Technologia komunikacji ?maszyna z maszyną? (M2M) to podstawowy element sieciowych systemów wymiany danych w aplikacjach przemysłowych, wnoszący do nich nową jakość i zwiększający ich efektywność.
Zastosowanie technologii komunikacyjnej ?maszyna z maszyną? (M2M) w nowoczesnych aplikacjach produkcji przemysłowej pozwala czujnikom i sterownikom na sprawne pozyskiwanie i przekazywanie niezbędnych danych procesowych na bieżąco, w trakcie realizacji procesów produkcyjnych. Technologia ta sprawdza się zarówno w nowych systemach sieciowych, jak i przy integracji z systemami starszymi ? np. łączami komunikacji szeregowej itp.
Trzeba pamiętać, że omawiana technologia stanowi zawsze tylko pewną część większego i bardziej skomplikowanego systemu sieciowego i w przemyśle zwykle obejmuje najniższy poziom dwukierunkowej komunikacji sieciowej między czujnikami i elementami wykonawczymi, sterownikami PLC, elementami systemów SCADA oraz systemami planowania i zarządzania zasobami przedsiębiorstwa oraz planowania dostaw i odbiorów. Elementy technologii M2M są zwykle jednymi z pierwszych implementowanych przy tworzeniu nowych struktur komunikacji sieciowej, stanowiąc niejako ich fundament i element wyjściowy, rozbudowywany w kolejnych etapach.
Wcześniej, przed pojawieniem się rozwiązań M2M, w systemach automatyki przemysłowej pomiędzy czujnikami, elementami wykonawczymi i ich sterownikami stosowano klasyczne, bezpośrednie połączenia kablowe. Przykładem współczesnego rozwiązania, bazującego już na technologii M2M, mogą być czujniki analogowe, mierzące rzeczywiste parametry w ich otoczeniu, połączone sieciowo z modułami przetwarzania i analizy tych danych pomiarowych, które na podstawie tychże danych generują odpowiednie sygnały do systemu sterowania i monitoringu. Inny przykład z kolei to układy przetwarzania cyfrowych sygnałów sterujących z systemu sieciowego na analogowe sygnały wykonawcze dla modułów wykonawczych.
Wiele współczesnych maszyn budowanych jest w postaci modułów analogowo-cyfrowych, dlatego też ich producenci i monterzy mają szerokie możliwości wyboru różnych komponentów (podnośniki, taśmociągi, sterowniki, siłowniki itp.), które mogą w rezultacie współpracować w różnych konfiguracjach, specjalizowanych dla konkretnych odbiorców ? inwestorów. Tu właśnie w pełni pokazuje swe walory technologia M2M, której zadaniem bezpośrednio po połączeniu tych modułów jest ich rozpoznanie i automatyczne skomunikowanie. Dzięki temu znacznie przyspiesza się proces wzajemnej integracji i nawiązania połączeń wymiany danych pomiędzy samymi urządzeniami oraz z ich sterownikami, bez dodatkowego programowania czy konfigurowania.
