從策略到案例——云平臺如何使制造業(yè)受益？
發(fā)布時間：2024-03-29 作者：Satish Balasubramanian
本文圖片來源：Yokogawa
從整體上看，云架構(gòu)可能非常復(fù)雜。從OT層面著手可以使問題更清晰，更易于實施和部署。
數(shù)字化轉(zhuǎn)型通過由云基礎(chǔ)設(shè)施支持的數(shù)字技術(shù)，重新調(diào)整企業(yè)的業(yè)務(wù)方式，將其應(yīng)用到價值鏈優(yōu)化、企業(yè)規(guī)劃和資產(chǎn)管理等所有運(yùn)營領(lǐng)域，甚至擴(kuò)展到健康、安全和環(huán)境管理。關(guān)于數(shù)字化轉(zhuǎn)型和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的討論包括運(yùn)營技術(shù)（OT）和信息技術(shù)（IT）的融合、云和網(wǎng)絡(luò)策略等。數(shù)字化轉(zhuǎn)型和IIoT主題的廣泛性甚至可能讓擁有豐富OT經(jīng)驗的人也不能完全掌握。
全面的云架構(gòu)包括六層，涵蓋從單個現(xiàn)場儀器到企業(yè)范圍管理網(wǎng)絡(luò)的所有內(nèi)容（圖1）。對于OT領(lǐng)域的人來說，重點(diǎn)是自下而上地考慮以下三個方面：
■ 云遷移的核心目標(biāo)以及與其實際效益的關(guān)系。
■ 將現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)與云連接的必要條件。
■ 數(shù)字化轉(zhuǎn)型在現(xiàn)實世界中發(fā)揮重要作用的實例。
▲圖1：全面的云架構(gòu)包涵蓋從單個現(xiàn)場儀器到企業(yè)范圍管理網(wǎng)絡(luò)的所有內(nèi)容。
為了幫助分析，我們可以使用一個假設(shè)的公司作為示例，假設(shè)第0層已經(jīng)運(yùn)行良好。現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)和自動化主機(jī)（分布式控制系統(tǒng)（DCS）、可編程邏輯控制器（PLC）或其他自動化設(shè)備）可控制過程，并使用過程歷史記錄器保留基本數(shù)據(jù)。這是操作的 OT 端。它們?nèi)绾芜B接到IT 和云？這就是邊緣技術(shù)的作用所在。
01 使用三層邊緣策略
“邊緣”一詞其實具有一些誤導(dǎo)性，因為它有時也處于許多事物的中心。邊緣系統(tǒng)不僅是傳統(tǒng)OT系統(tǒng)和IT之間的橋梁，也是本地系統(tǒng)和云之間的橋梁。除了將本地數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆疲吘壯b置還可以支持非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，甚至支持運(yùn)行時敏感的邏輯和人工智能（AI）。這樣，它就可以在更大的體系結(jié)構(gòu)中，成為一個非常具有戰(zhàn)略意義的環(huán)節(jié)。
邊緣系統(tǒng)必須有一個有效的OT系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集機(jī)制，這樣它才能毫無問題地將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到云中。這需要硬件和軟件的結(jié)合，邊緣系統(tǒng)的規(guī)格必須根據(jù)應(yīng)用的性質(zhì)來確定，并考慮以下因素：彈性、可用性、延遲、吞吐量、帶寬、隱私和安全。
邊緣控制器的主要作用是調(diào)節(jié)從OT和IT層到數(shù)據(jù)中心或云的信息流（反之亦然），在適用的情況下提供數(shù)據(jù)存儲、緩沖和批量上傳。它還可以實現(xiàn)智能化，在工廠附近執(zhí)行數(shù)據(jù)過濾和業(yè)務(wù)邏輯執(zhí)行——通常使用機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）或遷移學(xué)習(xí)算法。
邊緣使用符合開放行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（如OPC和OPC UA）的接口，從過程系統(tǒng)或歷史記錄中獲取OT數(shù)據(jù)。還有一些原生接口，支持許多其它行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，如Modbus、Foundation Fieldbus和Profibus。
