Hoe machinegegevens in slimme fabrieken zinvol kunnen worden gebruikt

IoT voor iedereen

Download PDF
Oorspronkelijk artikel

Hoewel de meerderheid van de bedrijven weet heeft van IoT, begrijpen niet veel bedrijven de waarde die ze op dit moment uit machinegegevens kunnen halen; het gaat allemaal om de communicatiemogelijkheid tussen de werkvloer en de bedrijfsomgeving.

"Digitale transformatie" en "slimme fabriek" zijn termen die al een tijdje bestaan, maar alleen geavanceerde fabrikanten passen ze in de praktijk toe. Het idee van machine-to-machine communicatie heeft aanvankelijk opwinding en hoge verwachtingen gewekt, maar nu vragen eigenaren van middelgrote en kleine fabrieken zich af: "Wat is het volgende? Hoe begin ik deze technologieën in mijn fabriek toe te passen?"

Hoewel meer dan 98 procent van de bedrijfsleiders het concept van het Internet of Things (IoT) begrijpt, weten velen niet zeker wat IoT voor hun bedrijf betekent, zo blijkt uit onderzoek van Aruba Networks. Dit leidt ertoe dat IoT niet goed wordt geïmplementeerd of alleen op een basisniveau wordt gebruikt in plaats van als een volledig transformerend proces.

Als we echter kijken naar productiebedrijven die de essentie van het Industrial Internet of Things (IIoT) hebben begrepen, komt het eigenlijk neer op de communicatiemogelijkheden tussen de werkvloer en de bedrijfsomgeving. In de praktijk gaat het om de manier waarop machinegegevens worden overgedragen van apparatuur naar standaard bedrijfstoepassingen in de backoffice: ERP-, MES- en CRM-systemen, en welke conclusies uit deze gegevens worden getrokken en hoe deze weer worden toegepast in het productieproces. In het algemeen hangt het succes van digitale transformatie af van het vermogen van een organisatie om de cijfers van de machines te interpreteren en om te zetten in een concurrentievoordeel.

Opkomende uitdagingen voor het bedrijfsleven

Charles Kettering, de beroemde uitvinder en hoofd onderzoek van GM, zei: "Een goed geformuleerd probleem is half opgelost." De kronkelige weg naar een slimme fabriek stelt bedrijven voor verschillende opkomende en bestaande uitdagingen, en fabrikanten moeten begrijpen hoe ze een digitaal bedrijfsmodel in hun productiefaciliteiten kunnen toepassen.

Waarom heeft u een Smart Factory nodig?

In de eerste plaats kunnen machines veel gegevens genereren, maar getallen naar de cloud gooien betekent niet automatisch dat u er bruikbare informatie uit zult halen. Je moet een context hebben.

Fabrieksapparatuur kan de meest nauwkeurige real-time informatie over productieprocessen verschaffen, maar hoe kunnen mensen er hun voordeel mee doen en de kennis in hun dagelijkse werk toepassen?

Gaat het om onderhoud en om ervoor zorgen dat elk onderdeel werkt? Of gaat het om zogenaamd voorspellend onderhoud: het oplossen van de storing voordat deze zich voordoet op basis van de geaggregeerde gegevens van vele soortgelijke apparaten en vroege tekenen van het probleem?

Het kan ook gaan over de zakelijke kant van de productie: menselijke operatoren die beslissingen nemen op basis van de rapporten van de machines in de MES- en ERP-systemen. Het omarmen van Industrie 4.0 dicteert niet alleen een upgrade van de apparatuur, maar een algemene denkparadigmaverschuiving.

Verbinden over verticale silo's heen

Wil een fabriek geen "eilandjes van dingen" zijn, maar meewerken met het concept van het internet der dingen, dan moeten productiemachines met elkaar en uiteindelijk met randapparatuur kunnen praten. Gezien de vele systemen die hierbij betrokken zijn, is de vraag hoe je die communicatie opzet.

Een van de uitdagingen in een moderne fabriek is dat machines vaak communiceren binnen afzonderlijke verticale silo's, waarbij gegevens van een apparaat worden doorgegeven aan HMI/SCADA, enz. Managers weten al lang dat er waardevolle informatie zit in de systemen die hun productiefaciliteiten aansturen, maar ze hebben er geen directe toegang toe. Het probleem is vaak geweest dat beide werelden geïsoleerd opereren, met weinig of geen onderlinge verbinding. Als we het echter hebben over het mengen van gegevens en het overdragen ervan naar verschillende afdelingen, moet de infrastructuur voor gegevensuitwisseling in de fabriek anders worden opgebouwd.

Gegevensreis naar ERP

De volgende zorg is de data connectiviteit. Hoe ver moet u in uw productieproces kunnen kijken? Zijn het alleen controllers, of hebt u ook de gegevens van elke sensor, enz. nodig? Dit zal een grote invloed hebben op de hoeveelheid informatie die u beheert en het beeld van uw faciliteit, met inbegrip van de gehele fabriek in het algemeen, de afzonderlijke productielijnen, en de specifieke apparaten die worden gebruikt.

