A szokásos vezérlési műveletek körén túlmenő feladatok, például a nagy adatmennyiségek kezelése, az adatbányászat, valamint az állapot- és tápfeszültség-felügyelet kiemelkedő, jövőbe mutató automatizálási megoldásokat tesz lehetővé. A Beckhoff olyan hardver- és szoftvertermékeket kínál az ipar 4.0, illetve az IoT számára, amelyekkel a lehető legegyszerűbben valósíthatók meg ezek a korszerű megoldások.

Az ipar 4.0 és az IoT- („Internet of Things” – eszközök internete) stratégia szigorú követelményeket támaszt a különféle elektronikus eszközök, illetve a szolgáltatások hálózati és adatkapcsolati képességeivel szemben. Az adatátvitel hagyományos, piramiselvű szemlélete szerint (1. ábra) nagy adatmennyiségeket kell cserélni a kihelyezett érzékelők és a rendszer magasabb szintű rétegei között, viszont a modern gyártóüzemekben létfontosságú a PLC-alapú vezérlőrendszerek közötti horizontális kommunikáció is. Mivel a PC-alapú vezérlési technológiák univerzálisan alkalmasak az ilyen jellegű adatkapcsolatok kezelésére is, fontos szerephez jutnak a korszerű automatizálási projektekben.

1. ábra: A kommunikációs piramis

A Beckhoff új, TwinCAT-alapú IoT-megoldásánál a széles körben használt TwinCAT 3 tervező- és vezérlőszoftver ideális technológiai alapot nyújt az ipar 4.0 területéhez kapcsolódó koncepciók és az IoT-adatátvitel számára. Mindezeken túlmenően a Beckhoff új, IoT-kompatibilis be-ki meneti eszközeivel felépített megoldások könnyen konfigurálhatók, és fennakadásmentesen építhetők össze nyilvános vagy magánfelhőt használó alkalmazásokba.

Milyen üzleti célkitűzésekkel növelhető a versenyelőny?

Az ipar 4.0 és az IoT-terület alkalmazásainak megvalósítása nem a technológiai háttér megteremtésével kezdődik: a munka valójában sokkal korábban indul el. Az IoT-projekteknél első lépésben nagyon fontos tisztázni a vállalat célkitűzéseit, és meghatározni az ilyen jellegű fejlesztésekkel elérhető vállalati előnyöket. Az automatizálásszolgáltató szemszögéből kétféle ügyfél létezik: aki automatizált gépeket gyárt, és az, aki ezeket a gépeket használja.

A gyártóiparra különösen érvényes, hogy elsődleges szempont a házon belüli gyártási költségek minimalizálása. Ennek két módja van: hatékony és megbízható gyártásvezérlés biztosítása, valamint a selejt csökkentése. Egy hagyományos gépgyártó nagyon hasonló célokat követ, és elsősorban a gép költségét szeretné csökkenteni, de a termék minőségének fenntartása, sőt, akár javítása mellett.

Hasznot hajtó cél lehet ezenkívül a gép energiafogyasztásának és az előállításához szükséges műveletek számának csökkentése, valamint előrejelző karbantartás és hibadiagnosztika alkalmazása. Különösen az utóbbi két pont teremthet olyan szilárd alapot a gépgyártó számára, amelyre építve új bevételi forrásokat jelentő szolgáltatásokat kínálhat ügyfeleinek. Természetesen mindkétfajta ügyfél célja végső soron az, hogy a gép vagy termék konstrukciója még vonzóbb legyen, és segítségével növelhesse piaci versenyképességét.

Folyamatadatok gyűjtése, összesítése és elemzése

A gyártás során használt folyamatinformációk – az érzékelők által rögzített és terepi buszon a PLC-nek elküldött gépadatok – segítségével hozzáadott érték hozható létre, és elérhetők a fent említett vállalati célok. Az adatok közvetlenül a vezérlőn történő elemzése révén, a TwinCAT 3 automatizálási szoftverbe integrált TwinCAT állapotfelügyeleti könyvtárak segítségével nyomon követhető a rendszer állapota, amivel csökkenthető az állásidő és a karbantartási költségek.