標(biāo)準(zhǔn)安全實踐通常將邊緣設(shè)備部署在隔離區(qū)（DMZ）配置中。DMZ是一個物理或邏輯子網(wǎng)絡(luò)，包含并公開組織面向外部的服務(wù)。其它選項可能涉及具有信息二極管的服務(wù)器。還可以根據(jù)組織安全策略從外部網(wǎng)絡(luò)（如云）配置和管理邊緣網(wǎng)關(guān)。
▲圖2：邊緣系統(tǒng)將最低層連接在一起，并將它們連接到云。
邊緣策略制定的具體細(xì)節(jié)因公司、生產(chǎn)過程和工廠位置而異。開始設(shè)計過程的一個好方法是使用三層邊緣策略：
“邊緣網(wǎng)關(guān)”專注于提供從車間到云的數(shù)據(jù)安全傳輸，但對OT協(xié)議的支持受限。
“輕型邊緣”提供了第一層的所有功能，同時也提供了更廣泛的OT協(xié)議連接，以及緩沖、過濾、有效載荷轉(zhuǎn)換和一些IT數(shù)據(jù)交換。
“綜合邊緣”建立在前兩者的基礎(chǔ)上，同時還提供了一種運(yùn)行應(yīng)用程序（包括AI應(yīng)用）的機(jī)制，并從云端提供應(yīng)用程序編排、設(shè)備管理、機(jī)器人技術(shù)支持和遠(yuǎn)程工程。
綜合邊緣將其協(xié)作信息服務(wù)器的組件與視頻和圖像分析組件相結(jié)合。這種邊緣的最終狀態(tài)能夠支持接收結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（來自傳感器、過程數(shù)據(jù)等）和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（視頻、圖像、文件等）。全面的邊緣系統(tǒng)還能確保邊緣能夠處理各種運(yùn)營數(shù)據(jù)（OT 和 IT），并在工廠車間和云之間架起橋梁。
整合一種或多種數(shù)據(jù)類型AI運(yùn)營的能力，可以通過虛擬/智能工人、集成遠(yuǎn)程操作、機(jī)器人等應(yīng)用程序釋放新的價值。這種三層邊緣戰(zhàn)略，使工廠離實現(xiàn)行業(yè)自動化又近了一步。通過分布式機(jī)器學(xué)習(xí)，可以在云和邊緣之間分配AI的工作負(fù)載，從而實現(xiàn)智能制造的新范式。
02 云平臺如何使制造業(yè)受益？
云可以托管各種各樣的軟件應(yīng)用，同時提供安全的批量數(shù)據(jù)處理和其它功能，因此，使用它可以做什么取決于應(yīng)用類型。一些公司從頭開始構(gòu)建所需元素，還有一些公司更喜歡使用第三方提供的平臺即服務(wù)（PaaS），這樣就可以快速啟動，并在開發(fā)自己的解決方案時訪問復(fù)雜的工具。第三種方法是訂閱完全托管的云應(yīng)用服務(wù)。
對于那些選擇第三種方法的人來說，云平臺提供了全方位的數(shù)字應(yīng)用，可以提供真正的數(shù)字化轉(zhuǎn)型功能，同時大大減少對最終用戶支持和IT投資的需求。
云平臺使用戶能夠使用既定的活動和過程，在數(shù)據(jù)的生命周期中管理數(shù)據(jù)。這支持?jǐn)?shù)據(jù)管理和利用，以實現(xiàn)有效的分析和機(jī)器學(xué)習(xí)，從而推動見解和創(chuàng)新。
例如，橫河的云平臺分為五層，每層都代表一組工具和服務(wù)，可用于在平臺上構(gòu)建的應(yīng)用。通用服務(wù)包括網(wǎng)絡(luò)安全和身份管理服務(wù)，這些服務(wù)提供對數(shù)據(jù)的安全訪問，但僅限于有效用戶。平臺分層架構(gòu)映射到數(shù)據(jù)管理的關(guān)鍵階段：數(shù)據(jù)啟用、數(shù)據(jù)管理和處理以及數(shù)據(jù)分析。它還包括應(yīng)用程序編程接口（API），應(yīng)用程序通過該接口使用平臺提供的服務(wù)。
▲圖3：在從OT方面探討潛在的數(shù)字化轉(zhuǎn)型時，會讓具體的步驟更清晰。
那么，如何實現(xiàn)切實可行的過程改進(jìn)？這就是應(yīng)用程序的用武之地。應(yīng)用程序是為解決資產(chǎn)管理、生產(chǎn)優(yōu)化或健康與安全等特定業(yè)務(wù)問題而構(gòu)建的軟件程序。它們通過應(yīng)用分析、人工智能、可視化等來使用可用的過程數(shù)據(jù)。
由于所有應(yīng)用程序都在一個通用平臺上，因此它們可以相互連接，并根據(jù)需要安全地交換或重用數(shù)據(jù)。一旦數(shù)據(jù)在平臺上可用，其它應(yīng)用程序就可以重用數(shù)據(jù)，從而在整個生命周期中消除數(shù)據(jù)重復(fù)。標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序可實現(xiàn)快速部署。
