Řídicí prvky a rozhraní poskytují pokročilé schopnosti edge computingu

Spotřebitelé dnes mnohem častěji než dříve chtějí mít mnoho nejrůznějších typů výrobků podle svých představ. Výrobci proto potřebují pokročilou automatizaci a řízení, aby je mohli instalovat na okraji a vyhovět požadavkům zákazníků. Flexibilita výroby představuje problém, protože nejlepším receptem na efektivitu a snížení nákladů je obvykle hromadná výroba a standardizace, což se však neslučuje s poptávkou spotřebitelů po výrobcích více přizpůsobených na míru.

V reakci na potřeby spotřebitelů se mnoho průmyslových odvětví obrací k řešením založeným na datech, aby zlepšilo schopnost reagovat a zvýšilo kvalitu výrobků, služeb a výroby. To vedlo k hlubší integraci výrobních systémů provozních technologií (PT) s podnikovými systémy informačních technologií (IT), k čemuž může přispět i edge computing.

Taková integrace je nezbytná nejen pro hromadné přizpůsobení, ale také pro sběr a zpracování dat pro neustálé zlepšování, kontrolu kvality a sledování. Tato data jsou rovněž základem pro prediktivní, preskriptivní a deskriptivní analýzu.

Data jsou klíčem k dynamickým změnám pro agilní výrobu a k optimalizaci provozu a spotřeby energie. Z těchto důvodů hledají průmyslové podniky co nejefektivnější způsoby, jak se spojit s cennými daty obsaženými ve výrobních systémech a dobře je využít. Jak se mohou návrháři průmyslové automatizace, zejména výrobci OEM, přizpůsobit rostoucí potřebě dat a hluboké integrace s podnikovými systémy?

Výroba produktů a také dat

Výrobní systémy samozřejmě produkují výrobky a stále častěji také data. V současnosti se generuje více dat než kdykoli v historii. Podle společnosti Domo, tvůrce infografiky „Data nikdy nespí“, se z informací získaných za posledních deset let předpokládalo, že v roce 2022 bylo celosvětově vytvořeno, zachyceno, zkopírováno a spotřebováno celkem 97 zettabajtů (ZB) dat. Průmyslová výroba je na špici, protože v ní je uloženo více dat než v jakémkoli jiném odvětví, včetně státní správy.

Aby bylo možné tyto objemy dat generovat a zpracovávat, dochází v průmyslu k masivnímu rozšíření digitální transformace a k nárůstu chytrých zařízení a technologií průmyslového internetu věcí (IIoT). Většina výrobců a výrobců OEM si uvědomuje, že data generovaná jejich řídicími a monitorovacími systémy v provozu jsou digitálním zlatem, ale pouze tehdy, pokud k nim lze snadno přistupovat a rychle s nimi pracovat.

Stejně jako existuje více zdrojů dat než dříve, existuje i více technologických možností, jak se k těmto datům připojit. Připojení, kontextualizace, přenos a zpracování velkých souborů dat může být složité a nákladné kvůli potřebné infrastruktuře a zabezpečení.

Sběr a analýza výrobních dat dříve a nyní

Pro uživatele, kteří se snaží získat přístup ke zdrojům průmyslových dat a pracovat s nimi, bylo výzvou propojení s různými cílovými zařízeními umístěnými na okraji a následný přenos a ukládání dat do míst, kde lze provádět výpočty a analýzy (obrázek 1).

Průmyslové automatizační systémy byly tradičně navrženy s programovatelnými logickými automaty (PLC) a rozhraními člověk–stroj (HMI), jež zajišťují základní řídicí a monitorovací funkce. V typickém scénáři mohou být data shromažďována prostřednictvím datového serveru OPC a kontextualizována v systému historizace dat nebo v systému průmyslového řízení a sběru dat (SCADA).

PLC, HMI/SCADA a datový sklad byly obecně odděleny od IT infrastruktury. Se zdokonalováním těchto zařízení PT a s tím i souvisejících technologií síťových a komunikačních protokolů bylo shromažďování dat jednodušší, a to až do té míry, že zařízení PT mohla více přímo komunikovat s IT systémy.

Sbližování PT a IT vedlo k dalšímu klíčovému vývoji, kterým je novější třída průmyslových řídicích a výpočetních zařízení – často nazývaná okrajový řídicí prvek. Okrajový řídicí prvek obvykle kombinuje řízení PLC v reálném čase s výpočetními a komunikačními schopnostmi PLC/SCADA pro všeobecné použití. Okrajové řídicí prvky dobře komunikují s prostředky PT a IT a umožňují také přesun úložných a výpočetních zdrojů z centrálního datového centra nebo cloudu do místa na okraji sítě, kde data vznikají (obrázek 1).

Okrajový řídicí prvek může být pro některé aplikace atraktivní, ale jedním z důsledků tohoto zařízení je, že technologická sestava se stává mnohem hlubší, takže celkové náklady a potřebná doba vývoje nemusejí být pro mnoho výrobců strojů OEM nebo menších aplikací pro koncové uživatele praktické.

Praktický přístup k datům pro okrajové řídicí prvky

Konstruktéři strojů se budou vždy primárně zaměřovat na robustní řízení v reálném čase a na praktickou vizualizaci, i když bezpečná vzdálená konektivita, přístup k datům a agilní výroba jsou stále důležitější.