Ha azonban a gyártás különböző területein elosztva több vezérlő működik, egyetlen vezérlő adatainak a figyelése nem feltétlenül elegendő. A kellő mélységű adatelemzéshez és a teljes rendszer analitikai alapú pontos jellemzéséhez gyakran szükség van egy gyártórendszer vagy egy adott típusú gép több – vagy akár összes – vezérlőjének összesített adataira is – ehhez azonban megfelelő informatikai háttér szükséges.

2. ábra: Elemzés a vezérlőn vagy a szerveren

A korábbi informatikai infrastruktúrák egy gépen vagy vállalati hálózaton belüli központi szerverrendszerre épültek, amely rendelkezett adatmemóriával, gyakran egy adatbázis-kezelő rendszer formájában. Ez lehetővé tette, hogy az elemzőszoftver közvetlenül elérje az adatbázisban szereplő összesített adatokat, és elvégezze a megfelelő kiértékeléseket (2. ábra).

A gyártóüzemi adatok összesítésének és elemzésének ez a módja jól működött ugyan, de számos problémával járt, mivel előzőleg létre kellett hozni a szükséges informatikai infrastruktúrát. Nyilvánvaló, hogy a megfelelő szerverrendszer megvalósítása tetemes hardver- és szoftverköltséggel jár. Jelentősek a személyi költségek is: a gyártórendszerek – és különösen a sok elosztott üzemet összefogó elrendezések – hálózatba szervezése egyre bonyolultabb megoldásokat eredményez, ezért a megvalósításhoz szakképzett munkatársakra van szükség.

A problémát tovább bonyolítja, hogy egy ilyen rendszer nem nagyon bővíthető, és előbb-utóbb kiütköznek a szerverrendszer fizikai korlátai – például a kihasználható memóriaterület vagy processzorteljesítmény, illetve az elemzésekhez szükséges teljesítmény és memóriaméret. Ez gyakran kiterjedt kézi konvertálást tett szükségessé, amikor a rendszereket új gépekkel vagy vezérlőkkel kellett kiegészíteni. Végső soron a központi rendszert is bővíteni kellett a növekvő adatmennyiség megfelelő kezeléséhez és feldolgozásához.

A nyilvános felhőhöz vezető út

A mai felhőalapú kommunikációs és adatszolgáltatásokkal elkerülhetők a fenti hátrányok, mert ezek révén absztrahálhatók a felhasználó számára a megoldás alapját jelentő hardver- és szoftverrendszerek. Az „absztrahálás” itt azt jelenti, hogy egy szolgáltatás használatához a felhasználónak nem kell foglalkoznia a szerveres háttérrel, csak az adott szolgáltatás használatával. Az informatikai rendszer minden karbantartási és frissítési munkáját a felhőszolgáltató végzi el. A felhőrendszereknek két fő csoportja van: a nyilvános és a magánfelhők.

Az úgynevezett nyilvánosfelhő-szolgáltatók, például a Microsoft Azure vagy az Amazon Web Services (AWS) bőséges szolgáltatáskínálatot nyújtanak saját adatközpontjaikból, kezdve a virtuális gépektől – ahol a felhasználó választhatja ki az operációs rendszert és az arra telepített alkalmazásokat – egészen az absztrahált kommunikációs és adatszolgáltatásokig, amelyeket a felhasználó integrálhat be egy alkalmazásba.

Az utóbbiba például a gépi tanulási algoritmusok is beletartoznak, amelyek bizonyos gyártási, illetve gépadatok alapján előrejelzéseket képesek adni, és osztályokba tudják sorolni az egyes adatállapotokat. Az algoritmusok kommunikációs szolgáltatásokon keresztül jutnak hozzá a szükséges tartalmakhoz.

Ezek a kommunikációs szolgáltatások általában adatátviteli protokollokon alapulnak, ez utóbbiak pedig a közreadás/előfizetés (publish/subscribe) elvén működnek. Ez a megközelítés határozott előnyökkel jár, mivel elválasztja az egymással kommunikáló alkalmazásokat. Egyrészt, az adatátvitel különböző résztvevőinek többé nem kell tudniuk egymásról, azaz jelentősen lerövidül a címközzététel időigénye: minden alkalmazás a központi felhőszolgáltatáson keresztül kommunikál.

