Jak zaplanować skuteczny projekt Industrial IoT (IIoT, Przemysłowy Internet Rzeczy)?

IIoT, czyli Przemysłowy Internet Rzeczy, to w skrócie zastosowanie technologii IoT w różnych branżach przemysłowych. Trend ten jest coraz popularniejszy, a koncepcja Industry 4.0 dostarcza szereg pomysłów i zastosowań dla pojawiających się nowych narzędzi i technologii. W jaki sposób wykorzystać ją do tego, by realizować skuteczne projekty z zakresu Przemysłowego Internetu Rzeczy (Industrial Internet of Things)? 

Planując swój cykliczny webinar, nie spodziewałem się, że spotka się on z tak dużym zainteresowaniem ze strony zarówno partnerów biznesowych, jak i klientów końcowych. Cieszy mnie tak duże zainteresowanie, ponieważ coraz więcej osób odkrywa, jaki potencjał drzemie w takich projektach. Koncepcja Industry 4.0 dostarcza szereg pomysłów i zastosowań dla pojawiających się nowych narzędzi i technologii.

Dane w procesach produkcyjnych istnieją od zawsze. Karty pomiarowe DAQ i rozwiązania MES dostępne są od wielu lat. Jednak jeszcze kilka lat temu nie dysponowaliśmy technologiami i wydajnością systemów i platform, która pozwoliłaby na  przetwarzanie danych w tak szybki sposób, bez konieczności generowania wysokich kosztów związanych z warstwą sprzętową. Nie istniało 5G, pozwalające wkrótce budować ciekawe projekty, w którym obszar connectivity nie będzie już obarczony ryzykiem dużych opóźnień.

Ale wracając do projektów Przemysłowego Internetu Rzeczy – na podstawie moich doświadczeń mogę wymienić kilka ważnych czy nawet krytycznych elementów, które należy wziąć pod uwagę przy planowaniu projektu.

IIoT – potrzeby i cele projektu

To podstawowe zagadnienie, nad którym należy się zastanowić.

Dlaczego chcemy uruchomić taki projekt i w czym nam pomoże?

Poszukując innowacji liderzy przemysłu skupiają się na kilku oczywistych obszarach, jak m.in.:

• skrócenie czasów dostaw,
• zwiększenie efektywności procesów,
• zmniejszenie ilości niespodziewanych przestojów.

Definiując jasne i istotne dla nas cele projektu jesteśmy w stanie odpowiednio taki projekt przeprowadzić.

Przemysłowy Internet Rzeczy – najpierw analiza procesu

Z jakimi procesami związane są cele, które chcemy osiągnąć?

Czy mają na nie wpływ zmienne pojawiające się podczas procesu produkcji, które możemy kontrolować z wykorzystaniem integracji z PLC, uzupełniając je o dodatkowe dane z sensorów,a może istotne jest dla nas ciągłe monitorowanie warstwy maszyn poprzez np. odczyt poziomu wibracji i temperatury dla układów napędu?

A może powinniśmy zbierać dane zarówno z procesu, jak i z samych maszyn?

Jest wiele pytań, na które trzeba znaleźć odpowiedź, aby nie okazało się, że nasza struktura danych po kilku tygodniach jest niekompletna i nie jesteśmy w stanie przeprowadzić analizy. Nie ma też uzasadnienia dla zbierania danych „na później” – chociażby ze wspomnianego wcześniej powodu.

Środowisko i warunki dla projektu Industrial IoT

Budując projekt IoT w warunkach przemysłowych musimy zdać sobie sprawę, że należy w nim zastosować urządzenia wykonane w standardzie przemysłowym. Począwszy od modułów do akwizycji danych, które pozwolą na nieprzerwaną pracę, zarówno w niskich jak i wysokich temperaturach, podwyższonej wilgotności czy zapyleniu i wstrząsach. To samo dotyczy zastosowania komputerów przemysłowych, działających w warstwie edge-computing, jak również switchy i innych elementów architektury takiego projektu. Musimy zdać sobie sprawę, że istotny jest dla nas proces pozyskiwania danych i nie możemy pozwolić, aby te dane były zbieranie wybiórczo czy też pojawiały się przestoje spowodowane awariami sprzętu.

Jak optymalnie wybrać platformę dla wdrożenia IIoT?

Cloud computing czy nasze lokalne zasoby? A może architektura hybrydowa?

Jeśli chcemy szybko uruchomić projekt od Proof-on-Concept do środowiska produkcyjnego, małymi inwestycjami, skalując projekt i podpinając sukcesywnie kolejne maszyny to chmura może być dobrym pomysłem. Jest już wiele ciekawych, gotowych rozwiązań jak np. WISE-PaaS z Advantech lub Microsoft Azure jako platforma do budowy własnych aplikacji IoT.

Niemniej jednak warto zwrócić uwagę, że korzystając z zasobów poza firmą wydłużamy czas jaki potrzebują dane aby dotrzeć do data center.

Częstotliwość pomiarów oraz ilość danych

Procesy i pomiary mają swoją specyfikę. Jeśli rozważamy monitorowanie parametrów przy urządzeniach rozsianych na dużej przestrzeni otwartej (generatory wiatrowe, gospodarka wodna) zastanówmy się nad zastosowaniem protokołu LoRaWAN (ang. Long Range Wide Area Network) ze względu na odległość transmisji oraz energooszczędność. Jednak musimy pamiętać, że ograniczeniem jest wielkość danych i częstotliwość transmisji. Gdy wymagamy ciągłego strumienia danych będziemy zdani na LTE.