V některých specializovaných případech, například u strojů s roční výrobou v řádu desítek tisíc kusů, může mít smysl vyvinout vlastní řešení řízení, výpočetní techniky a konektivity. V jiných případech může projekt podpořit náklady na okrajový řídicí prvek a související vývoj.

Skutečnost je však taková, že velkou část strojů, a dokonce i malých a středních aplikací všeobecné automatizace, snadno obslouží moderní PLC a HMI, a to i tam, kde je přístup k datům prioritou (obrázek 2).

Obrázek 2: Namísto vývoje vlastních platforem nebo předimenzovaných okrajových řídicích prvků mohou výrobci OEM a konstruktéři použít dnešní PLC k automatizaci svých zařízení a zajistit snadnou konektivitu. Zdroj AutomationDirect

Je to proto, že moderní verze těchto zařízení mají zabudované síťové funkce, funkce pro manipulaci a zpracování dat, takže mohou splňovat velkou část požadavků na přístupnost IT, ale za rozumnou cenu a s jednoduchou implementací. Podporují potřeby edge computingu, jako je vzdálené připojení a pokročilé monitorování či integrace analytiky. To se projevuje přinejmenším ve třech konkrétních aspektech moderních PLC:

1. Sítě a komunikace:Modbus, EtherNet/IP a Profinet jsou jedny z nejoblíbenějších komunikačních protokolů nebo provozních sběrnic založených na PT, které podporuje mnoho moderních PLC, a dokonce i některé starší. Až donedávna však PLC mnohem vzácněji obsahovaly protokoly, které jim umožňovaly bezproblémovou integraci s podnikovými systémy. Kromě toho nebyly šifrování, ochrana osobních údajů a další otázky kybernetické bezpečnosti buď vůbec řešeny, nebo byly přidány až dodatečně. Některé moderní PLC však zahrnují IT funkce nativně do komunikační sestavy tím, že kromě řady sběrnicových protokolů podporují OPC UA, zabezpečenou integraci s místními a podnikovými e-mailovými službami, certifikovanou integraci se službou Microsoft Azure, bezpečné rozhraní REST API a zabezpečený telemetrický přenos zpráv (MQTT) pomocí Sparkplug B (obrázek 3).
2. Kontextualizace dat:Starší PLC často obsahovaly nestrukturovaná data, která vyžadovala značné přepracování na úrovni dohledu, aby byla připravena pro použití podnikovými systémy. Moderní software PLC umožňuje návrhářům automatizace vytvořit tuto strukturu a definici jednorázově u zdroje dat a firmware PLC může vystavit datový model ke konzumaci, čímž vznikne „jediný zdroj pravdy“ pro systémy, které data konzumují.
3. Zpracování dat s nízkou latencí:Agregace dat lokálně na okraji sítě obvykle nebyla u starších PLC možná z důvodu omezené paměti a dalších výpočetních zdrojů nebo byla považována za nízkou prioritu ve srovnání s prováděním řídicího kódu. Moderní PLC vyvažují paměť a zpracování tak, aby umožňovaly lokální sběr a agregaci základních dat a zároveň upřednostňovaly provádění řídicího kódu v reálném čase. Toto předběžné zpracování je nejefektivnější, pokud se provádí na datech s nízkou latencí u zdroje, a snižuje objem síťového provozu a zpracování potřebného pro příjem a transformaci dat.

Díky moderním PLC mají nyní konstruktéři škálovatelné možnosti vývoje spolehlivé automatizace připravené na budoucnost, která se integruje s podnikovými systémy a poskytuje funkce edge computingu.

Obrázek 3: Možnosti edge computingu vyžadují integraci na více úrovních. PLC AutomationDirect BRX může komunikovat s celou řadou zařízení PT pomocí populárních průmyslových sběrnic a může komunikovat s IT systémy vyšší úrovně pomocí mnoha různých metod. Zdroj AutomationDirect

PLC jdou nad rámec základní automatizace

Návrháři průmyslové automatizace, zejména výrobci OEM, usilují o standardizovaná řešení, aby usnadnili vývoj, provoz a údržbu zařízení. Někteří vývojáři se však mohou obávat investovat do standardizovaného řešení, které by mohlo omezit inovace při rozšiřování jejich sortimentu a potřeb.

Moderní PLC a HMI mohou tyto problémy řešit, protože pomáhají zajistit spolehlivou celkovou funkčnost se schopností vykonávat základní úlohy nyní a zároveň provádět pokročilejší výpočty v budoucnosti.

Uživatelé mohou tento typ okrajové technologie implementovat již dnes a zajistit tak správně dimenzovanou a nákladově efektivní automatizaci s využitím známých platforem, přičemž si mohou podle potřeby nechat otevřená vrátka pro vytváření pokročilejších aplikací, jako jsou například funkce edge computingu. Platformy vyšší úrovně IIoT, cloud computing, a dokonce i sofistikované strategie, jako je strojové učení (ML), mohou nyní přímo a bezpečně komunikovat s digitálními aktivy PT, aniž by vyžadovaly složité zprostředkovací kroky.

Tento odvážný nový svět PLC a HMI poskytuje návrhářům možnosti řízení v reálném čase, které nyní potřebují, a zároveň přidává funkce pro zpracování dat a přístup k nim. Bohaté výpočetní zdroje v těchto zařízeních také poskytují platformy pro řešení budoucích potřeb, a to jak očekávaných, tak neočekávaných.

Autorem článku je Damon Purvis, produktový manažer pro PLC ve společnosti AutomationDirect.com. 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..