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以物造物——設備制造商如何能夠運用MindSphere開辟全新的商業模式
2020-07-29    來源:內容由西門子公司提供    發布者:


摘要
MindSphere 是 Siemens推出的基于云的開放式物聯網(IoT)操作系統,它使工業制造商能夠以經濟實惠的方式將自己的機器和實體基礎設施輕松快捷地與數字世界銜接起來。他們幾乎能運用任意數量的智能互聯設備、企業系統以及數據庫所提供的數據,用以分析和揭示變革性的見解、增強自身的產品和服務,并推出全新的商業模式。

作者:Jagannath Rao
云應用服務高級副總裁


 

一、向著富有前瞻性的動態前景砥礪前行

各OEM在自身的商業模式方面,正越來越多地開始遇到各種根本性的挑戰:設備生命周期正變得越來越短,導致利用其產品獲利的時間也相應地變短。要克服該項挑戰,就要使機器的固件和軟件保持全新和安全的狀態,以確保客戶能夠盡可能充分地利用自身的設備資產。圖1闡釋了這一現象。



大多數OEM都明白,客戶購買機器的目的就是為了完成某項任務:從地下抽取石油、將發動機安裝到卡車中、將汽水灌裝到瓶子里,等等。但許多人都沒有意識到,再高一層次的數據驅動型軟件應用能把這項任務做到什么程度。了解這一現象對于理解自主制造的工作原 理非常重要。

例如,在一個IIoT環境中,制造執行系統(MES)可能是 接收企業資源規劃(ERP)系統所發出的命令。而這些系統又可能是通過接入零售鏈ERP的電子數據交換(或一個Web應用)接收預設的需求信號。零售鏈ERP將會監控收銀機上的單位銷售量,以了解特定商店的貨架上何時需要補充產品。

這種由需求驅動的制造還可以與批量定制方案結合使用。設想一下,一輛為特定客戶(也許是某一個人或者車隊所有者)制造的卡車會以何種方式在生產線上組裝起來。負責安裝發動機的機器人裝置能知道該輛卡車的引擎罩下需要的是六缸還是八缸發動機,并會從自動導引車中提取正確的發動機,而該發動機則是自動導引車從庫存中取來的。

重點是,傳統的OEM思維會將一臺設備(甚至是像多軸計算機數控(CNC)機床這類尖端復雜設備)看作工業客戶生產藍圖當中的一個獨立部分,其輸入和輸出則是工廠生產流程的一部分。

與此相反,富有遠見的OEM則會將其看作是提供成果的手段,工業運營者會在增值任務中使用該方法來為客戶提供優于競爭對手的服務。畢竟,當有人走進五金店要找1/4英寸鉆頭時,他實際上并不是在找直徑為1/4英寸并能切削出螺旋形鋒利刃口的金屬棒;他們尋找的是操作該鉆頭所獲得的結果:在他們要處理的材料上鉆出一個1/4英寸的孔。

要想在向自主式制造發展的環境當中取得成功,OEM必須轉變思維方式,在觀念上從以產品為中心轉變為以用戶為中心。作為用戶,OEM的客戶傾向于盡量減少資本支出,以利于縮減運營支出。他們想要的不是空氣壓縮機,而是想要壓縮空氣。這依然表明,他們想要的是成果,而不一定是方法或手段。這就是為什么有遠見的人下一步會考慮自己如何能往機器中加入其他的功能,用以支持這種以用戶為中心的角度,而且這通常都會涉及到利用這些機器所生成的數據。

OEM如何才能做到這一點?通過邊緣和云端的先進分析技術幫助工廠運營者更出色地管理可變性,尤其是在批量定制方案中。這里列出了OEM可以使用MindSphere給自身的運營及其工業客戶的運營帶來好處的其他方法:

(1)提高服務效率,同時通過基于運行狀況的預測性維護和利用云的遠程診斷降低保修成本,從而可以減少或消除技術人員上門服務的情況

(2)增強產品特性和功能,這是通過將性能數據實時反饋給OEM研發團隊來實現的,作為一種可行性情報,它可以提高產品設計及虛擬數字化雙生模型與實際產品性能的一致性

(3)增加服務數量,例如通過群隊管理解決方案監控性能和刀具磨損,以產生遞增式的高利潤服務收入,構建OEM的盈利能力

(4)創新型的商業模式,例如以計時的方式提供運營服務,使OEM能夠出于自身資產負載表和稅務會計的目的掌握資產折舊

各OEM可以利用MindSphere,通過以往可能無法提供的或是成本高昂的數據驅動型創新特性、功能和服務來實現其價值主張。微軟創始人比爾·蓋茨意識到,PC的真正價值不在硬件上,而是在軟件上,正是基于這種簡單而又深奧的認知,他創造了900億美元的財富。對于今天的 OEM 來說,好消息是無論其規模如何,Siemens的MindSphere讓他們都能夠在自身業務中成功地踐行這種見解。

1、對已有數十年歷史的工業基礎設施進行現代化改造,如今已勢在必行

McKinsey認為OEM存在著巨大的IIoT商機,而Siemens自己的研究也迎合了這一觀點,據其估計,全世界的工廠機器中只有百分之三處于監控之下。這是因為全球的工業產能中有很多都包含陳舊過時的基礎設施,其中很多都已經使用了多達數十年,即使它們擁有數碼電子元件或通信功能,應用范圍也十分有限。

據一項統計,在這些舊設備安裝后的幾十年時間里,技術已經進步了1000多倍。舉例來說,2016 年英特爾公司發布了包含75億個電路的22核英特爾至強Broadwell-E5芯片,而在20年前,其旗艦產品奔騰II芯片“僅僅”包含750萬個電路。而成本則已經下降了一半甚至更多。

技術上的各種進步一起刺激了其他創新。電路密度已經使智能傳感器能夠將相當于一個登月艙的處理能力和功能封裝在一個微小的外殼當中。可編程邏輯控制器(PLC)的效率和功能遠超以往,并且還包括集成安全功能,而以前它們需要使用自己的工廠網絡來提供安全保 障。先進的分析功能不僅能夠處理數據庫中的結構化數據,還能夠處理文本和視頻輸入中的非結構化數據。事實上,達到超級計算機規模的并行處理如今可以分析數萬億字節大小的非結構化數據集。

軟件領域也出現了類似的創新。開發人員已經實現了機器學習和人工智能(AI):機器學習能夠讓機器在不經過明確編程的情況下進行學習;而人工智能則會向計算機灌輸類似于人類的行為。例如,機器學習算法旨在以毫秒為單位實現迭代式的性能提升。這可以幫助工廠設備的操作人員在幾分鐘內優化周期時間和材料的使用,而不是需要數月的時間手動進行微調。而這樣做既可以提高效率,又可以節省生產時間和成本,這很有可能會改變游戲規則,即提供愈加豐厚的利潤,以擴大定價余地和盈利能力。

2、通過云開辟新的商機

對于 OEM 來說,所有這些技術性能上的增強可能已經,也可能尚未融入到其工業設備中。誠然,對于許多機器而言,這種速度、處理能力、存儲以及通信功能并不全都是必需的。如果斷開連接,嵌入高等軟件功能可能會使得更新、升級和支持 OEM 機器產品變得愈加艱 難,尤其是從遠距離執行這些操作。但是,將機器連接 到網絡可能會使其面臨網絡安全風險的威脅。雖然先進的功能可能會使機器更加吸引客戶,但這樣做也可能會減弱它們在成本上的競爭力。

那么OEM應該怎么做?坐以待斃肯定是不行的。他們應當考慮云,尤其是并非為辦公室、企業和Web應用程序設計,而是專門為工業物聯網(IoT)環境而設計的云:Siemens的 MindSphere。借助它,OEM可以著手通過以下方式幫助其客戶實現自身的數字化轉型:

(1)優化資產利用率,提供盡可能高的運行時間和可用性

(2)提高維護效率,進而實施預測性維護實踐

(3)通過基于運行狀況的監控 提高運營可見性

(4)利用數據透明度和集中的關鍵績效指標 (KPI) 提供出色的運營見解和責任制

(5)實現新的機器功能,同時兼具數據分析和資產群組監控功能

通過將工業資產連接到 MindSphere,OEM可以充分發揮從IoT中獲得的數據對于制造業轉型的基礎性作用。

以采用Siemens PLM Software解決方案設計的風力渦輪發電機為例。在部署該風力渦輪發電機后,可以使用Siemens的軟件來監控和檢測其物理性能方面的振動,然后將這一工作特征與在該渦輪機的設計階段運行的仿真結果進行比較。利用這一數字化雙胞胎概念,可以將該渦輪機在真實世界的工作特性與軟件呈現的應有特性相比較,這樣就可以在可能出現維護或維修問題之前提早做出調整。

MindSphere可以幫助OEM將這一概念延伸到他們的機器上,同時不僅能提高性能、可靠性和可維護性,相比其他那些沒有在自身設備產品中采用這一概念的OEM,還會獲得顯著的競爭優勢。如今,各公司都可以利用MindSphere實現產品從構思、實現到利用的閉環運行,從而將整條價值鏈中的運營數據整合在一起,這不僅可以提高運營效率,還可以將仿真和測試結果與真實世界的觀察結果進行比較。

3、借助 MindSphere 拓展性能、可擴展性、能見度和見解

作為一種基于云的開放式IoT操作系統,MindSphere 為 OEM 提供了特定于具體市場的應用和解決方案。這些應用和解決方案的設計目的,在于減少向機器中增加尖端復雜特性和功能所需的大量人工、時間和費用,如MindSphere標配的統包式分析和群隊管理工具。MindSphere所提供的云計算已經得到了全世界范圍內各個公司信息技術(IT)團隊的歡迎,它使許多前臺辦公室和面向客戶的業務職能部門都實現了數字化轉型。這是因為該云模型提供了下列優勢:

(1)隨需型IT基礎設施,這種基礎設施不但會經常更新,而且非常安全,規模上幾乎沒有限制,也不用為維護、修補程序、更新、安全以及其他所有權瑣事而煩心

(2)節省了資本支出,并節省了采購、部署、交付使用以及維護必需硬件所需的時間、人工和技能

(3)靈活的“即用即付”成本模型 它通過基于消費的定價幫助 OEM 避免了前期在硬件方面的資本成本,同時使成本與使用量保持一致;OEM也可以將這種模式作為一項福利和競爭優勢傳遞給自己的客戶

(4)使用經濟高效的 平臺即服務(PaaS)功能(如高 性能計算)和軟件即服務(SaaS)應用程序(如 MindSphere內置的高級數據分析)

通過MindSphere的開放式標準和接口,OEM能夠靈活地收集數據,并使自身的解決方案與客戶的基礎設施相匹配,不論該設備由Siemens還是第三方制造。

二、MindSphere的工作原理

Siemens的MindSphere采用了一種簡單的三層式架構:


1.1 MindConnect:連接層該安全層

(包含軟件和硬件選項)將OEM機器連接到MindSphere。它可以通過MindConnect LIB軟件開發包(SDK)與MindSphere標準化API進行交互,因而可以編寫特定于客戶或用例的連接代理程序。這些API有利于數據從設備資產傳輸至MindSphere,同時也拓展了協議支持。

此外,MindConnect IoT擴展是一種附加的連接層選項,它使得許多新的IoT協議都能夠與 MindSphere通信。其示例包括OPC一體化體系架構(OPC UA)、 S7、ModBus/RTU 和 ModBus/TCP、REST、MQTT 以及CANBus。通過采用一種完整的環境,OEM可以管理設備并進一步開發資產,以便與多種受支持的現場協議進行交互,并提供各種硬件連接代理,以便彌合與其他協議之間的隔閡。

