Internet công nghiệp, với tư cách là một mô hình kinh doanh và mô hình ứng dụng mới nổi được hình thành nhờ sự tích hợp sâu sắc của-công nghệ thông tin thế hệ tiếp theo với nền kinh tế công nghiệp, đóng vai trò là nền tảng quan trọng để các doanh nghiệp công nghiệp đạt được chuyển đổi kỹ thuật số. Trong những năm gần đây, nhiều giải pháp tích hợp đã xuất hiện thông qua đổi mới phù hợp với đặc điểm sản xuất và điểm yếu của các ngành công nghiệp trọng điểm. Các ví dụ bao gồm cộng tác chuỗi cung ứng trong sản xuất thiết bị cao cấp-, vận hành và bảo trì từ xa các thiết bị chính, bảo tồn năng lượng và giảm phát thải trong ngành thép cũng như giám sát an toàn sản xuất trong lĩnh vực hóa dầu. Các giải pháp này tận dụng triệt để các hiệu ứng tổng hợp và khuếch đại của Internet công nghiệp, thúc đẩy chuyển đổi kỹ thuật số trong sản xuất và mang lại giá trị cốt lõi trong việc nâng cao chất lượng, giảm chi phí và tăng hiệu quả.
Nền tảng Internet công nghiệp cung cấp khả năng tổng hợp, tích hợp, lưu trữ, xử lý, tính toán và phân tích dữ liệu công nghiệp lớn, cho phép doanh nghiệp xây dựng nền tảng dữ liệu kiểm soát vận hành toàn bộ{0}}vòng đời thống nhất. Nhiều công nghệ liên quan đến nền tảng-đang được lặp lại và cải tiến liên tục (ví dụ: các thành phần vi dịch vụ, vùng chứa, xử lý dữ liệu hàng loạt, xử lý luồng). Những công nghệ này dần dần trao quyền cho chúng tôi tiến hành-phân tích chuyên sâu về dữ liệu công nghiệp khổng lồ, không đồng nhất, đồng thời đẩy nhanh quá trình tích lũy kiến thức công nghiệp, tách rời phần cứng và phần mềm cũng như triển khai nhanh chóng các ứng dụng đổi mới. Tuy nhiên, chúng tôi nhận thấy rằng các công nghệ nguồn mở,-tiên tiến này về cơ bản là những công cụ giúp doanh nghiệp đạt được hoạt động sản xuất thông minh-chứ không phải là mục tiêu cuối cùng. Bằng cách tận dụng những nền tảng như vậy, các doanh nghiệp lớn có thể tối ưu hóa hoạt động sản xuất trên toàn bộ phạm vi sản xuất, nâng cao toàn bộ chuỗi giá trị của tài sản và hoạt động, đồng thời cuối cùng đạt được sự tối ưu hóa giá trị{11}trên toàn vòng đời. Ví dụ: Tập đoàn Công ty Dầu khí Quốc gia Abu Dhabi (ADNOC) tận dụng trung tâm chỉ huy kỹ thuật số toàn cảnh của mình để giám sát tập trung và tối ưu hóa tài sản cũng như hiệu suất hoạt động của 14 công ty đang điều hành từ trụ sở chính. Thông qua các giải pháp như bảo trì dự đoán và tối ưu hóa chuỗi giá trị, tập đoàn đã xác định được các cơ hội tối ưu hóa giá trị tiềm năng trị giá từ 60 triệu đến 100 triệu USD cho tập đoàn (cung cấp các giải pháp tối ưu hóa chuỗi giá trị dầu khí, tích hợp chuỗi giá trị tài sản và hoạt động cũng như tối đa hóa lợi nhuận sản xuất và hoạt động).
Internet Công nghiệp cung cấp nhiều giải pháp trong các tình huống như mở rộng dịch vụ, cộng tác nối mạng và tùy chỉnh cá nhân hóa bằng cách kết nối doanh nghiệp, người dùng và sản phẩm. Tuy nhiên, nó vẫn đang trong giai đoạn khám phá các kịch bản sản xuất thông minh và doanh nghiệp vẫn phải đối mặt với những thách thức đáng kể trong hoạt động sản xuất.
