Budoucnost softwaru IIoT ve výrobě
Průvodce k pochopení a používání služeb distribuce dat (Data Distribution Service – DDS), časově senzitivních sítí (Time-Sensitive Networking – TSN) a architektury OPC UA (Unified Architecture) v pokročilých výrobních aplikacích.
K nejlepším standardům rámce konektivity pro průmyslový internet věcí (IIoT) patří OPC Unified Architecture (OPC UA) organizace OPC Foundation (OPC UA) a Data Distribution Service (DDS) skupiny Object Management Group (OMG). Oba jsou široce přijímány v průmyslových systémech, i když ne ve stejných odvětvích. Oba se liší od mnoha dnešních systémů diskrétní automatizace, které používají jednoduchou architekturu.
Programovatelný automat (PLC) připojuje zařízení po sběrnici fieldbus. PLC řídí zařízení a spravuje předřazená spojení k softwaru vyšší úrovně, jako jsou rozhraní HMI a datové sklady. Software na základní výrobní úrovni je přímočarý. Čte údaje ze senzorů, vykonává logiku a řídí akční členy, čímž implementuje repetitivní operace. Ve výrobním závodu se využívá řada pracovních buněk, z nichž každá má několik desítek zařízení.
Proč se technická řešení mění?
Tradiční technické řešení PLC a HMI sloužilo v posledních třech desetiletích dobře. Nicméně příští dekádu nemusí přežít. Proč? Rychlosti procesorů a snadná vzájemná propojitelnost nabízejí schopnější výpočetní zdroje. Na základě řešení pracovní buňky opírajícího se o PLC lze stavět spolehlivé systémy, které se mohou v provozu bez omezení opakovat. Nejsou však opravdu „chytré“. Nedokáží se dobře přizpůsobovat změnám. Neumí využít „exploze“ výpočetní a síťové kapacity. Stručně řečeno, neposkytují cestu k inteligentnímu, ale komplexnějšímu softwaru.
IIoT má potenciál transformovat průmyslové systémy. K tomu však musí sdílet data mezi pracovní buňkou, výrobním závodem a obchodní částí podniku. Samozřejmě to není až tak jednoduché. Široké využívání dat vyžaduje novou architekturu a nový přístup ke konektivitě.
OPC UA a DDS řeší různé problémy. Konstruktéři hardwaru využívají architekturu OPC UA, protože usnadňuje připojení zařízení. Systémoví architekti používají DDS, protože zastřešuje systémové vrstvy pomocí konzistentního modelu. DDS a OPC UA jsou odlišné, ale není to věcí výběru toho správného – nekonkurují si.
Ve skutečnosti se stále více oceňuje, jak mohou vzájemně spolupracovat pro budování silné průmyslové komunikační architektury v budoucnu. Skutečnou výzvou je rozhodnout, který problém je třeba řešit. Proto je důležité pochopit, co OPC UA a DDS mohou vykonávat. Je důležité určit, kdy použít služby DDS samy o sobě, kdy použít architekturu OPC UA samotnou a kdy použít kombinaci obou rámců.
Propojení OPC UA a TSN
V sektoru diskrétní výroby nabízí OPC UA a časově senzitivní sítě (TSN) potenciální cestu k řešení „fieldbusových válek“. Architektura OPC UA je užitečná pro integraci vyhrazených zařízení, jako jsou pásové dopravníky, senzory, repetitivní roboty a pohony do pracovní buňky. Může spojit pracovní buňky se softwarem, jako jsou rozhraní HMI a datové sklady. Využívá k tomu modelování zařízení a umožňuje mechanikům závodu a výrobním technikům koordinovat tato zařízení prostřednictvím řídicího prvku PLC (viz obrázek 1).
Pracovní buňky nejsou ani tak programovány, jako spíše konfigurovány. Výrobní technici nebo mechanici používají širokou paletu zařízení k implementaci funkcí v buňce. Tato zařízení se dodávají se standardními modely, takže závod není odkázán na jednoho dodavatele. Systémy v architektuře OPC UA jsou kompozicí různých zařízení a stávajících modulů, jako jsou datové sklady a rozhraní HMI. Toto řešení umožňuje snadné sestavení pracovních buněk se zařízeními jen s malým úsilím v oblasti softwaru.
OPC UA spojuje data pracovní buňky se systémovými daty změnou komunikačního vzorce z modelu publikování/odběr na model klient/server (požadavek/odpověď). Pro příjem dat musí aplikace nebo klient vyšší úrovně zařízení objevit a připojit k serveru. Tato architektura není určena k usnadnění práce týmům programátorů. Například překlad publikování/odběr a klient/server představuje nekonzistentní programovací model napříč různými úrovněmi. Nedovoluje také týmům předem definovat nová softwarová rozhraní nebo sdílené datové typy. Bez nich OPC UA neposkytuje jeden zdroj „systémové pravdy“ pro systémový software.
OPC UA je optimální pro integraci zařízení do pracovní buňky, i když OPC UA může frustrovat týmy, které se snaží budovat komplexní systémový software.
