Przyszłość automatyki przemysłowej leży w prawdziwych kontrolerach brzegowych, które łączą funkcjonalność programowalnego sterownika logicznego / programowalnego sterownika automatyki (PLC / PAC) z obliczeniami ogólnego przeznaczenia, aby zapewnić responsywną analizę brzegową i reakcję w czasie rzeczywistym na spostrzeżenia.
Kluczowe punkty
Sterowniki Edge potrafią więcej niż tradycyjne programowalne sterowniki logiczne lub programowalne sterowniki automatyki (PLC/PAC).
Właściwy projekt sterowania/obliczania krawędzi powinien umożliwiać ewolucję aspektów deterministycznych i ogólnego przeznaczenia.
Kontrolery Edge mogą poprawić stan maszyn, aplikacje nadzorcze i optymalizację zużycia energii.
Użytkownicy i projektanci automatyki przemysłowej doświadczyli znacznego zainteresowania tym, co określa się mianem “krawędzi”. Technologie brzegowe są często uważane za obejmujące sprzęt i oprogramowanie znajdujące się w pobliżu maszyn i czujników, z których pochodzą dane. Mogą one wykonywać pewne obliczenia, a nawet zadania optymalizacji sterowania, a także przesyłać dane do systemów wyższego poziomu i opartych na chmurze. Dostęp do rosnącej ilości dostępnych danych i działanie na podstawie uzyskanych informacji jest niezbędne i cenne dla usprawnienia operacji. Urządzenia brzegowe, które łączą funkcjonalność programowalnych sterowników logicznych (PLC) i programowalnych sterowników automatyki (PAC), zapewniają te funkcje.
Z wysokopoziomowego punktu widzenia może się wydawać, że istnieje wiele satysfakcjonujących opcji wykonywania tego typu zadań. Osiągnięcie niezawodności na poziomie przemysłowym przy jednoczesnym zapewnieniu zaawansowanych możliwości obliczeniowych jest jednak poważnym wyzwaniem, które zawęża zakres wyboru. Potrzeba ta dotyczy nie tylko umożliwienia sprawnego przepływu danych do chmury. Obejmuje ona również przepływ technologii informacyjnej (IT) i mocy obliczeniowej w dół do przestrzeni technologii operacyjnej (OT), w której przeprowadzana jest kontrola, oraz możliwość generowania wyników analitycznych na brzegu sieci.
Weźmy nowoczesny samochód, który wykorzystuje zautomatyzowany sprzęt i oprogramowanie. Kierowcy potrzebują niezawodnych systemów zarządzania układem napędowym, podczas gdy systemy drugorzędne, takie jak nawigacja w desce rozdzielczej, są uważane za ważne, ale mniej krytyczne i częściej wymagają aktualizacji.
Czy możliwy jest porównywalny model dla aplikacji automatyki przemysłowej, łączący kontrolę niezawodności z możliwością wykonywania zaawansowanych obliczeń wspomagających (rysunek 1)? Wszelkie projekty zbudowane w oparciu o nieodpowiednio uprzemysłowione technologie lub implementacje mogą zagrozić niezawodności, więc istnieją poważne wyzwania.
Dostępne są zoptymalizowane opcje sprzętowe i programowe zapewniające niezawodną automatyzację w czasie rzeczywistym w połączeniu z możliwościami komunikacyjnymi i obliczeniowymi na brzegu sieci. Niniejszy artykuł opisuje, na co powinni zwrócić uwagę projektanci oceniający tego typu przyszłościowe rozwiązania brzegowe.
