إن الإنترنت الصناعي، باعتباره نموذج أعمال ونموذج تطبيق ناشئًا تم تشكيله من خلال التكامل العميق لتكنولوجيا المعلومات من الجيل التالي-مع الاقتصاد الصناعي، يعد بمثابة الأساس الحاسم للمؤسسات الصناعية لتحقيق التحول الرقمي. في السنوات الأخيرة، ظهرت العديد من الحلول المتكاملة من خلال الابتكار المصمم خصيصًا لخصائص الإنتاج ونقاط الضعف في الصناعات الرئيسية. تشمل الأمثلة التعاون في سلسلة التوريد في-تصنيع المعدات المتطورة، والتشغيل عن بعد وصيانة المعدات الرئيسية، والحفاظ على الطاقة وتقليل الانبعاثات في صناعة الصلب، ومراقبة سلامة الإنتاج في قطاع البتروكيماويات. تستفيد هذه الحلول بشكل كامل من تأثيرات التجميع والتضخيم للإنترنت الصناعي، مما يدفع التحول الرقمي للتصنيع ويقدم القيمة الأساسية في تحسين الجودة وخفض التكلفة ومكاسب الكفاءة.
توفر منصات الإنترنت الصناعية إمكانات لتجميع البيانات الصناعية الضخمة ودمجها وتخزينها ومعالجتها وحوسبةها وتحليلها، مما يمكّن المؤسسات من إنشاء أنظمة أساسية موحدة وكاملة-لبيانات التحكم التشغيلي طوال دورة حياتها. تخضع العديد من التقنيات المرتبطة بالنظام الأساسي- للتكرار والتقدم المستمر (على سبيل المثال، مكونات الخدمة الصغيرة، والحاويات، ومعالجة البيانات المجمعة، ومعالجة التدفق). تمكننا هذه التقنيات تدريجيًا من إجراء{6}تحليل متعمق للبيانات الصناعية الضخمة وغير المتجانسة مع تسريع تراكم المعرفة الصناعية، وفصل الأجهزة والبرامج، والنشر السريع للتطبيقات المبتكرة. ومع ذلك، فإننا ندرك أن هذه التقنيات المتقدمة والمفتوحة المصدر-هي في الأساس أدوات لمساعدة المؤسسات على تحقيق التصنيع الذكي-وليست الهدف النهائي بحد ذاته. ومن خلال الاستفادة من هذه الأنظمة الأساسية، يمكن للمؤسسات الكبيرة تحسين الإنتاج عبر نطاق التصنيع بأكمله، وتعزيز سلسلة القيمة الكاملة للأصول والعمليات، وتحقيق تحسين القيمة على مستوى دورة الحياة{11}}في نهاية المطاف. على سبيل المثال، تستفيد مجموعة شركة بترول أبوظبي الوطنية (أدنوك) من مركز القيادة الرقمي البانورامي الخاص بها من أجل المراقبة المركزية وتحسين الأصول والأداء التشغيلي لـ 14 شركة عاملة من مقرها الرئيسي. ومن خلال حلول مثل الصيانة التنبؤية وتحسين سلسلة القيمة، حددت فرص تحسين القيمة المحتملة بقيمة 60 مليون دولار إلى 100 مليون دولار للمجموعة (توفير حلول تحسين سلسلة القيمة للنفط والغاز، ودمج سلاسل القيمة للأصول والتشغيل، وتعظيم الإنتاج والعوائد التشغيلية).
يقدم الإنترنت الصناعي العديد من الحلول في سيناريوهات مثل تمديد الخدمة والتعاون عبر الشبكة والتخصيص الشخصي من خلال ربط المؤسسات والمستخدمين والمنتجات. ومع ذلك، لا يزال الأمر في مرحلة استكشافية لسيناريوهات الإنتاج الذكي، ولا تزال الشركات تواجه تحديات كبيرة في عمليات الإنتاج.