3. ábra: Közreadás/előfizetés alapú kommunikáció nyilvános felhőben futó szolgáltatásokkal

Másrészt, a felhőszolgáltatással folytatott, üzenetközvetítővel (3. ábra) megvalósított adatkommunikáció a terminál szemszögéből mindig tisztán kimenő irányú adatkapcsolatot jelent mind adatküldés (közreadás), mind adatvétel (előfizetés) esetén. Ez azonnal átlátható előnyökkel jár az informatikai infrastruktúra konfigurálása során: nem kell beállítani a bejövő adatkapcsolatok jellemzőit például a tűzfalakon vagy más hálózati terminálokon, ami jelentősen csökkenti az informatikai infrastruktúra konfigurálásának időigényét és a karbantartási költségeket.

Az adatátvitelre használt szállítási protokollok – például az MQTT és az AMQP – meglehetősen letisztultak, emellett szabványosítottak is. Ezenfelül ide lehet helyezni különböző biztonsági mechanizmusokat is, például az adatkapcsolati titkosítást és az üzenetközvetítő felé történő hitelesítést. Az OPC UA adatátviteli protokollt szabványosító munkacsoport is felismerte a közreadás/előfizetés alapú adatkapcsolat előnyeit, és megtette a megfelelő lépéseket a specifikáció ilyen irányú bővítésére. Ez azt jelenti, hogy az MQTT és az AMQP protokollon kívül létezik egy harmadik szállítási mechanizmus is a felhő felé.

A magánfelhő

A közreadási/előfizetési mechanizmusok azonban nemcsak nyilvános felhőknél használhatók, hanem vállalati vagy adott gépekből álló hálózaton is. MQTT és AMQP esetében a szükséges infrastruktúra bármely PC-re könnyen feltelepíthető és rendelkezésre bocsátható üzenetközvetítő formájában.

4. ábra: Közreadás/előfizetés alapú kommunikáció a géphálózaton

Ez annyit jelent, hogy mindkét M2M (gép-gép közötti) alkalmazási helyzet megvalósítható, és a vezérlőre bármilyen végberendezés csatlakoztatható, például okostelefon is. Ezenfelül az ilyen eszközökhöz való hozzáférés biztonságosabbá tehető tűzfalrendszerekkel (4. ábra). Az OPC UA norma közreadási/előfizetési mechanizmussal való bővítése egyszerűbbé fogja tenni a géphálózaton belüli 1:N jellegű átviteli útvonalak konfigurálását és használatát is.

Termékek az ipar 4.0 és az IoT számára

A Beckhoff vállalat a rendszerelemek széles választékát kínálja a felhőalapú kommunikáció és az adatszolgáltatások szabványokon alapuló integrálására. A TwinCAT 3 automatizálási szoftverplatformban található IoT-termékek sokoldalú funkcionalitásával a felhasználók szabványos közreadás/előfizetés alapú kommunikációs protokollokon keresztül cserélhetnek folyamatadatokat és érhetik el a nyilvánosfelhő-szolgáltatók speciális adat- és kommunikációs szolgáltatásait. A megfelelő szolgáltatások futtathatók nyilvános, például Microsoft Azure vagy Amazon Web Services (AWS) felhőrendszeren, de ugyanilyen hatékonyan alkalmazhatók magánfelhőrendszerekben is.

A fenti IoT-funkciók elérhetők közvetlenül a vezérlőprogramból, speciális funkciómodulokon keresztül, vagy egy „TwinCAT IoT Data Agent” nevű alkalmazással konfigurálhatók a vezérlőprogramon kívül. Az elküldendő adatok kiválasztása, illetve egy adott szolgáltatás számára történő küldés beállítása egy grafikus konfiguráló alkalmazással végezhető el. E megközelítés jelentős előnye, hogy az adatügynök-alkalmazás segítségével régebbi, meglévő TwinCAT-rendszerekbe is beépíthetők felhőalapú szolgáltatások.

