Prvé kroky k IIoT v prostredí malých a stredných podnikov

Pre menšie spoločnosti s obmedzenými zdrojmi a malé alebo jednočlenné oddelenia IT je to dilema. Aby mohli takéto spoločnosti konkurovať väčším podnikom, musia ísť cestou flexibility a osvojiť si paradigmy, ako je Priemysel 4.0. To sa však na prvý pohľad nezaobíde bez veľkých investícií a zdanlivo neprekonateľnej technickej zložitosti.

V tejto prípadovej štúdii najskôr ukážeme, ako dokáže softvérová integračná platforma s vopred vytvorenými rozhraniami na dátovú komunikáciu strojov pomôcť prekonať tieto obmedzenia. Pokúsime sa zodpovedať aj otázku, aké môžu byť prvé praktické aplikácie na získavanie a využívanie údajov zo strojov v reálnom čase v malom výrobnom podniku, ktorý sa púšťa na cestu smerom k priemyselnému internetu vecí.

O zákazníkovi a jeho požiadavkách

Zákazníkom je malá priemyselná výrobná spoločnosť z Rakúska, ktorá väčšinou dodáva výrobky z nehrdzavejúcej ocele v malosériovom objeme s komplexným produktovým portfóliom. Aby mohol podnik konkurovať iným výrobcom v tejto oblasti, potrebuje svoj výrobný proces neustále technologicky zlepšovať a rozvíjať. Zákazník preto začal do výrobného procesu zavádzať najmodernejšie robotické laserové zváranie. Okrem samotného procesu je ďalšou výzvou integrácia takéhoto zvárania do plánovania výroby a získanie potrebných údajov na výpočet nákladov, kontrolu kvality atď.

IT prostredie zákazníka

Zákaznícke IT prostredie sa rozrastalo prirodzeným spôsobom, a preto je vo svojej podstate zložité. Pri svojom založení používali v podniku starší systém ERP rozšírený o vlastné PHP webové aplikácie a rozhrania pre ďalšie softvérové produkty (napr. CAD, CAM) a zákaznícke systémy na priamu výmenu dát. To všetko v zmiešanom prostredí serverov Windows/Linux a takmer výhradne v skupine klientov založenej na systéme Windows v službe Active Directory. Súborové služby sú založené predovšetkým na spoločnom využívaní Windows a (v menšej miere) na Dropboxe.

Stratégiou zákazníkov je vo všeobecnosti znížiť zložitosť vlastnej IT infraštruktúry znížením množstva rôznych použitých technológií (zásobníky LAMP, AD, Windows, O365, staršie systémy atď.), čím sa zjednodušuje ich správa a znižujú náklady na údržbu celého ekosystému.

Výrobné prostredie

Výrobné stroje majú zvyčajne dlhú životnosť. Preto nie všetky stroje sú vybavené pre aplikácie Priemyslu 4.0 alebo poskytujú v tejto oblasti veľmi obmedzené funkcie. Z toho dôvodu sa článok zameriava výlučne na aplikáciu robotického zvárania a jej integračné potreby.

Zvárací systém je riešením na kľúč od známeho výrobcu a skladá sa z polovodičového laserového zdroja, robota s otočným sklopným stolom, obrábacej hlavy s kamerovým systémom a ochrannej bunky potrebnej pre vysoko výkonné laserové aplikácie, riadiace systémy a pomocné systémy (odsávanie, zachytávanie prachu, chladenie). Komponenty tohto systému komunikujú prostredníctvom rôznych štandardných priemyselných prepojení (digitálne V/V, Profinet, EtherCat, štandardný ethernet). Podľa špecifikácií dodávateľa je sieťovej infraštruktúre zákazníka delegované iba jedno štandardné ethernetové rozhranie. To je pripojené k PLC systému a umožňuje iba veľmi obmedzený prístup k údajom a riadiacemu systému strojov. Ponúka rozhranie OPC UA s menej ako 10 údajovými bodmi, ktoré sa naplnia iba vtedy, ak podnik používa softvér na plánovanie výroby od dodávateľa daného stroja, ktorý beží na PLC systéme tohto stroja. Preto sa teraz toto rozhranie ukázalo zákazníkovi ako nie príliš užitočné, situácia sa však môže časom zmeniť.

Prvé kroky

V prvom kroku bolo cieľom získať údaje priamo z komponentov stroja. Klient si vybral komunikačný protokol OPC UA, ktorý je v dnešných PLC systémoch a výrobných strojoch čoraz bežnejší. Aj keď tento štandard možno použiť na nadviazanie komunikácie v reálnom čase, a teda na nahradenie funkcií, ktoré sú v súčasnosti implementované systémami priemyselných zberníc, v opisovanom riešení nie je potrebná komunikácia v reálnom čase. Aj keď sú SDK k dispozícii na priamu integráciu zásobníka OPC UA do aplikácie zákazníka, sú zvyčajne zložité a v rozpore s cieľom znížiť zložitosť.

Namiesto vlastného programovania sa teda klient rozhodol pre integračnú platformu, ktorá má vopred zostavený konektor OPC UA s ľahko použiteľným rozhraním a možnosťou pripojenia ku kancelárskym systémom, ako sú ERP, CRM, rôzne systémy na správu dokumentov alebo databázy – miestne a cloudové a za primeranú cenu. Priame riadenie týchto systémov prostredníctvom integračnej platformy nie je cieľom, pretože by mohlo dôjsť k porušeniu princípu riadenia z jedného miesta potrebného pre bezpečnosť stroja.

