Integracja odmiennych systemów sterowania

Postęp w dziedzinie otwartych systemów i technologii sieciowych jest dla dostawców i producentów dowodem na to, że odpowiednia technologia może, z korzyścią dla wszystkich, stworzyć most między odizolowanymi niegdyś „wyspami automatyki”.
Jak mówią słowa pewnej popularnej piosenki, to miłość nas jednoczy. Ale jeśli chodzi o dzisiejsze środowisko produkcyjne, to raczej protokoły, sieci i normy są więzami, dzięki którym mamy ze sobą kontakt i komunikujemy się. Narzędzia te powstają niemalże jak grzyby po deszczu, łącząc nasze zakłady przemysłowe na nowe i użyteczne sposoby i bezprecedensowo zwiększając wydajność produkcji.

Duży wybór bram, routerów i terminali pomaga producentom w integracji odmiennych systemów sterowania. Wśród produktów są także nowej generacji terminale ethernetowe Beckhoff Automation, których można używać do przygotowania jasnej i otwartej ścieżki migracji. Podzespół ten zapewnia bezpośredni interfejs z węzłami we/wy EtherCAT dla różnych urządzeń, w tym Profibus, DeviceNet i CANopen.
Nie tak dawno temu hala produkcyjna charakteryzowała się tym, że występowały w niej „wyspy automatyki” – podzespoły, maszyny i systemy działające niezależnie od siebie i oddzielone od zarządzania i innych funkcji. Procesy były wolniejsze i często trudne do zoptymalizowania, zaś dane do pomiaru wydajności, zaplanowania konserwacji i określenia zyskowności trudno było uzyskać – lub było to wręcz niemożliwe.
Cóż więc takiego się stało, że możliwe jest łączenie urządzeń, z którego korzysta dziś przemysł? – Postęp techniczny udostępnił nam świat automatyzacji i produkcji zupełnie inny od tego, jaki był zaledwie 10 lat temu – twierdzi inżynier i specjalista ds. zarządzania projektami Joey Stubbs, przedstawiciel North American, Grupa Technologii EtherCAT. – W zasadzie technika jest dziś w stanie pokonać wszystkie bariery sieciowe. Można na przykład zainstalować montowany na szynie DIN komputer PC obsługujący system EtherCAT, który jest w stanie posługiwać się kilkoma innymi protokołami. Choć być może nie byłby to najbardziej wydajny ani nawet najbardziej efektywny kosztowo system, ale potencjalnie byłoby to możliwe.
– W miarę jak technika ewoluuje w tak szybki sposób i w rekordowym tempie – i jest to szczególnie oczywiste w dziedzinie elektroniki konsumenckiej – to samo stało się z oczekiwaniami dostawców i użytkowników końcowych dotyczącymi automatyki przemysłowej – dodaje Thomas J. Burke, prezes i dyrektor generalny OPC Foundation. – Dzisiejsza gospodarka i wszystko z tym związane – od automatyzacji budynku, bezpieczeństwa i koncepcji inteligentnej sieci – wzmacnia potrzebę tworzenia otwartych systemów przemysłowych, które rozciągają się na wszystkie domeny i zapewniają prawdziwą integrację informacji.
Rozważając co, dlaczego i jak
Rzeczywiście, istnieje wiele powodów, by połączyć dziś odmienne systemy produkcyjne i jeszcze więcej sposobów, jak można to zrobić. Współczesna branża produkcyjna używa różnych maszyn i stosuje różnorodne procesy, które – jeśli przemysł ma być zdolnydo konkurencji na poziomie globalnym, a to jest dziś konieczne – muszą komunikować się między sobą, a także kompilować i wymieniać informacje między wszystkimi urządzeniami w zakładzie. Czy chodzi o zautomatyzowane składanie zamówień i produkcję JIT (Just-In-Time) w przemyśle motoryzacyjnym, czy też śledzenie i identyfikowanie danych potrzebne do przetwarzania partii w przemyśle farmaceutycznym i półprzewodnikowym, wymiana informacji stała się podstawą umożliwiającą optymalną pracę systemów produkcyjnych.

