OBRÁZEK 1: Průmyslové řídicí systémy získávají mnoho výhod z automatizačního modelu, který kombinuje spolehlivé deterministické řízení s pokročilými výpočetními systémy pro všeobecné použití. Ilustrace poskytla společnost Emerson OBRÁZEK 1: Průmyslové řídicí systémy získávají mnoho výhod z automatizačního modelu, který kombinuje spolehlivé deterministické řízení s pokročilými výpočetními systémy pro všeobecné použití. Ilustrace poskytla společnost Emerson

Budoucnost průmyslové automatizace spočívá v okrajových řídicích prvcích, které jsou kombinací funkce PLC/PAC a výpočetních schopností k poskytování analytiky na okraji a reakcí na zjištění v reálném čase.

Uživatelé a konstruktéři průmyslové automatizace zaznamenali značný zájem o takzvaný „okraj“. Za okrajové technologie se často považuje hardware a software umístěný v blízkosti strojů a senzorů, odkud se získávají data. Mohou provádět i určité výpočty, nebo dokonce řídit optimalizační úlohy a také přenášet data do vyšších úrovní a cloudových systémů.

Přístup k rostoucímu množství dostupných dat a jednání na základě získaných informací jsou nezbytné a cenné faktory vedoucí ke zlepšení provozu. Tyto funkce zajišťují okrajová zařízení, která jsou kombinací funkce programovatelných logických automatů (PLC) a programovatelných řídicích automatů (PAC).

Z hlediska vyšší úrovně se může zdát, že existuje mnoho uspokojivých možností k provádění těchto typů úkolů. Avšak dosažení robustnosti průmyslové úrovně při současném zajištění pokročilých výpočetních schopností představuje značnou výzvu, která nabídku možností zužuje. Tato potřeba se netýká pouze umožnění efektivního toku dat směrem nahoru do cloudu. Zahrnuje také toky z úrovně informačních technologií (IT) a výpočetních kapacit směrem dolů do oblasti provozních technologií (PT), kde se provádí řízení, a schopnost generovat na okraji analytické výsledky.

Vezměme si moderní automobil, který rozsáhle využívá automatizační hardware a software. Řidiči potřebují, aby systémy řízení hnacího ústrojí byly spolehlivé, zatímco sekundární systémy, jako je navigace v přístrojové desce, jsou považovány za důležité, ale méně kritické a častěji vyžadují aktualizace.

Bylo by možné použít srovnatelný model pro aplikace průmyslové automatizace, který by kombinoval řízení spolehlivosti se schopností provádět pokročilé podpůrné výpočty (obrázek 1)? Jakékoli návrhy postavené na nedostatečně průmyslově zpracovaných technologiích nebo implementacích mohou ohrozit spolehlivost, takže zde existují značné výzvy.

K dispozici jsou optimalizované hardwarové a softwarové možnosti pro zajištění spolehlivé automatizace v reálném čase v kombinaci s komunikačními a výpočetními možnostmi na okraji sítě. Tento článek popisuje, na co by se měli návrháři zaměřit při hodnocení těchto typů okrajových řešení připravených na budoucnost.

Průmyslové řídicí jednotky a computing

Mnoho řídicích prvků a komponent pro computing je prezentováno jako vhodné pro okraje průmyslových aplikací. Je však důležité pochopit některé rozdíly a jejich základní rysy, aby uživatelé měli jistotu, že dostanou to, co očekávají. Některé produkty používají architekturu PC s virtualizací softwaru a emulovaným řídicím prostředím a nemusejí být dostatečně robustní pro průmyslové použití. Jiné produkty využívají dva samostatné procesory k zajištění řídicího běhu a obecných výpočetních schopností, což je nákladné.

S implementacemi okrajových řešení jsou často spojeny dva pojmy z oblasti navrhování: hardwarově nezávislé a softwarově definované.

Hardwarově nezávislé implementace okrajových řešení využívají software určený k běhu na jakékoli průmyslové hardwarové platformě. Tato flexibilita může být výhodná, ale obvykle s sebou nese určitou míru kompromisu nebo rizika. Může se například vyskytnout nečekaná nekompatibilita nebo nedostatek záruk týkajících se determinismu, kompatibility nebo výkonu a pro určité upgrady je obvykle nutná odstávka. Hardwarově nezávislé řešení je převážně modelem spotřebitelské třídy, ale nabízí se i pro některé typy průmyslových aplikací.

Softwarově definované implementace jsou přísněji testovány, aby poskytovaly deterministický výkon nezbytný pro spolehlivé, opakovatelné a bezpečné řízení a výpočty. To má zásadní význam pro průmyslové řídicí aplikace a může vyžadovat přizpůsobený hardware.

Zatímco univerzální výpočetní řešení mohou být vhodná pro aplikace mimo sféru řízení, většina průmyslových řídicích aplikací vyžaduje něco víc. Po mnoho let se v projektech průmyslové automatizace používaly PLC a nověji PAC k deterministickému řízení, přičemž oba typy měly dlouhý životní cyklus kolem 15 let.