التحديات التي تواجه مؤسسات التصنيع اليوم
تحديات السوق: تجبر حالة عدم اليقين الاقتصادي والسوقي العالمية الشركات المصنعة على تعديل الاستراتيجيات بسرعة للتكيف مع متطلبات السوق الأكثر تواتراً والأسرع-مع التعامل مع التقلبات في تكاليف المواد الخام والطاقة. يجبر هذا الاتجاه الشركات على إعادة التفكير في أساليبها التشغيلية: يجب عليها إطلاق منتجات جديدة بشكل مستمر مع تقصير دورات شراء المعدات، والجداول الزمنية لتطوير المنتجات الجديدة، والوقت-للتسويق-. إنهم بحاجة إلى إنشاء-نماذج أعمال منسقة ومنسقة لسلسلة التوريد-تعتمد على الطلب وأنظمة إنتاج مرنة مثل-خط إنتاج مختلط-كبير الحجم-وهو أمر بالغ الأهمية بشكل خاص لقطاع التصنيع المنفصل.
الموارد البشرية وتحديات الاحتفاظ بالمعرفة: مع تقاعد الأجيال الأكبر سناً من العمال، فإن الخبرة التي يمتلكونها في أنظمة التحكم والعمليات والصيانة معرضة للخطر. تواجه المؤسسات الصناعية تحديات كبيرة من تحولات القوى العاملة. يتوقع الجيل الجديد من المواطنين الرقميين أن يتم دمج معرفة الأتمتة الصناعية في الأنظمة التي يستخدمونها، في حين تصبح المواهب التقليدية في مجال التكنولوجيا التشغيلية نادرة بشكل متزايد.
التحديات في التكلفة الإجمالية والامتثال: كيفية تحسين وخفض تكاليف مشاريع البناء الجديدة والنفقات التشغيلية مع الامتثال لقوانين ولوائح حماية البيئة الوطنية الصارمة بشكل متزايد لتمكين التنمية المستدامة.
ويأمل المديرون الصناعيون أن تساعدهم تقنيات الصناعة 4.0 والإنترنت الصناعي في مواجهة هذه التحديات الجديدة. يقدر محللو الصناعة أن تقنيات الإنتاج الأكثر مرونة من الجيل التالي-يمكن أن تعزز إنتاجية التصنيع بنسبة 30%. ومع ذلك، تشير الأبحاث أيضًا إلى أن 60% من الشركات تفشل في تطوير مشاريعها إلى ما بعد المرحلة التجريبية. تنبع هذه النتيجة من عوامل متنوعة تتعلق بالموظفين والعمليات والتكنولوجيا. على الصعيد التكنولوجي، تكافح معظم الشركات المصنعة لتحقيق عوائد أعلى من هذه الابتكارات، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى أن أنظمة مصانعها التشغيلية تظل مغلقة ومملوكة لها. منذ السبعينيات، عندما دخلت أنظمة DCS وPLC إلى الأتمتة الصناعية، تطورت الأنظمة المسجلة الملكية. حتى الآن، تطور السوق حول نماذج تجميع برامج الأجهزة{11}، حيث يقوم كل مورد للتشغيل الآلي وأنظمة المعلومات بإنشاء النظام البيئي للبرامج الخاص به. وهذا يجبر المستخدمين على صيانة العديد من أنظمة التشغيل وتكنولوجيا المعلومات، مما يعزز الاعتماد الكبير على موردي الأنظمة.
الاختناقات الحالية على حافة الإنترنت الصناعي
غير-الهندسة الرقمية-تم تحسين معظم أنظمة التشغيل الآلي الحديثة بدرجة كبيرة للتحكم في الوقت الفعلي- ولكنها تفشل في الاستفادة من التقنيات سريعة التقدم الناشئة من مجال تكنولوجيا المعلومات. تعتبر هذه-التقنيات الرقمية المتطورة-بما في ذلك التحليلات والذكاء الاصطناعي/تعلم الآلة والأساليب-الموجهة للكائنات و-البنى الموجهة نحو الخدمة-ضرورية لتحقيق التصنيع الذكي.
الأجهزة-نماذج الأعمال المتمحورة حول الأجهزة-على الرغم من أن تحسينات الأجهزة يمكنها تحسين بيئات التحكم الحالية، إلا أنها ليست الجانب الأكثر أهمية في التحول الرقمي. ويكمن المفتاح الحقيقي في الابتكار القائم على البرامج- والذي يتعامل بذكاء مع تحديات التكنولوجيا التشغيلية. ونتيجة لذلك، تتحول قيمة الأعمال بشكل مطرد من النماذج التي تعتمد على الأجهزة-إلى النماذج التي تعتمد على البرامج-.
