Mobilność i kontekstualność kluczem do integracji 4.0

Współczesny przemysł (zwłaszcza ten oznaczony jako 4.0) potrzebuje infrastruktury dla nowoczesnych urządzeń mobilnych. Rozwiązania przeznaczone do tego rodzaju sprzętu, służącego do sterowania, nadzoru, diagnostyki oraz utrzymania ruchu, zmieniają się dzięki rozwojowi mobilnych systemów kontekstowych, czyli działających zgodnie z preferencjami użytkownika.

Fot. 1. Tablety i smartfony umożliwiająobsługę mobilnych systemów kontekstowych w oparciu o odpowiednią infrastrukturę. (Źródło: PcVue Inc)

Pojęcie mobilności wiąże się z urządzeniami inteligentnymi, tzw. smart devices, czyli smartfonami i tabletami. Stopniowo rośnie ich popularność jako środków łączności używanych przez inżynierów i techników często zmieniających miejsce wykonywania pracy – w tym integratorów systemów automatyki. Sposób interakcji z urządzeniem mobilnym różni się znacznie od pracy z komputerami stacjonarnymi i laptopami. A to nie koniec, bowiem dotychczasowe rozwiązania mobilne służące do nadzoru, diagnostyki oraz utrzymania ruchu budynków i systemów zarządzania energią (EMS), a także sterowania nimi, zrewolucjonizuje rozwój mobilnych systemów kontekstowych – czyli uwzględniających na bieżąco preferencje użytkownika, jego zainteresowania i potrzeby.

W rozproszonym środowisku systemu nadzoru i sterowania zwykle istnieją niezależne serwery dla poszczególnych fizycznych obszarów albo stref sterowania. Strefa taka może obejmować wszystkie urządzenia w określonej przestrzeni, np. w hali produkcyjnej, lub określony system automatyki. Pracownicy odpowiedzialni za systemy automatyki muszą coraz częściej pracować w ruchu. Korzystają zatem z urządzeń typu smart, by móc operować w poszczególnych strefach sterowania. Muszą wiedzieć, jak należy się połączyć z serwerem sterującym daną strefą, aby za jego pomocą uzyskiwać informacje o jej stanie i kontrolować ją. Na rynku korzysta się z oprogramowania serwerów sterujących od wielu różnych producentów, dlatego rzadko kiedy z poszczególnych stref otrzymujemy informacje w pełni spójne – nie wspominając o jednolitych interfejsach użytkownika. Problemy te znacznie utrudniają zdalny dostęp do automatyki, a także wydłużają czas realizacji zadań przez pracowników mobilnych. Wszystko to muszą uwzględniać w swojej pracy również integratorzy systemów.

Zakres zadań pracownika mobilnego zależy od jego roli w organizacji firmy i może się zmieniać zależnie od obsługiwanej strefy sterowania. Osoba odpowiedzialna np. za sterowanie ruchem urządzeń w swojej zakładowej strefie może jedynie monitorować pracę sprzętu w innej strefie. Z kolei operatorzy urządzeń w konkretnej strefie sterowania potrzebują innych informacji na ich temat niż służby utrzymania ruchu. Tym samym zakres informacji i elementów sterowniczych potrzebnych pracownikowi zależy od określonego kontekstu, czyli roli i lokalizacji tego pracownika. Potrzebny jest zatem system, który w sposób czynny i bezpieczny przedstawia informacje kontekstowe odpowiednim osobom, we właściwym miejscu i w odpowiedniej chwili. To z kolei oznacza, że istnieje pilna potrzeba stworzenia nowej infrastruktury przemysłowej, obsługującej mobilne systemy kontekstowe. Infrastruktura mobilna (MI) obejmuje urządzenia mobilne typu smart, które zwiększają wartość i możliwości działania mobilnych systemów informacji kontekstowej. Składa się ona z tzw. budynkowych systemów pozycyjnych (IPS) rozmieszczonych w strefach sterowania, aplikacji usług zbliżeniowych zainstalowanych w urządzeniach mobilnych oraz z serwera usługi mobilnej, który ocenia kontekst dostępu do systemu, po czym odpowiednio realizuje komunikację danych niezbędnych do nadzoru nad urządzeniami i składnikami strefy sterowania oraz do sterowania ich pracą (fot. 1).

Usługi zbliżeniowe w mobilnych systemach kontekstowych

IPS i GPS (globalny system pozycyjny) są dziś standardowymi funkcjami urządzeń mobilnych. Na podstawie danych GPS lub IPS określają one swoje położenie w przestrzeni. Gdy aplikacja zainstalowana w urządzeniu potwierdzi i zachowa daneuwierzytelniające użytkownika, sprzęt jest w stanie na bieżąco ustalać jego rolę i położenie. Dzięki technologii IPS aplikacja może wykrywać znajdujące się w jej pobliżu zasoby mobilne, określać położenie i profil użytkownika, a także zsynchronizować te dane z serwerem usług mobilnych.

