Vyhodnocování příležitostí na okraji sítě pro průmyslovou automatizaci

Není žádným tajemstvím, že technologické inovace aplikované ve výrobním a procesním průmyslu byly dlouho vnímány jako zaostávající za těmi, které byly vyvinuty pro spotřebitelské produkty. Do značné míry to bylo dáno cílovým prostředím, protože kritický význam chování automatizačních a řídicích systémů v průmyslových aplikacích převažuje nad aspekty komfortu a možností, které preferují typičtí spotřebitelé. Edge computing a další pokročilé automatizační funkce aplikované na okraji přispívají k digitální transformaci výrobců.

V posledních letech uživatelé více vnímají rostoucí rozmanitost dostupného automatizačního hardwaru a softwaru. Rozvíjející se technologie a flexibilnější architektury sice obecně usnadňují návrhářům aplikaci digitální transformace na stávající i nové řídicí a monitorovací systémy provozních technologií (PT), ale šíře možností volby může znepřehlednit cestu k výběru nejvhodnější varianty, což někdy vede k jednorázovým a neopakovatelným implementacím.

Koncoví uživatelé, výrobci originálního vybavení (OEM) a systémoví integrátoři (SI), kteří je podporují, zkoumají příležitosti pro okraj sítě ve výrobních závodech a zařízeních a kladou si tyto otázky:

• Jaké praktické přínosy představují technologie edge computingu a průmyslového internetu věcí (IIoT)?
• Jak mohou společnosti začít modernizovat starší systémy a zavádět nové projekty a zároveň zajistit zachování investic a připravenost pracovního prostředí na budoucnost?
• Jaký je nejlepší způsob řešení obav o kybernetickou bezpečnost vzhledem k množství nezbytných připojení k informačním technologiím (IT)?

Prvním krokem k zodpovězení těchto otázek je pochopit, čeho lze dosáhnout pomocí automatizace na okraji sítě, a vypracovat racionální přístup k digitální transformaci.

Výhody přechodu z průmyslového edge computingu na cloud computing

Aplikace průmyslového edge computingu jsou stále rozšířenější ne proto, že by byly módní, ale proto, že jsou nezbytné pro přístup k datům. Uživatelé si uvědomují množství – a hodnotu – dat ve svých automatizačních systémech, která mohou být nevyužita z důvodu fyzické izolace, nedostatečné integrace a neprovedení digitalizace.

Technologie pro okraj sítě umožňují tato data uvolnit zajištěním přístupu k nim, poskytováním poznatků na místě nebo jejich přenosem v rámci závodu nebo do cloudu pro rozsáhlejší analýzu, která povede k dalším využitelným poznatkům. Zachycení dat však nestačí. Analytika je nezbytná pro získání významných poznatků o tom, jak zvýšit efektivitu, bezpečnost a dobu provozuschopnosti (obrázek 1).

Typy zařízení pro okraj sítě v průmyslu přesahují rámec edge computingu

Okraj sítě tvoří mnoho různých zařízení, jako jsou (obrázek 2):

• inteligentní senzory a chytřejší síťová provozní zařízení;
• brány a další malé výpočetní prvky instalované nad staršími a stávajícími systémy;
• PLC pro deterministické řízení s moderní konektivitou;
• okrajové řídicí prvky poskytující deterministické řízení v kombinaci s analýzou na okraji;
• průmyslové počítače, které mohou provádět rozsáhlejší komunikaci a analytické výpočty v blízkosti okraje;
• rozhraní HMI na pracovišti a vzdálená/mobilní rozhraní HMI;
• softwarové platformy k propojení okraje sítě v rámci výrobního závodu až do cloudu a všeho, co je mezi nimi. 

Výběr technologií, které splňují současné i budoucí potřeby, může být pro návrháře automatizace náročný, protože existuje řada možností.