Aktualnie na rynku pojawia się nowa generacja modułowych, ?inteligentnych? urządzeń i maszyn do systemów automatyki przemysłowej, dzięki którym będą one mogły być bardziej rozproszone, bazujące na idei lokalnego sterowania. To efekt ogólnej tendencji do zwiększenia szybkości reakcji systemów na zmiany parametrów czy sygnały alarmowe, skutkującej przenoszeniem realizacji wielu funkcji logicznych do coraz niższych poziomów hierarchii systemowej, najlepiej na lokalnym poziomie, jak najbliżej samych czujników i powiązanych z nimi elementów wykonawczych. Takie lokalne sterowanie będzie używane np. do obsługi i sterowania elementami bezpieczeństwa (kurtyny świetlne, drzwi bezpieczeństwa itp.), bez konieczności posiłkowania się komunikacją magistralową. We wcześniejszych systemach sterowania zwykle realizacja funkcji systemowych odbywała się na zasadzie komunikacji danych pomiędzy sterownikami bądź wysyłaniu przez nie i odbiorze komunikatów ze sterownika nadrzędnego ? centralnego. Obecnie, dzięki postępowi technologicznemu, nie tylko możliwa jest realizacja systemów bardziej rozproszonych, ale również z wykorzystaniem komunikacji bezprzewodowej, stanowiącej w wielu przypadkach rozwiązanie praktycznie bez żadnej alternatywy. Moduły bezprzewodowe z niskim poziomem poboru energii w trakcie pracy mogą być zastosowane w wielu aplikacjach, gdzie klasyczne połączenia przewodowe nie sprawdzają się lub w ogóle nie mogą być zastosowane. Dlatego też tak wiele zakładów przemysłowych decyduje się obecnie na ich wdrożenie, wraz z innymi rozwiązaniami charakterystycznymi dla technologii M2M. Technologie te odgrywają kluczową rolę we współczesnych systemach automatyki zakładów przemysłowych, zwłaszcza przy obsłudze procesów produkcyjnych i przetwórczych. Dlatego przy ich opracowywaniu szczególny nacisk kładziony jest na komunikację bezpośrednią między urządzeniami oraz systemami zarządzania zasobami w przedsiębiorstwie.
W ostatnich latach olbrzymią ewolucję przechodzą technologie serwerów OPC i wbudowanych modułów komunikacyjnych, szczególnie w odniesieniu do sterowników przemysłowych, łączności z modułami I/O i innymi modułami dedykowanymi do lokalnych sieci komunikacyjnych i sterowania. Zwiększa się też liczba systemów operacyjnych umożliwiających obsługę takich systemów, włącznie z technologiami M2M. Znaczącą rolę w rozwoju i postępie implementacji tych technologii odgrywa Fundacja OPC, która zapewnia wsparcie specyfikacji standardów i dopasowania technik komputerowych do specyficznych wymogów implementacji w systemach dedykowanych dla przemysłu. Standardy OPC bazują na platformach programowych i sprzętowych o otwartych specyfikacjach, zapewniając tym samym pełną integrację i interoperacyjność sprzętu oraz oprogramowania, pochodzących od różnych producentów. Dostawcy tych ostatnich ściśle współpracują z Fundacją OPC w wielu grupach roboczych, między innymi OPC Unified Architecture ? OPC UA (Zunifikowanej Architektury Systemowej). Opracowana przez ten zespół platforma systemowa nie jest zależna od żadnej specyficznej aparatury czy systemu operacyjnego. Wspiera między innymi system Windows, Linux i inne, dając integratorom możliwość wyboru i dopasowania. Standard OPC wspiera również rozwój wielu typów interesów sieciowych i systemowych, co jeszcze bardziej zwiększa jego uniwersalność.
Aktualnie podstawowym trendem i kierunkiem rozwoju technologii M2M dla przemysłu jest jak najbardziej efektywne wykorzystanie pozyskanych danych procesowych, tak by zwiększyć wydajność, niezawodność i szybkość funkcjonowania aplikacji przemysłowych. Sterowniki i moduły systemowe OPC, wraz z procedurami interoperacyjnymi stają się coraz bardziej ?inteligentne? w pozyskiwaniu danych i ich wykorzystaniu w sterownikach do automatycznego generowania niezbędnych komunikatów czy alarmów itp. Sprzyja to właśnie bardziej efektywnemu wykorzystaniu samych danych pozyskanych do systemu z czujników oraz przekazaniu do elementów wykonawczych rozkazów napływających z systemów nadrzędnych. Moduły obsługiwane w takim systemie mogą pochodzić od różnych producentów, przy spełnieniu wszystkich standardów związanych platformą OPC, dotyczących poziomu sprzętowego i programowego. W założeniu grupy OPC UA opracowana przez nich architektura systemowa zagwarantuje jednolitość sposobów prezentacji danych, ich transmisji i użytkowania. Standard OPC w ciągu ostatnich kilku lat zyskał i zyskuje coraz większą popularność w branży automatyki przemysłowej, pozwala bowiem na swobodne i pewne integrowanie różnych platform sprzętowych, bez większych problemów i ograniczeń. Może również z powodzeniem funkcjonować w systemach z transmisją danych w tzw. czasie rzeczywistym.