Urządzenie mobilne łączy się z serwerem za pomocą standardowych interfejsów bezprzewodowych. Mikrogeolokalizacja położenia urządzenia mobilnego opiera się na danych z geoznaczników, w tym urządzeń BLE (Bluetooth Low Energy), znaczników NFC (Near-Field Communication) i kodów QR, a także na triangulacji położenia między punktami dostępu do sieci WiFi. Geoznaczniki mogą w analogiczny sposób służyć do rozszerzenia zakresu usług zbliżeniowych w sieciach zasobów mobilnych. Zmiany lokalizacji urządzenia mobilnego przez użytkownika tworzą historię jego ruchu, którą serwer usług mobilnych może rejestrować w zakresie dozwolonym przez konfigurację zapisu danych prywatnych.

Rys. 1. Infrastruktura mobilna współpracuje z narzędziami mobilnymi, np. tabletami i smartfonami, oraz istniejącymi systemami. (Źródło: PcVue Inc)

Serwer usług mobilnych a logika kontekstu

Podstawą omawianej infrastruktury jest serwer usług mobilnych i zainstalowany w nim tzw. silnik logiki kontekstu (Contextual Logic Engine – CLE). Serwer taki określa, jakie czynności powinni podjąć łączący się z nim pracownicy i przekazuje im informacje o strefach sterowania, a także udostępnia funkcje sterowania stosowne do kontekstu, czyli miejsca pobytu pracowników i zakresu odpowiedzialności przypisanej im w poszczególnych lokalizacjach.

Serwer może zatem przekazać informacje o bieżącym stanie urządzeń i udostępnić ich interfejs sterowniczy. Może również zasugerować pracownikom dodatkowe źródła informacji (np. rysunki, plany itp.) niezbędne do wykonania pracy (rys. 1). Gdy CLE ustali, że warunki wymagają udostępnienia użytkownikowi mobilnemu nowych informacji i stworzenia mu możliwości działania, przekazuje je automatycznie do jego urządzenia typu smart. Przykłady udostępnianych danych obejmują:

-> graficzny interfejs człowiek-maszyna (HMI), ze wskazaniami stanu i funkcjami sterowania;

-> listy wartości pomiarów parametrów;

-> wykresy przebiegów kluczowych wartości;

-> odczyt i modyfikację harmonogramu zdarzeń;

-> zarządzaniealarmami;

-> otwarcie strony sieci Web, wyświetlenie dokumentu lub wywołanie innych zasobów systemu operacyjnego.

CLE może również korygować parametry pracy klimatyzacji w sterowanej strefie lub udostępnić użytkownikom elementy sterowania klimatyzacją.

Rys. 2. Znaczniki walidacyjne określają zakres uprawnień użytkownika w poszczególnych strefach. Pracownik mający prawo do zmiany ustawień lub programowania urządzeń w danej strefie może mieć w innej strefie wyłącznie prawo do odczytu danych. (Źródło: PcVue Inc)

Bezpieczeństwo danych urządzenia mobilnego

Najważniejszym problemem związanym z eksploatacją każdego systemu informatycznego jest jego cyberbezpieczeństwo. Każda sieć teleinformatyczna wymaga kompleksowego systemu środków bezpieczeństwa, m.in. firewalli i aktywnego zarządzania uprawnieniami użytkowników. Wdrożenie nowoczesnych rozwiązań mobilnych wymaga rozważenia także innych względów. Szczególne funkcje infrastruktury mobilnej obejmują następujące kwestie:

-> logowanie się użytkownika do aplikacji,

-> ponowne uwierzytelnienie użytkownika przed obsługą elementów sterowania,

-> walidację uprawnień przed wykonaniem krytycznych czynności technologicznych – w tym walidację odległości użytkownika od urządzenia z czujnikiem, np. znacznikiem BLE, oraz potwierdzenie walidacji za pomocą geoznacznika w urządzeniu, np. kodu QR (rys. 2).

Popularność urządzeń mobilnych typu smart, z którymi większość pracowników przemysłowych jest już obeznana, umożliwiła udoskonalanie mobilnych rozwiązań nadzoru i sterowania dla instalacji przemysłowych. Trend zmierza w stronę odejścia od tradycyjnej, scentralizowanej dyspozytorni ruchu zakładowego ku kierowaniu ruchem w systemie rozproszonym przez osoby pracujące mobilnie. Sposób, w jaki użytkownik pracuje z urządzeniem mobilnym, jest odmienny od pracy z interfejsami stacjonarnej dyspozytorni. Wymaga to zatem odpowiedniej infrastruktury mobilnej, umożliwiającej poprawę wydajności, zwiększenie bezpieczeństwa technologicznego i jak najlepszą ochronę danych elektronicznych.

Standaryzacja możliwości obsługi geolokalizacji i mikrogeolokacji przez urządzenia mobilne ułatwia nadzorowanie miejsca pobytu pracowników mobilnych oraz przekazywanie na ich urządzenia mobilne informacji i funkcji sterowania w sposób kontekstowy, czyli w zakresie uzależnionym od przyznanych personelowi uprawnień oraz od konkretnej lokalizacji – i to bez pomocy dodatkowych urządzeń infrastruktury.

Podsumowanie

Zapotrzebowanie na infrastrukturę mobilną wynika z chęci wykorzystania potencjału drzemiącego w gwałtownym rozwoju smartfonów i tabletów oraz ich coraz większej dostępności. Wynikiem integracji usług zbliżeniowych z aplikacją mobilną i serwerem usług mobilnych są rozwiązania mobilne do pracy z systemami typu SCADA do nadzoru procesów technologicznych oraz systemami zarządzania budynkami (BMS).