Периферни изчисления (edge computing) в индустриалната автоматизация

АвтоматизацияСп. Инженеринг ревю - брой 7/2019 • 04.11.2019

С утвърждаването на Internet of Things като ключова технология в модерното промишлено производство все повече компании търсят допълнителни решения за повишаване ефективността на производствените си активи. Периферните изчисления (edge computing) бързо се превръщат в мегатенденция в индустриалната автоматизация поради множеството си предимства в сравнение с вече популярните облачни платформи. Концепцията за интелигентно производство, базирано на периферни мрежи от данни, надгражда функционалността на IoT технологиите и техните индустриални (IIoT) приложения, осигурявайки подобрена гъвкавост и отзивчивост на производствените системи.

 

Автоматизация от следващо ниво

Популярна дефиниция твърди, че ако автоматизираните системи могат да “действат” самостоятелно, то IoТ-опосредстваните производствени платформи могат да “усещат” различни процесни изменения и да “мислят” автономно, както и да “реагират” на определени промени в работните условия или други извънредни обстоятелства. Така навлизането на Internet of Things в производството извежда индустриалната автоматизация на изцяло ново ниво. IoT технологията се явява функционална база на периферните изчисления и прилагането им в практиката изисква инвестиции в IoT-съвместими производствени решения.

IoТ-базираните промишлени системи, в допълнение към високата си ефективност и производителност, са в състояние и да осъществяват функции за автомониторинг и самоуправление. Те могат да регистрират различни аномалии в процесни параметри като температура, мощност, скорост и позициониране при механична обработка например, и да ги коригират спрямо моментните потребности на системата и приложението. На базата на IoT-свързани сензори една производствена линия би могла сама да инспектира готовата продукция и автоматично да идентифицира дефектни изделия или партиди. В зависимост от характера на дефекта системата може или самостоятелно да внесе промени в процесните параметри, или да уведоми отговорния персонал за настъпилия проблем. Това позволява незабавна реакция при възникването на отклонения по отношение на качеството, запазване на висока производствена ефективност и предотвратяване на загубите, свързани с бракуване и преправяне на дефектни изделия. В допълнение, интегрирането на IoT-базирани технологии в индустриалното производство осигурява и съществени ползи по отношение на енергийния мениджмънт, управлението на инвентара, поддръжката и обслужването на производственото оборудване, както и безопасността на персонала.

 

Ограничения на IIoT платформите

Макар Industrial Internet of Things да осигурява редица предимства в множество съвременни производствени приложения, тази технология среща и някои практически ограничения. Налице са сценарии, в които IIoT решенията костват на производствените предприятия и допълнителни разходи, които биха могли да бъдат избегнати. Най-голямото бюджетно перо, свързано с внедряването на Internet of Things в едно индустриално производство, е изграждането и поддръжката (или наемането) на център за данни с голям капацитет, който да обезпечи съхранението, обработката и анализа на гигантските информационни масиви, генерирани при събирането на данни за производствените системи от IoT-свързаните сензори и измервателни средства. Разходите за трансфер на големи обеми данни с висока скорост и на значителни разстояния между един централизиран дейта център и свързаното полево оборудване могат да нараснат главоломно.

Налице е и друг риск. Централизирането на цялата изчислителна мощ на едно място понижава надеждността на системата поради опасност от отказ на целия ресурс наведнъж. Всяка неизправност във връзка с центъра за данни или в мрежата, свързваща центъра с полевите IoT устройства, може да доведе до срив в производствените операции, нарушаване на производствената и ресурсната ефективност и т. н. В зависимост от мащаба и географското разпределение на веригата на доставките комуникацията между централизирания център за данни и крайните полеви точки може да се окаже недостатъчно бърза и адекватна, което да доведе до забавени реакции към промени в производствената среда и ненавременни отговори при извънредни обстоятелства. Решение на проблемите от този род е децентрализирането на производствените мрежи за трансфер на данни и разпределянето на функциите за управление по цялата мрежа и най-вече – към нейната периферия. На практика това означава изместване на контролните функции към крайните точки – по-далече от сървърите и по-близо до полевите източници на данни.

