АРХИТЕКТУРА ПРОМЫШЛЕННОГО ИНТЕРНЕТА

В соответствии с архитектурой Industrial Internet Reference Architecture, разработанной Industrial Internet Consortium, система Промышленного интернета подвергается декомпозиции на функциональные домены (см. рис. 1). Они образуют важные типовые строительные блоки (частично уже существующие на предприятиях), которые могут применяться в различных отраслях. Каждая система Промышленного интернета будет содержать по крайней мере следующие функциональные домены:

  • Управление — набор функций уровня АСУ ТП (взаимодействие с промышленным оборудованием, чтение данных, создание управляющих команд в соответствии с логикой контуров управления и т. п.).
  • Эксплуатационный — набор функций для управления конфигурацией, мониторинга и оптимизации одной или нескольких подсистем доменов управления.
  • Информационный — набор функций для сбора данных из разных доменов (прежде всего из доменов управления), а также для преобразования, сохранения и анализа этих данных с целью получения информации более высокого уровня о системе Промышленного интернета (технологии Data Lake и т. п.).
  • Приложения — реализация логики приложений, выполняющих определенные бизнес-функции. Укрупненный уровень управления всей системой Промышленного интернета в долгосрочной перспективе и глобальном масштабе. Этот домен может включать в себя логику приложения, правила, модели и т. д. Его можно представить и как домен аналитики.
  • Бизнес — обеспечение сквозных операций системы Промышленного интернета путем их интеграции с традиционными или новыми типами подсистем управления бизнес-процессами, планирования и т. п. Примерами таких систем могут быть ERP, CRM, PLM, MES, HRM, управление материальными ценностями, управление проектами и многие другие.
Рис. 1. Функциональные домены
Рис. 1. Функциональные домены

 

Функциональные домены могут подвергаться дальнейшей декомпозиции в зависимости от конкретных требований к системе Промышленного интернета. В результате какие-то отдельные функции могут быть добавлены, исключены, объединены друг с другом или выделены из уже имеющихся.

Использование различных сетевых технологий позволяет обеспечить связность, то есть возможность обмена данными между участниками как в пределах самого функционального домена, так и между функциональными доменами в одной или разных системах Промышленного интернета. Обмен данными в рамках одного домена может состоять из опроса датчиков, сообщений о событиях и изменениях состояния, аварийных сигналов, команд, обновлений конфигурации и т. п. Обмен между доменами может содержать команды по результатам аналитической обработки информации из нескольких доменов, автоматически создаваемых планов обслуживания оборудования и т. п.

Фактически целью Промышленного интернета является обеспечение бесшовного обмена информацией между различными доменами и отраслями. Однако за долгие годы предшествующего развития для каждого домена были разработаны отдельные наборы сетевых технологий и протоколов, предназначенные для решения узкого круга задач. Кроме того, чтобы сохранить сделанные инвестиции и ускорить инновации, при внедрении систем Промышленного интернета практически всегда предусматривается интеграция существующих систем с новыми технологиями, из-за чего предложить универсальное решение невозможно.

В таких условиях вопросы совместимости будут актуальны для всех уровней стека Промышленного интернета, даже в рамках одного домена. Например, на канальном уровне могут возникнуть проблемы объединения нескольких сегментов Ethernet, если при их построении использовались фирменные расширения протоколов, поддерживаемых в оборудовании разных производителей. На уровне фреймворка потребуется не только преобразовать промышленные протоколы, но и изменить формат данных (см. таблицу).

Соответствие уровней взаимодействия систем Промышленного интернета и модели OSI
Соответствие уровней взаимодействия систем Промышленного интернета и модели OSI

 

Если все домены и отрасли, использующие разные сетевые технологии, попытаться интегрировать друг с другом напрямую, то это приведет к образованию полносвязной схемы с количеством связей N×(N–1)/2 и, как следствие, к существенному усложнению архитектуры.