Kontrolery i komputery do zastosowań przemysłowych
Wiele sterowników i komponentów obliczeniowych jest reklamowanych jako odpowiednie do zastosowań przemysłowych, ale ważne jest, aby zrozumieć pewne różnice i podstawowe szczegóły konstrukcyjne, aby użytkownicy mogli upewnić się, że otrzymują to, czego oczekują. Niektóre produkty wykorzystują architekturę PC z wirtualizacją oprogramowania i emulowanym środowiskiem wykonawczym sterowania i mogą nie być wystarczająco wytrzymałe, aby sprostać wymaganiom zastosowań przemysłowych. Inne produkty wykorzystują dwa oddzielne procesory w celu uzyskania możliwości sterowania i obliczeń ogólnego przeznaczenia, co jest kosztowne.
Dwa terminy projektowe są często kojarzone z implementacjami brzegowymi: niezależne od sprzętu i definiowane programowo.
Niezależne od sprzętu implementacje edge obejmują oprogramowanie przeznaczone do uruchamiania na dowolnej przemysłowej platformie sprzętowej. Taka elastyczność może być wygodna, ale zwykle wiąże się z pewnym poziomem poświęcenia lub ryzyka. Na przykład, mogą występować ezoteryczne niezgodności lub brak gwarancji dotyczących determinizmu, kompatybilności lub wydajności, a przestoje są zwykle konieczne w przypadku niektórych aktualizacji. Niezależność sprzętowa jest w dużej mierze modelem klasy konsumenckiej, ale jest oferowana dla niektórych rodzajów zastosowań przemysłowych.
Implementacje definiowane programowo są bardziej rygorystycznie testowane, aby zapewnić deterministyczną wydajność niezbędną do niezawodnego, powtarzalnego i bezpiecznego sterowania i obliczeń. Ma to kluczowe znaczenie dla przemysłowych aplikacji sterujących, ale często wymaga dostosowanego sprzętu.
Podczas gdy rozwiązania obliczeniowe ogólnego przeznaczenia mogą być odpowiednie do zastosowań niezwiązanych ze sterowaniem, większość sytuacji związanych ze sterowaniem przemysłowym wymaga czegoś więcej. Przez wiele lat w projektach automatyki przemysłowej wykorzystywano sterowniki PLC, a ostatnio także sterowniki PAC, w celu zapewnienia deterministycznego sterowania.
Sterowniki PLC/PAC mają jednak dość ograniczone możliwości w zakresie zapewniania obliczeń brzegowych ogólnego przeznaczenia. Zwykle brakuje im mocy obliczeniowej, pamięci i pamięci masowej wymaganej do uruchamiania nowoczesnych aplikacji analitycznych lub wizualizacyjnych, zwykle dostępnych w systemach operacyjnych Microsoft Windows i Linux. Przemysłowe komputery PC (IPC) mogą zapewnić pożądaną funkcjonalność i wydajność ogólnego przeznaczenia, ale często brakuje im niezawodności wymaganej do działania w czasie rzeczywistym, gdy są obciążone oprogramowaniem innych firm, a ich żywotność często wynosi pięć lat lub mniej.
Połączone rozwiązanie byłoby idealne, ale projekt niezależny od sprzętu nie może zapewnić niezbędnych gwarancji wydajności w aplikacjach deterministycznych i niedeterministycznych. Tylko projekty definiowane programowo, wdrażane na zweryfikowanym sprzęcie, mogą zapewnić wydajność wymaganą do operacji o znaczeniu krytycznym, jednocześnie umożliwiając równoległą pracę analityki i uczenia maszynowego.
Niezawodność Edge Computing, która może ewoluować
Na rynku dostępnych jest kilka niezależnych sprzętowo rozwiązań edge computing, które nadają się do pewnych form gromadzenia, analizy i wizualizacji danych. Jednak rozwiązania klasy komercyjnej mogą doświadczać usterek, które nie są akceptowalne w zastosowaniach przemysłowych. Gdy użytkownicy końcowi potrzebują wydajności w czasie zbliżonym do rzeczywistego dla systemów, które wymagają ciągłego działania i nie mogą zaakceptować nawet krótkich przestojów w celu zapewnienia bezpieczeństwa lub innych aktualizacji, potrzebne jest lepsze rozwiązanie.
