Jste zde

Edge technologie a kontroléry pro chytrou automatizaci

Antonín Vojáček, 31. Srpen 2022 - 17:36

Edge brány, Edge zařízení, Edge kontroléry. Prostě tzv. Edge technologie se dnes již v průmyslu zmiňuje prakticky všude. Pojďme se tedy obecně blíže podívat na některé její základní vlastnosti, možnosti a vhodnosti použití.

Co jsou Edge systémy a k čemu slouží?

Technologie Edge, ať už Edge brány, Edge zařízení nebo nové Edge řadiče, jsou průmyslové jednotky, které byly a jsou navrženy pro poskytování moderním systémům a zařízením "chytřejší" funkce. Tedy zejména filtraci a zpracování dat, komunikační rozhraní na vyšší systémy (databázové a cloudové) a v neposlední řadě i prvky umělé inteligence (AI). Edge systémy v současné době ve většině případů pracují jako podpora řídicích systémů nebo paralelně vedle nich. Nejnovější Edge jednotky však již mohou zastat obě funkce najednou, tedy řízení aplikace i složité zpracování a vyhodnocení naměřených dat.

Každý průmyslový řídicí systém dnes obvykle sbírá data ze senzorů a akčních členů. Stále však i existují nějaké senzory a akční členy, které nejsou nikam připojeny, a třeba jen svým výstupem přímo realizují nějakou indikaci. Stejně tak například výrobní stroje sice sbírají data pro své programové řízení (např. v PLC), ale již neposkytují žádná data řídicím systémům na vyšší úrovni a znesnadňují tak podnikům rychle reagovat na složité problémy nebo získávat celkový obrázek o funkčnosti celé výrobní linky. Získávání dat z těchto nesourodých strojů, které v současné době nejsou propojeny z důvodu takových faktorů jako nekompatibilita nebo proprietární software, je tedy v moderní době potřeba nějak řešit. K tomu může posloužit Edge zařízení, které bere data lokálního řídicího systému nebo i data neřízeného systému a integruje je do společné sady parametrů, do společné databáze či do snadných indikátorů (KPIs) tak, že uživatelé mají jeden pohled na celou operaci a mohou tak provádět lepší rozhodnutí.

Přebírá tedy Edge technologie pozici řídicího systému? Odpověď je: Zatím ne. Pokud již používáte PLC/PAC, potřebujete i Edge technologii? Odpověď je: Ve většině nových projektů již ano. Nicméně moderní PLC/PAC systémy mohou mít již nějaké vlastnosti Edge systémů implementovány, takže obě odpovědi se do jisté míry mohou překrývat. Nicméně bez ohledu na to, jaký typ řídicího systému se používá, Edge technologie obecně umožňuje přinejmenším stroje a procesy napojit na moderní ERM, management a databázové systémy. Při vyšší úrovni využití také shromažďovat data, konsolidovat a třídit informace dle důležitosti a množství nebo i realizovat na výpočet a výkon procesorů náročné filtrační, statistické a matematické výpočty, analýzy a transformace dat podle aktuálních podmínek. To jsou hlavní funkce Edge jednotek. Také ale mohou umožnit vestavbu moderního webového ovládání a vizualizace pomocí průběhů či predikcí pomocí databázových a cloudových aplikací. Zkráceně řečeno, umožnit provádět lepší analýzy na úrovni závodu a pomoci dát shromážděným údajům smysl, účel a využití pro další rozvoj efektivity a kvality.

Základní blokové schéma realizace moderního průmyslového stroje.

Edge Gateways, Edge Devices a Edge Controllers

Ale jaký typ Edge technologie zvolit? To záleží na architektuře konkrétního stroje či systému a cílech. Primárními typy Edge technologií jsou Edge brány (Edge Gateways), Edge zařízení (Edge Devices) a pak poslední roky nejnověji i tzv. Edge řadiče / kontroléry (Edge Controllers). Ty představují aktuálně obecně nejvyšší / nejvýkonnější Edge systémy, které integrují PLC/PAC a Edge funkce do jedné společné jednotky. Edge brány nebo zařízení dost často postačují v případech, kdy vaše aplikace vyžaduje "jen" sběr dat na stroji a poté tato data odesílat do cloudu nebo jiných vyšších počítačových systémů provádějící jejich zpracování.