حدود الأنظمة الاحتكارية-في الوقت الحالي، لا يمكن تشغيل تطبيقات التشغيل الآلي التي تم تطويرها لنظام ما على نظام آخر. ومع ذلك، على مدى العقود الماضية في مجال تكنولوجيا المعلومات، عززت أنظمة التشغيل المفتوحة مثل Linux تطوير تطبيقات الطرف الثالث-، مما أتاح التوسع السريع في النظام البيئي وإنشاء مجموعات برامج غنية تلبي احتياجات العمل عبر العديد من الصناعات وقطاعات السوق. من المؤسف أن أنظمة الملكية في القطاع الصناعي تخلق حواجز أمام الابتكار: لا يستطيع المستخدمون تعزيز أنظمة الإنتاج بشكل فعال-بتكلفة معقولة أو دمج ومطابقة أفضل المنتجات-في-المنتجات من موردين مختلفين. إن وتيرة الابتكار لديهم مقيدة باعتمادهم على بائعي الأنظمة الخاصة. تؤدي هذه العوائق في نهاية المطاف إلى زيادة إجمالي تكاليف المؤسسة.
بالنسبة للشركات المصنعة للمعدات الأصلية (OEMs)، يكمن التحدي في تحقيق التوازن بين أولويتين: الاستفادة من إمكانات تصحيح الأخطاء الافتراضية أثناء التصميم المعياري لسد الفجوة بين العالمين الافتراضي والمادي-وبالتالي تقليل التكاليف، وتخفيف المخاطر، وتسريع الوقت-إلى-السوق-مع تحسين القيمة المضافة للآلة-في نفس الوقت لتوسيع الأسواق وزيادة نمو الأعمال.
تواجه شركات تكامل الأنظمة (SIs) فجوة حرجة: تفتقر أنظمة الأتمتة إلى الأدوات التي تربط مجالات تكنولوجيا المعلومات والتكنولوجيا التشغيلية. وفي نهاية المطاف، يجدون أنفسهم مضطرين إلى استثمار موارد بشرية كبيرة في تطوير حلول مخصصة معقدة للغاية. والأهم من ذلك، أنه من الصعب تكرار مثل هذه الخدمات المخصصة على نطاق واسع في السوق. إنهم يبحثون عن كتل وظيفية برمجية تحمي معرفتهم الصناعية وحلول الصناعة-المخصصة، وبالتالي تقليل الجهد الهندسي المنخفض-من خلال إعادة استخدام الكائنات وخوارزميات العمليات عبر مشاريع متعددة. يتيح ذلك لخبرائهم الفنيين التركيز بشكل أكثر اهتمامًا على حل نقاط الضعف والتحديات ضمن عمليات التصنيع والعمليات والصيانة (MOM)، مما يؤدي في النهاية إلى خلق قيمة أكبر.
ومن ناحية-المستخدم النهائي (الاتحاد الأوروبي)، تتطلب معالجة هذه التحديات بشكل عاجل إدارة شاملة للنظام لتقليل وقت التوقف غير المخطط له، وضمان تسليم المنتج خلال مواسم الذروة وتقليل الاعتماد على الدعم الفني الخارجي. هناك رغبة في أنظمة/خطوط إنتاج مرنة لضمان سرعة التصنيع، مما يتيح مرونة أكبر في الإنتاج عندما يتغير الطلب أو تتغير جداول الصيانة.
يتطلب حل هذه المشكلات بشكل فعال وإنشاء نظام بيئي صناعي رقمي "-محدد برمجيًا" معالجة أنظمة التكنولوجيا التشغيلية المغلقة والمعايير وتحديات النظام البيئي عند مصدرها. ويستلزم ذلك اعتماد أنظمة ومعايير التشغيل الآلي المفتوحة مع دمج القدرات الفنية الإضافية لتسريع تقارب تكنولوجيا المعلومات-OT.
