Obr. Prevádzkovatelia priemyselných strojov a zariadení môžu využívať kombináciu TSN a OPC UA a nemusia sa obávať, že jednoduchý výber komunikačnej technológie im ohraničí možnosti na konkrétneho dodávateľa.

Niet pochýb o tom, že budúcnosť výroby si nebude možné predstaviť bez priemyselného internetu vecí (IIoT). No úsilie využiť potenciál IIoT v praxi bolo doteraz len povrchné.

Dodávatelia automatizácie stimulovaní dopytom koncových zákazníkov sú teraz pripravení odstrániť prvú prekážku na ceste k riešeniu priemyselného IoT a bezproblémovej komunikácie založenej na otvorených štandardoch. TSN siete v kombinácii s OPC UA poskytujú neobmedzený prístup k údajom zo strojov a riadiacich jednotiek bez ohľadu na výrobcu daného zariadenia.

OPC UA vďaka otvorenej komunikačnej architektúre našla rozsiahle využitie v rozličných priemyselných aplikáciách. Takmer všetci výrobcovia ponúkajú OPC UA vo svojich riadiacich jednotkách a v ďalších produktoch. OPC UA vyvíjajú a propagujú mnohí výrobcovia pod dohľadom OPC Foundation. Prevádzkovatelia strojov a zariadení sa už nemusia obávať, že jednoduchý výber komunikačnej technológie ich zablokuje so špecifickým dodávateľom.

Vytvorenie tohto typu jednotného systému pripojenia otvára ďalšie možnosti a príležitosti na diferenciáciu na úplne novej úrovni. Ak sme boli zvyknutí vídavať v sieti 30 alebo 40 uzlov, teraz sa môžeme pripraviť na 1 000 a viac.

Rastúci počet uzlov

Najväčšiu výzvu bude predstavovať nájdenie spôsobu, ako zvládať a efektívne kontrolovať tento zvýšený počet uzlov. V rámci tejto výzvy však existuje príležitosť na to, aby sa dodávatelia automatizácie odlíšili od svojej konkurencie ponúknutím pridanej hodnoty pre zákazníkov.

Podstatne dôležitejšie budú softvérové nástroje, ktoré zjednodušia nastavovanie a konfiguráciu zložitých sietí s veľkým počtom uzlov. Tieto nástroja musia byť navrhnuté s dôrazom na používateľov bez nutnosti zaškoľovania v IT oblasti.

Rapídne sa zvyšuje nielen počet uzlov – exponenciálne bude narastať aj objem údajov. Manažovanie toku veľkých údajov (Big Data) pomocou konvenčných priemyselných protokolov sa stáva čoraz ťažšie a práve v tejto oblasti OPC UA sľubuje podstatné zlepšenie.

Informácie a nie údaje

Medzi najväčšie výhody OPC UA patria jej informačné modely. Tradičné zbernicové systémy prenášajú bezrozmerné údaje – jednoduché čísla bez sprievodných jednotiek alebo iných informácií. Aplikácia spustená na riadiacej jednotke vie interpretovať tieto čísla pomocou sémantického dátového modelu. Na tomto prístupe nie je absolútne nič zlé – pokiaľ stroje fungujú nezávisle od seba. Avšak ak bude potrebné použiť dáta inde – či už v iných počítačoch, systémoch SCADA, ERP alebo dokonca v cloudových systémoch ERP, tak sémantický význam sa stráca a zostávajú iba bezrozmerné čísla.

Menej chýb

V minulosti sa sémantický kontext preniesol do iných systémov vo veľkých tabuľkách alebo dokonca ako rukou písaný text. Táto nenápadne náročná úloha – známy zdroj chýb – je úplne eliminovaný OPC UA, čím zjednodušuje implementáciu agilnejších a rýchlejších výrobných riešení. OPC UA pomocou svojich informačných modelov neprenáša len údaje, ale aj informácie, ktoré môžu byť správne interpretované akýmkoľvek uzlom v sieti bez ďalšieho vysvetľovania. Máme napríklad snímač, ktorý nameral teplotu 5 °C. Riadiaca jednotka s tradičným protokolom by mala prijať tento údaj ako celočíselný typ s hodnotou „5“. Fakt, že číslo predstavuje hodnotu nameranú v stupňoch Celzia, a skutočnosť, že existujú limity, sa definujú v aplikácii bežiacej na riadiacej jednotke. OPC UA využíva iný prístup. Hodnota „5“ je uvedená spoločne s celým jej sémantickým kontextom. V tomto prípade ide o teplotu meranú v stupňoch Celzia s určitými limitnými hodnotami, ktoré možno využiť.

