Инструменты цифровой трансформации производства

Примерно каждое десятилетие мир переживает технологическую революцию. Девяностые годы прошлого века были десятилетием персональных компьютеров и домашнего Интернета. Двухтысячные принесли нам потоковый широкополосный доступ, виртуализацию и облачные сервисы. Нынешнее десятилетие ознаменовалось бурным развитием технологий Интернета вещей (IoT), искусственного интеллекта (ИИ, AI) и машинного обучения (ML). Эти технологии обеспечили более умную, быструю, продуктивную и гибкую промышленную автоматизацию четвёртого поколения, которую сегодня принято называть Индустрией 4.0. Теперь преимущества зрелых решений Индустрии 4.0 очевидны каждому. Тенденции к визуализации и анализу больших данных, производственные линии, легко адаптируемые для изготовления мелкосерийных и даже штучных продуктов, создание промышленных экосистем и тесное партнёрское взаимодействие – всё это в корне преобразует производство и сам стиль ведения бизнеса. Хотя Индустрия 4.0 является очень разноплановым понятием, в нём есть некоторая общая для современного промышленного производителя концепция. Этот четвёртый этап промышленной революции предлагает обширное применение беспроводных цифровых коммуникационных технологий, робототехники и систем автоматизации. В результате массового внедрения системы ИИ и облачные сервисы будут генерировать огромное количество ценных данных, предназначенных для обработки и критического анализа с целью оптимизации эффективности производственных процессов. Эти технологии смогут автоматизировать и визуализировать работу целых производственных линий, что позволит управлять машинами, принимая интеллектуальные решения, устраняющие влияние человеческого фактора, и в итоге обеспечит более качественные и дешёвые продукты.
Беспроводные технологии в IoT предполагают, что оборудование, датчики и «вещи» должны быть связаны со средой предоставления облачных услуг, контролирующей процессы и осуществляющей сбор данных для визуализации, мониторинга и управления.
Со стремительной оцифровкой всех необходимых производству активов количество подключённых устройств увеличивается экспоненциально, поэтому многие производители в попытке использования 4G для интеграции и взаимосвязи всего заводского оборудования в единое умное производственное решение уже сталкиваются с существенными ограничениями этой технологии. Пятое поколение беспроводных мобильных коммуникационных технологий (5G) будет иметь большое влияние на то, как и какие информационные услуги будут предоставляться. Благодаря высокой скорости передачи данных, снижению задержек, экономии энергии, увеличению пропускной способности системы 5G станут решением многих коммуникационных проблем и катализатором дальнейшего развития концепции Индустрии 4.0.
Но в практической плоскости основным препятствием для большинства желающих приобщиться к Индустрии 4.0 производителей сегодня является проектирование технологически развитой инфраструктуры, в которую бы вписались дорогие, но зачастую устаревшие производственные системы. Изменения в соответствии с концепцией IoT требуют полностью подключённых к информационной среде систем, которые смогут «говорить» с облаком непрерывно, с учётом того, что устаревшие системы зачастую ещё и фрагментированы из-за использования разнородного оборудования и несовместимых протоколов автоматизации. Но даже такие системы в идеале тоже должны стать частью стройной технологической цепочки.
О мощном инструменте, призванном эффективно решить обозначенную проблему, идёт речь в этой статье.

