Simpelere verbindingen: PROFINET legt basis voor modern edge concepts

Door: Redactie - 17 september 2021 |

Naast een traditionele controller, is er een toenemende behoefte aan extra apparaten of toepassingen voor bepaalde doeleinden, zoals het doorvoeren van optimalisaties. Het is echter niet altijd eenvoudig om deze snel en gemakkelijk aan te sluiten. Ze produceren een enorme hoeveelheid data die momenteel ongebruikt blijft. Edge-concepten bieden hier een interessante benadering en PROFINET-technologieën kunnen hierbij ondersteuning bieden.

Industrie 4.0 heeft veel bedrijven geïnspireerd om hun eigen programma’s, diensten, apparaten of andere automatiseringscomponenten te ontwikkelen en daarmee hun machines en systemen te analyseren en beter te begrijpen. Tegenwoordig blijft 90 procent van de gegenereerde gegevens ongebruikt, omdat de analyse, integratie of verwerking te complex of onpraktisch is in conventionele automatiseringscomponenten.

En toch is het de moeite waard om deze schat aan data eens nader te bekijken. Naast de daadwerkelijke meetwaarde is het mogelijk om hier trends te identificeren, zoals energieverbruik of andere lange termijn diagnostische waarden die normaal gesproken niet in een controller worden geanalyseerd. Door de data volumes en algoritmen is het ook te complex om diagnostische methoden te integreren met behulp van kunstmatige intelligentie.

Om bedrijfsspecifieke software te koppelen aan de bestaande automatiseringswereld is nog steeds handmatig werk nodig.

“Regelmatige updates zijn onmisbaar om ervoor te zorgen dat software, besturingssystemen en beveiligingsmaatregelen up-to-date en stabiel zijn. Veel bedrijven hebben hier moeite mee als ze eerlijk zijn tegen zichzelf”, legt Karsten Schneider, voorzitter van PI International, uit. “Tegelijkertijd willen bedrijven hun klanten natuurlijk nieuwe, intelligente digitale producten en diensten aanbieden. Maar de inspanning die gemoeid is met het verwerken van gegevens op veldniveau kan enorm zijn, om nog maar te zwijgen van zaken als schaalbaarheid en beveiliging.”

Belangrijke factoren voor verticale integratie

Tegelijkertijd is de weg naar nieuwe technologie altijd een dynamisch proces. Bijvoorbeeld: vijf jaar geleden werd het als een goede oplossing gezien om zoveel mogelijk data naar de cloud te sturen, waar het dan zou worden verwerkt. Inmiddels hebben gebruikers zich echter gerealiseerd dat het zinvol is om in ieder geval een deel van de data dichter bij de bron – namelijk aan de edge van het netwerk – te verwerken, bijvoorbeeld vanwege latency of bandbreedteoverwegingen. Dit is waar edge componenten in beeld komen, welke als belangrijke factoren dienen voor verticale integratie. Ze zetten aanvullende productiegegevens om in bruikbare informatie. Het is minder van belang of dit nu bestaande apparaten in het netwerk zijn die edge-functies hebben of apparaten die later zijn toegevoegd.

Het grootste voordeel: edge-componenten maken het mogelijk om data vrijwel realtime te verwerken, dicht bij de bron, met een minimum aan netwerkverkeer. Dit is ook aantrekkelijk met betrekking tot datasoevereiniteit. Alle gegevens blijven in het bedrijf en de gebruiker beslist of de gegevens al dan niet worden doorgegeven. Het is in ieder geval bedoeld om het werk van de gebruiker gemakkelijker te maken of de productie efficiënter te organiseren.

Nieuwe richting met minder moeite

Het grote voordeel van edge-oplossingen is dat ze geen geavanceerde herprogrammering of updates van de eigenlijke automatiseringsoplossing vereisen. En ze zijn over het algemeen goedkoper dan een PLC. “De integratie van verwerkingscapaciteit aan de edge werkt net als de apps op onze telefoons – maar natuurlijk in veilige modus en op een manier die geschikt is voor industrieel gebruik”, legt Schneider uit.

