Internet vạn vật công nghiệp (IIoT) được định nghĩa là một tập hợp các thiết bị và ứng dụng cho phép các tổ chức lớn tạo ra môi trường kết nối-đến{1}}kết thúc từ lõi đến rìa. Nó cũng bao gồm cơ sở hạ tầng vật lý truyền thống, chẳng hạn như container và xe tải hậu cần, để thu thập dữ liệu, phản ứng với các sự kiện và đưa ra quyết định sáng suốt hơn với sự trợ giúp của các thiết bị thông minh.
Internet vạn vật công nghiệp (IIoT) là một phần mở rộng của Internet vạn vật (IoT) và có nhiều ứng dụng trong không gian tiêu dùng. Ví dụ: các trường hợp sử dụng IoT bao gồm các thiết bị nhà thông minh như Amazon Echo, sử dụng nhận dạng giọng nói Alexa để tắt đèn từ xa.
Trong các hoạt động công nghiệp, công nghệ này đã được áp dụng thương mại ở quy mô lớn-trong môi trường có cơ sở hạ tầng phức tạp và thiết bị lớn. Ngược lại, IoT công nghiệp có thể quản lý từ xa các hệ thống sưởi, thông gió và điều hòa không khí (HVAC) trong toàn bộ nhà máy. Đây chỉ là một trường hợp sử dụng IoT công nghiệp để hợp lý hóa và cải thiện việc quản lý hoạt động kinh doanh.
IoT công nghiệp hoạt động như thế nào?
IoT công nghiệp là một tiểu thể loại của IoT nơi các doanh nghiệp đang xác định lại cách họ có thể kết nối, giám sát, phân tích và hành động dựa trên dữ liệu công nghiệp để giảm chi phí và thúc đẩy tăng trưởng.
Ý tưởng đằng sau IoT công nghiệp là sử dụng dữ liệu được tạo ra trong nhiều năm bởi các "thiết bị câm" trong các cơ sở công nghiệp. Máy móc thông minh trên dây chuyền lắp ráp không chỉ có thể thu thập và phân tích dữ liệu nhanh hơn mà còn truyền đạt thông tin quan trọng nhanh hơn, giúp đưa ra quyết định kinh doanh nhanh hơn và chính xác hơn.
Sự tích hợp của công nghệ thông tin (IT) và công nghệ vận hành (OT) thúc đẩy Internet vạn vật công nghiệp. Đó là một ma trận mạng kết nối các thiết bị với nhau, thu thập dữ liệu thông qua công nghệ cảm biến, phân tích và tích hợp trực tiếp vào các nền tảng hoạt động như dịch vụ. IoT công nghiệp sẽ báo trước một kỷ nguyên mới của các ứng dụng công nghiệp với nhiều cơ hội mở rộng kinh tế.
IoT công nghiệp thu thập lượng lớn dữ liệu hiện trường từ nhà máy, truyền dữ liệu qua các nút được kết nối, phân tích trên máy chủ và chuyển đổi thông tin thành thông tin chi tiết có thể hành động trên nền tảng đám mây. Điều này khuyến khích các doanh nghiệp đưa ra quyết định tốt hơn cho thị trường cụ thể và đối tượng mục tiêu của họ. Nói cách khác, IoT công nghiệp là một hệ thống kết nối các thiết bị biên như bộ truyền động, cảm biến, bộ điều khiển, thiết bị chuyển mạch được kết nối, cổng và máy tính cá nhân công nghiệp (IPC) với đám mây.
Công nghiệp 4.0 và IoT công nghiệp có liên quan như thế nào?
Công nghiệp 4.0 là sản phẩm của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư. Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư được định nghĩa là sự tích hợp của sản xuất tự động truyền thống với các quy trình công nghiệp được hỗ trợ bởi công nghệ thông minh và thiết bị liên lạc tự động.
Thuật ngữ "Công nghiệp 4.0", viết tắt là I4.0 hoặc I4, xuất hiện vào năm 2011 như một sáng kiến của chính phủ Đức ủng hộ mạnh mẽ việc số hóa các quy trình công nghiệp trong 20 năm qua.