除軟件解決方案MindConnect外,還有MindConnect Nano和MindConnect IoT2040設備等硬件連接解決方案。它們都支持行業標準協議,大大方便了通過與PLC及其他傳感器進行交互來收集和傳輸數據的過程。

這些解決方案支持Siemens S7協議,該協議用于從S7-3xx、S7-4xx和ET-200 PLC等型號采集數據。此外,它們還支持OPC UA,只要數據源支持通過使用OPC UA規范第8部分的OPC UA 服務器來提供數據,就可以從中采集數據。同時,通過采用完全集成式自動化(TIA) Portal STEP 7 庫,OEM 還可以利用現有的Siemens S7-1500 PLC直接連接到MindSphere和數字環境。TIA Portal STEP 7庫擴展了S7-1500 PLC的功能,使其可以將 PLC 數據傳輸至 MindSphere。

使用MindSphere應用程序Manage MyMachines可以通過加密的Internet通信將諸如Sinumerik 840D sl和828D等計算機數控(CNC)無縫連接到MindSphere。這讓車間經理、機器-工具操作員和維護人員能夠基于云來掌握所有互聯CNC機床中的關鍵數據和工作狀態。

除資產連接能力以外,MindConnect Integration還提供了一種可以將多個數據系統安全連接到MindSphere的方法,如企業解決方案、ERP和MES 系統、舊應用程序以及管理控制和數據采集(SCADA)系統。基于瀏覽器的工具可以用來以圖形的方式配置數據值映射,從而幫助OEM構建靈活的集成,這樣做可以將企業系統(不論是云端系統還是本地系統)納入到采用MindSphere的環境中。

1.2 MindSphere 操作系統

MindSphere托管于高度安全的云提供商數據中心Amazon Web服務(AWS)。這使得 OEM 及其客戶在開發、運行和管理應用時,能夠避免因構建基礎設施或管理復雜的軟件堆棧所產生的費用、人工或復雜性。

MindSphere 的設計宗旨是讓OEM及其客戶能夠根 據成本、可配置性、可擴展性、位置和安全性來選擇理想的云部署策略。

鑒于 Siemens 不僅在全球大多數行業的領域都具備深厚的專門知識,還擁有全球規模的 AWS 公共云,因此 OEM 可以大大加快 IoT 解決方案的開發。通過訪問 MindSphere 開放式物聯網API,合作伙伴可以與 Siemens 和 AWS 合作開發高價值的應用程序,并提供數字服務。有了開放式API,合作伙伴就能開發、部署和銷售自己的 MindSphere 解決方案。

1.3 MindSphere 應用程序

作為 MindSphere 核心產品的一部分,MindSphere隨附了一款便于使用的應用:Fleet Manager。通過它可以總覽MindSphere 中已配置的資產,這樣用戶就可以根據在Fleet Manager中配置的用戶定義參數快速搜索所有的資產并聚焦于相關問題。用戶還能夠配置規則,以便在一臺機器或一組機器的工作參數達到預定義的狀態后自動監控機器并創建后續請求,例如電子郵件通知。Fleet Manager將會以直觀的方式向用戶顯示這些通 知。例如,以地圖視圖顯示互聯資產的地理位置。在詳細信息視圖中,用戶會看到顯示在不同圖表當中的記錄數據。用戶還可以定義要顯示的數據時間范圍,并能夠深入研究自己的數據。作為對Fleet Manager應用的補充,Siemens提供了Visual Analyzer,該選件提供了豐富的數據可視化和復雜的算法應用,全部都集成于同一個用戶界面當中。

