Czym jest "przemysłowy IoT" i jaką rolę odgrywa w Przemyśle 4.0?

Większość systemów przemysłowego IoT da się podzielić na pięć warstw. Dane płyną w górę, od urządzeń do ludzi, którzy je obsługują, a polecenia wracają w dół. Przykłady poniżej pochodzą z projektów, które zbudowaliśmy. Szerzej opisujemy je w artykule przykłady przemysłowego IoT.

1. Urządzenia i czujniki

Najniższa warstwa to sam sprzęt: czujniki, liczniki, sterowniki, baterie, falowniki, kamery. Zwykle pochodzi od różnych producentów, a duża jego część była zainstalowana na długo przed tym, zanim ktokolwiek zaplanował oprogramowanie. W systemie zarządzania oświetleniem lotniskowym Monster, który zbudowaliśmy, sterownik każdej lampy dostał własny moduł IoT, a nowy system zastąpił stare oprogramowanie lotniska.

2. Łączność i protokoły

Urządzenia komunikują się z systemem przez protokoły polowe, takie jak Modbus po RS-485, a dane przesyłają dalej siecią przewodową, przez Wi-Fi albo łącze komórkowe. Między urządzeniami a chmurą często pracują lekkie protokoły komunikatów, takie jak MQTT, a w fabrykach popularny jest OPC UA. Na platformie energetycznej Zeronest urządzenie odczytuje falownik przez Modbus i wysyła dane do chmury przez MQTT, korzystając z własnego łącza LTE.

3. Przetwarzanie brzegowe (edge computing)

Urządzenie brzegowe albo lokalny sterownik przetwarza dane na miejscu i podejmuje decyzje, które nie mogą zależeć od połączenia z siecią. System zarządzania energią (EMS), który zbudowaliśmy dla Skyfri, decyduje, kiedy baterie się ładują i rozładowują, i pilnuje, żeby oddawana do sieci moc nie przekroczyła limitu przyłącza. Steruje bateriami i falownikami także wtedy, gdy połączenie zniknie, a platforma łączy się z obiektami przez Azure IoT Edge i Azure IoT Hub.

4. Platforma i dane

Platforma w chmurze albo na serwerach firmy przechowuje odczyty, łączy je z danymi z zewnątrz i prowadzi analizy. Tu działa też cyfrowy bliźniak, czyli model obiektu zasilany bieżącymi danymi. Dla magazynu energii cieplnej Kyoto Group zbudowaliśmy takiego bliźniaka: uwzględnia dane pogodowe i analizę cen energii, a inżynierom pozwala symulować pracę instalacji.

5. Aplikacje dla ludzi

Najwyższa warstwa to narzędzia operatorów i inżynierów: pulpity, alarmy, raporty i ekrany sterowania, często oparte na systemie SCADA. Różne osoby potrzebują różnych alertów, więc to samo zdarzenie może trafić do dyspozytorni jako krótkie ostrzeżenie, a do zespołu utrzymania ruchu jako zadanie ze szczegółami.

IoT to pojęcie szersze. Obejmuje zarówno urządzenia konsumenckie, takie jak czujniki inteligentnego domu i opaski sportowe, jak i sprzęt przemysłowy. Przemysłowy IoT to ta część, która działa w przemyśle, gdzie awaria kosztuje więcej: zepsute urządzenie w domu oznacza opóźnienie i niewygodę, a awaria systemu przemysłowego może zatrzymać produkcję albo narazić ludzi. Włamanie do systemu przemysłowego może sięgnąć fizycznych urządzeń, dlatego bezpieczeństwo musi być częścią projektu. Więcej piszemy o tym w artykule o cyberbezpieczeństwie systemów IoT.

Przemysłowy IoT różni się od konsumenckiego jeszcze w trzech praktycznych sprawach:

• IoT konsumencki to najczęściej nowe urządzenia z aplikacją i chmurą producenta. Przemysłowy IoT łączy maszyny i sterowniki, które już są zainstalowane, często od kilku producentów, przez protokoły przemysłowe, takie jak Modbus.
• Urządzenia konsumenckie zwykle polegają na domowym Wi-Fi i chmurze producenta. Sterowanie przemysłowe musi działać dalej, gdy sieć padnie.
• Urządzenie konsumenckie obsługuje jedno gospodarstwo domowe. System przemysłowy obsługuje operatorów, techników i kierowników, a każdy z nich ma własną rolę, alerty i procedury.

Przemysł 4.0 to pojęcie szersze: czwarta rewolucja przemysłowa, w której zakłady i obiekty przemysłowe opierają się na automatyzacji, analizie danych, chmurze obliczeniowej, sztucznej inteligencji i połączonych urządzeniach. Przemysłowy IoT to jedna z jego technologii, ta, która łączy fizyczny sprzęt z oprogramowaniem.

