Zosúladenie architektúry a vzájomná spolupráca (4)

Internet priniesol vek všadeprítomnej prepojiteľnosti a bezproblémovú výmenu informácií, meniac spôsob, akým žijeme, pracujeme, vyrábame a spotrebúvame. Teraz ale prináša revolúciu aj v priemysle prostredníctvom priemyselného internetu vecí (IIoT). Vysokorýchlostné siete, otvorené architektúry a inteligentné infraštruktúry, ktoré navzájom komunikujú, vytvárajú technologické inovácie rýchlosťou nevídanou od prvej priemyselnej revolúcie.
Zosúladenie architektúry a vzájomná spolupráca (4)

Internet priniesol vek všadeprítomnej prepojiteľnosti a bezproblémovú výmenu informácií, meniac spôsob, akým žijeme, pracujeme, vyrábame a spotrebúvame. Teraz však prináša revolúciu aj v priemysle prostredníctvom priemyselného internetu vecí (IIoT). Vysokorýchlostné siete, otvorené architektúry a inteligentné infraštruktúry, ktoré navzájom komunikujú, vytvárajú technologické inovácie rýchlosťou nevídanou od prvej priemyselnej revolúcie.

Prehľad modelov a štandardov na pripojenie a komunikáciu

Industrial Internet Connectivity Framework
Rámec pripojenia priemyselného internetu (IICF), ktorý vydalo Industrial Internet Consortium (IIC), rozširuje IIRA do oblasti pripojenia IIoT. Uvedený rámec objasňuje IIoT konektivitu s novým IIoT zásobníkovým modelom, opisuje referenčnú architektúru otvorenej pripojiteľnosti a prakticky pomáha odborníkom kategorizovať, vyhodnocovať a určovať vhodnosť technológie pripojenia pre systém IIoT.

Výzvy súvisiace s pripojením v systémoch IIoT zahŕňajú splnenie rôznych požiadaviek, podporu mnohých prenosov a prepojenie veľkého množstva „vecí“ od malých zariadení po obrovské inteligentné siete zložitých subsystémov. Na splnenie týchto výziev IICF aplikuje hľadiská IIRA: obchodné, funkčné, aplikačné a implementačné hľadiská na analyzovanie pripojiteľnosti IIoT, čo viedlo k vytvoreniu rámca pripojiteľnosti, ktorý rozširuje a podporuje IIRA a hodnotiace šablóny pre štandardy pripojiteľnosti.

Na základe týchto hodnotení predstavuje IICF prepojovací zväzok IIoT s mapovaním štandardov pripojiteľnosti (obr. 6). Zameriava sa na nové prenosové a rámcové vrstvy a málo pochopené štandardy. Dáva do popredia DDS, OPC UA, Web Services a OneM2M ako kandidátov na základné komunikačné štandardy, z ktorých si tvorcovia IIoT systému môžu vybrať na základe svojich špecifických systémových potrieb. Takto možno prepojiť existujúce siete a zariadenia s pôvodnými technológiami pripojiteľnosti so základnými normami s cieľom zabezpečiť schopnosť vzájomnej spolupráce.

Tieto základné štandardy pripojenia môžu byť tiež navzájom premostené bránami, aby sa zabezpečila schopnosť vzájomnej spolupráce medzi systémami IIoT. Aby sa využili silné stránky každého systému, môže byť v jednom systéme IIoT nasadený viac ako jeden základný štandard, napr. DDS a OPC UA. Napríklad OPC UA je vhodná na integráciu zariadení a vzájomnú zameniteľnosť a DDS je ideálna na integráciu softvéru. Inštalácia každej ďalšej brány alebo mostíkov by však často znamenala zvýšenie nákladov a zníženie kvality služieb, napríklad z pohľadu oneskorenia a spoľahlivosti.

V iných priemyselných odvetviach, napr. vo výrobe, využívajú aplikácie IIoT, ako sú inteligentné zdravotnícke systémy, autonómne dopravné a distribuované energetické systémy, vo veľkej miere štandard DDS zameraný na údaje, aby splnili výzvy súvisiace s integráciou softvéru.

IICF predstavuje model schopnosti vzájomnej spolupráce, v ktorom možno dosiahnuť v rámci jednotlivých subsystémov IIoT vzájomnú spoluprácu medzi zariadeniami, medzi zariadeniami a aplikáciami a medzi aplikáciami navzájom. Týmto spôsobom možno pomocou štandardných brán prepojiť hlavné štandardy pripojiteľnosti, RAMI 4.0 a ďalšie IIoT podsystémy (ktoré sú založené na iných základných štandardoch konektivity, ako sú DDS, OneM2M a Web Services) tak, aby sa dosiahla schopnosť vzájomnej spolupráce.

