Аналоговые счетчики на цифровом предприятии: менять или интегрировать?
Цифровизация уже наступает на пятки предприятиям, которые пытаются замедлить её встраивание в технологические процессы, ссылаясь на дороговизну реализации, консерватизм со стороны сотрудников и многое другое. Мы в компании «ЛАНИТ-Интеграция» помогаем заказчикам проводить цифровую трансформацию и разрабатываем нетривиальные пути решения их задач. В этой статье я попытался сформулировать некоторые мысли о необходимости перехода на «цифру» промышленным предприятиям и как IIoT может помочь им в этом. Ну и, конечно же, разобраться, какие долгосрочные перспективы получает предприятие (или не получает), которое решило оцифровать контроль за своими производственными процессами.
Источник: https://iot.scancode.ru/industries/proizvodstvo/
Поговорим об истоках
Начнем с того, что интенсивному развитию направления промышленного интернета вещей (Industrial Internet of Things, IIoT) способствовало наступление Индустрии 4.0, которая началась примерно в 2011 году. Она подразумевает совершенно новые подходы к организации производства с повсеместным использованием информационных технологий, управлением полным жизненным циклом продукции с помощью платформ автоматизации, в том числе с внедрением киберфизических систем, IIoT и цифровизации, а также с использованием машинного обучения и искусственного интеллекта.
И вот сейчас цифровизация промышленного сектора России становится ключевым фактором всестороннего развития экономики страны по ряду причин.
Повышается конкурентоспособность предприятий и качество выпускаемой продукции за счёт оптимизации техпроцессов.
Значительно снижаются общие затраты на обслуживание дорогостоящего технологического оборудования благодаря удаленному мониторингу, прогнозированию отказов, проведению своевременных плановых и внеплановых ремонтных работ.
Появляется возможность получать и обрабатывать огромное количество данных с каждого этапа производства в режиме реального времени.
При этом цифровые технологии передачи информации имеют ряд очевидных преимуществ в сравнении с аналоговыми.
Помехоустойчивая связь. Доставку цифрового сигнала »0» и »1» можно гарантировать и при необходимости легко восстановить, практически исключив потерю полезных данных, в отличие от аналогового способа.
Микроминиатюризация оборудования. Характеризуется уменьшением габаритов, повышением экономичности, надежности и энергоэффективности аппаратуры при использовании дискретной логики и микросхем.
Стандартизация организационно-технологических методов и функциональных узлов. Достигается за счёт применения унифицированной цифровой элементной базы, легкой взаимозаменяемости всех компонентов и простоты обслуживания.
Синергия IIoT и цифровизации: что получает от этого предприятие?
Мы уже прояснили, когда началось интенсивное развитие IIoT, что оно подразумевает и даже рассмотрели цифровизацию как неотъемлемый элемент его развития. Возможно, вы задумались, почему я рассматриваю эти два звена как неразрывный механизм. Всё достаточно просто, давайте расскажу.
Начнем с базового определения. Промышленный интернет вещей — это, в первую очередь, сложная многоуровневая система, позволяющая в автоматизированном режиме собирать, передавать, обрабатывать и визуализировать информацию с помощью установленных датчиков, контроллеров и специализированного программного обеспечения на промышленных объектах или в «облаке».
Получается, цифровизация описывает концептуальные требования к цифровой трансформации информационных систем и бизнес-процессов на предприятии, а промышленный интернет вещей характеризует технологический уровень сбора данных (показаний счётчиков и датчиков) с последующим централизованным хранением, обработкой и анализом. Для успешной цифровой трансформации предприятия эти два понятия должны работать вместе.
Рис. 1. Цифровая трансформация с помощью IIoT в рамках перехода к Индустрии 4.0.
Применение интернета вещей в промышленности создает новые возможности для развития производства и решает множество ключевых задач:
повышает производительность оборудования,
снижает материальные и энергетические затраты,
повышает качество выпускаемой продукции,
оптимизирует и улучшает условия труда,
повышает рентабельность производства и конкурентоспособность на внутреннем и мировом рынках.
IIoT включает несколько скоррелированных компонентов, обеспечивающих эффективную цифровую трансформацию технологических процессов предприятия.
Датчики и сенсоры. Это компактные энергонезависимые передающие устройства, которые устанавливаются на объектах и с определенной частотой отправляют данные по беспроводному каналу связи.
Каналы связи. Связывают датчики и сенсоры с системой хранения, обработки и анализа данных. Такой канал связи, как правило, обеспечивается различными беспроводными технологиями, например, LPWAN, Bluetooth, Wi-Fi, GSM, NB-IoT.
