Smart Manufacturing: waarom is de technology-stack zo belangrijk?

Smart Manufacturing: waarom is de technology-stack zo belangrijk?

April 7, 2021

Als het gaat om Smart Manufacturing, hebben veel bedrijven moeite met de implementatie ervan, ook al beschouwen de meeste fabrikanten het als een must. Voordat ik u meer vertel over Smart Manufacturing en de technologie, deel ik een voorbeeld van mijn vakantie naar Italië om het uit te leggen waarom de technology-stack zo belangrijk is.

Mijn reis naar Italië

Samen met mijn gezin ga ik al zestien jaar op vakantie naar Italië. Dan rijd ik met de auto in zestien uur van Nederland naar onze bestemming in Italië. Ik kan mij de eerste keer nog goed herinneren. Op een vrijdagmiddag sprongen we in de auto en vertrokken we. De vele files en de afstand maakten het tot een lange, vermoeiende reis. Na aankomst moesten we twee dagen bijkomen voordat we van onze vakantie konden gaan genieten. Gewoontedieren die we zijn, kwamen we er na twee jaar pas achter dat we onze reisplannen moesten veranderen.

De afgelopen paar jaar besloten we op vrijdagavond te vertrekken om zo de vele files overdag te vermijden. Ik realiseerde me dat we niet de enigen waren die op vrijdag naar het zuiden reisden. Tijdens de rit nam ik voldoende rust en vulde ik mijn energiereserves aan met een energiedrankje. Ik ben niet dol op de smaak van zo’n drankje, maar ze houden me wel wakker. De combinatie van ‘s avonds rijden, voldoende rust en een energiedrankje was een aanzienlijke verbetering. Toch kostte het ons na aankomst een hele dag om bij te komen. Ook nu duurde het een paar jaar voordat we moesten erkennen dat we het plan opnieuw moesten veranderen.

Nu vertrokken we op donderdagavond in plaats van op vrijdag. Geen energiedrankjes meer, maar wel elke twee uur een goede powernap en voldoende reistijd doet wonderen. Op vrijdag nemen we een hotelletje in Noord-Italië waarna we op zaterdag nog drie uur reizen naar onze bestemming. Bij aankomst zijn we helemaal uitgerust en kunnen we direct van onze vakantie genieten. Ik vraag mij wel eens af waarom het zo lang heeft geduurd voordat ik erachter kwam hoe je het beste naar Italië kunt reizen.

Uitleg Smart Manufacturing

Wat is Smart Manufacturing in verwerkende industrieën?

Volgens Wikipedia komt het hierop neer: Smart manufacturing is een brede categorie productietypen waarbij gebruik wordt gemaakt van computer geïntegreerde productie, veel aanpassingsvermogen en snelle veranderingen aan het ontwerp, digitale informatietechnologie en flexibeler technisch personeel.

Volgens de IEC, is het uiteindelijke doel dat elke stap in het productieproces met elkaar wordt verbonden. Fabrieken organiseren een ongekende technische systeemintegratie die domeinen, hiërarchie, geografische grenzen, waardeketens en levenscyclusfasen omvat. Deze integratie lukt alleen als de technologie wordt ondersteund door internationale standaards die wereldwijd worden onderschreven. 

De reis naar Smart Manufacturing

Twee jaar geleden vroegen klanten mij of wij diensten konden leveren voor de analyse van (big) data in de cloud. Big data was toen al een trend. Toen ik hun vroeg welk resultaat er werd verwacht en welke gegevens er moesten worden geanalyseerd, konden zij daarop geen helder antwoord geven. Er ontbrak dus een gedefinieerde doelstelling. Het was duidelijk dat de klant en ik aan het begin stonden van de reis naar Smart Manufacturing. We hadden wel wat ideeën over wat we wilden bereiken, maar heel weinig ervaring met het bereiken van onze bestemming. Wanneer er nieuwe technologieën opkomen, moet je soms met weinig of geen ervaring beginnen. Tijdens de twee jaar die ik onderweg was, ontwikkelde ik een steeds beter begrip van wat Smart Manufacturing inhoudt en wat de impact ervan is.

Kent u de route naar Smart Manufacturing?

In eerste instantie focuste ik mij op de uitkomst van de oplossing zoals gegevensanalyse. Geleidelijk kwamen zelflerend vermogen en kunstmatige intelligentie in beeld. Stel je eens voor wat je kunt doen als je uitgebreide veldgegevens analyseert. Je zou dan daadwerkelijk de stap kunnen zetten van preventief onderhoud (gebaseerd op wat er is gebeurd) naar voorspellend onderhoud (gebaseerd op wat er gaat gebeuren).

Er resteren twee problemen.

