"АСУТП" або "Промисловий інтернет речей"

1. ДЕЩО ПРО КОНЦЕПЦІЯХ
2. Що таке кіберфізіческая система
3. «РЕЧІ» В ПРОМИСЛОВОСТІ
4. З проводами або без
5. За межами локальної мережі
6. ЕВОЛЮЦІЯ АСУ ТП
7. ІНФРАСТРУКТУРА ДЛЯ IIOT
8. БУЛИ Б ГРОШІ ...

Автор: Олександр Барсков, 2016.10.27 4461 прочитання

Швидко ставши надзвичайно популярним, термін «Інтернет речей» (Internet of Things, IoT) породив різні «похідні». Найчастіше вони пропонуються замість термінів, що існували багато років, правда, при цьому описувані ними рішення і процеси наповнюються новими змістом і можливостями. Так, замість ІЗ (інтелектуальний будинок) все частіше зустрічається абревіатура BIoT (Building Internet of Things) - «Інтернет речей в будинку». А натомість АСУ ТП (автоматизована система управління технологічним процесом) деякі «філологи-технократи» пропонують термін IIoT (Industrial Internet of Things). На російську мову його можна перевести як «Промисловий інтернет речей» або просто «Промисловий інтернет».

ДЕЩО ПРО КОНЦЕПЦІЯХ

Загальноприйняте визначення, що ж таке Промисловий інтернет речей, поки не сформувалося. У цьому контексті слід відзначити дві ініціативи, які багато в чому визначають два підходи: європейський і американський (сподіваюся, незабаром буде вироблений і наш, російський).

Європейський підхід базується на народилася в Німеччині концепції «Індустрія 4.0» (Industry 4.0), хоча в багатьох інших європейських країнах є свої схожі програми з іншими назвами. Згідно Industry 4.0, ми, точніше європейська економіка, знаходимося на порозі четвертої промислової революції. Перша революція (80-ті роки XVIII століття) була пов'язана з механізацією виробництва завдяки винаходу парових двигунів. З початком масового застосування електроенергії на заводах настала друга - індустріалізація (початок XX століття). Застосування електроніки для автоматизації виробництва призвело до третьої промислової революції - по суті, вона викликана впровадженням систем АСУ ТП (50-ті роки ХХ століття). Власне четверта революція - «розумні» підприємства - насправді є продовженням третьої. Її знакові моменти - впровадження кіберфізіческіх систем (див. Врізку «Що таке кіберфізіческая система») і перехід до персоналізованого виробництва.

Що таке кіберфізіческая система

Є безліч докладних визначень кіберфізіческіх систем, але найістотніше в них - це наявність двостороннього зв'язку між фізичними процесами і керуючими програмами (обчислювальними засобами). Елементи такої системи можуть перебувати як поруч, наприклад в одній виробничій зоні, так і далеко один від одного, а взаємодія між ними - здійснюватися на всіх стадіях «життєвого циклу» (планування, виробництво, експлуатація, ремонт, утилізація). Збір і аналіз інформації, що збирається можуть служити безлічі цілей: діагностика стану, прогнозування потреби тих чи інших змін, автоматична настройка, адаптація та ін.

Класичний приклад кіберфізіческой системи - інфраструктура Smart Grid, в якій дані, що збираються з різних вузлів електромережі, використовуються програмними засобами управління для коригування роботи цих вузлів з метою підвищення надійності і ефективності.

Інший приклад - підключений автомобіль, стан різних елементів якого постійно контролюється як локально, самою системою управління, так і віддалено, наприклад з сервісного центру. Різні події, скажімо стирання гальмівної колодки, приведуть як до зміни налаштувань системи гальмування, так і до формування замовлення на випуск нових колодок для заміни. Нові запчастини надійдуть на сервіс, і одночасно власник буде проінформований про необхідність заміни.