Системы для хранения, обработки и анализа данных. Представляют из себя кластер серверов в «облаке» или закрытой сети предприятия. Принимают данные и отправляют пользователям, использующим систему.
Какие проблемы скрывают аналоговые счётчики и датчики во время мониторинга?
Не секрет, что все предприятия рано или поздно сталкиваются с проблемой устаревшего промышленного оборудования, счётчиков и датчиков, которые хоть и выполняют поставленные задачи, но не имеют цифровых интерфейсов связи и автоматического удалённого мониторинга. Такие ограничения не позволяют им «влиться» в реализуемую экосистему промышленного интернета вещей, а значит цифровизация этого технологического процесса не может быть достигнута. Если говорить лишь про один промышленный объект и небольшое количество аналоговых счётчиков, то проблема не кажется глобальной. Но если это крупный холдинг или концерн, где промышленных площадок и объектов множество, в таком случае переход к Индустрии 4.0 может быть сильно осложнён и выбор правильного пути решения на этапе проектирования сыграет в будущем ключевую роль.
Такую проблему снятия состояний и показаний с аналоговых счётчиков и датчиков решить возможно, и для этого есть два основных пути.
Первый путь — это модернизация существующей схемы мониторинга без замены существующих счётчиков и датчиков. При таком подходе можно выделить несколько автоматизированных технологических способов снятия показаний.
Оптическое распознавание показания с циферблата или индикации на счётчике и датчике.
Подключение дополнительных датчиков поверх существующего счётчика или датчика.
Параллельное снятие показаний цифровым счётчиком или датчиком без подсоединения к контролируемому линии или каналу, то есть бесконтактный способ.
Параллельное снятие показаний цифровым счётчиком или датчиком с непосредственным присоединением к контролируемой линии или каналу.
Второй путь — это замена аналоговых счётчиков и датчиков на их цифровые аналоги с проводными или беспроводными интерфейсами для удаленного снятия состояния или показаний.
Технологии и оборудование при выборе первого пути
Оптическое распознавание показаний подразумевает фотографирование циферблата счетчика и распознавание значений прямо на устройстве, причем встроенное в устройство ПО «понимает» как цифры, так и более нетривиальные элементы, например, шкалу или цветовой индикатор. Либо это подключение дополнительных датчиков путём установки на крыльчатку счётчика специального фототранзистора, инфракрасного отражателя, геркона или датчика Холла.
Такие способы помогут снимать данные с минимальным вмешательством в существующий производственный процесс, а главное, без его остановки или остановки его мониторинга. Поэтому они так популярны среди частных энтузиастов, которые создают собственные экспериментальные электронные устройства на базе популярных программно-аппаратных платформ Arduino и Raspberry PI. Эти платформы позволяют собрать в одном устройстве необходимый датчик для получения данных и нужный беспроводной интерфейс передачи данных IIoT — GSM, LPWAN, NB-IoT и т.п.
Рис. 2. Пример проекта на базе Arduino по оптическому снятию показаний счётчика газа. Источник: https://forum.arduino.ua/viewtopic.php? id=2184
Рис. 3. Пример оптического снятия показаний счётчика воды. Источники: https://www.instructables.com/ESP32-CAM-Video-Streaming-Face-Recognition-Using-A/, http://psenyukov.ru/считывание-показаний-счетчиков-воды/
Некоторые такие проекты вылились в коммерческие продукты. Зарубежный рынок предлагает довольно большой выбор таких устройств.
Рис. 4. Оптические считыватели показаний счётчиков компаний Joymeter и Xemtec. Источник: https://www.alibaba.com/product-detail/multi-jet-brass-body-smart-AMR_62168462838.htmhttps://habr.com/ru/post/409829/
Рис. 5. Универсальный оптический считыватель показаний счётчиков от компании Q-loud. Источник: https://habr.com/ru/post/409829/
К сожалению, подобные устройства иностранного производства имеют достаточно высокую стоимость, и это без учета концентраторов и остальной периферии, а также возможные сложности в поставке оборудования и обеспечения соответствующего гарантийного и постгарантийного обслуживания. Российских производителей хоть и меньше, но они предлагают более доступные по цене варианты.