Frekvencia dopytovania údajov

V tomto podniku prechádza nová technológia adaptačným procesom. Robotický zvárací systém teda pracuje iba v jednozmennej prevádzke a stroj nepracuje neustále ani počas pracovného času. Preto môžu byť údaje získané v tomto okamihu užitočné, ale môžu sa tiež ukázať ako nespoľahlivé na budúce použitie alebo prediktívne účely. Vychádza to zo skúseností zákazníka s údajmi zozbieranými z iných výrobných strojov, ako sú napr. laserové rezacie stroje. Určité faktory – či už bol operátor stroja prítomný na konci výrobného cyklu, keď sa spustil zber údajov – dokazovali, že aj zdanlivo vysoko presné údaje môžu poskytnúť nesprávny obraz a že na posúdenie účinnosti výrobného procesu nie je vždy potrebné jemné vzorkovanie. Na zber dát sa teda v súčasnosti používa pomerne nízka frekvencia dotazovania 30 sekúnd.

V tomto prvom kroku by zákazník chcel získať údaje z týchto troch hlavných komponentov:

• laserový zdroj,
• PLC robota,
• kamerový systém.

V tejto chvíli však možno pripojiť iba laserový zdroj, pričom nemožno integrovať ďalšie komponenty: PLC robota má iba rozhranie OPC Classic a prechod na Unified Architecture je v súčasnosti náročný, a kamerový systém je pripojený k PLC celého stroja a zdá sa, že nie je prístupný pre externých klientov.

OPC UA pre laserový zdroj

Tento systém je našťastie vybavený najmodernejším riadiacim systémom, ktorý obsahuje prepracované rozhranie OPC UA s niekoľkými úrovňami prístupu:

• anonymný prístup s obmedzenými možnosťami čítania,
• iba na čítanie,
• čítanie a zápis.

Ako už bolo spomenuté, z dôvodu bezpečnosti strojov neprichádzal do úvahy prístup na čítanie a na zápis. Preto bol zvolený prístup iba na čítanie. Toto rozhranie ponúka nepreberné množstvo údajov:

• celkový stav laserového systému,
• čas, keď bol systém v prevádzke, použitá energia…,
• chybové správy a správy o údržbe.

So softvérovou integračnou platformou zákazník vyvinul službu Windows v C#, ktorá pravidelne požaduje údaje a zostavuje ich do niekoľkých tabuliek databázy SQL na ďalšie použitie. Tabuľky môžu poskytovať také informácie, ako sú všeobecné údaje, použitie zariadenia, tabuľky údržby/chybové správy produkované laserovým zdrojom.

Dôležitá otázka: ako používať tieto údaje o stroji?

Prvým cenným poznatkom je kompilácia správ protokolu stroja. Skúsenosti zákazníka v minulosti boli také, že nie všetky počítače uchovávajú logovacie súbory pri reštarte. Obsluha strojov tiež nemusí vždy presne hlásiť poruchy a chyby svojim nadriadeným. Ak dôjde k vážnej poruche, môže to viesť k odstávke stroja dlhšej, ako je potrebné. Dôležitou otázkou je aj to, či stroj v daný deň vôbec bežal.

Pre ľahký prístup k technickému informáciám sa takéto denné správy generujú ako súbory PDF a ukladajú sa do zdieľaného Dropboxu pre prípad, že by bolo potrebné zrealizovať telefonickú podporu u dodávateľa stroja.

Samozrejme v súčasnosti ide iba o veľmi obmedzené uplatnenie nesmiernej schopnosti konektora OPC UA. Ďalšie kroky, ktoré zákazník vyvíja, sú:

• pripojenie k PLC robota (prostredníctvom digitálnych V/V, ak to nie je inak možné) na získanie presného načasovania začiatku/konca výrobných cyklov – v spojení so systémom časových výkazov spoločnosti to umožní lepšie pochopiť, koľko času je stroj skutočne vo výrobe a koľko času sa používa na výučbu (programovanie robota) a/alebo nakladanie/vykladanie/údržbu;
• prístup ku kamerovému systému – keďže laserové zváranie je špecifický proces, zákazníci tohto výrobného podniku musia pred dodaním akýchkoľvek skutočných výrobkov certifikovať tento spôsob výroby; takéto procesy sa realizujú oveľa ľahšie, keď bude možné neustále a automaticky dodávať úplnú dokumentáciu o procese zvárania.

Okrem toho s plánovaným znížením zložitosti a použitých služieb bezprostredne hrozí prechod z Dropbox-Shared na OneDrive, len čo bude zavedený u všetkých zainteresovaných klientov. Zákazníka tiež zaujíma možná analýza dát s cieľom prediktívnej údržby.

Záver

Ako sme už uviedli, tento projekt je v začiatočnej fáze a ešte veľmi ďaleko od toho, aby bol plne funkčným riešením IIoT. Používanie integračnej platformy s vopred pripravenými konektormi namiesto programovania celej integrácie pomohlo dodávateľovi riešenia vyhnúť sa potrebe naštudovať si detaily ďalšieho spôsobu pripojenia (napríklad OPC UA alebo Dropbox API). Zákazníkovi to poskytlo centralizovaný komunikačný zásobník pre budúce aplikácie.

Táto prípadová štúdia analyzuje použitie protokolu OPC UA na zhromažďovanie aktuálnych údajov o strojoch v malom výrobnom závode v Rakúsku. Integračnú platformu s konektorom OPC UA používanú v podniku poskytla spoločnosť Connecting Software, výrobca integračných a synchronizačných riešení.

Zdroj

Majer, R.: Case Study: First Steps Toward IIoT in a SME Environment. [online]. Publikované 2. 10. 2019. Dostupné na: https://iiot-world.com/industrial-iot/connected-industry/case-study-first-steps-toward-iiot-in-a-sme-environment/.