что такое промышленный интернет вещей
Интернет вещей в промышленности: как работают «умные» заводы?
Цифровизация производства давно перестала быть запредельно дорогим новшеством: эксперты из «Сколково» отмечают, что сейчас она обходится в разы дешевле, чем пять лет назад. Мы собрали несколько интересных кейсов (в том числе из российской практики), которые показывают, что промышленный интернет вещей не только решает производственные проблемы с безопасностью, кражами и браком, но и позволяет существенно экономить на эксплуатации завода.
Еще поговорим о том, какими характеристиками должен обладать идеальный контроллер для завода, и как можно обеспечить его надежность, если речь идет об опасном производстве.
Кейс 1 — как за пару секунд собрать информацию о работе всего завода?
Представим, что на заводе работают 150 станков с ЧПУ. С каждого устройства придется собирать данные: сколько часов оно было в работе, какой объем продукта получили на выходе, что с процентом брака. Если обрабатывать всю информацию «по старинке» вручную и заносить в бумажный журнал, можно сойти с ума.
При этом информацию мало просто собрать: было бы неплохо сопоставить ее с предыдущими показателями, посмотреть, не простаивает ли какой-нибудь станок, выяснить, почему объект номер 5 постоянно ломается, а с объекта 125 за последний год выходит меньше всего продукции, хотя работает он по общему графику.
Можно, конечно, нанять целый штат таких «бумажных» сотрудников, которые будут вечерами составлять отчеты и прогнозы, а можно автоматизировать весь процесс: от начала – то есть от сбора информации о режиме работы каждого станка – до выведения точных результатов по любому интересному параметру (простои, часы работы, поломки). И такие данные можно запрашивать щелчком мышки хоть каждые 15 секунд.
Кстати, это решение используется на блоках 1 и 2 Смоленской АЭС — там внедрили систему eSOMS. Сотрудникам станции приходится совершать ежедневные обходы для проверки оборудования – на это уходит большая часть рабочего дня. Чтобы сократить процедуру, каждому специалисту выдали специальное устройство, которое просчитывает оптимальный маршрут для обхода.
Так, время полной проверки сократилось в 20 раз, а качество наблюдения, напротив, увеличилось. При этом полученные во время обхода данные мгновенно передавались в центральную информационную систему, которая их самостоятельно анализировала. Готовый отчет вместе с рекомендациями отправлялся операторам для принятия дальнейших решений. Экономический эффект от сокращения трудозатрат составил 45 млн рублей в год.
Кейс 2 — работа с неисправностями, воровством и браком
Американская компания General Electric производит и обслуживает газовые турбины. Чтобы не отправлять каждый раз своих специалистов на проверку оборудования к заказчику, они внедрили удаленное наблюдение. Для этого они разработали систему, которая собирает данные с датчиков и самостоятельно анализирует работу всех турбин. Так компания точно знает, когда оборудованию потребуется ремонт.
Совокупная выгода для предприятий, которые купили турбины General Electric, оценивается в 100 млрд долларов в год – и все благодаря отсутствию внеплановых восстановительных работ.
Часто заводы живут по принципу: сломалось – починили, работаем дальше. IIoT-технологии позволят уйти от ремонта по факту поломки к системе прогнозов неисправности (например, программа предупредит о том, что надо заменить определенные детали). И если станок номер 5 почему-то выходит из строя с завидной регулярностью, система учтет этот показатель и оповестит операторов. Останется только посмотреть, в чем проблема: может, оборудование неправильно эксплуатируют или завезли некачественное сырье.
Датчики точно определяют, во сколько началась работа на каждом станке и сколько деталей было произведено к концу смены — поэтому сотрудники не смогут использовать заводское оборудование в личных целях, это сразу будет видно в итоговой статистике по работе станка.
Эти же датчики помогут решить проблему брака. Они определят, какой сбой в настройках оборудования или неправильно подобранный материал стал причиной появления кривых деталей.
Российская компания ОДК-Сатурн с 2001 года поставляет газотурбинные двигатели для военных нужд и энергетики. В 2018 году они начали работать над цифровым двойником производственного цеха — виртуальной моделью, которая имитирует реальный производственный цикл. При его разработке учитывали параметры расположения всего оборудования, соотношение ручных и автоматизированных процессов, особенности цеха.
