задержку (по сравнению с системами LTE) — до 1 мс. Кроме того, специальные решения разрабатываются для низкоскоростного подключения большого числа устройств при увеличенной зоне покрытия.

Но, поскольку имеющиеся технологии сотовой связи создавались для обслуживания людей, а не вещей, они плохо адаптированы для IoT (высокая стоимость, проблемы с покрытием и пр.). Поэтому активно развиваются и альтернативные беспроводные технологии, в том числе для распределенных сетей с низким энергопотреблением (Low-power Wide-area Network, LPWAN), которые будут работать на частотах общего пользования.

Одна из технологий для LPWAN разработана французской компанией Sigfox, причем соответствующая сеть уже развернута по всей Франции — для чего, как утверждается, хватило 1200 базовых станций. В отличие от сетей GSM, решения на базе технологии Sigfox дешевле, потребляют гораздо меньше электроэнергии и работают на больших расстояниях.

Другой пример перспективной технологии для построения сетей LPWAN — LoRa, продвигаемая организацией LoRa Alliance. Радиус покрытия базовой станции LoRaWAN может достигать 90 км. В России развитием решений на базе LoRa и строительством соответствующей сети занимаются компании Starnet и Lace.

ЭВОЛЮЦИЯ АСУ ТП

Переход от классических АСУ ТП к Промышленному интернету вещей

Что изменится в этой структуре с реализацией концепции Industry 4.0? Нижний уровень (c датчиками, приводами и прочими исполнительными механизмами) сохранится, однако число устройств на этом уровне экспоненциально вырастет. Кроме того, что даже более важно, устройства этого уровня будут наделяться все большим интеллектом. Они станут частью киберфизических систем и будут способны автономно выполнять многие функции. Большинство же функций, которые в сегодняшних системах реализуются устройствами вышестоящих уровней, будут переноситься на высокопроизводительные серверы, которые будут располагаться в серверных кластерах, ЦОДах или облаках.

Технологии виртуализации — разделение реализуемых программным способом конкретных функций и оборудования, на котором они выполняются, — уже ставшие реальностью в мире ИТ, проникнут и в системы промышленной автоматизации. Преимущества новой структуры в том, что общее количество управляющих систем сократится, что упростит сам процесс управления. Кроме того, эффективность использования ресурсов повысится, а средств потребуется меньше.

Массовая реализация описанного выше подхода в системах промышленной автоматизации пока еще тормозится рядом нерешенных проблем. Большая их часть связана именно с сетевой инфраструктурой: низкой производительностью передачи данных, недостаточной надежностью, непредсказуемыми задержками между устройствами полевого уровня и обслуживающими их серверами. Однако на решение этих проблем брошены лучшие силы многих производителей, что внушает оптимизм.

ИНФРАСТРУКТУРА ДЛЯ IIOT

Адаптация традиционных сетевых решений к требованиям Промышленного интернета идет по нескольким направлениям. Одна из тенденций — упрощение кабельной системы. Типовые системы Gigabit Ethernet задействуют все четыре пары проводников медножильной СКС. Однако уже разработан стандарт Ethernet (1000Base-T1) для передачи гигабитного трафика по одной витой паре — правда, с некоторыми ограничениями по расстоянию. Системы Fast Ethernet также могут работать по одной паре (100Base-T1), причем при стандартной дальности.

Для многих применений в промышленности необходима гарантированная задержка при передаче данных. Причем такие гарантии могут потребоваться не только при связи объектов в пределах производственной зоны или предприятия, но и при взаимодействии с объектами вне предприятия. В настоящее время существует ряд протоколов реального времени, которые способны обеспечить жесткие гарантии по задержке в сети Ethernet. Но ни один из этих протоколов не является стандартом Ethernet.

Для работы в режиме реального времени могут использоваться различные технологии — например, протокол Precision Time Protocol (PTP), который обеспечивает синхронизацию часов, встроенных в сетевые устройства. Этот протокол уже активно применяется во многих сетях. Организация IEEE постоянно работает над совершенствованием PTP, в 2016 году должен быть принят стандарт уже на третью версию этого протокола. Достижению стабильной низкой задержки способствуют также повышение пропускной способности каналов связи и применение алгоритмов приоритизации трафика внутри коммутаторов. Очевидно, что чем более широкая полоса пропускания доступна, тем ниже вероятность того, что коммутатор блокирует тот или иной пакет.

За стандарт на Ethernet реального времени в рамках комитета IEEE 802.1 отвечает группа Time Sensitive Networking (TSN). Ее задача — стандартизация детерминированного варианта Ethernet, столь необходимого для многих промышленных применений. Вкратце технический концепт TSN можно изложить следующим образом:

Протокол резервирования пропускной способности отвечает за выделение необходимых ресурсов в сети.
Формирователи ресурсов Time-Aware Shaper внутри коммутаторов используют предопределенные временные слоты для контроля потока пакетов, который необходимо передавать в реальном времени.
Технология превентивного вытеснения (Frame Preemption) низкоприоритетных потоков обеспечивает гарантированную передачу пакетов с высоким приоритетом без задержек.

Работа над первыми стандартами TSN должна быть завершена в 2016 году.

С увеличением числа подключенных к сети устройств и повышением значимости ее бесперебойной работы кардинально меняются требования к ее администрированию и эксплуатации. До сих пор огромный объем связанных с сетями работ выполняется вручную. Проектирование сети, инсталляция оборудования, его конфигурирование, тестирование, мониторинг работы, техническое обслуживание, поиск и устранение неисправностей — все это требует огромных человеческих и финансовых ресурсов. В будущих сетях IoT доля ручного труда должна существенно сократиться. Это необходимо, в частности, потому, что при увеличении числа подключенных устройств в сотни и тысячи раз станет физически невозможно, например, настраивать каждое отдельное устройство.

Средства автоматического конфигурирования сетевого оборудования, управления сетью и пр. активно развиваются. Они не только экономят время и ресурсы, но и позволяют существенно снизить вероятность ошибок, связанных с человеческим фактором. Однако работы здесь еще непочатый край.

Ограниченный объем статьи не позволяет подробно рассмотреть все аспекты, связанные с развитием технологий для инфраструктуры Промышленного интернета. Отмечу, что ключевое значение имеют вопросы обеспечения безопасности таких решений. Отказоустойчивость сетей — также чрезвычайно важный аспект. Жесткие условия эксплуатации повышают вероятность повреждения тех или иных элементов сетевых структур, при этом последствия простоя промышленной сети могут иметь огромный негативный эффект. В некоторых случаях такой простой вообще недопустим, потому что может привести к катастрофам и массовой гибели людей. На данный момент существует немало механизмов, обеспечивающих горячее резервирование сетевых элементов и гарантирующих продолжение работы даже в случае повреждения части узлов и каналов связи. Такие механизмы активно развиваются и должны обязательно использоваться в промышленных сетях.

БЫЛИ БЫ ДЕНЬГИ…

На какой стадии своего развития сегодня находится Промышленный интернет вещей? Безусловно, он уже существует в той или иной мере — в виде систем автоматизации производства. На многих предприятиях множество устройств подключены к сетям промышленных зон, взаимодействие между вещами осуществляется и на дальних расстояниях. Но это только начало. Как уже говорилось, с увеличением количества подключенных устройств, реализацией киберфизических систем Промышленный интернет вещей выйдет на новый уровень

Читайте также: