PLCnext Technology w obliczu rozwoju IIoT i przemysłu 4.0

GENEZA POWSTANIA ORAZ KIERUNKI ROZWOJU IOT

Podwaliny pod koncepcję Internetu Rzeczy położył Kevin Ashton, współtwórca globalnego standardu komunikacji bezprzewodowej RFID, który podczas jednej z prezentacji w 1999 roku wygłosił następujące stwierdzenie: "Musimy dać komputerom możliwość zbierania informacji, żeby mogły same widzieć, słyszeć i czuć świat. RFID i technologie sensorowe umożliwiają komputerom obserwowanie, identyfikowanie i rozumienie świata - bez ograniczeń związanych z wprowadzeniem danych przez człowieka".

W dobie postępującej miniaturyzacji oraz znacznej dynamiki trendu w zakresie rozwiązań software’owych, otaczające nas przedmioty wyposaża się w mikrokontrolery. Dzięki połączeniu z siecią i możliwości analizy danych w obszarze chmury obliczeniowej, nabywają one zdolności do samouczenia i samopoznawania otaczającego świata za pośrednictwem wbudowanych inteligentnych sensorów.

Internet Rzeczy poza aspektem technologicznym ma szanse wywrzeć ogromny wpływ na relacje społeczne, wchodząc w zaawansowaną interakcję z użytkownikiem. Przykładowo sprzęt AGD może stać się naszym sprzymierzeńcem w codziennych obowiązkach, podpowie, jakie potrawy można przygotować z zakupionych produktów, sprawdzi ich przydatność do spożycia lub złoży za nas zamówienie online. Swobodny przepływ informacji pomiędzy urządzeniami IoT tworzy nowe źródła wiedzy na temat indywidualnych preferencji konsumentów.

Co może przełożyć się na:

• wprowadzenie do oferty nowych usług czy poprawy już istniejących,
• kastomizowanie oferty, produktu lub usługi (w procesie tym uwzględnione są czynniki dotyczące wieku, płci, miejsca zamieszkania, aktywności, upodobań, zainteresowań, itd.).

W przypadku komunikacji w obszarze rozwiązań IoT zakłada się ciągły wzrost ich autonomiczności w zakresie wymiany danych oraz algorytmów obliczeniowych, które realizowane mają być bez wiedzy i udziału człowieka. Tego typu mechanizm rozumiany jako komunikacja Machine-to-Machine (M2M) znana jest w przemyśle, jako transmisja w sieciach poziomu obiektowego (sensor-aktor).

Koncepcja IoT zakłada, wykorzystanie tego właśnie mechanizmu jako podstawowego elementu ciągłej wymiany danych oraz interakcji pomiędzy modułami w rozproszonej strukturze sieci Ethernet, w celu samokonfiguracji połączenia oraz identyfikacji istniejących i nowopodłączonych obiektów.

IIOT BRAKUJĄCYM OGNIWEM REWOLUCJI PRZEMYSŁU 4.0

Przemysłowy Internet Rzeczy (IIoT) to zbiór technologii obejmujących m.in. mechanizmy kontroli i sterowania w obszarze chmury obliczeniowej, umożliwiające zaawansowane funkcje predykcji i analizy zdarzeń, usługi trackingu oraz geolokalizacji. Wszystko to składa się na strukturę, którą możemy nazwać mianem "inteligentnej jednostki wytwórczej", gdzie wszystkie inteligentne elementy składowe spina przemysłowa sieć Ethernet.

Zagwarantowanie odpornej na zakłócenia komunikacji wymusza monitorowanie parametrów sieci oraz śledzenie potencjalnych źródeł zagrożeń w czasie rzeczywistym. Niewydolna łączność może nieść zagrożenie dla łańcucha dostaw, procesu produkcyjnego, a tym samym dla całej jednostki wytwórczej. IIoT stanowi najważniejsze z ogniw w procesie rozwoju Przemysłu 4.0.

NOWA ERA AUTOMATYKI

Wychodząc naprzeciw opisanym wcześniej trendom prowadzącym do Industry 4.0 oraz IIoT, Phoenix Contact prezentuje zupełnie nowe podejście do automatyzacji - platformę programistyczną PLCnext Technology, serwis chmurowy PROFICLOUD oraz oprogramowanie narzędziowe PLCnext Engineer.

Są to trzy elementy, które pozwolą stworzyć aplikację opartą o otwarte standardy automatyzacji i komunikacji, którą w razie potrzeb, w prosty sposób będzie można zaadaptować do zmieniających się warunków pracy, jednocześnie zapewniając maksymalny poziom cyberbezpieczeństwa.

PLCNEXT TECHNOLOGY

Rys. 1. Otwarta platforma programistyczna PLCnext Technology

Coraz częściej aplikacje pracujące w zakładach przemysłowych muszą zajmować się nie tylko nadzorowaniem i sterowaniem procesem produkcyjnym, ale również komunikacją z wieloma różnymi zewnętrznymi systemami. Takie systemy często nie wywodzą się ze świata automatyki przemysłowej, ale z typowych technologii świata IT.

Skomunikowanie z nimi sterowników PLC często wymaga dużej ilości pracy inżynieryjnej. Z pomocą w łączeniu w sobie tych dwóch odrębnych podejść przychodzi PLCnext Technology.

Podstawową cechą tej platformy jest unikatowa kombinacja zalet tradycyjnych metod programowania sterowników PLC oraz otwartości i elastyczności oferowanej przez inteligentne urządzenia i wysokopoziomowe języki programowania. Dzięki wspomnianemu połączeniu możliwa jest jednoczesna i równoległa praca nad projektem prowadzona przez niezależne grupy programistów specjalizujących się w różnych dziedzinach.

W ramach jednej aplikacji przeznaczonej na sterownik PLCnext Technology mogą działać równocześnie moduły napisane w wysokopoziomowych językach programowania takich jak C++ czy C#, komponenty open source, obiekty i modele MATLAB Simulink oraz tradycyjne dla automatyki przemysłowej programy napisane w językach zdefiniowanych w normie IEC 61131-3, takich jak LD, ST lub FBD.

Wszystkie elementy projektu mogą wymieniać między sobą dane i na każdym etapie współpracować ze sobą. Jednak najważniejszą cechą aplikacji powstałej w oparciu o PLCnext Technology jest zachowanie podstawowej zasady rządzącej w świecie automatyki oraz układów sterowania - zasady determinizmu czasowego.

SYNCHRONIZACJA DANYCH I ZACHOWANIE CZASU RZECZYWISTEGO

W odróżnieniu od konkurencyjnych rozwiązań, PLCnext Technology jako pierwsza na rynku umożliwia jednoczesne wykorzystanie w jednej aplikacji języków IEC 61131-3, języków wysokopoziomowych oraz komponentów Matlab Simulink z gwarancją wykonania się całego programu w czasie rzeczywistym. Dzieje się tak dzięki opatentowanej metodzie obsługi zadań i wymiany danych.

Technologia Execution and Synchronization Manager (ESM) zajmuje się takim rozplanowaniem zadań, aby moduły napisane w różnych językach wykonywały się w ramach zdefiniowanej sekwencji czasu. Natomiast technologia Global Data Space (GDS) zapewnia spójność danych wymienianych pomiędzy poszczególnymi komponentami w ramach cyklu działania programu.

Gwarantuje to, że bez żadnych dodatkowych wymagań nakładanych na programistę zapewnione jest zachowanie determinizmu czasowego. Dodatkowo wszystkie zdefiniowane zadania mogą być wykonywane według zaprogramowanej sekwencji lub priorytetu, tak aby spełnić zakładane dla aplikacji właściwości.

WYGODA PROGRAMOWANIA PRZY UŻYCIU ZNANYCH NARZĘDZI

W PLCnext Technology nie istnieją żadne ograniczenia w zakresie narzędzi wykorzystywanych do tworzenia elementów programów w językach wysokopoziomowych. Programista może używać swojego ulubionego języka i znanych sobie środowisk deweloperskich lub oprogramowania open source.

Może to być na przykład Microsoft Visual Studio, Eclipse czy MATLAB. Po przygotowaniu programu lub modułu wystarczy go skomplikować do formy akceptowanej przez PLCnext Technology i zaimportować do PLCnext Engineer.

OTWARTA PLATFORMA - LINUX CZASU RZECZYWISTEGO

Sterowniki wspierające PLCnext Technology działają w oparciu o specjalną wersję systemu operacyjnego Linux zmodyfikowaną tak, aby wspierała wykonywanie zadań w czasie rzeczywistym, nie nakładając żadnych ograniczeń na podstawową zaletę Linuksa - otwartość systemu.

W aplikacji sterującej można wykorzystywać dowolne i powszechnie dostępne programy i serwisy działające na Linuksie. Uzyskane w ten sposób dane dzięki GDS mogą być bezpośrednio wykorzystywane przez pozostałe komponenty aplikacji.

Linux na sterowniku PLCnext Technology nie jest w żaden sposób ograniczony funkcjonalnie. W razie potrzeby można na nim zainstalować również elementy, których działanie nie jest krytyczne czasowo z punktu widzenia aplikacji, a które mogą w jakiś sposób wspomóc działanie całego tworzonego projektu. Przykładem takich aplikacji mogą być frameworki takie jak Java lub .NET, w których można uruchamiać dodatkowe programy.

RÓŻNORODNOŚĆ METOD KOMUNIKACJI

Rys. 2. Wspierane protokoły oraz interfejsy komunikacyjne

W obliczu Industry 4.0 nawet najbardziej wyrafinowane metody programowania mogą być bezużyteczne, jeśli aplikacja nie będzie mogła sprawnie komunikować się z systemami nadrzędnymi, bazami danych, wyspecjalizowanymi serwisami internetowymi czy innymi sterownikami PLC i rozproszonymi urządzeniami I/O.

Aby zapewnić kompatybilność rozwiązań na najwyższym poziomie, PLCnext Technology wspiera większość współczesnych protokołów i technologii komunikacyjnych. Spośród typowo przemysłowych są to między innymi PROFINET, CANopen i Modbus, a ze świata inteligentnych urządzeń - OPC UA oraz MQTT.

BEZPIECZEŃSTWO APLIKACJI I DANYCH

Rozwój aplikacji Industry 4.0, które powszechnie komunikują się między sobą za pomocą Internetu i bezprzewodowych metod transmisji, powoduje, że jednym z najważniejszych aspektów staje się bezpieczeństwo przetwarzanych danych oraz bezpieczeństwo całych aplikacji i systemów. Aktualne raporty dotyczące cyberbezpieczeństwa wykazują, że w ciągu ostatnich 12 miesięcy ponad połowa badanych firm przemysłowych odnotowała incydenty związane z zagrożeniem bezpieczeństwa. Aby zapewnić najwyższe standardy, PLCnext Technology od podstaw, jest przygotowywana z myślą o maksymalnej zgodności z normą IEC 62443 zawierającą najważniejsze zalecenia dla cyberbezpieczeństwa w instalacjach przemysłowych.

ZAPEWNIENIE BEZPIECZEŃSTWA FUNKCJONALNEGO MASZYN I INSTALACJI

Oprócz kwestii cyberbezpieczeństwa, PLCnext Technology wspiera również systemy bezpieczeństwa funkcjonalnego. W ramach jednej aplikacji tworzonej za pomocą jednego narzędzia może być wykonywany standardowy program sterujący oraz niezależny program dotyczący układów safety.

Jest to możliwe dzięki temu, że oprócz wielordzeniowego procesora przeznaczonego do obsługi typowych programów PLC sterowniki PLCnext Technology mogą być wyposażone w dodatkowe dwa redundantne procesory przeznaczone wyłącznie do zadań safety. Aby zapewnić najwyższy poziom niezawodności i zminimalizować ryzyko awarii, oba procesory safety pochodzą od różnych producentów.

PROFICLOUD

Usługa chmury PROFICLOUD powstała jako uzupełnienie PLCnext Technology, ale również jako osobny produkt, którego mogą używać programiści wykorzystujący wyłącznie tradycyjne sterowniki PLC. Z pomocą PROFICLOUD możliwe jest tworzenie rozległych struktur sterowania, które nie muszą być fizycznie podłączone do jednej przemysłowej sieci komunikacyjnej.

Wystarczy, że w takich sieciach znajdują się urządzenia będące bramkami z dostępem do Internetu, a PROFICLOUD zapewni wymianę danych pomiędzy takimi segmentami z zachowaniem najwyższych standardów bezpieczeństwa i szyfrowania przesyłanych danych.

Poza ułatwieniem komunikacji PROFICLOUD oferuje szereg serwisów udostępniających różnego rodzaju dane i usługi możliwe do wykorzystania przez sterowniki PLC czy systemy nadrzędne. Liczba serwisów jest ciągle zwiększana i obejmuje między innymi dashboardy zapewniające wizualizację danych, chmurę obliczeniową zgodną z notacją MATLAB, dane o aktualnych warunkach pogodowych w dowolnej lokalizacji. Poza tym dostępne jest API pozwalające na tworzenie własnych komponentów do umieszczenia w PROFICLOUD, które będą przetwarzały dane zgodnie z wyspecjalizowanymi potrzebami.

PLCnext Technology ułatwia korzystanie z zalet PROFICLOUD, ponieważ wszystkie opisane funkcje są dostępne za pomocą kilku kliknięć podczas programowania sterownika i nie wymagają dodatkowych urządzeń ani dodatkowego oprogramowania.

PLCNEXT ENGINEER

Rys. 3. Elastyczna platforma inżynierska do automatyzacji procesu

Wraz z PLCnext Technology Phoenix Contact wprowadza nowe środowisko programowania sterowników. PLCnext Engineer to zintegrowany pakiet umożliwiający tworzenie w ramach jednego projektu programów sterujących i wizualizacji oraz konfigurację i diagnostykę wszystkich komponentów systemu, a także symulator pozwalający na testowanie działania programu bez potrzeby posiadania fizycznego sterownika PLC.

W swojej podstawowej wersji PLCnext Engineer jest całkowicie darmowy. W takim wariancie możliwe jest używanie oprogramowania do tworzenia tradycyjnych aplikacji opartych o języki programowania zgodne z normą IEC 61131-3 i prostych wizualizacji webowych. W przypadku potrzeby skorzystania z bardziej zaawansowanych funkcji wymagane jest dokupienie odpowiedniej licencji dotyczącej komponentu, który będzie wykorzystany.

Za pomocą PLCnext Engineer oprócz nowych sterowników PLCnext Technology jest również możliwe programowanie odświeżonych wersji tradycyjnych sterowników PLC oferowanych przez Phoenix Contact.

ZMIANA JEST JEDYNĄ STAŁĄ

Nieustające zmiany w świecie produkcji znalazły wyraz w trzech pierwszych rewolucjach przemysłowych. Obecnie stoimy w obliczu cyfrowej ewolucji zmierzającej ku inteligentnej produkcji. Industry 4.0 determinuje odmienne podejście do optymalizacji kompleksowych procesów produkcyjnych z zastosowaniem nowych technologii.

Produkcja przemysłowa i IT łączą się ze sobą w sposób coraz bardziej nierozerwalny. Na tej podstawie dynamicznie rozwija się Internet Rzeczy (Internet of Things, IoT), gdzie identyfikowane jednoznacznie elementy, produkty i urządzenia fizyczne mają swą postać wirtualną. W świecie, gdzie scaleniu podlegają wszystkie elementy przemysłu - ludzie, maszyny i produkty wchodzą ze sobą w interakcję.

Konrad Sobczyk
Adam Kralewski
Phoenix Contact