Om gegevens uit de fysieke wereld in de cyberwereld te brengen, moet analytics worden gepland. U moet begrijpen of het een operator is die de gegevens zal gebruiken voor het bereiken van betere lokale controle, of dat de server automatisch geaggregeerde informatie naar het ERP- of MES-systeem stuurt. Al met al, welke cijfers uit de lawine van gegevens moeten worden doorgestuurd voor betere analyses en planning op fabrieksniveau, en welke gegevens blijven lokaal voor snelle controle en besluitvorming.

Het delen van gegevens tussen divisies en derde partijen is een ander belangrijk punt. In geavanceerde fabrieken kan een ERP-systeem automatisch grondstoffen bestellen of de onderhoudsdienst informeren over de noodzaak van een controle, op basis van meldingen uit de productiefaciliteiten. Deze informatie-uitwisseling kan ook in het voordeel van machinebouwers werken: op basis van automatische meldingen die uit verschillende fabrieken binnenkomen, plannen zij onderhoud, vervangen zij details van tevoren en bieden zij een betere klantenservice, waardoor klanten vervelende en dure stilstandtijden bespaard blijven.

Machinegegevensbeveiliging

Tot slot is de ultieme kwestie voor de "slimme fabriek" het waarborgen van de veiligheid van open communicatie. Beveiliging neemt de eerste plaats in onder de zorgen van IoT-ontwikkelaars (31 procent), volgens het 2019-rapport van de Eclipse Foundation, waarbij connectiviteit (21 procent) en gegevensverzameling en -analyse (19 procent) slechts de volgende twee plekken innemen. Gartner meldt dat de uitgaven aan IoT-endpointbeveiligingsoplossingen zullen stijgen tot $631M in 2021. Het openstellen van productiefaciliteiten voor de wereld vereist overeenkomstige beschermingsmaatregelen.

Van OPC naar OPC Unified Architecture

Sinds het eind van de jaren negentig is de productieautomatisering opgebouwd rond de OPC-server, waardoor gegevens van een apparaat naar de computer van een operator in de controlekamer konden worden verzonden, ongeacht of de hardware en software van dezelfde leverancier waren of niet. Het OPC-protocol standaardiseerde de communicatie en was de voorwaarde voor een doorbraak in de productieautomatisering. OPC maakte gebruik van het Microsoft Distributed Component Object Model (DCOM), dat deel uitmaakt van het Windows-besturingssysteem. In het begin van de jaren 2000 lanceerde het protocol de industriële automatisering en stelde het fabrieken in staat over te schakelen op een veiligere, nauwkeurigere en kosteneffectievere productie. In feite vertrouwen veel productiefabrieken over de hele wereld nog steeds op deze technologie.

Kort nadat de software op de markt kwam, werden de nadelen van het OPC-protocol echter duidelijk. In de eerste plaats is OPC door DCOM alleen beperkt tot het Windows-besturingssysteem. Vervolgens klagen deskundigen over de moeilijkheden bij het opsporen en herstellen van softwarefouten, en de onmogelijkheid om gegevens via het web uit te wisselen. En tenslotte is de OPC-technologie niet betrouwbaar op het gebied van informatiebeveiliging. Daarom heeft de OPC Foundation, in antwoord op de vele verzoeken van de industrie, een nieuwe standaard gecreëerd: OPC UA. Deze is gebaseerd op de vorige versies, maar zonder nadelen, en stelt een totaal nieuwe benadering voor van machine-to-machine communicatie en industriële digitale transformatie.

De nieuwe functies omvatten het volgende:

  • Platform onafhankelijkheid. OPC UA is niet meer afhankelijk van OLE of DCOM technologie van Microsoft. U kunt het op elk platform starten: Apple, Linux (JAVA) of Windows.
  • Eenvoudigere configuratie van gegevensuitwisseling tussen meerdere computers. Gebruik in plaats van DCOM gemeenschappelijke standaarden voor gegevensuitwisseling: TCP/IP, HTTP(S), en SOAP.
  • Gemakkelijker gegevensbeheer en -onderhoud. U kunt structuren of modellen gebruiken, en datatags of -punten groeperen en van context voorzien. Dit alles zorgt voor veel meer flexibiliteit en maakt het mogelijk om uw fabriek over de afdelingen heen te verbinden en niet alleen in verticale datasilo's te werken.
  • Eenvoudige integratie in SCADA. Een OPC UA server kan een direct onderdeel zijn van een PLC, die in een apparaat is ingebouwd. Het is niet nodig een OPC UA server te kopen en te configureren.
  • Besparing van middelen. Met OPC UA hebt u niet veel PC's nodig die in de fabriek zitten en tussen de systemen vertalen.
  • Gegevensencryptie. OPC UA beveiliging is gebaseerd op een meerlaags concept dat applicatie- en transportlagen omvat. Het omvat authenticatie en autorisatie, alsmede encryptie en gegevensintegriteit door ondertekening.
  • Flexibiliteit van integratie. UA API's zijn beschikbaar in verschillende programmeertalen. Commerciële SDK's zijn beschikbaar voor C, C++, Java, en .NET. Open-source stacks zijn ten minste beschikbaar voor C, C++, Java, Javascript (node) en Python.
  • Kosten- en tijdeffectiviteit. De beschikbaarheid van OPC UA-connectors integreert uw real-time machinegegevens met CRM, ERP, BI, Exchange en documentbeheersystemen zoals SharePoint voor een betere planning, onderhoud en een grotere doeltreffendheid van uw productie.
  • Aansluiting op bestaande infrastructuur. Beschikbaarheid van mechanismen voor de migratie van OPC naar OPC UA; OPC UA-wrappers.

