۱. مقدمه و تعریف مسئله
در اقتصاد جهانی امروز، رقابت میان واحدهای تولیدی دیگر صرفاً بر پایهی ظرفیت تولید یا دسترسی به مواد اولیه شکل نمیگیرد، بلکه عواملی همچون کیفیت و یکنواختی محصول، قیمت تمامشده، سرعت پاسخگویی به بازار، انعطافپذیری تولید، بهرهوری، قابلیت ردیابی، تداوم تولید و توانایی تصمیمگیری سریع و مبتنی بر داده، نقش تعیینکنندهای در ماندگاری و موفقیت بنگاهها در عرصهی رقابت دارند. از این منظر، واحد تولیدی که نتواند خود را با الزامات تولید هوشمند و اقتصاد دیجیتال هماهنگ کند، بهتدریج بخشی از مزیت رقابتی خود را از دست خواهد داد؛ حتی اگر از نظر تجهیزات و ظرفیت فیزیکی همچنان توان تولید داشته باشد. بنابراین، تحول دیجیتال دیگر صرفاً یک انتخاب یا یک کالای لوکس نیست، بلکه به یکی از الزامات حفظ قابلیت رقابت و حضور پایدار در بازارهای داخلی و جهانی تبدیل شده است.
تحول دیجیتال دیگر صرفاً یک انتخاب یا یک کالای لوکس نیست، بلکه به یکی از الزامات حفظ قابلیت رقابت و حضور پایدار در بازارهای داخلی و جهانی تبدیل شده است.
تحقق این قابلیتها مستلزم آن است که اطلاعات حاصل از فرآیندهای واقعی تولید، تجهیزات و سامانههای کنترل صنعتی، بتواند در کنار اطلاعات و قابلیتهای سامانههای سازمانی و فناوری اطلاعات قرار گرفته و بهصورت یکپارچه در خدمت تصمیمگیری، بهینهسازی و ایجاد ارزش قرار گیرد. در اینجا مفهوم همگرایی فناوری اطلاعات و فناوری عملیاتی[1] اهمیت پیدا میکند. در این میان، فناوری عملیاتی[2] (OT) که مسئول پایش، کنترل و اجرای فرآیندهای فیزیکی است، بیش از گذشته به اطلاعات و قابلیتهای فناوری اطلاعات[3] (IT) وابسته شده و همگرایی این دو حوزه به یک ضرورت راهبردی تبدیل شده است. این همگرایی، با ایجاد پیوند میان لایههای عملیاتی و کنترلی کارخانه از یک سو و سامانههای اطلاعاتی، مدیریتی و تحلیلی از سوی دیگر، زمینه را برای دستیابی به تولید هوشمند، افزایش کیفیت، کاهش توقفهای ناخواسته، ارتقاء بهرهوری، تصمیمگیری دادهمحور، واکنش سریعتر به تغییرات بازار و در نهایت ایجاد و حفظ مزیت رقابتی فراهم میسازد. ازاینرو، شناخت معماری، فناوریها، الزامات ارتباطی و ملاحظات امنیتی این همگرایی، پیششرط مهمی برای حرکت واحدهای صنعتی از اتوماسیون سنتی به سمت کارخانههای هوشمند و رقابتپذیر در اقتصاد دیجیتال است.
