اینترنت اشیا صنعتی چیست؟

اتوماسیون صنعتی با بهبود فناوری‌های دیجیتال، وارد مرحله جدیدی از تحول و تکنولوژی شده‌اند که با عنوان انقلاب صنعتی چهارم (Industry 4.0)، شناخته می‌شود. یکی از ارکان مهم این تحول، اینترنت اشیا صنعتی IIOT است که با ترکیبی از فناوری‌های ارتباطی، حسگرها، پردازش داده و هوش مصنوعی می‌تواند هوشمندسازی تجهیزات و اتصال آن‌ها را ممکن سازد. هدف این مقاله بررسی مفاهیم پایه، ساختار، فناوری‌های کلیدی و کاربردهای اینترنت اشیا صنعتی و تأثیر آن بر بهبود فرآیندهای صنعتی است.

IOT چیست؟

اینترنت اشیا IOT که مخفف Internet of Things می‌باشد، به مفهوم اتصال اشیا و دستگاه‌های فیزیکی به اینترنت و جمع‌آوری، پردازش و تبادل اطلاعات، اشاره دارد. وظیفه IOT ایجاد شبکه‌ای از ارتباطات، تعامل هوشمند میان تجهیزات، کاربران و سیستم‌ها می‌باشد. در واقع هر وسیله‌ای که قابلیت اتصال به اینترنت را داشته باشد و بتواند با دیگر تجهیزات تبادل داده انجام دهد، به عنوان اینترنت اشیا شناخته می‌شود.

IIOT چیست؟

با ورود تکنولوژی بروز IOT به اتوماسیون صنعتی، ارتباط میان ربات‌ها وتجهیزات صنعتی با واحدهای کنترل، بهبود چشمگیری داشته و امکان جمع‌آوری و تحلیل داده‌های بلادرنگ را فراهم نموده است. اینترنت اشیا صنعتی که به طور اختصار IIOT (Industrial Internet of Things) نوشته می‌شود، به طور تخصصی در محیط‌های صنعتی و جهت ایجاد ارتباط موثر بین تجهیزات صنعتی، مورد استفاده قرار می‌گیرد. IIoT در محیط‌های صنعتی با حجم عظیم داده، ماشین‌آلات سنگین و فرآیندهای حیاتی سروکار دارد؛ جایی که حتی کوچک‌ترین خطا می‌تواند پیامدهای گسترده‌ای در سطح تولید یا ایمنی ایجاد کند.

تفاوت IOT و IIOT

تفاوت اصلی اینترنت اشیا صنعتی IIOT با اینترنت اشیا IOT در مقیاس، کاربرد، نیازمندی‌ها و اهداف آن‌ها می‌باشد. با در نظر داشتن فناوری پایه آن‌ها که بر اساس اتصال اشیا و دستگاه‌ها به شبکه و تبادل داده بنا شده است، اما نیاز به پردازش پیچیده‌تر و کسب دقت و اطمینان بالاتر در IIOT بسیار بالاتر است. در ادامه به تفاوت‌های این دو شبکه ارتباطی بیشتر می‌پردازیم.

• حوزه کاربرد: کاربرد IOT بیشتر در دستگاه‌های مصرفی روزمره و خانه‌های هوشمند می‌باشد. در حالی که کاربرد IIOT در صنایع تولیدی، انرژی، نفت و گاز، حمل‌ونقل، لجستیک و زیرساخت‌های حیاتی است.
• مقیاس و پیچیدگی: در IOT دستگاه‌ها معمولا کوچک و ساده با داده‌های محدود هستند، اما IIOT شامل ماشین‌آلات سنگین و سیستم‌های پیچیده با حجم داده بالا، می‌شوند.
• قابلیت اطمینان: در سیستم‌های IOT، بروز خطا و یا قطعی در بیشتر کاربردها مشکل‌ساز نیستند. اما اینترنت اشیا صنعتی نیازمند دقت و اطمینان بسیار بالا است، چراکه خرابی یک دستگاه می‌تواند منجر به توقف تولید و یا خطراتی ایمنی شود.
• امنیت: به دلیل حیاتی بودن داده‌ها و دارایی‌های صنعتی، امنیت سایبری در IIOT در اولویت بالاتری نسبت به IOT قرار دارد.
• پردازش داده: IOT معمولا برای تحلیل داده‌ها از سیستم کلاد یا رایانش ابری، استفاده می‌کند. اما IIOT علاوه بر کلاد، به رایانش لبه و پردازش بلادرنگ نیاز دارد تا بتواند داده‌های عظیم را سریع تحلیل کرده و از تأخیر جلوگیری کند.

ساختار و فناوری‌های اینترنت اشیا صنعتی IIOT

معماری و ساختار IIOT به طور کلی شبیه به معماری IOT است اما به دلیل نیازهای صنعتی که شامل امنیت، پایداری و بلادرنگ بودن می‌شود، لایه‌ها و اجزا آن دقیق‌تر و پیچیده‌تر هستند. در ادامه به بررسی چهار لایه اصلی ساختار IIOT می‌پردازیم.

