«Индустрия 4.0»: интеллектуальное управление технологическими процессами и устойчивая эффективность

Новой стратегической задачей промышленности будущего является рациональное использование энергии. В условиях постоянного роста затрат на энергию, целей по декарбонизации и необходимости обеспечения стабильного производства для все более требовательного рынка предприятиям приходится постоянно оптимизировать свои производственные мощности.

Незапланированные простои и снижение энергоэффективности по-прежнему являются значительными источниками затрат и потерь в промышленности, где эффективность имеет сегодня как никогда важное значение. Хотя цифровизация промышленного оборудования часто упоминается в качестве решения, её внедрение по-прежнему воспринимается как сложный или дорогостоящий процесс.

Тем не менее, аналитические данные, получаемые с компьютеров, программного обеспечения и других серверов, открывают новые возможности для анализа и облегчают принятие мер, в частности благодаря своей вычислительной мощности и искусственному интеллекту (ИИ). Автоматизация задач и внедрение корректирующих мер позволяют достичь максимальной эффективности при меньшем энергопотреблении.

Именно это обещает «Промышленность 4.0»: она предлагает конкретные решения для повышения прозрачности, оптимизации технического обслуживания и повышения энергоэффективности производственных объектов.

«Индустрия 4.0» основана на ряде ключевых принципов, направленных на повышение эффективности работы промышленных предприятий:

• Взаимодействие: оборудование и системы для оптимизации обмена информацией
• Анализ данных: для лучшего понимания процессов
• Оперативность в режиме реального времени: для более быстрого корректирования операций
• Профилактическое техническое обслуживание: для предотвращения отклонений и поломок
• Интеграция ИТ и ОТ: для комплексного управления эффективностью, в частности энергоэффективностью

После сбора и анализа этих данных можно получить более четкое представление о работе установок и реагировать быстрее, вплоть до принятия мер в режиме реального времени.

В конечном итоге, цель «Промышленности 4.0» — сделать производство более интегрированным, прозрачным и эффективным в повседневной работе.

*Взаимодействие: означает способность различных систем, устройств, программного обеспечения или оборудования взаимодействовать друг с другом, обмениваться данными и работать совместно, даже если они произведены разными производителями или основаны на разных технологиях.

В условиях «Промышленности 4.0» растущая взаимосвязанность оборудования подвергает промышленные предприятия риску всё более сложных кибератак. Интеграция Интернета вещей (IoT) и цифровых технологий приводит к появлению огромных объемов данных, которые необходимо эффективно собирать, анализировать и защищать.

В этих условиях защита конфиденциальных данных представляет собой стратегическую задачу, направленную как на сохранение коммерческой тайны, так и на защиту от таких угроз, как атаки с использованием программ-вымогателей, способных парализовать производственные процессы. Ненадлежащее управление данными может привести к утечке информации, злонамеренным вторжениям или значительным финансовым потерям.

В свете этих вызовов кибербезопасность в промышленности сегодня становится одной из главных приоритетных задач. Компании должны не только внедрять безопасные системы для контроля своих потоков данных, но и соблюдать действующие стандарты безопасности, в том числе проводить регулярные тесты на проникновение. Использование решений Data Management Platform (DMP) позволяет, в частности, лучше контролировать доступ к конфиденциальной информации и отслеживать обмен данными в режиме реального времени. Кроме того, обучение персонала методам обнаружения угроз и применения протоколов безопасности является важным фактором для повышения общей устойчивости объектов.

На стыке управления данными и обеспечения безопасности инфраструктуры управление данными и кибербезопасность становятся тем самым неотъемлемыми составляющими, гарантирующими бесперебойную работу и стабильную производительность промышленных объектов.

Промышленность 1.0: механизация (паровая машина)

В конце XVIII века изобретение и распространение парового двигателя ознаменовали начало первой промышленной революции (Индустрия 1.0). В этот период, продлившийся до середины XIX века, происходило постепенное внедрение машин, способных автоматизировать определенные задачи и значительно увеличить производственные мощности.

