Od snímače do cloudu

Integrace různorodých systémů do informační nebo automatizační infrastruktury je vzhledem k chybějícím standardizovaným rozhraním a protokolům velmi komplikovaná. Jaký druh komunikace je vhodný pro spojení desetitisíců zařízení v průmyslových závodech? Klíčem pro průmyslovou infrastrukturu jsou průmyslové sítě a OPC Unified Architecture (OPC UA).

Současná řešení obvykle využívají typickou „automatizační pyramidu“ – jednotlivé vrstvy od snímačů přes řídicí jednotky PLC a ovládací panely HMI, až po MES a systémy ERP jsou vystavěny hierarchicky a obvykle neumožňují přímý přístup z nejvýše umístěných systémů do úrovní pod nimi.

V digitální továrně je velmi důležitá jak integrace na horizontální úrovni (komunikace mezi komponentami na stejné úrovni), tak i integrace na vertikální úrovni (komunikace mezi jednotlivými vrstvami).

Například z důvodu libovolně se pohybujících autonomních robotických strojů v digitálním závodě již nelze použít původně pevně definované samostatné sítě. Moderní stroje potřebují průmyslovou informační a komunikační infrastrukturu, která již není přísně založená na pevné hierarchii, ale zohledňuje i dynamicky se měnící prostředí.

Využívání dat z výrobního procesu

Sloučení všech dat v průmyslových sítích pro jejich analýzu vede k rozpadu horizontálního uspořádání. Například pro získání nových poznatků pro účely prediktivní údržby je třeba mít k dispozici velké množství dat v dostačující kvalitě z celého výrobního procesu, která jsou poskytována různými snímači výrobního stroje či výrobní linky a jsou nejčastěji ukládána do cloudových úložišť. Odtud mohou být data využívána různými systémy pro analýzu, diagnostiku a zefektivnění výrobního procesu.

V určitých případech tato data nemusí být vůbec relevantní pro PLC, které řídí výrobní stroj, naopak by mohla zbytečně zatěžovat zařízení nadbytečnou komunikací. Je důležité, aby všechny snímače v průmyslových sítích dodávaly potřebné informace přímo do datového úložiště (cloudu) v požadovaných cyklech, rozlišeních a přesnostech.

Digitální továrnu si nelze představovat jako neměnný systém, ale spíše jako organismus, který se neustále přizpůsobuje sám sobě a novým požadavkům. I proto musí být její architektura flexibilní a jednoduchá na údržbu, aby bylo možné rozumně zvládat její komplexnost.

Požadavky na datové sítě

Infrastruktura komunikační sítě, která je základem digitálního závodu, musí splňovat hned několik požadavků. Mezi ně patří především využití otevřených standardů, dostupnost, kvalita služeb a především bezpečnost, které jsou typické již pro dnešní průmyslový Ethernet. Jelikož je vzhledem ke zvyšujícím se požadavkům na transparentnost analyzovaných dat vyžadováno také zpřístupnění datových služeb jednotlivých informačních systémů, je velmi důležité propojit kancelářskou a výrobní síť (obr. 1). 

I přes využití různých bezpečnostních mechanismů nutných pro zabezpečení průmyslových sítí je stále umožněn přístup do všech úrovní průmyslové sítě, k jednotlivým zařízením a jednotlivým komponentám. To vede k nutnosti v digitalizovaných závodech využít odlišné úrovně seskupení jednotlivých zařízení a nové typy páteřních sítí. Tyto sítě umožňují nejen rychlou komunikaci mezi zařízeními v jednotlivých výrobních jednotkách, ale i vysoce účinné propojení kancelářské sítě a různých částí průmyslové infrastruktury.

Pro splnění cílů a požadavků digitální továrny však komplexní síťová topologie nestačí. Je třeba používat komunikační protokol, který je otevřený a standardizovaný, který nabízí dostatek sémantických informací, je jednoduchý pro rozšíření a snadný pro údržbu, nabízí maximální zabezpečení, ale má minimální požadavky na zpracování a paměť, aby mohl být použit i v malých zařízeních.

Architektura komunikační sítě pro digitální továrnu

Všechny tyto požadavky splňuje protokol OPC UA (Open Platform Communications – Unified Architecture). Nestačí však pouze použít tento protokol aplikační vrstvy komunikační sítě, ale je třeba přizpůsobit kompletní strukturu sítě a zajistit softwarovou podporu jak pro definici přenosu dat na straně zařízení a aplikačního softwaru, tak i technické nástroje pro integrátory systémů.

