Промышленный интернет вещей ( IIoT ) относится к взаимосвязанным датчикам, приборам и другим устройствам, объединенным в сеть вместе с промышленными приложениями компьютеров, включая производство и управление энергопотреблением. Эта связь позволяет собирать, обмениваться и анализировать данные, что потенциально способствует повышению производительности и эффективности, а также другим экономическим выгодам. [ 1] [2] IIoT — это эволюция распределенной системы управления (DCS), которая обеспечивает более высокую степень автоматизации за счет использования облачных вычислений для уточнения и оптимизации управления процессами.
IIoT поддерживается такими технологиями, как кибербезопасность , облачные вычисления , периферийные вычисления , мобильные технологии , межмашинное взаимодействие , 3D-печать , передовая робототехника , большие данные , Интернет вещей , технология RFID и когнитивные вычисления . [3] [4] Пять наиболее важных из них описаны ниже:
Системы IIoT обычно рассматриваются как многоуровневая модульная архитектура цифровой технологии. [15] Уровень устройств относится к физическим компонентам: CPS, датчикам или машинам. Уровень сети состоит из физических сетевых шин, облачных вычислений и протоколов связи, которые агрегируют и передают данные на уровень услуг , который состоит из приложений, которые манипулируют данными и объединяют их в информацию, которая может быть отображена на панели управления водителя. Самый верхний слой стека — это уровень контента или пользовательский интерфейс. [16]
История IIoT начинается с изобретения Ричардом Э. Морли в 1968 году программируемого логического контроллера (ПЛК) , который использовался компанией General Motors в ее подразделении по производству автоматических трансмиссий. [17] Эти ПЛК позволяли осуществлять точное управление отдельными элементами в производственной цепочке. В 1975 году компании Honeywell и Yokogawa представили первые в мире системы DCS, TDC 2000 и CENTUM соответственно. [18] [19] Эти системы DCS стали следующим шагом в обеспечении гибкого управления процессами на всем заводе с дополнительным преимуществом резервного копирования за счет распределения управления по всей системе, что исключало единственную точку отказа в центральной диспетчерской.
С появлением Ethernet в 1980 году люди начали изучать концепцию сети интеллектуальных устройств еще в 1982 году, когда модифицированный автомат по продаже кока-колы в Университете Карнеги-Меллона стал первым подключенным к Интернету устройством, [20] способным сообщать о своем инвентаре и о том, были ли недавно загруженные напитки холодными. [21] Еще в 1994 году были задуманы более масштабные промышленные приложения, поскольку Реза Раджи описал эту концепцию в IEEE Spectrum как «[перемещение] небольших пакетов данных в большой набор узлов, чтобы интегрировать и автоматизировать все, от бытовой техники до целых заводов». [22]
Концепция Интернета вещей впервые стала популярной в 1999 году благодаря Центру Auto-ID в Массачусетском технологическом институте и связанным с ним публикациям по анализу рынка. [23] Радиочастотная идентификация ( RFID ) рассматривалась Кевином Эштоном (одним из основателей первоначального Центра Auto-ID) как предпосылка для Интернета вещей на тот момент. [24] Если бы все предметы и люди в повседневной жизни были оснащены идентификаторами, компьютеры могли бы управлять ими и вести их инвентаризацию. [25] [26] [27] Помимо использования RFID, маркировка вещей может быть достигнута с помощью таких технологий, как ближняя бесконтактная связь , штрихкоды , QR-коды и цифровые водяные знаки . [28] [29]
Современная концепция IIoT возникла после появления в 2002 году облачных технологий, позволяющих хранить данные для изучения исторических тенденций, и разработки в 2006 году протокола OPC Unified Architecture , который обеспечил безопасную удаленную связь между устройствами, программами и источниками данных без необходимости вмешательства человека или интерфейсов.
Одним из первых последствий внедрения промышленного интернета вещей (путем оснащения объектов крошечными идентификационными устройствами или машиночитаемыми идентификаторами) станет создание мгновенного и непрерывного контроля запасов. [30] [31] Еще одним преимуществом внедрения системы IIoT является возможность создания цифрового двойника системы. Использование этого цифрового двойника позволяет дополнительно оптимизировать систему, позволяя экспериментировать с новыми данными из облака без необходимости останавливать производство или жертвовать безопасностью, поскольку новые процессы могут быть доработаны виртуально, пока они не будут готовы к внедрению. Цифровой двойник также может служить учебным полигоном для новых сотрудников, которым не придется беспокоиться о реальном влиянии на работающую систему. [32]
Фреймворки IoT помогают поддерживать взаимодействие между «вещами» и позволяют создавать более сложные структуры, такие как распределенные вычисления и разработку распределенных приложений .