5. ábra: A TwinCAT IoT adatügynök-alkalmazás konfigurálható és könnyen használható felhőcsatlakozást biztosít, OPC-UA protokoll szerinti átvitellel együtt

A folyamatadatok ilyenkor is exportálhatók a szabványos OPC UA kommunikációs protokollal, tehát nem Beckhoff- rendszerekből is lehet adatokat küldeni (5. ábra). Egy külön megvásárolható okostelefonos alkalmazással mobiltelefonon is megjeleníthetők egy gép riasztási és állapotüzenetei.

A Beckhoff újonnan piacra dobott, EK9160 típusú IoT-buszcsatolóján keresztül a be-ki meneti jelek közvetlenül, vezérlőprogram nélkül továbbíthatók; a be-ki meneti adatok felhőszolgáltatáshoz való elküldése az eszközön paraméterezhető egy könnyen konfigurálható webhely segítségével. Ezután a buszcsatoló önállóan elküldi a digitális vagy analóg értékeket a felhőszolgáltatásnak. Az IoT-csatolóállomás egy EK9160 típusú egységből, valamint több nagy teljesítőképességű, ultragyors EtherCAT-terminálból áll, amelyek száma gyakorlatilag korlátlan lehet.

Az adatokat a rendszer felhasználóbarát, szabványos JSON formátumban küldi el a felhőszolgáltatásnak, szükség esetén titkosítottan. Több kibővített mechanizmus, például a be-ki meneti adatok helyi átmeneti tárolása (az internetkapcsolat megszakadása esetén) vagy a csatlakoztatott terepi buszok monitorozására szolgáló felügyeleti funkció szintén rendelkezésre áll. A be-ki meneti jelek tehát nemcsak EtherCAT-hálózatról gyűjthetők be, hanem más – például CANopen vagy Profibus – terepi buszokról is.

Analitika és gépi tanulás

Amikor az adatok eljutottak egy nyilvános vagy magánfelhőben futó szolgáltatáshoz, a következő feladat az információk feldolgozása. Mint korábban említettük, sok nyilvánosfelhő-szolgáltató kínál különféle analitikai és gépi tanulási szolgáltatásokat, amelyekkel a folyamatadatokon további vizsgálatok végezhetők. Ezenfelül a felhasználók rendelkezésére áll a Beckhoff saját analitikai platformja, a TwinCAT Analytics is. Ez adatelemzési mechanizmusokat nyújt, és pontos, ciklikus módon rögzíti az összes folyamatinformációt.

6. ábra: A TwinCAT IoT és a felhőalapú buszcsatoló

Ennek köszönhetően minden gépi folyamat teljeskörűen rögzíthető. A követelményektől függően ezek az adatok helyi kiértékeléshez tárolhatók a gépen, vagy elküldhetők egy nyilvános vagy magánfelhőben futó megoldásnak. A TwinCAT Analytics a fennakadásmentes adatkapcsolatot biztosító TwinCAT IoT szoftver segítségével csatlakozik a felhőalapú rendszerekhez. Általánosságban ez mind a gépgyártót, mind a végfelhasználót új, hasznot eredményező üzleti ötletek és modellek kidolgozásában segíti.

Következtetések

Ma mindenki szeme előtt ott lebeg az ipar 4.0 és az IoT – ezek a koncepciók fontosak, amikor az alap-infrastruktúra tekintetében innovatív, új üzleti modelleket kell megvalósítani, egyúttal az informatika és az automatizálás fokozódó konvergenciájának hajtóerejét is jelentik. A felhőalapú adatszolgáltatások segítik az ilyen jellegű automatizálási projektek megvalósítását, mivel a megfelelő informatikai hátteret nem a gépgyártónak vagy a végfelhasználónak kell biztosítania.

A TwinCAT IoT és az EK9160 típusú felhőalapú buszcsatoló két olyan új Beckhoff-termék, amellyel az említett adatszolgáltatások könnyen és gyorsan beintegrálhatók egy vezérlőrendszerbe. Ezenfelül a TwinCAT Analytics ezeket a rendszereket nagy teljesítőképességű analitikai platformmal támogatja, amely segíti a rögzített folyamatadatok átfogó elemzését.