За океаном теж замислюються про майбутнє промислового виробництва. У 2014 році компанії General Electric, AT & T, Cisco, IBM і Intel створили Консорціум Промислового інтернету (Industrial Internet Consortium, IIC), який сьогодні налічує вже 170 членів. З точки зору членів цього консорціуму, Промисловий інтернет виходить далеко за рамки виробничих підприємств. Як приклади реалізації цієї концепції на офіційному сайті IIC наводяться безпілотні автомобілі, здатні безпечно переміщатися до точки призначення без водіїв; системи віддаленого збору різних медичних показників, що дозволяють контролювати стан пацієнтів лікарем дистанційно; обладнані «розумними» датчиками системи водопостачання, управління парковками і інші системи інтелектуального міста. Таким чином, якщо концепція Industry 4.0 фокусується на виробничій сфері, то в сфері інтересів Консорціуму Промислового інтернету - не тільки власне виробництво, але і медицина, транспорт, сільське господарство, комунальні послуги тощо.

У цій статті ми сконцентруємося на обговоренні інфраструктурної проблематики Промислового інтернету речей в його європейському розумінні - тобто на виробничій сфері.

«РЕЧІ» В ПРОМИСЛОВОСТІ

У промисловому IoT основними різновидами «речей», які треба підключати до мережі, є різні типи датчиків (сенсорів) і приводів. Ці пристрої з одного боку мають інтерфейс з комунікаційною мережею, а з іншого - інтерфейс, що забезпечує фізичне взаємодія з процесом, який потрібно відстежувати. Завдання датчиків і сенсорів - збір інформації. Вони можуть фіксувати різні фізичні характеристики (температуру і вологість, тиск і різні зусилля, напруга і силу струму, витрата газу і рівень рідини), присутність різних речовин (хімічні та біосенсори), а також фізичні події (наприклад, зміна і переміщення об'єктів). Сенсори все частіше інтегруються безпосередньо в мікросхеми.

Крім сенсорів, в мікросхеми можуть вбудовуватися і приводи, призначення яких - контроль за фізичними об'єктами і управління ними. Такі інтегровані рішення називають Мікроелектромеханічні системами (МЕМС). Прикладами подібних пристроїв, що поєднують в собі мікроелектронні і мікромеханічні компоненти, є акселерометри і гіроскопи. Класичні ж приклади приводів - це мотори, що переміщують різні об'єкти; клапани, що відкривають та закривають канали надходження рідини або газу; електричні перемикачі. Приводи зазвичай мають механічний, гідравлічний, пневматичний або електричний компонент для виконання необхідних функцій, а також електронний блок управління.

Комунікаційний інтерфейс - абсолютно необхідний компонент пристрою IIoT. Це може бути провідний або бездротової інтерфейс. Основним кандидатом на універсальну технологію проводового зв'язку є Ethernet. У разі бездротового підключення це може бути Wi-Fi, а також безліч інших технологій (див. Врізку «З проводами або без», «За межами локальної мережі» та таблицю). Але, незалежно від того, яка технологія використовується на канальному і фізичному рівнях, пристрій повинен безпосередньо підтримувати протокол IP, щоб інтегруватися в інфраструктуру IIoT. Крім того, найважливішою умовою використання пристрою IIoT є наявність засобів безпеки. IP - це відкритий протокол, тому такі кошти повинні бути інтегровані в пристрій спочатку.

З проводами або без

Традиційно в промислових мережах переважна більшість підключень були провідними. Однак останнім часом бездротові технології використовуються все ширше. Найчастіше їх застосовують для некритичних додатків, таких як конфігурація і моніторинг, передача додаткових даних, підтримка додатків мобільних співробітників.

Однією з складних проблем застосування радіотехнологій є колективна середовище передачі (використання загального частотного діапазону), що може привести до неможливості передачі даних, якщо все частотні канали виявляться зайнятими. Крім того, радіозв'язок схильна до негативного впливу електромагнітних завад, які в виробничих цехах можуть бути досить істотними. Випадкова втрата пакетів також досить типова для багатьох радіосистем. Якщо для офісних мереж це прийнятно, то для критично важливих промислових рішень потрібна передача даних без втрат.