Theo mô tả của Tập đoàn tư vấn Boston, Internet vạn vật công nghiệp (IoT) là trụ cột chính của Công nghiệp 4.0, bên cạnh sản xuất phụ gia hoặc in 3D, thực tế tăng cường (AR), robot tự động, phân tích dữ liệu lớn, điện toán đám mây, an ninh mạng, tích hợp hệ thống ngang và dọc và mô phỏng. Điều này là do giao tiếp tự động giữa máy móc và môi trường kỹ thuật số phi tập trung có khả năng tự động giải quyết các vấn đề mà trước đây cần có sự can thiệp của con người.
Công nghiệp 4.0 bao gồm Internet vạn vật công nghiệp, số hóa và tính bền vững của doanh nghiệp trong bối cảnh rộng hơn. IoT công nghiệp là động lực thúc đẩy Công nghiệp 4.0, nếu không có nó sẽ không có Công nghiệp 4.0. nói cách khác, IoT công nghiệp bị giới hạn ở việc phát hiện dữ liệu, truyền dữ liệu, tính toán dữ liệu, xử lý dữ liệu và các ứng dụng thông minh cụ thể theo miền.
Kiến trúc của Internet vạn vật công nghiệp
Kiến trúc IoT công nghiệp điển hình mô tả sự sắp xếp của các hệ thống kỹ thuật số sao cho chúng cùng nhau cung cấp kết nối mạng và dữ liệu giữa các cảm biến, thiết bị IoT, lưu trữ dữ liệu và các lớp khác. Do đó, kiến trúc IoT công nghiệp phải có những điều sau.
1. Thiết bị IoT ở rìa mạng
Đây là các nhóm đối tượng mạng nằm ở rìa của hệ sinh thái IoT. Chúng được đặt càng gần vị trí của nguồn dữ liệu càng tốt. Đây thường là các thiết bị truyền động và cảm biến không dây trong môi trường công nghiệp. Một đơn vị xử lý hoặc thiết bị tính toán nhỏ và tập hợp các điểm cuối quan sát. Các thiết bị Edge IoT có thể bao gồm các thiết bị truyền thống trong môi trường brownfield, máy ảnh, loa, cảm biến cũng như các đồng hồ đo và màn hình khác.
Điều gì xảy ra ở rìa xa nhất của mạng? Cảm biến lấy dữ liệu từ môi trường xung quanh và các vật phẩm mà chúng giám sát, sau đó chuyển đổi thông tin thành số liệu và con số mà nền tảng IoT có thể phân tích và chuyển thành thông tin chi tiết hữu ích. Cơ cấu chấp hành kiểm soát các quá trình diễn ra trong môi trường được quan sát. Chúng thay đổi môi trường vật lý nơi dữ liệu được tạo ra.
2. Quản lý dữ liệu biên và xử lý ban đầu
Nếu không có-chất lượng cao, lượng dữ liệu khổng lồ, các phân tích phức tạp và trí tuệ nhân tạo không thể phát huy hết tiềm năng của chúng. Có thể xử lý dữ liệu ngay cả ở cấp độ cảm biến.
Về vấn đề này, điện toán ranh giới cung cấp câu trả lời nhanh nhất vì dữ liệu được-xử lý trước ở rìa mạng, tại chính cảm biến. Ở đây, dữ liệu kỹ thuật số và tổng hợp có thể được phân tích. Khi đã thu thập được những hiểu biết có liên quan, bạn có thể chuyển sang giai đoạn tiếp theo thay vì gửi tất cả thông tin đã thu thập. Quá trình xử lý bổ sung này làm giảm lượng dữ liệu được gửi đến trung tâm dữ liệu hoặc đám mây.
3. Đám mây để xử lý nâng cao
Các thiết bị biên bị hạn chế về khả năng tiền xử lý. Mặc dù biên đã được đưa đến gần nhất có thể để hạn chế mức tiêu thụ sức mạnh tính toán cục bộ, nhưng người dùng sẽ cần sử dụng đám mây để xử lý sâu hơn và kỹ lưỡng hơn.
