Цифровая фабрика, работа которой основана на данных, представляет собой систему компонентов, работающих в гармонии для оптимизации операционной эффективности всего производственного предприятия. В некотором смысле её можно сравнить с человеческим телом. Датчики действуют как глаза и уши, позволяя центральному контроллеру, или мозгу, быть в курсе происходящего вокруг. Исполнительные механизмы действуют как мышцы, внося необходимые корректировки. Сеть связи фабрики можно сравнить с нервной системой, разветвлённой по всему телу, а кожа представляет собой важнейшую технологию кибербезопасности для защиты данных.

Преимущества цифровой фабрики
Прежде чем рассматривать компоненты цифровой фабрики, давайте сначала обозначим ее преимущества. Преимущества цифровой фабрики сосредоточены на повышении производительности, что трансформирует производственный ландшафт. Новые данные, полученные из экосистемы цифровой фабрики, помогают принимать решения в режиме реального времени. Это приводит к улучшению качества продукции и повышению общей операционной эффективности, что в конечном итоге приводит к более устойчивым производственным процессам. Учитывая, что промышленный сектор потребляет приблизительно 50% всей мировой энергии¹, для производителей, стремящихся к нулевым выбросам, подключенная цифровая фабрика находится в центре этой трансформации. Помимо преимуществ в области устойчивого развития, цифровые фабрики обеспечивают гибкость и возможность настройки в режиме реального времени, позволяя быстро реагировать на изменения потребительского спроса. Например, в секторе здравоохранения растет спрос на персонализированные медицинские устройства, такие как имплантаты суставов, напечатанные на 3D-принтере и адаптированные к анатомии каждого пациента. По мере того, как конструкции фабрик становятся более модульными, а производственные ячейки — меньше и более адаптируемыми, рабочие процессы могут программироваться и изменяться в режиме реального времени, увеличивая скорость производства и поддерживая жизнеспособность конкурентоспособных проектов по переносу производства за границу в Европу и Северную Америку.

Рисунок 1. Анатомия цифровой фабрики.

Рисунок 2. Преимущества цифровой фабрики.

Данные: душа цифровой фабрики.
Как данные в реальном времени, так и данные, поступающие из множества источников по всей фабрике, должны быстро и надежно анализироваться на интеллектуальной периферии (где эти данные поступают) и централизованно агрегироваться для получения целостной картины всей работы фабрики. Полученные из этих данных оперативные выводы имеют решающее значение для раскрытия полного потенциала операционной эффективности фабрики.

Датчики: глаза и уши цифровой фабрики.
Для получения необходимых данных требуется больше датчиков и больше режимов измерения, таких как температура, давление, расход, приближение и вибрация. Для непрерывного обнаружения, измерения и интерпретации параметров заводских активов необходимы высокоточные измерительные и сенсорные технологии. Технология IO-Link® позволяет датчикам стать интеллектуальными. Датчик давления локально определяет, превышает ли давление требуемый порог, и поэтому ему достаточно передать контроллеру всего одну логическую переменную (да или нет), представляющую собой бит данных, а не полное цифровое значение, отражающее фактическое измерение давления. Локализованное принятие решений экономит время на обмен данными и обработку, обеспечивая эффективное распределенное управление.

Исполнительные механизмы: «мышцы» цифровой фабрики.
Исполнительные механизмы, часто незаметные герои цифровой фабрики, выполняют роль «мышц», необходимых для выполнения работы. Эти исполнительные механизмы используются для управления клапанами, поршнями и другими механическими устройствами. Это позволяет точно контролировать поток жидкости, обеспечивая подачу необходимого количества материала в каждую часть процесса.
И датчики, и исполнительные механизмы должны быть устойчивы к условиям, характерным для их рабочей среды. Жесткие промышленные условия включают высокие температуры и воздействие электромагнитных помех (ЭМП), а также скачки напряжения питания и механические вибрации. Для этих систем периферийного зондирования и управления источником питания является еще одним ключевым фактором. Требования к производительности источника питания возрастают по мере уменьшения размеров датчиков и исполнительных механизмов, в то время как точность и качество сбора сигнала повышаются. Это требует высокоэффективных, малошумных решений по управлению питанием с компактными размерами — что критически важно в конструкциях, часто ограниченных по пространству. Без соответствующей технологии питания для конкретных требований к обнаружению преимущества конфигурируемости в реальном времени на цифровой фабрике не могут быть реализованы.