OPC UA nabízí mnoho výhod. Například zajistí spolehlivý přenos všech dat, a to i komplexních typů. Kromě dat s měřenými nebo požadovanými hodnotami přenáší protokol OPC UA mezi komunikačními partnery i sémantické informace.

Vzhledem k objektově orientované architektuře komunikačního systému je sémantika provázána v kontextu objektů, a tak vždy odkazuje na celý objekt společně s jeho vlastnostmi. Volání funkcí prostřednictvím sítě umožňuje určitou míru kontroly komunikačního partnera. A neméně důležitá je podpora událostí, která probíhá jako ad-hoc komunikace, nebo zprostředkování zpráv pro propojení do cloudu.

Nastavení protokolu OPC UA podporují rozhraní, která dokážou automaticky zavádět své specifikace do návrhového prostředí projektu. Pro každé zařízení lze popisný soubor s podrobnou specifikací rozhraní importovat do projektu ze zdroje jeho výrobce nebo přímo přečíst ze zařízení, které je dostupné on-line a tuto možnost nabízí. Správné použití rozhraní v uživatelském programu zajišťují vývojářské nástroje.

Dalším důležitým prvkem je ochrana před neoprávněným přístupem. Jako obranný mechanismus využívá protokol OPC UA mj. certifikáty X.509 a související bezpečnostní protokoly.

Spolupráce s PLCopen

V oblasti vlastního využití v různých aplikacích spolupracují průmyslové asociace s nadací OPC Foundation na tzv. „společných specifikacích“, které doplňují standardy OPC UA pro určitou konkrétní oblast použití (strojní výroba, procesní výroba, distribuční sítě apod.). Příkladem je spolupráce se sdružením PLCopen. PLCopen společně s OPC Foundation vypracovaly funkční bloky pro OPC UA, které, jsou-li implementovány do PLC, umožňují mu jako klientu začít komunikovat s jakýmkoliv dostupným serverem OPC UA. PLC si tak může prostřednictvím serveru OPC UA v horizontální vrstvě vyměňovat komplexní datové struktury s jinými PLC, a to nezávisle na průmyslové sběrnici, a vertikálně, spolu s dalšími zařízeními s rozhraním OPC UA, komunikovat s MES nebo systémem ERP, např. pro ukládání hodnot provozních proměnných nebo zadání nové výrobní objednávky, popř. data ukládat přímo do cloudového úložiště, a to s využitím všech bezpečnostních mechanismů specifikovaných v OPC UA.

Dodavatelé, jako je společnost Siemens, tyto funkční bloky začleňují do svých PLC, průmyslových počítačů a softwaru. Například komunikační procesor Simatic CP 443-1 OPC UA (obr. 2), který se používá v systému Simatic S7-400, podporuje funkce protokolu OPC UA na úrovni klientu i serveru. Ostatní systémy tak mohou prostřednictvím standardizovaného rozhraní získat přístup k datům z CPU jednotky Simatic S7-400. Díky tomuto modulu mohou být i dosavadní stroje a výrobní linky dodatečně vybaveny komunikačními možnostmi OPC UA.

Dříve než lze protokol OPC UA využít pro integrovanou komunikační síť, je ovšem nezbytné systém doplnit dalšími komponentami, které dosud toto rozhraní nemají. Například na úrovni snímačů má rozhraní protokolu OPC UA jen několik málo řad zařízení, např. čtečky a zapisovače Simatic RF600 pro RFID. Jejich začlenění do komunikační sítě však vyžaduje specifikovat mnohé technické parametry, jako např. přenosovou rychlost čtečky RFID nebo povolený směr čtení a zápisu. Nastavovat komunikaci a tvořit ovladače pro každý prvek zvlášť je časově náročné. Místo toho bude nutné standardizovat šablony funkčních popisů jednotlivých typů zařízení, aby mohl komunikaci specifikovat sám projektant automatizovaného systému a nepotřeboval k tomu pomoc od vývojáře softwaru.

Již dnes však OPC UA představuje jedinečný nástroj a je nepostradatelný pro vertikální i horizontální integraci v rámci digitální továrny.

Více informací zájemci najdou na adrese www.siemens.cz/simatic-opcua.

 (Siemens, s. r. o.)

Obr. 1. Topologii průmyslové sítě tvoří různé úrovně agregace a páteřní síť v kruhové struktuře

Obr 2. Komunikační procesor CP 443-1 OPC UA pro Simatic S7-400