Příklad použití jednotek Edge Gateway a Edge Device jako další vrstvu nad řídícím PLC/PAC.

Uživatelé Edge systémů si tak musí dobře rozmyslet a rozhodnout, jakou z uvedených Edge jednotek vlastně použít. Pro již existující stávající stroje, které z pohledu jejich základní funkce ještě zcela dostačují a je "jen" potřeba připojit na nový nadřazený vizualizační / managementový / cloudový systém, lze využít Edge bránu (Edge Gateway). Ta například umožní doplnit systém o MQTT nebo OPC-UA komunikace, zajistit lepší zabezpečení komunikace a případně umožňuje nějak konsolidovat / optimalizovat výstupní tok dat přicházející z řídicího PLC stroje na lokální úrovni stroje. Tím může výrazně snížit komunikační latenci, zlepšit IT kybernetickou bezpečnost nebo omezit nutnou velikost cloudových úložišť a databází. Edge zařízení (Edge Device) pak obvykle umožňují již i složitější předzpracování dat a informací (převod jednotek, škálování, výpočet KPI) na úrovni / na hranici stroje. Zařízení je obvykle integrováno do současného řídicí systému stroje na úrovni napojení na společné komunikační sběrnice jako stávající hlavní PLC stroje. Tak může přistupovat i přímo na IoT data přicházející z dostupných lokálních senzorů a chytrých zařízení. Pracuje již jako paralelní jednotka k řídicímu PLC a tak realizuje nové funkce vizualizace a sběru dat bez zatížení stávajícího PLC, aniž by bylo potřeba nějak upravovat jeho stávají firmware/software. Je tak volbou ve stávajících brownfield závodech, které nechtějí měnit řídicí systémy, ale jen doplnit o nové moderní IoT / IIoT prostředky.

Edge kontroléry, jako nejvyšší úroveň současných Edge systémů, pak již v sobě integrují jak PLC/PAC ovládání, tak edge zpracování do jedné jednotky ("krabičky"). Tak nabízejí generační pokrok na bázi PLC a PAC systémů tím, že umožňují bezpečnou komunikaci, deterministické řízení v reálném čase i nedeterministické aplikace pro externí analýzu dat a optimalizování. Integrace řídicích funkcí i edge zpracování dělá z Edge kontrolérů ideální volbu pro nové projekty na zelené louce.

Příklad použití jednotky Edge Contoller již jakou kombinovanou jednotku řízení v reálném čase i náročného vyhodnocení signálů.

Realizace vyspělých Edge kontrolérů

Různé moderní Edge systémy jak z pohledu hardwaru, tak i s pohledu softwaru a softwarových aplikací již dnes má v sortimentu většina velkých výrobců automatizační a řídící systémů a komponent, jako například Emerson, ABB, Siemens, Turck, YASKAWA, a mnoho dalších. Ve všech případech obvykle již jde z pohledu hardwaru o nějaké odolně zapouzdřené jednotky tvořené "počítačovou deskou" s CPU ARM nebo Intel, doplněné o více či méně vlastní specifické periferie, komunikační a připojovací rozhraní, často v rámci jednoho společného SoC systému.

Z pohledu softwaru se často využívá nějakého operačního systému typu Linux, někdy i OS Windows pro potřeby běhu databázových, složitých řídicích a statistických výpočtů a vizualizace. Pro případné real-time řídící funkce se pak paralelně k uvedeným klasickým OS využívá i běh některého Real-Time OS (RTOS). Nejmodernější Edge systémy pak využívají právě výše zmíněné řešení využívající současný paralelní běh i několika různých operačních systémů v rámci jedné Edge jednotky (počítače) díky využití VM (Virtual Machine) softwarových systémů. Tak lze například současně na jednom hardwaru dnes poměrně jednoduše současně provozovat aplikace na OS Linux (například vizualizaci a ovládání) nebo na OS Windows (například MS SQL server / databázi) využívající obvykle LAN (OPC-UA, MODBUS-TCP, MQTT apod.), a i nějaký RTOS pro rychlé základní logické operace pro rychlé jednoduché řídicí funkce, základní sběr dat a průmyslovou komunikaci (například Profibus, Profinet, EtherCAT apod.).