Ulepszone dane i funkcje analityczne działają na dynamicznych danych, więc obliczenia te są najbardziej efektywne, gdy są wykonywane blisko źródła, na przykład w sterowniku PLC. Szybkie sterowanie w połączeniu z obliczeniami krawędziowymi stanowi propozycję wartości wyższego poziomu niż obliczenia krawędziowe same w sobie. Wynika to z faktu, że dane o niskim opóźnieniu mogą być gromadzone i analizowane w czasie rzeczywistym. Uzyskane w ten sposób spostrzeżenia można wprowadzić w życie bez angażowania operatorów lub zawodnych interfejsów wielosystemowych. Zaawansowane zadania, takie jak uczenie maszynowe (ML), zależą od dostępu do danych i obliczeń zlokalizowanych na brzegu sieci.
Właściwy projekt kontroli brzegowej/obliczeń powinien pozwolić deterministycznym i ogólnym aspektom kontroli brzegowej i obliczeń ewoluować w ich własnej przestrzeni i we własnym tempie. Prawdziwa kontrola brzegowa może zaspokoić potrzeby użytkowników końcowych, gdy jest odpowiednio zaprojektowana.
Cztery charakterystyki kontrolera krawędzi
Aby prawidłowo połączyć deterministyczną kontrolę i obliczenia analityczne na brzegu sieci, potrzebna jest nowa klasa sprzętu (rysunek 2), zwłaszcza jeśli ma on odpowiednie właściwości:
- Deterministyczny system operacyjny czasu rzeczywistego (RTOS) do sterowania, który rzadko wymaga aktualizacji.
- System operacyjny ogólnego przeznaczenia (GPOS) do obliczeń, który można dowolnie aktualizować w celu dodania funkcji, takich jak nowe aplikacje lub algorytmy uczenia maszynowego, lub w celu zapewnienia aktualizacji zabezpieczeń.
- Wirtualizacja sprzętu w celu zapewnienia współzależności RTOS i GPOS, dzięki czemu każdy system operacyjny działa, a nawet może zostać ponownie uruchomiony niezależnie od drugiego.
- Zdolność dwóch systemów operacyjnych do bezpiecznej interakcji, dzięki czemu GPOS może uzyskiwać dane z RTOS, a GPOS może informować RTOS o optymalnych ustawieniach.
Prawdziwy kontroler brzegowy nie może zostać stworzony poprzez uruchomienie dowolnego typu oprogramowania na dowolnym ogólnym sprzęcie. Zamiast tego, specjalnie zbudowany sprzęt zarządzany za pomocą hiperwizowanego systemu organizuje jedną część sprzętu przeznaczoną do uruchamiania RTOS, a drugą do uruchamiania GPOS.
Podczas gdy RTOS jest pod pewnymi względami wymagający pod względem taktowania, funkcje deterministyczne są wykonywane przez nowoczesny sprzęt w starannie zaprojektowanym kontrolerze brzegowym. Kluczem jest zapewnienie, że funkcje GPOS nie będą w ogóle kolidować z RTOS, poza specjalnie wyznaczoną bezpieczną komunikacją.
Do krawędzi i dalej z kontrolerami przemysłowymi
Kolejne pytanie brzmi: co można zrobić z kontrolerem krawędziowym klasy przemysłowej?
W najprostszym przypadku kontroler brzegowy działa tak samo jak sterownik PLC/PAC w aplikacjach sterowania. Działa ze standardowymi przemysłowymi wejściami/wyjściami i obsługuje standardowe, otwarte protokoły komunikacyjne. Kontroler brzegowy może być również wykorzystywany do gromadzenia i przechowywania danych ze sterowników PLC/PAC i innych czujników OT oraz źródeł danych, przetwarzania i analizowania tych danych, a następnie wizualizacji lub udostępniania ich aplikacjom klienckim i/lub systemom IT wyższego poziomu, takim jak komputer PC (rysunek 3). Jednak większość użytkowników nie zdecydowałaby się na wdrożenie tak wydajnego kontrolera brzegowego tylko dla jednego z tych dedykowanych celów, gdy wystarczyłby standardowy sterownik PLC/PAC lub IPC.
