Rozmowa z przedstawicielami National Instruments

• Czym jest Industrial Internet of Things i czym różni się od znanego pojęcia Internetu rzeczy?

Vineet Aggarwal: Internet rzeczy, czyli w skrócie IoT, to koncepcja, o której mówi się już od pewnego czasu i która dotyczy głównie obszaru konsumenckiego. Idea stojąca za jej wydaniem przemysłowym, czyli Industrial Internet of Things, jest częściowo podobna - sprowadza się do łączenia urządzeń i systemów w sieciach, możliwości automatycznej wymiany i analizy informacji, a także podejmowania decyzji bez udziału człowieka. Z drugiej strony w praktyce występuje wiele różnic, które dotyczą zwiększonych wymagań względem systemu przemysłowego, jego niezawodności oraz bezpieczeństwa przesyłania danych.

Wyobraźmy sobie instalację do regulacji temperatury w domu lub biurze - w tym przypadku przerwa na skutek braku jednego lub kilku pomiarów nie jest wielkim problemem. Jeżeli jednak to samo dotyczy instalacji przemysłowej, gdzie kontrolowany jest przebieg procesu czy monitorowany stan konstrukcji infrastrukturalnej - np. turbiny wiatrowej, niezawodność oraz deterministyczne pomiary stają się kluczowe.

Michał Kozarzewski: Industrial IoT to przede wszystkim inteligentne urządzenia pomiarowe i systemy testowe, które mogą być stosowane m.in. w energetyce - w szczególności odnawialnej i w sieciach smart grid, a także inteligentne maszyny. Inżynierowie zajmujący się nimi oczekują dzisiaj dostępności nie tylko wydajnych obliczeniowo urządzeń, ale też możliwości komunikacji przewodowej i bezprzewodowej tych ostatnich. Ma ona pozwalać na współdzielenie danych i podejmowanie decyzji, liczy się też możliwość tworzenia rozwiązań rozproszonych.

Sądzę, że w przypadku potrzeb takich jak omawiane mamy atrakcyjną ofertę urządzeń - od wbudowanych Single-Board RIO, poprzez serię urządzeń samodzielnych bazujących na PCIe, USB i Ethernecie oraz średniej wielkości modułowych platform CompactDAQ, aż do systemów PXI o wysokiej wydajności obliczeniowej. Zapewniają one pracę w czasie rzeczywistym, wysoki poziom determinizmu dzięki przetwarzaniu w FPGA, a także łączność w dowolnym standardzie branżowym.

• Czy przemysłowy Internet rzeczy nie jest nowym określeniem na coś, co już w zasadzie istniało?

Paweł Hoerner de Roithberg z National Instruments Polska podczas prelekcji otwierającej tegoroczną konferencję NIDays

VA: Poniekąd tak, bowiem jest to określenie agregujące dotychczas istniejące idee oraz technologie. Zasadniczą różnicą jest natomiast to, że dzisiaj mamy do czynienia z ogólnobranżowym ruchem, gdzie firmy ze sobą współpracują, tworząc nowe standardy - choćby w ramach organizacji takich jak Industrial Internet Consortium. Jednocześnie, o ile już dotychczas istniały różne koncepcje inteligentnych systemów, o tyle właśnie IoT czy znany w branży automatyki Industry 4.0 przekształcają je w rzeczywiste technologie i projekty.

Warto zaznaczyć, że nie chodzi tylko o podłączanie systemów automatyki do Internetu, bowiem to dzieje się już od dawna. Internet rzeczy to środowisko, gdzie łączą się ze sobą urządzenia i oprogramowanie pochodzące od różnych dostawców oraz wykonane w różnych technologiach. Współpracując, zapewniają one użytkownikom wartość dodaną - np. dzięki możliwości akwizycji i przesyłania danych oraz ich inteligentnej analizy w czasie rzeczywistym.

Ben Robinson: Oczekuje się, że Internet rzeczy pozwoli na zmniejszanie kosztów produkcji i umożliwianie wytwarzania niskoseryjnego przy zachowaniu kosztów produkcji masowej. Zanim się to jednak stanie, nasza branża musi zrozumieć, jak może skorzystać z tego megatrendu. Sądzę, że podstawą powinna być otwartość systemów. Dzisiaj cały czas wiele firm bazuje na architekturach własnościowych, natomiast chcąc zapewnić komunikację oraz interoperacyjność urządzeń, konieczna jest pełna otwartość standardów przemysłowego Internetu rzeczy. Podobna otwartość zresztą była czynnikiem popularyzacji Ethernetu.

• Co z bezpieczeństwem tego typu sieci?

VA: Rozwój obszaru dotyczącego bezpieczeństwa jest absolutną koniecznością, stąd też w branży podejmowanych jest dzisiaj wiele działań w tym zakresie. Takim było opracowanie przez organizację NERC standardu CIP-014-1, który dotyczy bezpieczeństwa fizycznego sieci elektroenergetycznych.

Powstają też rozwiązania oparte o tzw. whitelisting, na rynku rozwijane są również bezpieczne systemy operacyjne takie jak Security-Enhanced Linux. Sądzę, że jesteśmy na dobrej drodze do zmian. Niestety "pomocne" były tu wydarzenia takie jak pojawienie się robaka Stuxnet, który wszystkim uświadomił, jakie są zagrożenia związane z ewolucją internetową w przemyśle.

MK: Za tworzenie standardów odpowiada też m.in. wspomniane Industrial Internet Consortium. Powstało ono w 2014 roku z inicjatywy firm AT&T, Cisco, GE, IBM oraz Intel, obecnie w skład wchodzą też inni dostawcy technologii - w tym National Instruments. Opracowywane są różne scenariusze, które są potem wprowadzane do przemysłu. Bezpieczeństwo jest jednym z głównych obszarów prac konsorcjum.

• Jakie są przykładowe wdrożenia z zakresu przemysłowego Internetu rzeczy? Co omawialiście podczas konferencji w Warszawie?

BR: Fantastyczną aplikacją, którą przedstawialiśmy podczas niedawnych NIDays 2015, był kombajn do trawy ProSlab 155 produkowany przez FireFly Equipment. Wykorzystano w nim system bazujący na CompactRIO, który odpowiada za zbieranie danych z czujników oraz urządzeń kontrolnych i jest w pełni zintegrowany z układem sterowania pojazdem - m.in. za pomocą sieci CAN oraz EtherCAT.

W czasie rzeczywistym przetwarza on informacje z pojazdu i pozwala na automatyzację jego sterowania, w efekcie czego proces koszenia jest o 20% krótszy i zużywana jest połowa paliwa. Kombajn komunikuje się poprzez sieć komórkową z aplikacją nadzorczą, co pozwala na jego zdalną diagnostykę.

MK: Technologie z zakresu Internetu rzeczy znajdują liczne zastosowania w energetyce. Przykładowo firma Innovari stworzyła rozwiązanie dla smart grid, które pozwala na polepszanie współczynnika wykorzystania sieci przesyłowych. Wykorzystuje ono układy Single-Board RIO do pomiarów i analizy informacji o zużyciu energii przez konsumentów. Te ostatnie są następnie przekazywane do dostawców w celu lepszego równoważenia popytu i podaży energii.

Z kolei firma Areva korzysta z systemów akwizycji danych oraz oprogramowania InsightCM Enterprise do monitorowania pracy turbin i całych farm wiatrowych. Obejmuje to w szczególności farmy offshore, które wymagają najwyższego poziomu monitorowania ze względu na ich lokalizację na morzu.

Warto dodać, że wiele podobnych aplikacji powstaje na naszym podwórku. Przykładem ciekawego wdrożenia jest działający w Chorwacji system pozyskiwania danych z turbin wiatrowych. Jest on zaimplementowany w turbinie i odpowiedzialny za przetwarzanie oraz wstępną analizę informacji, które są następnie wysyłane do serwera systemu nadrzędnego.

Mamy też odpowiednik kombajnu od FireFly - podobny produkt oferuje jedna z firm w Czechach. W tym przypadku wykorzystywany jest system z Single-Board RIO, który przetwarza informacje o ruchu maszyny i podaje kierowcy najbardziej efektywną ścieżkę poruszania się pojazdu.

• Kilka lat temu Cisco podało prognozę ekspotencjalnego wzrostu wartości sektora IoT. Jakie są obecne szacunki dotyczące przyszłej wartości tego rynku?

VA: Wielkość branży oraz jej perspektywy rozwojowe szacowane były przez wiele firm - m.in. GE, IBM, Cisco, a także przez agencje takie jak IDC. Jeżeli potraktujemy Internet rzeczy maksymalnie szeroko - jako ogół połączonych ze sobą komponentów tworzących systemy - to ocenia się, że do roku 2020 w sieci połączonych ze sobą będzie około 500 mln urządzeń. W wartościach kwotowych będzie to nawet dwa biliony dolarów!

Powyższe liczby dotyczą zarówno obszaru konsumenckiego, jak i przemysłowego. Ten ostatni jest oddzielnie szacowany na około 130 mld dolarów, co de facto jest nadal bardzo dużą kwotą.

• Z koncepcją IIoT wiąże się przetwarzanie rozproszone, któremu - szczególnie w kontekście technologii pomiarowych i Big Data - również poświęcono wiele uwagi podczas październikowej konferencji NIDays…

VA: Big Data to koncepcja znana już od dawna, aczkolwiek zawsze dotyczyła ona danych cyfrowych, które były poddawane analizie w celu ekstrakcji informacji. Dzisiaj pojawia się natomiast pojęcie Big Analog Data, czyli akwizycji i przetwarzania wielkich zbiorów informacji dotyczących sygnałów analogowych. W przypadku tych, jak wiadomo, liczba danych może być teoretycznie nieskończona, gdyż zależy ona od częstotliwości próbkowania, co rodzi problemy z ich przechowywaniem i przetwarzaniem.

Zamiast zwiększać przepustowość systemów pomiarowych lub, alternatywnie, zmniejszać częstotliwość próbkowania i w efekcie liczbę pozyskiwanych informacji, proponujemy dzisiaj zupełnie inne podejście. Jest nim rozproszone przetwarzanie danych, czyli tzw. edge computing. W tym przypadku zamiast wysyłania strumienia danych surowych, wstępnie się je przetwarza, a następnie wybiera te najważniejsze. Oczywiście wymaga to odpowiedniej mocy obliczeniowej, dodatkowo informacje trzeba wybierać inteligentnie, tak aby zachować te, które są interesujące z punktu widzenia przyszłej analizy.

Jak na razie w branży przemysłowej jest wciąż niewielkie zainteresowanie inteligencją rozproszoną. Cały czas dominuje podejście zbierania "gigabajtów" danych, a następnie tworzenie analiz i data mining. Generuje to również koszty związane z przechowywaniem i zarządzaniem danymi.

BR: Dzisiaj następuje ekspotencjalny wzrost ilości generowanych informacji. Ponieważ zbiory danych analogowych mogą być nieskończone, trzeba je po akwizycji odpowiednio opracować, wybierając te kluczowe z punktu widzenia przyszłych analiz. Stąd też potrzeba zastosowania inteligentnych systemów pomiarowych.

Przykładem takiego rozwiązania, które prezentowaliśmy podczas konferencji, były systemy testujące instalowane w samochodach Jaguar oraz Land Rover. Z pojazdu zbieranych jest około 500 GB danych dziennie, aczkolwiek podlegają one wstępnemu przetwarzaniu w systemie pomiarowym, co pozwala na wyodrębnienie tych najważniejszych. Wdrożenie sprawiło, że aż 95% docelowo analizowanych danych zawiera interesujące informacje zamiast pierwotnych 10%.

• Co możecie zaoferować inżynierom zajmującym się testowaniem, którzy szukają rozwiązań do akwizycji danych analogowych?

VA: Do tego typu zastosowań proponujemy m.in. 4- oraz 8-slotowe kontrolery CompactDAQ wyposażone w czterordzeniowe procesory Intel Atom. Pozwalają one na akwizycję danych oraz ich przetwarzanie w czasie rzeczywistym i sterowanie. Każdy z nich zapewnia skalowalność systemu wraz ze wzrostem potrzeb.

Jeżeli chodzi o software, to proponujemy profesjonalne narzędzia do zarządzania dużymi zbiorami informacji, ich analizy oraz wizualizacji. Na konferencji prezentowaliśmy oprogramowanie DIAdem 2015 oraz DataFinder Server Edition 2015, który daje możliwość wysyłania wieloetapowych zapytań do sieci serwerów w celu odnalezienia danych potrzebnych do analizy. Jeżeli chodzi o praktyczne zastosowanie DIAdem 2015, to przytoczyć tu można przykład wykorzystania go do testowania urządzenia wspomagającego pracę komór serca Excor, które opracowane zostało przez Berlin Heart.

• W jaki sposób inżynierowie mogą rozpocząć korzystanie z rozwiązań NI, szczególnie w obszarach IIoT oraz testowania systemów analogowych i cyfrowych? Czy oferujecie zestawy uruchomieniowe?

NIDays 2015 w Warszawie

BR: Istnieje wiele metod wdrażania naszych urządzeń i software'u, w tym poprzez zastosowanie zestawów działających "out of the box". Takimi mogą być systemy do testowania protokołów cyfrowych, układów analogowych, a także urządzeń bezprzewodowych. Dają one możliwość łatwego rozpoczęcia projektowania, jednocześnie są też skalowalne - można wykorzystywać uprzednio stworzony kod do rozbudowy rozwiązania.

Dobrym przykładem jest LabVIEW Communications System Design Suite, czyli framework do testowania sieci WLAN, LTE oraz w innych standardach bezprzewodowych - w tym sieci 5G. Mamy już klientów, którzy wykorzystują go do testowania systemów pracujących w paśmie 73 GHz o przepustowości 2,3 Gb/s.

MK: Dostarczamy tzw. toolkity, czyli szablony rozwiązań służące np. do monitorowania wibracji, tworzenia systemów wizyjnych i innych zastosowań w przemyśle. Są one otwarte, co pozwala inżynierom rozwijać systemy zgodnie z ich potrzebami. W Polsce chętnie korzystają z nich m.in. klienci z branży wojskowej i lotniczej, w szczególności w zakresie wykonywania testów mechanicznych i zmęczeniowych.

Dla tego typu firm największym problemem był zawsze analogowy front-end oraz przetwarzanie danych wejściowych, a wdrożenie odpowiednich systemów zajmowało im często miesiące. Obecnie, korzystając z rozwiązań NI, mogą się skupić na rozwijaniu kluczowego dla nich algorytmu, który komunikuje się ze standardową warstwą odpowiedzialną za pozyskiwanie danych.

• Co jeszcze prezentowaliście podczas niedawnych NIDays?

MK: Jedną z nowości był system do testowania urządzeń bezprzewodowych NI WTS. Bazuje on na standardzie PXI i może być łatwo zintegrowany z linią produkcyjną dzięki dostępności gotowych sekwencji testowych. Pojawiły się też nowe produkty, takie jak wydajne kontrolery PXI z procesorami ośmiordzeniowymi Intel Xeon.

Z kolei pod kątem zastosowań IIoT zaprezentowaliśmy kilka nowych urządzeń bazujących na architekturze RIO, czyli rekonfigurowanych wejść/wyjść. Były to m.in. CompactRIO z procesorami Intel Atom i układami FPGA, kontrolery FlexRIO używane w systemach wbudowanych wymagających dużej wydajności oraz sterowniki Single-Board RIO pracujące pod kontrolą systemu NI Linux Real-Time.

Warto zaznaczyć, że prezentacja rozwiązań to tylko niewielka część konferencji NIDays. Spotkanie ma również wymiar praktyczny, warsztatowy, dodatkowo też prezentowane są wdrożenia naszych lokalnych partnerów. W Polsce współpracuje z nami silna grupa firm tworzących rozwiązania kontrolno-pomiarowe.

W tym roku ich przedstawiciele omówili m.in. zastosowanie LabVIEW w systemie pomiarowym małej elektrowni hybrydowej znajdującej się na Politechnice Białostockiej oraz system automatyki do elektroenergetycznych układów wyspowych wdrożony przez Energopomiar-Elektryka. Nowości tradycyjnie prezentował też Veritech - tym razem dotyczyły one opracowanego przez firmę systemu akwizycji danych dla tunelu aerodynamicznego Instytutu Lotnictwa w Warszawie.

• Dziękujemy za rozmowę.