Рисунок 3. Строительные блоки современной цифровой фабрики.

Периферийный и центральный интеллект: мозг цифровой фабрики.
Поскольку цифровая фабрика требует от периферийных устройств более высокого уровня функциональности и интеллекта, для обеспечения локального принятия решений необходимо выполнять больше вычислений и анализа внутри самого устройства. Для обеспечения такой периферийной автономности требуются локальные механизмы искусственного интеллекта (ИИ)/машинного обучения (МО), маломощные ускорители, а также увеличенный объем памяти и вычислительная мощность. Слияние данных с датчиков — это еще один тип периферийного интеллекта, при котором данные с нескольких различных типов датчиков могут быть объединены одновременно для получения более точных измерений — то, что было бы невозможно при использовании отдельных датчиков. Благодаря новым высокоточным АЦП с высокой пропускной способностью один фронтальный датчик может использоваться для мониторинга нескольких элементов датчиков, экономя место и энергию. Технология микроконтроллеров ИИ позволяет нейронным сетям работать со сверхнизким энергопотреблением, а маломощные передатчики обеспечивают улучшенные диагностические возможности даже на удаленных перерабатывающих предприятиях, которые часто являются продолжением «умной фабрики».

Рисунок 4. Обеспечение автономности периферийных устройств с помощью интеллектуальных датчиков.

Связь: Нервная система цифровой фабрики.
⁾ , который кардинально изменит индустрию автоматизации производственных процессов, значительно повысив эффективность работы предприятий за счет бесперебойного подключения полевого оборудования (датчиков и исполнительных механизмов) к сети Ethernet.

Рисунок 5. Конвергенция ИТ и ОТ в рамках цифровой фабрики.

На современных заводах информационно-технологическая (ИТ) сеть развертывается на уровне офиса/предприятия. Традиционно ИТ-сеть занимается такими вопросами, как хранение данных, анализ данных и бизнес-приложения. Хотя это и важно, обычно это не так критично, как обмен данными на производственном участке. Сеть, управляющая производственными линиями на заводе, называется сетью управления операционными технологиями (ОТ). В рамках этой сети управления может быть множество различных производственных ячеек или машин, которые часто имеют ограниченные возможности для связи друг с другом. Концепция конвергентной ИТ/ОТ-сети в рамках цифровой фабрики меняет все это. Она предлагает единую заводскую сеть, где все устройства, машины и роботы соединены и взаимосвязаны, говоря на одном языке. Каждое устройство с IP-адресом может обмениваться данными в режиме реального времени или почти в реальном времени и настраиваться независимо от других устройств в сети. Ключевыми технологиями, которые делают возможной такую ​​конвергентную цифровую заводскую сеть, являются промышленный Ethernet, сети с учетом временных ограничений (TSN), Ethernet-APL (расширенный физический уровень) и IO-Link. Благодаря тому, что все устройства теперь используют один и тот же язык второго уровня, стало возможным управлять как ИТ, так и ОТ-сетью с помощью одной и той же системы управления и контроля, при этом соблюдая требования к скорости передачи данных в операционной сети. Большой объем трафика, как срочного, так и несрочного, требует модернизации сети для увеличения пропускной способности и обеспечения бесперебойной доставки данных, что имеет решающее значение для высокого качества продукции и операционной эффективности на производственном участке. Конвергенция ОТ и ИТ делает возможности масштабируемости практически безграничными.

Кибербезопасность: защитная оболочка для доверенных цифровых данных на заводе.
С ростом взаимосвязи между устройствами возрастает потребность в усилении защиты данных, поскольку интеллектуальные производственные среды подвергают людей, технологии, процессы и интеллектуальную собственность киберугрозам. Это обуславливает необходимость в таких функциях, как безопасная загрузка, безопасные обновления программного обеспечения, безопасная аутентификация при передаче данных и аппаратный корень доверия. Критически важным аспектом защиты сети является аутентификация каждого нового устройства, пытающегося подключиться к сети. Это включает в себя проверку подлинности устройства перед авторизацией каких-либо сетевых транзакций с ним. Аналогично аутентификации устройства, безопасная загрузка имеет важное значение, поскольку она гарантирует, что полевое оборудование запускает только программное обеспечение из доверенного источника, используя криптографию с открытым ключом для проверки цифровой подписи микропрограммы.

