Korzystanie z chmury obliczeniowej w przemysłowych aplikacjach IoT

Fot. 1. Inteligentny terminal RTU ADAM-3600 firmy Advantech z bezprzewodową transmisją danych

Systemy automatyki przemysłowej coraz częściej korzystają z usług w chmurze obliczeniowej, stanowiącej tanią i bezpieczną metodę gromadzenia danych oraz dającej możliwość przewodowego i bezprzewodowego dostępu do danych z dowolnej lokalizacji na świecie. Przemysłowe aplikacje IoT są często stosowane do monitorowania i kontroli zasobów rozproszonych w różnych lokalizacjach geograficznych, często narażonych na ekstremalne warunki środowiskowe, np. z sektora wydobywczego, energetycznego i gospodarki wodnej.

Pierwszym krokiem jest dostarczenie do chmury odpowiednio sformatowanych danych pochodzących z różnych komponentów i systemów automatyki. Zadanie to komplikuje wiele wykorzystywanych obecnie protokołów i sieci przemysłowych. Można temu zaradzić, stosując sprzętowe koncentratory komunikacyjne. Nie są to urządzenia nowe, lecz ich możliwości są stale rozszerzane.

Dwa najważniejsze typy koncentratorów to terminal RTU (Remote Terminal Unit) i bramka dostępowa, różniące się blokiem I/O. RTU zawiera dyskretne i analogowe linie I/O umożliwiające bezpośrednie podłączanie czujników, zaworów, silników i innych elementów automatyki. Nie zawierają ich natomiast bramek dostępowe, będących urządzeniami przeznaczonymi wyłącznie do transmisji danych.

Oba typy koncentratorów są wyposażone w niezbędne porty oraz zapewniają obsługę niezbędnych protokołów pozwalających zebrać dane z systemów przemysłowych, a następnie wysłać je do chmury. Najczęściej zawierają wbudowany webserwer, pozwalający użytkownikom stworzyć wewnętrzną stronę WWW ułatwiającą zdalne konfigurowanie i monitorowanie pracy.

ZALETY TERMINALI RTU

Fot. 2. Przemysłowa bramka dostępowa ECU-1152 firmy Advantech

Wszędzie tam, gdzie aplikacja IoT wymaga monitorowania i nadzorowania urządzeń podłączonych bezpośrednio za pomocą linii analogowych lub cyfrowych, należy najpierw rozważyć możliwość zastosowania terminalu RTU. Terminale RTU cechują się dużą liczbą listew zaciskowych i linii I/O umożliwiających bezpośrednie podłączanie urządzeń peryferyjnych (fot. 1).

Terminale RTU ze stałą liczbą portów I/O są prostsze i tańsze, lecz te z możliwością rozszerzenia ułatwiają z kolei rozbudowę systemu w przyszłości i zapewniają kompatybilność z większą liczbą sygnałów. Choć są droższe i bardziej złożone, umożliwiają użytkownikowi korzystanie tylko z jednej grupy produktów modyfikowanych w zależności od potrzeb.

ZALETY BRAMEK DOSTĘPOWYCH

Choć bramki dostępowe nie zawierają żadnych linii I/O do bezpośredniej komunikacji z urządzeniami peryferyjnymi, kompensują to dużą liczbą portów komunikacyjnych (fot. 2). Typowo dostępnych jest tu kilka portów szeregowych i/lub Ethernet, które mogą być konfigurowane w zależności od potrzeb.

Choć przemysł w dużej mierze przestawia się na ten drugi standard, wciąż na rynku dostępnych jest wiele urządzeń komunikujących się przez port szeregowy, oferujący m.in. możliwość stosowania dłuższych kabli komunikacyjnych. Bramki dostępowe zawierają większą pamięć wewnętrzną niż terminale RTU, co daje większą elastyczność, jeśli chodzi o zarządzanie danymi i przetwarzanie wstępne wewnątrz urządzenia.

Choć bramki dostępowe oferują zbliżoną moc obliczeniową do terminali RTU, nie przeprowadzają w odróżnieniu od nich aktywnych operacji sterowania, tak więc odpowiedź w czasie rzeczywistym nie jest tu parametrem krytycznym. Z tego względu wymagają mniejszego poboru mocy, co czyni je lepszym wyborem np. w lokalizacjach zasilanych energią słoneczną.

PRZYKŁAD ZASTOSOWAŃ

Fot. 3. Schemat przykładowej instalacji wodociągowej

Przepompownie są najważniejszymi węzłami instalacji wodociągowych, wymagającymi niezawodnej sieci terminali RTU i bramek dostępowych oraz łączności z chmurą obliczeniową. Na rysunku 1 przedstawiono typowy schemat takiego systemu.

Zazwyczaj przepompownie są rozłożone na dużym obszarze. Każda z nich musi być w stanie funkcjonować autonomicznie, a równocześnie wszystkie są monitorowane i nadzorowane z centralnej dyspozytorni. Tradycyjne połączenia kablowe, a nawet wydzielone systemy komunikacji bezprzewodowej łączące wszystkie węzły stanowią tu znaczny wydatek, ale istnieje na szczęście lepszy sposób komunikacji.

Zainstalowanie terminalu RTU w każdym z węzłów pozwala uzyskać rozbudowaną platformę sterowania obejmującą dowolną kombinację połączeń. Autonomiczne strategie sterowania realizuje się w oparciu o lokalne linie I/O, mogące być uzupełniane o połączenia Wi-Fi pozwalające ograniczyć koszty okablowania. Można tu też łatwo integrować bardziej specjalizowane urządzenia i podsystemy korzystające z połączeń ZigBee lub przewodowego protokołu komunikacyjnego DNP3.

W lokalizacjach o dużej liczbie urządzeń wymagających komunikacji przez porty szeregowe lub ethernetowe można zastosować jedną lub więcej bramek dostępowych. W zależności od specyficznych wymogów konkretnego węzła, bramki te mogą stanowić uzupełnienie terminali RTU lub też mogą być stosowane same, gdy nie jest wymagane korzystanie z lokalnych linii I/O ani z logiki PLC zintegrowanej w terminalach RTU. Bramki w razie potrzeby mogą zbierać i wstępnie przetwarzać dane.

Każdy z koncentratorów może się komunikować z chmurą obliczeniową, korzystając z technologii LTE, 3G/4G lub GPRS. Urządzenia te są kompatybilne z technologią TagLink i mogą być łatwo skonfigurowane do raportowania danych do chmury obliczeniowej WebAccess rozpowszechniającej je do różnych platform. Po opublikowaniu danych w chmurze, użytkownicy posiadający stosowne uprawnienia mogą uzyskiwać do nich dostęp z dowolnego miejsca na świecie, korzystając z komputerów stacjonarnych, laptopów, tabletów czy smartfonów.

Rafał Rajczonek
Key Account Manager
Advantech Polska
www.advantech.eu