Prawdziwy kontroler brzegowy może spełniać te role. To jest właśnie przyszłość przemysłowych systemów sterowania (ICS) – sprzęt/oprogramowanie kontrolera brzegowego zdolne do projekcji funkcjonalności IT do środowiska OT w niezawodny sposób.
Kontroler Edge vs. sterowniki PLC, PAC, IPC: 3 zalety
Proszę wziąć pod uwagę te trzy przykłady, w których prawdziwy kontroler brzegowy wyróżnia się w porównaniu z tradycyjnymi sterownikami PLC/PAC i IPC:
- Aplikacje nadzorcze: sterownik brzegowy zintegrowany z wieloma maszynami sterowanymi za pomocą sterowników PLC zapewnia korzyść w postaci koordynacji/synchronizacji poszczególnych zasobów przy jednoczesnym dostępie do danych i logiki, dzięki czemu użytkownicy mogą również zoptymalizować wydajność linii. Na przykład, jeśli maszyna niższego szczebla napotyka problemy, prędkość maszyny wyższego szczebla może zostać spowolniona, aby zapobiec przeciążeniu. Lub, jeśli produkt wykazuje negatywne tendencje w zakresie parametru jakości, operacja wyższego szczebla może zostać dostosowana w czasie rzeczywistym w celu kompensacji.
- Kondycja maszyny: kontroler krawędziowy pozwala maszynie na proaktywne śledzenie cykli, alarmów, wskaźników jakości i nie tylko. Znając stan różnych komponentów, maszyna może aktywnie kompensować zużycie lub inne problemy bez interwencji człowieka. Pozwala to również operatorowi na bezpośredni dostęp do informacji, a nawet wyświetlanie ich na lokalnym interfejsie HMI wraz ze standardowymi funkcjami operacyjnymi maszyny.
- Optymalizacja zużycia energii: kontroler brzegowy może aktywnie śledzić zużycie energii pod kątem wzrostów, anomalii lub innych problemów i wysyłać alerty, a nawet proaktywnie wprowadzać zmiany. Mając dostęp do cen energii lub innych istotnych danych, urządzenie można zaprogramować tak, aby dokonywało korekt (niższe stawki, niższe temperatury itp.), a nawet przestawało działać w czasie, gdy jego utrzymanie może być najbardziej kosztowne.
Przyszłość sterowników i automatyki przemysłowej
Użytkownicy końcowi od wielu lat korzystają z niezawodnych platform sterowania w czasie rzeczywistym. Do tego wymogu dołączyła rosnąca potrzeba dostępności danych i cyberbezpieczeństwa. Tradycyjne sterowniki PLC/PAC/PC i niektóre nowsze rozwiązania brzegowe mogą zapewnić część tego, czego wymagają użytkownicy końcowi.
Prawdziwą przyszłością sterowników PLC/PAC, a nawet automatyki przemysłowej, jest powszechne przyjęcie nowoczesnego sterowania brzegowego, możliwego dzięki specjalnie zaprojektowanym kontrolerom brzegowym. Rozwiązania oparte na ogólnym sprzęcie lub oprogramowaniu klasy konsumenckiej mogą być satysfakcjonujące w ograniczonych przypadkach.
Jednak niezawodność i wydajność zlokalizowana na krawędziach dostarczana przez nowoczesne rozwiązania brzegowe jest jedyną kompletną odpowiedzią na obecne i przyszłe potrzeby przemysłowych systemów sterowania.
Derek Thomas jest wiceprezesem ds. marketingu i sprzedaży dyskretnej w dziale rozwiązań automatyzacji maszyn firmy Emerson.