Fabrikanten noemen OPC Unified Architecture het eerste communicatieprotocol dat de grenzen tussen de onderneming en de fabrieksvloer wegneemt. Maar, hoe verbindt u eigenlijk uw productie met de systemen die uw bedrijf helpen beheren?

Customer relationship management (CRM), enterprise resource planning (ERP), een productie uitvoeringssysteem (MES), een document management systeem (DMS), een business intelligence (BI) systeem, en een warehouse management systeem zijn de meest voorkomende software die helpt bij het beheer van een bedrijf. Aangezien veel bedrijven, ongeacht hun grootte, deze toepassingen in verschillende combinaties gebruiken, kan men gerust stellen dat het leven van een fabriek in deze systemen wordt gepland, geanalyseerd, voorspeld en gerapporteerd. Een volledig geautomatiseerde slimme fabriek zijn betekent dat nauwkeurige actuele informatie over het productieproces op elk moment beschikbaar is in deze systemen voor analyse, tijdige waarschuwingen, onderhoudsmeldingen, enz., afhankelijk van uw prioriteiten.

Het integreren van machinegegevens in bedrijfssystemen kan op twee manieren gebeuren: 1) via aangepaste ontwikkeling via OPC UA API's, en 2) via een kant-en-klare OPC UA connector die machinegegevens koppelt aan ERP-, CRM-systemen, enz.

Naar onze mening is het tweede scenario beter dan programmeren op maat. Ten eerste verspilt u geen tijd en geld aan de arbeid van een dure programmeur. Ten tweede hoeft u niet te zorgen voor verder onderhoud. Een vooraf gebouwde OPC UA connector is over het algemeen bug-vrij en klaar voor gebruik vanaf dag één. Het vereist wel programmeervaardigheden, maar zeer elementaire. Twee tot drie uur zijn nodig om de integratieprincipes te begrijpen en de logica te bouwen om de machinedata van uw onderneming te verbinden met de bedrijfssystemen.

Van het apparaat naar de onderneming

Waarom moet u uw machinegegevens verbinden met ERP, CRM en MES? Een OPC-UA slogan is "from the device to the enterprise," en in dit geval betekent "enterprise" een intelligent enterprise resource planning systeem.

Om slimme beslissingen te kunnen nemen, heeft een intelligent ERP real-time IIoT-gegevens en -analyses nodig. Deze onderscheiden een bedrijf van de concurrentie en vormen wat een slimme fabriek wordt genoemd.

Aangezien ERP-toepassingen zoveel taken vervullen - orderbeheer en -verwerking, gegevensverzameling, planning op het niveau van de bedrijfsproductie, beheer van bedrijfsprocessen in het algemeen, en koppeling met andere systemen - biedt het tijdig presteren van intelligente ERP-toepassingen veel voordelen.

Wanneer u processen moet versnellen, manuele arbeid en fouten moet verminderen, en sneller tussen stappen moet kunnen bewegen, door real-time gegevens zo dicht mogelijk bij de bron te pakken, wat van een bepaalde productielijn of zelfs een apparaat kan zijn, is een integratie van machinegegevens via OPC UA in het ERP-systeem revolutionair.

Bovendien helpt een dergelijke integratie bij de cultuuromslag die we hierboven bespraken, aangezien werknemers de nieuwe technologie gewilliger aanvaarden als ze wordt gepresenteerd via een vertrouwde interface (en zelfs als die mobielvriendelijk is!). Gebruikersadoptie blijft een grote uitdaging in IIoT, en het presenteren van de gegevens via de systemen die iedereen kent en gebruikt -ERP, CRM, MES, enz.- versnelt de overgang naar Industrie 4.0.

Andere componenten van een IIoT smart factory zijn predictive analytics, machine learning, blockchain rapportverzegeling, en semi-autonome en autonome beslissingen en acties. Deze kunnen allemaal deel uitmaken van uw ERP-systeem, dat materialen bestelt of verzendingsbeslissingen neemt op basis van meerdere bronnen en enorme hoeveelheden contextuele snelle gegevens, die in realtime worden geanalyseerd en benut.

Conclusie

IIoT is al een eis geworden voor moderne fabrieken. Om bij te blijven met de concurrentie, is het verbinden van uw machinegegevens met de management bedrijfssystemen niet meer optioneel. OPC UA heeft op dit gebied goed werk verricht en biedt veel meer mogelijkheden en veiligheidsmaatregelen om de communicatie in een productiefaciliteit te openen, dus het is tijd om de vruchten te plukken van een verbonden slimme fabriek.