Таким сложным предприятиям, как ОДК-Сатурн, с экспериментами над улучшением производства особо не поиграться — слишком опасно и непредсказуемо. Но цифровой двойник позволяет протестировать любое нововведение, смоделировать сценарии и определить максимально точный эффект от внедрения. Решение позволяет контролировать и реальное производство: технология рассчитывает рабочий цикл, затраты и сопоставляет их с реальными данными.
Двойник должен постоянно подстраиваться под режим работы завода, только так можно создать точную копию реального производства. Для этого разработчики подключили все аппаратуру к сети: датчики и сенсоры обеспечивают связь между станками и цифровым двойником цеха.
Директор по экономике и финансам ПАО «ОДК-Сатурн» Павел Бехер отметил, что работа с цифровым двойником позволила ощутимо снизить себестоимость продукции завода.
Кейс 3 – вот бы завод еще был безопасным
На фабрике по изготовлению мороженного Langnese в Германии работают больше тысячи человек в одну смену. На производстве используют жидкий аммиак. Чтобы обезопасить сотрудников, на заводе установили датчики, реагирующие на уровень аммиака. Когда концентрация вещества в воздухе повышается, срабатывают аварийные сигналы, а все работники получают уведомления.
Микроклимат, уровень освещения и шума, концентрация вредных веществ – все эти показатели могут регулироваться с помощью системы датчиков на заводе любого типа.
Кстати, система безопасности помогает экономить. Например, на заводе в цехе А надо поддерживать низкую температуру, чтобы продлить срок работы оборудования. В цехе Б, напротив, температура должна быть выше нормы. А на этаже с рабочими кабинетами инженеров нужно обеспечить комфортные для сотрудников климатические условия.
С такой задачей столкнулся петербургский завод радиоэлектронной продукции «Технинжиниринг». Чтобы создать тепловое зонирование объекта, там установили 550 датчиков и устройств для удаленного контроля всех показателей. За четыре месяца работы IIoT-система позволила сэкономить на отоплении 48% средств, которые тратились на эксплуатацию здания.
О контроллере
Развернуть IIoT-решение на заводе без контроллера не получится, он ядро любой системы — центр первичной обработки информации. На него поступают данные с датчиков и дальше отправляются либо в «облако», либо на исполнительные устройства.
Так как Kauri занимается в том числе и разработкой IIoT-решений для заводов, мы сделали свой контроллер, который идеально подойдет для любого производства. Насколько нам известно, большинство контроллеров заточены под одну задачу (или под несколько задач, но в одной отрасли: контроллеры для топливных колонок, для домашней автоматизации в целом, для управления светом в частности, для учета электроэнергии в садоводства и так далее). Мы поставили перед собой задачу создать универсальный контроллер, который мог бы поддерживать все существующие модули связи. При этом иметь возможность не устанавливать те, которые не пригодятся заказчику, чтобы не переплачивать за ненужные функции. Мы создавали контроллер на базе процессора i.MX 8M Mini.
Контроллер должен поддерживать определённый тип связи, которая будет удобна для завода. Например, если это небольшое производство, и там достаточно отслеживать передвижение сотрудников, подойдет RFID. Без RFID-технологии в принципе сложно обойтись, так как она обеспечивает умную систему доступа и контроля. RFID-метки прикрепляют, например, на производимые детали, чтобы проконтролировать все перемещения по цеху в нужной последовательности.
Для большого завода может пригодиться модуль LoRa для сбора и передачи телеметрии со всей территории. Чтобы следить за движущимися объектами (например, за рабочей техникой), потребуется GPS/ГЛОНАСС модуль.
Отдельная тема — характеристики условий эксплуатации контроллера. Отталкиваемся от особенностей завода. Если мы будет устанавливать контроллер во влажную или пыльную среду, нужен IP66. Если контроллер будет работать под водой — IP68. В некоторых случаях может потребоваться дополнительная обработка платы контроллера, обеспечивающей высокую степень защиты от вибрации или механической ударной нагрузки.
Кстати, мы позаботились и о безопасной работе контроллера. Если по какой-то причине контроллер на АЭС выйдет из строя или начнет работать с ошибками, будет невесело. Поэтому мы предусмотрели возможность аппаратного дублирования контроллера — резервный контроллер, который в случае неисправностей возьмет на себя все задачи основного.
