一看使用云的数字转型

云架构,当从整体上进行检查时,可能非常复杂。专注于其与操作技术的接口,使问题更加清晰和易于管理。

通过Balasubramanian Satish 2022年7月21日
礼貌:横河

数字化转型洞察

  • 数字化转型(DX)和工业物联网(IIoT)可以帮助简化由六层组成的云架构。这些层超越了信息技术/操作技术(IT/OT)的融合,并帮助创建业务企业的基础。大部分转换发生在第1级。
  • 一个好的云平台可以帮助用户管理整个生命周期的数据,它支持管理和利用,以实现有效的数据分析和机器学习(ML),从而产生可以使制造运营更好的见解。
  • 数字化转型和工业物联网是一项更大的努力的一部分,目的是利用制造业中的所有许多数据流,更好地理解一切是如何工作的。ML和人工智能(AI)使这一过程更容易,云使存储大量数据成为可能。

数字化转型(DX)通过支持的数字技术重新定位公司如何开展业务云基础设施包括价值链优化、企业规划和资产管理在内的所有运营领域。DX甚至延伸到健康、安全和环境管理。DX和工业物联网(IIoT)讨论包括运营技术(OT)和信息技术(IT)融合、云和网络战略。DX和IIoT主题的扩展甚至对OT方面更有经验的人来说也是压倒性的。

全面的云架构包括六层(图1),涵盖从单个现场仪器到企业范围的管理网络的所有内容。对于OT一方的人来说,上层是远离的,很少有机会与他们互动。在这种情况下,重点将是自下而上的,并将强调三个方面:

  • 云计算转移的核心目标与其实际利益相关。
  • 将现有的生产设备和网络与云结合是必要的。
  • 一个真实世界的例子,DX正在产生重大影响。

为了帮助分析的背景化,我们可以使用一个假设的公司作为例子,假设0层已经工作得很好。现场网络和自动化主机(分布式控制系统(DCS)、可编程逻辑控制器(PLC)或其他自动化设备)使过程处于控制之下,并使用过程历史记录保存基本数据。这是手术的OT部分。它们如何连接到IT和云?这就是优势因素所在。

图1:数字转型(DX)概念影响着企业的各个层面,从会议室到个人现场仪器。礼貌:横河

图1:数字转型(DX)概念影响着企业的各个层面,从会议室到个人现场仪器。礼貌:横河

1级,边缘:桥梁和统一器

“边缘”这个词具有误导性,因为它是如此多事物的中心。边缘系统(图2)不仅是传统OT系统和IT之间的桥梁,也是本地(本地)系统和云之间的桥梁。除了将本地数据传输到云端之外,边缘配置还可能被设计为支持非结构化数据,甚至是运行时敏感逻辑和人工智能(AI)。这使得它在更大的架构中成为一个非常具有战略意义的链接。

边缘系统必须为OT系统提供有效的数据收集机制,以便能够毫无问题地将数据转移到云端。这需要硬件和软件的结合,边缘系统的大小必须根据应用的性质,并考虑到以下因素:

  • 弹性
  • 可用性
  • 延迟
  • 吞吐量
  • 带宽
  • 隐私
  • 安全。

边缘控制器的主要作用是调节从OT和IT层到数据中心或云的信息流(反之亦然),在任何适用的地方提供存储、缓冲和批量上传数据。它还可以提供智能来执行数据过滤和业务逻辑的执行——通常使用机器学习(ML)或迁移学习算法——靠近工厂。

边缘使用符合OPC和OPC UA等开放行业标准的接口从工艺系统或历史学家获取OT数据。还有一些本地接口支持许多其他行业标准协议,如Modbus、基金会现场总线和Profibus。

标准安全实践将边缘部署在非军事区(DMZ)配置中,该配置是一个物理或逻辑子网,其中包含并公开组织面向外部的服务。其他选项可能涉及带有信息二极管的服务器。边缘网关也可以从外部网络(如云)基于组织安全策略进行配置和管理。

图2:边缘系统将最底层连接在一起,并将它们连接到云端。礼貌:横河

图2:边缘系统将最底层连接在一起,并将它们连接到云端。礼貌:横河

三层边缘策略

优势战略的细节因公司、生产流程和工厂位置而异。开始设计过程的一个好方法是使用三层边缘策略(图3):

