Книга «ИНДУСТРИЯ 4.0: Умные технологии – ключевой элемент в промышленной конкуренции». Часть 6. Горизонтальная и вертикальная интеграция, промышленный Интернет вещей

Автор: Евгений Липкин, генеральный директор «Остек-СМТ»

Горизонтальная и вертикальная интеграция

Развитие программного обеспечения для бизнеса исторически происходило по пути от малого к большому – от систем с ограниченной функциональностью к крупным многофункциональным системам. По мере развития аппаратных возможностей компьютерной техники и сетевых технологий развивались и новые функции. Часто работал принцип объединения функциональности. За основу брались отдельные программы близкого назначения, на базе которых разрабатывалась более мощная интегрированная система. По такому пути шла разработка систем автоматизированного проектирования, систем управления ресурсами предприятия, систем управления инженерными системами и т.д.

Широкий функционал, реализованный в рамках единой интегрированной системы, позволяет избежать огромного количества недостатков, с которыми приходится сталкиваться при использовании отдельных программ. К числу этих недостатков относится необходимость реализации сложных механизмов обмена данными между отдельными системами, проблемы совместимости данных, задержки в актуализации данных и другие, что в конечном счёте ограничивает возможности автоматизации.

В контексте Индустрии 4.0 большое внимание уделяется интеграции информационных систем как внутри предприятия, так и между несколькими организациями, участвующими в цепочке формирования стоимости. Стоит выделить три основных направления.


Направления интеграции информационных систем предприятий

Когда речь заходит о горизонтальной и вертикальной интеграции, то периодически возникает путаница, что к какой категории относить. Чтобы мы не путались в понятиях, приведу пример структуры взаимодействия, в которой присутствуют горизонтальные и вертикальные связи.


Структура кооперации с горизонтальными и вертикальными связями

Вертикальная интеграция информационных систем

Вертикальными называются связи между заказчиками и исполнителями в рамках создания одного продукта или услуги. Это не обязательно разные организации, это могут быть подразделения одного предприятия, работающие над созданием одного продукта или услуги на разных этапах. В приведённой структуре это связи между информационными системами заказчика, производителя, субпоставщиков и субподрядчиков, а также интеграция информационных систем логистической компании и её партнёров, транспортной компании и логистического комплекса. В упрощённом виде на примере одного звена этой цепочки можно проиллюстрировать содержание обмена данных следующим образом.

  • Заказчик передаёт исполнителю:

— детали заказа (спецификация, сроки исполнения и т д.);
— прогноз/план продаж;
— информацию о складских остатках.

  • Исполнитель сообщает заказчику:

— подтверждение заказа;
— информацию о ходе исполнения заказа;
— информацию о складских остатках товара, готового к отгрузке;
— детали исполнения заказа (поставщики комплектующих, информация о прохождении контроля и т. д.).

При поступлении нового заказа, изменении планов продаж или плана производства в автоматическом режиме новая информация появляется в системах всех участников цепочки.

В то же время организации могут отслеживать состояние выполнения заказов и оперативно реагировать на изменения. Прозрачность процессов обеспечивается в том числе и за счёт того, что все производственные и логистические операции фиксируются в автоматизированной системе.

Это позволяет оптимизировать процесс планирования и является единственным вариантом для реализации поставки комплектующих и товаров «Точно в срок» (англ. Just-In-Time), минимизируя одновременно складские остатки, задержки поставки и, как результат, сроки изготовления заказа.

Горизонтальная интеграция информационных систем

Горизонтальными принято называть связи между участниками рынка или подразделениями, выполняющими смежные функции. В нашем случае это производители оборудования и материалов, логистические компании, сервисные компании.

