Użytkownicy końcowi mówią głośno o potrzebie posiadania otwartych systemów, a dostawcy automatyki odpowiadają na to dostarczaniem systemów zgodnych z międzynarodowymi standardami.
Japońskie Ministerstwo Gospodarki, Handlu i Przemysłu opublikowało niedawno raport na temat transformacji cyfrowej (DX) zatytułowany: „Przezwyciężenie problemów IT roku 2025 i główny rozwój DX”, który wskazał przestarzałe systemy informatyczne (IT) jako główną przeszkodę utrudniającą transformację. Przeszkody związane ze starszymi systemami nie ograniczają się do systemów IT; starsze systemy automatyki i monitorowania również są problematyczne. Raport przewidywał różne problemy, takie jak powstawanie „czarnych skrzynek” z powodu przestarzałości technologicznej, odejścia na emeryturę projektantów systemów oraz inne ograniczenia związane z wprowadzaniem nowych technologii. (Zastosowanie „czarnej skrzynki” z zastrzeżonym sprzętem i oprogramowaniem wewnątrz może tymczasowo rozwiązać kilka problemów, ale może stworzyć plątaninę niekompatybilnych technologii). Po wprowadzeniu systemów automatyki oczekuje się, że pozostaną one w ciągłym użyciu przez 20 lub 30 lat, co utrudnia ich modernizację lub wymianę. Biorąc pod uwagę te okoliczności, zadanie dostawcy systemu automatyki lub rozproszonego systemu sterowania (DCS) może być postrzegane jako dostarczanie najnowszej technologii bez ryzyka zakłócenia operacji, co wymaga bardziej otwartych systemów. W świecie dzisiejszych technologii otwartość oznacza standaryzację specyfikacji i projektowania oraz wynikającą z tego eliminację niestandardowej integracji poprzez wykorzystanie standardowych i otwartych interfejsów. W przypadku zarówno zamkniętej, jak i częściowo otwartej automatyki dostawcy DCS często spełniali oczekiwania użytkowników końcowych poprzez integrację zastrzeżonych produktów w kompletne systemy. Sprzedawcy kładli nacisk na zróżnicowanie cech, jednocześnie rozwijając produkty w celu uzyskania spójnej i stabilnej wydajności. Przez cały czas systemy te stopniowo dostosowywały się do standardów międzynarodowych, często wykorzystując istniejącą komercyjną technologię „z półki”, aby sprostać wymaganiom rynku. Do tej pory ewolucja ta postępowała nie tylko dzięki własnemu rozwojowi, ale także dzięki wykorzystaniu dostępnych na rynku produktów ogólnego przeznaczenia. Aby uzyskać przewagę, producenci uczestniczyli w opracowywaniu standardów i przejmowali inne firmy. W celu zapewnienia korzyści dla użytkowników końcowych pojawiła się walka o wzmocnienie pozycji rynkowej i portfolio produktów. Jednocześnie niektóre funkcje zostały ustandaryzowane, umożliwiając połączenie urządzeń polowych z różnymi systemami, co dało użytkownikom pewną swobodę poprzez eliminację zależności tylko od jednego dostawcy. OPC Classic (DA, A&E, HDA), Foundation Fieldbus, ISA100 Wireless i inne międzynarodowe standardowe protokoły komunikacyjne stały się siłą napędową zwiększającą wartość systemów. W rezultacie wielu dostawców systemów DCS postrzega siebie jako integratorów systemów świadczących usługi firmom będącym użytkownikami końcowymi, a nie jako producentów zastrzeżonych linii produktów.
Standardy umożliwiające tworzenie otwartych systemów automatyki
Systemy częściowo otwarte odgrywały pewną rolę w zaspokajaniu potrzeb użytkowników końcowych, ale z czasem zostały zastąpione przez nowsze systemy, które często były aktualizowane. Ta ewolucja była konieczna, aby wspierać użytkowników końcowych i zaadaptować technologie, takie jak systemy operacyjne ogólnego przeznaczenia, komunikacja Ethernet, wirtualizacja i inne (rys. 1). Jednak rynek się zmienił i ten układ ma swoje ograniczenia. Sprzedawcy mogą być zmuszeni do przejścia od integracji swoich systemów do rozwijania działalności użytkownika końcowego przy współpracy z innymi firmami sprzedającymi, z których niektóre mogą być bezpośrednimi konkurentami. Aby poradzić sobie z tą zmianą paradygmatu, pojawiła się sieć firm tworzących ekosystem biznesowy. Do reprezentatywnych organizacji zajmujących się standardami technologicznymi i rozwojem przemysłu należą NAMUR (niemiecka grupa użytkowników systemów automatyzacji przemysłu procesowego) oraz Open Process Automation Forum (OPAF), grupa zajmująca się rozwojem otwartych systemów automatyzacji procesów (O-PAS).