Как это произойдет? Основной контроллер «общается» с резервным с помощью двоичного кода. Например, раз в 20 мс отправляет определенную команду (условные 55 в двоичном коде). Если вдруг пришла измененная команда или не пришла вовсе, включится резервный контроллер.
Мы сделали контроллер класса надежности 99.99. Последняя девятка добавилась за счет аппаратного Watchdog timer — WDT (внешнее устройство с таймером). Контроллер должен обращаться к устройству, например, раз в секунду (подтверждение того, что процессор исправно работает). Если в следующую секунду контроллер завис и не обратился, WDT выполняет рестарт системы.
Ну и про удаленное обновление ПО мы тоже не забыли.
Что тормозит модернизацию заводов?
Эффекты от внедрения IIoT-решений очень даже ощутимы. Исследование Tadviser за 2018 год показало, что промышленный интернет вещей поможет увеличить объем производства на 70%, уровень безопасность — на 60%. При этом аналитика и прогнозы, составленные с помощью умных устройств, точнее обычных, собранных «вручную», практически в два раза.
Портал Tadviser в 2018 году оценивал уровень готовности заводов к использованию IIoT-технологий как начальный. На большинстве российских предприятий даже треть оборудования не охвачена датчиками промышленного интернета вещей. В рамках исследования портал также предложил владельцам российских заводов указать причину, по которым они не готовы внедрять комплексные IoT-решения. Основные аргументы «против» сводились к нежеланию тратить деньги на проект, неготовности персонала к новой технологии и непониманию денежной выгоды.
Что такое Интернет вещей и как он поможет предприятиям зарабатывать больше?
Мы находимся на пороге четвертой промышленной революции. В развитых и развивающихся странах, в каждом уголке планеты, наступит полная автоматизация производства.
Мы движемся вперед с невероятной скоростью. Десять лет назад было около 500 миллионов устройств, подключенных к сети. Сегодня их уже около 10-20 миллиардов.
Индустрия 4.0 приведет к ультраавтоматизации производственных процессов, увеличению производительности труда, экономическому росту и конкурентоспособности предприятий.
С развитием информационных технологий мир меняется кардинальным образом. Если раньше для мониторинга и получения информации с окружающих нас объектов требовалось несколько недель, десяток специалистов и финансовые вложения, то теперь достаточно одной платформы и пары «кликов» мышью.
IoT технологии открывают фантастические возможности для бизнеса и меняют саму природу продукта.
Что такое Интернет вещей?
Интернет вещей (Internet of Things, сокращенно IoT) – это концепция, по которой устройства объединяются в одну сеть и взаимодействуют друг с другом. Это помогает сделать устройства «умными»: они самостоятельно собирают информацию, обмениваются ею и принимают решения.
Следить за состоянием и управлять ими можно с компьютера или телефона. Интернет вещей применяется в производстве, сельском хозяйстве, медицине, городской среде и в быту.
Главные явления Интернета вещей:
«Если в двадцатом веке данные попадали в компьютер только от человека, использовавшего для их ввода дополнительные устройства, то в двадцать первом веке мы уже имеем дело с гаджетами, которые сами могут собирать и отправлять данные. В этом и состоит суть Интернета вещей. Данные собираются, обрабатываются и передаются устройствами без участия человека»
Кевин Эштон (Kevin Ashton) — изобретатель концепции и термина Интернет вещей (Internet of Things, IoT).
Главное отличие Интернета вещей от обычных автоматизированных систем управления (АСУ ТП) в количестве обрабатываемых данных. Сотни тысяч сигналов каждую секунду поступают на сервер и сразу же обрабатываются. Благодаря этому пользователь в режиме реального времени видит работу оборудования.
Обычная база данных SQL не справляется с таким объемом информации. Обработка занимает слишком много времени и данные теряют актуальность. Для технологии IoT используются нереляционные (NoSQL) базы данных. Они не агрегируют информацию, которая поступает от устройств, а хранят её в исходном виде, что позволяет накапливать терабайты сигналов за любой период времени. Так как данные не агрегированы, то можно сделать срез по любому параметру и применить новый алгоритм к историческим сигналам, что позволяет быстро и гибко работать с информацией.