Каждый клиент для решения одной задачи чаще всего привлекает несколько организаций. Например, если ему необходимо изготовить партию продукции, то ему могут требоваться компоненты, материалы, новые инструменты, логистические услуги, возможно, новые сотрудники, помощь сторонних разработчиков и масса всего. Для того чтобы на конкурентных рынках предоставить клиентам более качественный сервис, компании часто вступают в кооперацию и объединяют усилия. Однако для того чтобы клиент не страдал от несогласованности действий отдельных организаций, необходимо предпринять меры, чтобы для заказчика работал принцип, как это модно говорить, одного окна. Вот именно для этого и нужна горизонтальная интеграция информационных систем. Ведь в противном случае клиенту пришлось бы обращаться самому в несколько организаций и брать на себя все трудозатраты, связанные с координацией действий отдельных фирм.

Приведу простейший пример по нашей схеме. Клиент разместил заказ на оборудование, в комплекте с которым необходимо поставить расходные материалы. В случае интеграции информационных систем информация о данном заказе появится у всех участников процесса. Производитель материалов сразу увидит спецификацию заказа и необходимый срок отгрузки. Логистическая компания запланирует транспортную перевозку от производителя оборудования и производителя материалов на требуемые даты. Никаких звонков, никаких лишних писем. Если в сроках произойдут изменения, то они оперативно отразятся у всех участников проекта.

Сквозное проектирование

Ключевой особенностью сквозного проектирования является то, что данные о разрабатываемом и производимом изделии доступны всем участникам цепочки его создания. Благодаря этому обеспечивается совместная работа над совершенствованием изделия, что может помочь существенно сократить цикл разработки, исключить технологические проблемы при производстве, повысить качество и оптимизировать себестоимость.

Реализация всех трёх уровней интеграции позволяет организовать работу нескольких предприятий так, как будто это одно целое, обеспечив широкие возможности автоматизации и взаимной координации бизнес-процессов.

Крупные компании, разрабатывающие программное обеспечение управления предприятиями (в том числе SAP, Oracle, Microsoft), ведут непрерывную работу над тем, чтобы увязать в одну систему максимально большее количество функциональных областей, предлагая каждый день все более интегрированные продукты.

Ключевые производители систем проектирования уже реализовали возможности сквозного проектирования, совместной работы и управления изменениями. Это реализовано в том числе с помощью облачных технологий, о которых речь пойдет чуть позже.

Промышленный Интернет вещей

Все мы являемся свидетелями того, как Интернет преобразил наш мир и нашу жизнь. Сегодня с помощью Интернета мы общаемся между собой, ищем информацию, размещаем заказы на товары и услуги, слушаем музыку и делаем массу других действий. Развитие Интернета привело к кардинальному изменению в бизнес-среде, ориентированной на работу с частными клиентами.


Источник: www.irisoft.ru

Но изменения, связанные с развитием сетевых технологий, не ограничиваются взаимодействием между людьми и организациями. Сегодня стремительно развивается Интернет вещей (от англ. Internet of Things – компьютерная сеть физических объектов («вещей»), оснащённых встраиваемыми системами, для взаимодействия друг с другом или внешним окружением. Впервые термин использовал в 1999 году Кевин Эштон (англ. Kevin Ashton) в презентации для компании Procter & Gamble. В презентации рассказывалось о том, как всеобъемлющее внедрение радиочастотных меток (RFID) сможет видоизменить систему управления логистическими цепями в корпорации.

Согласно существующим оценкам, в ближайшие 10 лет развитие Интернета вещей значительно преобразит производство, энергетику, сельское хозяйство, транспортную отрасль и другие промышленные сегменты экономики, которые суммарно составляют две трети мирового валового внутреннего продукта (ВВП).

Возможность объединить большой парк оборудования в единую компьютерную сеть позволяет получить массу новых возможностей с точки зрения эксплуатации, управления и обслуживания. Более того, это открывает новые возможности для бизнеса. Но об этом чуть позже, а для начала несколько цифр.

  • 6 триллионов долларов США – прогноз суммарного объёма расходов на решения для Интернета вещей в период 2015–2020 гг.

  • 29 1,6 триллионов долларов США – прогноз мирового объёма инвестиций бизнеса, правительств и потребителей во внедрение решений для Интернета вещей в 2020 году.