此外,MindSphere還提供了其他工具,用以簡化數據分析和應用程序開發。例如,OEM可以使用一個基于 Web 的編輯器來設計自己的可視化工作流程、創建規則,并定義觸發器動作。利用僅配置模式,他們可以為深一層的可視化準備數據,包括規范、轉換、更改、匯總和添加變量,并修改數據模型。在完成數據準備之后,他們不但可以定義KPI,還可以計算和存儲該數據。

MindSphere還提供了開放式API和服務,以便使 OEM 能夠以較短的時間開發和部署軟件應用。MindSphere API充分利用Siemens的行業知識和物聯網 (IoT),為遷移到物聯網(IoT)解決方案的關鍵業務驅動因素提供了支持。它還支持集成式開發環境,例如 Intellij 和 Eclipse 以及與 AWS 原生服務的集成。隨著時間的推移,API、分析學和工具中的新增功能將會幫助 OEM 增強和擴展其機器的功能。

此外,MindSphere商店也提供MindSphere應用,該應用的基礎就是豐富廣博的領域專門知識,范圍涉及各行各業。

對于OEM而言,MindSphere不同于其他云的六個方面如下

1. Siemens是一家以完全端到端的云操作系統(從連接性到 PaaS,再到應用和數字服務)提供完整物聯網的公司。

2. Siemens 的制造流程和自動化技術知識讓人們從一開始就熟悉了MindSphere IoT操作系統的開發。

3. 工廠運營者比任何人都更了解自己的工廠和機器,因此 Siemens 將 MindSphere 設計成一套用于工業物聯網的開放式操作系統,從而提供了一種使用其他云和工具的選擇。

4. 用戶可以快速高效地分析其工廠所產生的龐大數據量,找出短板,并在生產性能和可用性方面實現重大改進。

5. MindSphere通過內置的MindSphere就緒型軟件代理為OEM及其客戶定制連接性,這些代理可以安裝在OEM機器上作為連接層,用于擴展協議支持以及與多個數據系統、MindConnect 設備和現有Siemens舊硬件的集成。

6. 在完成數據攝取和分析之后,OEM 可以為其終端客戶提供創新性的數字服務以及對 MindSphere應用程序的訪問權限,以便為這些新的商業產品提供支持。


2、保護數據和連接免受尖端威脅的侵害

與其他基于云的解決方案相比,側重于運營技術的工業級網絡安全是 MindSphere 的另一個與眾不同之處。它基于多種行業標準,如國際標準組織 (ISO) 27001、國際電工委員會 (IEC) 62443 和 BSI(德國聯邦信息安全局)。靜態數據存儲在 AWS 數據中心的高性能服務器上。所有數據都符合尖端的數據安全標準,它們受到的保護足以抵御網絡威脅和自然災害。動態數據則一律使用 256 位安全套接字層(SSL)/傳輸層安全性 (TLS) 或更高強度的加密技術進行加密。

OEM可以使用這些嚴格的安全標準幫助將其解決方案銷售給如同所有工業運營者一樣擔心網絡威脅的工業客戶。同時,OEM及其客戶也需要確保自身的安全措施,如制定深度防御最佳實踐。而且OEM和客戶都可以保證自己擁有各自的數據。

以MindSphere硬件連接性選件MindConnect Nano為例,它采用了安全機制來確保只會連接并發送數據到MindSphere平臺。它通過驗證其安全證書來識別MindSphere。在處理設備使用的證書和密鑰方面,它應用了證書和密鑰管理措施。重要的是,MindConnect Nano沒有任何開放的入站端口,這可以將內部敵人的攻擊拒之門外。

在入網過程中,MindConnect Nano必須通過 MindSphere的身份驗證流程。完成驗證之后,兩個實體會就之后通信中使用的加密密鑰達成一致。最終,MindSphere被設計成為只會從已經順利完成驗證流程的有效MindConnect Nanos接收數據。

MindConnect Nano與MindSphere之間的所有通信都通過TLS 1.2標準進行加密,并采用長度為256位的加密密鑰。為了遵守適用的Siemens信息安全準則,TLS 配置將會定期接受檢查。這有助于保護MindConnect Nano與MindSphere之間的通信免遭中間人攻擊或任何篡改。