WISE-PaaS и SRP

По мере накопления опыта и компетенций компания Advantech переходит от роли поставщика оборудования к роли провайдера услуг, активно занимаясь созданием сфокусированных на различных предметных областях решений.
В этом стратегии Advantech нацелены на облегчение перехода клиентов компании в мир Индустрии 4.0. Как уже было сказано, наследие прошлого и вновь создаваемая инфраструктура зачастую плохо совместимы, поскольку используют разные протоколы, составляют разные экосистемы, ограничивающие возможности предприятия по быстрому переходу на новую облачную платформу.
Основной трудностью является обеспечение взаимосвязанности операционных (OT) и информационных (ИТ) технологий. Компания Advantech сосредоточилась на создании промышленного облачного решения и облачной платфор­мы для IIoT “WISE-PaaS” (PaaS – Platform as a Service), а также разработала пакеты готовых типовых решений SRP (Solution Ready Platform), объединяющих аппаратное и программное обеспечение в интегрированные промышленные приложения. Advantech предлагает SRP для различных заводов и производственных линий и обеспечивает клиентам концепцию Plug-and-Play на деле. Эти инструменты создают мультисервисную платформу для обеспечения проводных и беспроводных коммуникаций промышленной технологии с выделенным в облаке программным обеспечением, немедленно доступным при развёртывании.
Для облегчения задачи модернизации компания Advantech предложила три основных этапа трансформации корпоративных стратегий в рамках развития IoT и Индустрии 4.0. На первом этапе внедряются аппаратные платформы и терминальные продукты, реализуется задача сбора данных и пограничных вычислений. Внедрение облачной платформы WISE-PaaS IIoT и готовых решений на основе SRP составляет второй этап развития IoT. Заключительный же этап состоит в совместном с клиентом создании модели, интегрирующей приложения IoT клиента с приложениями его вертикальных отраслевых партнёров. При этом ключевым инструментом для развития SRP является облачная платформа WISE-PaaS.
Архитектурно место WISE-PaaS – между облаком и устройствами IoT, а сам продукт обеспечивает модульную операционную среду для системных интеграторов. Он не только гарантирует бесперебойную передачу информации с датчиков и удалённое управление устройствами, его открытые протоколы RESTful API/SDK устанавливают стандартизированное соединение и связь между всеми подсистемами. Интегрированное программное обеспечение и облачная платформа играют ключевую роль в разработке приложений IoT, анализе больших данных, дальнейшей оптимизации рабочего процесса и возможности расширения системы в будущем.

Функциональность

WISE-PaaS от Advantech предоставляет программное обеспечение и сервисы, составляющие промышленную облачную платформу IIoT. Платформа разрабатывалась как инструмент для системных интеграторов и производителей, позволяющий создавать собственные облачные бизнес-приложения на основе IoT на различных вертикальных рынках. Облачная платформа WISE-PaaS может быть оптимизирована для нужд производственных предприятий, логистики, защиты окружающей среды, энергетики, розничной торговли, медицины­­­ и многих других сфер деятельности. Она объединяет платформу как сервис (PaaS) и масштабируемую инфраструктуру как сервис (IaaS).
Платформа предоставляет множество промышленных облачных Интернет-сервисов, которые разработчики могут легко интегрировать для создания приложений для различных промышленных предприятий.
Помимо поддержки обширного перечня оборудования Advantech платформа WISE-PaaS интегрировала также и разнообразные программные сервисы, такие как WebAccess, WISE-PaaS/EdgeLink, WISE-PaaS/EdgeSense и WISE-PaaS/VideoSense. Собранные в облачную платформу IoT WISE-PaaS/EnSaaS данные позволяют партнёрам быстро разрабатывать решения SaaS (Software as a Service – программное обеспечение как услуга) и доменные решения для IoT (рис. 1).

Облачная платформа WISE-PaaS позволяет просто и безопасно подключать устройства, управлять ими и собирать большие данные IoT, а также обрабатывать и анализировать/визуализировать данные в режиме реального времени. Благодаря комплексному набору инструментов разработки WISE-PaaS значительно упрощает развёртывание решений IoT.
В составе комплексного решения имеется ПО WISE-Agent – среда разработки приложений для связи и обмена информацией между периферийными устройствами и облачной платформой WISE-PaaS. WISE-Agent предоставляет набор средств разработки WISE-Agent SDK, содержащий библиотеку базовых программных кодов для быстрого подключения устройств и приложений к управляющей ими облачной платформе WISE-PaaS.
За коммуникации с устройствами в системе отвечает служба подключений WISE-PaaS Connectivity, обеспечивающая безопасную и надёжную двустороннюю связь между облачными IoT-концентраторами, периферийными шлюзами и оконечными IoT-устройствами. Облачная платформа WISE-PaaS предоставляет разработчикам набор функций и приложений для создания надёжных решений по управлению как на стороне устройства, так и на уровне сервера. Используя встроенные в облачную платформу инструментальные панели и приложения, разработчики могут легко управлять, просматривать, конфигурировать, отслеживать и обнаруживать устройства IoT.
WISE-PaaS даёт разработчикам широкий набор промышленных сервисов для создания, тестирования и запуска приложений IIoT (рис. 2).