Những thách thức mà các doanh nghiệp sản xuất ngày nay phải đối mặt
Thách thức thị trường: Những bất ổn về kinh tế và thị trường toàn cầu đang buộc các nhà sản xuất phải nhanh chóng điều chỉnh chiến lược để thích ứng với nhu cầu thị trường có nhịp độ- thường xuyên hơn và nhanh hơn, đồng thời điều chỉnh những biến động về chi phí nguyên liệu thô và năng lượng. Xu hướng này đang buộc các công ty phải suy nghĩ lại về phương pháp hoạt động của mình: họ phải liên tục tung ra các sản phẩm mới đồng thời rút ngắn chu kỳ mua sắm thiết bị, mốc thời gian phát triển sản phẩm mới và thời gian-tiếp-thị trường. Họ cần thiết lập các mô hình kinh doanh tối ưu hóa phối hợp-theo nhu cầu, chuỗi cung ứng{6}}và các hệ thống sản xuất linh hoạt như-quy mô lớn sản xuất hỗn hợp-dây chuyền-đặc biệt quan trọng đối với lĩnh vực sản xuất riêng biệt.
Những thách thức về nguồn nhân lực và duy trì kiến thức: Khi các thế hệ công nhân lớn tuổi nghỉ hưu, chuyên môn mà họ sở hữu về hệ thống kiểm soát, vận hành và bảo trì có nguy cơ bị mất đi. Các doanh nghiệp công nghiệp phải đối mặt với những thách thức đáng kể từ việc chuyển đổi lực lượng lao động. Thế hệ người bản xứ kỹ thuật số mới mong đợi kiến thức tự động hóa công nghiệp sẽ được tích hợp vào hệ thống mà họ sử dụng, trong khi tài năng OT truyền thống ngày càng khan hiếm.
Những thách thức về Tổng chi phí và Tuân thủ: Làm thế nào để tối ưu hóa và giảm chi phí cho các dự án xây dựng mới và chi phí vận hành trong khi vẫn tuân thủ các luật và quy định bảo vệ môi trường quốc gia ngày càng nghiêm ngặt để tạo điều kiện phát triển bền vững.
Các nhà quản lý công nghiệp hy vọng rằng Công nghiệp 4.0 và công nghệ Internet công nghiệp sẽ giúp họ giải quyết những thách thức mới này. Các nhà phân tích ngành ước tính rằng các công nghệ sản xuất thế hệ tiếp theo,-linh hoạt hơn có thể tăng năng suất sản xuất lên 30%. Tuy nhiên, nghiên cứu cũng chỉ ra rằng 60% công ty không thể thúc đẩy dự án của mình sau giai đoạn thí điểm. Kết quả này xuất phát từ nhiều yếu tố đa dạng liên quan đến nhân sự, quy trình và công nghệ. Về mặt công nghệ, hầu hết các nhà sản xuất đều nỗ lực để đạt được lợi nhuận cao hơn từ những đổi mới này, chủ yếu là do hệ thống nhà máy vận hành của họ vẫn khép kín, được thiết lập độc quyền. Kể từ những năm 1970, khi hệ thống DCS và PLC bước vào lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, các hệ thống độc quyền đã phát triển. Cho đến nay, thị trường đã phát triển dựa trên các mô hình gói phần mềm{11}}phần cứng, trong đó mỗi nhà cung cấp hệ thống thông tin và tự động hóa tạo ra hệ sinh thái phần mềm của riêng mình. Điều này buộc người dùng phải duy trì nhiều hệ thống OT và IT, thúc đẩy sự phụ thuộc cao vào các nhà cung cấp hệ thống.
Những điểm nghẽn hiện tại ở rìa của Internet công nghiệp
Phi-Kiến trúc kỹ thuật số-Hầu hết các hệ thống tự động hóa hiện đại đều được tối ưu hóa cao để kiểm soát-thời gian thực nhưng không tận dụng được các công nghệ tiến bộ nhanh chóng đang nổi lên từ miền CNTT. Những-công nghệ kỹ thuật số tiên tiến-này bao gồm phân tích, trí tuệ nhân tạo/học máy, phương pháp tiếp cận hướng đối tượng-và kiến trúc-hướng dịch vụ-là cần thiết để đạt được nền sản xuất thông minh.