لایه ادراک

این لایه که به عنوان چشم و گوش IIOT شناخته می‌شود، وظیفه جمع‌آوری داده‌های خام از محیط و ماشین آلات را بر عهده دارد. اجزا تشکیل دهنده این بخش شامل حسگرها برای اندازه‌گیری دما، فشار، لرزش، جریان برق، موقعیت و غیره می‌شود. همچنین اجزا محرک‌ جهت اعمال تغییر در محیط مانند کنترل سرعت موتور، مورد استفاده قرار می‌گیرند. تجهیزات این بخش باید مقاوم، دقیق همراه با قابلیت اطمینان بالا باشند، چراکه در محیط‌های صنعتی تبادل داده‌های غلط می‌تواند تصمیمات نادرست جبران ناپذیر را به دنبال داشته باشد.

لایه شبکه

مهم‌ترین بخش اینترنت اشیا صنعتی، پروتکل‌ها و شبکه‌های ارتباطی می‌باشد. چراکه اگر شبکه پایدار، سریع و امن نباشد، کل سیستم کارایی لازم را نخواهد داشت. جهت اجرا صحیح و آموزش IIOT نیاز به درک عمیقی از پروتکل‌های ارتباطی داریم و آموزش شبکه‌های صنعتی باید به طور تخصصی و عملی انجام شده باشد. این بخش با استفاده از شبکه‌های ارتباطی بی‌سیم، شبکه‌های سیمی و یا پروتکل‌های استاندارد صنعتی به انتقال داده‌های جمع‌آوری شده به مراکز پردازش و همچنین ارسال فرمان‌های کنترلی از سیستم‌های مرکز به دستگاه‌ها، با تاخیر کم و امنیت بالا، می‌پردازد. در ادامه به معرفی پرکاربردترین پروتکل‌های ارتباطی IIOT می‌پردازیم.

• شبکه‌های سلولی (Cellular Networks): شامل اینترنت 5G صنعتی و NB-IoT با سرعت گیگابایتی و تاخیر پایین در انتقال داده بین میلیون‌ها دستگاه در هر کیلومتر مربع
• شبکه‌های بی‌سیم کوتاه‌برد: شامل Wi-Fiهای صنعتی، Bluetooth Low Energy و ZigBee که مصرف انرژی پایینی دارند و برای دستگاه‌های کوچک با برد کوتاه مناسب هستند.
• شبکه‌های برد بلند LPWAN: شامل LoRaWAN، Sigfox و NB-IoT که با مصرف انرژی کمی اطلاعات را در بردهای بلند منتقل می‌کنند.
• شبکه سیمی Ethernet صنعتی: استانداردشده برای محیط‌های صنعتی مانند  Profinet، EtherCAT و Modbus TCP همراه با سرعت و اطمینان بالا
• پروتکل‌های ارتباطی صنعتی: پروتکل‌های صنعتی تعیین می‌کنند داده‌ها چگونه بین دستگاه‌ها منتقل شوند.
  • MQTT: سبک، کم‌مصرف، مناسب برای ارتباط حسگرها با کلاد
  • OPC-UA: استاندارد قدرتمند صنعتی برای تبادل داده میان ماشین‌ها
  • CoAP: طراحی شده برای دستگاه‌های سبک و کم‌مصرف

لایه پردازش

بخش پردازش IIOT وظیفه ذخیره‌سازی، پردازش و تحلیل داده‌های عظیم تولید شده در لایه ادراک را بر عهده دارد. این بخش با استفاده از فناوری‌های هوش مصنوعی، یادگیری ماشین و الگوریتم‌های تحلیل پیش‌بینانه از سه مدل اصلی پردازش تشکیل شده است، که در ادامه به معرفی آن‌ها می‌پردازیم.

• رایانش ابری Cloud Computing: مناسب برای ذخیره‌سازی بلند مدت و تحلیل کلان داده‌ها
• رایانش لبه Edge Computing: پردازش نزدیک به محل تولید داده برای کاهش تاخیر
• رایانش مه Fog Computing: با توزیع توان پردازشی بین کلاد و لبه، به تعادل در بار کاری کمک کرده و امنیت داده‌ها را در شبکه‌های صنعتی افزایش می‌دهد.

لایه کاربرد

این لایه وظیفه ارائه خدمات هوشمند بر اساس داده‌های پردازش شده را برعهده دارد و نتایج را به کاربر و صنعت ارائه می‌دهد. وجود این بخش به دلایل مختلفی مانند نگهداری پیشگیرانه، کنترل کیفیت هوشمند، مدیریت انرژی، اتوماسیون فرآیندها و ایمنی محیط کار، اهمیت دارد.

کاربرد IIOT اینترنت اشیا صنعتی

با استفاده از تکنولوژی اینترنت اشیا در صنایع بزرگ از تولید و انرژی گرفته تا لجستیک، نفت و گاز و حتی سلامت صنعتی، مزیت‌های قابل‌توجهی خواهد داشت. از جمله مزیت‌های استفاده IIOT در صنعت می‌توان به کاهش هزینه، افزایش بهره‌وری، ارتقای ایمنی و پایداری اشاره نمود.

