Od dekad automatyka przemysłowa jest monopolizowana przez ograniczoną liczbę dostawców, którzy oferują hermetyczne, zorientowane na sprzęt systemy sterowania. W związku z tym użytkownicy nie mają innego wyboru i korzystają z tych nieelastycznych platform, ze specjalnymi sterownikami i o zamkniętej architekturze.
W konsekwencji w branży obowiązuje proste, ale restrykcyjne założenie, że logika sterowania powinna być osadzona w fizycznym sterowniku. To przez lata utrwaliło następujący wzorzec: każda maszyna na linii produkcyjnej wymaga własnego sterownika programowalnego PLC, z zastrzeżonym oprogramowaniem sprzętowym (firmware) i preferowanym przez dostawcę środowiskiem programistycznym, oraz interfejsu człowiek-maszyna HMI, połączonych za pośrednictwem przemysłowych magistral komunikacyjnych. Architektura ta praktycznie nie zmieniła się od lat. Z jednym wyjątkiem – sieci polowe (fieldbus) ustąpiły miejsca nowoczesnym standardom Ethernetu przemysłowego, takim jak Profinet, Ethernet/IP, EtherCat.
WADY STAREGO PODEJŚCIA
Rzeczywistość w końcu jednak zweryfikowała podejście polegające na powiązaniu logiki ze sprzętem i uzależnieniu ich od dostawcy. Stało się tak, kiedy wybuchła pandemia COVID-19.
Wiele gałęzi gospodarki odczuło wówczas negatywne skutki zakłóceń globalnych łańcuchów dostaw, a w szczególności niedoborów półprzewodników. Nie ominęły one branży automatyki, kiedy np. w związku z brakami w magazynach modułów wejścia/wyjścia o zastrzeżonej architekturze od konkretnego dostawcy niemożliwym okazywało się rozszerzenie funkcjonalności linii produkcyjnej. To, w ówcześnie skrajnie trudnej sytuacji gospodarczej, nierzadko decydowało o utrzymaniu się danego przedsiębiorstwa produkcyjnego na silnie konkurencyjnym rynku. Boleśnie uświadomiło też wszystkim, jakie mogą być długofalowe konsekwencje trwania dotychczasowego stanu rzeczy.
Od tamtej pory opieranie się na logice oraz sprzęcie powiązanych z dostawcą i zależnych od niego zaczęło być już postrzegane jako obciążenie. Jednocześnie upowszechnianie się w fabrykach technologii cyfrowych, niejako oswajanie się z nimi na co dzień dzięki wdrażaniu rozwiązań Przemysłu 4.0, sprawiło, że w koncepcji automatyki definiowanej programowo dostrzeżono alternatywę. Jeżeli będzie się ona, jak wszystko na to wskazuje, popularyzować, przedsiębiorstwa przemysłowe będą musiały – jak to zazwyczaj ma miejsce w przypadku innowacji – albo zdecydować się na jej wdrożenie, albo ryzykować pozostanie w tyle za konkurencją.
NA CZYM POLEGA SDA?
Koncepcja automatyki definiowanej programowo zakłada odseparowanie logiki sterowania od sprzętu. Oznacza to w praktyce, że zamiast polegać na fizycznych PLC, sterowanie zostaje przeniesione na platformy programowe, działające na serwerach brzegowych, komputerach przemysłowych lub w chmurze. Dzięki temu, że to standaryzowane moduły oprogramowania sterują wówczas maszynami, a cała warstwa automatyki jest łatwoprzenoszalna oraz łatwa do zaktualizowania, można spodziewać się licznych korzyści.
Uniezależnienie się od zastrzeżonego sprzętu zapewnia przede wszystkim większą elastyczność, ułatwiającą adaptowanie się do wszelkich zmian. Zaimplementowanie funkcji sterowania programowo umożliwia np. szybszą i tańszą rekonfigurację linii technologicznych i wdrażanie nowych rozwiązań, takich jak sztuczna inteligencja, bez konieczności kosztownej, czaso- i pracochłonnej wymiany sprzętu. Prostsze będzie skalowanie produkcji. Dane o działaniu linii produkcyjnych będą również łatwiejsze w dostępie oraz w interpretacji. To przyniesie dalsze korzyści, takie jak usprawnienie konserwacji, szybsze rozwiązywanie problemów w istniejących ciągach produkcyjnych, co skróci przestoje, oraz szybsze uruchamianie nowych linii technologicznych.
Jak mogłaby wyglądać realizacja założeń SDA w praktyce, najlepiej wyjaśnić na przykładzie. Pierwszy krok w migracji ze sprzętu na oprogramowanie to wdrożenie chmury obliczeniowej lub architektury edge, hostującej platformę automatyki. Dzięki temu można wyeliminować komputery IPC na rzecz tzw. cienkich klientów, które korzystają z zasobów centralnego serwera. Aplikacje z poziomów nadzoru oraz operacyjnego w piramidzie automatyzacji zostają następnie w pełni skonteneryzowane – oznacza to, że programy są pakowane w kontenery, czyli ujednolicone jednostki, obejmujące kod i wszystko, co jest wymagane do jego uruchomienia (biblioteki, zależności).
W ten sposób, wprowadzając do hal produkcyjnych rozwiązania typowe dla IT, takie jak wirtualizacja oraz konteneryzacja, można oddzielić logikę od sprzętu. Pozwala to na przeniesienie sterowania z zamkniętych kontrolerów sprzętowych na otwarte, elastyczne platformy programowe.
ZALETY
Oprócz opisanych wcześniej, ma to jeszcze jedną zaletę. Obecnie nauka obsługi i konserwacji systemów automatyki wymaga wieloletnich szkoleń u ich dostawców. W obliczu braków kadrowych i starzenia się społeczeństwa zaczyna to być problemem, ponieważ wraz z przejściem na emeryturę doświadczonych inżynierów, zdobywana przez nich latami wiedza i praktyka, które są specyficzne dla tych zastrzeżonych platform, odchodzi wraz z nimi. Dzięki jednak upowszechnianiu się koncepcji SDA automatyka przemysłowa staje się dziedziną otwartą dla szerszego grona inżynierów i specjalistów od oprogramowania, chmury i szeroko pojętego IT.
Warto też wspomnieć o kluczowej kwestii cyberbezpieczeństwa. Scentralizowane zarządzanie cyklem życia oraz automatyzacja aktualizacji modułów programowych są nieporównywalnie łatwiejsze oraz skuteczniejsze niż w przypadku tradycyjnych (fizycznych), rozproszonych urządzeń, które bez regularnych aktualizacji firmware’u stają się podatne na cyberataki. Architektura SDA pozwala na bieżąco monitorować podatności, izolować ruch sieciowy wewnątrz kontenerów oraz błyskawicznie wdrażać poprawki bezpieczeństwa globalnie w całej hali produkcyjnej, bez konieczności fizycznego ingerowania w szafy sterownicze.
Architektura automatyki definiowanej programowo opiera się na czterech filarach. Każdy z nich reprezentuje osobną kategorię rozwiązań, które ściśle ze sobą współpracują. Są to: wirtualne sterowniki PLC (Virtual PLC, vPLC), analogiczna do SDA architektura sieci definiowanych programowo, technologia przetwarzania brzegowego w połączeniu ze sztuczną inteligencją, wreszcie metodyki zapożyczone ze świata IT.
FILARY SDA
Wirtualne sterowniki PLC stanowią bezpośrednią realizację założeń architektury Software Defined Automation. Sterowniki vPLC wykonują dokładnie te same algorytmy i logikę sterowania co ich fizyczne odpowiedniki, ale uruchamiane są jako niezależne instancje oprogramowania, na standardowym sprzęcie komercyjnym, zamiast na urządzeniach konkretnego dostawcy.
O ile dostępne są wystarczające zasoby obliczeniowe, wiele instancji vPLC może działać równolegle na tej samej platformie sprzętowej, a każda z nich potrafi obsługiwać oddzielne zadanie sterowania. Co kluczowe dla ciągłości procesów, każda z tych instancji może być niezależnie aktualizowana, cofana do wcześniejszej wersji w razie nieudanej aktualizacji (rollback) albo bezprzerwowo wdrażana na nowo, bez jakiejkolwiek fizycznej ingerencji w linię produkcyjną.
Technologia wirtualnych sterowników PLC znajduje się we wczesnej fazie rozwoju. Producenci stopniowo poszerzają swoją ofertę w ich zakresie, skupiając się na zapewnieniu pełnego wsparcia dla wszystkich specyfikacji technicznych oferowanych przez klasyczne, fizyczne sterowniki, w tym kluczowych funkcji związanych z bezpieczeństwem w ramach vSafePLC (Virtual Safety PLC).
Sieci definiowane programowo (Software Defined Networking, SDN) to z kolei nowa architektura sieciowa. Jest ona oparta na scentralizowanej platformie do komunikacji z infrastrukturą IT i zarządzania ruchem sieciowym, wykorzystując wirtualne sieci nakładkowe, które współpracują z fizyczną siecią za pośrednictwem oprogramowania.
Przetwarzanie brzegowe (edge computing) to przetwarzanie danych lokalnie, zamiast kierowania ich do scentralizowanej chmury. Stanowi ono warstwę wykonawczą, która umożliwia programową realizację funkcji sterowania w czasie rzeczywistym – np. za pośrednictwem wirtualnych PLC - dokładnie tak, jak ma to miejsce w przypadku fizycznych sterowników. Wdrażając modele AI bezpośrednio na urządzeniach brzegowych można z kolei zrealizować obliczeniowo obciążające funkcjonalności, jak konserwacja predykcyjna, kontrola jakości z wykorzystaniem systemów wizyjnych i autonomiczna optymalizacja procesów, bez wprowadzania do krytycznych czasowo pętli sterowania opóźnień charakterystycznych dla korzystania z chmury. Połączenie edge i AI uznawane jest za jedno z kluczowych rozwiązań warunkujących przyszłość jeszcze szerszej koncepcji produkcji definiowanej programowo (Software Defined Manufacturing, SDM).
Ostatnim filarem są metodyki zapożyczone ze świata IT, takie jak DevOps i DataOps. Dzięki nim systemy sterowania mogą być rozwijane w ten sam sposób jak nowoczesne oprogramowanie. Umożliwia to wdrożenie systemów kontroli wersji, jak Git, automatyczne testowanie kodu przed wdrożeniem w produkcji oraz scentralizowane zarządzanie cyklem życia aplikacji. Ponadto zapewnione są ustrukturyzowane, spójne ramy dla organizacji i kontekstualizacji danych przemysłowych, od poziomu maszyny do poziomu przedsiębiorstwa. Dzięki temu, że DataOps automatyzuje przepływ informacji, zapewnia ich wysoką jakość oraz eliminuje tradycyjne, odizolowane silosy danych, zacierają się granice między IT i OT.
Monika Jaworowska