-Mô hình kinh doanh lấy phần cứng làm trung tâm-Mặc dù các cải tiến về phần cứng có thể tối ưu hóa môi trường kiểm soát hiện tại nhưng chúng không phải là khía cạnh quan trọng nhất của chuyển đổi kỹ thuật số. Chìa khóa thực sự nằm ở sự đổi mới-theo hướng phần mềm nhằm giải quyết các thách thức công nghệ vận hành một cách thông minh. Do đó, giá trị doanh nghiệp đang dần chuyển đổi từ mô hình-được điều khiển bằng phần cứng sang mô hình được điều khiển bằng phần mềm-.
Hạn chế của hệ thống độc quyền-Hiện tại, các ứng dụng tự động hóa được phát triển cho một hệ thống không thể chạy trên hệ thống khác. Tuy nhiên, trong những thập kỷ qua trong lĩnh vực CNTT, các hệ điều hành mở như Linux đã thúc đẩy-sự phát triển ứng dụng của bên thứ ba, cho phép mở rộng hệ sinh thái nhanh chóng và tạo ra danh mục phần mềm phong phú đáp ứng nhu cầu kinh doanh trên nhiều ngành và phân khúc thị trường. Đáng tiếc là các hệ thống độc quyền trong lĩnh vực công nghiệp tạo ra rào cản đối với sự đổi mới: người dùng không thể cải thiện hệ thống sản xuất một cách hiệu quả về mặt chi phí hoặc tích hợp và so sánh các sản phẩm tốt nhất cùng loại từ các nhà cung cấp khác nhau. Tốc độ đổi mới của họ bị hạn chế bởi sự phụ thuộc vào các nhà cung cấp hệ thống độc quyền. Những rào cản này cuối cùng làm tăng tổng chi phí doanh nghiệp.
Đối với các nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM), thách thức nằm ở việc cân bằng hai ưu tiên: tận dụng khả năng gỡ lỗi ảo trong quá trình thiết kế mô-đun để kết nối thế giới ảo và thế giới thực-từ đó giảm chi phí, giảm thiểu rủi ro và tăng tốc thời gian-tiếp cận-thị trường-đồng thời nâng cao giá trị máy-các dịch vụ gia tăng để mở rộng thị trường và thúc đẩy tăng trưởng kinh doanh.
Các nhà tích hợp hệ thống (SI) phải đối mặt với một lỗ hổng nghiêm trọng: hệ thống tự động hóa thiếu các công cụ kết nối miền CNTT và OT. Cuối cùng, họ thấy mình buộc phải đầu tư nguồn nhân lực đáng kể vào việc phát triển các giải pháp tùy chỉnh có độ phức tạp cao. Điều quan trọng là các dịch vụ đặt riêng như vậy rất khó để nhân rộng rộng rãi trên thị trường. Họ tìm kiếm các khối chức năng phần mềm để bảo vệ kiến thức công nghiệp và các giải pháp-cụ thể trong ngành của họ, từ đó giảm nỗ lực kỹ thuật có giá trị-thấp (bằng cách sử dụng lại các đối tượng và xử lý thuật toán trong nhiều dự án). Điều này cho phép các chuyên gia kỹ thuật của họ tập trung hơn vào việc giải quyết các điểm yếu và thách thức trong các quy trình Sản xuất, Vận hành và Bảo trì (MOM), cuối cùng là tạo ra giá trị lớn hơn.
Về phía-người dùng cuối (EU), việc giải quyết những thách thức này đòi hỏi phải có hệ thống quản lý toàn diện để giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động ngoài dự kiến, đảm bảo phân phối sản phẩm trong mùa cao điểm và giảm sự phụ thuộc vào hỗ trợ kỹ thuật bên ngoài. Người ta mong muốn có các hệ thống/dây chuyền sản xuất linh hoạt để đảm bảo tính linh hoạt trong sản xuất, cho phép sản xuất linh hoạt hơn khi nhu cầu thay đổi hoặc lịch bảo trì thay đổi.
Để giải quyết hiệu quả những vấn đề này và thực sự thiết lập một hệ sinh thái công nghiệp kỹ thuật số "công nghiệp được xác định bằng phần mềm" đòi hỏi phải giải quyết các hệ thống, tiêu chuẩn OT khép kín và các thách thức về hệ sinh thái ngay tại nguồn. Điều này đòi hỏi phải áp dụng các tiêu chuẩn và hệ thống tự động hóa mở đồng thời tích hợp các khả năng kỹ thuật bổ sung để tăng tốc độ hội tụ CNTT-OT.