Термин «промышленный интернет вещей» часто встречается в производственных отраслях, ссылаясь на промышленную часть IoT. Потенциальные преимущества промышленного интернета вещей включают повышение производительности, аналитику и трансформацию рабочего места. [40] Прогнозируется, что потенциал роста за счет внедрения IIoT составит 15 триллионов долларов мирового ВВП к 2030 году. [40] [41]
Хотя подключение и сбор данных являются обязательными для IIoT, они не являются конечными целями, а скорее основой и путем к чему-то большему. Из всех технологий предиктивное обслуживание является «более простым» применением, поскольку оно применимо к существующим активам и системам управления. Интеллектуальные системы обслуживания могут сократить непредвиденные простои и повысить производительность, что, по прогнозам, позволит сэкономить до 12% по сравнению с плановыми ремонтами, сократить общие затраты на обслуживание до 30% и исключить поломки до 70%, согласно некоторым исследованиям. [40] [42] Киберфизические системы (CPS) являются основной технологией больших промышленных данных, и они будут интерфейсом между человеком и кибермиром.
Интеграция сенсорных и исполнительных систем, подключенных к Интернету, может оптимизировать потребление энергии в целом. [43] Ожидается, что устройства IoT будут интегрированы во все виды устройств, потребляющих энергию (выключатели, розетки, лампочки, телевизоры и т. д.), и смогут взаимодействовать с компанией-поставщиком коммунальных услуг для эффективного балансирования выработки и потребления электроэнергии. [44] Помимо управления энергопотреблением на дому, IIoT особенно актуален для Smart Grid , поскольку он предоставляет системы для сбора и обработки информации, связанной с энергией и питанием, в автоматизированном режиме с целью повышения эффективности, надежности, экономичности и устойчивости производства и распределения электроэнергии. [44] Используя устройства усовершенствованной инфраструктуры учета (AMI), подключенные к магистральной сети Интернет, электроэнергетические компании могут не только собирать данные с подключений конечных пользователей, но и управлять другими устройствами автоматизации распределения, такими как трансформаторы и реклоузеры. [43]
По состоянию на 2016 год другие реальные приложения включают в себя внедрение интеллектуальных светодиодов для направления покупателей к пустым парковочным местам или подсветки меняющихся схем движения, использование датчиков на очистителях воды для оповещения менеджеров через компьютер или смартфон о необходимости замены деталей, прикрепление RFID-меток к защитному снаряжению для отслеживания персонала и обеспечения его безопасности, встраивание компьютеров в электроинструменты для записи и отслеживания уровня крутящего момента отдельных затяжек и сбор данных из нескольких систем для моделирования новых процессов. [41]
Использование IIoT в производстве автомобилей подразумевает цифровизацию всех элементов производства. Программное обеспечение, машины и люди взаимосвязаны, что позволяет поставщикам и производителям быстро реагировать на меняющиеся стандарты. [45] IIoT обеспечивает эффективное и экономичное производство, перемещая данные от клиентов в системы компании, а затем в отдельные разделы производственного процесса. С помощью IIoT в производственный процесс могут быть включены новые инструменты и функции. Например, 3D-принтеры упрощают способ формирования пресс-форм, печатая форму непосредственно из стального гранулята. [46] Эти инструменты открывают новые возможности для проектирования (с высокой точностью). Персонализация транспортных средств также возможна с помощью IIoT благодаря модульности и связности этой технологии. [45] Если раньше они работали по отдельности, то теперь IIoT позволяет людям и роботам сотрудничать. [46] Роботы берут на себя тяжелые и повторяющиеся действия, поэтому производственные циклы сокращаются, а транспортное средство быстрее выходит на рынок. Заводы могут быстро выявлять потенциальные проблемы с обслуживанием, прежде чем они приведут к простою, и многие из них переходят на круглосуточный режим работы завода из-за более высокой безопасности и эффективности. [45] Большинство компаний-производителей автомобилей имеют производственные предприятия в разных странах, где производятся различные компоненты одного и того же автомобиля. IIoT позволяет соединять эти производственные предприятия друг с другом, создавая возможность перемещения внутри предприятий. Большие данные можно визуально отслеживать, что позволяет компаниям быстрее реагировать на колебания производства и спроса.