Và tại thời điểm đó, phải đưa ra lựa chọn xem nên ưu tiên tính linh hoạt và tức thời của các thiết bị biên hay những hiểu biết sâu sắc nâng cao về điện toán đám mây. Các giải pháp dựa trên đám mây-có thể thực hiện khối lượng xử lý lớn. Tại đây, dữ liệu từ các nguồn khác nhau có thể được tổng hợp và cung cấp những hiểu biết sâu sắc không có sẵn ở biên.
Trong bối cảnh kiến trúc IoT công nghiệp, đám mây sẽ có.
Trung tâm:Ngoài việc đo từ xa và điều khiển thiết bị, nó còn cung cấp các liên kết an toàn đến các hệ thống hiện trường. Nếu được yêu cầu, trung tâm có thể cung cấp kết nối từ xa tới các hệ thống cục bộ trên nhiều địa điểm. Nó duy trì tất cả các yếu tố liên lạc như quản lý kết nối, các kênh liên lạc an toàn cũng như xác thực và ủy quyền thiết bị.
Kho:Dùng để lưu trữ thông tin trước và sau khi xử lý.
Phân tích:Góp phần xử lý và phân tích dữ liệu.
Giao diện người dùng:Cung cấp hình ảnh trực quan về kết quả phân tích được gửi đến người dùng cuối, thường thông qua giao diện trình duyệt web, nhưng cũng thông qua email, SMS và cảnh báo qua điện thoại.
4. Cổng Internet
Tại đây, dữ liệu cảm biến được thu thập và chuyển đổi thành các kênh kỹ thuật số để xử lý tiếp tại cổng internet. Sau khi có được dữ liệu tổng hợp và số hóa, cổng sẽ truyền dữ liệu qua Internet để có thể xử lý thêm trước khi tải lên đám mây. Cổng vẫn là một phần của hệ thống thu thập dữ liệu biên. Nó liền kề với bộ truyền động và cảm biến và thực hiện xử lý dữ liệu ban đầu ở rìa.
Cổng có thể được triển khai dưới dạng phần cứng hoặc phần mềm.
Phần cứng:Cổng phần cứng là thiết bị tự trị. Cung cấp các giao diện dựa trên dây (analog và kỹ thuật số) và không dây để kết nối cảm biến xuôi dòng. Kết nối Internet cũng được cung cấp cục bộ hoặc thông qua liên kết tiêu chuẩn tới bộ định tuyến.
Phần mềm:Trên PC, có thể cài đặt cổng phần mềm thay vì kết nối với cổng phần cứng. Phần mềm chạy ở chế độ nền hoặc nền trước và cung cấp các liên kết truyền thông ngược dòng và hạ lưu dưới dạng điểm truy cập phần cứng, với PC cung cấp giao diện vật lý. Cổng dựa trên phần mềm-cho phép truy cập vào cài đặt cảm biến thị giác và trình bày dữ liệu cảm biến thông qua giao diện người dùng.
5. Giao thức kết nối
Truyền dữ liệu qua các hệ thống IoT công nghiệp yêu cầu các giao thức. Lý tưởng nhất là các giao thức này phải là-tiêu chuẩn ngành,-được xác định rõ ràng và an toàn. Đặc tả giao thức có thể chứa các đặc tính vật lý của kết nối và nối dây, quy trình thiết lập kênh liên lạc và định dạng của dữ liệu được gửi qua kênh đó.
Một số giao thức phổ biến được sử dụng trong kiến trúc IoT công nghiệp bao gồm.
Giao thức xếp hàng tin nhắn nâng cao (AMQP):Đây là giao thức nhắn tin được mã hóa-có hướng dẫn, hai chiều, đa kênh, dữ liệu nhỏ gọn{2}}có hướng dẫn kết nối. Không giống như HTTP, AMQP được xây dựng cho kết nối đám mây theo định hướng IIoT{4}}.