С чего все началось?
Сама идея, что устройства могут обмениваться информацией друг с другом без участия человека, появилась еще в конце 70-х годов. Однако потребовалось 20 лет, чтобы подключить первое устройство к сети и еще 9 лет, чтобы сформулировать само определение Интернета вещей.
Ниже представлена инфографика с ключевыми моментами развития Интернета вещей.
Сегодня все формы коммуникаций сводятся либо к схеме человек – человек, либо человек – устройство. Технологии IoT предлагают «шагнуть» в будущие, в котором коммуникации представлены в форме машина – машина (M2M). Эта уникальная технология способна объединить окружающие нас физические объекты в единую систему, а эту систему в систему систем. Она дает возможность управлять объектами, получать с них информацию и предвидеть ошибки.
«IoT соединяет окружающие нас объекты в систему, а эту систему в систему систем. Они обмениваются информацией между собой и работают без вмешательства человека в режиме реального времени»
Интернет вещей дает организациям совершенно новые способы управления и мониторинга удаленно выполняемых операций. Он позволяет полностью контролировать удаленно расположенные объекты и постоянно передает информацию в хранилище данных.
Как работать с данными и управлять оборудованием?
«Профилактика – всегда дешевле ремонта»
Приятным бонусом будет наличие цифрового 3D-двойника. Это трёхмерная модель участков предприятия, которые подключены к IoT. Двойник наглядно демонстрирует работу устройств: их статусы и состояния, перемещения по участку.
В зависимости от платформы вход в систему осуществляется через специальное приложение или посредством веб-интерфейса. Второй вариант удобнее, так как позволяет работать с любого устройства, у которого есть браузер.
Интернет вещей в механическом производстве
Рассмотрим пользу от внедрения Интернета вещей на примере компании по производству автомобилей. Чтобы сделать кузов машины, нужно обработать металл, приварить детали друг к другу, покрасить всю конструкцию. В производстве работают фрезерные и токарные станки, сварочные автоматы и покрасочные камеры. Всего 100 единиц оборудования. Компания решила применить технологию Интернета вещей, чтобы улучшить производство. Всё оборудование подключили к единой сети предприятия, где каждые из 100 станков отправляет по 100 сигналов в секунду. Весь объём данных автоматически поступает на внутренний сервер компании. Доступ к этой информации предоставили начальнику цеха, инженеру-технологу и инженеру ремонтной службы.
Начальник цеха следит за работой оборудования через приложение в своём телефоне. Он видит, какой станок сейчас точит деталь, какой включен и просто стоит, а какой и вовсе выключен. Каждый час работы станка стоит 3500 рублей. Столько же денег теряет предприятие за каждый час простоя оборудования. Каждая деталь должна производиться по определенной технологии, на определенных режимах, иначе она может получиться с браком или ещё хуже — сломается станок. Таким образом, начальник цеха постоянно контролирует ход производства, находит узкие места и увеличивает эффективность работы.
Инженер-технолог также следит за производством из своего кабинета. Но его интересуют другие вещи: сколько времени изготавливается каждая деталь, как быстро расходуется инструмент. Он видит, что оборудование может работать эффективнее и производить больше деталей. Технолог даёт команду переписать управляющую программу, по которой работает станок. Теперь деталь обрабатывается на 30% быстрее, а значит станок будет изготавливать больше изделий.
Инженер ремонтной службы настроил себе оповещение. В случае аварии он получит сообщение и сможет оперативно решить проблему. Если причина поломки неизвестна, специалист изучит историю сигналов с оборудования и проведёт расследование аварии.
Интернет вещей в ближайшем будущем
По оценкам IndustryARC, к 2021 году оборот рынка Интернета вещей достигнет 123 миллиарда долларов. В условиях ужесточенной конкуренции все больше промышленных и производственных компаний начнут внедрять технологии Интернета вещей.
Идея Интернета вещей способна кардинально повлиять на развитие современного мира, поскольку позволит многим производственным процессам происходить без участия человека.
В ближайшем будущем Интернет вещей значительно трансформирует бизнес и даже целые отрасли. Эта система поможет решить целый ряд глобальных проблем современного производства.