Maar er zijn ook andere toepassingen waarin edge-benaderingen hun voordeel aantonen. Gegevens zijn bijvoorbeeld soms in een andere vorm nodig en moeten voorbewerkt worden om ruwe waarden te standaardiseren of gemiddelde waarden te berekenen. Of het kan voorkomen dat bij het starten van de werkzaamheden de PLC of andere functie nog niet beschikbaar is en toch data van verschillende apparaten vereist is. Edge-concepten kunnen om te beginnen zonder PLC werken. “Daarnaast kan het nodig zijn om tijdens de operaties virtueel extra functies te laden, net zoals we dat met apps doen”, voegt Schneider toe.

In sommige gevallen kan het ook nodig zijn dat de data collectie de bronnen van een PLC niet belast. “Veel controllers hebben vaak alleen een ja/nee-beslissing nodig. Maar meestal is er nog meer bruikbare data beschikbaar, die eenvoudig afzonderlijk te analyseren is door middel van een edge-applicatie. Dit kunnen bijvoorbeeld lange termijn diagnose- of onderhoudsgegevens zijn”, zegt Schneider. “Zelfs als er verschillende eigen communicatieprotocollen worden gebruikt of als u een centrale locatie nodig heeft voor gegevens, netwerkapparaten en beveiligingsconfiguratie, is het zinvol om een edge-benadering als datahub te gebruiken.”

Het is ook mogelijk om gegevens in de edge voor te verwerken en vervolgens over te dragen naar een cloud. Dit wordt gedaan om toegang te krijgen tot grotere computercapaciteiten of om een continue belasting van de cloudverbinding te voorkomen. Soms worden over een langere periode veel gegevens verzameld zodat meer gedetailleerde analyse mogelijk is. Edge-componenten hoeven niet altijd apart bekeken te worden. Ze kunnen ook direct naast de controller worden geïntegreerd. Een nauwe samenwerking tussen de systemen kan zelfs voordelig zijn als een analyse van de gegevens een nauwe overeenstemming met de toestand van het besturingsprogramma of de machine vereist.

Structuur aanbrengen in de overvloed aan data

En toch mogen we de noodzaak van goed functionerende, veilige en snelle communicatie niet onderschatten. Elk van deze edge-applicaties vereist data – en niet zomaar data. De gegevens moeten bruikbaar en toepasbaar zijn. De data is doorgaans al opgeslagen, hetzij als gegevensrecords die al door PROFINET zijn gestandaardiseerd, hetzij als optionele fabrikanttoevoeging of apparaat specifieke gegevensrecords. “Als ik de context niet ken, dan hebben de gegevens voor mij geen zin”, zegt Schneider.

Het toenemend aantal databronnen maakt het noodzakelijk om te beschikken over gestandaardiseerde informatiemodellen. En hier komen de PROFINET-technologieën om de hoek kijken. Ze zijn eenvoudig te integreren in bestaande bedrijfssystemen op een hoger niveau, waaronder MES- en ERP- systemen (productie-uitvoeringssystemen en enterprise resource planning-systemen). Gegevens uit het automatiseringsnetwerk kunnen vrijwel overal in het bedrijf realtime beschikbaar worden gesteld

PROFINET focus op modulariteit en continuïteit

“Bij PROFINET zijn we ons al 20 jaar geleden gaan focussen op modulariteit en continuïteit. En de kwestie van semantiek heeft altijd hoog op onze agenda gestaan. Dit is nu vooral gunstig voor ons omdat we weten hoe we gegevens moeten standaardiseren,” legt Schneider uit. Als typische voorbeelden noemt hij hier identificatie- en onderhoudsgegevens, evenals verschillende profielen zoals PROFIdrive of het PA-profiel, die al in PROFINET zijn verwerkt waardoor ze ook door andere apparaten kunnen worden gebruikt. “Deze eigenschappen zullen in de toekomst nog belangrijker worden”, zegt Schneider.