Vận chuyển từ xa MQ (MQTT):Đây là giao thức nhắn tin máy chủ-máy khách nhỏ gọn.MQTT ưu tiên các thiết bị IIoT do kích thước khung tin nhắn ngắn và không gian mã tối thiểu.
Giao thức ứng dụng ràng buộc (CoAP):Đây là giao thức định hướng datagram có thể được triển khai trên lớp truyền tải bao gồm Giao thức gói dữ liệu người dùng (UDP). CoAP là phiên bản nén của HTTP được phát triển cho các yêu cầu IIoT.
6. Nền tảng IoT công nghiệp
Các hệ thống IoT công nghiệp hiện có thể điều phối, giám sát và kiểm soát các hoạt động trên toàn chuỗi giá trị. Các nền tảng này kiểm soát dữ liệu thiết bị và quản lý các tác vụ phân tích, trực quan hóa dữ liệu và trí tuệ nhân tạo (AI) cho các thiết bị biên và trong một số trường hợp là các cảm biến trực tiếp lên đám mây và ngược lại.
Kiến trúc tham chiếu Internet công nghiệp (IIRA) có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo để phát triển các hệ thống phức tạp trong không gian IoT công nghiệp. Nhìn chung, khuôn khổ của IIRA ủng hộ việc các tổ chức thiết kế khuôn khổ bằng cách sử dụng cách tiếp cận hệ thống bao gồm phản hồi và lặp lại. Ngoài ra, nó khuyến nghị tùy chỉnh các thiết kế IoT công nghiệp cho các lĩnh vực kinh doanh cụ thể, chẳng hạn như năng lượng, chăm sóc sức khỏe, giao thông vận tải và sử dụng của chính phủ.
Ưu điểm của IoT công nghiệp
IoT công nghiệp cung cấp những lợi thế sau.
1. Hiệu quả tăng lên
Ưu điểm lớn nhất của IoT công nghiệp là khả năng giúp các công ty tự động hóa và do đó tối đa hóa hiệu quả hoạt động. Ngoài ra, các thiết bị vật lý có thể được kết nối với các giải pháp phần mềm thông qua các cảm biến liên tục theo dõi hiệu suất. Điều này cho phép các tổ chức hiểu rõ hơn về hiệu quả hoạt động của các thiết bị cụ thể và toàn bộ đội xe. Ngoài ra, IoT công nghiệp cho phép ra quyết định-dựa trên dữ liệu{4}}và giám sát từ xa tất cả quy trình sản xuất.
2. Tăng sản lượng
Bằng cách tăng cường sử dụng thiết bị, các tổ chức có quy trình sản xuất IoT có thể tăng năng suất của họ. Như đã đề cập trước đó, các thiết bị nối mạng cung cấp luồng dữ liệu liên tục có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về hoạt động của thiết bị. Điều này có thể cải thiện hiệu suất tổng thể của thiết bị và tối đa hóa hiệu suất của máy trong thời gian chạy. Ngoài ra, việc sử dụng các thiết bị IoT công nghiệp giúp cải thiện việc sử dụng nguồn nhân lực. Các thiết bị thông minh có thể được sử dụng để thực hiện các hoạt động tầm thường, lặp đi lặp lại và nguy hiểm, từ đó giải phóng nhân viên cho các nhiệm vụ khác liên quan đến sản xuất-chiến lược hơn.
3. Giảm lỗi
Việc sử dụng IoT công nghiệp đang buộc các công ty phải tự động hóa hoạt động sản xuất của họ. Loại bỏ yếu tố con người khỏi hoạt động công nghiệp sẽ loại bỏ sự kém hiệu quả khiến sản phẩm bị lỗi thoát ra khỏi dây chuyền lắp ráp. Với ít khiếm khuyết về chất lượng hơn, lợi nhuận của công ty sẽ được cải thiện do sự hài lòng của khách hàng và nhận diện thương hiệu tăng lên.
4. Yêu cầu bảo trì dự đoán
Bảo trì dự đoán là một chiến lược để tránh hư hỏng tài sản bằng cách phân tích dữ liệu sản xuất để phát hiện các mô hình và dự đoán các vấn đề sắp xảy ra.