برای درک بهتر ضرورت و ماهیت این همگرایی، ابتدا باید مسیر شکلگیری و تحول تدریجی دو حوزهی OT و IT و چگونگی نزدیکشدن آنها به یکدیگر را مرور کرد. حال سؤال اینجاست: اولین گامهای تحقق همگرایی چه موقع و چگونه برداشته شد؟ اتوماسیون و کنترل صنعتی از دهههای پیش از ۱۹۷۰ شکل گرفته بود و از دههی ۱۹۷۰، با توسعهی سامانههای کنترل نظارتی و گردآوری دادهها (SCADA)، وارد مرحلهی جدیدی شد؛ این روند به تدریج سامانههای کنترل توزیعشده[4] (DCS) و سامانههای اجرایی تولید[5] (MES) را نیز در بر گرفت. از سوی دیگر، فناوری اطلاعات (IT) از دههی ۱۹۹۰ با توسعهی شبکههای رایانهای، سامانهی مدیریت پایگاه دادهی رابطهای[6] (RDBMS) و سامانههای برنامهریزی منابع سازمانی[7] (ERP) رشد کرد. این دو حوزه از نظر تاریخی بهصورت مجزا و تقریباً مستقل از یکدیگر توسعه یافتند: فناوری عملیاتی (OT) بر کنترل فیزیکی فرآیندهای صنعتی تمرکز داشت، در حالی که فناوری اطلاعات (IT) بر مدیریت دادهها، فرآیندهای کسب و کار و ارتباطات سازمانی، نظارت و اشراف داشت. اما از اواسط دههی پایانی قرن بیستم تا اواسط دههی نخست قرن ۲۱، با توسعهی اینترنت اشیاء صنعتی[8] (IIoT)، رایانش ابری[9]، و انقلاب صنعتی چهارم، مرز میان این دو حوزه به شدت کاهش یافت و مفهومی به نام همگرایی IT/OT شکل گرفت.
طبق تعریف، همگرایی IT/OT به فرآیند یکپارچهسازی شبکهها، سامانهها، دادهها و فرآیندهای فناوری اطلاعات (IT) با فناوری عملیاتی (OT) در محیطهای صنعتی اطلاق میشود.
همگرایی IT/OT به فرآیند یکپارچهسازی شبکهها، سامانهها، دادهها و فرآیندهای فناوری اطلاعات (IT) با فناوری عملیاتی (OT) در محیطهای صنعتی اطلاق میشود.
هدف اصلی از تحقق این همگرایی، ایجاد یک اکوسیستم واحد و یکپارچه است که در آن دادههای تولیدشده در سطح کفِ کارخانه[10] بهصورت بیدرنگ برای تصمیمگیری در سطوح مدیریتی و راهبردی سازمان قابل استفاده باشند.
۲. تعریف مفاهیم پایه
۲.۱ . فناوری عملیاتی
فناوری عملیاتی یا OT، به مجموعهی سختافزارها و نرمافزارهایی اشاره دارد که مستقیماً برای پایش، نظارت و کنترل فرآیندهای فیزیکی صنعتی، از جمله کنترل دما، فشار، سرعت ماشینآلات و نظارت بر خط تولید را مدیریت و کنترل میکنند. اجزای کلیدی OT عبارتند از:
- کنترلکنندهی منطقی قابل برنامهریزی (PLC) – کنترلکنندههای صنعتی که منطق کنترلی را بر اساس برنامهنویسی کاربر اجرا میکنند[11]، همچنین سامانههای اختصاصی برای حفاظت فرآیندی و جلوگیری از حوادث صنعتی بر پایه مفاهیم استانداردهای IEC 61508 و IEC 61511 بهکار گرفته میشوند[12].
- سامانههای کنترل توزیعشده (DCS) یا سامانههای کنترل مبتنی بر فیلدباس[13] (FCS) و سامانههای ایمنی که برای فرآیندهای پیوسته (مانند صنایع نفت، گاز و پتروشیمی) طراحی شدهاند. این سامانهها اگرچه منطق کنترلی متمرکزی دارند، اما گرههای اجرایی آنها در نقاط مختلف واحد صنعتی توزیع شده است.
- سامانهی کنترل نظارتی و گردآوری دادهها (SCADA) با کاربرد در فرآیندهای گسسته یا دارای پراکندگی جغرافیایی (مانند خطوط لوله).
- رابط انسان با ماشین[14] (HMI) – واسطهای گرافیکی برای نظارت و کنترل در ایستگاههای بهرهبرداری.
- تجهیزات الکترونیکی هوشمند[15] (IED) – تجهیزات هوشمند با قابلیت پردازش و ارتباط دیجیتال.
- سامانهی مدیریت انرژی[16] (EMS) – سامانههای تخصصی مدیریت مصرف انرژی، با کاربرد در صنایع مختلف.
