借助工业物联网实现工厂现代化

Jonas Berge介绍了工厂如何通过新实践和新的业务模型构建工业物联网(IIoT)架构。

工业物联网和工业4.0可提供更为丰富的过程和资产数据用于提高工厂运营效率。您可能正在考虑如何着手。采用分阶段部署方法;先从工厂内部开始,之后再连接到互联网。很多工厂都已经开始采用这一方法进行部署了。

分阶段方法

在IIoT的促进下,一些工厂已在传感器层面上使用数字网络,并将数据通过互联网传输到中央控制室,并从中受益匪浅;然而遗憾的是大多数工厂还没有开始行动。工厂可分阶段部署IIoT。最初的几个阶段无需连接到互联网,因此I&C部门可立刻启动此计划。实现对互联网的访问时,需要牵涉到IT部门。

第1步:遍布工厂范围内的数字传感器网络

很多工厂均已开始添加无线传感器,并将其与已有的控制系统进行集成,从而提高工厂效率和可靠性。这些传感器可以填补原有设计中在测量方面存在的空白,经证明此项技术切实可行。基于现场总线构建的现代化工厂不但可以轻松地将新增的传感器连接至网络,而且也可以轻松部署无线传感器网络。手动采集一些工厂数据会对状态监控和能源管理产生一定的限制。部署4-20 mA变送器的成本非常高,并且可能会对已有的电缆造成损坏。因此一些工厂开始在每台机组中部署WirelessHART (IEC 62591)网络。使用正确的协议网关连接到DCS、历史库和状态监控软件。

IIoT解决方案必须是向后兼容工厂中现有网络的扩展解决方案。现场总线和无线仪表构成了IIoT的基础层。WirelessHART网络部署完毕后,接下来将部署符合可靠性、维护、能源效率、操作、HS&E和完整性要求的传感器。

如果工厂尚未尝试WirelessHART,那么不妨尽快确定工厂面临的一项挑战并部署无线传感器,以验证该技术的可行性。

 第2步:配备资产

如果工厂使用的是现场总线,则可轻松添加传感器。进行工厂现代化改造审查,确定可在哪些方面提高工厂可操作性和可维护性。了解每个部门面临的挑战:手动数据采集、无法预测故障、确定维护优先级、优化腐蚀控制、识别污垢、能耗过大和泄漏。

根据工厂现代化改造审查中确定的需求,判断需要为每台设备配备哪些传感器。传感器需要满足多方面的要求,包括:可靠性、维护、完整性、能源效率、HS&E以及生产率。一些测量数据将显示在历史库系统中,一些测量数据会显示在控制系统中。数据采集等简单的应用不需要使用专用软件。应用可以根据各方面的要求逐步增加。很多工厂都是从开始在每台设备上增加一个传感器开始,稍后再增加更多传感器来实现其他功能。

WirelessHART网络和传感器部署完毕后,工作人员在手动数据采集方面会节省更多时间,并可预测故障、确定维护优先级、优化腐蚀控制以及检测泄漏。工作人员通常会惊奇地发现:系统启动后竟然能检测到如此多的故障,这在以前是看不到的。工作人员可根据系统检测结果执行维护操作,从而降低成本、缩短停机时间、减少损失和事故的发生。

第3步:预先部署预测性分析软件

工厂通常会存储大量过程数据,但很少会对数据进行分析。工厂会捕获过多设备数据。一些工厂需要使用更加先进的解决方案,通过多次测量来确定设备的健康状况、确定设备性能并检测设备是否耗能过多。例如,单单振动一项指标并不足以充分了解设备的健康状况。

通过部署传感器和软件,设备会变为智能连接设备;泵机会变为智能泵机。软件可利用原始传感器数据提供可执行的预测性信息。例如,追踪每个热交换器管束的作用是了解污垢对产品混合和防污化学品作何响应。软件可在预置服务器上运行,不需要连接到云端。一些应用甚至可以在类似于控制器的装置上运行。