Niezależnie od tego, w jaki sposób uzyskano łączność lub integrację, wydajny przesył danych oznacza wymianę tylko tych informacji, które są potrzebne. Systemy, które minimalizują potrzebę posiadania wielu kosztownych pakietów oprogramowania lub zmniejszają koszt elektroniki, prowadzą do lepszej kontroli procesu, lepszych produktów i większej zyskowności. Joey Stubbs sugeruje, że stosowane metody powinny mieć trzy wspólne cele. Powinny być połączone w taki sposób, by:

  • przesyłały dane w sposób wydajny, np. przesyłanie danych na czas, jak w przypadku systemów sterowania działających w czasie rzeczywistym,
  • obniżyły koszty związane z zarządzaniem oprogramowaniem tłumaczącym dane lub elektroniką, która ułatwia tłumaczenie,
  • działały, powodując niewielkie obciążenie, bez konieczności poświęcania dużych ilości mocy obliczeniowej na przeprowadzanie tłumaczeń, zwłaszcza gdy moc tę można byłoby lepiej wykorzystać do faktycznej produkcji lub kontroli procesu.

Dzisiejsze systemy przechodzą długą drogę, by móc właśnie to robić. Mosty łączące niepodobne do siebie podzespoły i urządzenia można tworzyć w obrębie jednego poziomu zakładu, a także między poziomami. Jak twierdzi Corey McAtee, kierownik ds. marketingu technicznego w firmie Beckhoff Automation, automatyka przemysłowa i sterowanie działa na trzech różnych wyspach lub warstwach – maszynie, procesie i fabryce:

  1. Architektury sterowania na poziomie maszynowym zawierają środki bezpieczeństwa i funkcje, takie jak sterowniki PLC, cyfrowe sterowanie napędami i monitorowanie stanu, które tradycyjnie do tej pory były oddzielne, ale teraz łączy się je ze sobą. Dzięki wysokiej popularności otwartych standardów i technologii wśród wielu dostawców te maleńkie wyspy można łatwiej łączyć mostami w miarę jak sieci fieldbus, takie jak EtherCAT, stają się zdolne do wykonywania wielu funkcji w sterowniku urządzenia.
  2. „Wyspy procesowe”. Niewiele urządzeń działa samodzielnie; są one częścią linii lub procesu. – Wytwórca może kupić trzy maszyny od trzech różnych sprzedawców – twierdzi McAtee – a wszystkie one muszą współpracować i wymieniać się między sobą informacjami. Standardy takie jak OPC-UA (architektura zunifikowana) pomagają w wymianie danych za pośrednictwem oprogramowania, łącząc mostami te wyspy za pomocą ustalonych formatów, dzięki którym łatwiej jest opanować obsługę. Wymiana informacji udaje się, ponieważ dane są zunifikowane, spójne i zgodne.
  3. „Wyspy fabryczne” obejmują swoim zasięgiem całą firmę i zawierają funkcje komunikacji wyższego poziomu mające decydujące znaczenie dla zarządzania. Wymiana danych zawsze wymagała dużej ilości elektroniki i oprogramowania w celu tworzenia, zbierania i zachowywania informacji. – Jednak wbudowanie narzędzi programowych takich jak OPCUA w systemy wyższego poziomu upraszcza proces i bariery przestają istnieć – twierdzi McAtee.

Burke dokładniej wyjaśnił tę koncepcję.
– Dziś wyspy informacji muszą być ściśle zintegrowane, ponieważ firmy starają się poprawić bilans poprzez przeprowadzaną na czas wymianę danych między odmiennymi systemami. Wiele lat temu, gdy systemy prawnie chronione dominowały w zastosowaniach fabrycznych i procesowych, niewiele osób martwiło się o integrację danych między podzespołami, czy też przez firmowe „firewalls”. Nie istniał Internet w obecnej formie. Teraz każdy chce mieć zintegrowane wszystkie typy informacji w sposób bezpieczny i niezawodny.
Oprogramowanie ułatwia i upraszcza
Technologie otwarte, takie jak OPC i jej warianty – wraz z udoskonaleniami Ethernetu i jego odmianami, który jest de facto standardem stosowanym w dzisiejszych systemach wykorzystywanych przez przedsiębiorstwa – dosłownie otworzyły drzwi do wyrafinowanej interoperacyjności, łącząc dotychczas oddzielne procesy automatyki. Standardowe protokoły są zrozumiałe, elastyczne, efektywne kosztowo i oczywiście otwarte. To one, bardziej niż cokolwiek innego, umożliwiają systemom sterowania porozumiewanie się ze sobą. Korzyści takie jak funkcje sieciowe – rzecz zwyczajna w warstwie przedsiębiorstwa – migrują do świata elementów sterujących i w miarę jak coraz większa liczba producentów wprowadza te technologie, znajduje się coraz więcej sposobów na rozszerzenie ich zakresu zastosowań.
– Istnieje jednak pewne zastrzeżenie: to, że dany protokół komunikacyjny jest „standardowy”, nie oznacza, że jest on otwarty – podkreśla Stubbs. – Prawdziwie otwarty protokół musi charakteryzować się trzema cechami:

  1. Protokół ten musi być standardem międzynarodowym (na przykład IEC czy IEEE). Specyfikacja musi być możliwa do zakupienia bezpośrednio od urzędu standaryzacyjnego.
  2. Posiadacz własności intelektualnej (IP) musi pozwalać konkurentom i osobom trzecim na implementację protokołu w ich systemach lub urządzeniach.
  3. Urządzenia od dostawców zewnętrznych muszą łatwo dawać się skonfigurować we wszystkich systemach sterowania, zwłaszcza w sterowniku posiadacza własności intelektualnej.