Komunikačná vrstva RAMI 4.0

Komunikačná vrstva RAMI 4.0 opisuje prístup k informáciám a funkciám zariadení pripojených do siete v súlade s koncepciou Priemyslu 4.0 pomocou zjednotenej komunikácie Priemyslu 4.0 s jednotným formátom údajov Priemyslu 4.0. Umožňuje komunikáciu naprieč viacerými osami: počas životného cyklu technických prostriedkov (od vývoja cez výrobu až po služby) aj cez funkčné hierarchické úrovne (od produktov k prepojenému svetu). Komunikačná vrstva je z tohto dôvodu v modeli kocky RAMI 4.0 rozdelená na malé bloky, pričom každý môže byť opísaný samostatne.

Komunikačná vrstva RAMI 4.0 sa zameriava na prenosový mechanizmus, zatiaľ čo opisy služieb a prenášaný dátový model sú špecifikované v informačnej vrstve. Celkovo komunikačná vrstva opisuje prieskum siete s pripojenými komponentmi Priemyslu 4.0 a iniciovanie prepojení medzi nimi. Aby bola zaručená schopnosť vzájomnej spolupráce, uprednostňuje RAMI 4.0 použitie štandardov na implementáciu svojej komunikačnej vrstvy, ako je znázornené na obr. 7, kde je komunikačná vrstva rozšírená pomocou modelu vrstvy ISO/OSI, v ktorom sú špecifikované rôzne štandardy.

Koncept Priemyslu 4.0 uprednostňuje na dosiahnutie vzájomnej spolupráce celú TCP/UDP/IP komunikáciu (káblové a bezdrôtové). V budúcnosti bude možné pridať časovo citlivé siete (TSN) a 5G. Vo vrstvách 5 – 7 modelu ISO/OSI uprednostňuje Priemysel 4.0 v oblasti výroby/služieb (použitie) a produktu až po úroveň prevádzky štandard OPC UA (zelená plocha na obr. 7). Sivá oblasť ako komunikácia medzi cloudovými riešeniami navzájom a medzi podnikmi a cloudmi a modrá oblasť pre celú oblasť vývoja sú stále predmetom diskusie v rámci komunity Priemyslu 4.0.

Súvislosti medzi komunikačnou vrstvou IICF a RAMI 4.0

Aby sa zabezpečila schopnosť vzájomnej spolupráce v jednej alebo vo viacerých odvetvových oblastiach, vnímajú združenia IIC a Plattform Industrie 4.0 potrebu harmonizácie a zlepšenia štandardov pripojenia vrátane univerzálneho komunikačného nástroja pre IIoT.

RAMI 4.0 špecifikuje vo výrobnom prostredí OPC UA ako základný štandard pripojiteľnosti (pomocou terminológie IICF) na prepojenie výrobného produktu, zariadenia a procesného softvéru. Okrem toho RAMI 4.0 špecifikuje TCP/UDP/IP komunikáciu s možným budúcim rozšírením na TSN a 5G.

V IICF sú špecifikované štyri základné štandardy. Jedným z nich je OPC UA pre výrobu. Okrem toho sú v IICF opísané technológie TCP/UDP/IP, TSN a bezdrôtové technológie. Tento spoločný základ je dobrým východiskovým bodom na spoluprácu medzi IIC a Plattform Industrie 4.0.

Schopnosť vzájomnej spolupráce medzi systémami postavenými na IIRA & RAMI 4.0

V rámci dôrazného zamerania RAMI 4.0 na výrobu (s cieľom optimalizácie kompletných výrobných prevádzok z hľadiska dodávky, prevádzky a údržby priemyselných výrobkov) a širokej použiteľnosti IIRA v rôznych priemyselných odvetviach (na optimalizáciu prevádzok produktov ako podnikových technických aktív) začína na dôležitosti naberať scenár schopnosti vzájomnej spolupráce. Na jednej strane sa produkty vyrábajú vo výrobnom prostredí založenom na systéme RAMI 4.0, pričom sa presúvajú v rámci svojho životného cyklu od materiálu cez súčiastky až po komponenty a nakoniec sú inštalované na mieste ako aktíva mimo výroby. Na druhej strane keď sú už nainštalované a uvedené do prevádzky, môžu byť prevádzkované a udržiavané v systéme IIoT na základe IIRA. Preto sa priemyselné výrobky (kde sa uplatňuje RAMI 4.0) objavujú vo viacerých odvetviach (kde sa uplatňuje IIRA), takže musia byť schopné spolupracovať.