Hlavní vlastnosti moderních Edge kontrolérů:

Zde jsou některé schopnosti skutečně moderních Edge kontrolérů:

Možnost paralelně provozovat více operačních systémů na jednom CPU (VM systémy): Řešení využívající tzv. Virtuální zařízení (Virtual Machines - VM) jsou klíčem ke schopnosti zpracovávat data, realizovat ovládací funkcí, vizualizace i řízení v reálném čase v jediné jednotce ("v jedné krabici"). Například výpočetně / matematicky složité / náročné nedeterministické zpracování dat se realizuje s použitím vyšších programovacích jazyků typu C++, Python, JavaScript apod. na univerzální operační systém (OS), např. jako Linux. Souběžně s tím se však provádí i provoz řízení v reálném čase v systému RTOS (Real-Time OS) používaný pro deterministické řízení. Oba systémy přitom fungují na stejném fyzickém hardwaru. Systém běžící v reálném čase může optimalizovat ovládání zařízení s využitím dat a analytiky poskytované nedeterministickou částí systému. Univerzální systém tak může také pracovat ve spojení s externími datovými zdroji, jako jsou podnikové, finanční, environmentální, a další databáze v napojené LAN i přes internet. Komunikace mezi real-time a systémy, které nejsou v reálném čase, je však nutné bezpečně zajistit, aby byla zachována integrita řídicího systému v reálném čase. Oba OS musí fungovat bezpečným a kooperativním způsobem, to znamená, pokud obecný OS selže nebo havaruje, nemělo by to mít žádný dopad na RTOS.
Možnost použití moderní programovacích jazyků: Dnes se současnými PAC jsou uživatelé zvyklí k vytvoření základní analýzy pomocí IEC 61131-3 jazyky. Oproti tomu Edge kontroléry mohou podporovat na univerzálním operačním systému různé moderní programování jazyky, včetně C++, Java a Python, zatímco standardní jazyky IEC 61131 a C na RTOS. Tyto a další pokročilé jazyky lze použít k aplikaci komplexní optimalizace algoritmů nebo analytiku na operace bez ovlivnění řídicího procesu. Konkrétně jde například o použití tzv. „vnější smyčky“, která může fungovat například jako dlouhodobější analyzující systém, která následně postupně ovlivňuje tzv. rychlé smyčky ovládání procesu (tzv. režim „vidět-myslet-dělat“) a tak postupně optimalizovat / zefektivňovat aplikaci řízení v reálném čase. V případě, že v tomto dojde k nějakému narušení této vnější smyčky, je deterministické řízení rychlé smyčky v reálném čase nedotčeno a nadále poskytuje tutéž funkčnost jako tradiční PAC.
Rychlá vestavba nových funkcí: Klíčovou výhodou Edge technologie je sběr důležitých dat bez ohledu na to, zda tato data jsou či nejsou přítomna v tradičních PLC/PAC regulátorech. Tradičně vývojáři museli otevřít řídicí logiku PLC a integrovat do ní další data a funkce pro rozšíření vlastností systému, což může být nákladný a hlavně potenciálně rušivý krok způsobující změnu původní základní logiky řízení. Při použití Edge jednotky lze využít různá data, která nejsou nutná pro základní řízení stroje, ale jsou vhodná data pro vyhodnocení a organizaci systému (např. výroby či logistiky). To pomáhá uživatelům začít s holistickým přístupem systémového pohledu do optimalizačních aplikací bez nutnosti úpravy samotné strojové řídicí logiky. Data shromážděná na Edge jednotce (doslova na okraji systému) tak mohou být filtrována, zpracována a také normalizována do nějaké standardní struktury umožňující snadné odesílání dále do nadřazeného systému přes OPC UA (Unified Architecture) protokol. Ten se již ustanovil jako preferovaný přístup pro reprezentaci dat, protože je otevřený, bezpečný a strukturovaný.
Robustní provedení: Edge kontroléry jsou na rozdíl od třeba tradičních průmyslových PC odolností dimenzovány na úroveň stroje a bývají tedy dostatečně robustní, aby vydržely vysoké i nízké teploty, rozdíly v kvalitě vzduchu i vyšší vibrace. V tomto směru jsou již dnes obvykle nabízeny standardní provedení alespoň v rozsahu od -20˚ až do 60˚ C (někdy již i vyšší rozsah). Zatímco například tradiční průmyslová PC jsou často limitována teplotami jen v rozsahu 0 až +50 °C. Nemluvě o nízké odolnosti slotů, patic a konektorů proti vibracím.
Bezpečnost: Jeden z klíčů k zabezpečení dat edge řadičů je použití protokolu OPC UA. OPC UA je bezpečná, na platformě nezávislá, škálovatelná a objektově orientovaná architektura pro reprezentaci a sdělování informací. Pomocí OPC UA lze i účinně informace strukturovat. Kromě toho OPC UA poskytuje mechanismus na ochranu důvěrnosti a integritu informací a určuje, zda aplikace jsou důvěryhodné, tedy dnes již základní potřeby průmyslového internetu. OPC UA umožňuje i kontextualizace dat pro lepší analýzu.