In veel gevallen ontbreekt het aan voldoende gegevens (lees sensoren) om een goede analyse te verrichten. Ten tweede is het overzetten van gegevens naar de cloud makkelijker gezegd dan gedaan.

Hoe overwin je de hindernissen?

Om deze problemen te overwinnen, moest ik mijn strategie veranderen. In plaats van mij te richten op het resultaat van de oplossingen, besloot ik mij te concentreren op de technology-stack. De technology-stack is de gegevenssnelweg van veldsensoren naar de cloud.

Net als bij mijn reis naar Italië, had ik aanvankelijk een eenvoudig idee over hoe ik mijn bestemming moest bereiken:

  1. In mijn auto stappen → een stukje technologie aanschaffen
  2. Zo snel mogelijk rijden (zonder de maximumsnelheid te overschrijden) → de technologie inzetten
  3. Van mijn vakantie genieten → gegevensanalyse uitvoeren om te verbeteren

Dit bleek moeilijker dan ik dacht. Als je een veilige en betrouwbare gegevensoverdracht van sensoren naar de Cloud wilt implementeren, stuit je namelijk op heel veel opties en keuzen.

IIoT is een doorbraak

In mijn blog ‘Waarom heb ik IIoT nodig?‘ kun je lezen waarom IIoT in onze sector tot een ingrijpende verandering heeft geleid.

OT en IIoT voor sensoren zijn niet hetzelfde, hoewel zij beide deel uitmaken van het OT-domein (de productieomgeving). OT verwijst naar gegevens van sensoren, inclusief systemen en infrastructuur voor controle en veiligheid. De nadruk ligt sterk op beschikbaarheid. Niet elk proces in het OT-domein, bijvoorbeeld onderhoud voor niet-kritieke activa, heeft echter deze uitgebreide sensoren en systemen met een hoge beschikbaarheid nodig.

IIoT is nieuw voor de productieomgeving met sensoren voor minder kritieke toepassingen. Omdat de prijs voor het inzetten van IIoT-sensoren veel lager ligt dan van de traditionele 4-20 mA-sensoren, wordt de waarde van de verkregen gegevens waardevoller als er meer sensoren worden ingezet. We hebben al voorbeelden waarin bedrijven IIoT-sensoren hebben geïmplementeerd met algoritmen die in de cloud worden uitgevoerd om voorspellend onderhoud uit te voeren. De projecten waren een groot succes met een investeringsrendement van nog geen zes maanden.

De technologie die wordt gebruikt om OT-gegevens en IIoT-gegevens vanuit de productieomgeving over te zetten naar de cloud, wordt de technology-stack genoemd Deze bestaat uit de volgende lagen:

  1. Draadloos netwerk voor het verzamelen van de gegevens van de draadloze sensoren
  2. Serviceprovider voor gegevens die via 4G/5G rechtstreeks naar de cloud worden verzonden
  3. Edge-gateway als de interface tussen verschillende OT-systemen en de edge-server
  4. Edge-server als de interface tussen het OT-domein en de cloud
  5. De cloud voor gegevensopslag, verwerking en het delen van informatie
smart-manufacturing-layers

Figure 1: Different types of Technology Stacks

Waarom u de juiste technologie moet kiezen voor Smart Manufacturing

Voordat ik uitweidt over de verschillende lagen, wil ik uitleggen waarom het een uitdaging is om de technologie te selecteren waarmee de technology-stack wordt opgebouwd:

  • De bestaande infrastructuur (Brownfield) heeft een lange geschiedenis met veel merken en verschillende apparaten die vaak niet geschikt is om uit te breiden voor de IIoT-infrastructuur
  • Het geniet de voorkeur dat de bestaande OT-infrastructuur en de nieuwe IIoT-infrastructuur zijn geïntegreerd omdat er voor een diepe analyse OT- en IIoT-gegevens vereist zijn.
  • Cyberbeveiligingsstrategie voor de OT- en de IIoT-infrastructuur
  • Nieuwe vaardigheden en competenties zijn vereist.

In de afgelopen twee jaar heb ik veel bedrijven Proof of Concepts (PoC) zien implementeren om zo meer te weten te komen hoe technologie kan bijdragen aan de transformatie van het bedrijf. Deze PoC’s hebben weliswaar waardevolle informatie opgeleverd, maar zelden bijgedragen aan de algehele Smart Manufacturing-strategie.

Dit jaar hebben veel bedrijven ons verzocht hen te helpen met het ontwikkelen van een Smart Manufacturing-strategie en een op technologie gebaseerd masterplan. Ik ben ervan overtuigd dat veel bedrijven Smart Manufacturing hebben omarmd. Ze beginnen dus eerst met de ontwikkeling van een Smart Manufacturing-strategie en een masterplan voordat ze doorgaan met de volgende PoC. Onderdeel van onze services aan klanten is hen te helpen met de strategische beslissingen over het ontwerp en de inzet van de technology-stack.

smart-manufacturing-transition

Figure 2: The transition from the OT Technology stack to IIoT Technology Stack

Waarom is de technology-stack zo belangrijk voor Smart Manufacturing?