مستقبل أنظمة الأتمتة المفتوحة
سوف تتطور بنيات أنظمة التشغيل الآلي المستقبلية حتمًا نحو الانفتاح والنشر الموزع والأمن المتأصل. تشكل تكنولوجيا الأتمتة الصناعية والحوسبة المتطورة أساس هذه الأنظمة المفتوحة. بالمقارنة مع أنظمة الملكية التقليدية، ستعرض معماريات الأتمتة المفتوحة التحولات التالية:
ومن الواضح أن بنيات الأتمتة المفتوحة تعمل على تسريع التطوير الهندسي وتعزيز مرونة النظام ومرونة الإنتاج والكفاءة الشاملة. يمثل هذا التحول أكثر من مجرد ترقية تقنية-إنه يعيد تعريف كيفية تصميم العمليات والآلات بشكل أساسي. سيتم الانتقال إلى برمجة طويلة-منخفضة القيمة-لوحدات التحكم الخاصة إلى أنظمة التشغيل الآلي للتوصيل-والتشغيل-. ستستفيد هذه الأنظمة من كتل وظائف برمجية واسعة النطاق تم التحقق من صحتها تمامًا والتي تم تطويرها بواسطة نظام بيئي واسع. وسيتم تشغيلها عبر أجهزة متنوعة من موردين متعددين-تشمل أنظمة التحكم المضمنة وأجهزة ذكاء الحافة القوية.
تعتبر المعايير المفتوحة ضرورية لبناء أنظمة التشغيل الآلي المفتوحة، والمعيار IEC 61499 هو المعيار الرئيسي الذي يفتح هذه الحدود الجديدة. من خلال تحديد قواعد النمذجة الموجهة للكائنات-، يتم تغليف نماذج التحكم والخوارزميات الخاصة بالكائنات التي يتم التحكم فيها في "الصناديق السوداء" (كتل وظائف البرنامج). يمكن إعادة استخدام كتل الوظائف التي تم التحقق منها عبر سيناريوهات مختلفة، مما يقلل بشكل كبير من جهود البرمجة المتكررة. بالنسبة للمستخدمين، يكفي فهم الوظيفة المقدمة دون الحاجة إلى معرفة تفاصيل التنفيذ، وبالتالي حماية الملكية الفكرية للمطورين. على عكس كتل الوظائف التقليدية، تعمل تلك التي يحددها هذا المعيار على أساس تشغيل الحدث بدلاً من المسح الدوري. ويتوافق هذا مع المفاهيم الموجهة للكائنات وأساليب البرمجة في مجال تكنولوجيا المعلومات، مما يجعلها تقنية تقارب طبيعية لتكنولوجيا المعلومات/التكنولوجيا التشغيلية. فهو يسهل تحسين كفاءة وحدة المعالجة المركزية وموازنة التحميل، وهو مناسب بشكل خاص للأنظمة الموزعة، ويتيح التكامل السلس لتقنيات تكنولوجيا المعلومات المتقدمة في أنظمة التشغيل الآلي. ويحدد المعيار كذلك قواعد نماذج التطبيقات، ونماذج النظام، ونماذج الجهاز/الموارد. يتيح تكاملها للمستخدمين تصميم التطبيقات بشكل مستقل عن أجهزة التشغيل الآلي الأساسية. يعمل أسلوب تجريد الأجهزة هذا على تقصير الجداول الزمنية للمشروع وتقليل الاعتماد على الشركات المصنعة للمعدات. وبدمجه مع التطوير الموجه للكائنات- للكتل الوظيفية، فإنه يبسط إلى حد كبير عمليات الضبط عبر الإنترنت لخطوط الإنتاج والمعدات. وبطبيعة الحال، يوفر المعيار أيضًا طرقًا لتركيب كتل الوظائف الأساسية في كتل مركبة ولربط كتل الوظائف المختلفة بسرعة (عبر السحب البسيط-و-الإفلات)، مما يقلل بشكل كبير من عبء عمل تصحيح أخطاء برمجة البرامج ومعدلات أخطاء البرنامج. باختصار، تحقيق قابلية التشغيل البيني للأجهزة، وإعادة تكوين النظام، وقابلية نقل البرامج هي أهدافها الأساسية. تدعو منظمات مثل منتدى أتمتة العمليات المفتوحة (OPAF) والرابطة الدولية لمستخدمي أتمتة صناعة العمليات (NAMUR)، والتي تقودها حاليًا مشاركة المستخدم النهائي-، إلى التحول بعيدًا عن أطر عمل أنظمة التشغيل الآلي الخاصة الحالية المستندة إلى هذا المعيار-الذي يعد أفضل توضيح لهذا المسعى.