Việc tích hợp cảm biến IoT công nghiệp vào thiết bị công nghiệp cho phép đưa ra thông báo quản lý dựa trên điều kiện-. Những cảm biến này ghi lại nhiệt độ, độ ẩm và các biến số môi trường khác trong khu vực làm việc, cũng như thành phần của vật liệu và các yếu tố vận chuyển có hoặc có thể tác động đến vận chuyển như thế nào. Tất cả dữ liệu này rất hữu ích cho việc bảo trì dự đoán. Kết quả là có thể tránh được hư hỏng tài sản, giảm chi phí và giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động của máy.
5. Đảm bảo an toàn cho người lao động
Sản xuất thông minh mang lại sự an toàn cao hơn nhờ tất cả các cảm biến IoT công nghiệp phối hợp để giám sát sự an toàn của nhân viên và nơi làm việc. Một hệ thống an toàn tích hợp bảo vệ nơi làm việc, dây chuyền sản xuất và nhân sự. Trong trường hợp xảy ra sự cố, toàn bộ cơ sở có thể được thông báo, các hoạt động có thể bị tạm dừng và quản lý cấp cao có thể hòa giải để giải quyết vấn đề. Sự cố cũng có thể tạo ra thông tin hữu ích có thể được sử dụng để tránh tái diễn trong tương lai.
6. Tiết kiệm chi phí năng lượng
Hoạt động công nghiệp là nguồn cung cấp năng lượng chính cho toàn cầu, điều này gây bất lợi cho tính bền vững và lợi nhuận chung. Việc giám sát liên tục các hệ thống sử dụng cảm biến và thiết bị nhỏ có thể cho thấy sự kém hiệu quả dẫn đến lãng phí. Điều này không chỉ bao gồm thiết bị giám sát mà còn bao gồm các hoạt động tích hợp như điều chỉnh nhiệt độ, lượng nước sử dụng, độ ẩm và ánh sáng của thiết bị. Ngoài ra, với những tiến bộ trong công nghệ IoT, các cảm biến tiêu thụ ít năng lượng hơn, đây chắc chắn là một lợi ích.
7. Cải thiện dịch vụ tại hiện trường và trải nghiệm khách hàng
IoT công nghiệp có thể giúp cải thiện việc cung cấp dịch vụ tại hiện trường. Nó được xác định bởi các khía cạnh như thời gian, bối cảnh và sự tham gia của kỹ thuật viên vào một hoạt động dịch vụ cụ thể. IoT công nghiệp cũng cho phép hiển thị dữ liệu theo thời gian thực. Điều này có nghĩa là các nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM), người tiêu dùng cuối và bất kỳ bên quan tâm nào khác sẽ nhận thức được những rủi ro và khó khăn phát sinh, mang lại trải nghiệm tích cực.
Ví dụ về IoT công nghiệp
Từ bán lẻ đến sản xuất, hầu hết các ngành và doanh nghiệp đáng chú ý đều đã sử dụng IoT công nghiệp theo một cách nào đó. Dưới đây là một số ví dụ đáng chú ý về IoT công nghiệp với kết quả kinh doanh tích cực:
1. PepsiCo sử dụng IoT công nghiệp để theo dõi tài sản
Các thành phần IoT công nghiệp được nhúng trong vận tải, đội xe và đóng gói có thể giúp theo dõi hàng tồn kho từ đầu đến cuối. Nó cũng nên duy trì sự cân bằng giữa cung và cầu bằng cách theo dõi mức tồn kho. pepsiCo là một ví dụ về một công ty sử dụng trường hợp sử dụng IoT công nghiệp này. Nó sử dụng một số công nghệ để thích ứng với nhu cầu thị trường, quản lý khả năng hiển thị của hệ thống kiểm kê và tự động điều chỉnh các quy tắc bổ sung.