 

Периферни или облачни изчисления

При облачните изчислителни архитектури критичната обработка на данни се случва в мястото на генериране на информационния масив, а не в централизиран облачен сървър. IIoT платформите са базирани на данни от множество сензори, контролери и прикачени хранилища, обикновено намиращи се на много и различни географски локации. Някои критични задачи по отношение обработката на данни за производствените системи е по-добре да бъдат извършвани в близост до източника вместо в облачна среда. Възниква въпросът подходящи ли са тогава облачните решения сами по себе си за обработка на данни в реално време в IIoT платформи. Отговорът на експертите е - не. При традиционните мрежови облачни системи данните се изпращат към сървър и след това се връщат обратно към потребителите. Тази схема е подходяща за видеа, снимки, музика, документи и некритични информационни единици, но не осигурява достатъчна сигурност и надеждност за IIoT данни в реално време. Когато данните не са в близост до техния източник, качеството им може да бъде компрометирано. Проблеми с актуалността, точността на данните и скоростта на доставката им до точката на поискване могат също да възникнат при използването на облачна архитектура.

При изграждането на комплексна IIoT-базирана производствена платформа облачната услуга може да се окаже доста скъпа по отношение на разходите за честотен обхват и изчислителен ресурс. Забавянията при трансфера и отпадането на мрежовата достъпност на облачните сървъри могат да се окажат сериозен проблем при IIoT платформите. В отговор на тези предизвикателства производствените информационни масиви стават все по-децентрализирани, а облачните технологии биват заместени от периферни изчисления във все повече промишлени приложения.

 

Предимства на edge технологията

Най-отчетливото предимство на edge платформите в сравнение с популярните решения в съвременните производства е оперативната съвместимост – от ниво полево устройство до ниво облак. Ето защо е важно комуникацията в рамките на тези платформи да е стандартизирана. Протоколи като OPC UA TSN са базови за свързването на едно edge устройство към всяко друго устройство или система. При по-стари производствени платформи “преводът” на данните от патентовани фирмени системи със затворен код към облачния сървър е необходимо да бъде осъществен посредством съответния гейтуей (шлюз) с OPC UA интерфейс през стандартна Ethernet връзка. Едно периферно изчислително устройство би могло да поеме ролята на гейтуей. Друго предимство на технологията е, че позволява локален анализ и оптимизация с цел постигане на по-висока отзивчивост на системата при по-динамични приложения.

Основен плюс на облачните изчисления е, че подготвят данните във вид, достъпен от всяка точка на света. Изборът на доставчик на облачни услуги обаче може да се окаже сложен. При периферните контролери пък могат да са налице множество допълнителни услуги и функции за персонализация. Отговорността за обслужването и осигуряването на бекъп поддръжка обаче до голяма степен остава за потребителя.

На практика всяко приложение в сферата на индустриалната автоматизация би могло да извлече ползи от събирането и анализа на данни при техния източник. Въпросът е какъв е типът на информацията, кои аспекти на производствените операции касае, както и дали обработката на данни може реално да донесе подобрения в производителността.

Ако основен приоритет в едно промишлено приложение е непрекъснатата работа на машините и системите, то ключови за него са данните по отношение на статуса и състоянието на оборудването, включително на критични компоненти като лагери, параметри като работни температури, нива на смазочни и охлаждащи течности, триене, информация от контролно-измервателните прибори и др. Отклоненията от допустимите стойности на всички тези променливи могат да доведат да директен спад в продуктовото качество. Износването на механичните компоненти може да причини намалена производителност и да влоши производствената ефективност. При неадекватен анализ на данните за подобно явление то може да не бъде регистрирано навреме, което да доведе до множество загуби в дългосрочен план.

Продължава в следващ брой

ЕКСКЛУЗИВНО

Top