Сначала эти основные принципы и методы, получившие распространение в Великобритании благодаря добыче угля, который использовался для питания паровых машин, быстро распространились на остальную Европу. Во Франции разработка и коммерциализация первых механизированных машин, таких как швейная машина, также способствовали этой динамике и сопровождали модернизацию производственных процессов.

Индустрия 2.0: электрификация и массовое производство

В конце XIX века промышленность вступила в новый этап с появлением электричества и использованием новых источников энергии, таких как нефть и газ. Эта вторая промышленная революция, или «Промышленность 2.0», позволила производственным предприятиям увеличить мощности, темпы и эффективность. Именно в этот период появились первые сборочные линии, в частности в автомобильной промышленности у компании Ford, что открыло путь к массовому производству. Промышленность вышла на новый уровень, характеризующийся более организованными процессами и стандартизированным производством.

Индустрия 3.0: автоматизация и промышленная информатика

Со второй половины XX века промышленность вступает в новую фазу, связанную с бурным развитием электроники и информатики. Эта третья промышленная революция, или «Промышленность 3.0», знаменует начало более глубокой автоматизации производственных процессов. Автоматизированные системы, программируемые контроллеры и первые компьютерные инструменты позволили повысить точность, производительность и надежность. Именно в этот период появились первые процессы контроля и мониторинга, которые постепенно изменили подход к управлению промышленными установками.

Индустрия 4.0: цифровизация и встроенная интеллектуальная система

Сегодня промышленность вступает в новый этап трансформации, связанный с бурным развитием цифровых технологий, подключенного оборудования и анализа данных. Эта четвертая промышленная революция, или «Индустрия 4.0», основана на взаимосвязи машин, датчиков и управляющего программного обеспечения, что позволяет более эффективно отслеживать работу производственных установок в режиме реального времени (умное производство).

Эти программные решения позволяют промышленным предприятиям улучшить анализ работы оборудования, оптимизировать энергопотребление и прогнозировать неисправности до того, как они приведут к внеплановым остановкам производства, в частности благодаря машинному обучению, которое позволяет использовать данные для корректировки в режиме реального времени. В условиях роста затрат на энергию и целей по декарбонизации технологии Индустрии 4.0 становятся стратегическим рычагом для повышения эффективности и конкурентоспособности промышленных объектов.

На пути к Индустрии 5.0: гуманизация, устойчивость и устойчивость к внешним воздействиям

«Индустрия 5.0» продолжает трансформацию, начатую «Индустрией 4.0», предлагая более широкое видение промышленной эффективности.

Его принцип ясен: вернуть человека в центр производственных процессов, наряду с передовыми технологиями. Эти новые технологии, служащие интересам человека, только и ждут, чтобы их внедрили в производственные процессы (искусственный интеллект, облачные вычисления, большие данные и т. д.), и перспектив здесь множество: в этой новой промышленной революции добавленная стоимость будет, прежде всего, более человечной, более устойчивой и более долгосрочной на службе производства.

Эта тенденция также отвечает требованиям обеспечения промышленной устойчивости, помогая организациям лучше адаптироваться к непредвиденным обстоятельствам, изменениям рынка и экологическим ограничениям. Она вписывается в концепцию устойчивого развития и декарбонизации, при этом всё большее внимание уделяется сокращению энергетического следа промышленной деятельности.

В частности, принципы циркулярной экономики также приобретают все большее значение, поскольку позволяют оптимизировать использование ресурсов и сократить объем отходов. Таким образом, энергетика становится стратегической опорой, позволяющей совместить промышленную эффективность, экологический переход и долгосрочную конкурентоспособность.[

Ключевая роль интеллектуальных приборов

Интеллектуальные измерительные приборы — это полный контроль над промышленным процессом. То есть: благодаря измерениям в режиме реального времени промышленные предприятия получают более точную картину работы своего оборудования и энергопотребления. Такая прозрачность облегчает выявление аномалий, будь то отклонение от нормы, сбой в работе или отклонение в потреблении. Анализируя взаимосвязь между энергопотреблением и производством, можно также лучше понять реальную эффективность технологических процессов, определить конкретные направления для улучшений и автоматически передавать обновления и другие исправления.