Informácie na požiadanie

Keďže sú iné uzly v sieti OPC UA schopné tieto informácie dopytovať, môžu sa použiť v oveľa väčšom množstve prípadov. Ak chcete napríklad generovať nový report ERP, systém môže prehliadať sieť kvôli príslušným informáciám. Tieto informácie môžu byť po nájdení zhromaždené v databáze a zobrazené v reporte. Kedysi bolo potrebné manuálne naprogramovať prenos údajov a pre jednotlivé hodnoty bolo potrebné uložiť aj sémantické informácie zvlášť do systému ERP. Zmeny premenných na stroji by touto statickou štruktúrou vyžadovali aj programové zmeny v systéme ERP.

Uvedený príklad zdôrazňuje, ako OPC UA zjednodušuje komunikáciu od riadiacej vrstvy až po systémy vyššej úrovne. Zároveň sa však dostávame k ďalšej prekážke: ak IT systémy vyššej úrovne posielajú dopyty do siete, do ktorej sú pripojené strojné zariadenia – v tomto kontexte označovane aj ako operačná technológia alebo OT, nevyhnutne sa zvyšuje zaťaženie siete. Niekoľkomilisekundové oneskorenie zvyčajne nepredstavuje pre klasickú počítačovú sieť veľký problém. Na druhej strane pre presne synchronizovaný výrobný proces je nevyhnutná presnosť pod milisekundu. Prípadné oneskorenie v rozsahu niekoľkých milisekúnd môže vypnúť stroj, znížiť kvalitu výstupu alebo dokonca môže spôsobiť značnú škodu na zariadení a ohroziť personál. To je hlavný dôvod, prečo takmer každý výrobný závod tradične spravuje jasne oddelenú IT a OT sieť. Klasickým IT sieťam historicky chýbal determinizmus a cyklická dátová prevádzka – dva základné faktory pre OT úroveň.

Jedna spoločne využívaná sieť

IT siete sa riadia princípom známym ako „dodávka s najlepším úsilím“, čiže všetky dátové pakety majú rovnakú prioritu a prenášajú sa čo najskôr. Ak je kapacita v ktoromkoľvek bode procesu prekročená, dôjde k závažnému problému a prerušeniu časovania, čo v sieti strojov nie je povolené.

Až dosiaľ neexistoval spôsob, ako implementovať výkonnú a deterministickú cyklickú prevádzku na tej istej infraštruktúre. Siete TSN prinášajú zmenu. TSN je skupina rozšírení ethernetového štandardu, ktorá umožní prenášať súčasne všeobecné a kritické dáta v jednej sieti.

Prvým krokom pri vybavení siete deterministickým správaním je zabezpečiť, aby boli všetky jeho uzly ohľadom časovania na tej istej stránke. To plní štandard IEEE 802.1 AS-Rev. Opisuje mechanizmus synchronizácie hodín všetkých uzlov v sieti s cieľom stanoviť jednotný sieťový čas.

V ďalšom kroku musíme zaručiť, že deterministická dátová prevádzka bude mať v sieti prioritu. Za to zodpovedajú normy IEEE802.1 Qbv a Qba, ktoré špecifikujú fungovanie sieťových prepínačov. Tie musia pracovať tak, aby sa deterministický dátový tok prenášal v zaručenom časovom rámci aj v prípade, že iná komunikácia musí počkať.

Jednotný prístup ku konfigurácii tohto typu siete poskytuje Stream Reservation Protocol (IEEE802.1Qcc) vďaka štandardizovaným rozhraniam a mechanizmom určeným na konfiguráciu.

Zbohom šírka pásma

Ak skombinujete vyššie opísané mechanizmy v sieti, možno prenášať časovo kritické a cyklické údaje na rovnakej fyzickej vrstve ako všeobecné, časovo nerozlišované údaje. Keďže moderné výrobné siete sa spoliehajú na gigabitovú a vyššiu prenosovú rýchlosť ethernetu, súčasne sa podarilo vyriešiť problematiku šírky pásma, ktorá aktuálne postihuje nielen systémy priemyselných zberníc, ale aj priemyselné ethernetové protokoly.

Kombinácia OPC UA a časovo citlivých sietí pripraví pôdu na úplne novú architektúru v priemyselnej automatizácii. Jednou z najvýznamnejších vlastností týchto nových návrhov budú čoraz viac rozmazané hranice medzi IT a OT sieťami. To platí nielen pre nové výrobné prevádzky navrhnuté a postavené s rýchlym pripojením už od začiatku, ale aj pre existujúce priemyselné podniky. OPC UA TSN pokrýva všetky požiadavky dnešných najnáročnejších výrobných aplikácií na riadiacu vrstvu.

Zdroj: Sachse, S. OPC UA TSN solutions: from the field to the cloud. Industrial Ethernet Book Issue 102/6. [online]. Citované 3. 3. 2018. Dostupné na: http://www.iebmedia.com/?id=12530&parentid=74&themeid=255&showdetail=true.