Что такое IoT и что о нем следует знать
Интернет вещей (Internet of Things, IoT) — это множество физических объектов, подключенных к интернету и обменивающихся данными. Концепция IoT может существенно улучшить многие сферы нашей жизни и помочь нам в создании более удобного, умного и безопасного мира. Примеры Интернета вещей варьируются от носимых вещей, таких как умные часы, до умного дома, который умеет, например, контролировать и автоматически менять степень освещения и отопления. Также ярким примером служит так называемая концепция умного предприятия (Smart Factory), которое контролирует промышленное оборудование и ищет проблемные места, а затем перестраивается так, чтобы не допустить поломок. Интернет вещей занимает важное место в процессе цифровой трансформации в компаниях. Прогнозируется, что к 2030 году количество подключенных к сети устройств вырастет примерно до 24 млрд с годовой выручкой до 1,5 трлн долларов.
История происхождения
Термин «Интернет вещей» был впервые употреблен в 1999 году Кевином Эштоном, предпринимателем и соучредителем центра Auto-ID Labs (независимая сеть лабораторий и исследовательская группа в области сетевой радиочастотной идентификации и новых сенсорных технологий) при Массачусетском технологическом институте. Эштон состоял в команде, которая сумела изобрести способ подключения объектов к интернету с при помощи технологии RFID. RFID-метка — это метка идентификации, позволяющая идентифицировать объекты посредством радиосигналов; на нее можно нанести определенную информацию, а позднее считать устройством.
В 2012 году произошли значительные изменения датчиков, что привело к ускорению рыночной готовности IoT, и для многих компаний это означало, что цифровая трансформация набирает обороты. Технологическое совершенствование сделало возможным появление МЭМС — микроэлектромеханических систем (миниатюрное устройство, изготовленное методом микрообработки как из механических, так и из электрических компонентов). Благодаря этому датчики уменьшились настолько, что их стало возможно фиксировать, например, на одежде.
История развития IoT. Источник изображения: https://www.avsystem.com/blog/what-is-internet-of-things-explanation/
Из чего состоит IoT? Архитектура
Для простоты попробуем разбить стек технологий IoT на четыре технологических уровня и рассмотреть их раздельно.
Конечные устройства
Устройства — это объекты, которые фактически образуют «вещи» (Things) в Интернете вещей. Они играют роль интерфейса между реальным и цифровым мирами и принимают разные размеры, формы и уровни технологической сложности в зависимости от задачи, которую они выполняют в рамках конкретного развертывания IoT. Будь то микрофоны размером с булавочную головку или внушительного размера машины, практически любой материальный объект можно превратить в подключенное устройство путем добавления необходимых элементов (датчиков или приводов вместе с соответствующим программным обеспечением).
Программное обеспечение
Это то, благодаря чему подключенные устройства можно назвать «умными». Программное обеспечение отвечает за связь с облаком, сбор данных, интеграцию устройств и за анализ данных в реальном времени. Также оно предоставляет возможности для визуализации данных и взаимодействия с системой IoT.
Коммуникации
Уровень коммуникации включает в себя как решения для физического подключения (сотовая и спутниковая связь, LAN), так и специальные протоколы, используемые в различных средах IoT (ZigBee, Thread, Z-Wave, MQTT, LwM2M). Выбор подходящего коммуникационного решения — одна из жизненно важных частей при построении каждой IoT-системы. Выбранная технология будет определять не только способы отправки и получения данных из облака, но способы связи со сторонними устройствами.
Платформа
Устройства способны «ощущать», что происходит вокруг и сообщать об этом пользователю через определенный канал связи. IoT-платформа — это место, где все эти данные собираются, анализируются и передаются пользователю в удобной форме. Платформы могут быть установлены локально или в облаке. Выбор платформы зависит от требований конкретного проекта IoT и многих факторов: архитектура и стек технологий, надежность, параметры настройки, используемые протоколы, аппаратная независимость, безопасность, эффективность, стоимость.
Ниже можно рассмотреть подробнее составляющие трех уровней IoT: конечных устройств (вещей), сети, облака.