De hoeksteen van Smart Manufacturing wordt gevormd door een combinatie van verschillende technologieën. Om de bouwstenen te begrijpen waaruit de technology-stack is opgebouwd, heb ik de meest relevante technologieën in verschillende lagen gegroepeerd: van de sensor tot de cloud.

Draadloze netwerken

Draadloze netwerken zijn niet nieuw in het OT-domein. Wi-Fi, ISA100, en WirelessHART zijn al enige tijd op de markt. Hoewel al deze technologieën effectief werken, betekenen zij voor Smart Manufacturing geen ingrijpende verandering en hebben zij beperkingen met betrekking tot kosten en technologie.

Met de introductie van IIoT-apparaten is het LoRaWAN opgenomen in het OT-domein. LoRaWan is een goedkoop LPWA-netwerk (Low Power Wide Area) dat in een zogenoemde star-of-stars-topologie wordt geïmplementeerd. LoRaWAN werkt met gateways (toegangspunten) voor het doorgeven van berichten tussen eindapparaten en een centrale netwerkserver, inclusief de cloud. LoRaWAN heeft unieke 128-bits sleutels voor netwerk en applicatie. We hebben draadloze projecten uitgevoerd met Wi-Fi en LoRaWAN in een industriële omgeving. Uit ervaring weten wij dat om hetzelfde gebied te bestrijken, er aanzienlijk minder LoRaWAN-gateways nodig zijn (ongeveer 10 keer) dan Wi-Fi-toegangspunten.

Dit betekent niet dat de andere draadloze technologieën overbodig worden. Elke technologie is geschikt voor een bepaald doel. Zo is Wi-Fi bijvoorbeeld geschikt voor het overbrengen van een grote hoeveelheid gegevens (bijvoorbeeld video-inhoud) en wordt LoRaWAN gebruikt voor gedistribueerde gegevens. Om op locatie een wirwar van draadloze technologieën te voorkomen, moeten bedrijven een strategie ontwikkelen voor technologie op locatie, inclusief cyberbeveiliging en het gebruik van mobiele apparaten.

Serviceproviders

Nadat de IIoT-apparaten en het LoraWAN-netwerk zijn ingezet, doet zich de volgende uitdaging voor. Hoe stuur je gegevens naar de cloud? De meest logische oplossing is via het bedrijfsnetwerk. Hoewel het logisch klinkt, blijkt uit de praktijk dat het overbrengen van gegevens via het bedrijfsnetwerk om technische redenen, en soms ook om politieke redenen, lastig kan zijn. Een alternatief is het gebruik van een LoRa-Enabled M2M-gateway met behulp van een simkaart voor een 4G/5G-uitwisseling van de cloud. In dit geval wordt er een provider geselecteerd om te zorgen voor een betrouwbare, veilige en financieel haalbare verbinding tussen het netwerk en de cloud. Net als bij draadloze technologie, moeten bedrijven een strategie ontwikkelen voor hoe de gegevens naar de cloud moeten worden overgezet. De overdracht moet voldoen aan de technische vereisten en mag het budget niet overschrijden. Dit kan een uitdaging zijn

Edge-gateway

OT-gegevens vormen de brandstof van digitale transformatie. Tegenwoordig is het verzamelen en opslaan van OT-gegevens steeds uitgebreider. Dit komt door de kosten die verbonden zijn aan het licentiëren en de inzet van Data Historian-systemen. Tegelijkertijd neemt de hoeveelheid gegenereerde gegevens steeds meer toe. Ik ben ervan overtuigd dat de budgettaire beperkingen deels kunnen worden verholpen door het gebruik van de cloud en van edge-servertechnologie als het platform voor de opslag en verwerking van OT- en IIoT-gegevens.

Tegenwoordig is OPC Data Access (DA) de veelgebruikte interface tussen OT-systemen (bijvoorbeeld tussen het besturingssysteem en het data historian-systeem). De interface opent veel OT-systemen en heeft voor een verandering van het OT-landschap gezorgd. Echter, als specificatieset definieert OPC DA veiligheid niet als onderdeel van de interfacespecificaties OPC DA is gebouwd bovenop DCOM/COM-transport, een op Microsoft gebaseerd communicatieprotocol met enkele beveiligingsfuncties. Voor een geïsoleerde OT-omgeving is OPC DA-beveiliging voldoende, maar als er sprake is van interfaces daarbuiten, bijvoorbeeld de cloud, schieten de OPC-beveiligingsspecificaties danig tekort.