Obrázek 2: Portfolio společnosti Emerson v oblasti automatizace a edge se skládá z pečlivě sladěné řady hardwaru a softwaru, což vývojářům pomáhá soustředit se na aplikace namísto integrace, takže mohou rychle a spolehlivě vytvářet všechny typy řešení. Zdroj Emerson

Průmyslová automatizace: Vhodnost pro daný účel a připravenost na budoucnost

Hlavním cílem návrháře průmyslové automatizace je zajistit bezpečné a efektivní zařízení. Stejně důležitý se však stává i přístup k bohatým informacím obsaženým v zařízení a jejich využití, což znamená, že návrháři musejí hledat i jiné než tradiční automatizační prvky.

Někteří uživatelé nemusejí být připraveni plně se ponořit do implementací edge computingu. Důležité a pragmatické je však od počátku přidávat nebo zabudovávat škálovatelné okrajové technologie, aby byly systémy připraveny poskytovat výhody IIoT, jakmile budou uživatelé připraveni. Když vývojáři zkoumají možnosti, najdou mnoho dodavatelů, z nichž někteří poskytují komerční technologie, nikoli okrajové technologie průmyslové třídy.

Bohužel sestavení hardwaru a softwaru z různých zdrojů do uceleného systému vyžaduje značné úsilí v oblasti výzkumu a testování, což s sebou nese další rizika. Mezi hlavní problémy spojené s vytvářením vlastních implementací okrajových systémů patří omezený výkon, nedostatečná škálovatelnost, nejistá budoucí podpora a nedostatečné kybernetické zabezpečení.

Na druhou stranu, vzhledem k nesčetným možným případům použití automatizace a implementace na okraji sítě dnes nikdo nemůže reálně očekávat, že si pořídí balíček „vše v jednom“, který bude přesně přizpůsoben konkrétním potřebám a bude vyžadovat jen několik kliknutí po vybalení z krabice.

Prvky okrajových automatizačních platforem

Místo toho se uživatelé snaží urychlit své úsilí tím, že najdou komplexní automatizační a okrajové platformy s následujícími devíti funkcemi:

• hardware, který je integrovaný a úzce koordinovaný se softwarem;
• škálovatelnost a flexibilita na různých úrovních řízení a výpočetních schopností;
• dostupnost balíčků hardwarových/softwarových řešení pro běžné případy použití;
• snadno použitelné softwarové moduly pro základní úkoly, jako je štíhlá výroba a sledování spotřeby energie;
• konzistentní vývojové prostředí, které nebude vyžadovat přepracování při rozšiřování řešení;
• podpora široké škály protokolů a programovacích jazyků s rozsáhlými funkcemi knihoven;
• škálovatelnost od jednoho stroje po celý výrobní závod.

Vzhledem k velmi různorodým aplikacím a potřebám jsou portfolia produktů, které tyto schopnosti prokazatelně poskytují, velkým přínosem pro návrháře a vývojáře průmyslové automatizace. Na tomto příkladu z jednoho projektu si ukážeme, jak to funguje v praxi. 

Monitorování plošiny pro CIP/SIP

Procesy čištění CIP (Clean In Place) a SIP (Sanitize In Place) se používají v potravinářství, nápojářství, biologických vědách a dalších výrobních a produkčních aplikacích. Čištění CIP/SIP používá vodu (často při vysokých teplotách) a chemikálie, včetně žíravin a kyselin, k vymývání pevných instalací potrubí, ventilů, nádob a zařízení, aby se zajistilo vyčištění, dezinfekce a sterilizace systému. Správně fungující systémy čištění CIP/SIP eliminují křížovou kontaminaci mezi jednotlivými šaržemi a zajišťují dodržování hygienických předpisů, aby se udržela kvalita výrobků a snížila rizika pro spotřebitele.

I správně fungující systém CIP/SIP může spotřebovávat velké množství zdrojů závodu. V některých případech se spotřebovává téměř 30 % všech zdrojů, jako jsou voda, pára, elektřina a chemikálie. Nesprávně řízené procesy CIP/SIP mohou běžet příliš dlouho a vést k plýtvání těmito zdroji. Neefektivní řešení mohou také zvyšovat potřebu pracovních sil a způsobovat prostoje ve výrobě při přechodech na jiný produkt.

