Быстро став чрезвычайно популярным, термин «Интернет вещей» (Internet of Things, IoT) породил различные «производные». Зачастую они предлагаются вместо терминов, существовавших многие годы, правда, при этом описываемые ими решения и процессы наполняются новыми содержанием и возможностями. Так, вместо ИЗ (интеллектуальное здание) все чаще встречается аббревиатура BIoT (Building Internet of Things) — «Интернет вещей в здании». А взамен АСУ ТП (автоматизированная система управления технологическим процессом) некоторые «филологи-технократы» предлагают термин IIoT (Industrial Internet of Things). На русский язык его можно перевести как «Промышленный интернет вещей» или просто «Промышленный интернет».

 

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).

Европейский подход базируется на родившейся в Германии концепции «Индустрия 4.0» (Industry 4.0), хотя во многих других европейских странах имеются свои похожие программы с другими названиями. Согласно Industry 4.0, мы, точнее европейская экономика, находимся на пороге четвертой промышленной революции. Первая революция (80-е годы XVIII века) была связана с механизацией производства благодаря изобретению паровых двигателей. С началом массового применения электроэнергии на заводах наступила вторая — индустриализация (начало XX века). Применение электроники для автоматизации производства привело к третьей промышленной революции — по сути, она вызвана внедрением систем АСУ ТП (50-е годы ХХ века). Собственно четвертая революция — «умные» предприятия — на самом деле является продолжением третьей. Ее знаковые моменты — внедрение киберфизических систем (см. врезку «Что такое киберфизическая система») и переход к персонализированному производству.

 

Что такое киберфизическая система

Имеется множество подробных определений киберфизических систем, но самое существенное в них — это наличие двусторонней связи между физическими процессами и управляющими программами (вычислительными средствами). Элементы такой системы могут находиться как рядом, например в одной производственной зоне, так и далеко друг от друга, а взаимодействие между ними — осуществляться на всех стадиях «жизненного цикла» (планирование, производство, эксплуатация, ремонт, утилизация). Сбор и анализ собираемой информации могут служить множеству целей: диагностика состояния, прогнозирование необходимости тех или иных изменений, автоматическая настройка, адаптация и пр.

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.

 

За океаном тоже задумываются о будущем промышленного производства. В 2014 году компании General Electric, AT&T, Cisco, IBM и Intel создали Консорциум Промышленного интернета (Industrial Internet Consortium, IIC), который сегодня насчитывает уже 170 членов. С точки зрения членов этого консорциума, Промышленный интернет выходит далеко за рамки производственных предприятий. В качестве примеров реализации этой концепции на официальном сайте IIC приводятся беспилотные автомобили, способные безопасно перемещаться к точке назначения без водителей; системы удаленного сбора различных медицинских показателей, позволяющие контролировать состояние пациентов врачом дистанционно; оборудованные «умными» датчиками системы водоснабжения, управления парковками и другие системы интеллектуального города. Таким образом, если концепция Industry 4.0 фокусируется на производственной сфере, то в сфере интересов Консорциума Промышленного интернета — не только собственно производство, но и медицина, транспорт, сельское хозяйство, коммунальные услуги и пр.

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

Промышленный интернет вещей. Готовы ли сети?

«ВЕЩИ» В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

В промышленном IoT основными разновидностями «вещей», которые надо подключать к сети, являются различные типы датчиков (сенсоров) и приводов. Эти устройства с одной стороны имеют интерфейс с коммуникационной сетью, а с другой — интерфейс, обеспечивающий физическое взаимодействие с процессом, который требуется отслеживать. Задача датчиков и сенсоров — сбор информации. Они могут фиксировать различные физические характеристики (температуру и влажность, давление и различные усилия, напряжение и силу тока, расход газа и уровень жидкости), присутствие различных веществ (химические и биосенсоры), а также физические события (например, изменение и перемещение объектов). Сенсоры все чаще интегрируются непосредственно в микросхемы.

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.

Коммуникационный интерфейс — совершенно необходимый компонент устройства IIoT. Это может быть проводной или беспроводной интерфейс. Основным кандидатом на универсальную технологию проводной связи является Ethernet. В случае беспроводного подключения это может быть Wi-Fi, а также множество других технологий (см. врезки «С проводами или без», «За пределами локальной сети» и таблицу). Но, независимо от того, какая технология используется на канальном и физическом уровнях, устройство должно непосредственно поддерживать протокол IP, чтобы интегрироваться в инфраструктуру IIoT. Кроме того, важнейшим условием использования устройства IIoT является наличие средств безопасности. IP — это открытый протокол, поэтому такие средства должны быть интегрированы в устройство изначально.

