Internet Rzeczy w rozwiązaniach firmy Beckhoff

Firma Beckhoff powstała, by zaadaptować i przenieść na grunt przemysłowy technologie komputerowe opracowywane dla konsumentów. Nie da się ukryć, że Internet Rzeczy to także pomysł ze świata konsumenckiego, który coraz chętniej wdrażany jest w zakładach przemysłowych – jako element koncepcji Przemysłu 4.0. Beckhoff spostrzegł ten trend już jakiś czas temu i opracował szereg narzędzi, które uzupełniają oprogramowanie TwinCAT zgodnie z założeniami IoT i są oparte na przemysłowych komputerach PC. Ich celem jest przetwarzanie ogromnych ilości danych (Big Data), wyszukiwanie w nich powtarzających się wzorców oraz monitorowanie stanu poszczególnych elementów maszyn i procesów technologicznych.

Analityka i komunikacja

Do realizacji wspomnianych wcześniej zadań konieczne jest przeprowadzanie różnorodnych czynności, dlatego nowe moduły programowe firmy Beckhoff zostały podzielone na dwie grupy. Pierwsza – TwinCAT Analytics – służy do gromadzenia i przetwarzania danych z serwera lokalnego albo w chmurze. W skład pakietu TwinCAT Analytics wchodzą moduły:

• TC3 Analytics Logger (TF3500),
• TC3 Analytics Workbench (TE35xx),
• TC3 Analytics Library (TF3510),
• TC3 Analytics Cloud Storage (TF3520).

Ich zadaniem jest przede wszystkim umożliwienie łatwego przetwarzania danych w celu zapewnienia predykcyjnego utrzymania ruchu i minimalizacji przestojów produkcyjnych.

Drugim pakietem jest TwinCAT IoT Communication, który gromadzi moduły odpowiedzialne za przesyłanie danych do chmury i urządzeń mobilnych. Dzięki prostym narzędziom bardzo ułatwia konfigurację systemów łączności. W skład tego pakietu wchodzą:

• TC3 OPC UA (TF6100),
• TC3 IoT Communication (TF670x),
• TC3 IoT Functions (TF671x),
• TC3 IoT Data Agent (TF672x),
• TC3 IoT Communicator (TF6730),
• TC3 IoT Communicator App (TF6735).

Kompletny zestaw wymienionych narzędzi umożliwia realizowanie w niemal dowolny sposób zadań związanych przede wszystkim z diagnostyką maszyn przemysłowych. Na podstawie zebranych danych i przy użyciu zaawansowanych algorytmów możliwe jest bowiem określenie warunków, które przyczyniły się do wystąpienia ewentualnej usterki, a dalszy monitoring systemu pozwoli z wyprzedzeniem przewidzieć sytuacje awaryjne i im zapobiec. Za wszystkie te czynności odpowiadają moduły z pakietu TwinCAT Analytics, ale to TwinCAT IoT Communication stanowi interfejs do nich, który zapewnia realizację przetwarzania tych danych nie tylko na lokalnych serwerach, ale i w chmurze.

Oczywiście nie wszyscy będą skłonni przesyłać do Internetu cenne informacje na temat własnych zakładów przemysłowych, dlatego moduł IoT Communication pozwala elastycznie dobierać zakres i cel przesyłanych danych. Przykładowo większość danych procesowych można gromadzić na własnych serwerach, a tylko wybrane dane diagnostyczne przekazywać do zewnętrznej chmury. Po co? Choćby po to, by umożliwić producentowi maszyny lub innej firmie specjalizującej się w diagnostyce zdalne monitorowanie stanu urządzenia i korzystanie z wiedzy zdobytej podczas innych wdrożeń. Dzięki temu nie trzeba czekać na awarię, by na jej podstawie przewidzieć kolejną. Zamiast tego można uczyć się na doświadczeniach innych osób i w efekcie całkowicie zminimalizować ryzyko nieprzewidzianych usterek.

Moduły analityczne

Umożliwienie przetwarzania dużych ilości danych wymagało stworzenia nowego modułu do ich analizy. Z tego właśnie powodu powstał TC3 Analytics Logger, który jest uzupełnieniem takich narzędzi, jak TwinCAT Scope View i TwinCAT Database Server. Analytics Logger zapewnia cykliczną archiwizację dużych ilości danych – w praktyce zrzutów wszystkich chwilowych danych z przebiegającego procesu. Oczywiście możliwe jest też ręczne określenie podzbioru zapisywanych informacji lub uzupełnienie ich danymi pochodzącymi z innych źródeł.