Рис. 2. Подключение различных сетевых технологий в рамках одного домена
Рис. 2. Подключение различных сетевых технологий в рамках одного домена

 

Для обеспечения полной связности в рамках одного функционального домена нужно выбрать основной стандарт, который должен удовлетворять всем существенным требованиям для данного домена (см. рис. 2). Подключение разнообразных технологий связи (различные варианты Ethernet, беспроводные технологии Wi-Fi, LoRaWAN, LTE и пр.) будет выполнять шлюз. Шлюзы могут обеспечивать дополнительные сервисные функции по преобразованию протоколов прикладного уровня, изменяя структуру данных, и выполнять первичную локальную обработку данных с использованием технологии туманных вычислений, рассмотренную далее. Шлюзы будут также применяться для связи между теми доменами, где используются разные основные стандарты (см. рис. 3).

Рис. 3. Интеграция нескольких функциональных доменов
Рис. 3. Интеграция нескольких функциональных доменов

 

Подобный подход позволяет существенно улучшить совместимость и масштабируемость по сравнению с полносвязной моделью.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЙ

Для успешного внедрения систем Промышленного интернета очень важны налаженные коммуникации между различными подразделениями предприятия, отвечающими за поддержку разных доменов.

У производственных и ИТ-подразделений представления о связности и бесшовной интеграции могут существенно различаться. У ИТ-подразделений зона интереса обычно ограничивается сетевым уровнем модели OSI и ниже. Производственные подразделения, отвечающие за поддержку и развитие АСУ ТП в целом, большее внимание уделяют информационному обмену на верхних уровнях, где неизбежно будут возникать проблемы совместимости с унаследованными системами и другими доменами Промышленного интернета.

Оба типа подразделений могли бы сотрудничать в совместных проектах — например, таких как внедрение принтеров или обслуживание промышленных компьютеров. Но, к сожалению, эти и без того достаточно редкие возможности зачастую игнорируются. Обычно поводом для обращения к коллегам служит какая-либо проблема, требующая незамедлительного решения, — например, инцидент информационной безопасности, сбой системы или незапланированный простой. Недостаток взаимодействия и взаимопонимания между двумя командами зачастую приводит к невозможности разработки инновационных решений.

В условиях высокой конкуренции и низких цен на энергоносители владельцы предприятий вынуждены искать новые решения, которые в большинстве случаев находятся на стыке промышленных и ИТ-технологий. Чтобы их внедрить, необходимо кардинальное изменение подхода к организации взаимодействия подразделений.

Производственные предприятия уже начинают заниматься адаптацией своих процессов, технологий и бизнес-моделей. Самые передовые компании и во время кризиса упорно работают над тем, чтобы получить конкурентное преимущество и максимизировать прибыль, повышая эффективность работы. Именно они и будут возглавлять цифровую трансформацию.

Очевидно, что специалистам промышленных и ИТ-подразделений, работающим в отрасли, совсем скоро придется реализовывать новые, куда более сложные проекты. Работа над ними потребует более тесного взаимодействия и поддержки со стороны руководства.

Дальновидные руководители производственных подразделений признают, что из большого объема данных, которые они уже сейчас собирают и используют, можно извлечь дополнительную ценность для предприятия. Но для этого их коллеги из ИТ-подразделений должны сделать данные значимыми и доступными для использования во всей организации, а кроме того, помочь интегрировать их в бизнес-системы, прежде всего в инструменты планирования ресурсов предприятия (ERP) и управления производственными процессами (MES).

В то же время ИТ-подразделения хотят максимально полно реализовать потенциал цифрового предприятия — от улучшения цепочки поставок до внедрения инноваций и минимизации простоев. Однако для этого им нужны специальные знания и поддержка профессионалов, которые понимают и контролируют производственные процессы и оборудование.

Вот почему старый формат взаимодействия подразделений, который часто ограничивался инфраструктурными проектами, должен уступить место более мощным и продуктивным альянсам. Прошло время, когда производственные и ИТ-команды всего лишь реагировали на инциденты. Они должны взять на себя ключевую роль в осуществлении преобразований на своих предприятиях и помогать бизнесу использовать новые возможности, делая его более конкурентоспособным, эффективным и безопасным.

