Komunikacja w chmurze w Przemyśle 4.0. i Przemysłowym Internecie Rzeczy

W tradycyjnej piramidzie komunikacyjnej wymagany jest przesył znacznych ilości danych między poziomem obiektowym (hali fabrycznej) a wyższymi poziomami systemu informatycznego przedsiębiorstwa. Źródło: Beckhoff Automation

Postępująca konwergencja technologii informacyjnej (IT) i technologii automatyki sprawia, że komunikacja i obsługa danych w oparciu o chmurę obliczeniową są w coraz większym stopniu wykorzystywane w projektach automatyki przemysłowej.

Poza zakresem konwencjonalnych zadań sterowania aplikacje takie jak analiza dużych ilości różnorodnych danych (Big Data) i wydobywanie danych (ang. data mining) umożliwiają wdrażanie zaawansowanych rozwiązań automatyki. Nowe produkty sprzętowe i programowe dla Przemysłu 4.0 i Przemysłowego Internetu Rzeczy umożliwiają proste wdrażanie zaawansowanych rozwiązań.

Strategie Przemysłu 4.0 i IIoT mają ścisłe wymagania dotyczące możliwości komunikacyjnych oraz pracy w sieci urządzeń i usług. W pokazanej na rysunku tradycyjnej piramidzie komunikacyjnej duże ilości danych muszą być wymieniane pomiędzy czujnikami poziomu obiektowego a warstwami wyższego poziomu.

Komunikacja w chmurze

Obecnie komunikacja i usługi danych w chmurze pozwalają zakładom produkcyjnym na unikanie problemów, które napotykały wcześniej, ponieważ technologie te dostarczają użytkownikowi skrócony obraz (abstract view) jego systemów sprzętowych i programowych. „Skrócony” oznacza tu tyle, że użytkownik nie musi się zastanawiać nad odpowiednim systemem serwera, gdy wykorzystuje jakąś jego usługę, i dzięki temu może skupić się na wyborze i odpowiednim wykorzystaniu właściwej usługi. Prace związane z konserwacją i aktualizacją infrastruktury IT są wykonywane przez dostawcę systemu w chmurze.

Chmury dzielą się na publiczne i prywatne. Dostawcy usług w chmurze publicznej oferują użytkownikom pewien zakres usług ze swoich własnych centrów danych. Rozpoczyna się on za pomocą maszyn wirtualnych, w których aktualny użytkownik ma kontrolę nad systemem operacyjnym i swoimi aplikacjami zainstalowanymi w tym systemie, a następnie rozszerza do skróconej komunikacji i usług danych, co może być zintegrowane przez użytkownika w aplikacjach. Usługi mogą obejmować dostęp do algorytmów uczenia maszynowego, które mogą przewidywać i klasyfikować specyficzne dane na podstawie pewnych danych maszynowych i produkcyjnych. Algorytmy te otrzymują treść za pomocą usług komunikacyjnych.

Takie usługi komunikacyjne są zwykle oparte na protokołach komunikacyjnych, które z kolei są oparte na modelu publikacji/subskrypcji. Wszystkie aplikacje komunikują się poprzez centralną usługę w chmurze. Przesył danych w chmurze za pomocą programowego modułu pośredniczącego (message broker) obejmuje podłączenie komunikacji wychodzącej z perspektywy urządzenia końcowego, niezależnie od tego, czy dane są wysyłane (publikacja), czy odbierane (subskrypcja).

Zaletą tego rozwiązania dla skonfigurowania infrastruktury informatycznej jest to, że nie muszą być konfigurowane żadne połączenia komunikacji danych przychodzących. To znacznie skraca czas konfigurowania infrastruktury IT i zmniejsza koszty jej konserwacji. Protokoły transportowe używane do komunikacji danych są lekkie i standaryzowane – wykorzystywane są tutaj takie protokoły, jak MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) i AMQP (Advanced Message Queuing Protocol). Twórcy standaryzowanego protokołu komunikacyjnego OPC Unified Architecture (OPC UA) dostrzegli wartość dodaną scenariusza komunikacji opartej na mechanizmie publikacji/subskrypcji i podjęli działania zmierzające do zintegrowania tej zasady komunikacyjnej w swojej specyfikacji. Oznacza to, że poza MQTT i AMQP dostępny jest dodatkowy standard mechanizmu transportowego w chmurze.

Mechanizmy publikacji/subskrypcji mogą być także użyte w prywatnej chmurze przez firmy lub sieci maszyn. Dla protokołów MQTT i AMQP wymagana infrastruktura może być łatwo zainstalowana i udostępniona na dowolnym komputerze typu PC w formie modułu message broker. Oznacza to, że możliwe jest wdrożenie obydwu scenariuszy komunikacji maszyny z maszyną (ang. machine-to-machine – M2M), a co za tym idzie, do sterownika mogą być podłączone dowolne urządzenia końcowe.

Przemysł 4.0 i IIoT są kluczowymi koncepcjami, gdy dla infrastruktury bazowej w firmie wymagane są innowacyjne modele biznesowe. Usługi danych oparte na chmurze mogą pomóc we wdrażaniu takich projektów automatyki, ponieważ zwalniają one producenta maszyn lub klienta końcowego z konieczności zatrudniania ekspertów od informatyki.

Sven Goldstein jest menedżerem produktu w firmie Beckhoff Automation. Zajmuje się oprogramowaniem TwinCAT, połączeniami sieciowymi oraz systemami wbudowanymi.