  • 832 миллиарда долларов США – прогноз мирового объёма инвестиций бизнеса в решения для Интернета вещей к 2020 году. Для сравнения: 2015 миллиардов в 2015 году.

  • 236 миллиардов долларов США – прогноз мирового объёма инвестиций в решения для Интернета вещей с частными потребителями в 2020 году. 2015 год – 72 миллиарда долларов США.

Ещё вчера промышленный компрессор, подключённый к Интернету, самостоятельно «сообщающий» компании-производителю информацию о текущем техническом состоянии, ошибках в процессе эксплуатации, необходимости технического обслуживания и ремонта, казался фантастикой и кому-то даже глупостью. Сегодня уже очевидно то, как эту возможность можно конвертировать в конкурентное преимущество, в более высокое качество продукции и в дополнительный доход производителей. Об этом более подробно будет рассказано в главе, посвящённой продуктово-сервисным системам.

В процесс развития технологий Интернета вещей вовлечено большинство мировых производителей высокотехнологичного оборудования и программных продуктов для различных применений. С учётом прогноза стремительного роста данного направления замедленная реакция со стороны отдельных производителей может привести к потере ими рынка сбыта.

Отдельным направлением является промышленный Интернет вещей (ПИВ, от англ. Industrial Internet of Things, IIoT – Интернет вещей, ориентированный на применение для нужд производства).

Сегодня не так много предприятий используют станки и системы сбора данных (сенсоры, датчики, счетчики и т.д.), оснащённые встраиваемыми системами и объединённые в сеть. Традиционно производственное оборудование организовано в виде вертикальной пирамиды автоматизации, в которой сенсоры и машины лишь передают информацию системе управления более высокого уровня.

ПИВ предполагает намного более широкое применение встраиваемых систем, использующих связь на базе стандартных сетевых протоколов. Это позволяет осуществлять обмен информацией и взаимодействие между элементами системы, обеспечивая децентрализацию управления производственными процессами, что в итоге приводит к сокращению времени реакции и повышению качества принимаемых решений.

ПИВ базируется на трёх основных элементах.

Обработка сигналов датчиков

Датчики в английском языке обозначаются словом sensor, которое происходит от глагола to sense (чувствовать). Датчики в Интернете вещей являются «органами чувств» автоматизированной системы, благодаря которым можно получать информацию о состоянии физических объектов, и им уделяется особое внимание. Оснащение физических объектов датчиками позволяет обеспечить восприятие внешних сигналов, таких как температура, влажность, положение в пространстве, давление газов, химический состав и так далее. Обработка сигналов от системы датчиков позволяет с помощью аналитических инструментов построить полную картину происходящего, на основе чего автоматизированная система или оператор могут предпринять то или иное действие, будучи уверенными в его целесообразности.

Сегодня во всем мире ведётся работа, направленная на то, чтобы оснащение производства масштабной системой датчиков не стало якорем, который будет тянуть на дно. Так как комплексная автоматизация требует существенных инвестиций, то основным направлением является снижение стоимости оборудования и радиоэлектронных компонентов, используемых в производстве датчиков.

Также крайне важным направлением в производстве датчиков является их мобильность, которая должна позволить установить датчик в любом необходимом месте. Это может быть обеспечено главным образом за счёт снижения габаритов, обеспечения беспроводной передачи данных и энергонезависимости. Если в отношении уменьшения размеров и беспроводной передачи данных есть масса современных технологий, которые могут помочь, то с энергонезависимостью есть сложности.

Если требуется поместить датчик в некоторое место, то необходимо обеспечить его энергоснабжение. Для этого можно либо протянуть кабель питания, либо оснастить датчик батарейкой. Вариант с электропроводкой существенно ухудшает мобильность. Вариант с батареями при масштабной системе датчиков приводит к серьёзным затратам на покупку и регулярное обновление батарей, а также влечёт за собой затраты на регулярную проверку и замену источников питания.