۲.۲ . فناوری اطلاعات (IT)
فناوری اطلاعات (IT)، حوزهای است که بر مدیریت، پردازش، ذخیرهسازی و انتقال دادهها و اطلاعات در سازمانها تمرکز دارد. اجزای کلیدی یا کاربردهای عمدهی IT عبارتند از:
- سامانهی برنامهریزی منابع سازمانی (ERP)- مدیریت یکپارچهی منابع مالی، انسانی، مواد و تولید.
- سامانهی مدیریت ارتباط با مشتری[17] (CRM) – مدیریت تعاملات و روابط با مشتریان.
- سامانه مدیریت زنجیرهی تأمین[18] (SCM) – مدیریت جریان مواد، اطلاعات و منابع.
- هوش تجاری[19] (BI) – تحلیل دادهها برای پشتیبانی از تصمیمگیری مدیریتی.
- سامانهی اجرایی تولید (MES)- سامانهای در سطح عملیات تولید که میان سامانههای مدیریتی IT و سامانههای کنترلی OT ارتباط برقرار کرده و مدیریت و پایش عملیات تولید را پشتیبانی میکند.
یکی از کاربردهای اساسی IT برای مدیران صنعت (با مجموعه سامانههای بالا) میتواند این باشد که به عنوان یک ابزار تصمیمساز یا تصمیمیار[20] مورد استفادهی مدیران قرار گیرد.
۲.۳ . مقایسهی IT و OT
گفته شد فناوری عملیاتی و فناوری اطلاعات در دو سطح مختلف و با دو کاربرد مختلف طراحی و اجرا میشوند. برخی از ویژگیهای فناوری اطلاعات و فناوری عملیاتی از جهت مقایسه در جدول 1 آمده است.
جدول 1. برخی ویژگیهای IT و OT
ویژگی | IT | OT |
هدف اصلی | مدیریت اطلاعات و داده | کنترل فرآیندهای فیزیکی |
چرخهی عمر | کوتاه (تقریباً 3 تا 5 سال) | بسیار بلند (تقریباً 15 تا 25 سال) |
قابلیت اطمینان | بالا ولی با تحمل خطای نرمافزاری | بسیار بالا، با تحمل خطای سختافزاری |
تأخیر قابل قبول (متناسب با کاربرد) | معمولاً از میلیثانیه تا ثانیه | از میکروثانیه تا میلیثانیه |
امنیت | رمزنگاری، فایروال، احراز هویت چند لایه، محرمانگی | دسترسپذیری، یکپارچگی و ایمنی عملیاتی |
پروتکلها | TCP/IP, HTTP, RESTful API | Modbus, Profibus, EtherCAT, ProfiNet |
بهروز رسانی | مدام و سریع | کم تکرار و با برنامهریزی دقیق |
ویژگی کارکنان | متخصصان IT | مهندسان کنترل و اتوماسیون |
۳. تاریخچه و سیر تکاملی همگرایی IT/OT
قبلاً در مقالهی «مقدمهای بر تاریخچه و تکامل کنترل صنعتی» با روند پیشرفت و شکلگیری مهندسی کنترل امروزی، آشنا شدیم. به طریق مشابه، همگرایی فناوری عملیاتی (OT) و فناوری اطلاعات (IT) در حوزهی مهندسی کنترل نیز طی یک فرآیند و روند طولانی رخ داده است. بدین منظور و برای آشنایی با این روند، همگرایی IT/OT را میتوان در چهار نسل تاریخی به شرح زیر بررسی کرد:
۳.۱. نسل اول: جداسازی کامل دو فناوری (قبل از ۱۹۹۰)
در این دوره، سامانههای OT کاملاً مجزا از سامانههای IT بودند. ارتباط بین این دو حوزه، محدود به انتقال دستی دادهها (مانند ثبت دستی دما و فشار) یا انتقال فایلهای محدود بود. پروتکلهای صنعتی[21] بر بستر شبکههای سریال[22] اجرا میشدند و ارتباطی با شبکههای سازمانی نداشتند. این جداسازی عمدی، ریشه در نگرانیهای امنیتی و همچنین تفاوتهای بنیادین در معماری این دو حوزه (به لحاظ محدودیتهای فناوری) داشت.