V jiných případech může velké množství manuálních kroků v těchto procesech vést k systémovým a lidským chybám. Z těchto a dalších důvodů se mnoho firem odklání od manuálních systémů CIP/SIP a přechází k plně automatizovaným systémům, jež využívají průmyslové senzory, analyzátory, ventily, řídicí jednotky motorů, PLC a HMI, které pomáhají zajistit hladký provoz.

Ještě většího přínosu lze dosáhnout vybudováním automatizačních systémů CIP/SIP s technologiemi edge computingu pro úplnou optimalizaci. Patří mezi ně automatické provozní reportování, ověřování konzistentních hygienických standardů, signalizace odchylek a snaha o dosažení nejlepších „zlatých cyklů“ analýzou a jednáním na základě poznatků s cílem minimalizovat provozní čas a spotřebu médií.

I když si někteří integrátoři CIP/SIP již vypracovali vlastní řešení edge computingu od základu, nyní mohou ušetřit čas a peníze výběrem kompletního řešení od dodavatele. Tato řešení jsou postavena na portfoliu koordinovaných produktů připravených pro okraj sítě, které již vyhovují potřebám průmyslu.

Software a řídicí prvek s podporou okrajových technologií snižují spotřebu vody o 30 %

Řešení pro analýzu CIP lze dodatečně instalovat na stávající plošiny pro čištění CIP/SIP nebo zabudovat do nových instalací. Toto řešení funguje s tradičními nebo chytrými přístroji, jako jsou převodníky tlaku/průtoku/teploty a analyzátory vodivosti. Integruje se také s chytrými ventily a solenoidovými armaturami, které monitorují provoz a výkon.

Toto řešení využívá softwarovou platformu s podporou edge. Může běžet na okrajovém řídicím prvku nebo průmyslovém počítači (IPC) a využívá komunikační standardy a protokoly IT a PT. Použití osvědčené a interoperabilní platformy přináší uživatelům výhody rychlého zavedení a široké nabídky funkcí (obrázek 3).

Obrázek 3: Emerson CIP Analytics je řešení založené na okrajových řídicích prvcích Emerson PACSystems a průmyslových počítačích s využitím softwaru Emerson PACEdge. Je ukázkovým příkladem toho, jak koordinované portfolio automatizačního a okrajového hardwaru/softwaru přináší rychlé výsledky s nízkým rizikem. Zdroj Emerson

Řešení pro analýzu CIP umožňuje operátorům a technikům vizualizovat a monitorovat výkon, provádět srovnávací analýzy a vytvářet zprávy o spotřebě energie. Na základě údajů z modelování bylo zjištěno, že řešení může v průměru umožnit snížení spotřeby vody o více než 30 % a zároveň ušetřit až 20 % času, který byl dříve věnován správě manuálních a poloautomatických systémů, a optimalizovat tak provozní výkon a efektivitu.

Okraj sítě jako příležitost ke zlepšení automatizace, analytika dat

Koncoví uživatelé, OEM a SI využívají řešení pro okraj sítě ke zlepšení automatizačních systémů s flexibilním přístupem k datům a jejich analýze. Okrajové technologie jsou pro zajištění těchto schopností nezbytné, ale existuje tolik možností, že může být obtížné z takového množství s jistotou vybrat.

Řešením je vybrat osvědčenou a sladěnou hardwarovou a softwarovou platformu, která umožní soustředit se na vývoj aplikace, nikoli na integraci. Tento přístup přináší rychlý a spolehlivý způsob vytváření celkové hodnoty.

Uživatelé by měli hledat portfolio, které zahrnuje deterministické řízení, výpočetní technologie na okraji, vizualizaci, analytiku a připojení k webu a cloudu. Tento základ umožní návrhářům postupovat s vědomím, že minimalizují nároky na návrh, maximalizují opakovanou použitelnost své práce a zároveň zajišťují flexibilitu a připravenost průmyslových aplikací na budoucnost.

Autorkou článk uje Nishita Palkarová, působí jako ředitelka portfolia průmyslových počítačů PACSystems ve 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..