  1. “边缘网关”专注于提供从工厂到云端的数据安全传输,但具有限制性的OT协议支持。
  2. “轻边缘”提供了第一层的所有功能,还提供了跨更广泛的OT协议的连接,以及缓冲、过滤、有效负载转换和一些IT数据交换。
  3. “综合优势”建立在前两者的基础上,同时还提供了一种运行应用程序(包括人工智能应用程序)的机制,并提供应用程序编排、设备管理、对机器人技术的支持,以及从云端进行远程工程。

综合优势将其协作信息服务器组件与视频和图像分析组件结合在一起。边缘的这种终端状态视觉支持结构化数据(来自传感器、过程数据等)和非结构化数据(视频、图像、文件等)的摄取。综合边缘还确保边缘可以处理和桥梁工厂地面和云之间的各种操作数据(OT和IT)。

执行结合一种或多种数据类型的AI应用程序的能力,可以通过虚拟/智能工作者、集成远程操作、机器人应用程序等应用程序释放新的价值。这第三层的优势战略有助于工厂更接近实现工业自主。通过应用分布式ML,可以在云和边缘之间分配AI工作负载,从而实现智能制造的新范式。

图3:当从OT方面探讨潜在的数字化转型发展时,情况更加清晰。礼貌:横河

图3:当从OT方面探讨潜在的数字化转型发展时,情况更加清晰。礼貌:横河

云如何造福制造业

云可以承载各种各样的软件应用程序,同时提供安全和批量数据处理和其他功能,因此可以使用它做什么取决于应用程序。有些公司将其视为一张白纸,并构建所有所需的元素。其他人更喜欢使用第三方平台即服务(PaaS),这样他们可以快速开始,在开发自己的解决方案时还可以访问复杂的工具。第三种方法是订阅完全托管的云应用程序服务。

对于那些选择第三种方法的人来说,云平台提供了全面的数字应用程序,以提供真正的DX能力,同时大大减少了最终用户支持的需求和IT层面的投资。

云平台允许用户使用已建立的活动和流程序列在其生命周期中管理数据。这支持数据管理和利用,以实现有效的分析和ML,以推动洞察和创新。

云平台被组织成五层(图4),每一层代表一组工具和服务,可用于在平台上构建的应用程序。常见服务(图4中的3-1)包括网络安全和身份管理服务,这些服务提供对数据的安全访问,但仅对有效用户。平台的分层架构映射到数据管理的关键阶段:数据启用(3-2)、数据管理和处理(3-3)以及数据分析(3-4)。它还包括一个应用程序编程接口(API)(3-5),应用程序通过该接口使用平台提供的服务。

图4:对特定云产品的仔细观察说明了它如何支持工业应用程序。礼貌:横河

图4:对特定云产品的仔细观察说明了它如何支持工业应用程序。礼貌:横河

它如何提供实际的过程改进?这就是应用程序出现的地方。应用程序是为解决特定业务问题而构建的软件程序,如资产管理、生产优化或健康和安全。它们通过应用分析、AI、ML、可视化等来使用可用的过程数据。

由于所有应用程序都在一个公共平台上,因此它们可以相互连接,并根据需要安全地交换或重用数据。一旦在平台上可用,数据就可以被其他应用程序重用,从而消除整个生命周期中的数据重复。为快速部署配置标准应用程序。

有了所有可用的数据和通信基础设施,云平台是托管优化和流程自治应用程序的理想场所,因为它们可以访问所有必要的历史数据和当前流程条件,同时提供强大的数字运算能力。

利用DDMO集成优化废水处理

通过云平台提供流程自主和优化的应用程序的数量正在增长,但考虑到流程制造商天生的谨慎态度,许多人都急于看到实际操作中的应用程序。横河公司最近完成了一项概念验证(PoC),以优化美国废水回收设施生产饮用水的操作。对于这个项目,交付了一个数据驱动的优化建模(DDMO)应用程序。它由云平台提供支持,可以使用历史数据来改进操作。它已被用于洛杉矶市位于洛杉矶县拉斯维吉尼市政水区(LVMWD)的塔皮亚水回收设施的复杂而关键的水处理应用。