Кроме того, она поставляется с инструментами визуализации, с помощью которых специалисты могут визуально обрабатывать данные от устройств, подключённых к платформе, как в реальном времени, так и исторические. Один из таких инструментов позволяет управлять потоками данных, ускоряя визуальную разработку различных бизнес-логик.
В качестве основы для разработки облачной платформы WISE-PaaS выбрана технология, поддерживающая несколько облачных инфраструктур (публичные облака AliYun, Amazon Web Services, Azure, Google Cloud Platform и частное OpenStack). Таким образом, WISE-PaaS отличается гибкой масштабируемостью, многопользовательским режимом и высокой надёжностью, а также предоставляет разнообразные услуги баз данных, структуру для обучения и развёртывания модели AI, панель визуального управления и многоуровневую службу управления активами.
Устройства и источники данных, используемые в решениях IoT, могут варьироваться по типу от простых подключённых к сети датчиков до мощных автономных вычислительных устройств. Однако они бывают ограничены в возможностях обработки, ёмкости памяти, пропускной способности и в поддержке протоколов. Набор средств разработки WISE-Agent, написанный на языке программирования C и соответствующий стандарту ANSI C, преодолевает названные ограничения, позволяя компилировать кросс-операционные системы и кросс-платформенные клиентские приложения, обслуживающие все эти устройства. Лёгкое ядро WISE Core (рис. 3) передаёт данные соответственно функциональности устройства в приложения, используя протокол рукопожатия (Handshake), взаимодействующий с облачной платформой WISE-PaaS.

Это облегчает разработчикам интеграцию в платформы с ограниченными ресурсами.
Облачная платформа WISE-PaaS основана на технологиях Cloud Foundry (виртуализированная облачная среда). Cloud Foundry не привязывает пользователя к конкретному облачному провайдеру и не ограничивает его какой-либо программной средой или облачной инфраструктурой. Таким образом, продукт может работать в публичных и частных облаках, а также в VMWare, Azure, AWS, GCP, OpenStack и других облачных платформах. Cloud Foundry позволяет абстрагироваться от базовой инфраструктуры, необходимой для запуска облака, что даёт возможность специалистам сосредоточиться на создании облачных приложений. Благо-
даря широкому выбору сред разработки, среди которых Spring для Java, .NET, Ruby on Rails, Node.js, Grails, Scala on Lift, а также платформ от партнёров (таких как Python и PHP), Cloud Foundry значительно повышает универсальность WISE-PaaS в целом. WISE-PaaS поддерживает также MySQL, MongoDB, PostgreSQL, Redis, RabbitMQ и другие пользовательские сервисы.

Безопасность и конфиденциальность

Безопасность и конфиденциальность очень важны, поскольку приложения IoT в дополнение к обработке большого количества конфиденциальных данных (таких как данные о частных лицах и компаниях) способны контролировать устройства и могут оказывать влияние на окружающую среду. Следовательно, физическая среда сети должна быть защищена от злонамеренных атак. Облачная платформа WISE-PaaS защищает клиентов от угроз безопасности с помощью следующих мер:

• уменьшение всеми возможными способами количества общедоступных IP-адресов и внешних доступных портов для минимизации доступа извне к внутренним сетям;
• изоляция клиентских приложений и данных в контейнерах;
• шифрование соединений;
• предоставление услуг безопасности для приложений. Набор безопасных сервисов промышленных приложений создаётся через сервисы учётных записей и аутентификации пользователей (UAA);
• включение ролевого контроля доступа для реализации детального контроля над доступными для пользователей действиями, обеспечение доступа к авторизованным ресурсам в рамках полномочий пользователей;
• обеспечение безопасности двоичных ресурсов приложений в мультитенантных (разделяемых многими пользователями) средах;
• предотвращение исчерпания ресурсов из-за распределённых атак злоумышленников.