S cieľom dosiahnuť optimálnu prevádzku a údržbu nainštalovaných technických podnikových prostriedkov vyžadujú sa od ich pôvodných výrobcov hlboké technické znalosti o materiáloch, súčiastkach, komponentoch a celých strojoch – časť týchto poznatkov sa môže objaviť v softvérových a analytických modeloch rozmiestnených v komponentoch a na úrovni strojov (aktív). Aktíva s ich softvérom podliehajú prebiehajúcemu vývoju a modernizácii. Preto tieto softvérové komponenty a analytické modely vyžadujú rutinnú údržbu a aktualizácie od pôvodných výrobcov. Dodávatelia materiálov a súčiastok majú tiež záujem o prístup k údajom o používaní ich príslušných prvkov v inštalovaných aktívach, aby poskytli spätnú väzbu k svojmu vlastnému procesu životného cyklu výrobku od návrhu cez údržbu až po recykláciu. Tieto scenáre vyžadujú, aby boli všetky výrobné a operačné systémy prepojené a poskytovali obojsmerné toky údajov a informácií.

Aby bolo možné zabezpečiť obojsmerné dátové a informačné toky medzi systémami IIoT postavenými na systémoch IIRA a Priemysle 4.0 využívajúcimi RAMI 4.0, treba definovať funkčné požiadavky, ktoré zabezpečia schopnosť vzájomnej spolupráce, a následne definovať funkcie a sémantiku, ktorým budú tieto systémy rozumieť, identifikátor vlastností a aktív (častí, komponentov a strojov) a komunikačné prostriedky medzi týmito systémami. Preto je identifikácia, komunikácia, sémantické a funkčné mapovanie medzi IIRA a RAMI 4.0 základným krokom smerom k vzájomnej spolupráci.

Zhrnutie

Obidve združenia, IIC a Plattform Industrie 4.0, spolupracovali pri analýze svojich referenčných architektúr. Výsledky sú prezentované v tomto seriáli článkov, ktorý:

  • posilňuje všeobecné chápanie, že IIRA zdôrazňuje širokú uplatniteľnosť a schopnosť vzájomnej spolupráce medzi odvetviami, zatiaľ čo RAMI 4.0 ide hlbšie do opisu modelov s cieľom digitalizácie výrobných procesov;
  • mapuje a zosúlaďuje dve referenčné architektúry, ktoré obsahujú podobné aj doplnkové prvky na riešenie výziev IIoT z rôznych hľadísk a v rôznych priemyselných oblastiach;
  • dospel k záveru, že podobnosti koncepcií, metód a modelov na vývoj konkrétnych architektúr v rámci IIRA a RAMI 4.0 možno navzájom dobre mapovať napriek tomu, že každá z nich je založená na odlišných rámcových štandardoch architektúry; tieto podobnosti tak identifikuje a opisuje;
  • tiež konštatuje, že veľká časť rozdielov medzi IIRA a RAMI 4.0 spočíva v rôznom dôraze na rozsah a hĺbku a rôznom pohľade pri skúmaní modelov architektúry vo výrobe, kde sa prekrývajú; v dôsledku toho sa mnohé z týchto rozdielov navzájom dopĺňajú a pomáhajú si a nebránia pri riešení výziev IIoT v oblasti digitalizácie výroby a mimo nej; napríklad priemyselná analýza, myšlienka, ktorá je zdôraznená v IIRA, by bola prospešná pri budovaní inteligentných systémov Priemyslu 4.0, na druhej strane prvok Priemyslu 4.0 by umožnil širokú vzájomnú spoluprácu systémov Priemyslu 4.0 a IIoT nielen vo výrobnom prostredí;
  • zdôrazňuje potrebu vzájomnej spolupráce medzi systémami IIoT postavenými na IIRA a Priemysle 4.0 využívajúcich RAMI 4.0;
  • poskytuje model alebo metódu vzájomnej spolupráce medzi zariadeniami a komponentmi v systémoch IIoT postavených na dvoch referenčných architektúrach na úrovni pripojiteľnosti a komunikácie.

Táto analýza a uvedené fakty vytvárajú pre obdive združenia pevný základ, aby ďalej spolupracovali na obohacovaní každej referenčnej architektúry, zlepšovali požiadavky na normy a podporovali možnosti vzájomnej spolupráce – to všetko s cieľom jednoduchšieho a podstatne širšieho využívania IIoT. V ďalších krokoch sa ich spolupráca sústredí na:

  • riešenie vzájomnej spolupráce medzi týmito dvoma modelmi na úrovni sémantiky,
  • prehĺbenie analýzy o tom, ako využiť analytiky z IIRA pre RAMI 4.0 a komponenty Priemyslu 4.0 z RAMI 4.0 pri inteligentných komponentoch a zariadeniach v IIRA.

Záver seriálu.

Zdroj: Lin, S-W. – Murphy, B. – Clauer, E. – Loewen, U. – Neubert, R. – Bachmann, G. – Pai, M. – Hankel, M. v spolupráci s Munz, H. – Barnstedt, E.: Architecture Alignment and Interoperability. An Industrial Internet Consortium and Plattform Industrie 4.0 Joint Whitepaper IIC:WHT:IN3:V1.0:PB:2017120. [online]. Citované 3. 1. 2019.