Рис. 6. Российский оптический GPRS-сканер Акцент СПС-2, универсальный считыватель показаний Molecula и считыватель показаний счётчика воды GoodWAN. Источники: https://www.orenburgregiongaz.ru/fizicheskim-licam/peredacha-pokazaniy-schet-za-gaz, https://kigp.ru/udalennyi-sbor-pokazanii-priborov-ucheta-pravda-i-mify-o/ https://tkmcentr.ru/product/izmeritelnoe-oborudovanie/goodwan/peredatchik-pokazaniy-schetchika-vody/
Иногда такие считыватели имеют свой ограниченный по дальности действия беспроводной протокол передач данных, и для их интеграции в IIoT-экосистему предприятия потребуется организация «последней мили», установка специальных концентраторов/маршрутизаторов для конвертации протокола данных со считывателей в традиционные и привычные каналы связи — Ethernet, GSM и т.п. Часто это приводит к заметному удорожанию решения в целом.
Рис. 7. Классическая схема построения решения IIoT. Источник: https://www.roltek.com.tr/blog/tag/iot-sistemleri/
Другой, более современный, но пока менее распространённый способ — бесконтактный. Это параллельное снятие показаний и состояний дополнительными счётчиками и датчиками без присоединения к контролируемой линии или каналу. В этом случае счётчик или датчик устанавливается прямо на линии также без остановки производственного процесса или остановки его мониторинга.
Такие устройства, как правило, имеют меньшую стоимость по сравнению с оптическими считывателями и большую автономность. Также они не требуют установки дополнительных концентраторов, так как общаются с облачным сервером напрямую через специальные дальнобойные протоколы IIoT, например, LPWAN или NB-IoT. Однако они ограничены контролируемой средой. Например, измерить объемы жидкостей таким счётчиком не получится, а проконтролировать с помощью датчика наличие напряжения в линии электропитания или посчитать счётчиком количество потраченной электроэнергии вполне удастся. Но стоит учитывать, что полученные данные будут менее точными, чем при использовании классических электросчётчиков.
Рис. 8. Бесконтактный накладной датчик электрического переменного тока российской компании GoodWAN (Источник: https://goodwan.ru/catalog/tproduct/434330158–898232567201-datchik-toka) и трёхфазный счётчик WB-MAP3ET с накладным трансформатором тока Wirenboard. (Источник: https://wirenboard.com/ru/product/WB-MAP3ET/)
Последний способ, который подразумевает непосредственное подключение цифровых счётчиков и датчиков к контролируемой линии или каналу, теряет смысл, так как он имеет аналогичный эффект, как и замена аналоговых нацифровые.
Технологии и оборудование при выборе второго пути
Второй путь решения — это замена существующих датчиков и счётчиков на их цифровые аналоги с уже встроенными цифровыми интерфейсами для проводных или беспроводных сетей, таких как Ethernet, GSM, LPWAN, NB-IoT, либо со специальными проводными интерфейсами типа RS-282/485 или импульсный выход (ИВ) с дальнейшим подключением к специализированному контроллеру. Некоторые аналоговые счётчики уже имеют такие выводы, обычно простые импульсные, тогда их замена не нужна и они могут быть также интегрированы в цифровую экосистему предприятия.
Рис. 9. Счётчик воды с импульсным выходом от компании ITELMA и счётчик импульсов Вега СИ-11 с радиомодулем LoRaWAN. Источники: https://o-vode.net/vodosnabzhenie/schetchik/vidy/impulsnye https://www.euromobile.ru/produkciya/lora-modemy/vega-si-11/
Рис. 10. Российский электросчётчик Меркурий с GSM модулем, либо с интерфейсом RS-485 и контроллером Wiren Board 6. Источник: https://www.incotexcom.ru/catalogue/204artm https://wirenboard.com/ru/product/wiren-board-6/
Рис. 11. Автономный беспроводной LoRaWAN счётчик воды Бетар-Вега и LPWAN датчик температуры и влажности от российской компании GoodWAN. Источник: https://iotvega.com/product/sve1 https://goodwan.ru/catalog/tproduct/434330158–745636902171-datchik-temperaturi-i-vlazhnosti-vozduha
Как правило, такие системы поставляются в комплексе, где производитель предоставляет дополнительные услуги по передаче данных в облачное хранилище, а иногда и по анализу собранных данных.
Плюсы и минусы обоих путей решения проблемы
Давайте сравним оба решения проблемы оцифровки показаний с аналоговых счётчиков в следующей таблице.
Таб. 1. Сравнение путей решения проблемы.
Становится очевидно: полная замена аналоговых счётчиков на цифровые на старте повышает временные и финансовые расходы, но на деле является выгодным в долгосрочной перспективе вариантом развития и реализации политики цифровизации на предприятии. Напишу, конечно, очевидную, но важную деталь, о которой нельзя забывать: для развития любого предприятия важно задумываться о замене оборудования, которое позволит не только автоматизировать работу компании, но и получать более точные показатели и сигналы.