Сервисы для разработчиков

WISE-PaaS Alliance – партнёрская программа, запущенная Advantech с целью помощи партнёрам в решении проблем приложений IoT и вывода их продуктов на рынок (рис. 4).

В этой программе можно выделить четыре основных преимущества: разнообразие программных решений, готовая экосистема сотрудничества, маркетинг и привлечение внимания бизнеса к разработкам, комплексные услуги для разработчиков. С помощью доступных им сервисов партнёры могут унифицировать различные стандарты протоколов, что позволяет управлять данными, изображениями, устройствами и сетями, а также обеспечивает надёжность и масштабируемость устройств IoT и инфраструктуры данных. Ещё одной ключевой задачей является ускорение разработки приложений IoT. Программы альянса предоставляют комплексные услуги по разработке, включая необходимые инструменты, профессиональные консультации и службу технической поддержки, а также доступ к ресурсам форума разработчиков VIP IoT Developer Forum. Кроме того, участники программы используют маркетинговую платформу Advantech для повышения осведомлённости рынка о продукте, а также взаимодействуют с местными продавцами для получения информации о потенциальных клиентах и возможностях продвижения. Члены альянса WISE-PaaS могут воспользоваться и услугами обучения для быстрого начала работы с технологиями Индустрии 4.0. Системные интеграторы и разработчики программного обеспечения могут присоединиться к партнёрской программе для получения облачных программных решений в стиле IoT. В итоге участие в программе Advantech WISE-PaaS помогает партнёрам компании быстро развиваться и внедрять решения в концепции Индустрии 4.0.
В настоящее время во всём мире насчитывается уже около 150 членов программы WISE-PaaS, и Advantech прогнозирует ежегодное увеличение их числа примерно на 20 компаний. Сов-местное создание будущего Индустрии 4.0 оправданно, ведь, чтобы сдвинуть гору, нужна большая армия. Партнёры Advantech делятся друг с другом ресурсами и работают со специалистами рынка в поисках решений, которые принесли бы пользу для общего развития. Это настоящая модель коллективных инноваций, помогающая клиентам сэкономить деньги и одновременно оптимизировать своё производство.

WISE-PaaS для любых отраслей

Управление станками с ЧПУ

В последние годы металлообрабатывающая промышленность столкнулась с множеством проблем, и Китай здесь не является исключением. Эти проблемы включают в себя отсутствие стандартизированных коммуникационных интерфейсов, низкий уровень интеллекта существующего оборудования и невысокий уровень информатизации существующих систем. Компания YCM (Yeong Chin Machinery Industries Co. Ltd.^®) обладает более чем шестидесятилетним опытом работы в области производства инструментов (рис. 5).