要生产足够供应该州2000万人口的饮用水,需要包括回收废水在内的多种方法。这需要先进的水处理(AWT)方法(图5),包括超滤(UF)、反渗透(RO)和紫外高级氧化工艺(UV AOP)。回收废水的想法引起了消费者的关注,但这一过程已被证明是安全实用的,前提是废水可以经过处理,病毒、贾第鞭毛虫和隐孢子虫的含量可以达到log10。

图5:高级水处理是有效的,但可能非常昂贵,因此必须仔细调节,以避免过度处理。礼貌:横河

图5:高级水处理是有效的,但可能非常昂贵,因此必须仔细调节,以避免过度处理。礼貌:横河

该项目的一个主要挑战是验证水处理的有效性,同时避免过度处理的成本。DDMO软件套件用于建模并预测设定值,以优化操作并支持运营商决策,同时保持水处理设施的目标水质。通过云软件的高级数据分析和安全的远程连接,自动化系统可以进行操作调整,以优化流程。用于评估治疗的专用扫描仪配备了内置的数据清理、管理、分析和建模工具,用于持续的工艺优化。

对于这一举措,该项目使用云平台(图6)来最小化所需的现场活动,并在站点和系统之间建立安全的数据引用。DDMO软件使用实时运行数据得出控制设定值,并将其发送回Tapia水回收设施的操作人员。

在进行了多方面的评估和具体的有效性验证后,新技术与DDMO软件套件结合,提高了运行效率,在满足所有水质标准的同时,降低了10%以上的功耗。wateruse协会对这些成果印象深刻,向横河及其合作伙伴颁发了2022年转型创新奖。

图6:由Yokogawa Cloud平台提供支持的简化的数据驱动优化建模(DDMO)体系结构概述。礼貌:横河

图6:由Yokogawa Cloud平台提供支持的简化的数据驱动优化建模(DDMO)体系结构概述。礼貌:横河

手阀位置监测

一家化肥公司使用云平台来监控其工厂的手动阀门位置。面板操作人员通常对手动阀门位置视而不见,依赖于现场操作人员根据操作人员轮询的反馈。为了解决人为故障导致的事故、过程停机和生产损失,交付了一种基于云的监测解决方案,涵盖手动阀门。

云平台提供:

  • 使用边缘网关连接到基于现场的物联网传感器
  • 安全的数据流、存储和持续监控
  • 在仪表板上显示阀门位置并发出警报
  • 易于部署、维护和扩展。

这种解决方案限制了错误、错误操作和环境泄漏的可能性,从而使工厂运行更安全。

地热发电厂资产绩效管理

应用程序的另一个示例是安装在地热发电厂的资产绩效管理系统。该应用程序是一个附加系统,适用于任何地热电厂,它连接到现有的电厂控制系统,并根据需要提供额外的测量点。

解决方案部署在云平台上。使用托管在云平台上的边缘适配器支持的标准OT协议建立到一个或多个生产站点的连接。

云平台提供:

  • 工厂数据的集成
  • 安全的数据流、存储和持续监控
  • 计算地热关键绩效指标(kpi),并与基线进行比较
  • 可视化地热电厂性能kpi,帮助电厂人员识别性能退化,然后根据需要采取行动。

工作中的数字转型概念

工业数字平台(如云平台)为数据管理、算法执行和可视化提供了一组通用的可重用服务。这些平台能够开发各种应用程序和具有一致用户体验的集成解决方案,从而加速和简化价值创造过程。DX所释放的业务价值包括改进的有效性、效率、优化、组织范围内的协作以及向行业自治的进展。


作者简介:Satish Balasubramanian是横河公司的数字转型解决方案架构师。他致力于理解终端用户的问题,以构思、构建和支持托管在现有平台和产品上的自定义解决方案。他在自动化、高级过程控制和软件开发领域有十年的经验。Balasubramanian拥有多所大学的技术学位,并在印度马德拉斯的印度理工学院获得化学过程控制硕士学位。