Zapisane dane można analizować za pomocą wygodnego w użyciu modułu TC3 Analytics Workbench, który świetnie integruje się z dotychczasowymi narzędziami, umożliwiając przetwarzanie informacji z użyciem TwinCAT Condition Monitoring, środowiska obliczeniowego MATLAB/Simulink, a nawet własnego kodu, napisanego w języku C++. Za konfigurację sposobu przekazywania danych odpowiada nowe narzędzie TwinCAT Analytics Configurator. Pozwala w łatwy sposób przeglądać dane zebrane przy użyciu Analytics Logger, decydować o ich zapisywaniu do bazy oraz określać, czy mają być przetwarzane na żywo czy zbiorczo – po pewnym czasie (off-line).

Gotowy zestaw funkcji do przetwarzania danych dostarcza moduł TC3 Analytics Library. Mogą one być wykorzystywane zarówno jako fragmenty kodu sterownika PLC, jak i do analiz off-line. Zaletą tego modułu jest prostota obsługi. Początkujący pracownik utrzymania ruchu będzie mógł stworzyć program analityczny działający na serwerze, bez konieczności napisania nawet jednej linijki kodu.

Analizę ułatwia także moduł TC3 Analytics Cloud Storage, który może pośredniczyć w wymianie danych, udostępniając je wszystkim zainteresowanym w standardowej postaci.

Moduły IoT

Wraz z rozwojem aplikacji przemysłowych i ogromnym wzrostem ilości danych zbieranych z maszyn konieczne stało się rozwiązanie problemu ich gromadzenia i przetwarzania. Tym bardziej, że jeśli w jednym miejscu zebrane zostaną dane z różnych lokalizacji i będą one centralnie przetwarzane, ilość wartościowych informacji, które będzie można z nich uzyskać, istotnie się zwiększy.

W przemyśle do wymiany informacji między różnymi urządzeniami wykorzystywano protokół OPC, a w ostatnich latach przede wszystkim jego nową generację: OPC UA (OPC Unified Architecture). Moduł TC3 OPC UA w pełni obsługuje ten protokół, wraz ze wszystkimi jego elementami, również tymi odpowiadającymi za bezpieczeństwo, co gwarantuje kompatybilność z szeregiem istniejących już maszyn przemysłowych. OPC UA umożliwia bezpośrednią wymianę danych między komponentami wspierającymi protokół, a w przypadku implementacji TwinCAT 3 możliwe jest nawet uruchomienie w chmurze oprogramowania, które będzie komunikować się ze sterownikami za pomocą OPC UA.

Alternatywą jest użycie TC3 IoT Communication, pozwalającego na transmisję z użyciem protokołów MQTT (MQ Telemetry Transport) i AMQP (Advanced Message Queuing Protocol). Dzięki małym narzutom danych nagłówkowych te otwarte standardy komunikacyjne są coraz chętniej stosowane w różnych aplikacjach. MQTT i AMQP działają na zasadzie producenta i konsumenta danych z pośrednikiem i o ile jest to odejście od klasycznej architektury klient-serwer, to takie rozwiązanie ma kilka zalet. Przykładowo pozwala łatwiej przedostać się przez firewall, gdyż opiera się na komunikacji wychodzącej z bezpiecznej strefy.

Moduł TC3 IoT Functions ułatwia przesyłanie danych do chmur, takich jak Amazon Web Services czy Microsoft Azure. Umożliwia też korzystanie z funkcji API tych serwisów, a moduł TC3 IoT Data Agent rozszerza jego funkcje. Dzięki temu ostatniemu możliwe jest stworzenie niezależnego serwera, który gromadzi informacje i przesyła je do wybranej chmury albo przekazuje z użyciem MQTT lub AMQP. Konfiguracja modułu Data Agent odbywa się z wykorzystaniem plików XML, które można wygenerować także za pomocą graficznego narzędzia.

Ostatnie elementy składowe, czyli TC3 IoT Communicator i TC3 IoT Communicator App, służą do wymiany danych procesowych i poleceń. Pierwszy z modułów uruchamiany jest na komputerze przemysłowym, a drugi np. na urządzeniu mobilnym, przy czym sposób komunikacji ze sprzętem mobilnym zależy od platformy, na której działa. Oba moduły ściśle ze sobą współpracują.

Podsumowanie

Platforma TwinCAT 3 zawiera obecnie wszystkie elementy potrzebne do stworzenia kompletnego, zaawansowanego systemu automatyki, z wykorzystaniem zalet Internetu Rzeczy. Fakt, że oprogramowanie TwinCAT 3 działa na komputerach PC ułatwia swobodną konfigurację i dobór platform sprzętowych, pozwalając np. na realizację części algorytmów sterowania w chmurze.

BECKHOFF automation Sp. z o.o.
Żabieniec, ul. Ruczajowa 15
05-500 Piaseczno
tel. 22 750 47 00
fax 22 757 24 27
e-mail: info@beckhoff.pl
www.beckhoff.pl

źródło: Automatyka 10/2016