Odpowiedz sobie na 6 pytań z zakresu przetwarzania brzegowego dotyczących zbierania danych, sieci i systemów sterowania.
Niezależnie od tego, czy zdajemy sobie z tego sprawę czy nie, większość ludzi korzysta z przetwarzania brzegowego na co dzień. Doskonałym przykładem jest sytuacja, gdy używamy funkcji rozpoznawania mowy w naszych telefonach komórkowych, aby zapytać o coś Siri lub Cortanę. Ponieważ przetwarzanie języka wymaga dużej mocy obliczeniowej, telefon najpierw wykonuje pewne wstępne przetwarzanie, odciążając serwer i usprawniając dane do niego trafiające. Gdyby całe przetwarzanie odbywało się na telefonie, obciążałoby jego zasoby. Przetwarzanie danych w chmurze zwalnia telefon użytkownika do wykonywania innych zadań i pozwala firmom takim jak Google i Apple na aktualizację i poprawę oprogramowania. Gdyby telefon nie wykonywał wstępnego przetwarzania przed wysłaniem danych do chmury, sieci i serwery mogłyby zostać przeciążone danymi. Podobny model ma sens w zastosowaniach przemysłowych. Urządzenia brzegowe działają na brzegu sieci lokalnej i stanowią interfejs pomiędzy systemem (systemami) sterowania na hali produkcyjnej a siecią zewnętrzną. Działają one jak pomost pomiędzy systemem sterowania a serwerami w chmurze lub zdalnymi komputerami, przetwarzając dane. Wykonywanie obliczeń na urządzeniu brzegowym zmniejsza ruch sieci i moc obliczeniową wymaganą zarówno przez system sterowania, jak i zdalne serwery. Posiadanie urządzenia brzegowego pozwala również użytkownikom na aktualizację funkcji na urządzeniu brzegowym bez zakłócania pracy systemu sterowania. Urządzenia brzegowe mogą również stanowić zaporę sieciową, izolującą sprzęt sterujący od sieci publicznej, co zapewnia większe bezpieczeństwo. Urządzenia brzegowe mogą też buforować dane w przypadku opóźnień w sieci lub nawet jej awarii. Jeśli tak się stanie, urządzenie brzegowe przechowuje dane do czasu przywrócenia połączenia sieciowego.
Sześć pytań dotyczących przetwarzania brzegowego, na które warto sobie odpowiedzieć.
Postaw sobie następujące pytania, aby sprawdzić, czy urządzenie brzegowe jest odpowiednie dla danej aplikacji:
1.Czy muszę zbierać dane historyczne z systemu sterowania?
2. Jeśli zbieram dane, czy są korzyści z przechowywania tych danych w centralnej lokalizacji? Czy dane te mogą być wykorzystane do raportowania, analizy czasu przestoju, konserwacji predykcyjnej lub śledzenia zapasów?
3. Czy system sterowania musi współpracować z siecią zewnętrzną, taką jak sieć zakładu, systemy biznesowe lub Internet?
4. Czy system sterowania odbiera informacje z sieci zewnętrznej, takie jak systemy inwentaryzacji, recepturowania i dozowania?
5. Czy istnieje korzyść z dodania urządzeń mobilnych lub funkcji takich jak powiadamianie o alarmach?
6. Czy można oczyścić system sterowania z nieistotnych funkcji? Na przykład, czy funkcje takie jak przetwarzanie obrazu i zarządzanie procesem produkcyjnym mogą być przeniesione do komputera nieprodukcyjnego?
Jeśli odpowiedź na jedno lub więcej pytań była twierdząca, to urządzenie brzegowe może być dobrym rozwiązaniem dla danej aplikacji.
Zalety urządzeń brzegowych
Korzyści płynące z zastosowania urządzenia brzegowego można pogrupować w następujące kategorie.
Współdzielenie danych
■ Interfejs urządzenia brzegowego pozwala systemowi sterowania na wymianę danych z systemami zewnętrznymi.
■ Urządzenie brzegowe może działać jako „bridge” lub konwerter protokołów, umożliwiając starszym urządzeniom współpracę z innymi urządzeniami i sieciami.
■ Urządzenia Ethernet IP mogą się łączyć z siecią zewnętrzną bez konieczności modyfikacji istniejącej sieci lub zmiany adresów IP.
Poprawa bezpieczeństwa
■ Urządzenie brzegowe zapewnia warstwę bezpieczeństwa pomiędzy systemem sterowania a siecią zewnętrzną.
■ Urządzenie brzegowe może zapewnić zaporę, aby pomóc chronić system sterowania.
■ Urządzenie brzegowe może zapewniać monitorowanie bezpieczeństwa i kontrolę dostępu.