Типовая архитектура IoT-системы. Источник изображения: https://ru.rsdelivers.com/campaigns/InternetofThings/internet-of-things
Безопасность
Одновременно с тем фактом, что IoT-системы несут в себе значительную бизнес-ценность, интеллектуальные объекты также становятся уязвимы для киберпреступности, в результате которой может происходить утечка данных, в том числе и конфиденциальной информации. Несмотря на то, что поле работы с вопросом безопасности остается огромным, сейчас существуют решения, позволяющие осуществлять развертывание IoT более надежно. Например, для решения проблемы устаревания программного обеспечения устройств, есть возможности эффективных стратегий автоматическиого обновления.
Благодаря SOTA (Software Over the Air) «обновление по воздуху» и FOTA (Firmware Over the Air) — «прошивка по воздуху», программное обеспечение подключенных устройств и настройки можно обновлять с помощью беспроводной связи.
Примеры областей применения IoT
IoT применим в разных отраслях для различных целей: отслеживания потребительского поведения в режиме реального времени, улучшения качества работы машин и систем, нахождение инновационных методов работы в рамках цифровой трансформации и многое другое.
Розничная торговля
Среди примеров приложений IoT в сфере розничной торговли можно встретить множество случаев использования интеллектуальных устройств для повышения качества обслуживания в магазинах. В частности, различные приложения IoT здесь означают, что возможности использования смартфонов (на основе технологии Beacon — миниатюрных маячков) облегчают общение между розничными продавцами и покупателями, а наиболее востребованные товары и услуги появляются перед глазами клиентов в нужном месте. Кроме того, интеллектуальная розничная торговля открывает возможности для приложений IoT с точки зрения точной рекламы, улучшения цикла цепочки поставок и фактического анализа моделей спроса. Также приложения IoT уже включают приложения для платежей NFC и интеллектуальных покупок. И конечно, нельзя не упомянуть RFID-метки для маркировки товара, которые обеспечивают моментальный и точный сбор информации, что помогает непрерывно отслеживать перемещение товаров, упростить процесс инвентаризации и в целом сократить количество ошибок.
Источник изображения: https://www.pochta.ru/support/post-rules/rfid
Производство
Благодаря IoT производство может получать общую картину о процессах производства и состоянии продукта на всех этапах — от поставки сырья до отгрузки готового продукта.
С помощью датчиков, установленных на заводском оборудовании и в складских помещениях, анализа больших данных и прогностического моделирования (predictive modeling) можно предотвратить множество ошибок, ведущих к простою и убыткам, максимизировать производительность, уменьшить гарантийные расходы и в целом улучшить качество клиентского сервиса.
Здравоохранение
С помощью технологии IoMT (The Internet of Medical Things, Интернет медицинских вещей) в режиме реального времени происходит сбор потоков малых данных из медицинских сетевых и других носимых устройств, отслеживающих различные физиологические моменты, связанные со здоровьем пациентов — движения, динамика сна, сердечный ритм, аллергические реакции и прочее. Собранные данные помогают врачам в постановке точных диагнозов, построении плана лечения, повышают безопасность пациентов, упрощают уход за ними, дают возможность непрерывного мониторинга состояния тяжелобольных пациентов.
Применение Интернета вещей способствует созданию более персонализированного подхода к анализу состояния здоровья и более последовательных стратегий борьбы с болезнями.
Ключевые моменты в сфере здравоохранения, которые можно улучшить с помощью IoT. Источник изображения: https://evercare.ru/news/kak-internet-medicinskikh-veschey-vliyaet-na-zdravookhranenie
Энергетика
Здесь с помощью IoT конструкция электрических сетей меняет правила потребления, автоматически собирая данные и обеспечивая мгновенный анализ циркуляции электроэнергии. В результате этого и клиенты, и поставщики лучше понимают, как оптимизировать использование ресурса.
Заключение
Революция в области Интернета вещей представляется важной для развития бизнеса, и это может относиться к любому типу предприятия. Будь то выращивание устриц или создание системы управления движением, самое ценное в технологической концепции IoT — это то, что он открыт к новым вызовам, и в нем достаточно возможностей для реализации практически любой бизнес-идеи.
Прямо сейчас в OTUS открыт набор на курс «Разработчик IoT». Приглашаем на бесплатный вебинар, в рамках которого наши эксперты расскажут еще больше о том, что такое интернет вещей и где он применяется, а также о карьерных перспективах в данной сфере.