 

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.

Одним из направлений совершенствования радиотехнологий с целью их применения на производстве является разработка эффективных технологий защиты от статического электричества. Использование беспроводной сети с ячеистой топологией позволяет снизить задержку и время реконфигурации сети, а алгоритмов параллельной передачи — исключить потери пакетов. В сетях «умных» фабрик будущего беспроводные технологии будут использоваться достаточно широко, хотя основу, как и раньше, составят проводные решения.

 

За пределами локальной сети

Сети Промышленного интернета вещей по определению не могут быть ограничены периметром того или иного предприятия. Важное значение имеют взаимодействие с произведенным продуктом («вещью») на этапе его эксплуатации, а также доступ к облачным сервисам, которые могут быть реализованы в ЦОДах, разбросанных по всему миру. Поэтому территориально распределенная инфраструктура — ключевая характеристика Промышленного интернета.

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.

У нас в стране успешно развиваются сети LPWAN, построенные на основе российской же разработки — технологии «Стриж». Компания «Стриж» применяет свой собственный протокол, который, как утверждается, позволяет передавать данные на десятки километров, при этом используемые датчики способны работать в автономном режиме свыше 10 лет без замены элементов питания. Передача в сети «Стриж» происходит на частоте 868 МГц при мощности до 25 мВт. В данном частотном диапазоне на основании решений ГКРЧ разрешено свободное и бесплатное использование маломощных радиопередающих устройств. По данным компании, к сети «Стриж» уже подключено более 100 тыс. устройств, в основном это электросчетчики, счетчики воды и газа.

Некоторые беспроводные технологии для IoT
Некоторые беспроводные технологии для IoT

 

ЭВОЛЮЦИЯ АСУ ТП

Как устроены современные системы промышленной автоматизации? Их можно разделить на несколько уровней (см. рисунок). Непосредственно «в поле», например в цехе предприятия, располагаются различные сенсоры, датчики и приводы. Далее следует уровень контроля — например, программируемые логические контроллеры (ПЛК; англ. PLC), которые, собственно, собирают информацию с датчиков и управляют приводами. Уровень управления процессами формируют системы класса SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) и MES (Manufacturing Execution System). Наконец, на вершине пирамиды — системы планирования ресурсов предприятия (Enterprise Resource Planning, ERP), которые, как правило, работают на серверах, расположенных в корпоративных центрах обработки данных (ЦОДы).

Переход от классических АСУ ТП к Промышленному интернету вещей
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.

Промышленный интернет вещей. Готовы ли сети?

ИНФРАСТРУКТУРА ДЛЯ IIOT

Как уже говорилось, количество подключенных устройств на «умных» фабриках будущего станет значительно больше, чем на современных производствах. Объемы собираемых данных также кардинально увеличатся. Поэтому необходимы технические решения, способные обеспечить подключение большого числа различных устройств просто и эффективно, при выполнении требований к производительности, безопасности и надежности. По мнению большинства экспертов, доминирующие в прошлом проприетарные шины уступят место универсальным сетям Ethernet. Для бесшовной связи как между элементами в рамках одного предприятия, так и с объектами «внешнего мира» будут использоваться стандартные интернет-протоколы, поэтому и говорят о Промышленном интернете.

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.

Другой важный момент, не зависящий от того, используется проводная или беспроводная связь, — это снижение размеров устройств и сокращение энергопотребления. Прогресс в области полупроводниковой техники позволяет производить все более компактные структуры, обеспечивать более высокую степень интеграции и сокращать энергопотребление. Так, системы Wi-Fi с низким потреблением могут использоваться для подключения небольших датчиков, получающих питание от встроенных аккумуляторных батарей. Радиотехнологий с низким энергопотреблением много, но использование Wi-Fi позволяет построить однородную сетевую инфраструктуру, в которой кадры Ethernet и протокол IP будут применяться «из конца в конец».

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.

Промышленный интернет вещей. Готовы ли сети?

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

Что касается инфраструктурных решений, многие технологии для надежного и эффективного взаимодействия промышленных «вещей» также уже существуют. Однако немало и пробелов, которые необходимо восполнить. Насколько быстро и продуктивно будут решены эти задачи, во многом зависит от финансовых средств, которые будут направлены на эти цели. А объемы финансирования, в свою очередь, будут определяться теми экономическими преимуществами, которые даст широкомасштабное развертывание Промышленного интернета. Но это уже тема для отдельного разговора.

Александр Барсков, ведущий редактор «Журнала сетевых решений/LAN»

Купить номер с этой статьей в PDF