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什么是工業物聯網(IIoT)?工業物聯網是如何工作的?工業4.0和工業物聯網有什么關聯?

放大字體  縮小字體 發布日期:2023-03-16     來源:科工網     瀏覽次數:3438
 工業物聯網(IIoT) 被定義為一組設備和應用,允許大企業創建從核心到邊緣的端到端連接環境。其還包括傳統的物理基礎設施,如集裝箱和物流卡車,以收集數據,對事件做出反應,并在智能設備的幫助下做出更明智的決策。

工業物聯網(IIoT)是物聯網(IoT)的擴展,在消費領域有許多應用。物聯網用例包括,例如,Amazon Echo等智能家居設備,使用Alexa語音識別功能遠程關燈。

在工業運營中,該技術在基礎設施復雜、設備大型的環境中得到了大規模的商業應用。相比之下,工業物聯網可以遠程管理整個工廠的供暖、通風和空調(HVAC)系統。這只是一個簡化和改進企業運營管理的工業物聯網用例。

工業物聯網是如何工作的?

工業物聯網是物聯網的一個子類,企業正在重新定義如何連接、監控、分析工業數據并對其采取行動,以降低成本并促進增長。

工業物聯網背后的理念是使用工業設施中“啞巴設備”多年來產生的數據。裝配線上的智能機器不僅可以更快地捕獲和分析數據,且在交流重要信息方面也更快,這有助于更快、更準確地做出業務決策。

信息技術(IT)和運營技術(OT)的集成推動了工業物聯網的發展。它是連接設備和設備的網絡矩陣,通過傳感器技術收集數據、分析數據,并將其直接集成到作為服務的平臺中。工業物聯網將預示著工業用例的新時代,有許多經濟擴張的機會。

工業物聯網從工廠車間收集大量現場數據,通過連接節點傳輸,在服務器上進行分析,并在云平臺上將信息轉化為可操作的見解。這鼓勵企業為其特定市場和目標受眾做出更好的決策。換言之,工業物聯網是一個將執行器、傳感器、控制器、連接開關、網關和工業個人計算機(IPC)等邊緣設備連接到云端的系統。

工業4.0和工業物聯網有什么關聯?

工業4.0是第四次工業革命的產物。第四次工業革命的定義是傳統的自動化制造與由智能技術和自主通信設備驅動的工業流程的集成。

“工業4.0”一詞,簡稱為I4.0或I4,出現于2011年,是德國政府在過去20年里大力倡導工業流程數字化的一項倡議。

正如波士頓咨詢集團所述,工業物聯網是工業4.0的主要支柱,此外還有增材制造或3D打印、增強現實(AR)、自主機器人、大數據分析、云計算、網絡安全、橫向和縱向系統集成以及模擬。這是因為機器之間的自主通信和分散的數字環境能夠自動解決以前需要人工干預的問題。

工業4.0在更廣泛的范圍內涵蓋了工業物聯網、數字化和企業可持續發展。工業物聯網是工業4.0背后的驅動力,沒有它就不會有工業4.0。換句話說,工業物聯網僅限于數據檢測、數據傳輸、數據計算、數據處理和特定領域的智能應用。

工業物聯網的架構

典型的工業物聯網架構描述了數字系統的排列,使它們共同提供傳感器、物聯網設備、數據存儲和其他層之間的網絡和數據連接。因此,工業物聯網架構必須具備以下幾點:

1、網絡邊緣的物聯網設備

這些是位于物聯網生態系統邊緣的網絡對象的分組。這些位置盡可能靠近數據源的位置。這些通常是工業環境中的無線執行器和傳感器。一個處理單元或小型計算設備和一組觀察端點集合。邊緣物聯網設備可能包括棕地環境中的傳統設備、攝像頭、音箱、傳感器以及其他儀表和監視器。

在網絡最偏遠的邊緣會發生什么?傳感器從周圍環境和其所監測的物品中獲取數據,然后將信息轉化為物聯網平臺可以分析的指標和數字,并將其轉化為可操作的見解。執行器控制所觀察環境中發生的過程。它們改變了產生數據的物理環境。

2、邊緣數據管理和初始處理

沒有高質量、海量的數據,復雜的分析和人工智能就無法充分發揮其潛力。即使在傳感器級別,也可以進行數據處理。

在這方面,邊緣計算提供了最快的答案,因為數據是在網絡的邊緣,在傳感器本身進行預處理的。在這里,可以對數字和聚合數據進行分析。一旦收集了相關的見解,就可以進入下一個階段,而不是發送所有收集到的信息。這種額外的處理減少了發送到數據中心或云的數據量。

3、用于高級處理的云

邊緣設備的預處理能力受到限制。雖然已盡可能地接近邊緣,以限制本地計算能力的消耗,但用戶將需要利用云來進行更深入和徹底的處理。

而此時,必須選擇是優先考慮邊緣設備的敏捷性和即時性,還是優先考慮云計算的高級見解;谠频慕鉀Q方案可以執行大量的處理。在這里,可以聚合來自不同來源的數據,并提供在邊緣無法獲得的見解。

在工業物聯網架構的背景下,云將具有:

集線器:除了遙測和設備控制外,其還提供與現場系統的安全鏈接。如果需要,集線器可以跨多個位置提供與本地系統的遠程連接。它維護所有通信元素,例如連接管理、安全通信通道以及設備驗證和授權。