Какие технологические решения доступны в настоящее время?
Компания Analog Devices всегда ценилась за свои инновационные высокоточные технологии, используемые для точного измерения и управления устройствами на всем заводе. Сочетая это с широким портфелем решений для промышленной связи и электропитания, а также дополнительными цифровыми возможностями, включая опыт в области искусственного интеллекта, ADI обладает технологиями и экспертными знаниями для реализации передовых возможностей цифрового производства.
Низкоскоростные многоканальные сигма-дельта АЦП, такие как семейство AD4130, интегрируют все аналоговые схемы входного каскада для простого соединения с различными типами датчиков. Это позволяет объединять данные с датчиков с расширенной диагностикой для поддержки локального обнаружения неисправностей и быстрого принятия решений.
MAC-PHY ADIN1110 и сопутствующий ADIN1100 PHY обеспечивают плавный переход к подключенным полевым устройствам, предоставляя Ethernet-APL на периферии процесса по однопарному кабелю Ethernet длиной более 1,7 км.
Что касается кибербезопасности, готовые аппаратные решения позволяют клиентам легко интегрировать защиту данных в свою продукцию. DS28S60 и MAXQ1065 — это защищенные интегральные схемы (ИС) со сверхнизким энергопотреблением, позволяющие использовать криптографию с открытым ключом даже в самых энергоэффективных и вычислительно ограниченных проектах.
MAX78000 AI позволяет нейронным сетям работать со сверхнизким энергопотреблением, предоставляя полезные аналитические данные на периферии сети.
Путь к повсеместному внедрению цифровых фабрик:
отраслевые исследования показывают, что 85% компаний ускорили цифровую трансформацию на своих производственных предприятиях за последние два-три года.3 Однако полномасштабное внедрение цифровых фабрик пока не является нормой. Глобальная сеть ведущих производителей Всемирного экономического форума демонстрирует, как стратегии цифровизации и операции, интегрированные в цифровые технологии, приносят выгоды, выходящие за рамки повышения производительности, создавая основу для устойчивого и прибыльного роста. Эти производители используют повышение производительности за счет высвобождения мощностей посредством внедрения инновационных технологий. Эти технологии повышают эффективность и, в свою очередь, обеспечивают экологически чистые результаты. Это приводит к двойной выгоде: повышению производительности и большей устойчивости — другими словами, к эффективной экоэффективности.

Заключение: Воплотите свою цифровую фабрику в реальность.
По мере ускорения цифровой трансформации, заводы сталкиваются как с возможностями, так и с проблемами. Новые технологии являются ключом к повышению эффективности, но их внедрение может быть сложным и требует тщательного подхода. Использование партнеров, обладающих глубокими отраслевыми знаниями, имеет первостепенное значение для улучшения производственных процессов и раскрытия потенциала повышения эффективности. Это сотрудничество лежит в основе более надежных и адаптируемых цифровых фабрик будущего.

Список литературы:
1. «Энергопотребление в промышленном секторе». Управление энергетической информации США, 2016 г.
2. Морис О'Брайен и Фолькер Голлер. «Обеспечение бесперебойной работы Ethernet на местах с помощью подключения 10BASE-T1L». Analog Devices, Inc.
3. Джанет Фоутти. «Как цифровая трансформация и сложная среда способствуют повышению гибкости и устойчивости».Deloitte Insights, апрель 2021 г.

Об авторах:
Трейси Джонсон — старший менеджер по маркетингу в компании Analog Devices, где она возглавляет команду цифрового маркетинга, ориентированную на рынок промышленной автоматизации. В 2003 году Трейси получила степень бакалавра электронной инженерии в Университете Лимерика, Ирландия. Она пришла в ADI в качестве инженера по оценке проектов и с тех пор занимала должности в области применения и маркетинга.
Маргарет Нотон — инженер по маркетингу в компании Analog Devices, где она работает в команде цифрового маркетинга, ориентированной на рынок промышленной автоматизации. С момента прихода в ADI в 2007 году в качестве разработчика программного обеспечения Маргарет занимала должности в области САПР, обеспечения инженерной поддержки и маркетинга. Она имеет степень бакалавра компьютерной инженерии и степень магистра Университета Лимерика.