Кроме того, такой подход способствует внедрению профилактического технического обслуживания, помогая предвидеть некоторые неисправности до того, как они повлияют на производство. Наконец, анализ данных в динамике позволяет постоянно оптимизировать энергопотребление. Иными словами, в контексте концепции «Индустрия 4.0» данные становятся фактором повышения эффективности.

Интеллектуальное регулирование озера Айетт: прогнозирование гидротехнических рисков с помощью «Промышленности 4.0»

Управление озером Айетт в регионе О-де-Франс направлено на поддержание гидравлического баланса между притоками в верховьях и нагрузкой в низовьях, обеспечивая минимальный расход воды для экосистем и одновременно предотвращая переполнение озера во время сильных дождей.

Исторически эта система регулирования основывалась на ручной настройке и редких данных, что ограничивало возможность прогнозирования погодных явлений. В случае грозы резкие колебания расхода могли создавать угрозу наводнений и оказывать негативное влияние на деятельность в низовьях.

Для решения этих задач была внедрена сетевая архитектура. Автономные расходомеры непрерывно измеряют уровень воды в озере и расход рек. Эти данные автоматически передаются на онлайн-платформу. Затем система удаленного управления FBox получает данные через API, преобразует их и обрабатывает в режиме реального времени.

В основе системы лежит промышленный регулятор PSC200, который автоматически управляет клапаном MONOVAR на основе заданных значений, рассчитанных с учетом гидравлических условий. Вся система контролируется через сенсорный человеко-машинный интерфейс (ЧМИ), который позволяет просматривать данные, вести журнал событий и настраивать параметры регулирования.

Это решение демонстрирует преимущества «Промышленности 4.0»: данные в режиме реального времени, взаимосвязь оборудования, автоматизация и повышенная устойчивость к непредвиденным обстоятельствам.

Эффективное использование пара: повышение надежности энергетического обмена с помощью производственных данных

В рамках проекта по утилизации отходов на мусоросжигательном заводе производится пар, который поступает на соседнюю бумажную фабрику. Задача состоит в том, чтобы точно измерить объемы производимого, передаваемого и потребляемого пара для обеспечения достоверного учета.

Многочисленность точек измерения и разбросанность установок затрудняли мониторинг из-за децентрализованности данных и отсутствия полной картины энергетических потоков.
Поэтому была внедрена архитектура подключенного учета. Расходомеры и тепловые счетчики ERW700 измеряют потоки пара и конденсата, собирая данные через Modbus RTU, а затем передавая их по Modbus TCP по сети Ethernet. Устройство удаленного управления FBox централизует и структурирует данные, а также генерирует стандартизированные файлы.

Эти файлы могут автоматически передаваться на внешние платформы, в частности в ADEME, что упрощает выполнение нормативных требований и получение государственной поддержки в сфере энергетики.

Система также включает в себя контроллеры и интерфейсы человека-машины, способные в режиме реального времени выявлять отклонения и обновлять только необходимые данные, что повышает оперативность.

Затем данные становятся доступными через диспетчерскую, что обеспечивает обзорную картину потоков и позволяет как повысить точность выставления счетов, так и выявить возможности для оптимизации энергопотребления.

Этот проект демонстрирует вклад «Промышленности 4.0» в сферу утилизации отходов: интеграцию оборудования, повышение надежности данных, автоматизацию процессов и улучшение показателей.

Эти преобразования также вписываются в контекст национальных и международных тенденций. Во Франции план «Франция 2030» предусматривает инвестиции в размере почти 54 миллиардов евро для ускорения цифровизации промышленности в дополнение к таким инициативам, как «Промышленность будущего», направленным на поддержку малых и средних предприятий. На европейском уровне программы, такие как «Промышленность 2025» в Швейцарии, также демонстрируют стремление укрепить конкурентоспособность промышленности за счет цифровых инноваций.

«цифровые двойники»* — это виртуальные копии производственных линий, созданные для моделирования изменений без остановки реального производства.