Hladinový model moderního Edge kontroléru - zde společnosti Emerson.

Výhody použití Edge kontrolérů:

Vzdálené monitorování stavu řídicího systému: Začlenění konceptů edge computingu do PAC/PLC umožňuje sledovat a diagnostikovat sestavu vzdálených řídicích systémů pomocí cloudových služeb bezpečným způsobem. Přístup k podrobným protokolům chyb, hardwaru a verzím firmwaru umožňují operátorům ladit i chyby vzdáleně, což snižuje provozní náklady a neplánované prostoje. Je dokonce možné aktualizovat ovládací systémy na dálku bezpečným způsobem či provádět vzdálenou opravu závad. Edge regulátory také usnadňují integraci široké řady různých funkcí a vybavení pomocí použití nástrojů pro automatizaci podnikání i standardních IT komunikačních protokolů. To umožňuje dosáhnout nové úrovně podnikové automatizace, včetně efektivní údržby a zásobování, kterou lze napojit i na zařízení dodavatelů třetích stran i také odběratelů.
Využití služeb prediktivní analýzy: Pomocí nejnovějších Edge kontrolérů je možné realizovat již i funkce prediktivní analýzy provozních dat a poté proaktivně optimalizovat kontrolní akce. Tento proces je podobný tradiční procesní dopředné kontrole, kde se procesní proměnné používají k předvídání změn dříve, než k nim dojde.
Integrace hlasového ovládání člověk-stroj (hlasové HMI rozhraní): Hlasoví asistenti se stále více prosazují ve spotřebitelském prostoru a edge ovládací prvky poskytují bezpečnou strategii pro jejich začlenění i do průmyslového HMI. Pomocí IoT softwarové sady třetích stran, jako je např. Amazon AWS IoT Greengrass, umožňují Edge kontroléry již poměrně snadno integrovat hlasové asistenty do systémů (například Amazon Alexa). Tento druh technologie lze použít spolu s HMI vizualizačními systémy bezpečným způsobem a mohou poskytnout zvýšení produktivity, snížení nákladů na školení a čas na odstraňování problémů.

Závěr

Použití Edge kontrolérů (řadičů) je v hodné v závislosti na tom, jakou úroveň řízení a hlavně komunikace do nadřazeného systému je od dané aplikace, stroje či zařízení vyžadováno. Někdy může stačit opravdu použít jen "tradiční" PLC a nějakou tzv. Edge či IoT bránu, která poskytne požadované funkce vytvořením dostatečně zabezpečeného komunikačního rozhraní MQTT nebo OPC-UA pro nějaké napojení na cloudový server. Tato kombinace může vyjít levněji a hlavně z pohledu zprovoznění uživatelsky přívětivěji než kompletní Edge kontrolér jednotka. V budoucnu se však pravděpodobně pojem PAC/PLC a Edge kontrolér zcela propojí. Již v letošním roce prezentované novinky na poli PAC/PLC tomu nasvědčují. Takže nakonec otázka, zda volit PLC či Edge kontrolér asi jako taková postupně zanikne.