في السنوات الأخيرة، شهدت تكنولوجيا الحوسبة المتطورة أيضًا تطورًا سريعًا. توفر تقنية الحاوية طرقًا فعالة لتحديث/ترقية التطبيقات للتحكم في الحافة وضمان نقل البيانات ومعالجتها في الوقت المناسب. إن تقنيات الحاويات، وفي المقام الأول Docker، وأدوات تنسيق الحاويات مثل Kubernetes، في طور النضج الآن. تعمل بنية الخدمات الصغيرة باستمرار على تحسين كفاءة استخدام الموارد على الحافة، وتعزز الفصل الوظيفي وإعادة الاستخدام، وتسرع تطوير التطبيقات، وأصبحت اتجاهًا رئيسيًا في تكنولوجيا الحوسبة الطرفية. توفر المعايير مثل OPC UA والشبكات الحساسة للوقت (TSN) أطر عمل دولية وشبكات حتمية للتوصيل البيني للأجهزة الميدانية، مما يلبي متطلبات نقل البيانات المتنوعة وتبادلها في التطبيقات الصناعية. سيؤدي دمج تقنيات المعلومات والاتصالات من الجيل التالي- مع تقنيات IEC 61499 القياسية إلى تسريع تقدم التشغيل الآلي المفتوح. ولا يمتد هذا الانفتاح إلى المعايير فحسب، بل أيضًا إلى الشبكات والأجهزة والبرامج وهندسة الأنظمة، مما يضع أساسًا متينًا لتحقيق الرقمنة والشبكات والذكاء في المصانع وورش العمل.
ستقود الأتمتة المفتوحة التطور السريع للإنترنت الصناعي، مما يؤدي في النهاية إلى معالجة نقاط الضعف لدى المستخدمين النهائيين ومتكاملي الأنظمة ومصنعي المعدات الأصلية. يحقق هذا الأسلوب إنتاجًا مرنًا، ويقلل وقت-الوصول إلى السوق-، ويقلل الوقت والتكاليف الهندسية، ويعزز الكفاءة التشغيلية والإنتاجية، ويحمي الملكية الفكرية. في الواقع، هناك دراسة مقارنة حديثة أجرتها شركة -طرف ثالث دولية تسلط الضوء على هذا الأمر بشكل فعال: لإكمال مشروع أتمتة نموذجي صغير الحجم- (المهام التي تشمل إنشاء التطبيقات، واستيراد قواعد البيانات ذات الصلة، وإنشاء المنطق، وتكوين الأجهزة، وتطوير أجهزة HMI، ونشر المشروع)، كانت أدوات برمجيات الأتمتة التقليدية تتطلب 40 ساعة. في المقابل، أدى استخدام نظام التشغيل الآلي المفتوح إلى تقليل هذه المرة بنسبة 68%. لاختبار سرعة النظام، تم تبديل وحدات التحكم يدويًا بين الأجهزة ووحدات التحكم الجديدة التي تم تكوينها للأجهزة الأصلية. أثبتت هذه العمليات أنها مرهقة مع أنظمة الملكية التقليدية، في حين أن أنظمة الأتمتة المفتوحة نفذتها بشكل أسرع بنسبة 70٪ إلى 80٪.
باختصار، إن قدرة الإنترنت الصناعي المستقبلي على التغلب على الاختناقات الحالية ومواصلة تعزيز التحول الرقمي للمؤسسات الصناعية بعمق واتساع، يعتمد على إنشاء نظام أتمتة مفتوح مبني على مفاهيم ومعايير ومعايير جديدة. سيتم استبدال الأنظمة التقليدية التي تركز على الأجهزة-بأنظمة مفتوحة تركز على البرامج-. سيتم تطبيق المزيد من التقنيات السحابية على الحوسبة الطرفية، مما يتيح لمجموعة كبيرة من مواهب تكنولوجيا المعلومات التكامل العميق مع معرفة التطبيقات الصناعية ضمن هذا الإطار المفتوح. يمكننا أن نتوقع أن الإنترنت الصناعي سوف يشكل مسارًا صحيًا ومستدامًا للمضي قدمًا من خلال الاستفادة من هذا النظام البيئي المفتوح.