Figur 1: I framtiden vil hierarkiet til den konvensjonelle «automasjonspyramiden», forandres til et nettverk av automasjonstjenester. Dette skjer på grunn av integreringen av OPC UA på alle nivåer. Enheter og tjenester vil «snakke» direkte med hverandre ved å kalle opp SOA-tjenester. (Bilde: Beckhoff)
Figur 2: I kommunikasjonskonteksten «IT» og «automasjon» kan man skille mellom tre potensielle kommunikasjonsoverføringer, uavhengig av «hard» og «soft» real-time krav: «B2B», «B2M» og «M2M». (Bilde: Beckhoff)
PLC open/ OPC UA klientblokker gjør feltbussuavhengig, rask kommunikasjon mulig. TwinCAT-PLS´en med integrert OPC UA-klient initierer datakommunikasjonen. (Bilde: Beckhoff)
Metode-oppkallinger fra MES til PLS øker ytelsen hvor man tidligere brukte tidkrevende «data-handshake-mekanismer» (Bilde: Beckhoff)
Effektiv kommunikasjon uten «hand-shaking»: TwinCAT-PLS´en overfører RFID-informasjon til MES-systemet via OPC UA-metoden «kalle opp», og mottar en instruksjon for neste skritt som returparameter. (Bilde: Beckhoff)
Metoder i IEC 61131-3 PLS kan kun godkjennes for ekstern bruk. (Bilde: Beckhoff)
Blokkdiagram over metoden «kalle opp» (Bilde: Beckhoff)

Integrerte nettverk

Industrie 4.0 og Internet of Things (IOT) er konsepter som krever en høy grad av nettverk og kommunikasjon mellom enheter og tjenester. Store datamengder må utveksles, fra sensor til IT-nivå.

Fagartikkel

Dette er del 1 av en større fagartikkel som ser på Internet of things, Industrie 4.0 og hvordan dette vil påvirke kommunikasjon. Del 2 av artikkelen følger i neste utgave av Automatisering, nr. 8 som kommer ut 8. desember.

En grunnleggende faktor som bidrar til muligheten for IoT og Industri 4.0 er SOA (Service Oriented Architecture) PLC. PLC-tilgang via webtjenester er ikke ny – så hva er SOA, hva er nytt i «SOA-PLC», og hvilken merverdi gir det?

Rask og dynamisk

Industrie 4.0 som konsept muliggjør rask, dynamisk produksjon som krever egnete nettverk og kommunikasjon mellom enheter og tjenester som må være i stand til å kommunisere direkte med hverandre. Sensorer, måleinstrumenter, RFID-brikker, PLS-kontrollere, HMI, MES og ERP-systemer gir alle viktige produksjonsdata for bedrifter. I konvensjonell kontrollarkitektur er dataforespørsler hendelsesdrevet eller syklisk initiert, og er alltid svar på forespørsler «ovenfra», dvs. fra klientens nivå. Det nedre nivået fungerer alltid som en server og reagerer; en visualisering, for eksempel, kan be om datastatus fra PLS, eller overføre nye produksjonsbeskrivelser til PLS. Det første trinnet er omdanning av elektriske sensorsignaler til digital informasjon. Dette etterfølges av disponering av et tidsstempel innad i PLS og overføring av informasjonen til MES-IT nivå via ytterligere tjenester (figur 1).

Med Industrie 4.0 begynner dette strenge skillet mellom nivåene og ovenfra og nedad-tilnærmingen til informasjonsflyten å mykne og blande seg. I et intelligent nettverk kan enhver enhet eller tjeneste autonomt initiere kommunikasjon med andre tjenester.

Les om:

Figur 2: I kommunikasjonskonteksten «IT» og «automasjon» kan man skille mellom tre potensielle kommunikasjonsoverføringer, uavhengig av «hard» og «soft» real-time krav: «B2B», «B2M» og «M2M». Beckhoff

B2B – B2M – M2M

Vanligvis kan alle kommunikasjons­scenarioer og bruksmåter som er definert i Industrie 4.0 og IoT-grupper med et abstrahert perspektiv, deles i to former for kommunikasjonsarkitektur: på den ene siden, tjenester i «hard real-time» (dvs. automatiseringskontekst, for eksempel den deterministiske PLC for kontrollformål), og, på den annen side, tjenester i en «soft real-time», f.eks. i IT-sammenheng (figur 2).