Одним із напрямів удосконалення радіотехнологій з метою їх застосування на виробництві є розробка ефективних технологій захисту від статичної електрики. За допомогою бездротової мережі з комірчастою топологією дозволяє знизити затримку і час реконфігурації мережі, а алгоритмів паралельної передачі - виключити втрати пакетів. У мережах «розумних» фабрик майбутнього бездротові технології будуть використовуватися досить широко, хоча основу, як і раніше, складуть провідні рішення.

За межами локальної мережі

Мережі Промислового інтернету речей за визначенням не можуть бути обмежені периметром того чи іншого підприємства. Важливе значення мають взаємодія з виробленим продуктом ( «річчю») на етапі його експлуатації, а також доступ до хмарних сервісів, які можуть бути реалізовані в ЦОДах, розкиданих по всьому світу. Тому територіально розподілена інфраструктура - ключова характеристика Промислового інтернету.

Якщо говорити про бездротових технологіях, на даний момент для підключення речей до Інтернету найбільш активно використовуються мережі стільникового зв'язку. Причому розвиток останніх в рамках організації 3GPP йде саме в напрямку адаптації до потреб IoT. В рамках розробки систем покоління 5G зміна структури кадру дозволить на порядок скоротити затримку (в порівнянні з системами LTE) - до 1 мс. Крім того, спеціальні рішення розробляються для інтернету низької підключення великої кількості пристроїв при збільшеною зоні покриття.

Але, оскільки наявні технології стільникового зв'язку створювалися для обслуговування людей, а не речей, вони погано адаптовані для IoT (висока вартість, проблеми з покриттям та ін.). Тому активно розвиваються і альтернативні бездротові технології, в тому числі для розподілених мереж з низьким енергоспоживанням (Low-power Wide-area Network, LPWAN), які будуть працювати на частотах загального користування.

Одна з технологій для LPWAN розроблена французькою компанією Sigfox, причому відповідна мережа вже розгорнута по всій Франції - для чого, як стверджується, вистачило 1200 базових станцій. На відміну від мереж GSM, рішення на базі технології Sigfox дешевше, споживають набагато менше електроенергії і працюють на великих відстанях.

Інший приклад перспективної технології для побудови мереж LPWAN - LoRa, що просувається організацією LoRa Alliance. Радіус покриття базової станції LoRaWAN може досягати 90 км. У Росії розвитком рішень на базі LoRa і будівництвом відповідної мережі займаються компанії Starnet і Lace.

У нас в країні успішно розвиваються мережі LPWAN, побудовані на основі російської ж розробки - технології «Стриж». Компанія «Стриж» застосовує свій власний протокол, який, як стверджується, дозволяє передавати дані на десятки кілометрів, при цьому використовуються датчики здатні працювати в автономному режимі понад 10 років без заміни елементів живлення. Передача в мережі «Стриж» відбувається на частоті 868 МГц при потужності до 25 мВт. В даному частотному діапазоні на підставі рішень ГКРЧ дозволено вільне і безкоштовне використання малопотужних радіопередавальних пристроїв. За даними компанії, до мережі «Стриж» вже підключено більше 100 тис. Пристроїв, в основному це електролічильники, лічильники води і газу.

ЕВОЛЮЦІЯ АСУ ТП

Як влаштовані сучасні системи промислової автоматизації? Їх можна розділити на кілька рівнів (див. Малюнок). Безпосередньо «в полі», наприклад в цеху підприємства, розташовуються різні сенсори, датчики і приводи. Далі слід рівень контролю - наприклад, програмовані логічні контролери (ПЛК; англ. PLC), які, власне, збирають інформацію з датчиків і управляють приводами. Рівень управління процесами формують системи класу SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) і MES (Manufacturing Execution System). Нарешті, на вершині піраміди - системи планування ресурсів підприємства (Enterprise Resource Planning, ERP), які, як правило, працюють на серверах, розташованих в корпоративних центрах обробки даних (ЦОД).

