新技術(shù)連接互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)工業(yè)4.0

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0均是描述工業(yè)大環(huán)境中技術(shù)趨勢的術(shù)語。這兩個術(shù)語經(jīng)常被使用，沒有明確的區(qū)分，有時甚至是互換的，它們代表著整個制造業(yè)正在進行的新的革命。

幾乎所有的經(jīng)濟活動中都有物聯(lián)網(wǎng)的痕跡，且側(cè)重于跨類別連接和互操作性的技術(shù)后端。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)是指工業(yè)資產(chǎn)與互聯(lián)網(wǎng)相連的重工業(yè)，如制造業(yè)、能源、石油、天然氣和農(nóng)業(yè)等。不同的細分市場有著不同程度的工業(yè)性質(zhì)，而以制造業(yè)為重點的互聯(lián)產(chǎn)業(yè)則處于最工業(yè)化的一邊，如以下所示：圖1.

圖1：物聯(lián)網(wǎng)細分，由少到多工業(yè)化

連接產(chǎn)業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)中最大的細分市場，在2017年占據(jù)了30%以上的市場份額。連接產(chǎn)業(yè)與整個工業(yè)4.0市場重疊，但工業(yè)4.0的范圍更廣，它旨在優(yōu)化整個制造價值鏈，并且包括其他配套技術(shù)，如AR、VR以及協(xié)作機器人技術(shù)。

圖2：物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0在工業(yè)和技術(shù)范圍方面的比較

工業(yè)4.0要素

工業(yè)4.0可以從五個不同的角度來看待。

圖3：工業(yè)4.0的元素

1.工業(yè)4.0組成部分，連接和分析設(shè)備數(shù)據(jù)所必需的技術(shù)包括：

硬件，如芯片、傳感器或網(wǎng)關(guān)

連接協(xié)議和服務(wù)

軟件組件，包括基礎(chǔ)設(shè)施、物聯(lián)網(wǎng)平臺和分析

構(gòu)建在軟件層之上的應(yīng)用程序

2.更新的技術(shù)：現(xiàn)有的技術(shù)和標準(如傳統(tǒng)的五層自動化金字塔)將被4.0技術(shù)所改變或取代。

3.配套技術(shù)：配套技術(shù)不是IIoT堆棧的一部分，但經(jīng)常與IIoT技術(shù)一起部署，并支持工業(yè)4.0關(guān)鍵用例。

4.關(guān)鍵用例：用例實現(xiàn)IIoT和配套技術(shù)，以改善運營，并更好地為客戶服務(wù)。

5.改變戰(zhàn)略的利益方：原始設(shè)備制造商(OEM)工廠和工業(yè)自動化供應(yīng)商都在使用工業(yè)4.0技術(shù)來在市場上脫穎而出。西門子、羅克韋爾自動化、通用電氣、 ABB和施耐德電等主要的工業(yè)自動化公司正在制定以IIoT和I4.0為基礎(chǔ)的戰(zhàn)略，而前瞻性思維工廠和原始設(shè)備制造商則在使用4.0技術(shù)來改進業(yè)務(wù)，創(chuàng)造差異化的產(chǎn)品和服務(wù)。

工業(yè)4.0市場

工業(yè)4.0的可尋址市場是細分化的市場，這些細分市場包括物聯(lián)網(wǎng)的連接行業(yè)和工業(yè)4.0技術(shù)支持的市場。

圖4：工業(yè)4.0可尋址市場的定義

按照工業(yè)4.0的上述定義，目前整個市場估值為650億美元，預計到2023年將達到3380億美元，復合年均增長率（CAGR）為39%(見圖5).

圖5：工業(yè)4.0市場的預期增長

工業(yè)4.0解決方案的市場增長，很大程度上是由工業(yè)4.0用例中獲得的三種類型的價值驅(qū)動的：

1.整個組織的效率提高：許多工業(yè)組織估計，投資工業(yè)4.0技術(shù)使生產(chǎn)率提高了25%。Fanuc和思科最近合作創(chuàng)建了一個支持IIoT的預測維護平臺，該平臺通過避免意外停機來提高客戶的整體設(shè)備效率（OEE）。一位Fanuc客戶使用此連接平臺消除停機時間，獲得了4000萬美元的收益。

2.新的收入來源：原始設(shè)備制造商（OEM）正在使用IIoT技術(shù)來創(chuàng)建新的服務(wù)業(yè)務(wù)模式。這些按需付費的商業(yè)模式可激勵原始設(shè)備制造商致力機器正常運行，從而使原始設(shè)備制造商與客戶的目標趨于一致。機床OEM Heller使用西門子MindSphere平臺，允許客戶按小時付費使用機器。OEM Kaeser壓縮機也采用這種方式，允許其客戶按立方米支付壓縮空氣費用。

3.縮短上市時間：工業(yè)4.0技術(shù)使制造商能夠在產(chǎn)品開發(fā)的各個階段更加靈活的進行。沃爾沃建筑的工程師最近采用了3D打印技術(shù)來快速成型新零件。通過使用3D打印代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工裝方法，沃爾沃零件的開發(fā)時間和成本都減少了90%。

自動化金字塔技術(shù)標準的重塑

五層自動化金字塔技術(shù)架構(gòu)是信息技術(shù)(IT)和操作技術(shù)(OT)幾十年融合的產(chǎn)物，被廣泛認為是制造業(yè)中的標準高層架構(gòu)。

在制造業(yè)的物理世界中，OT通常用于計算機處理技術(shù)，包括可編程控制器(PLC)、集散控制系統(tǒng)(DCS)和監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(SCADA)。這些技術(shù)被用于孤立的垂直應(yīng)用程序，并在專有協(xié)議的幫助下被本地控制。另一方面，它已應(yīng)用于行政和管理，例如企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)、客戶關(guān)系管理(CRM)或制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)。

