Сучасні технології IIoT and WoT в Industry 4.0


IIoT and WoT в Industry 4.0

Сучасні технології IIoT and WoT в Industry 4.0

Автор: Володимир Ткаченко

Джерело: Обучение в интернет

Industry 4.0

Реалізація Industry 4.0 призведе до кардинальних змін у всіх сферах людської діяльності. З концепцією Industry 4.0 тісно пов'язана концепція індустріального Інтернета речей (IIoT). Дана стаття присвячена огляду технологій IIoT and WoT в четвертій промисловій революції Industry 4.0. В Industry 4.0 сучасні технології (high technology або hi-tech) об'єднують біологічні, фізичні та цифрові світи, тобто забезпечують взаємодію реального та віртуального світів. Industry 4.0 запропонована Німеччиною в 2011 році на Ганноверському ярмарку.

Industry 4.0 - це складна багаторівнева структурована система. Industry 4.0 заснована на таких сучасних технологіях: IIoT, кібер-фізичні системи (CPS), великі дані (Big Data), штучний інтелект (Artificial Intelligence) та інших технологіях. Суть Industry 4.0 полягає в інтеграції виробництва з найсучаснішими інформаційними і комунікаційними технологіями за допомогою IIoT, CPS, Big Data, Artificial Intelligence та інших сучасних технологій (малюнок 1).

IIoT
Малюнок 1. Industry 4.0

Якщо базовими технологіями Industry 3.0 є комп'ютеризація, автоматизація, виробничі лінії, то для Industry 4.0 основними технологіями є цифрові технології у всіх сферах економіки, оцифровка (діджіталізація) фізичних об'єктів для переходу від реального до цифрового світу і платформа IIoT, через яку взаємодіють CPS і Smart Objects, як один з одним, так і з хмарними сервісами по обробці даних Big Data, а також персоналом в режимі реального часу. Великі дані або Big Data - це дані, які надходять з CPS і Smart Objects на обробку (аналіз і прийняття рішень) в дуже великих обсягах.

В даний час більшість розвинених країн має свої національні стратегічні програми Industry 4.0 або інтеграційні платформи розвитку і впровадження Plattform Industry 4.0, або просування Industry 4.0, які об'єднали промисловість, бізнес, науку і освіту та інші напрями інноваційного розвитку суспільства, таким чином, вони об'єднали в своїх країнах тисячі підприємств.

Провідними в світі платформами є Plattform Industrie 4.0 в Німеччині (www.plattform-i40.de), яка була вперше анонсована на Ганноверської виставці Messe 2013, та IIC (Industrial Internet Consortium - www.iiconsortium.org) групи OMG в USA. Ці платформи або спільноти разом просувають IIRA (Industrial Internet Reference Architecture) і RAMI 4.0 (Reference Architecture Model Industrie 4.0), щоб забезпечити глобальну сумісність (DIN SPEC 91345). Огляд основних стандартів для Industry 4.0 представлений на сторінці: i40-tools.github.io/StandardOntologyVisualization/index.html. Модель еталонної архітектури Industrie 4.0 представлена на малюнку 2.

RAMI 4.0
Малюнок 2. Reference Architecture Model Industrie 4.0 (RAMI 4.0)

В Україні створено національний рух «Індустрія 4.0 в Україні» (industry4-0-ukraine.com.ua), який об'єднує фахівців ІТ та АСУ ТП. Національна стратегія "Індустрія 4.0 2019-21 в1" представлена на сторінці: www.slideshare.net/APPAU_Ukraine/40-201921-1. Що стосується просування Industrie 4.0, то для цього створено раду руху "Індустрія 4.0 в Україні" та АППАУ (Асоціація підприємств промислової автоматизації України - appau.org.ua), фахівці яких розробили "Проект національної стратегії Індустрії 4.0". Цей проект в даний час перебуває на розгляді в КМУ.

"Держава у смартфоні" є одним з напрямків в Industry 4.0 - розумна країна. Україна 2030Е — країна з розвинутою цифровою економікою представлена на сторінці: strategy.uifuture.org/kraina-z-rozvinutoyu-cifrovoyu-ekonomikoyu.html.

Розглянемо IIoT

Однією із сучасних технологій Industry 4.0 є IIoT. IIoT - це інфраструктура Industry 4.0, яка забезпечує з'єднання, обчислення і спілкування (3C: connect, compute, communicate) автономних пристроїв, систем (CPS) і хмарних ЦОД або DATA-центрів для передачі даних на зберігання, їх обробку, аналітику і прийняття управлінських рішень, спрямованих на зміну навколишнього середовища, або взаємодії з терміналами для контролю і управління цими пристроями. Одним з найважливіших елементів Industry 4.0 є бездротові мережи передачі даних в IIoT. Структурна схема IIoT представлена на малюнку 3.