Що зміниться в цій структурі з реалізацією концепції Industry 4.0? Нижній рівень (c датчиками, приводами та іншими виконавчими механізмами) збережеться, однак число пристроїв на цьому рівні експоненціально зросте. Крім того, що навіть більш важливо, пристрої цього рівня будуть наділятися все більшим інтелектом. Вони стануть частиною кіберфізіческіх систем і будуть здатні автономно виконувати багато функцій. Більшість же функцій, які в сьогоднішніх системах реалізуються пристроями вищих рівнів, будуть переноситися на високопродуктивні сервери, які будуть розташовуватися в серверних кластерах, ЦОДах або хмарах.

Технології віртуалізації - поділ реалізованих програмним способом конкретних функцій і обладнання, на якому вони виконуються, - вже стали реальністю в світі ІТ, проникнуть і в системи промислової автоматизації. Переваги нової структури в тому, що загальна кількість керуючих систем скоротиться, що спростить сам процес управління. Крім того, ефективність використання ресурсів підвищиться, а коштів буде потрібно менше.

Масова реалізація описаного вище підходу в системах промислової автоматизації поки ще гальмується низкою невирішених проблем. Велика їх частина пов'язана саме з мережевою інфраструктурою: низькою продуктивністю передачі даних, недостатньою надійністю, непередбачуваними затримками між пристроями польового рівня і обслуговуючими їх серверами. Однак на рішення цих проблем кинуті кращі сили багатьох виробників, що вселяє оптимізм.

ІНФРАСТРУКТУРА ДЛЯ IIOT

Як вже говорилося, кількість підключених пристроїв на «розумних» фабриках майбутнього стане значно більше, ніж на сучасних виробництвах. Обсяги зібраних даних також кардинально збільшаться. Тому необхідні технічні рішення, здатні забезпечити підключення великої кількості різних пристроїв просто і ефективно, при виконанні вимог до продуктивності, безпеки і надійності. На думку більшості експертів, домінуючі в минулому пропрієтарні шини поступляться місцем універсальним мереж Ethernet. Для безшовної зв'язку як між елементами в рамках одного підприємства, так і з об'єктами «зовнішнього світу» будуть використовуватися стандартні інтернет-протоколи, тому і говорять про Промисловому інтернеті.

Адаптація традиційних мережевих рішень до вимог Промислового інтернету йде по декількох напрямках. Одна з тенденцій - спрощення кабельної системи. Типові системи Gigabit Ethernet задіють усі чотири пари провідників мідножильних СКС. Однак уже розроблений стандарт Ethernet (1000Base-T1) для передачі гигабитного трафіку по одній парі - правда, з деякими обмеженнями по відстані. Системи Fast Ethernet також можуть працювати по одній парі (100Base-T1), причому при стандартній дальності.

Інший важливий момент, що не залежить від того, використовується дротова або бездротова зв'язок, - це зниження розмірів пристроїв і скорочення енергоспоживання. Прогрес в області напівпровідникової техніки дозволяє виробляти все більш компактні структури, забезпечувати більш високу ступінь інтеграції та скорочувати енергоспоживання. Так, системи Wi-Fi з низьким споживанням можуть використовуватися для підключення невеликих датчиків, які отримують живлення від вбудованих акумуляторних батарей. Радіотехнологій з низьким енергоспоживанням багато, але використання Wi-Fi дозволяє побудувати однорідну мережеву інфраструктуру, в якій кадри Ethernet і протокол IP будуть застосовуватися «з кінця в кінець».

Для багатьох застосувань в промисловості необхідна гарантована затримка при передачі даних. Причому такі гарантії можуть знадобитися не тільки при зв'язку об'єктів в межах виробничої зони або підприємства, а й при взаємодії з об'єктами поза підприємства. В даний час існує ряд протоколів реального часу, які здатні забезпечити жорсткі гарантії по затримці в мережі Ethernet. Але жоден з цих протоколів не є стандартом Ethernet.

Для роботи в режимі реального часу можуть використовуватися різні технології - наприклад, протокол Precision Time Protocol (PTP), який забезпечує синхронізацію годин, вбудованих в мережеві пристрої. Цей протокол вже активно застосовується в багатьох мережах. Організація IEEE постійно працює над вдосконаленням PTP, в 2016 році повинен бути прийнятий стандарт вже на третю версію цього протоколу. Досягненню стабільної низької затримки сприяють також підвищення пропускної здатності каналів зв'язку і застосування алгоритмів пріоритезації трафіку всередині комутаторів. Очевидно, що чим ширша смуга пропускання доступна, тим нижча ймовірність того, що комутатор блокує той чи інший пакет.