– Bardziej niż jakikolwiek inny czynnik, popyt i potrzeba łączenia odmiennych produktów spowodowały, że możliwość wzajemnego podłączania i interoperacyjność osiągnęły obecny poziom – stwierdza Tony Paine, prezes Kepware. – Zanim pojawiło się OPC, sprzedawcy musieli tworzyć złącze do sterownika za każdym razem, gdy chcieli dokonać podłączenia do jakiegoś podzespołu. Osiągnęli punkt, w którym nie chcieli, by niemożność podłączenia była barierą w sprzedaży produktów i zaczęli tworzyć zestawy narzędzi pozwalające użytkownikom końcowym i producentom OEM tworzyć swoje własne metody komunikacji. Ale systemy nadal uzależnione były od technologii jednego sprzedawcy. Następnie kilku wiodących dostawców automatyki stworzyło specyfikację dotyczącą aplikacji sterowania procesem i automatyką produkcyjną (OPC), która uprościłaby interoperacyjność w oparciu o najnowszą technologię Microsoftu dostępną w owym czasie. Rezultat – opracowanie setek aplikacji obsługujących dostęp do danych OPC, ułatwiających odczyt i zapis informacji z urządzeń, podzespołów i systemów za pośrednictwem wspólnego interfejsu.
Wynikłe z tego możliwości współpracy i spójności okazały się być dobrym interesem, a oprócz tego także katalizatorem, który przeniósł oczekiwania użytkowników na wyższy poziom. Gdy tylko interoperacyjność stała się dostępna w hali produkcyjnej, firmy zapragnęły komunikacji między urządzeniami i współdzielenia danych. – Standardy i specyfikacje OPC pomagają w realizacji tego celu – dodał Paine, wspominając o OPC-UA, która pomaga w bezpiecznym przesyle danych przez Internet, co jest jednym z niedawnych udoskonaleń. (Więcej informacji na temat OPC i OPC-UA znajduje się w ramce „OPC: następna generacja”).
Wykorzystywanie mocy Ethernetu
Podczas gdy otwarte protokoły pomogły łączyć odmienne systemy w jeden sposób, Ethernet i jego odmiany oraz udoskonalenia wpłynęły na to innymi sposobami. Nie upłynęło wiele czasu zanim Ethernet, od momentu swojego powstania, stał się de facto standardem w dziedzinie systemów stosowanych w przedsiębiorstwach. Następnie – dzięki udoskonaleniom, które według wielu miały nigdy nie powstać – pojawił się w sieciach typu fieldbus i automatyce. W chwili obecnej dostępnych jest wiele protokołów sieciowych wykorzystujących Ethernet i trafiają one do branży automatyzacyjnej. (Więcej informacji na temat typów Ethernetu znajduje się w ramce „Wiele smaków Ethernetu”.)
– Istnieje wiele protokołów wykorzystujących Ethernet – twierdzi Mike Hannah, kierownik ds. sieci EtherNet/IP w firmie Rockwell Automation. – W przeciwieństwie do EtherNet/IP, wiele z nich to sieci dedykowane przeznaczone do konkretnych celów, więc nawet mimo tego, że umożliwiają one interoperacyjność na pewnym poziomie, integracja odmiennych funkcji – ruch, wejścia/wyjścia i interfejsy operatora – na przykład z dyspozytorniami w przedsiębiorstwie nadal może być skomplikowana, wymagając zazwyczaj dodatkowego programowania i bram w celu przesyłu danych.
Rzeczywiście, Ethernet nie jest interoperacyjny sam z siebie, ale pomaga elektronice w wymianie i dzięki niemu wymiana informacji między maszynami jest szybsza, lepsza i prostsza. – W przeszłości, jeśli pakiety HMI instalowano na dwóch maszynach w celu zbierania danych z kilku urządzeń, z których każde próbowało uzyskać tę samą informację, dwóch różnych operatorów mogło zobaczyć na ekranie różne dane w zależności od koordynacji w czasie – dodał Paine z Kepware.
– Ethernet umożliwił tworzenie architektur rozproszonych. Teraz serwer OPC na jednej maszynie może działać jako brama tak, by wszystkie interfejsy człowiek-maszyna albo aplikacje klienckie zbierały dane z jednego źródła i wyświetlały to samo w tym samym momencie.