Сегодня «завод 4.0» — это подключенный к сети завод, на котором оборудование, датчики и цифровые системы постоянно обмениваются данными. В таких условиях производство, основанное на данных, позволяет лучше понимать технологические процессы и точно корректировать рабочие операции.

Показатели эффективности становятся доступными для постоянного мониторинга, что обеспечивает четкое представление об эффективности производственных линий и возможных отклонениях. Такие данные облегчают внедрение интеллектуального управления энергопотреблением, позволяя более эффективно контролировать энергозатраты.

Используя эту информацию, промышленные предприятия могут также заранее выявлять отклонения от нормы и тем самым способствовать сокращению внеплановых остановок, одновременно повышая общую надежность производства.

Чтобы начать переход к «Индустрии 4.0», промышленным предприятиям прежде всего необходим более полный обзор своих производственных объектов. Именно в этом ключе предлагаются решения компании Fuji Electric. Интеллектуальные датчики давления, расходомеры и подключенные датчики, а также счетчики энергии позволяют более точно измерять потребление, будь то энергопотребление или параметры, связанные с промышленными процессами.

Затем эти данные можно централизовать и использовать с помощью интерфейсов HMI и систем мониторинга, которые облегчают их ежедневное считывание и анализ. Наконец, частотно-регулируемые приводы способствуют повышению энергоэффективности установок, одновременно оптимизируя управление промышленными двигателями. В совокупности эти технологии являются важнейшими составляющими для создания интегрированных и высокопроизводительных промышленных предприятий.

Внедрение решений, совместимых с концепцией «Промышленность 4.0», позволяет промышленным предприятиям значительно повысить эффективность своих производственных мощностей. Как мы уже видели, обеспечивая более полную картину работы оборудования, эти технологии дают следующие конкретные преимущества:

• Сокращение энергопотерь за счет более точного мониторинга энергопотребления
• Повышение эффективности производственных процессов
• Сокращение числа внеплановых остановок за счет более быстрого выявления неисправностей
• Прогнозирование сбоев на основе непрерывного анализа данных
• Повышение надежности промышленных процессов
• Улучшенная отслеживаемость данных, необходимая для мониторинга производительности и технического обслуживания

Такой подход позволяет обеспечить долгосрочную оптимизацию объектов, сочетая в себе высокую эксплуатационную эффективность и рациональное энергопотребление.

Энергетический аудит промышленных предприятий

Энергетический аудит на промышленном предприятии часто служит отправной точкой для эффективного процесса оптимизации. В первую очередь он основан на анализе энергопотребления, который необходим для понимания того, как энергия фактически используется на объекте. Это позволяет впоследствии выявить потери, будь то избыточное потребление, отклонения от нормы или более системные проблемы с эффективностью. Наконец, выявление критических точек помогает определить зоны или оборудование, которые больше всего влияют на энергоэффективность, с тем чтобы разработать целенаправленные меры, соответствующие приоритетам объекта.

Совместная разработка и интеграция

Успех промышленного проекта часто зависит от подхода, разработанного с учетом конкретных условий на объекте. Именно в этом заключается преимущество совместного проектирования, осуществляемого компанией Fuji Electric и производственными командами. Он начинается с определения ключевых показателей, позволяющих эффективно отслеживать энергетические и эксплуатационные показатели. Затем следует интеграция решений по контрольно-измерительным приборам и системам мониторинга для сбора, централизации и анализа данных, поступающих от оборудования. Наконец, решения внедряются постепенно, что позволяет адаптировать существующие установки и обеспечить плавный переход к более подключенной и эффективной инфраструктуре.

Внедрение и мониторинг

Внедрение решений сопровождается этапом установки и настройки оборудования, что обеспечивает его оптимальную интеграцию в существующие системы. После ввода устройств в эксплуатацию анализ собранных данных позволяет оценить энергоэффективность и выявить новые возможности для оптимизации. Оптимизация цепочки поставок за счет обмена данными в режиме реального времени обеспечивает полную прозрачность запасов и логистики.