圖6：IT和OT的融合

傳統(tǒng)金字塔架構(gòu)是建立在所有層都托管在私有局域網(wǎng)上的假設(shè)之上的。如今，OT和IT系統(tǒng)正越來越多地遷移到云托管環(huán)境，而SCADA，MES和ERP供應(yīng)商正在通過堆棧上下移動來發(fā)展業(yè)務(wù)。工業(yè)網(wǎng)關(guān)用于將傳統(tǒng)設(shè)備連接到這個新的云主機架構(gòu)，新的輸入/輸出和PLC硬件開始對云連接協(xié)議的原生支持。雖然這種新架構(gòu)還有待觀察，但很明顯它與今天的五層架構(gòu)不同。該報告確定了金字塔中的三個變化的區(qū)域：

圖7：MES和ERP系統(tǒng)的融合

遷移到云端

IDC在2015年的一項調(diào)查發(fā)現(xiàn)，66％的制造公司使用公共云來托管應(yīng)用程序，68％的公司使用私有云。?

雖然IT運營仍然是云基礎(chǔ)設(shè)施的主要支持者，但新技術(shù)有望解決許多技術(shù)限制，這些限制阻礙了云采用更多面向OT的應(yīng)用，如MES和SCADA。 許多SCADA和MES供應(yīng)商正在利用這些新技術(shù)，并提供基于云的解決方案以及傳統(tǒng)的內(nèi)部部署解決方案。

微軟和亞馬遜等IIoT平臺供應(yīng)商已在應(yīng)用程序遷移到云的過渡中獲益，這在很大程度上歸功于它們提供基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)（IaaS）和物聯(lián)網(wǎng)平臺即服務(wù)的能力。

應(yīng)用程序是否應(yīng)該托管在云中取決于應(yīng)用程序和行業(yè)需求。通常情況下，應(yīng)用程序堆棧越高，與邊緣設(shè)備之間的低延遲、雙向和高可用通信的重要就越低。

邊緣連接要求

基于云的基礎(chǔ)設(shè)施一直難以解決延遲、雙向性和可用性這三個因素，也就限制了SCADA和MES系統(tǒng)在重要行業(yè)(例如在制造業(yè)環(huán)境中)向云端的遷移。然而，新技術(shù)正在解決這些問題，使越來越多的最終用戶更有可能轉(zhuǎn)向云端：

云架構(gòu)

一旦制造公司決定將其從內(nèi)部部署解決方案遷移到基于云的SCADA / MES應(yīng)用程序，就有許多架構(gòu)可供選擇。傳統(tǒng)的SCADA和MES供應(yīng)商會提供現(xiàn)成的云托管SCADA / MES產(chǎn)品，這些產(chǎn)品通常采用以下云架構(gòu)之一：

1.應(yīng)用程序+基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(App+IaaS)：運行在云中托管的虛擬機上的獨立應(yīng)用程序。

2.應(yīng)用程序+服務(wù)平臺(App+PaaS)：應(yīng)用程序建立在一個特定的物聯(lián)網(wǎng)云平臺（如Azure IoT或AWS IoT）之上，并與之緊密耦合.

3.服務(wù)軟件(SaaS)：多租戶、端到端的云應(yīng)用程序不是構(gòu)建在PaaS之上，而是托管在租賃或現(xiàn)有的IT基礎(chǔ)設(shè)施上。

物聯(lián)網(wǎng)云基礎(chǔ)架構(gòu)和服務(wù)平臺供應(yīng)商

微軟和亞馬遜是基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)領(lǐng)域的佼佼者，分別占市場份額的29%和28%。微軟與工業(yè)自動化公司的合作可追溯到20世紀90年代初開放平臺通信(OPC)工業(yè)通信標準時期，該標準在創(chuàng)建時需要Windows3.0操作系統(tǒng)支持，有很多著名的工業(yè)自動化公司與微軟Azure合作主辦其IIoT平臺。Azure似乎正在成為IIoT終端用戶和工業(yè)自動化提供商的首選基礎(chǔ)設(shè)施供應(yīng)商。

案例研究：工業(yè)4.0與云

JD Norman是一家成熟的機械和鑄造金屬零件的制造商，該公司的市場戰(zhàn)略包括收購多家國際公司，以此擁有一個可擴展的、基于云的MES/erp系統(tǒng)，從而能夠快速地將新工廠與現(xiàn)有系統(tǒng)集成在一起。

他們收購了云ERP / MES供應(yīng)商Plex。通過利用Plex提供的高度可擴展的SaaS模型，JD Norman避免了在全球各地的工廠中安裝和管理內(nèi)部部署的MES解決方案。PLEX合作伙伴Kors提供解決方案的系統(tǒng)集成和機器連接部分，使JD Norman能夠收集和分析基于云的PLEX平臺中的性能數(shù)據(jù)。

結(jié)語

工業(yè)4.0是IIoT終端用戶使用相關(guān)技術(shù)，以改善運營的一場技術(shù)革命。早期的工業(yè)4.0技術(shù)采納者已經(jīng)享受到該技術(shù)帶來的運營及競爭方面的效益，已經(jīng)準備好迎戰(zhàn)快速增長的市場需求。

新技術(shù)，如機器到云集成，正在重塑現(xiàn)有的行業(yè)技術(shù)，使各種規(guī)模的制造商更容易連接互聯(lián)網(wǎng)并實現(xiàn)工業(yè)4.0的愿景。