Tương lai của hệ thống tự động hóa mở
Kiến trúc hệ thống tự động hóa trong tương lai chắc chắn sẽ phát triển theo hướng mở, triển khai phân tán và bảo mật vốn có. Công nghệ tự động hóa công nghiệp và điện toán biên tạo thành nền tảng của các hệ thống mở này. So với các hệ thống độc quyền truyền thống, kiến trúc tự động hóa mở sẽ thể hiện những biến đổi sau:
Rõ ràng là các kiến trúc tự động hóa mở đẩy nhanh quá trình phát triển kỹ thuật, nâng cao tính linh hoạt của hệ thống, tính linh hoạt trong sản xuất và hiệu quả tổng thể. Sự thay đổi này không chỉ là một sự nâng cấp về mặt kỹ thuật-mà về cơ bản nó xác định lại cách thiết kế các quy trình và máy móc. Lập trình dài hạn, có giá trị thấp{4}}cho bộ điều khiển độc quyền sẽ chuyển sang hệ thống tự động hóa cắm-và-chạy. Các hệ thống này sẽ tận dụng các khối chức năng phần mềm được xác thực kỹ lưỡng và mở rộng được phát triển bởi một hệ sinh thái rộng lớn. Chúng sẽ chạy trên nhiều phần cứng khác nhau từ nhiều nhà cung cấp-từ hệ thống điều khiển nhúng đến các thiết bị trí tuệ biên mạnh mẽ.
Các tiêu chuẩn mở rất cần thiết để xây dựng các hệ thống tự động hóa mở và IEC 61499 là tiêu chuẩn then chốt mở ra giới hạn mới này. Bằng cách xác định các quy tắc lập mô hình hướng đối tượng,{2}}nó gói gọn các mô hình điều khiển và thuật toán của các đối tượng được điều khiển vào "hộp đen" (khối chức năng phần mềm). Các khối chức năng đã được xác minh này có thể được sử dụng lại trong các tình huống khác nhau, giúp giảm đáng kể nỗ lực lập trình lặp đi lặp lại. Đối với người dùng, chỉ cần hiểu chức năng được cung cấp là đủ mà không cần biết chi tiết triển khai, từ đó bảo vệ tài sản trí tuệ của nhà phát triển. Không giống như các khối chức năng truyền thống, các khối chức năng được xác định bởi tiêu chuẩn này hoạt động dựa trên việc kích hoạt sự kiện thay vì quét theo chu kỳ. Điều này phù hợp với các khái niệm-hướng đối tượng và phương pháp lập trình trong lĩnh vực CNTT, khiến nó trở thành công nghệ hội tụ IT/OT tự nhiên. Nó tạo điều kiện cải thiện hiệu suất CPU của bộ điều khiển và cân bằng tải, đặc biệt phù hợp với các hệ thống phân tán và cho phép tích hợp liền mạch các công nghệ CNTT tiên tiến vào các hệ thống tự động hóa. Tiêu chuẩn này xác định thêm các quy tắc cho mô hình ứng dụng, mô hình hệ thống và mô hình thiết bị/tài nguyên. Sự tích hợp của chúng cho phép người dùng thiết kế các ứng dụng độc lập với phần cứng tự động hóa cơ bản. Cách tiếp cận trừu tượng hóa phần cứng này rút ngắn thời gian của dự án và giảm sự phụ thuộc vào các nhà sản xuất thiết bị. Kết hợp với việc phát triển các khối chức năng theo hướng đối tượng, nó đơn giản hóa đáng kể việc điều chỉnh trực tuyến cho dây chuyền và thiết bị sản xuất. Đương nhiên, tiêu chuẩn này cũng cung cấp các phương pháp để soạn các khối chức năng cơ bản thành các khối tổng hợp và để kết nối nhanh chóng các khối chức năng khác nhau (thông qua thao tác kéo{15}}và-thả đơn giản), giảm đáng kể khối lượng công việc gỡ lỗi lập trình phần mềm và tỷ lệ lỗi chương trình. Tóm lại, đạt được khả năng tương tác của thiết bị, khả năng cấu hình lại hệ thống và tính di động của phần mềm là các mục tiêu cốt lõi của nó. Các tổ chức như Diễn đàn tự động hóa quy trình mở (OPAF) và Hiệp hội người dùng tự động hóa ngành công nghiệp quy trình quốc tế (NAMUR), hiện được dẫn dắt bởi sự tham gia của{19}người dùng cuối, đang ủng hộ việc chuyển đổi khỏi các khung hệ thống tự động hóa độc quyền hiện có dựa trên tiêu chuẩn này-minh họa tốt nhất cho mục tiêu theo đuổi này.