Однако с появлением концепции Индустрии 4.0 и новых тенденций в IoT даже такие лидеры рынка, как YCM, сталкиваются с огромными проблемами в модернизации производства с использованием оцифрованной информации и визуализированных данных. Слишком быстрые рыночные изменения, конкуренция, ограниченные ресурсы и слабая устойчивость, медленный рост, нехватка рабочей силы – вопросы, требующие решения в металлообрабатывающей промышленности. Advantech имеет богатый опыт работы в промышленной автоматизации в различных отраслях, включая обработку металлов. Компания более 35 лет обеспечивает клиентов по всему миру интеллектуальными платформами. Ком­пания YCM обратилась к Advantech и внедрила готовый пакет на основе машинного интеллекта по управлению станками с ЧПУ (M2I/CNC SRP). Данное решение позволило упростить производство путём быстрого обновления устаревших систем. Благодаря использованию SRP M2I/CNC от Advantech компания YCM получила возможность интеграции облачных функций IoT напрямую с контроллерами ЧПУ, что облегчило сбор данных от станков через облачную платформу WISE-PaaS. Подписавшись на облачный сервис M2I/CNC на площадке Advantech WISE-PaaS, YCM смогла легко контролировать в веб-интерфейсе общую эффективность оборудования (OEE), производительность и историю событий каждого станка с ЧПУ. Облачное решение позволило организовать сбор данных и управление в режиме реального времени без необходимости организации выделенной серверной. Теперь критические и некритические события легко идентифицируются, что сводит к минимуму время простоя системы и помогает планировать профилактическое обслуживание. В итоге SRP M2I/CNC от Advantech сокращает эксплуатационные расходы за счёт быстрого развёртывания SRP-решения.

Управление активами предприятия

В условиях растущей конкуренции на мировом рынке крупные производители автозапчастей заинтересованы в максимальной эффективности работы производственных линий. Однако процессы на этих линиях очень сложны и зависят от непрерывной координации сложной цепи роботизированных манипуляторов, датчиков и других инструментов. Построение системы автоматизации на основе существующей инфраструктуры в этой отрасли требует высокого уровня знаний и понимания соответствующих технологий. Недавно итальянский производитель коробок передач, двигателей, трансмиссий и крепежа решил разработать общефирменную программу оптимизации, направленную на повышение качества управления активами и снижение энергопотребления существующего оборудования и инфраструктуры за счёт улучшения мониторинга состояния и оптимизации работы (рис. 6).

Проектом занялся партнёр Advantech в Италии – компания Net Surfing Srl. Важнейшим требованием заказчика было обеспечение поддержки ряда имеющегося у него оборудования и машин. Таким образом, никакое существующее технологическое оборудование не должно быть заменено. Кроме того, система должна быть удобной, с точки зрения операторов, с интуитивно понятной приборной панелью, доступной на ряде устройств, включая смартфоны и планшеты. Клиент начал программу оптимизации с расстановки на печах и компрессорах высокотехнологичных датчиков, облегчающих анализ потребления энергии. Но с целью планирования профилактического обслуживания и улучшения энергосбережения потребовалось получить производственные данные и от другого оборудования, такого как ПЛК и различные датчики и счётчики расхода ресурсов. Основой для решения послужила WebAccess/SCADA от Advan­tech в сочетании с платформой Infor EAM (Enterprise Asset Management – система управления активами предприятия). WebAccess/SCADA обеспечивает мониторинг на основе веб-браузера и используется для диспетчерского управления и сбора данных. Программное обеспечение облегчает интеллектуальную аналитику через удобную для пользователя панель инструментов на основе HTML5. С помощью виджетов пользователи могут быстро и легко создавать настраиваемые информационные страницы с аналитическими диаграммами. Открытый интерфейс Web­Access/SCADA делает возможным интеграцию в систему всего оборудования, что позволяет реализовать мониторинг энергопотребления и сбор производственных данных от каждой единицы оборудования, включая параметры работы компрессорной станции и системы охлаждения, насосов, данные о расходе электроэнергии и т.д. В итоге вся критическая информация с завода клиента наконец стала доступна и визуализирована в едином интуитивно понятном интерфейсе. На практике благодаря этому компания смогла добиться существенной экономии энергии и менее болезненно осуществлять регулярные остановки производства каждые 6 месяцев для планового технического обслуживания и ремонта. Кроме того, сервисная служба получила необходимую статистику для заблаговременного планирования замены изношенных деталей, тем самым предотвращаются дорогостоящие незапланированные простои производственной линии. В итоге общая производительность компании повысилась на 4–5% без замены существующего оборудования.
Таким образом, внедрённая система обеспечила отличный возврат инвестиций: на самом деле система оказалась настолько эффективной, что, по расчётам, окупит себя в течение всего одного года.