Структурна схема IIoT
Малюнок 3. Структурна схема IIoT

На першому рівні IIoT взаємодія датчиків або приводів (sensors or actuators) домену пристроїв (Device Domain) здійснюється за допомогою мереж PAN, LAN або LPWAN Network Domain. В якості апаратних засобів для sensors or actuators застосовуються Arduino, Banana Pi, CC2538xFnn, Creator Ci20, ESP8266, Espruino, Orange Pi PC, Raspberry Pi та інші. У той же час для операційних систем застосовуються OS: Linux, Windows, Solaris і RTOS: VxWorks, RTLinux, LynxOS, QNX та інші.

Для створення додатків, що реалізують API на першому рівні IIoT, використовуються основні мови програмування C/C ++, Python, Java, C#, JavaScript. Мережі пристроїв, створені на основі технологій PAN, LAN, LPWAN Network Domain, мають вихід в Інтернет. Основним напрямком розвитку мереж IIoT є бездротові технології. До основних технологій бездротових мереж WPAN, що застосовуються в IIoT, відносяться: Z-Wave, ZigBee, ZigBee IP, BLE 4.2 та інші.

До бездротових технологій WLAN, що застосовуються в IIoT, відносяться технології Wi-Fi. До групи LPWAN-технологій дальнього радіусу дії, які використовуються в IIoT, відносяться: CIoT, LoRaWAN, SIGFOX та інші. Для передачі даних в IIoT застосовуються протоколи прикладного рівня, до найбільш поширених з яких відносяться: AMQP, CoAP, DDS, JMS, MQTT, XMPP. Для реалізації IIoT в основному застосовуються такі технології: M2M, WSN і RFID.

У M2M застосовуються комунікаційні стандарти DDS і LwM2M. DDS (Data Distribution Service) від OMG - це унікальна технологія. У DDS використовується Message-Centric архітектура і парадигма Publish-Subscribe, тобто модель DCPS (Data-Centric Publish-Subscribe) для комунікації та інтеграції розподілених додатків, що дає пристроям змогу обмінюватися даними через шину даних "DataBus" без сервера або брокера.

DDS за допомогою проміжного програмного забезпечення (бібліотеки ПО) і стандартного API для обміну даними без посередників, забезпечує всі пристрої розподіленої системи, підключеним до шини даних "DataBus", можливість публікації і підписки на дані по протоколу DDS RTPS (Real-time Publish-Subscribe). DDS забезпечує високу надійність, безпеку і масштабованість. DDS підтримує IIoT - додатки у виробництві, енергетиці, транспорті та в інших областях.

У M2M також широко застосовується комунікаційний стандарт LwM2M (Lightweight Machine to Machine) від OMA. У специфікації LWM2M може використовуватися як для CoAP, так і для MQTT. Специфікація LwM2M через CoAP заснована на стеку CoAP/DTLS/UDP. Специфікація LwM2M через MQTT заснована на взаємодії LwM2M Device з LwM2M Server через брокер MQTT (добре підходить для взаємодії датчиків і контролера).

У IIoT широко застосовуються технології WSN: бездротові сенсорні мережі малого радіусу дії і бездротові сенсорні мережі далекого радіусу дії LPWAN. До поширених технологій мереж малого радіусу дії відносяться сенсорні мережі на основі технологій: 6LoWPAN, Thread, ZigBee IP, Z-Wave, ZigBee, BLE 4.2 (Bluetooth Mesh). До поширених технологій мереж дальнього радіусу дії LPWAN відносяться: CIoT, LoRaWAN, SIGFOX та інші. Найбільш перспективною технологією WSN з групи CIoT є 5G. Технологія 5G призначена для роботи з різнорідним трафіком і забезпечує підключення до Інтернет різноманітних Smart Objects з різними параметрами.

Що стосується технології RFID, то вона застосовується в IIoT в основному для відстеження активів виробництва або для управління активами. Технології RFID складаються з трьох компонентів: міток RFID, антен RFID і зчитувачів RFID. Слід зазначити, що у виробництві в основному використовуються пасивні мітки, які не мають власного джерела живлення. Мітка RFID прикріплюється до будь-якого фізичного пристрою. Зчитувачі RFID застосовують для запису і зчитування з міток. Дані з RFID через мережі IIoT передаються в "хмару" для обробки.