Usprawnienia przetwarzania i sieci
■ Przeniesienie niekrytycznych funkcji do urządzenia brzegowego pozwala systemowi sterowania skupić się na najważniejszych zadaniach.
■ Zwalnia to więcej pamięci i mocy obliczeniowej dla funkcji krytycznych dla procesu.
■ Funkcje poboczne, działające na urządzeniu brzegowym, mogą być aktualizowane i modyfikowane bez zakłócania produkcji.
■ Zmniejszenie ruchu sieciowego i złagodzenie skutków zakłóceń w sieci.
■ Podstawowe przetwarzanie danych na urządzeniu brzegowym może pomóc w zmniejszeniu ruchu sieciowego.
■ Buforowanie danych na urządzeniu brzegowym może zmniejszyć wpływ problemów z siecią.
■ Urządzenie brzegowe może konwertować dane na lżejsze protokoły komunikacyjne, takie jak MQTT, zmniejszając szerokość pasma i poprawiając wydajność.
Kolejne kroki po ocenie
Po dokonaniu oceny użytkownicy muszą zadać sobie pytanie, jak wybrać najlepsze urządzenie do danych zastosowań. Jakie cechy i funkcje są potrzebne? Trzy poniższe czynniki dotyczące urządzeń brzegowych powinny być na pierwszym planie.
■ Funkcjonalność: System sterowania powinien działać z urządzeniem brzegowym lub bez niego. Patrząc na funkcje, które należy umieścić w urządzeniu brzegowym, trzeba zadać pytanie: „Czy gdyby urządzenie brzegowe zostało wyłączone, proces nadal przebiegałby niezawodnie?”. Odpowiedź powinna być twierdząca.
■ Bezpieczeństwo: Urządzenie brzegowe powinno ograniczać bezpośredni dostęp do systemu sterowania z sieci zewnętrznej. Urządzenie brzegowe może zapewnić środki do odizolowania systemu sterowania, jednocześnie pozwalając na przepływ danych w obu kierunkach.
■ Wydajność: W przypadku wydajności użytkownicy muszą zadać następujące pytania:
„Czy system sterowania przetwarza duże ilości danych przychodzących lub wychodzących?” Jeśli tak, należy rozważyć możliwość przetwarzania tych danych przez urządzenie brzegowe.
„Jakie przetwarzanie danych odbywa się w chmurze lub na zdalnym serwerze?” Jeśli zostanie przeniesione do urządzenia brzegowego, ilość danych przesyłanych przez sieć zostanie zredukowana. Urządzeniem brzegowym może być wszystko, od stosunkowo prostego, taniego urządzenia, do czegoś tak solidnego, jak komputer przemysłowy. To, co czyni urządzenie brzegowym, jest bardziej kwestią miejsca i sposobu jego wykorzystania niż samego sprzętu. Urządzenia brzegowe mogą robić więcej niż tylko spełniać te podstawowe funkcje. Mogą pomóc podstawowej aplikacji stać się przygotowaną na przyszłość. Rozszerzone funkcje obejmują:
■ wykonywanie obliczeń logicznych i matematycznych,
■ działanie jako interfejs HMI i ekrany hosta,
■ działanie jako przełącznik Ethernet i włączenie funkcji występujących w zarządzanych przełącznikach i routerach.
Translacja adresów sieciowych (NAT).
■ Urządzenia Edge ułatwiają korzystanie z funkcji Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT)/Industry 4.0 i pozwalają użytkownikom na:
■ konwersję protokołów, na przykład konwersję ruchu sieciowego z protokołów Modbus TCP/IP, CIP i Profinet na MQTT,
■ uruchamianie aplikacji i interfejsów API, które bezpośrednio łączą się z oprogramowaniem działającym na zdalnych serwerach lub w chmurze,
■ uruchomienie systemu operacyjnego, takiego jak Linux lub Microsoft Windows, umożliwiając użytkownikom instalację oprogramowania z półki,
■ udostępnienie dodatkowych funkcji zapory i zabezpieczenia sieciowe oraz diagnostykę,
■ obsługę bazy danych w języku zapytań strukturalnych (SQL).
Podczas gdy podstawowe funkcje można znaleźć w większości urządzeń brzegowych, to funkcje rozszerzone zapewnią możliwość rozwoju aplikacji w przyszłości. Wybór urządzenia brzegowego i określenie sposobu jego wykorzystania będzie zależał od konkretnej aplikacji i potrzeb klienta. Gdy urządzenie brzegowe jest właściwie dobrane i skonfigurowane, rezultatem będzie system sterowania o zwiększonej wydajności, wyższym poziomie bezpieczeństwa i łatwiejszej konserwacji. Co najważniejsze, dostarczy istotnych informacji, dostępnych dla tych, którzy najczęściej z nich korzystają.
Nate Kay, kierownik projektu, MartinCSI.