Otwarta architektura
NAMUR (NOA) i OPAF poświęcają dyskusje systemom, które są neutralne w stosunku do dostawców, co oznacza, że mogą w każdej chwili pomieścić urządzenia i funkcje z najnowszą technologią, przy czym zgodne systemy będą nadal wykorzystywać istniejące aplikacje oprogramowania. W przypadku NOA niezależna domena o nazwie „monitorowanie i optymalizacja” jest przygotowywana oddzielnie od istniejących systemów, aby bezpośrednio pozyskiwać dane z nowych czujników (takich jak wibracje, dźwięk, korozja, poziom gazów), robotów, dronów i innych urządzeń. Ponadto standard komunikacyjny OPC UA z OPC Foundation jest wykorzystywany do pozyskiwania danych z istniejących systemów w celu zaawansowanej kontroli, analizy i diagnostyki. W zakresie środków bezpieczeństwa podejście to jest bardzo podobne do projektowania stref zalecanego przez IEC62443 (bezpieczeństwo systemu sterowania), ułatwiając projektowanie i utrzymanie systemu. OPAF promuje wiele z tych samych idei, opowiadając się za niezależnością od istniejących systemów. Sieci systemów rdzeniowych opracowane przez dostawców są krytyczne, ponieważ są obecnie używane w wielu zakładach produkcyjnych i są godne zaufania pod względem bezpieczeństwa i stabilności. Jednakże jeśli chodzi o wprowadzanie nowych technologii niezbędnych do rozwoju systemu, sieci te mogą stać się barierami, a w przyszłości mogą utrudniać wdrażanie rozwiązań korzystnych dla użytkowników końcowych. Ponadto konieczne są ciągłe działania w celu rozwiązywania potencjalnych przyszłych problemów z bezpieczeństwem, czyli obszaru, w którym oryginalne specyfikacje tych sieci mogą stanowić ograniczenia. OPC UA i Profinet zaznaczają swoją obecność jako podstawowe sieci systemowe i przyciągają uwagę jako zdolne sieci zgodne z międzynarodowymi standardami. Porzucając konwencjonalne myślenie, dostawcy DCS mogą przejść od rozwoju systemów zastrzeżonych do korzystania z komercyjnie dostępnego oprogramowania i sprzętu. W rezultacie firmy mogą współpracować przy rozwiązywaniu problemów użytkowników końcowych, jednocześnie wykorzystując swoje wewnętrzne atuty. Bieżące dyskusje OPAF na temat wymagań dotyczących architektury obejmują interoperacyjność, modułowość, zgodność ze standardami, zgodność ze standardami bezpieczeństwa oraz skalowalność. Wszystkie te cechy są niezbędne dla otwartości i wymagają ciągłego wysiłku. Co więcej, sugerują one, że budowanie relacji będzie miało kluczowe znaczenie dla firm pełniących różne role. Atrybuty te podkreślają potrzebę stworzenia ekosystemu biznesowego, który sprzyja współpracy pomiędzy użytkownikami końcowymi, integratorami systemów, sprzedawcami i dostawcami usług. W świecie zamkniętych systemów wystarczyło dbać o własne produkty, ale otwarty świat wymaga integracji, niezależnie od producenta.
Wyzwania i rozwiązania związane z systemami otwartymi
Otwartość jest atrakcyjna dla użytkowników końcowych i naturalne jest, że mają oni chęć budowania systemów elastycznych na tyle, że to użytkownik będzie decydował o tym, jak będzie wyglądał ich rozwój. Dla dostawców systemów DCS ważne będzie nie tylko wprowadzenie na rynek produktów spełniających standardy, ale także podjęcie decyzji o tym, jak budować ekosystem biznesowy i jak w nim uczestniczyć. Istotne będzie również wykorzystanie oprogramowania działającego na istniejących systemach. Dostawcy powinni rozważyć te kwestie podczas dalszego rozwoju systemu. W przyszłości wymagane będzie wsparcie dla międzynarodowych standardów, środków bezpieczeństwa i interoperacyjności systemów. Z punktu widzenia integracji systemów konieczne jest zachowanie zgodności z międzynarodowymi standardami i uzyskanie certyfikatu od niezależnej jednostki certyfikującej. Firmy powinny zapewnić zgodność swoich produktów systemowych z normami IEC62443 (bezpieczeństwo systemu sterowania) i IEC62541 (OPC UA) i kontynuować te działania w przyszłości.