УСКОРЕННОЕ ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЯ БЛАГОДАРЯ ТУМАННЫМ ВЫЧИСЛЕНИЯМ

Сегодня технологии автоматизации и недорогие сенсоры позволяют производственным предприятиям собирать данных больше, чем когда-либо. Однако ценность представляют не сами данные, а уточненные на их основании управленческие или производственные решения. Справедливость данного утверждения особенно очевидна при эксплуатации распределенных производственных систем, когда централизация АСУ ТП может привести к увеличению задержки принятия решения или другим потенциальным проблемам.

Нередко системы АСУ ТП не способны предоставить собираемые данные другим системам предприятия в реальном масштабе времени, в том числе потому, что это делается централизованно, в зависимости от доступности каналов связи. Кроме того, используемые протоколы и форматы данных могут не поддерживаться в других подсистемах в рамках одного домена или разных доменов.

Именно поэтому производственные подразделения рассматривают возможность использования туманных вычислений, благодаря которым все заинтересованные системы или подразделения могут получить доступ к критически важным данным на уровне промышленной площадки в реальном времени (см. рис. 4). В результате ускоряется принятие решений, повышается уровень безопасности, предотвращаются дорогостоящие простои, а также исключаются проблемы совместимости различных сетевых технологий, протоколов и форматов передаваемых данных.

Рис. 4. Организация туманных вычислений (распределенная аналитика)
Рис. 4. Организация туманных вычислений (распределенная аналитика)

 

ИТ-подразделения тоже получают существенные преимущества от использования технологий туманных вычислений.

  • Повышается масштабируемость системы:
  1. данные, чувствительные к задержкам, могут анализироваться максимально близко к их источнику;
  2. менее критичные данные могут передаваться на промежуточный хост и использоваться для операционной статистики;
  3. наименее критичные данные можно отправить в частное облако для ретроспективного анализа и хранения.
  • Функции хоста для туманных вычислений могут быть реализованы на сетевом оборудовании промышленной площадки (например, маршрутизаторе или коммутаторе Ethernet), что устраняет необходимость поддержки нескольких устройств.
  • При необходимости реализуется гарантированная доставка данных, в ходе которой передача осуществляется по резервному каналу, или они сохраняются и передаются после восстановления канала связи.
  • Требования к пропускной способности и качеству канала связи снижаются.

Фактически туманные вычисления представляют собой одну из сервисных функций шлюзов подключения к другим доменам или сетевым сегментам, описанным выше в архитектуре Промышленного интернета.

Преимущества такого подхода можно продемонстрировать на примере японской компании Mazak, которая одной из первых внедрила туманные вычисления для поддержки своей операционной деятельности. Этот производитель и оператор многофункциональных роботизированных обрабатывающих станков, распределенных по всему миру, совместно с другими компаниями разработал решение SmartBox. При его использовании на Ethernet-коммутатор, который располагается рядом со станком, загружается специальное программное обеспечение для туманных вычислений. В созданном решении поддерживается протокол MTConnect для сбора большого объема данных о производительности станка (вибрация, температуры, уровни эксплуатационных жидкостей и др.) и для анализа информации в реальном времени. Его внедрение позволило перейти к модели обслуживания оборудования по фактическому состоянию и повысить его загрузку более чем на 10%.

БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Сейчас уже трудно представить, как может быть реализована концепция Промышленного интернета без беспроводной связи. Промышленные установки, датчики и ПЛК, а также платформы аналитики и вспомогательные технологии подключаются с помощью беспроводных технологий и становятся более эффективными за счет появившейся мобильности. Но до недавнего времени проекты по развертыванию беспроводных сетей на предприятиях не всегда заканчивались успехом.