Для тех случаев, когда применяются батареи, крайне важным является продление их срока службы, что позволяет снизить затраты на обслуживание и замену источников питания. Это непросто, так как приём-передача данных является наиболее энергозатратным видом операций для подобных устройств. Для решения этой проблемы разработаны и стандартизованы беспроводные технологии передачи данных с пониженным энергопотреблением.

Прогресс не стоит на месте, и есть решения, позволяющие обеспечить энергонезависимость датчиков, которая реализуется за счёт аккумулирования, энергии извне. Электропитание может быть обеспечено за счёт преобразования в электроэнергию внешнего освещения, перепадов температуры, вибрации/движения и электромагнитного излучения.

До свидания, батарея!

Компания Cypress Inc., один из мировых лидеров в области встраиваемых систем, в 2014 году представила новое поколение интегральных схем для управления питанием (Energy Harvesting PMIC), использующих аккумулирование энергии.


spasnion energy harvesting chip

Естественные источники энергии, такие как солнечное излучение, вибрации и перепады температуры, являются неиссякаемыми и могут быть использованы для аккумулирования энергии, позволяющей отказаться полностью или частично от использования батарей либо продлить их срок службы.

Серия интегральных схем Energy Harvesting PMIC, в частности, включает интегральную схему MB39C811, позволяющую аккумулировать энергию из солнечного излучения и вибраций, и MB39C831, работающую на основе солнечного излучения и тепла.

Серия The S6AE10xA предназначена для работы только с солнечным излечением и может работать с солнечной батареей площадью от 1 см2.

«Наши клиенты могут попрощаться с использованием батарей в электронике следующего поколения», — сказал Том Спаркман (Tom Sparkman), старший вице-президент аналогового подразделения Spansion (сейчас Cypress).

Промышленная аналитика

Инструменты аналитики позволяют на основе массива данных, полученных с датчиков и других источников, выявить значимые тенденции и отклонения. Полученная информация может быть использована для составления отчётов, разработки плана действий и принятия операционных решений.

Сбор и анализ данных системы датчиков в современных решениях реализуются на технологиях, описанных в главе, посвящённой большим данным.

Рассмотрим коротко два основных направления использования инструментов промышленной аналитики. Теме аналитических систем будет посвящена отдельная глава, так что будем считать, что это её краткая аннотация, которая должна вас заинтриговать.

Совершенствование продуктов и услуг

Управление качеством производства оборудования в традиционном понимании предполагает глубокий контроль на этапе производства и эпизодический анализ работы оборудования в процессе эксплуатации. Чаще всего во время эксплуатации глубоко разбираются только аварийные ситуации. Это не позволяет получить достаточно аналитических данных для повышения качества продукции, так как из вида упускается много важной информации.

При наличии подключения к оборудованию, оснащённому встраиваемыми системами и датчиками, появляется возможность сбора данных в непрерывном режиме со всего парка оборудования, находящегося в эксплуатации. В частности, можно фиксировать параметры работы систем, возникающие отказы, режимы эксплуатации оборудования, ошибки пользователей, предаварийные ситуации и т.д.

На основе этих данных можно обеспечить выявление причинно-следственных связей между факторами, влияющими, в частности, на стабильность работы оборудования, срок службы, энергопотребление и рабочие параметры.

Это формирует основу для дальнейшего совершенствования продуктов и качества услуг, связанных с поддержкой клиентов, в чём заинтересованы и производитель, и пользователь продукции.

Контроль и оптимизация операционной деятельности и процессов

Мониторинг работы оборудования в режиме реального времени позволяет значительно повысить эффективность использования парка оборудования.

Эффективность является многофакторным индикатором. Но в большинстве случаев всё сводится к управлению качеством выполняемых операций, снижению риска аварий/отказов, оптимизации загрузки, поиску узких мест в производственных процессах и минимизации затрат на владение/эксплуатацию.