DDS usnadňuje realizaci systémového softwaru
DDS se naopak zaměřuje na týmy, které budují distribuované softwarové aplikace. První aplikací DDS bylo zpětnovazební řízení přes Ethernet pro inteligentní robotiku. Služba DDS se pak rozšířila do softwarově náročných distribuovaných aplikací, jako jsou autonomní vozidla a řízení bojových systémů námořnictva.
Jeho základním účelem je kombinovat softwarové aplikace do komplexního „systému systémů“ s jedním konzistentním modelem. Většina systémů DDS kombinuje „funkční“ umělou inteligenci s 10 až 50 aplikacemi a zařízeními, ale některé systémy DDS se skládají ze stovek tisíc zařízení a aplikací, které jsou napsány tisíci programátorů.
Klíčem k pochopení DDS je uvědomit si, že distribuované systémy jsou v zásadě paralelní a architektura systému musí této skutečnosti odpovídat. Není to nic nového, jádrem současného distribuovaného řídicího systému (DCS) je řídicí prováděcí engine, který řídí časové osy a řídicí smyčky. Všechna data jsou uložena v paměti typu „sandbox RAM“, takže procesy mohou přistupovat k libovolným datům bez nežádoucí interakce. DCS poskytuje prostředí pro kombinování funkčních bloků do paralelních deterministických zpětnovazebních smyček v jednom boxu.
DDS využívá stejný koncept a distribuuje jej. DDS implementuje datově centrický sdílený „globální datový prostor“. To znamená, že všechna data se jeví, jakoby existovala uvnitř každého zařízení a algoritmu. To je samozřejmě iluze – všechna data nemohou být všude. DDS funguje tak, že sleduje, která aplikace potřebuje jaká data a kdy, a následně je dodává. V důsledku toho jsou data, která aplikace potřebuje, přítomna v lokální paměti včas.
Podstatou datově centrického přístupu je okamžitý lokální přístup ke všemu prostřednictvím každého zařízení a každého algoritmu, a to na všech úrovních, stejným způsobem a kdykoliv. Nejlepší je považovat to za distribuovanou sdílenou paměť, podobnou paměti typu „sandbox RAM“ v systému DCS. Neexistují žádné servery ani objekty ani speciální umístění. Jde o paralelní softwarovou architekturu napříč celým systémem.
DDS spočívá především v datové centricitě, nikoli ve vzorech. Zatímco většina standardů používá model publikování/odběr, standard specifikuje také model požadavek/odpověď a někteří dodavatelé podporují řazení do fronty. Aplikace interagují mnoha způsoby, ale pouze se sdílenou distribuovanou pamětí, nikoli přímo s ostatními. DDS také definuje systémová rozhraní (datové typy) a řízení toku kvality služeb (QoS). Integruje moduly s transparentní a konzistentní systémovou architekturou, která je nezávislá na vzorech. Jde o konektivitu, kterou databáze „pravdy“ analogových k datově centrickým systémům využívají pro řízení podniku.
Nicméně DDS nemodeluje zařízení. Technici a mechanici závodu nemohou kombinovat zařízení do pracovních buněk bez psaní kódu.
Měli byste používat OPC UA nebo DDS, anebo obojí?
Výrobní systémy mezi sebou soutěží stejnými aspekty, jako po celá desetiletí: spolehlivost, objem výroby nebo náklady na implementaci. Pokud máte za to, že stačí pořídit software a zůstat konkurenceschopní, nemusíte svůj přístup měnit. Pokud na druhou stranu vidíte budoucnost, kde vyhrává nejlepší software, budete potřebovat jinou cestu, abyste udrželi krok (viz obrázek 2).
Systém může být také potřeba vybudovat z interoperabilních zařízení. Naštěstí to nemusí být rozhodnutí „všechno nebo nic“ – systémy DDS, OPC UA a TSN mohou spolupracovat. Skupina Object Management Group (OMG), mateřská organizace sdružení Industrial Internet Consortium (IIC), nedávno schválila normu pro integraci DDS s OPC UA. OMG a OPC Foundation pracují na standardech pro používání TSN s DDS a OPC UA. Dodavatelé DDS pracují na konfiguračních nástrojích.
Sdružení IIC vyvinulo integrovanou architekturu a má několik testovacích verzí používajících OPC UA ve výrobních aplikacích a DDS v aplikacích, jako je energetika a zdravotnictví. Některé používají OPC UA i DDS. Kombinace flexibility zaměnitelných zařízení s výkonným vývojovým prostředím softwaru již není příliš daleko.
Mnoho lidí má potíže definovat, co tyto technologie provádějí. Chcete-li zůstat konkurenceschopní v budoucnu, je důležité tuto oblast prozkoumat a klást si otázky, abyste zvolili tu správnou platformu nebo jejich kombinaci.
Stan Schneider, PhD, je místopředsedou sdružení Industrial Internet Consortium (IIC), obsahového partnera vydavatelství CFE Media, a CEO společnosti Real-TimeInnovations (RTI). Upravila Emily Guenther, zástupkyně obsahového ředitele, Control Engineering, CFE Media, eguenther@cfemedia.com.