Производство потребительской электроники

Чтобы повысить эффективность управления производством на основе продвижения решений Индустрии 4.0 в секторе потребительской электроники Турции, компания Sistek совместно с Advantech разработала подходящее интеграционное решение MES. Системы управления производством (MES) автоматизируют и документируют процессы отслеживания сырья и преобразования его в готовую продукцию. Сектор потребительских товаров длительного пользования в Турции является одним из крупнейших на европейском рынке и занимает второе место в мире по производству бытовой техники (рис. 7).

Это обусловлено тем, что страна находится на границе Европы и Азии и имеет тесные связи с Европой, что делает Турцию центром производства и распределения потребительской электроники. В настоящее время местные производители стремятся модернизировать свои технологические и производственные мощности. Эффективная система MES должна иметь прямое подключение к различным системам на операционном уровне, поэтому для повышения конкурентоспособности будущего решения компания Sistek привлекла к работе партнёров Advantech в секторе товаров длительного пользования на турецком рынке.
С развитием новых промышленных технологий и тенденций в IoT цифровое преобразование производства стало основной стратегией получения конкурентного преимущества. Sistek, один из ведущих системных интеграторов в Турции, разделяет подходы Advantech к реализации концепции Индустрии 4.0. Обладающая более чем 25-летним опытом компания Sistek является центром разработки решений для интеграции аппаратного и программного обеспечения, облачных вычислений, машинного обучения, сбора и анализа данных. Компания отдаёт приоритет работе с данными, чтобы не только удовлетворить эксплуатационные потребности клиентов, но и преобразовать доступную производственную информацию в форму, открывающую путь для получения дополнительных преимуществ.
Для облегчения сбора данных с ПЛК, расположенных на четырёх производственных линиях одного из своих клиентов – производителей потребительских товаров, Sistek решила использовать программную платформу Advantech WebAccess/SCADA. На новом заводе по производству умной электроники, производственная мощность которого составляет 3,2 млн телевизоров в год, компания имеет более 80 конвейерных линий. Благодаря выбору WebAccess/SCADA процесс пусконаладки упростился. Сильная техническая поддержка со стороны Advantech и положительный опыт сотрудничества с компанией многих других заказчиков также явились серьёзными аргументами в пользу выбора программно-аппаратной платформы. ПО WebAccess/SCADA использовалось в качестве базового программного обеспечения для этого приложения, предоставляя открытые интерфейсы для разработки приложений IoT, подходящих для различных вертикальных рынков. Оно выступает также в качестве шлюза для сбора данных с различного полевого оборудования и передачи их в облако или сторонние приложения через SignalR, RESTful API, C# API и т.д. В этом решении WebAccess/SCADA получает данные с ПЛК SIEMENS, управляющих производственными линиями, а программное обеспечение Sistek MES собирает данные производственной линии через RESTful API с поддержкой WebAccess. Таким образом, производственные данные и информация ERP/SAP были успешно объединены. После этого заказчик смог отслеживать показатели конверсии с помощью ERP и быстро принимать меры для повышения эффективности своего производства. Благодаря такой синергии в цепочке создания добавочной стоимости, объединившей продукты Sistek и Advantech, внедряющие это решение предприятия сектора потребительских товаров продолжат рост, станут умнее и эффективнее.

Заключение

Итак, компания Advantech приняла и продвигает модель коллективного создания и глобального развёртывания систем автоматизации в рамках экосистемы Индустрии 4.0. Идея модели состоит в том, чтобы привлекать в сообщество WISE-PaaS всё больше и больше партнёров для совместного создания промышленной экосистемы IoT, которая будет способствовать разработке типовых приложений, ориентированных на предметные области.
Успешный опыт реализации проектов свидетельствует о правильности выбранного пути. Работая вместе, стремящиеся к эффективности и успеху бизнеса компании на следующем этапе эволюции IoT получат несомненное преимущество. ● 

E-mail: textoed@gmail.com