– Zaledwie dwa lata temu systemy wielosieciowe powszechnie występowały w halach produkcyjnych. Trudno było przesłać dane ze źródła do miejsca, w którym były one potrzebne, w celu podjęcia decyzji – stwierdza dalej Hannah. – Rozwiązania jednosieciowe, takie jak EtherNet/IP (standardowy, ethernetowy protokół TCP/IP wykorzystujący CIP, Wspólny Protokół Przemysłowy ODVA), są pożądane w środowisku automatyki. Sieć, która może współistnieć z siecią IT Ethernet (Ethernet IP), umożliwia przesył informacji, automatykę napędów, funkcje bezpieczeństwa, we/wy i sterowanie maszynami na tym samym przewodzie.
Zdolność Ethernetu do funkcjonowania w środowisku automatyki nadal zaskakuje niektóre osoby, które twierdzą, że nie jest on wystarczająco deterministyczny dla wielu funkcji systemu sterowania. – To w pewnym sensie prawda, że Ethernet z natury nie jest deterministyczny – przyznaje Hannah. – Ale rozwijające się technologie ethernetowe, jak na przykład IEEE 1588, norma dla protokołu precyzyjnej synchronizacji zegara do sieciowych systemów kontrolno-pomiarowych (Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems), eliminują konieczność stosowania proxy i produktów do magazynowania i przesyłania danych podczas łączenia systemów sterowania. Ten protokół precyzyjnej synchronizacji czasu (precision time protocol) umożliwia stworzenie sieci deterministycznej i pozwala, by funkcje, takie jak precyzyjna automatyka napędów i sekwencjonowane alarmy i zdarzenia, działały w tej samej sieci co systemy informatyczne.
Nie uniwersalny tłumacz, ale…
Integracja nadal nie jest procesem prostym i jednoznacznym, jednak w dziedzinie tej dokonał się ogromny postęp. W przyszłości czekają nas jeszcze większe udoskonalenia. Producenci muszą uznać, że istnieje niezliczona liczba opcji i alternatyw i muszą ostrożnie podejmować decyzje dotyczące zdolności łączenia urządzeń. Istnieje tyle sposobów łączenia systemów sterowania lub przesyłania danych do przedsiębiorstwa, ile jest zakładów produkcyjnych.
Możliwości są nieograniczone, jako że faktem stała się interoperacyjność i wymiana danych, o których kiedyś można było tylko pomarzyć. Jeśli jakiś system zawiera informacje, to prawdopodobnie ktoś pracuje nad sposobem pobrania ich i przesłania do komputera. Większe przeszkody powoduje dziś mentalność wewnątrz organizacji. Stworzenie mostu nad przepaścią kulturową, jaka dzieli IT i produkcję, jest możliwe i być może jest to wyzwanie większe niż wdrożenie technologii. – Duża część tego, co robimy dziś w dziedzinie sterowania, to niekoniecznie coś nowego – twierdzi McAtee. – Najważniejsze bariery, które oddzielają systemy sterowania, nie są natury technicznej. Sprzeciwianie się zmianom spowalnia proces.
Mimo że stworzenie uniwersalnego tłumacza do systemów sterowania jest nadal maleńką plamką majaczącą na horyzoncie, osiągnięto znaczne postępy na drodze do używania tego samego języka komunikacji, zaś przyszłość obiecuje jeszcze więcej. – Widzę przyszłość, w której konfiguracja linii maszyn wykorzystuje moc technologii plug and play, takiej jak OPC-UA – twierdzi Mc-Atee. – Zaawansowane technicznie maszyny wykrywałyby, jakiego dostawcy urządzenia zainstalowano, jakie standardy są w użyciu i urządzenia mogłyby się komunikować.
– Najnowsza wersja OPC jest niezależna od platformy – dodaje Paine z Kepware. – Działa lepiej z danymi urządzeń i jest w stanie działać poza środowiskiem automatyki – w miejscach takich jak Smart Grid i dalej. Ekscytujące będzie obserwowanie, dokąd zmierza technologia.
Pamiętajmy o tym i przeprośmy Johna Donne – żaden system sterowania nie jest dziś samotną wyspą… i nie powinien być. (John Donne – 1572–1631 – angielski poeta, przedstawiciel nurtu poezji metafizycznej, autor motta „No man is an island” – przyp. tłum.)
CE