В зависимости от реализованной системы сбора и анализа данных конечный пользователь может получить, кроме оборудования, ещё и инструмент управления его эффективностью, а производитель – довольного клиента.

Использование умного оборудования

Текущим трендом является не просто изготовление промышленного оборудования, реализующего только механический функционал, а оснащение этого оборудования интеллектуальными возможностями. Такое оборудование часто называют умным.

Благодаря программному обеспечению, поставляемому вместе с оборудованием, а также возможностям обмена данными можно автоматизировать сбор и анализ информации, которая важна для оптимальной работы оборудования.

Принципиальным моментом можно считать то, оборудование не является изолированным, а подключено в сеть и оснащено комплексом датчиков. Это позволяет учитывать внешние факторы и на их основе в автоматическом или полуавтоматическом режиме оптимизировать работу оборудования.

В рамках производственного предприятия такая возможность взаимодействия оборудования и автоматической подстройки друг под друга может позволить синхронизировать работу станков, сбалансировать между собой работу технологического оборудования и инженерных систем, скорректировать параметры работы технологического оборудования на основе данных систем контроля качества и так далее. Это очень обширная и важная тема для любого производственного предприятия, поэтому теме умного оборудования будет посвящена целая глава.

Немного терминологии

До сих пор мы вели речь об Интернете вещей и промышленном Интернете вещей, но в данном месте стоит обсудить ещё один термин – «киберфизическая система».

До сих пор эксперты не пришли к единому мнению, в чем же различие между киберфизическими системами и Интернетом вещей. Слишком много пересечений как на уровне технологий, так и на уровне функциональных возможностей.

Для огромного количества случаев можно применить оба термина, однако есть некоторые различия.

В случае с киберфизическими системами акцент сделан на возможности автоматического управления физическими объектами, в случае же с Интернетом вещей принципиальным является наличие подключения физического объекта в сеть.

Так, например, автомобиль с автопилотом, не имеющий связи с другими автомобилями и датчиками на дороге, многие специалисты отнесут к классу киберизических систем, но не к Интернету вещей.

Если же мы добавим этому автомобилю возможность связываться с другими автомобилями и датчиками (например, камерами), размещёнными вдоль дороги, для уточнения дорожной ситуации, то мы получим Интернет вещей и киберфизическую систему одновременно.

Но, ещё раз повторюсь, граница настолько тонкая и неформализованная: сколько специалистов, столько и мнений. В любом случае тенденция свидетельствует о том, что в ближайшее время даже эти различия будут сведены к минимуму или совсем исчезнут.

Концепция промышленного Интернета вещей является основой Индустрии 4.0. Практически все производители передового оборудования сегодня пытаются держать в уме необходимость интеграции оборудования в сеть. О том, как это можно использовать, в этой книге будет ещё много сказано. Я умышленно не привожу в данной главе никаких кейсов, описывающих реализацию принципов Интернета вещей на практических примерах, так как ими наполнена вся книга. Кейс про энергонезависимые микросхемы не в счёт, он про другое.

 

Книга «ИНДУСТРИЯ 4.0: Умные технологии – ключевой элемент в промышленной конкуренции»:

Часть 1. Предпосылки системных изменений

Часть 2. Технологическая основа новой промышленной революции

Часть 3. Дополненная и виртуальная реальность

Часть 4. Симуляция и основы применения аддитивных технологий

Часть 5. Аддитивные технологии: изготовление изделий, постобработка, контроль качества, временные сложности

Часть 6. Горизонтальная и вертикальная интеграция, промышленный Интернет вещей

Часть 7. Облачные технологии и информационная безопасность

Часть 8. Тотальная цифровизация

Часть 9. Развитие аналитических систем

Часть 10. Умные продуктово-сервисные системы

Часть 11. Логистика 4.0

Часть 12. Умное производственное оборудование

Часть 13. Умное производственное оборудование. Продолжение

Часть 14. Эффект от внедрения новых технологий

Часть 15. Преграды на пути прогресса

Часть 16. Умные технологии и люди



Поделиться: