Možnosť pripojenia priemyselných strojov do sietí a ich osadzovania čoraz väčším počtom snímačov poskytuje prístup k cenným údajom a umožňuje aktualizácie softvéru, ktoré prispievajú k výraznému zlepšeniu produktivity a efektívnosti na úrovni prevádzky. Aby bolo možné využiť toto množstvo údajov, ktoré boli predtým nedostupné a teraz sú dostupné používateľom, treba ich zhromaždiť, spracovať a analyzovať. Získané poznatky sa potom môžu použiť na vývoj nových procesov, ktoré zlepšujú výkon stroja. Vízia priemyselného internetu vecí preto závisí od technológií, ktoré sú otvorené, štandardné a vzájomne spolupracujúce, ako je napríklad priemyselný výpočtový systém na okrajových zariadeniach, tzv. edge computing.
Ako vznikla potreba koncepcie edge?
Súčasné prístupy k implementácii riešení internetu vecí (IoT) sa zameriavajú na registráciu, správu a pripojenie zariadení IoT priamo do cloudu. Hlavnou výzvou týchto riešení bol zvyčajne prenos nespracovaných údajov zo zariadenia do cloudu, kde boli údaje spracované, filtrované alebo agregované s cieľom vytvoriť obchodnú hodnotu.
Tento prístup priamej konektivity však nedokázal pokryť požiadavky výrobného priemyslu, čo vytváralo potrebu výpočtov na okrajových zariadeniach (z angl. edge computing). Priemyselné zariadenia napríklad zvyčajne generujú výrazne vyššie objemy údajov ako bežné zariadenia internetu vecí, čo vedie k zvýšeným nákladom a oneskoreniu prenosu údajov do cloudu. Vo výrobných prevádzkach musia byť reakčné časy na kritické udalosti minimalizované a musia byť splnené špeciálne bezpečnostné podmienky.
Presunutím procesov nadol z cloudu do okrajovej (edge) vrstvy v závode môžu technológie výpočtov na okrajových zariadeniach pomôcť zmierniť tieto problémy a preklenúť priepasť medzi generovaním, ukladaním a spracúvaním údajov. Zlepšuje sa tak reakčný čas a šetrí šírka pásma. To znamená, že niektoré spracovanie a ukladanie údajov sa v priemyselnom kontexte presúva z cloudu na okrajovú úroveň. Koncepcie edge pritiahli v poslednom období veľkú pozornosť, zatiaľ však neexistuje konsenzus o štandardizovanej definícii a architektúre pre výpočty na hrane.
Čo je to edge?
Koncepcia edge, čo možno voľne preložiť ako koncepcia výpočtov na okrajových zariadeniach, prináša výpočtovú techniku čo najbližšie k zdroju údajov. Priemyselné koncepcie edge spájajú všetky aktíva používané vo výrobnom, ropnom či plynárenskom priemysle, energetike alebo doprave a spracováva tieto údaje lokálne. Spustenie menšieho počtu procesov v cloudových a podnikových systémoch a ich premiestnenie bližšie k zariadeniam generujúcim údaje mení spôsob, akým sa s údajmi narába, spracovávajú sa a doručujú, čo prináša okamžité obchodné výhody.
V kontexte výroby predstavuje koncepcia edge systém decentralizovaných okrajových uzlov, ktoré sú umiestnené blízko fyzického pôvodu dát. Uzly edge musia byť schopné spúšťať ľubovoľné aplikácie a sú spravované centrálne. Okrajový uzol sa pripája k úrovni cloudu aj k úrovni výrobných technických prostriedkov a môže dočasne bežať offline.
Mnoho spoločností zaujalo prístup k digitálnej transformácii na prvom mieste v cloude bez toho, aby náležite zvážili dôležitosť koncepcie využívajúcej výpočty na okrajových zariadeniach. Gartner odhaduje, že inštalované koncové body internetu vecí vo výrobe a v priemysle prírodných zdrojov vzrastú do roku 2028 na 1,9 miliardy jednotiek. Objemy dát sa budú len ďalej znásobovať a väčšie objemy dát odosielané do cloudu znamenajú zvýšenú latenciu a náklady. Koncepcia edge nielenže dopĺňa cloud tým, že kompenzuje niektoré z týchto výziev, ale tiež aktivuje kľúčové prípady použitia a aplikácie, ktoré je lepšie spúšťať priamo na mieste konkrétneho procesu či technológie.
Rýchlejšie prehľady
Cloud má svoje výhody pre dlhodobú analýzu, ale hodnota priemyselných výpočtov edge spočíva vo využití údajov na konkrétnom technickom prostriedku, kde má najväčší vplyv a nulové oneskorenie.
Okamžitá akcia
Koncepcie edge umožňujú spoločnostiam zhromažďovať údaje, analyzovať ich na okrajových zariadeniach a potom okamžite podniknúť kroky na vyriešenie problémov s údržbou, zvýšenie efektivity, zlepšenie výroby a ďalšie.
Zachovanie šírky pásma
Siete a infraštruktúra zatiaľ nestíhajú držať krok s explóziou údajov, takže využívanie koncepcie edge na odosielanie iba potrebných údajov do cloudu šetrí čas a peniaze.
Využitie na mieste generovania údajov
Cloud má zmysel pre využívanie takých aplikácií, ako je strojové učenie a ďalšie dlhodobé analýzy alebo analýzy veľkých dát, ale edge má nesporné výhody pri nasadení priamo „na mieste činu“, ako je monitorovanie na základe podmienok a OEE, čím sa dosahuje rýchla návratnosť investícií.
Koncepcia edge má tri hlavné komponenty. Konektivita edge je schopnosť pripojiť sa k akémukoľvek priemyselnému systému a zhromažďovať a normalizovať dáta na okamžité použitie. Inteligencia edge sústreďuje spracovanie dát a analytické funkcie na okrajové zariadenia, aby sa priamo na mieste dali vykonať akcie a vytvárať priamo hodnotu zo zdroja údajov. Plánovanie edge a koordinácia (z angl. orchestration) je schopnosť vytvárať, nasadzovať, spravovať a aktualizovať aplikácie využívané zariadeniami edge.
Obrovský význam koncepcie edge sa začína ukazovať s pribúdajúcimi praktickými aplikáciami. Priemyselné koncepcie edge umožňujú realizovať preventívnu údržbu, monitorovať stav majetku, OEE, využívať systémy videnia, zlepšovať kvalitu a pod. Údaje zo zariadení edge sú často vstupom aj pre pokročilejšie technológie, ako sú umelá inteligencia a strojové učenie v cloude.
Mnohé spoločnosti posielajú všetky svoje údaje do cloudu alebo ich udržiavajú na okrajových zariadeniach. Často pritom nevedia, ako robiť efektívne oboje. Edge a cloudové technológie musia spolupracovať. Spoločnosti pokračujú v prijímaní digitálnej transformácie, Priemyslu 4.0, inteligentnej výroby a pod., takže postupne začínajú chápať dôležitosť vzájomnej spolupráce cloudu a technológií edge pri riadení inteligentných obchodných rozhodnutí.
Použitie štandardného hardvéru a nástrojov
Technológie softvérovej virtualizácie – najmä tie, ktoré využívajú kontajnerizáciu – sú dôležitou súčasťou koncepcie edge. Jedným z príkladov sú kontajnery Docker na okraji, pričom sú teraz podporované štandardnými službami od väčšiny veľkých poskytovateľov cloudových služieb. Nezávisle od nástrojov poskytovateľa cloudových služieb je k dispozícii aj mnoho softvérových systémov na plánovanie a koordináciu týchto riešení založených na kontajneroch, napríklad Kubernetes.
Priemyselná architektúra edge znamená, že konektivitu možno implementovať ako softvérový komponent a prevádzkovať ako každé iné priemyselné zariadenie edge na štandardnom hardvéri. To znižuje alebo dokonca odstraňuje potrebu nasadenia špecializovaných hardvérových riešení pripojenia. Dohromady tieto dve výhody priemyselnej koncepcie edge – využitie štandardných IT technológií a centralizovaného manažmentu – pomáhajú zaistiť, že používatelia môžu realizovať efektívne nasadenie na viacerých miestach a súčasne znížiť prevádzkové náklady tohto riešenia.
Funkčné komponenty priemyselnej koncepcie edge
Pri niektorých aplikáciách IIoT, ktoré jednoducho potrebujú zbierať a analyzovať svoje údaje na centrálnej platforme, sa nasadenie priemyselného riešenia edge zameria iba na konektivitu. Túto architektúru pripojenia však možno rozšíriť, aby boli do nej zahrnuté aj sémantické informácie – napríklad pomocou informačných modelov OPC UA.
Mnoho aplikácií IIoT bude vyžadovať aj strojové spracovanie údajov: buď preto, že objem generovaných údajov je jednoducho príliš veľký na to, aby sa dal hromadne preniesť na centrálnu (cloudovú) platformu, alebo preto, že oneskorenie musí byť pre konkrétnu aplikáciu krátke.
Otvorená architektúra a štandardy
Z pohľadu používateľa by riešenie IIoT malo byť flexibilné, malo by čo najjednoduchšie integrovať komponenty od viacerých výrobcov a malo by byť rozšíriteľné počas celej životnosti. Dokonca aj v prípadoch, keď sa používatelia rozhodli využiť niektorého z hlavných poskytovateľov cloudových platforiem, často majú stále záujem o udržanie si nezávislosti od tohto poskytovateľa, kedykoľvek je to možné.
Preto by softvérové architektúry pre priemyselnú koncepciu edge mali byť otvorené a založené na dostupných štandardoch. Príklady takýchto štandardov zahŕňajú OPC UA, MQTT (t. j. MQTT broker v zariadení edge) a Kafka na streamovanie medzi edge a cloudom. Mnoho iniciatív s otvorenými technológiami podporuje tieto druhy nastavení, pričom niektoré poskytujú aj softvérové komponenty pripravené na použitie.
Záver
Jedna vec je zrejmá – edge nenahradí cloud, naopak, tieto dva prístupy sa môžu navzájom dopĺňať. Cloud je všeobecnejšia platforma na zhromažďovanie údajov, analýzu a vykazovanie historických údajov, existujú však stovky aplikácií, kde je reakčný čas kľúčovou hodnotou systému internetu vecí, ako napríklad určité udalosti prediktívnej údržby, pri ktorých sa odosielajú údaje v reálnom čase. Odosielanie do cloudu zabráni dostatočne rýchlemu vykonaniu tejto analýzy.
Výrobné spoločnosti musia byť schopné prijímať rozhodnutia na troch rôznych úrovniach: na úrovni strojov, na úrovni prevádzok a na úrovni podnikania. Začlenením koncepcií edge s technológiami cloudu môžu spoločnosti maximalizovať potenciál oboch prístupov a zároveň minimalizovať svoje obmedzenia.
Literatúra
[1] What is Industrial Edge Computing? Litmus Automation, Inc. [online]. Publikované 14. 6. 2021.
[2] Edge Computing in the Context of Open Manufacturing. Joint Development Foundation Projects, LLC. [online]. Publikované 1. 7. 2021.
[3] Anhalt, Ch.: Benefits and potential of edge computing. Industrial ethernet book. [online]. Publikované 18. 11. 2021.
[4] Edge Computing. TTTech Industrial Automation, AG. [online].
[5] European Alliance for Industrial Data, Edge and Cloud. Európska komisia. [online]. Publikované 4. 4. 2022.
[6] Immerman, G.: The Edge vs. The Cloud: A Hybrid Approach for Manufacturing, IoT for all. [online]. Publikované 10. 8. 2020.
-tog-