PLC/PAC však mají pro univerzální okrajový computing poměrně omezené možnosti. Většinou nemají dostatečný výpočetní výkon, paměť a úložiště potřebné pro běh moderních analytických nebo vizualizačních aplikací, které jsou obvyklé v operačních systémech Microsoft Windows a Linux. Průmyslová PC (IPC) mohou poskytovat požadované univerzální funkce a výkon, ale často postrádají spolehlivost potřebnou pro provoz v reálném čase, pokud jsou zatížena softwarem třetích stran, a často mají životnost pět let nebo i méně.

Ideální by bylo kombinované řešení, avšak hardwarově nezávislá implementace nemůže poskytnout potřebné záruky výkonu pro deterministické a nedeterministické aplikace. Pouze softwarově definovaná řešení implementovaná na ověřeném hardwaru mohou zajistit výkon potřebný pro kritické operace a zároveň umožnit paralelní práci analytických nástrojů a strojového učení.

CTL2202 MAG2 F2 PLCs Emerson Fig2OBRÁZEK 2: Skutečný okrajový řídicí prvek, jako je PACSystems RX3i CPE400 a CPL410 od společnosti Emerson, využívá hardwarovou virtualizaci ke spolehlivé kombinaci deterministické řídicí funkce PLC/PAC s univerzální výpočetní schopností PC

Vývoj a spolehlivost edge computingu

Některá hardwarově nezávislá řešení edge computingu na trhu jsou vhodná pro určité formy sběru, analýzy a vizualizace dat. U řešení komerční třídy může docházet k výpadkům, které jsou v průmyslovém použití nepřijatelné. Pokud koncoví uživatelé potřebují výkon téměř v reálném čase pro systémy, jež vyžadují nepřetržitý provoz a nemohou akceptovat ani krátké výpadky kvůli zabezpečení nebo jiným aktualizacím, je zapotřebí lepší řešení.

Rozšířené datové a analytické funkce pracují s dynamickými daty, takže tyto výpočty jsou nejefektivnější, pokud se provádějí v blízkosti zdroje, například v PLC. Kombinace vysokorychlostního řízení s výpočty na okraji představuje vyšší hodnotu než samotné výpočty na okraji. Je to proto, že data s nízkou latencí lze shromažďovat a analyzovat v reálném čase. Získané poznatky lze využít, aniž by bylo nutné zaměstnávat operátory nebo nespolehlivá vícesystémová rozhraní. Pokročilé úlohy, jako je strojové učení (ML), jsou závislé na přístupu k datům a na výpočtech na okraji sítě.

Správný návrh řízení/výpočtů na okraji by měl umožnit, aby se deterministické a univerzální aspekty řízení a výpočtů na okraji vyvíjely ve vlastním prostoru a vlastním tempem. Skutečné řízení na okraji může splňovat potřeby koncového uživatele, pokud je správně navrženo.

Čtyři charakteristiky okrajového řídicího prvku

Pro správné spojení deterministického řízení a analytických výpočtů na okraji je zapotřebí nová třída hardwaru (obrázek 2), zejména pokud má správné vlastnosti:

  • deterministický operační systém reálného času (Real-Time Operating System – RTOS) pro řízení, který jen zřídka vyžaduje aktualizace;
  • obecný operační systém (General-Purpose Operating System – GPOS) pro výpočty, který lze libovolně aktualizovat a přidávat do něj funkce, jako jsou nové aplikace či algoritmy strojového učení, nebo do něj vkládat bezpečnostní aktualizace;
  • hardwarová virtualizace zajišťující vzájemnou provázanost RTOS a GPOS, takže každý operační systém běží a může být restartován nezávisle;
  • schopnost každého operačního systému bezpečně interagovat, aby GPOS mohl z RTOS získávat data a informovat jej o optimálním nastavení.

CTL2202 MAG2 F2 PLCs Emerson Fig3OBRÁZEK 3: Obecná část skutečného okrajového řídicího prvku, jako je zde vyobrazené jádro Emerson PACEdge, musí být schopna současně hostovat různé aplikace pro sběr, ukládání, zpracování, vizualizaci a sdílení dat

Budoucnost řídicích prvků a průmyslové automatizace

Koncoví uživatelé používají spolehlivé platformy pro řízení v reálném čase již mnoho let. K tomuto požadavku se připojuje rostoucí potřeba dostupnosti dat a kybernetické bezpečnosti. Tradiční PLC/PAC/PC a některá novější okrajová řešení mohou poskytovat část toho, co koncoví uživatelé vyžadují.

Skutečnou budoucností PLC/PAC a průmyslové automatizace vůbec je široké zavedení moderního řízení s podporou okraje, což umožňují speciálně navržené okrajové řídicí prvky. Řešení postavená na obecném hardwaru nebo spoléhající se na software spotřebitelské třídy mohou v omezených případech také vyhovovat.

Spolehlivost a výkon, který moderní okrajová řešení ze své podstaty poskytují, jsou jedinou komplexní cestou ke splnění současných i budoucích potřeb průmyslových řídicích systémů.

Derek Thomas, autor článku, je viceprezident pro marketing a prodej diskrétních prvků divize řešení automatizace strojů společnosti Emerson. Upravil Chris Vavra, ředitel pro webový obsah časopisu Control Engineering, CFE Media and Technology, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript..

Control Engineering Česko

Control Engineering Česko je přední časopis o průmyslové automatizaci. Je vydáván v licenci amerického Control Engineering, které poskytuje novinky z této oblasti více než 60 let.

www.controlengcesko.com