存儲:用于存儲處理前后的信息。

分析:有助于數據處理和分析。

用戶界面:提供了將分析結果傳遞給終端用戶的可視化,通常是通過Web瀏覽器界面,也可以通過電子郵件、短信和電話提醒。

4、互聯網網關

在這里,傳感器數據被收集并轉化為數字通道,以便在互聯網網關進行進一步處理。在獲得聚合和數字化的數據后,網關將其通過互聯網傳輸,以便在上傳到云端之前可以對其進行進一步處理。網關仍然是邊緣數據收集系統的一部分。它與執行器和傳感器相鄰,并在邊緣執行初步數據處理。

網關可以作為硬件或軟件部署:

硬件:硬件網關是自主設備。為下游傳感器連接提供了基于有線(模擬和數字)和無線接口。還提供互聯網連接,無論是本地的還是通過到路由器的標準鏈接。

軟件:在PC上,可以安裝軟件網關,而不是連接硬件網關。軟件在后臺或前臺運行,并提供上游和下游通信鏈路作為硬件入口點,PC機提供物理接口;谲浖木W關可以通過用戶界面訪問視覺傳感器設置和傳感器數據呈現。

5、連接協議

跨工業物聯網系統傳輸數據需要協議。這些協議最好是符合行業標準、定義明確且安全的。協議規范可以包含連接和布線的物理特性、建立通信信道的程序以及通過該信道發送的數據格式。

工業物聯網架構中使用的一些常見協議包括:

高級消息隊列協議(AMQP):這是一種連接引導、雙向、多路復用、緊湊的數據編碼消息傳輸協議。與HTTP不同,AMQP是為面向IIoT的云連接而構建的。

MQ遙測傳輸(MQTT):這是一種緊湊的客戶端-服務器消息傳輸協議。MQTT因其短消息幀大小和最小的代碼空間而有利于IIoT設備。

受限應用協議(CoAP):這是一種數據報導向的協議,可以通過傳輸層部署,包括用戶數據報協議(UDP)。CoAP是針對IIoT需求開發的HTTP的壓縮版本。

6、工業物聯網平臺

工業物聯網系統現在能夠協調、監控和控制整個價值鏈的操作。這些平臺控制設備數據,并管理邊緣設備的分析、數據可視化和人工智能(AI)任務,在某些情況下,還可以將傳感器直接傳輸到云中并返回。

工業互聯網參考架構(IIRA)可以作為工業物聯網領域開發復雜系統的參考。一般來說,IIRA的框架提倡企業使用系統的方法設計框架,其中包括反饋和迭代。此外,該報告建議為特定的商業部門定制工業物聯網設計,如能源、醫療保健、交通和政府使用。

工業物聯網的優勢

1、提高效率

工業物聯網最大的優勢是其能夠幫助企業實現自動化,從而最大限度地提高運營效率。此外,物理設備可以通過傳感器與軟件解決方案相連接,從而持續監測性能。這使企業能夠更好地了解特定設備和整個車隊的運營效率。此外,工業物聯網實現了數據驅動的決策和對所有生產流程的遠程監控。

2、增加產量

通過提高設備使用率,具有物聯網制造流程的組織可能會提高其生產力。如前所述,網絡設備提供持續的數據流,可以深入了解設備運行情況。這可以提高設備的整體效率,最大限度地提高機器在運行時間內的性能。此外,使用工業物聯網設備也提高了人力資本的使用率。智能設備可用于執行瑣碎、重復和危險的活動,從而將員工解放出來從事其他更具有戰略意義的生產相關工作。

3、減少錯誤

工業物聯網的使用迫使企業自動化生產操作。從工業運營中消除人為因素可以消除導致有缺陷的產品退出裝配線的低效率。隨著質量缺陷的減少,企業的盈利能力會因客戶滿意度和品牌認知度的提高而有所提高。

4、預測維護需求

預測性維護是一種通過分析生產數據來發現模式和預測即將發生的問題來避免資產故障的策略。

將工業物聯網傳感器集成到工業設備中,可以發出基于狀態的管理通知。這些傳感器記錄工作區域的溫度、濕度和其他環境變量,以及材料的組成和運輸因素已經或可能對運輸產生的影響。所有這些數據對于預測性維護都很有用。因此,可以避免資產故障、減少費用,并最大限度地減少機器停機時間。

5、確保工人安全

智能制造可實現更高的安全性,所有工業物聯網傳感器協作監控員工和工作場所的安全。綜合安全系統可以保護工作場所、生產線和人員。一旦發生事故,可以通知整個設施,可以停止活動,高級管理人員可以進行調解以解決問題。這一事件也可能產生有用的信息,可用于避免今后再次發生此類事件。

6、節約能源成本

工業運營是全球電力供應的主要來源,這不利于可持續發展和整體底線。使用傳感器和小設備持續監控系統可能會發現導致浪費的低效率。這不僅包括監控設備,還包括綜合業務,如調節設備的溫度、用水、濕度和照明。此外,隨著物聯網技術的進步,傳感器消耗的能源更少,這無疑是一個福音。

7、改善現場服務和客戶體驗

工業物聯網可以幫助改善現場服務的提供。它由時間、上下文和技術人員參與特定服務操作等方面決定。工業物聯網還允許實時數據可見性。這意味著原始設備制造商(OEM)、終端消費者和任何其他相關方都會了解出現的風險和困難,從而獲得積極的體驗。

如今工業物聯網是大企業的主要產品,也是微軟和亞馬遜網絡服務(AWS)等主要云供應商提供的關鍵產品之一。工業物聯網將高級數據分析和云的能力擴展到工業應用,如設備維護、工廠運營、供應鏈管理和人員安全。來自工業物聯網平臺的數據甚至可以幫助在數字環境中模擬和測試產品,將數字系統與物理系統完美融合,以指數方式提高工業成果。

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