Het grote voordeel voor apparaat fabrikanten is dat ze niets hoeven te doen als hun klanten edge-concepten gebruiken, omdat PROFINET al is gestandaardiseerd. De implementatie is ook vrij eenvoudig; het ruimen van de gegevens is immers vanaf het begin gedefinieerd via de PROFINET-services, wat betekent dat het is opgenomen in de bijbehorende technologiepakketten.

En hoe werkt het in de praktijk? Dankzij PROFINET en OPC UA kan elke edge-component worden geïntegreerd. De data mapping vindt doorgaans plaats met behulp van de object modeling mogelijkheden van OPC UA, ofwel met eigen specificaties of gecombineerd in overeenstemming met relevante gestandaardiseerde OPC UA companion specificaties, zoals de OPC UA voor PROFINET. Hier worden gegevens die in realtime van PROFINET-apparaten worden verzameld, geaggregeerd en geanalyseerd. De gegevens worden ter plaatse voorbewerkt zonder de eigenlijke verwerking te onderbreken. Als de beschikbare PLC OPC UA niet ondersteunt, kunnen in plaats daarvan externe edge-gateways worden gebruikt. Dit wordt bijvoorbeeld geïmplementeerd in de procesautomatisering bij het gebruik van het NAMUR open architectuur (NOA) concept.

Inmiddels zijn er edge-applicaties met PROFINET en wordt de infrastructuur verder opgebouwd. “PROFINET beschikt al over een hoge mate van standaardisatie, bijvoorbeeld op het gebied van I&M-data of diagnostic formats. De application profiles zijn ook nuttig. We hebben veel ervaring op dit gebied”, zegt Schneider, die slechts een van de vele voorbeelden aanhaalt. Bovendien zorgt PROFINET voor parallelliteit, wat betekent dat er naast de controller tegelijkertijd toegang is tot meerdere apparaten. En een laatste voordeel: PROFINET-netwerken stellen edge-apparaten in staat om rechtstreeks toegang te krijgen tot OPC- of TCP/IP-apparaten.

Aangezien OPC UA zichzelf heeft bewezen als de standaard voor interoperabele informatie-uitwisseling van de werkplaats naar het hoogste niveau (verticale communicatie), is dit de meest efficiënte manier om semantische informatie binnen een systeem te verplaatsen. Dit past perfect bij PROFINET, aangezien het verschillende protocollen onafhankelijk van elkaar kan bedienen in hetzelfde Ethernet-netwerk.

PROFINET en edge computing – Hoe gaat het nu verder?

Edge computing zorgt niet alleen voor een eenvoudigere diagnose van fouten; het faciliteert ook nieuwe bedrijfsmodellen. Een mogelijkheid hierbij zijn bijvoorbeeld betalingssystemen tussen machines. Tot nu toe lag de focus alleen op de data die een apparaat levert. Maar hoe zit het met de aanvullende informatie die ook van waarde kan zijn? Zou het niet mogelijk zijn om een businessmodel te ontwikkelen voor het gebruik van deze aanvullende data – in wezen een micro-economie op de werkvloer? Zelfs voor dergelijke scenario’s is een goed systeem van gegevensverzameling en -analyse de cruciale basis.

Edge computing dient als een brug tussen automatisering en cloud computing. Omdat de industrie voortdurend verandert, moeten technologieën flexibel blijven. Daarom zal er in de toekomst niet slechts één technologie zijn; in plaats daarvan zullen gebruikers de meest haalbare technologie voor hun doeleinden selecteren – of het nu gaat om edge-, controller- en/of cloud technologie. Het belangrijkste aspect blijft zeker dat van de beveiliging, die ofwel in de edge zelf ofwel op het volgende hogere niveau zal worden geïmplementeerd.

Er zal meer nadruk worden gelegd op het principe van “security by design” om vanaf het begin alle beveiligingsaspecten af te dekken. PI ondersteunt alle gebruikers gedurende het proces, ongeacht de oplossing die wordt gekozen. Ongeacht de verdere ontwikkeling van de problematiek, de basisarchitectuur van PROFINET (met parallel dataverkeer) en de hoge standaardisatie van data is een noodzakelijke en solide basis om de duurzaamheid van systemen en productieprocessen te waarborgen.

Bron: PI Nederland