W środowisku przemysłowym, biorąc pod uwagę przenikalność sygnału, do np. pomiarów interwałowych doskonale sprawdzi się LoRa (czyli protokół i system komunikacji dalekiego zasięgu).

Dostępne rozwiązania IIoT

Na naszym rynku dostępnych jest wiele rozwiązań, jednak tylko niewiele z nich nadaje się do zastosowania w projektach przemysłowych. Wykorzystanie rozwiązań semi-industrial lub „pseudo-industrial” może zakończyć się szybką awarią i koniecznością zakupu nowego urządzenia.

Technologia

Korzystajmy z dostępnych narzędzi i koncepcji. Zastosowanie Edge-computing zmniejszy obciążenie serwerów i sieci, a komputer przemysłowy z układami NVidia sprawnie przeanalizuje strumień video bezpośrednio w sąsiedztwie kamery monitorującej.

Kryteria wyboru rozwiązania Industrial IoT

Kryteria w przypadku projektu IoT będą zestawem wszelkich ograniczeń i rekomendacji, które zostaną przeanalizowane w procesie tworzenia projektu. Wybieramy te najważniejsze, określone  w poprzednich punktach. I tak, np. dla wyboru komputerów panelowych należy wziąć pod uwagę następujące kryteria:

• wielkość ekranu (przekątna): efektywny wybór w stosunku do aplikacji, ale również dostępnego miejsca.
• obsługa dotykowa: to, czy operator obsługuje ekran np. w rękawicach?
• jasność ekranu i dostosowanie do warunków oświetlenia: jeśli urządzenie będzie pracować na zewnątrz lub przy dużym natężeniu światła należy wybrać wyższe parametry cd/m2.
• temperatura pracy oraz szczelność: należy zastanowić się nad tym, jakie czynniki chemiczne są obecne w środowisku produkcyjnym.
• odporność na drgania i wibracje: obecność dużych maszyn (np. pras) powoduje generowanie wstrząsów i wibracji.
• sposób montażu: czy urządzenie może być montowane na standzie, maszynie czy np. na ścianie?
• możliwość rozbudowy: o kolejne moduły, porty I/O itd.
• system operacyjny dla urządzeń embedded.
• serwis w Polsce – brak dostępu do lokalnego serwisu powoduje dodatkowe, wysokie koszty wysyłek (np. do Azji) i wydłuża okres naprawy.

Skalowanie rozwiązania IIoT

Dobieramy rozwiązania zgodne z wymaganiami aplikacji. Jeśli docelowo urządzenia ma obsługiwać np. aplikację w przeglądarce nie wybierajmy mocnego procesora, gdyż ponosimy większe koszty zakupy nie wykorzystując jego możliwości. Z kolei, jeśli w najbliższej przyszłości operatorzy będą korzystać z dodatkowych aplikacji (obsługa projektów DWG, dokumentacji PDF itd.) weźmy to pod uwagę przy określaniu konfiguracji. Podobnie jak wielkość SSD czy ilość RAM. Rozwiązania przemysłowe kupujemy na wiele lat ciągłej eksploatacji, nie jak w przypadku urządzeń „biurowych” na 3 czy 4 lata.

W końcu… czas na wdrożenie IIoT!

Projekty IoT mają tę zaletę, że możliwe jest zbudowanie środowiska testowego z wykorzystaniem niewielkiego budżetu.

Przykładem może być monitorowanie poziomu wibracji. Potrzebujemy:

• jeden lub dwa sensory wibracji WISE-2410,
• Gateway LoRa np. WISE-6610,
• komputer przemysłowy serii UNO lub ARK, na którym zainstalujemy WebAccess SCADA (w wersji demo lub korzystając ze specjalnej oferty dla komputerów Advantech).

To wszystko! Uruchamiając taki Proof-of-Concept obserwujemy, w jaki sposób rozwiązanie pomoże nam w realizacji celów związanych z utrzymaniem ruchu. Kolejnym etapem może być dołączenie kolejnych sensorów dla innych maszyn oraz monitorowanie innych zmiennych procesu poprzez dodatkowe sensory i moduły komunikacyjne.

Analiza danych i wizualizacja

Mając tak dużą ilość danych oraz sprecyzowane cele pomiarów, możemy budować scenariusze analityczne, jak również kokpity z wizualizacją danych, które dla nas będą istotne z punktu widzenia poprawy i optymalizacji procesów przemysłowych.

W przypadku najnowszej wersji oprogramowania WebAccess SCADA od Advantech, środowisko Grafana jest już obecne w pakiecie, więc nie potrzebujemy dodatkowych pakietów, aby stworzyć atrakcyjną wizualizację danych.

Podsumowując, projekt Industrial IoT, nie musi być wcale trudny i kosztowny. Możemy zminimalizować jego ryzyko, jeśli określimy dokładnie cele projektu oraz kryteria wyboru uzależnione od naszych potrzeb oraz wykorzystywanego środowiska. A co najważniejsze, możemy rozpocząć od fazy testowania (PoC) i rozwijać projekt, dołączając kolejne urządzenia i maszyny.

Sławomir Janczewski
Product Manager marki Advantech
w Exclusive Networks Poland

Jeśli jesteś zainteresowany rozwiązaniami Advantech lub chcesz porozmawiać z autorem artykułu, wypełnij formularz lub skontaktuj się bezpośrednio – mailowo lub telefonicznie  (slawomir.janczewski@veracomp.pl, 725 140 137).