Отже, на першому рівні IIoT об'єднуються об'єкти з вбудованими IP-датчиками і IP-приводами в комп'ютерні мережі з шлюзами на базі контролерів з операційними системами і з прикладними програмами створеними для збору і контролю даних, що надходять з датчиків, обміну даними і управління приводами.

На другому рівні інтеграції через Internet в одну систему пристроїв і автономних систем різних виробників виникають труднощі, оскільки складно створити єдину комунікаційну платформу, яка забезпечує ефективну взаємодію багатьох пристроїв один з одним. Найбільш ефективним засобом інтеграції пристроїв через Internet є мережева служба Web of Things (WoT) заснована на World Wide Web і її нових технологіях.

WoT або мережа речей використовує стандарти, що застосовуються в таких технологіях, як програмований Web (HTTP, REST, JSON), Semantic Web Technologies (JSON-LD, Microdata і тощо), Web реального часу (WebSockets) і соціальний Web (напр. oauth або API соціальних мереж). Для інтеграції Smart Objects в Інтернет застосовуються різні інтеграційні шаблони: Direct Connectivity, Gateway Based Connectivity, Cloud Based Connectivity.

Технологічні досягнення в WoT і Semantic Web відіграють важливу роль в реалізації концепції Industry 4.0. Інтеграція Semantic Web з технологіями WoT (SWoT) забезпечує ефективний зв'язок через Internet між різнорідними промисловими об'єктами. Семантична павутина підходить для вирішення безлічі складних проблем, пов'язаних з автоматизованими, гнучкими і адаптивними системами, такими як системи Industry 4.0.

WoT надає прикладний рівень і шаблони, що спрощують створення Інтернету речей. Web Things в WoT - це цифрове представлення фізичних або абстрактних сутностей (це WoT-додатки), що мають URL-адреси, програмні та/або графічні інтерфейси і доступні для взаємодії “Thing – Thing” через CoAP, Web Thing REST API and Web Thing WebSocket API або для взаємодії “Thing – User” через HTTP/HTTPS and WebSocket (WS/WSS).

Завдання які вирішуються IIoT and WoT:

  • IIoT займається створенням мереж об'єктів, пристроїв і додатків, WoT забезпечує їх інтеграцію в мережу Internet.
  • WoT забезпечує доступ до ресурсів і додатків IIoT та управління ними з використанням основних веб-технологій і мов програмування (таких як HTML5.0, CSS3, JavaScript, jQuery, Ajax, WebSocket, Node.JS, Python, Ruby on Rails і т. д.).
  • Створення WoT засноване на принципах RESTful і REST API, які спрощують розробку додатків на підставі цих веб-технологій.

Розглянемо питання впровадження технологій IIoT (комунікаційних технологій Industry 4.0) в існуючі системи автоматизації підприємств (ERP, MES, АСУ ТП)

Впровадження технологій IIoT в АСУ ТП

При наявності на промислових підприємствах двох діючих паралельних структур, таких як інформаційні технології (ІТ) та операційні технології (Operating Technology - ОТ), в процесі модернізації системи автоматизації на основі технологій IIoT необхідно вирішіть проблему їх конвергенції.

Слід зазначити, що у OT і IТ застосовуються різні набори технологій, архітектури, протоколи, стандарти і т.д., тому вони практично ніколи не інтегрувалися. ОТ-структури відповідають за управління, контроль і моніторинг фізичних пристроїв, виробничих процесів (виробничих операцій), а IT-структури відповідає за створення, передачу, збереження та захист даних в інформаційних системах підприємств (наприклад, в ERP).

Основним сегментом OT-структур є Industrial Control Systems (ICS), до яких відносяться системи диспетчерського контролю та збору даних (SCADA), системи управління процесами (PCS), системи управління польовий мережею з датчиками і приводами через програмовані логічні контролери (PLC) і розподілені системи управління (DCS), керовані через Human Machine Interface (HMI).

Конвергенція IT і OT дає промисловим підприємствам можливість побудови розумного виробництва за рахунок розгортання в OT нових пристроїв (наприклад, IP-датчиків або приводів в OT-структури і т.д.), технологій (бездротових Wi-Fi, BLE, ZigBee і Z- Wave або дротових LAN і GPIO) і протоколів (DDS, CoAP, MQTT, REST/HTTP) на базі IIoT платформ. IIoT розширює можливості SCADA, що забезпечує передачу даних в реальний час і статистичні дані, які допомагають прийняти оптимальні рішення.

У процесі зближення технологій IT-структур і OT-структур на базі IIoT платформ слід враховувати різні вимоги до їх безпеки. В ОТ-структурах використовуються спеціалізовані закриті системи (наприклад, складальні лінії), які не мали зв'язку із зовнішнім світом, а їх безпека ґрунтується тільки на фізичному захисту структури. Що стосується питань безпеки ІТ-структури, то основною проблемою є забезпечення її кібербезпеки.

