Интернет вещей (IoT) – особенности, требования для реализации, области применения

Интернет вещей (IoT, Internet of Things) в промышленности часто называют промышленным интернетом вещей (IIoT, Industrial IoT). Он представляет собой систему, в которой различные устройства, датчики и машины подключены к интернету и взаимодействуют друг с другом в режиме, близком к реальному. Внедрение IIoT позволяет не только контролировать состояние оборудования в режиме реального времени, но и предсказывать его возможные поломки, минимизировать простои и связанные с ними затраты. Благодаря интеграции сенсоров, граничных устройств и облачных платформ предприятия получают возможность более точно управлять ресурсами, обмениваться данными, снижать энергозатраты и улучшать управление цепочками поставок.

Ниже рассмотрим, что такое интернет вещей (IoT), его основные особенности, требования для реализации, области применения.

Что такое интернет вещей в промышленности (IIoT)

Это целый набор технологий, который позволяет подключать оборудование и датчики к интернету для сбора и анализа данных. Применение IIoT принципиально меняет подход к управлению производственными процессами, делает их более прозрачными и управляемыми в реальном времени.

Основная задача IIoT — это постоянный мониторинг состояния техники. Если на вашем предприятии установлено много сложного оборудования, то для поддержания его в исправном состоянии нужно проводить регулярные проверки или просто постоянно ожидать, что что-то выйдет из строя. А выход из строя в случайный момент — это простой производства и ощутимые потери. Помимо этого, для всего оборудования надо поддерживать склад запчастей на случай его выхода из строя.

С IIoT каждую машину оснащают датчиками, которые фиксируют ключевые параметры: температуру, вибрации, скорость работы и другие релевантные конкретной единице показатели. Эти данные передают в облако или чаще на локальные серверы, где их анализируют автоматически. Если показатели выходят за пределы допустимых норм, система уведомляет оператора. Таким образом, можно предупредить поломку и провести техническое обслуживание заблаговременно, что сокращает простои и экономит деньги.

Другой важный случай применения IIoT — это прогнозирующее обслуживание. Например, в авиационной промышленности системы мониторинга постоянно собирают данные о работе двигателей.

Кстати, авиастроители пошли настолько далеко, что устанавливают на моторы, не зависимые от основных систем самолета, спутниковые каналы связи. Их используют исключительно для передачи данных о работе двигателя наземным службам.

На основании этих данных создают модели, которые позволяют предсказывать, когда конкретный узел выйдет из строя. Благодаря этому инженеры могут заранее заменить деталь, не дожидаясь аварийной ситуации.

Примером может служить компания Siemens, которая использует IIoT на своих производственных линиях. На одном из заводов они внедрили систему датчиков для контроля работы станков. Она отслеживает не только механические параметры, но и данные об энергопотреблении. Когда линия простаивает, система автоматически снижает потребление электроэнергии, за счет этого уменьшают затраты.

Еще одно практическое применение IIoT — управление цепочками поставок. Например, в логистике при помощи датчиков можно отслеживать местоположение грузовиков и контейнеров в реальном времени. Это позволяет точно планировать доставку и избегать задержек. В промышленности это важно для поддержания оптимального уровня запасов на складе: если система видит, что материалы на производственной линии заканчиваются, она автоматически заказывает пополнение.

То есть IIoT — это инструмент автоматизации, который позволяет оборудованию гибко реагировать на изменяющуюся ситуацию: будь то износ его элементов или колебания спроса на готовую продукцию. В любой из этих ситуаций IIoT позволяет создать возможности для снижения издержек, а значит, повышения операционной эффективности и конкурентоспособности предприятия.

История появления интернета вещей

Истоки концепции IoT можно проследить до 1980-х, когда стали появляться первые сетевые технологии. Но значительное развитие IoT началось в 1990-х с возникновением более доступных компьютеров и интернета. Сам термин «интернет вещей» впервые ввел в 1999 году Кевин Эштон, который предложил использовать RFID-метки для отслеживания товаров в цепях поставок. Однако настоящая эра IoT началась в 2010-х, когда с развитием беспроводных технологий, удешевлением сенсоров и появлением облачных платформ стало возможно подключать множество устройств к интернету.

В промышленности этот подход начали активно применять для мониторинга и автоматизации производственных процессов. Это привело к возникновению IIoT — концепции, ориентированной на создание «умных» фабрик и производственных систем, которые обеспечивают более эффективное управление ресурсами и предсказуемое обслуживание оборудования.

Стандартная структура сети IoT и требования к ней

Обычно состоит из нескольких уровней, которые обеспечивают взаимодействие датчиков, оборудования, программного обеспечения и систем аналитики. И вся эта система должна быть масштабируемой (расширяемой по необходимости), достаточно надежной, чтобы работать в жестких промышленных условиях и безопасной, особенно если элементы оборудования выходят в интернет.

Уровень сенсоров и устройств

Это физический слой, который состоит из:

• датчиков;
• исполнительных механизмов;
• контроллеров;
• машин и других подключаемых устройств.

Датчики собирают данные о физическом окружении: температура, давление, вибрации, ток, напряжение и т. д. А исполнительные механизмы (сервоприводы) могут взаимодействовать с оборудованием на основе полученных данных. На этом уровне нам в первую очередь интересны характеристики оборудования и его готовность работать с повышенной температурой, пыльностью, влажностью, а также энергопотребление и физические проводные или беспроводные интерфейсы сопряжения.

В каталоге нашей компании представлен богатый выбор деталей для этого уровня: есть оптоэлектронные приборы, датчики положения, индуктивные датчики, интерфейсные модули, преобразователи и многое другое.