کارخانه‌های هوشمند

با استفاده از حسگرها و ربات‌های که از اینترنت اشیا پشتیبانی می‌کنند، می‌توان تمام مراحل تولید را به صورت بلادرنگ پایش و کنترل کرد. مثلا شرکت زیمنس با استفاده از IIOT و پروتکل‌های طراحی شده تخصصی برای تجهیزات این شرکت توانسته‌اند، کارخانه دیجیتال را معرفی کنند. با شرکت در دوره شبکه صنعتی زیمنس و آشنایی با پروتکل‌هایی مانند PROFINET می‌توان باعث افزایش بهره‌وری در خطوط تولید، کاهش ضایعات و کنترل کیفیت خودکار سیستم صنعتی شد.

نگهداری پیشگیرانه

تجهیزات صنعتی همیشه در حال تولید داده هستند. با تحلیل این داده‌ها می‌توان خرابی‌ها را قبل از وقوع، پیش‌بینی نمود. با استفاده از IIOT شاهد کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری، جلوگیری از توقف خط تولید و افزایش عمر مفید تجهیزات خواهیم بود.

مدیریت انرژی

اینترنت اشیا صنعتی امکان مانتورینگ دقیق مصرف انرژی را در کارخانه‌ها و شبکه‌های انرژی فراهم می‌کنند. و باعث کاهش مصرف و هزینه انرژی، بهینه‌سازی شبکه برق و جلوگیری از بار اضافی و همچنین پشتیبانی از انرژی‌های تجدیدپذیر می‌شود.

لجستیک و زنجیره تامین

با استفاده از حسگرهای IIOT می‌توان مواد اولیه، کالاها و وسایل نقلیه را در کل زنجیره تامین ردیابی نمود. با مدیریت فرآیندهای تامین خطوط تولید، شاهدشفافیت کامل در حمل و نقل کالا، جلوگیری از گم شدن و یا سرقت محصولات و مدیریت بهتر انبارها و موجودی کالا خواهیم بود.

صنایع نفت، گاز و پتروشیمی

در محیط‌های پرخطر مانند سکوهای نفتی یا پالایشگاه‌ها، استفاده از سیستم اینترنت اشیا صنعتی می‌توان شرایط محیطی و تجهیزات را پایش کرده و از نشت گاز و حوادث جلوگیری نمود. همچنین با استفاده از IIOT در این صنایع می‌توان باعث افزایش ایمنی کارکنان و بهینه‌سازی فرآیند استخراج و پالایش شد.

حمل‌ونقل و خودروهای هوشمند

شرکت‌های خودروسازی مانند ولوو و تسلا با استفاده از فناوری IIOT به مانتورینگ خودروهای هوشمند خود می‌پردازند. استفاده از اینترنت اشیا صنعتی در ناوگان حمل و نقل می‌توان باعث کاهش مصرف سوخت با مسیرهای بهینه، ردیابی موقعیت و شرایط خودرو و پیش‌بینی زمان خرابی و تعمیرات خودرو، شد.

سلامت و ایمنی صنعتی

حسگرها و لباس‌های هوشمند می‌توانند وضعیت کارکنان را در محیط‌های پرخطر رصد کنند. مثلا  با استفاده از کلاه‌های ایمنی هوشمند در معادن می‌توان وضعیت سلامتی کارکنان را به طور لحظه‌ای کنترل نمود.

زیرساخت‌های هوشمند

امروزه از IIOT در زیرساخت‌های شهری مانند پل‌ها، تونل‌ها و شبکه‌های آب و برق استفاده می‌شود. با استفاده از تکنولوژی IIOT می‌توان به پایش سلامت سازه‌ها، مدیریت هوشمند ترافیک شهری و کاهش هزینه‌های نگهداری شهری پرداخت.

بررسی مزیت‌ها و چالش‌های IIOT

جمع‌بندی

با توجه به اهمیت روزافزون IIoT در صنایع مختلف نظیر تولید، انرژی، حمل‌ونقل و لجستیک، پژوهش در این حوزه به یک ضرورت علمی و اقتصادی تبدیل شده است. بررسی مبانی نظری، کاربردها، مزایا، چالش‌ها و روندهای آینده اینترنت اشیا صنعتی می‌تواند مسیر روشنی برای شرکت‌ها، محققان و سیاست‌گذاران در جهت توسعه پایدار و رقابت‌پذیر فراهم آورد. با این حال، چالش‌هایی همچون امنیت سایبری، استانداردسازی و مدیریت حجم عظیم داده‌ها همچنان پابرجا هستند و نیازمند توجه ویژه در تحقیقات آینده می‌باشند. در مجموع، اینترنت اشیا صنعتی را می‌توان به عنوان موتور محرک آینده صنایع و بستری برای تحقق کامل انقلاب صنعتی چهارم دانست.