Благодаря поддержке IIOT большие объемы необработанных данных могут храниться и отправляться буровым оборудованием и исследовательскими станциями для облачного хранения и анализа. [47] Благодаря технологиям IIOT нефтегазовая промышленность имеет возможность соединять машины, устройства, датчики и людей посредством взаимосвязи, что может помочь компаниям лучше справляться с колебаниями спроса и цен, решать вопросы кибербезопасности и минимизировать воздействие на окружающую среду. [48]
По всей цепочке поставок IIOT может улучшить процесс обслуживания, общую безопасность и связь. [49] Беспилотники могут использоваться для обнаружения возможных утечек нефти и газа на ранней стадии и в труднодоступных местах (например, на море). Их также можно использовать для выявления слабых мест в сложных сетях трубопроводов со встроенными системами тепловидения. Расширение связи (интеграция данных и связь) может помочь компаниям с корректировкой уровней производства на основе данных в реальном времени о запасах, хранении, темпах распределения и прогнозируемом спросе. Например, в отчете Deloitte говорится, что путем внедрения решения IIOT, интегрирующего данные из нескольких внутренних и внешних источников (таких как система управления работой, центр управления, атрибуты трубопровода, оценки рисков, результаты внутритрубной инспекции, запланированные оценки и история утечек), тысячи миль труб можно контролировать в реальном времени. Это позволяет отслеживать угрозы трубопроводам, улучшать управление рисками и обеспечивать ситуационную осведомленность. [50]
Преимущества также применимы к конкретным процессам нефтегазовой промышленности. [49] Процесс разведки нефти и газа может быть выполнен более точно с помощью 4D-моделей, созданных с помощью сейсмической визуализации. Эти модели отображают колебания запасов нефти и уровня газа, они стремятся указать точное количество необходимых ресурсов и прогнозируют срок службы скважин. Применение интеллектуальных датчиков и автоматизированных бурильщиков дает компаниям возможность контролировать и производить более эффективно. Кроме того, процесс хранения также может быть улучшен с внедрением IIOT путем сбора и анализа данных в реальном времени для мониторинга уровней запасов и контроля температуры. IIOT может улучшить процесс транспортировки нефти и газа путем внедрения интеллектуальных датчиков и тепловых детекторов для предоставления данных геолокации в реальном времени и мониторинга продуктов в целях безопасности. Эти интеллектуальные датчики могут контролировать процессы нефтепереработки и повышать безопасность. Спрос на продукты можно прогнозировать более точно и автоматически сообщать нефтеперерабатывающим заводам и производственным предприятиям для корректировки уровней производства.
В сельскохозяйственной отрасли IIoT помогает фермерам принимать решения о том, когда собирать урожай. Датчики собирают данные о почве и погодных условиях и предлагают графики внесения удобрений и орошения. [51] Некоторые животноводческие фермы имплантируют микрочипы животным. Это позволяет фермерам не только отслеживать своих животных, но и получать информацию о происхождении, весе или здоровье. [52]
Интеграция данных IIoT в фотоэлектрическую (PV) промышленность может значительно повысить эффективность, надежность и производительность солнечных энергосистем. [53] Данные IIoT с ИИ можно использовать для мониторинга в реальном времени, оптимизации производительности, обнаружения неисправностей и диагностики. [54]
По мере расширения IIoT возникают новые проблемы безопасности. Каждое новое устройство или компонент, подключающийся к IIoT [55], может стать потенциальной ответственностью. Gartner оценивает, что к 2020 году более 25% признанных атак на предприятия будут связаны с системами, подключенными к IoT, несмотря на то, что на них приходится менее 10% бюджетов на ИТ-безопасность. [56] Существующие меры кибербезопасности значительно уступают устройствам, подключенным к Интернету, по сравнению с их традиционными компьютерными аналогами, [57] что может позволить им быть захваченными для DDoS -атак ботнетами , такими как Mirai . Другая возможность — заражение подключенных к Интернету промышленных контроллеров, как в случае Stuxnet , без необходимости физического доступа к системе для распространения червя. [58]
Кроме того, устройства с поддержкой IIoT могут допускать более «традиционные» формы киберпреступности, как в случае с утечкой данных Target в 2013 году , когда информация была украдена после того, как хакеры получили доступ к сетям Target с помощью учетных данных, украденных у стороннего поставщика HVAC. [59] Фармацевтическая производственная отрасль медленно внедряла достижения IIoT из-за таких проблем безопасности, как эти. [60] Одной из трудностей в предоставлении решений безопасности в приложениях IIoT является фрагментированная природа оборудования. [61] Следовательно, архитектуры безопасности обращаются к конструкциям, основанным на программном обеспечении или не зависящим от устройств. [62]
Аппаратные подходы, такие как использование диодов данных , часто применяются при подключении критической инфраструктуры. [63]