За стандарт на Ethernet реального часу в рамках комітету IEEE 802.1 відповідає група Time Sensitive Networking (TSN). Її завдання - стандартизація детермінованого варіанту Ethernet, такого необхідного для багатьох промислових застосувань. Коротенько технічний концепт TSN можна викласти наступним чином:

• Протокол резервування пропускної здатності відповідає за виділення необхідних ресурсів в мережі.
• Формувачі ресурсів Time-Aware Shaper всередині комутаторів використовують зумовлені тимчасові слоти для контролю потоку пакетів, який необхідно передавати в реальному часі.
• Технологія превентивного витіснення (Frame Preemption) фонових потоків забезпечує гарантовану передачу пакетів з високим пріоритетом без затримок.

Робота над першими стандартами TSN повинна бути завершена в 2016 році.

Зі збільшенням числа підключених до мережі пристроїв і підвищенням значущості її безперебійної роботи кардинально змінюються вимоги до її адміністрування та експлуатації. До сих пір величезний обсяг пов'язаних з мережами робіт виконується вручну. Проектування мережі, інсталяція обладнання, його конфігурація, тестування, моніторинг роботи, технічне обслуговування, пошук та усунення несправностей - все це вимагає величезних людських і фінансових ресурсів. У майбутніх мережах IoT частка ручної праці повинна істотно скоротитися. Це необхідно, зокрема, тому, що при збільшенні числа підключених пристроїв в сотні і тисячі разів стане фізично неможливо, наприклад, налаштовувати кожне окреме пристрій.

Засоби автоматичної конфігурації мережевого устаткування, управління мережею та ін. Активно розвиваються. Вони не тільки економлять час і ресурси, а й дозволяють істотно знизити ймовірність помилок, пов'язаних з людським фактором. Однак роботи тут ще непочатий край.

Обмежений обсяг статті не дозволяє детально розглянути всі аспекти, пов'язані з розвитком технологій для інфраструктури Промислового інтернету. Зазначу, що ключове значення мають питання забезпечення безпеки таких рішень. Відмовостійкість мереж - також надзвичайно важливий аспект. Жорсткі умови експлуатації підвищують ймовірність пошкодження тих чи інших елементів мережевих структур, при цьому наслідки простою промислової мережі можуть мати величезний негативний ефект. У деяких випадках такий простий взагалі неприпустимий, тому що може привести до катастроф і масової загибелі людей. На даний момент існує чимало механізмів, що забезпечують гаряче резервування мережевих елементів і гарантують продовження роботи навіть у разі пошкодження частини вузлів і каналів зв'язку. Такі механізми активно розвиваються і мають обов'язково використовуватися в промислових мережах.

БУЛИ Б ГРОШІ ...

На якій стадії свого розвитку сьогодні перебуває Промисловий інтернет речей? Безумовно, він вже існує в тій чи іншій мірі - у вигляді систем автоматизації виробництва. На багатьох підприємствах безліч пристроїв підключені до мереж промислових зон, взаємодія між речами здійснюється і на далеких відстанях. Але це тільки початок. Як вже говорилося, зі збільшенням кількості підключених пристроїв, реалізацією кіберфізіческіх систем Промисловий інтернет речей вийде на новий рівень

Що стосується інфраструктурних рішень, багато технологій для надійного і ефективного взаємодії промислових «речей» також вже існують. Однак чимало і прогалин, які необхідно заповнити. Наскільки швидко і продуктивно будуть вирішені ці завдання, багато в чому залежить від фінансових коштів, які будуть спрямовані на ці цілі. А обсяги фінансування, в свою чергу, будуть визначатися тими економічними перевагами, які дасть широкомасштабне розгортання Промислового інтернету. Але це вже тема для окремої розмови.

Олександр Барсков, провідний редактор «Журналу мережевих рішень / LAN»