Условия эксплуатации оборудования на разных предприятиях сильно различаются: при большом количестве металлоконструкций затруднено распространение радиоволн, а при неблагоприятных условиях окружающей среды установленное оборудование подвергается воздействию таких внешних факторов, как пыль, влажность, температура, вибрация. Кроме того, руководители производственных подразделений скептически оценивали возможность поддержки промышленной беспроводной сетью достаточного количества устройств, требуемой пропускной способности, контролируемых сетевых задержек и безо-пасности, необходимых для критически важных приложений. Поэтому предприятия десятилетиями развертывали повсюду десятки километров кабеля, расходуя немало времени на проектные работы, согласования, строительство сопутствующей инфраструктуры. В конечном счете такие проекты оказывались чрезвычайно затратными.

Однако за последние несколько лет в развитии беспроводных технологий были достигнуты большие успехи. Повышенная отказоустойчивость делает беспроводную связь в промышленных условиях более доступной и практичной, чем когда-либо прежде, вместе с тем ускоряется процесс развертывания.

Новая промышленная беспроводная сеть может изменить к лучшему существующие процессы. Она обеспечивает большую гибкость и адаптируемость при удаленном мониторинге и изменении конфигурации производственных линий. В то же время беспроводная сеть может привести к значительной экономии затрат. Согласно оценке Control Engineering, «беспроводная сеть (на промышленном предприятии) может быть в 10 раз дешевле кабельной инфраструктуры, обеспечивая при этом большую гибкость, мобильность сотрудников, инструментов и оборудования, а также меньшее время обслуживания и устранения неполадок».

Для успешного внедрения беспроводных сетей производственные и ИТ-подразделения должны тесно сотрудничать. Только при таком условии можно рассчитывать на появление новых возможностей. Для ИТ это снижение затрат, ускорение поиска неисправностей, увеличение пропускной способности канала для поддержки голосовых и видеоприложений. А для производственных подразделений — быстрая адаптация ИТ-решений к производственным потребностям, повышение качества выпускаемой продукции и снижение продолжительности запланированных и незапланированных простоев.

Выбор конкретных технологий по-прежнему зависит от решаемых задач. Например, для подключения датчиков на большом удалении (более 10 км) с использованием нелицензируемых частот может использоваться технология LoRaWAN. Она позволяет реализовывать двухсторонний обмен данными, передавать информацию об изменении состояния датчика (контролируемых параметров), а также определять его местоположение без использования GPS. Благодаря адаптивной скорости передачи информации датчики могут длительное время работать от встроенных миниатюрных батарей. А большой выбор готовых датчиков и компонентов для создания новых облегчает адаптацию этой технологии к нуждам заказчика.

Решения на базе традиционных технологий Wi-Fi привлекательны широкой поддержкой Wi-Fi на различных устройствах и инструментах. Однако внедрение сети Wi-Fi на предприятии требует более осторожного подхода, чем любой другой беспроводной технологии. Прежде всего это связано с тем, что для многих будет велик соблазн использовать стандартную Wi-Fi-инфраструктуру и подходы к ее построению для передачи трафика промышленных приложений, не обеспечив необходимой приоритизации, поиска и выявления источников интерференции, а также автоматической перенастройки сети. Большим подспорьем для заказчиков являются руководства по внедрению, разработанные совместно с компаниями — производителями компонентов АСУ ТП, где детально описывается протестированное и поддерживаемое всеми заинтересованными вендорами решение.

В сфере Wi-Fi-оборудования постоянно предпринимаются усилия по созданию специальных расширений для промышленного применения. Одним из примеров такой работы является реализация протокола Parallel Redundancy Protocol (PRP) на Wi-Fi оборудовании, в соответствии с которым трафик пересылается через два параллельных беспроводных соединения для повышения отказоустойчивости, снижения вариации задержки и облегчения роуминга.

Внедрение беспроводной сети на предприятии создает большой запас для последующего развертывания таких приложений, как отслеживание местоположения мобильного оборудования и сотрудников, создание мобильных рабочих мест, в том числе подключение носимой электроники (камеры и т. п.).

Андрей Гречин, cистемный архитектор, Cisco

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями

Купить номер с этой статьей в PDF