Met de introductie van UPC Unified Architecture (UA) is de veiligheid aanzienlijk verbeterd omdat de OPC UA-standaard specifiek is ontworpen om bedreigingen en aanvallen te beperken. De beveiliging is ingebed in het complete ontwerp en daarom ideaal als veilige gateway tussen de vele OT-systemen (waaronder OPC DA-servers) en de edge-server.

smart-manufacturing-edge

Figure 3: The role of the Edge Server

Is OPC UA de enige optie die als gateway fungeert tussen OT-systemen en de edge-server/cloud?

Het antwoord is nee; er zijn andere initiatieven om het OT-domein te openen in combinatie met een standaard voor beveiliging op hoog niveau, zoals de NAMUR Open Architecture (NOA). Bedrijven moeten daarom een strategie ontwikkelen waarmee het OT-domein veilig kan worden geopend.

Edge-server

Een edge-server fungeert als gegevenshub tussen de productieomgeving (OT-domein) en de cloud.  De server biedt de resources die nodig zijn om het dataverkeer te regelen en voor gegevensverwerking op locatie om de latentie te verminderen. De edge-server is al een tijdje op de markt maar is nieuw voor het OT-domein. De server wordt gekenmerkt door open architecturen die gebruikmaken van gestandaardiseerde protocollen (zoals OPC UA en MQTT) en semantische datastructuren waarmee de integratie- en opslagkosten worden verlaagd. Hetzelfde platform wordt gebruikt voor toepassingen, aanvankelijk met relatief eenvoudige algoritmen. Deze algoritmen worden geleidelijk samengevoegd tot machine learning en uiteindelijk tot kunstmatige intelligentie. Met al deze functies en opties tot hun beschikking moeten bedrijven strategische beslissingen nemen over wat er moet worden gedaan met alle OT- en IIoT gegevens die worden aangestuurd op beschikbaarheid, betrouwbaarheid, veiligheid en vertrouwelijkheid. Hoewel omgevingen als de cloud veilig en betrouwbaar zijn, is het altijd mogelijk dat de cloud niet toegankelijk is. Een risicobeoordeling helpt bij het bepalen van de mogelijke impact op de productieomgeving. Het ontwikkelen van een strategie voor de edge-server is niet eenvoudig vanwege de vele opties in combinatie met de beperkte ervaring en de beperkingen op locatie.

Cloud

We hebben de laatste stap van onze reis langs de technology-stack bereikt. ‘De cloud’ verwijst naar servers die via het internet toegankelijk zijn. De software/databases draaien op deze servers. Cloudservers bevinden zich in gegevenscentra overal ter wereld. Door gebruik te maken van cloud computing, kunnen bedrijven hun gegevens, toepassingen en informatie wereldwijd beheren. Veel bedrijven hebben al geïnvesteerd in de cloud, voornamelijk voor het IT-domein. Het klinkt logisch om dezelfde cloud ook te gaan gebruiken voor het OT-domein. En tot op zekere hoogte is dit ook waar. Met de introductie van IIoT-apparaten en andere apparaten zoals robots is de uitbreiding van de cloud echter een grote uitdaging omdat de architectuur voor een gegevenscloud nu eenmaal anders is dan voor een IIoT-cloud. Aangezien het opnieuw ontwerpen van de cloud een kostbare aangelegenheid is, kunnen bedrijven besluiten om de IIoT-cloud uit te besteden en te koppelen aan de bestaande cloud voor klantgegevens. Zoals ook voor alle andere lagen geldt, moeten bedrijven in dit geval een strategie ontwikkelen voor de cloud.  Zij moeten begrijpen hoe gegevens op een veilige en betrouwbare manier kunnen worden overgezet van de productieomgeving naar de cloud zonder dat daarbij het beschikbare budget wordt overschreden.

Het einde van mijn reis naar Smart Manufacturing

Hier eindigt mijn reis langs de technology-stack. Ik hoop van harte dat mijn blog u inzicht geeft in het grote plaatje en het belang van de technology-stack voor onze reis naar Smart Manufacturing. Net als voor mijn reis naar Italië geldt ook hier dat wat begon als een eenvoudig begrip van mijn Smart Manufacturing-reis, het verzenden van gegevens naar de cloud een uitgebreide reis is geworden met strategische beslissingen en het gebruik van nieuwe technologieën. Het is net zo spannend als mijn vakantiereis en laten we eerlijk zijn, wie viert er nu niet graag vakantie?

Bent u geïnteresseerd in Smart Manufacturing? Download dan onze Guide to Smart Manufacturing in Process Industries.


No Comments so far

Jump into a conversation

No Comments Yet!

You can be the one to start a conversation.

Your data will be safe!Your e-mail address will not be published. Also other data will not be shared with third person.