Dette resulterer i tre potensielle kommunikasjonsoverganger definert av Industrie 4.0 WG2 styret:

«B2B» kommunikasjon: To «soft real-time» prosesser kommuniserer med hverandre. Eksempel: en ERP-applikasjon utveksler informasjon med en MES-søknad. Utveksling, for eksempel mellom HMI og MES, MES og MES, eller sensor og sky kan ta alt fra noen få millisekunder til flere minutter.

«B2M» kommunikasjon: en «soft real-time» prosess kommuniserer med en «hard real-time» prosess. Eksempel: En applikasjon utveksler informasjon med en maskin. Den tiden som er nødvendig for utveksling, av data mellom HMI og PLS, eller MES og PLS-kontrolleren, kan variere fra noen få millisekunder til flere minutter.

«M2M» kommunikasjon: To prosesser kommuniserer i automatiseringssammenheng med hverandre enten i «hard» eller «soft» real-time. F.eks.: En robot plattform-kontroller utveksler kontrollinformasjon horisontalt med en håndholdt robotkontroller. Utvekslingen må skje i en hard, deterministisk realtime syklus som varer fra noen få millisekunder. Et annet eksempel: to kontrollere utveksler data horisontalt – rask– (i «soft» real-time), syklisk, og feltbuss-uavhengig.

Her kan determinisme bli sett som en «Quality of Service (QoS)» med visse krav som en kommunikasjonsprosess kan, eller ikke kan møte; disse kravene vil være definert av en garantert varighet, f.eks. en responstid på 100 µs.

Begrepet «M2M» er allerede brukt i mobil radiokommunikasjon, der M2M refererer til interfacing av enheter via mobilkommunikasjon med IT-prosesser. I denne sammenheng er det et utbredt syn at M2M er til stede når et SIM-kort brukes.

Effektiv kommunikasjon uten «hand-shaking»: TwinCAT-PLS´en overfører RFID-informasjon til MES-systemet via OPC UA-metoden «kalle opp», og mottar en instruksjon for neste skritt som returparameter. Beckhoff

Formasjonsmodeller

Uansett hvilke termer som til slutt vil definere de tre kategoriene, er det et faktum at i IoT og Industrie 4.0, vil kommunikasjon ikke lenger være basert på rene data og interoperabiliteten av datakommunikasjonen. Det vil fokusere på utveksling av informasjonsmodeller, og derfor semantisk interoperabilitet. En viktig faktor vil være overføringsintegritet og sikkerheten på tilgangsrettighetene til de enkelte data eller tjenester. Alle disse kravene er viktige aspekter ved OPC Unified Architecture (OPC UA). Det inneholder et beskrivelsesspråk og kommunikasjons­tjenestene for informasjonsmodellene. Som en IEC 62541-standard, er OPC UA laget for å kartlegge informasjonsmodellene til andre organisasjoner som BACnet, PLC open, IEC 61850, AIM AutoID og MES- DACH, blant andre. I henhold til det tyske føderale kontor for informasjonssikkerhet, BSI (Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik), er «sikkerhet ved design» integrert i OPC UA betydelig bedre enn i andre protokoller, og blir derfor vurdert i et nåværende prosjekt, på grunn av den høye relevansen for Industrie 4.0.

Distribuerte applikasjoner

Takket være den standardiserte konsolideringen av data, samt deres struktur og formål, er OPC UA spesielt egnet for distribuerte, intelligente applikasjoner mellom maskiner, uten behov for intelligens fra et høyere nivå eller sentral kunnskap. Funksjonaliteten til OPC UA-komponenter er skalerbar allerede tilgjengelig på sensornivå (f.eks. sent av vindturbiner Arevas nåværende bruk av sensorminne, som starter på 240 kB flash og 35 kB RAM) helt opp til SAP-systemer.

Les om: Skiller informasjonsmodell og protokollstack