因為可以訪問所有必要的歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前過程工況，同時提供強(qiáng)大的數(shù)字運(yùn)算能力，云平臺擁有所有可用的數(shù)據(jù)和通信基礎(chǔ)設(shè)施，是托管優(yōu)化和過程自治應(yīng)用程序的一個理想場所。
03 使用DDMO來優(yōu)化水處理
橫河電機(jī)最近完成了一項概念驗證（PoC），用于優(yōu)化美國一家生產(chǎn)飲用水的廢水回收設(shè)施的運(yùn)營。為此，該公司提供了一個數(shù)據(jù)驅(qū)動的優(yōu)化建模（DDMO）軟件。它由云平臺驅(qū)動，可以使用歷史數(shù)據(jù)來改善運(yùn)營。位于美國加州洛杉磯的拉斯維加斯市政水利局的塔皮亞污水處理廠，已將其用于復(fù)雜和關(guān)鍵的水處理應(yīng)用。
生產(chǎn)足夠該州2000萬人飲用的水需要多種方法，包括回收廢水。這需要先進(jìn)的水處理方法，包括超濾、反滲透和紫外線高級氧化工藝。回收廢水的想法引起了消費(fèi)者的擔(dān)憂，但事實證明，只要水能被處理到一定程度，這些過程就是安全的。
該項目的一個主要挑戰(zhàn)是驗證水處理的有效性，同時避免過度處理帶來的成本。DDMO軟件套件用于建模，然后預(yù)測設(shè)定值，以優(yōu)化運(yùn)營并支持運(yùn)行人員的決策，同時保持水處理設(shè)施的目標(biāo)水質(zhì)。通過云軟件和安全的遠(yuǎn)程連接進(jìn)行高級數(shù)據(jù)分析，自動化系統(tǒng)可以調(diào)整運(yùn)營以優(yōu)化過程。用于評估處理的專用掃描器，配備了內(nèi)置的數(shù)據(jù)清理、管理、分析和建模工具，用于持續(xù)的過程優(yōu)化。
對于這一舉措，該項目使用云平臺來最大限度地減少所需的現(xiàn)場活動，并在現(xiàn)場和系統(tǒng)之間建立安全的數(shù)據(jù)參考。DDMO軟件使用實時運(yùn)營數(shù)據(jù)得出控制設(shè)定值，并將其發(fā)送給水回收設(shè)施的運(yùn)行人員。在進(jìn)行了多方面的評估并對有效性進(jìn)行了具體驗證后，新技術(shù)與DDMO軟件套件相結(jié)合，實現(xiàn)了運(yùn)營效率的提高，功耗降低了10%以上，同時所有水質(zhì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。
04 地?zé)岚l(fā)電廠的資產(chǎn)績效管理
另一個應(yīng)用案例是安裝在地?zé)岚l(fā)電廠的資產(chǎn)性能管理系統(tǒng)。此應(yīng)用程序適用于任何地?zé)岚l(fā)電廠的附加系統(tǒng)，它連接到現(xiàn)有的工廠控制系統(tǒng)，并根據(jù)需要提供額外的測量點(diǎn)。
該解決方案部署在云平臺上。使用云平臺上托管的邊緣適配器所支持的標(biāo)準(zhǔn)OT協(xié)議，建立與一個或多個生產(chǎn)站點(diǎn)的連接。云平臺可以提供：工廠數(shù)據(jù)集成；安全的數(shù)據(jù)流、存儲和連續(xù)監(jiān)控；地?zé)彡P(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI）的計算，并與基線進(jìn)行比較；以及地?zé)岚l(fā)電廠性能KPI的可視化，幫助電廠人員識別性能退化，然后根據(jù)需要采取行動。
云平臺等工業(yè)數(shù)字化平臺為數(shù)據(jù)管理、算法執(zhí)行和可視化提供了一系列通用的可復(fù)用服務(wù)。通過這些平臺，能夠開發(fā)具有一致用戶體驗的各種應(yīng)用和集成解決方案，從而加快和簡化價值創(chuàng)造過程。數(shù)字化轉(zhuǎn)型解鎖的商業(yè)價值包括提高有效性、效率、優(yōu)化、組織范圍內(nèi)的協(xié)作，以及向工業(yè)自主化邁進(jìn)。
關(guān)鍵概念：
■ 一個好的云平臺可以幫助用戶在整個生命周期中處理數(shù)據(jù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)管理和應(yīng)用，從而為制造運(yùn)營帶來更好的見解。
■ 工業(yè)數(shù)字化平臺，為數(shù)據(jù)管理、算法執(zhí)行和可視化提供了一組通用的可復(fù)用服務(wù)。
思考一下：
采用云平臺為貴企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型帶來了哪些優(yōu)勢？