System OPC najlepiej sprawdza się w systemach rozproszonych o otwartej architekturze typu klient/serwer. Wówczas serwer OPC ? aplikacja programowa funkcjonująca jako swego rodzaju interfejs programowy lub konwerter protokołów, łączy się z innymi urządzeniami w systemie, jak chociażby zdalne terminale, sterowniki PLC, nadrzędne systemu monitoringu i inne moduły rozproszone. Oprogramowanie OPC z kolei integruje się ze wszystkimi źródłami danych, takimi jak bazy danych czy graficzne interfejsy użytkownika, przechwytując dane i tłumacząc je na format zgodny ze standardami platformy OPC. W tej formie mogą być one dwukierunkowo przesyłane pomiędzy urządzeniami systemowymi ? M2M oraz do modułów obróbki danych, generacji wykresów, trendów, interfejsów HMI lub innych, zgodnych ze standardem OPC. Każdy klient OPC może wyświetlić te dane lub wysłać na ich podstawie komunikat czy komendę. W ten sposób systemy sieciowe związane z najniższymi warstwami topologii sieci przemysłowych stopniowo ewoluują w kierunku systemów z komunikacją lokalną, bazującą na architekturze OPC.
Większość producentów oprogramowania dedykowanego do obsługi aplikacji przemysłowych coraz częściej implementuje w swoich produktach funkcjonalność klienta OPC, ponieważ dzięki temu mają możliwość stworzenia narzędzia z perspektywą obsługi wielu tysięcy dostępnych na rynku modułów stosowanych w najrozmaitszych aplikacjach: maszynach, procesach, sterownikach itd. Tylko dzięki takim zabiegom istnieje szansa, że dane narzędzie programowe zostanie wybrane i wykorzystane przez integratorów systemów automatyki, zaistnieje na rynku i ma szansę zdobyć zaufanie i uznanie odbiorców. Wejście standardu OPC miało i ma bardzo pozytywny wpływ na rozwój rynku technologii M2M. Wzrosła znacząco współpraca między dostawcami narzędzi tej technologii. Standard ten znacząco rozwinął też rynek otwartych, niezależnych od konkretnych producentów sieciowych standardów komunikacyjnych, dając odbiorcom końcowym możliwość wyboru i swobodę w rozbudowie systemów sterowania, korzystania z różnych technologii i platform osprzętowych, dzięki możliwości swobodnego przepływu informacji pomiędzy podsieciami i bezpośrednio między urządzeniami i modułami sieciowymi.
Obszar zastosowań technologii M2M rozszerza się też znacznie poprzez wejście na rynek technik komunikacji bezprzewodowej i tzw. systemów wbudowanych. Coraz bardziej ograniczane zasoby budżetowe firm, redukcję zatrudnienia i tzw. odchudzanie procesów (z ang. leaning), zmuszają producentów do wykonywania więcej za mniej. Stąd coraz więcej uwagi inżynierowie poświęcają usprawnieniu architektury systemów automatyki, monitoringu i zarządzania zasobami zakładów, ich decentralizacji, rozproszeniu, podniesieniu ?poziomu inteligencji?. Powodzenie technologii M2M ściśle zależne jest właśnie od tych czynników, bazuje bowiem na idei lokalnego sterowania maszynami i urządzeniami, bez konieczności przepływu informacji przez systemy nadrzędne. Wziąwszy powyższe pod uwagę, należy przypuszczać, że technologia ta ma przed sobą dobre perspektywy i w coraz większym stopniu będzie stosowana w aplikacjach przemysłowych.
Artykuł pod redakcją dr. inż. Andrzeja Ożadowicza ? AGH Kraków
CE
