Nestlé operuje na hraně cloudu

Nestlé operuje na hraně cloudu

Edge architektura v průmyslovém IoT

„Průmyslový internet věcí umožní takovou efektivitu výroby, že to povede ke čtvrté průmyslové revoluci.“ To je příslib, který láká mnohé výrobní podniky. Současně jim přináší řadu možností, jak se vypořádat s příchodem nových obchodních modelů založených na internetu. Rostoucí rozmanitost produktů vyráběných ve stále menších sériích totiž zvyšuje tlak na ekonomický provoz výrobních linek. Kromě nových strojů nabitých nejnovější technologií je důležité umět využít i stávajících zařízení a síťové infrastruktury. To vše umožní vhodná IoT architektura. 

Konektivita je základ

Konektivita není konečným cílem a sama o sobě žádnou konkrétní výhodu nepřináší. Proč je tedy tak důležité, aby mezi sebou zařízení vzájemně komunikovala? Konektivita je totiž významným a nezbytným základem pro princip fungování IoT a ten ve výsledku umožňuje, jednoduše řečeno, vytěžit z průmyslové výroby maximum.

Aby spolu mohly stroje a zařízení různých výrobců snadno komunikovat, je vhodné použít otevřené a standardizované komunikační protokoly. Snadno implementovatelný a výkonově nenáročný protokol MQTT a robustní protokol pro náročné aplikace AMQP dokážou spolehlivě přenést velké objemy dat do cloudu i v případě dočasných výpadků spojení. Protokol OPC UA, který se hojně používá jak v IT, tak i v řídicích systémech, je otevřený a standardizovaný a je proto vhodný pro komunikaci strojů s řídicími systémy různých výrobců. Rodící se standard TSN dokonce slibuje proniknutí protokolu OPC UA do úrovní reálného času. Jednotná komunikace zaručeně ulehčí práci při propojování různorodých zařízení a při implementaci IoT do průmyslové výroby. 

Sběr dat a jejich analýza

Průmyslový IoT využívá konektivitu ke sběru velkého objemu dat z výroby. Na základě jejich analýzy pak můžeme optimalizovat využití výrobních zařízení, tedy celou výrobu. Můžeme přitom získat mnohem více informací než jen pouhé alarmy a notifikace. Uživatelé stroje mohou předem obdržet varování, že daná komponenta vykazuje známky opotřebení, či informaci, za jak dlouhou dobu dojde k poruše. Při zpracování a archivaci skutečně velkého objemu dat se zpravidla používají cloudová řešení, která umožnují analýzu dat nejen v rámci jednoho stroje nebo výrobní linky, ale i několika strojů nebo výrobních podniků po celém světě.

Edge architektura

V klasické pyramidové struktuře probíhá sběr dat ze spodní provozní vrstvy nahoru přes všechny ostatní vrstvy. Data putují přes různá rozhraní, převodníky a rozličné protokoly.

Naopak myšlenkou IoT je vše zjednodušit, zbavit se různorodých převodníků a jiných překážek. V IoT putují data z výroby do cloudu přes tzv. Edge zařízení. Edge vrstva neboli vrstva „na hranici továrny“ je tvořena posledním zařízením v síti, které již dále komunikuje přímo s cloudem. 

Kromě toho, že Edge sbírá a posílá data přímo do cloudu, umožňuje také jejich zpracování blízko jejich zdroje. Tím jednak sníží objem dat, která do cloudu proudí a ulevují tak datové lince, a současně optimalizuje požadavky na výpočetní systém cloudu, čímž zredukuje náklady na cloudová řešení.

Například vibrodiagnostika generuje obrovské množství dat v reálném čase. Bylo by nákladné všechna tato data v reálném čase posílat a analyzovat v cloudu. Pokud má probíhat zpracování vibračních dat v reálném čase, je výhodnější tato data analyzovat přímo v senzoru nebo v Edge zařízení.

Cílem IoT je mít možnost přímého připojení do cloudu ze všech podnikových vrstev. To nám nabídne právě Edge architektura. 

Tři úrovně Edge zařízení

Data z provozní vrstvy je možné do cloudu dopravit různými způsoby. Podle typu konkrétní aplikace a množství přenášených dat lze Edge zařízení rozdělit do tří úrovní.

Edge Connect zajišťuje připojení senzorů a akčních členů. Fyzicky je tvořen jednotkou pro připojení I/O modulů, která obsahuje integrovaný OPC UA server. Jakýkoli OPC UA klient, jako například řídicí systém, SCADA, ERP systém nebo cloudová služba, se může k jednotce Edge Connect připojit a data senzorů a akčních členů číst přímo z jejího OPC UA serveru.

Edge Embedded zajišťuje připojení strojů a zařízení. Kromě konektivity a zabezpečení komunikace dokáže také předzpracovat větší objemy dat a snížit tak zátěž sítě a náklady na cloudová řešení. Může být tvořen standardním PLC a softwarem, který nabízí funkce pro předzpracování dat.

Edge Controller zajišťuje připojení celých linek a výrobních podniků. Nabízí navíc lokální archivaci dat, systémy business intelligence nebo základní úrovně strojového učení. Může být tvořen výkonným průmyslovým PC spolu se silnými softwarovými nástroji. 

Orange Box

Příkladem produktu založeného na platformě Edge Embedded je řešení s názvem Orange Box od firmy B&R, které mění staré provozovny „brownfields“ na inteligentní továrny. Orange Box umožňuje jednoduše připojit i dříve nepřipojitelná starší zařízení a sbírat z nich procesní data, a to bez jakékoli změny v původním hardwaru nebo softwaru. Orange Box obsahuje integrované a předpřipravené aplikace, které nabízejí kromě základních funkcí (třeba OEE) také sledování energetické spotřeby, stavu komponent atd. Je jen na uživateli, jaké aplikace si zvolí. HMI zajišťuje webová vizualizace mappView, kterou lze zobrazit na jakémkoli prohlížeči. Veškerá data lze také získat přes protokol OPC UA. Jejich další zpracování umožní zefektivnit chod takto připojeného zařízení a učinit jeho provoz konkurenceschopnějším.

Orange Box je úspěšně implementovaný v prostředí „brownfield“ firmy Nestlé, kde pomáhá sledovat cíle celkové efektivnosti zařízení a termíny jejich dosažení. „Dalším klíčovým aspektem je energetická účinnost. Když se linka často rozjíždí a zastavuje, zvyšuje se spotřeba energie. Zároveň trpí kvalita výrobků v důsledku odpadu, který vzniká při spouštění nebo vypínání stroje,“ tvrdí Ralf Hagen, E&A engineering manažer Nestlé v Německu. 

Přínosy

Díky konceptu IoT můžeme optimalizovat průmyslovou výrobu a maximálně využít potenciál výrobních zařízení, a to nejen nových, ale i těch stávajících. Pro samotnou realizaci IoT v průmyslovém prostředí je Edge Architektura tou správnou volbou, protože díky otevřeným protokolům, jako je OPC UA, umožňuje hladce připojit nová i starší zařízení a zásluhou zpracování dat blízko jejich zdroje dokáže snížit zatížení sítě a náklady na cloudová řešení.