2. BMW sử dụng IoT công nghiệp để tạo ra bản sao kỹ thuật số cho các sản phẩm của mình.
Bản sao kỹ thuật số là một ứng dụng IoT công nghiệp, trong đó một bộ cảm biến phức tạp được sử dụng để xây dựng mô phỏng chính xác về sản phẩm hoặc môi trường sản xuất đến từng chi tiết và tính năng vật lý cuối cùng. BMW sử dụng IoT công nghiệp, trí tuệ nhân tạo (AI) và các công nghệ nhập vai để xây dựng bản sao kỹ thuật số của toàn bộ quy trình sản xuất của nhà máy. Điều này cho phép các tổ chức phát triển, đánh giá và tối ưu hóa sản phẩm trong môi trường-thế giới thực mà không phải chịu chi phí hoặc rủi ro liên quan.
3. Larsen & Toubro (L&T) sử dụng IoT công nghiệp để giám sát từ xa và tiết kiệm chi phí
Các ngành năng lượng và tiện ích sử dụng cơ sở hạ tầng vận hành lớn, đôi khi ở trong điều kiện nguy hiểm, không phù hợp để vận hành thủ công. Trong những tình huống này, các thiết bị IoT công nghiệp có thể thu thập và truyền dữ liệu vận hành quan trọng mà không cần sự hiện diện của con người. Ví dụ, L&T đang triển khai một trạm hydro xanh được giám sát từ xa ở Gujarat, Ấn Độ. Sử dụng IoT công nghiệp, L&T có thể giảm chi phí vận hành và năng lượng, đồng thời thu được những hiểu biết sâu sắc có liên quan về hoạt động của nhà máy năng lượng.
4. Một nhà máy chưng cất ở Ireland sử dụng IoT công nghiệp để giám sát môi trường
Ngành thực phẩm và đồ uống phụ thuộc rất nhiều vào khả năng sản xuất và bảo quản sản phẩm trong điều kiện môi trường lý tưởng. Hệ thống IoT công nghiệp có thể theo dõi những thay đổi của môi trường và cảnh báo người quản lý sàn về sự xuống cấp của sản phẩm trước khi nó xảy ra. Các nhà máy chưng cất sản xuất đồ uống có cồn là một ví dụ lý tưởng về IoT công nghiệp vì chúng hoạt động trong điều kiện môi trường mong manh. Nhà cung cấp nhà máy chưng cất Frilli gần đây đã triển khai công nghệ IoT công nghiệp cho một thương hiệu đồ uống của Ireland nhằm cung cấp khả năng tự động hóa, hiệu quả và hài hòa hóa các quy trình.
5. Airbus tận dụng nền tảng IoT công nghiệp của Bosch để tạo ra các nhà máy thông minh
Airbus tìm cách loại bỏ sự cố bằng cách tích hợp cảm biến IoT công nghiệp vào máy móc và thiết bị trên sàn sản xuất và cung cấp cho nhân viên các thiết bị đeo được như kính thông minh công nghiệp. Một sai sót trong quy trình có thể khiến tổ chức phải tốn hàng triệu đô la để sửa chữa. Airbus đang sử dụng trí thông minh kỹ thuật số để tối ưu hóa hoạt động và tăng năng suất sau khi hợp tác với Bosch để ra mắt Nhà máy của Tương lai.
Ngày nay IoT công nghiệp là một sản phẩm chủ yếu dành cho các doanh nghiệp lớn và là một trong những dịch vụ chính của các nhà cung cấp đám mây lớn như Microsoft và Amazon Web Services (AWS). IoT công nghiệp mở rộng khả năng phân tích dữ liệu nâng cao và khả năng đám mây cho các ứng dụng công nghiệp như bảo trì thiết bị, vận hành nhà máy, quản lý chuỗi cung ứng và an toàn nhân sự. Dữ liệu từ nền tảng IoT công nghiệp thậm chí có thể giúp mô phỏng và thử nghiệm các sản phẩm trong môi trường kỹ thuật số, tích hợp liền mạch các hệ thống vật lý và kỹ thuật số để cải thiện kết quả công nghiệp theo cấp số nhân.