Тому вихід ОТ-структур в Internet через інтегровану структуру IT/OT з безліччю потенційних кіберзагроз вимагає створення інтегрованого середовища кібербезпеки. Для захисту SCADA можна ввести демілітаризовану зону (DMZ) із застосуванням технології Reverse Access. Слід зазначити, що впровадження стандарту IEC 62443: Industrial Network and System Security підвищує рівень кібербезпеки OT-структур.

Впровадження технологій IIoT та інтеграція MES з ERP

Основною функцією MES (Manufacturing Execution System) є оперативне управління виробництвом (збір, передача, обробка даних) и контроль виробничих процесів (відображення інформації про виробничі процеси) в режимі реального часу. Але MES - це жорстко закодована з обмеженою функціональністю система, яка не може бути адаптована до різних потреб цеху. Модернізація MES на основі технологій IIoT дозволяє MES бути більш гнучкою, підключатися до різних пристроїв (Smart Objects).

Платформи IIoT не замінять MES для Industry 4.0. IIoT є доповненням, а не заміною MES. MES на базі технологій IIoT може об'єднати дані, що надходять з пристроїв, виконувати їх аналітику і легко адаптуватися до потреб цеху або підприємства. В результаті модернізована MES може перейти від виконання простої оперативної звітності про параметри виробничих процесів в цехах до системи зі збору даних, їх аналізу та виконання точних прогнозів, тобто підготовці даних до прийняття рішень, а також візуалізації даних за допомогою сучасних засобів. MES із застосуванням принципів Industry 4.0 - це MES 4.0.

Крім того, для підприємств, орієнтованих на MES, необхідно MES інтегрувати з системами ERP (Enterprise Resource Planning). Інтеграція ERP з MES забезпечить якісне функціонування MES и може допомогти зробити виробництво більш економічним. Якщо на підприємстві розгорнута тільки On-Premises ERP, то при впровадженні технологій IIoT доцільно локальні установки ERP перевести на гібридні моделі, а в подальшому на хмарну модель ERP.

Обмін інформацією в режимі реального часу між ERP і MES забезпечить ефективність обладнання, більш ефективне виробництво (так як кількість виробленої продукції можна пов'язати з попитом) і надасть можливість більш ефективного прийняття рішень. Інтегруючи ERP і виробничі дані MES для більш точних прогнозів попиту можна скоротити запаси, забезпечивши графіки поставок уникаючи перевиробництва і так далі. IIoT забезпечить ERP оперативність і гнучкість. Дані, отримані від ERP, можна в режимі реального часу аналізувати в хмарі і приймати оптимальні рішення. У IIoT на базі даних ERP можна створити нові бізнес-моделі і забезпечити нові способи взаємодії з клієнтами.

Education 4.0 - відповіддь на потреби Industry 4.0

Просування нових технологій в Industry 4.0, які стирають грань між біологічним, фізичним і цифровим світами, вимагає кардинальних змін і в сфері освіти з метою підготовки фахівців. Слід зазначити, що поява програми Education 4.0 в сфері освіти є відповіддю на потреби Industry 4.0. Освіта 4.0 має підготувати студентів до промислової революції Industry 4.0. Для кращого засвоєння знань, необхідних для реалізації Industry 4.0, доцільно впроваджувати сучасні education technology (edtech) і нестандартні рішення в освіту.

Освіта 4.0 передбачає, що навчання має бути спрямоване не тільки на отримання знань, умінь і набуття навичок, але також і на джерело навчання (доступність з будь-якої точки планети в будь-який час) та на зміну засобів і методів навчання протягом усього життя. Мета навчання - розвивати креативність, ініціативу, лідерські якості, тобто ті якості, які не доступні для штучного інтелекту.

Навчання має буті індивідуальним, персоналізованим та адаптивним до можливостей студента, з елементами віртуальної и доповненої реальності VR/AR, із застосуванням ефективних технологій навчання (case methods), за участю студентів у реальних проектах, та інше. У парадигмі Освіта 4.0 навчання повинно буті змішанім або blended learning (традиційне + електронне навчання або e-learning) для освоєння теоретичної і практичної частин за модульним принципом.

Електронне навчання необхідно проводити на базі цифрових платформ (здійснити діджиталізація освітнього процесу), застосовувати ігрові методи навчання за рахунок використання інтерактивних інструментів і використовувати технології штучного інтелекту в освіті (інтелектуальні освітні додатки на базі штучного інтелекту). Електронне навчання - це навчання в смартфоні.