而且,MindConnect Nano還具備以下可保護OEM客戶自動化網絡完整性的特性:

(1)只有 MindConnect Nano 可以發起出站 HTTPS 連接:只有從 MindConnect Nano 設備到 MindSphere 平臺的出站HTTPS連接會建立。該連接總是由 MindConnect Nano(絕非由MindSphere 平臺)發起。即便在 MindConnect Nano 設備上進行固件更新,也要遵守“僅出站”規則

(2)單獨的物理接口:MindConnect Nano 使用兩個單獨的網絡接口連接到自動化網絡和外部網絡。此外,它還擁有內部防火墻,可以減少自動化網絡暴露在外部網絡下的幾率。內部防火墻只對 MindConnect Nano 用例有效,客戶無法對其進行配置

(3) 對自動化系統的只讀訪問權限:MindConnect Nano 中的所有數據采集驅動程序對數據來源僅具備只讀權限。該設備的設計目的并非是用來修改任何數據或者將任何控制信號發送給數據來源

(4)軟件安全性得到加強:MindConnect Nano 軟件基于 一個定制的 Linux 操作系統,該操作系統只包含 OEM 的客戶需要的組件和服務

(5)對防火墻友好的連接性:MindConnect Nano 通過采用 HTTPS 并且對防火墻友好的出站 Internet 流量進行通信。它只需要在防火墻中打開一個單獨的出站端口(HTTPS端口 443)和一個固定的URL,不需要打開任何入站端口

(6)代理服務器支持:MindConnectNano支持使用代理服務器向MindSphere平臺傳輸出站流量。可以使用MindSphere中的資產配置工具來配置代理服務器設置

(7)離網:使MindConnect Nano離網將會停止數據采集,并使其與MindSphere斷開

三、向實現數字化轉型邁出新的一步

全球工業工廠設施的數字化勢不可擋。首先,如果運營者想要保持盈利能力和競爭力,除了迅速對老化的基礎設施進行現代化改造之外,別無選擇。這不僅是因為過時的機器裝備會由于更加頻繁的維護、維修、現場更換以及難以尋找的備件而產生相關的運營成本,更因為工程和維護技術知識也在快速淘汰之中,這就是所謂的“ 灰色海嘯”。而且,如果新型機器的速度、質量和價格都較為理想,并且在許多情況下只需占用較少的空間就可以工作時,使用老舊機器還會產生相關的機會成本。

其次,如今對于各種不同規模的工廠運營者來說,能夠從IIoT中發掘數據,以便大幅增加運營透明度和生產效率,這才稱得上是經濟實用。采用快速易用的“即用即付”云模型時,這種效果尤為明顯,例如使用Siemens基于云的開放式IoT操作系統 MindSphere 所提供的功能。而且通過這一模型,他們可以獲得IIoT功能,同時免除了硬件基礎設施所需的資本和維護費用,這不僅可以確保始終實現保護和升級,還能實現靈活、基于使用量的成本模型。

對于OEM來說,數字化趨勢預示著漫長的潛在盈利期。無論OEM的規模有多大,Siemens 的MindSphere都能幫助其從這一趨勢中獲利。由于云的觸角范圍遍布全球,因此可以幫助打開他們以前可能因為自身能力限制而無法考慮的新市場,包括全球市場。而且MindSphere 還能得到Siemens的支持,包括銷售人員和專門服務覆蓋范圍,以及幾乎遍布世界各處的全球合作伙伴生態系統。

通過將Siemens的MindSphere(基于云的開放式IoT操作系統)融入到自己的機器中,OEM    可以從中獲益;如果您也是其中的一員,敬請聯系當地的Siemens代表或全球合作伙伴,或者訪問MindSphere網站了解詳情。它是專門為工業和 OEM 而設計和打造的解決方案。



 
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