Środki bezpieczeństwa
Producenci są zobowiązani do przestrzegania przepisów zawartych w IEC62443, a w szczególności do uzyskania certyfikatów ISASecure SDLA i CSA. Norma IEC62541 (OPC UA) również wspomina o środkach bezpieczeństwa, skupiając się głównie na komunikacji. Dotyczy ona uwierzytelniania i szyfrowania w celu zapewnienia integralności, poufności i dostępności danych, aby zapobiec wyciekom informacji – nawet w przypadku wykrycia spoofingu, fałszerstwa lub podsłuchu.
Interoperacyjność systemu, modele automatyki
W odniesieniu do interoperacyjności systemu, NOA i OPA popierają standaryzację modeli informacyjnych i rozwój modelu informacyjnego NAMUR Open Architecture oraz modelu informacyjnego O-PAS poprzez wykorzystanie OPC UA Meta Model i Built-In Information Model, oraz IEC 62814 (Automation ML), wraz z innymi elementami określonymi w IEC62541. Z OPC UA i standardem AutomationML możliwe jest ujednolicenie różnych reguł i struktur danych, które przekazują te same informacje w różnych formatach. W tej chwili AutomationML jest obsługiwany jako część modelu informacyjnego specyfikacji towarzyszącej OPC UA, więc wspieranie modelu informacyjnego OPC UA jest priorytetem (rys. 3).
Wsparcie dla otwartych standardów
Otwartość, którą popierają NOA i OPAF, ma na celu włączenie najnowocześniejszej technologii bez zakłócania istniejących systemów. Serwer CI (ang. collaborative information server) może stanowić opcję otwartego systemu dla użytkowników (rys. 4). Koncepcje stojące za serwerem CI to integracja pozioma i pionowa, integracja rozległych obszarów, operacje oszczędzające pracę i inne innowacyjne rozwiązania. Stanowią one zintegrowaną funkcję operacyjną łączącą wszystkie komponenty automatyki, systemy i urządzenia w zakładach i fabrykach, ułatwiając zarządzanie pozyskanymi danymi i wynikającymi z nich informacjami. Jako podstawowe protokoły komunikacyjne serwer CI obsługuje przemysłowe standardy komunikacyjne OPC UA (funkcje klient/serwer i wydawca/subskrybent), transport telemetryczny z kolejkowaniem komunikatów (MQTT) oraz łączność z otwartą bazą danych. MQTT jest optymalnym standardem komunikacyjnym dla wdrożeń Internetu Rzeczy (IoT), gdzie pomiędzy urządzeniami wymieniane są różnorodne dane i informacje. Konwencjonalne systemy automatyki były głównie ukierunkowane na dane procesowe (temperatura, ciśnienie, przepływ, poziom itp.). Możliwe stało się jednak pozyskiwanie danych z urządzeń i systemów sterujących różnorodnym sprzętem i instalacjami, co daje możliwość centralnego zarządzania wszystkimi danymi i informacjami dotyczącymi zakładu. Dzięki zastosowaniu specyfikacji standardu modelu informacyjnego OPC UA, pozyskane dane nie są już zależne od konkretnych systemów, a tryb informacyjny specyfikacji towarzyszących OPC UA może być wykorzystany do tworzenia informacji o wartości dodanej.
Przyszłość rozwoju automatyki otwartej
W miarę jak otwartość postępuje wraz z rozwojem informatyki, oczekiwania wobec systemów automatyki rozszerzają się z bezpieczeństwa i stabilności na zwiększoną rentowność poprzez wydajne działanie. Oznacza to reagowanie na szybkie zmiany rynkowe, optymalizację kosztów, podnoszenie jakości i wydajności operacyjnej oraz wprowadzanie innych usprawnień. Aby osiągnąć te cele, ważne jest, aby dane rozproszone w całym zakładzie były przekazywane jako istotne informacje do odpowiedniego personelu. Serwer CI digitalizuje powiązania pomiędzy wszystkimi typami danych. Tworząc globalny model informacyjny dla operacji w zakładzie i powiązanych z nimi danych, może on zapewnić cyfrowe i bliźniacze środowisko (rys. 5). W zakładach wykorzystujących technologie cyfrowe operacje są wspierane przez automatyzację cykli danych, w ramach których dane są gromadzone i przechowywane na miejscu, a następnie analizowane, modelowane i wykorzystywane do usprawnienia operacji i podejmowania decyzji biznesowych. Wdrożenie serwera CI odciąża personel zakładu, który w przeciwnym razie musiałby wdrażać niestandardowe rozwiązania lub uciekać się do działań ręcznych. Tego typu produkty współpracują z systemami otwartymi, zapewniając rozwiązania coraz częściej wymagane przez użytkowników końcowych.
Masaru Yamazaki, kierownik ds. planowania działalności i produktów systemowych, Yokogawa Electric Corp.; Wataru Nakagawa, kierownik ds. marketingu produktów systemowych, Yokogawa Electric Corp.