Сеть передачи данных (Communication Network)

Этот слой отвечает за передачу данных между сенсорами, граничными устройствами, облаком и локальными серверами. Используют различные типы сетей:

• локальные (LAN);
• беспроводные (Wi-Fi, 4G/5G, LPWAN);
• проводные (Ethernet).

Для таких устройств очень важны высокая пропускная способность, минимальная задержка, отказоустойчивость, возможность работы в промышленных условиях (EMI/EMC защита).

Оборудование для обеспечения связи нужно подбирать с учетом реальных условий его эксплуатации. Дело в том, что доплата за стойкость к пыли, перепадам влажности, температуры, повышенным вибрациям может быть ощутимой.

И в последнем случае лучше использовать образцы от ​​Schneider Electric, Siemens, Allied Telesis и B&R, Moxa, Hirschmann, российских «ПК ОПТИ» и Kyland.

Уровень управления (Control Layer)

Включает в себя системы, которые управляют производственными процессами на основе полученных данных. Задачу можно осуществлять автоматизированными системами (SCADA) или операторами через интерфейсы управления. Этот уровень может взаимодействовать с системой планирования (ERP) и мониторинга производственных процессов (MES).

В компании «Радиоэлемент» вы найдете все необходимое для построения слоя управления на вашем предприятии: есть контроллеры DMS Co.LTD, Apex, Artery, ICS, NPX и др.

Все вместе: датчики, сеть коммуникации и контроллеры и реализуют базовую функциональность IIoT.

Обработка данных и аналитика (Data Processing and Analytics)

После передачи данные попадают в центр обработки или облачную платформу, где происходит их хранение и анализ. Системы аналитики используют большие данные (Big Data), машинное обучение и другие алгоритмы для извлечения полезной информации, принятия решений и оптимизации процессов.

Граничные устройства (Edge)

На этом уровне находятся устройства, которые собирают и обрабатывают данные от сенсоров, прежде чем отправить их в облако или на локальный сервер. Граничные устройства могут выполнять локальную обработку данных и принимать некоторые решения на месте без необходимости в централизованной обработке.

Обычно от таких устройств ожидают:

• работу в реальном времени: «плавающие» задержки недопустимы в техпроцессах;
• поддержку протоколов коммуникации: например, MQTT, OPC UA;
• механизмы обеспечения безопасности данных.

Функции таких устройств часто пересекаются с таковыми у устройств уровня управления. Но задачи у них все же разные. Основная цель Edge-устройств — это обработка и анализ данных на месте, тогда как контроллеры ориентированы на непосредственное управление и исполнение команд.

Уровни обработки данных и аналитики, а также применение граничных устройств не обязательны для реализации концепции IIoT. Но именно они могут открыть важные закономерности внутри промышленного объекта, которые определяют эффективность его работы в куда большей степени, чем, например, экономия на энергопитании при простое линий.

Сферы применения: особенности структуры в зависимости от специфики бизнеса

В промышленности основной упор делают на интеграцию устройств для управления процессами и мониторинга состояния оборудования. Здесь критически важно иметь сеть, способную поддерживать бесперебойный обмен данными между контроллерами и сенсорами в реальном времени.

На заводах и фабриках в структуре IIoT особенно уместно применение граничных устройств, которые обрабатывают данные локально, чтобы обеспечить быстрое реагирование на изменения. Например, для предсказания неисправностей оборудования или оптимизации производственных линий.

В логистике и транспорте структура IIoT фокусируется на сетевом уровне и обеспечении постоянного мониторинга объектов, таких как транспортные средства или контейнеры. Здесь ключевую роль играют датчики GPS и устройства, которые передают данные о местоположении и состоянии грузов в режиме реального времени. У гибкости сети передачи данных критическое значение, поскольку транспорт движется через различные зоны связи. Это требует надежного обмена информацией без задержек. Особенность таких систем — необходимость управления большим количеством мобильных устройств, которые работают в разных географических зонах.

В сфере энергетики IIoT решает задачи мониторинга и управления распределением энергоресурсов. Система должна быть устойчива к высоким нагрузкам и поддерживать работу в удаленных и часто суровых условиях. Здесь важна интеграция граничных устройств для локальной обработки данных и связь с центральными облачными платформами для координации между различными объектами энергетической сети — от электростанций до распределительных узлов. Структура такой системы должна быть масштабируемой и способной объединять различные источники энергии, включая возобновляемые.

В сельском хозяйстве IoT применяют для автоматизации и мониторинга сельхозтехники и условий окружающей среды. Сенсоры устанавливают в полях для измерения влажности почвы, температуры и других параметров, которые критичны для эффективного управления урожаем. В условиях удаленности объектов и невозможности постоянного обслуживания сеть IIoT должна быть автономной и энергоэффективной, использовать беспроводные протоколы связи с низким энергопотреблением. Это позволяет отслеживать состояние растений и своевременно реагировать на изменение условий для поддержания оптимального роста сельхозкультур.

Итак, вы узнали, что такое интернет вещей (IoT), какие у него особенности, требования для реализации, области применения. В зависимости от отрасли, структура IIoT может отличаться: в промышленности основной упор делают на управление производственными процессами, в логистике — на отслеживание и координацию перемещений грузов, в энергетике — на распределение и мониторинг энергоресурсов, а в сельском хозяйстве — на автоматизацию процессов выращивания и сбора урожая. Эти решения позволяют компаниям становиться более гибкими, снижать издержки и повышать конкурентоспособность на постоянно изменяющемся рынке.