Trong những năm gần đây, công nghệ điện toán biên cũng có sự phát triển nhanh chóng. Công nghệ container cung cấp các phương pháp hiệu quả để cập nhật/nâng cấp hàng loạt ứng dụng nhằm kiểm soát biên và đảm bảo truyền và xử lý dữ liệu kịp thời. Các công nghệ vùng chứa, chủ yếu là Docker và các công cụ điều phối vùng chứa như Kubernetes hiện đang trưởng thành. Kiến trúc microservice liên tục nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên ở biên, thúc đẩy việc tách rời và tái sử dụng chức năng, tăng tốc phát triển ứng dụng và đã trở thành xu hướng chính trong công nghệ điện toán biên. Các tiêu chuẩn như OPC UA và Mạng nhạy cảm-thời gian (TSN) cung cấp các khuôn khổ quốc tế và mạng xác định cho khả năng kết nối thiết bị hiện trường, đáp ứng các yêu cầu trao đổi và truyền dữ liệu đa dạng trong các ứng dụng công nghiệp. Việc tích hợp các công nghệ thông tin và truyền thông thế hệ tiếp theo-này với các công nghệ tiêu chuẩn IEC 61499 sẽ đẩy nhanh tiến độ tự động hóa mở. Tính mở này không chỉ mở rộng sang các tiêu chuẩn mà còn mở rộng sang kiến trúc mạng, phần cứng, phần mềm và hệ thống, tạo nền tảng vững chắc để đạt được số hóa, kết nối mạng và trí thông minh trong các nhà máy và phân xưởng.
Tự động hóa mở sẽ thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của Internet công nghiệp, cuối cùng là giải quyết các điểm yếu của người dùng cuối, nhà tích hợp hệ thống và OEM. Cách tiếp cận này đạt được khả năng sản xuất linh hoạt, rút ngắn thời gian-tiếp cận-thị trường, giảm thời gian và chi phí kỹ thuật, nâng cao hiệu quả hoạt động và sản xuất cũng như bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ. Thật vậy, một nghiên cứu so sánh gần đây của một công ty bên thứ ba{4}}quốc tế đã nêu bật điều này một cách hiệu quả: Để hoàn thành một dự án tự động hóa quy mô nhỏ-điển hình (các nhiệm vụ bao gồm tạo ứng dụng, nhập cơ sở dữ liệu có liên quan, thiết lập logic, định cấu hình thiết bị, phát triển HMI và triển khai dự án), các công cụ phần mềm tự động hóa truyền thống cần 40 giờ. Ngược lại, sử dụng hệ thống tự động hóa mở đã giảm thời gian này xuống 68%. Để kiểm tra tính linh hoạt của hệ thống, bộ điều khiển đã được hoán đổi thủ công giữa các thiết bị và bộ điều khiển mới được định cấu hình cho các thiết bị gốc. Các hoạt động này tỏ ra cồng kềnh với các hệ thống độc quyền truyền thống, trong khi các hệ thống tự động hóa mở thực hiện chúng nhanh hơn 70% đến 80%.
Tóm lại, liệu Internet Công nghiệp trong tương lai có thể khắc phục được các tắc nghẽn hiện tại và thúc đẩy hơn nữa quá trình chuyển đổi kỹ thuật số của các doanh nghiệp công nghiệp theo chiều sâu và chiều rộng hay không phụ thuộc vào việc thiết lập một hệ thống tự động hóa mở được xây dựng dựa trên các khái niệm, kiến trúc và tiêu chuẩn mới. Các hệ thống độc quyền tập trung vào phần cứng{1}}truyền thống sẽ được thay thế bằng các hệ thống mở tập trung vào phần mềm-. Nhiều công nghệ đám mây hơn sẽ được áp dụng cho điện toán biên, cho phép một lượng lớn nhân tài CNTT tích hợp sâu với kiến thức ứng dụng công nghiệp trong khuôn khổ mở này. Chúng ta có thể thấy trước rằng Internet công nghiệp sẽ tạo ra một con đường lành mạnh, bền vững bằng cách tận dụng hệ sinh thái mở này.