请确保将工程和调试成本计入预算中。

此阶段还不属于IIoT,因此IT部门不需要提供互联网连接。最终的IIoT解决方案必须是向后兼容现有软件的扩展解决方案。OPC应用构成了IIoT的软件层。

借助特殊软件,工厂还能确定污垢和能源过度消耗的情况,并可优化风扇速度。这有助于维护和操作,确保以低成本、省时和更少能好的方式提高设备的可用性。

第4步:审查工作流程

为了获得数据具体化带来的优势,软件和传感器数据必须用于工厂的日常操作和维护中。

首先,维护人员应在操作之前和跳闸之前获得预测性报警。第二,仅应为重大问题配置维护报警。报警应指示紧急状况,并包含明确的描述和帮助。应对标准作业程序(SOP)加以修改,将软件和数据的使用包含在内。最后,员工必须接受相关培训,了解如何使用新信息。

软件正确安装后,工厂将进入“首先检查软件”状态,这样可节省时间,并有助于实现软件的优势。

第5步:实现物物内联网

现场可能没有足够多的人员具备振动分析、腐蚀和污垢分析技能,让工作人员在离家很远的偏远地区工作也不太现实。

通过将系统与企业互连,公司员工可在任何地点(比如国内办公室或汇集了振动分析和腐蚀专家的全球卓越人才中心)通过互联网访问现场数据。外部供应商和服务提供商无权进行访问。这更像是“物物内联网”,而不是“物联网”。

内联网连接允许部分工作人员在家附近的办公室工作,无需在近海平台或丛林里工作,同时还可降低资本成本和经营成本(因为近海设施所需的居住区较小),并且需要的差旅交通成本也会降低。

第6步:物联网商业模型

工厂可能配置了现场总线和无线网络,但如果没有连接到互联网,还不能算是IIoT。

设备制造商专家最了解设备,但并不在现场。现场可能没有足够的人手执行维护任务。
 
通过将系统连接到互联网,可授权指定在任何位置的外部供应商和服务提供商访问现场数据。这就是完整的IIoT架构。数字传感器和IIoT实现了外包商业模型的数字转换。

商业模型

独立服务提供商和原始设备制造商可远程监控工厂中设备的健康状况,他们的专家会在中央位置监测其有权访问的设备的状态。这是一项订购服务,工厂每月会为每个资产支付一定的费用。服务提供商会发送报警给工厂人员,告诉他们即将出现的设备问题,并会针对设备健康状况和性能生成报告,工厂可根据报告执行相应的维护操作。仪表和软件归工厂所有,但根据其他商业模型,服务提供商也可以向工厂提供该仪表和软件。在该模型中,工厂不需要进行任何先期投资。仪表和软件已包含在装机费中,属于运营费用。

此外,制造商委派的经过工厂培训的工作人员或维护服务提供商也可执行维护任务,以确保设备可用性和高效性;这是一种以结果为导向的模型,可能会在达到协议规定的服务等级后支付奖金。

利用设备数据,服务提供商可在出现故障或跳闸之前预测出将要出现的问题,从而可避免停机,并可帮助排除设备故障,尽快恢复生产。

网络安全和IT/OT合作

考虑到工厂中存在各种类别的资产,应向多家制造商提供设备数据访问权限,因此需要开发出相应的安全解决方案,为每家供应商提供特定的访问权限。此类解决方案已经存在。由于IIoT既涉及到互联网,又涉及到仪表使用,因此IT和I&C部门(IT/OT)必须通力合作。俗话说的好:“篱笆筑得牢,邻居处得好”,因此,应明确规定IT和I&C之间的责任边界;通常是装有3.5级企业架构防火墙的非敏感区(DMZ)。

在一些工厂中,设备监控系统与控制系统是分离的。无线传感器会绕过DCS、通过无线网关和3G移动路由器直接将其数据发送到云端中的软件。此架构用于外包的远程监控服务。由于未连接到控制系统或工厂网络,工厂IT部门不需要提供网络连接。

实施IIoT

为工厂IIoT制定三年规划,并安排进行工厂现代化改造审查。IIoT策略的后续阶段无需在最开始的时候进行过多计划。IIoT就绪后,工厂可通过主动性更高、被动性更低的方式进行运行和维护。工作人员将节省数据采集时间,并有更多时间进行数据处理。CEAC

作者信息:Jonas Berge是艾默生过程管理新加坡应用技术总监。

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