Bez IIoT reszta Przemysłu 4.0 nie ma na czym pracować. Analityka i AI potrzebują danych z maszyn, a automatyka potrzebuje drogi, żeby odesłać do nich polecenia. W opisanym wyżej EMS dla Skyfri dane z baterii i falowników zasilają decyzje o ładowaniu i rozładowaniu, a te decyzje wracają do tych samych urządzeń. Takie same dane służą też do śledzenia zużycia energii i wpływu na środowisko, o czym piszemy w artykule IoT dla zrównoważonego rozwoju.

Przemysłowy IoT opłaca się z czterech powodów:

• Operatorzy widzą stan urządzeń na bieżąco i nie muszą szukać usterki na miejscu. Pulpit systemu Monster pokazuje na przykład poziom naładowania baterii, zasilanie, łączność i stan zasilaczy UPS.
• Odczyty zbierane w czasie pokazują, które urządzenia się zużywają, więc konserwację można zaplanować przed awarią, a nie po niej.
• Rutynowe decyzje sterujące zapadają w oprogramowaniu, blisko urządzeń. Tak działa opisany wyżej EMS, który decyduje, kiedy bateria się ładuje albo rozładowuje.
• Tam, gdzie człowiek nic nie widzi, system poprawia bezpieczeństwo. ATOS, który zbudowaliśmy z AP-TECH dla jednego z głównych lotnisk w Polsce, łączy dane z pętli indukcyjnych i transponderów w bieżącą pozycję samolotów i pojazdów lotniskowych, na potrzeby operacji przy niemal zerowej widoczności.

Cztery rzeczy sprawiają, że projekty przemysłowego IoT są trudniejsze, niż wyglądają:

• Każdy producent sprzętu wymaga osobnej integracji. Wspólny protokół, taki jak Modbus, nie oznacza, że każde urządzenie zachowuje się tak samo. Zeronest, platformę dla domowych instalacji fotowoltaicznych z magazynami energii, trzeba było integrować marka po marce, w sumie 16 marek falowników.
• Zapisanie ustawienia w urządzeniu nie gwarantuje, że urządzenie je przyjęło, więc każdy zapis trzeba sprawdzić. W Zeronest każda wartość konfiguracji jest odczytywana z powrotem, a gdy się nie zgadza, system podnosi alarm.
• Narzędzia do prototypu i narzędzia na produkcję to osobne decyzje. Platformę, która sprawdza się w testach i przy weryfikacji koncepcji, trzeba jeszcze sprawdzić pod kątem wieloletniej pracy, zanim oprze się na niej produkcyjną logikę sterowania.
• Role i uprawnienia trzeba zaplanować wcześnie. Łatwiej ustalić na starcie projektu, kto widzi które alerty i kto może wysyłać polecenia do urządzeń, niż dokładać to później.

Czym jest przemysłowy IoT (IIoT)?

Przemysłowy IoT (IIoT) to sieć czujników, sterowników i maszyn w środowisku przemysłowym razem z oprogramowaniem, które nimi zarządza. Zbiera dane z urządzeń w produkcji, energetyce, na lotniskach i w logistyce, pokazuje je operatorom i odsyła polecenia z powrotem.

Czym różni się IoT od przemysłowego IoT?

IoT to pojęcie szersze i obejmuje też urządzenia konsumenckie, takie jak czujniki inteligentnego domu i opaski sportowe. Przemysłowy IoT to ta część IoT, która działa w przemyśle, gdzie awaria może zatrzymać produkcję albo zagrozić ludziom. Łączy istniejący sprzęt od wielu producentów i musi działać także wtedy, gdy sieć nie działa.

Jak działa przemysłowy IoT?

Urządzenia i czujniki na miejscu wysyłają dane przez protokoły polowe, takie jak Modbus, do sterownika brzegowego albo bramy IoT, która podejmuje decyzje lokalnie. Platforma przechowuje i analizuje dane, a operatorzy pracują z nimi na pulpitach, w alarmach i na ekranach SCADA. Polecenia wracają tą samą drogą do urządzeń.

Gdzie stosuje się przemysłowy IoT?

W fabrykach, elektrowniach i magazynach energii, na lotniskach, w logistyce i w przedsiębiorstwach użyteczności publicznej. Nasze projekty obejmują oświetlenie lotniskowe i śledzenie samolotów, magazyn energii cieplnej oraz sterowanie bateriami na farmach fotowoltaicznych. Opisujemy je w artykule przykłady przemysłowego IoT.

Czy przemysłowy IoT jest częścią Przemysłu 4.0?

Tak. To ta część Przemysłu 4.0, która łączy maszyny i inny fizyczny sprzęt z oprogramowaniem.

Budujemy warstwy programowe systemów przemysłowego IoT, od integracji urządzeń i sterowania bez sieci po pulpity i cyfrowe bliźniaki. Projekt z nami zaczyna się od bezpłatnego warsztatu discovery, na którym jeszcze przed napisaniem pierwszej linii kodu ustalamy, jaki jest sprzęt, jakie protokoły i co musi działać bez sieci. Więcej na stronie o naszych usługach przemysłowego IoT.