۳.۲ . نسل دوم: اتصال محدود بین دو فناوری (در بازهی تقریبی ۱۹۹۰-۲۰۰۵)
با گسترش اترنت در فضای صنعتی (از جمله معرفی پروتکلهایی مانند اترنت صنعتی[23])، اولین پُلهای ارتباطی بین IT و OT شکل گرفت. مفهوم نواحی حائل امنیتی[24] (DMZ) برای جداسازی شبکهی OT از IT مطرح شد. پروتکل OPC[25] امکان تبادل داده میان سامانههای صنعتی و نرمافزارهای کاربردی را فراهم کرد. در این دوره، مفهوم یکپارچهسازی[26] «فناوری فرآیندی[27]» و «فناوری اطلاعات»، شکل گرفت و شرکتها شروع به اتصال سامانههای تولیدی به سامانههای مدیریتی کردند. میتوان گفت در این بازهی زمانی/ تاریخی اولین نسل از همگرایی فناوری فرآیندی و فناوری اطلاعات شکل گرفت، اما همچنان جای کار زیادی وجود داشت.
۳.۳. نسل سوم: همگرایی واقعی (در بازهی تقریبی ۲۰۰۵-۲۰۱۵)
با معرفی مفهوم کارخانهی هوشمند[28] و آغاز بحثهای اولیهی انقلاب صنعتی نسل چهارم، همگرایی بین IT/OT وارد مرحلهی جدیدی شد.
با معرفی مفهوم کارخانهی هوشمند[28] و آغاز بحثهای اولیهی انقلاب صنعتی نسل چهارم، همگرایی بین IT/OT وارد مرحلهی جدیدی شد.
فناوریهایی برای OT[29]، مانند مجازیسازی[30]، شبکههای بیسیم صنعتی[31] و پروتکلهای مبتنی بر IP[32] بهطور گسترده پذیرفته شدند. مفهوم ارتباط ماشین با ماشین (M2M)[33] رشد کرد و سامانههای ERP شروع به دریافت دادههای بیدرنگ از خط تولید کردند.
۳.۴ . نسل چهارم: یکپارچگی کامل و هوشمندسازی (۲۰۱۵ تاکنون)
این دوره با مفاهیم انقلاب صنعتی نسل چهارم، اینترنت اشیاء صنعتی (IIoT)، رایانش مه[34]، رایانش لبه[35]، و هوش مصنوعی/ یادگیری ماشین متمایز میشود. در این نسل، مرز بین IT و OT تقریباً محو شده و دادههای OT مستقیماً در سامانههای ابری IT پردازش میشوند. رویکردهای پیشرفته مانند دوقلوهای دیجیتال[36]، تعمیر و نگهداری پیشبینانه[37] و کنترل بهینهی مبتنی بر داده[38] به واقعیت تبدیل شدهاند.
[1] IT/OT Convergence
[2] Operational Technology
[3] IT: Information Technology
[4] DCS: Distributed Control System
[5] MES: Manufacturing Execution System
[6] RDBMS: Relational Database Management System
[7] ERP: Enterprise Resource Planning
[8] IIoT: Industrial Internet of Things
[9] Cloud Computing
[10] Plant Floor
[11] According to IEC 61131-3
[12] Such as: Safety PLC/ SIS
[13] FCS: Field Control System
[14] HMI: Human Machine Interface
[15] IED: Intelligent Electronic Device
[16] EMS: Energy Management System
[17] CRM: Customer Relationship Management
[18] SCM: Supply Chain Management
[19] BI: Business Intelligence
[20] Decision Maker
[21] Such as: Modbus RTU
[22] RS-232/RS-485
[23] Industrial Ethernet
[24] Demilitarized Zone
[25] OLE for Process Control (OLE: Object Linking and Embedding)
[26] Integration
[27] Such as: ERP/MES/SCADA
[28] Smart Factory
[29] Such as: Modbus TCP/IP، PROFINET
[30] Virtualization
[31] WirelessHART (ANSI/ISA-100.11a & IEC 62734: Wireless Systems for Industrial Automation: Process Control and Related Applications)
[32] Internet Protocol
[33] Machine-to-Machine Communication
[34] Fog Computing
[35] Edge Computing
[36] Digital Twins
[37] Predictive Maintenance
[38] Data-Driven Optimal Control
