Wiele artykułów na naszym portalu porusza już we wstępie tematykę testów urządzeń przemysłowych. Wszak tym się zajmujemy! Obserwujemy, jakie nowości sprzętowe pojawiają się na rynku lub reagujemy na zgłoszenia producentów, którzy chcą pochwalić się swoimi produktami i wyróżnić na tle konkurencji. W podobnej kwestii zgłosił się do nas Siemens – producent, którego nie trzeba przedstawiać. Wszyscy wiemy, że oferowany przez nich sprzęt jest światowej klasy. Sam producent to zarazem jeden z potentatów na europejskim rynku. Portfolio produktów praktycznie w pełni pokrywa zapotrzebowanie nawet najbardziej zaawansowanych aplikacji przemysłowych, za czym oczywiście stoi ogromna baza wiedzy. To właśnie jej będzie tyczył się ten artykuł!
Wiedza kluczem do sukcesu
Specjaliści Siemens z całego świata pracują nad nowymi rozwiązaniami, aby oferowane produkty były najwyższej jakości, zgodne z aktualnymi trendami i wymaganiami rynku, a nierzadko nawet je przewyższały! Dzięki temu są chętnie wykorzystywane przez szerokie grono projektantów systemów automatyki, programistów PLC, wdrożeniowców, służby utrzymania ruchu i operatorów. Wielka społeczność spowodowała powstanie dużej ilości danych, które użytkownicy udostępniają m.in. na różnych forach. Dzielą się własnymi pomysłami rozwiązań technicznych, problemów, tricków i dobrych praktyk oraz profesjonalnego podejścia. Istnieje jednak jeszcze inna droga do zdobycia niezbędnych informacji, poza społecznością open source. Nie wiem, ilu z Was ma świadomość jak wiele materiałów naukowych, dydaktycznych, poradników, instrukcji jest tworzonych przez Siemens lub pod jego patronatem. Nie chodzi tu tylko o dokumentację techniczną i manuale, ale również o publikacje z aplikacyjnymi przykładami zastosowań i rozwiązań, opisami technicznej integracji różnych technologii czy sposobów implementacji algorytmów w systemach sterowania. Osobiście jestem praktykiem, a tego typu dokumenty są dla mnie pomostem między światem teorii i praktyki. Ten artykuł jest nawiązaniem do jednej z takich publikacji. W moje ręce trafiła właśnie patronowana przez Siemens publikacja „Digitalizacja w systemach automatyki SIMATIC„, której autorem jest Artur Nowocień. Zadanie, które mam do wykonania, to recenzja tego opracowania. Do dzieła!
Tytuł to kolejny clickbait?
Nie zmyślam, taka była moja pierwsza myśl. Przepych wszechobecnych w Internecie chwytliwych haseł i tytułów powoduje, że widząc kolejne z nich, jesteśmy nieco wrogo nastawieni. A słowo „digitalizacja” od razu mi się z nimi kojarzy. Pomyślałem także, że brakuje tu tylko wszechobecnego motywu Przemysłu 4.0 do kompletu. I co? Przewróciłem raptem dwie kartki, aby natrafić na to stwierdzenie. W spisie treści już drugi moduł był poświęcony czwartej rewolucji przemysłowej. Zapowiada się ciekawie ? Jako, że z programowaniem sterowników Siemensa jestem zaznajomiony dość dobrze, a urządzenia rodziny SIMATIC są mi znane, postanowiłem sprawdzić, co jeszcze można z nich wycisnąć.
Tytuły kolejnych rozdziałów nieco mnie uspokoiły. Wprowadzenie pozwala zrozumieć digitalizację i je kształtowanie na przestrzeni lat i kolejnych rewolucji przemysłowych. Dzięki temu uzmysławiamy sobie, w którym punkcie rozwoju przemysłu aktualnie się znajdujemy. Idąc dalej, poruszony jest ważny aspekt cyberbezpieczeństwa czy rozwiązań implementowanych na poziomie sterowników PLC. Natomiast dopiero hasła Internetu Rzeczy, chmur obliczeniowych i systemów brzegowych Edge, mając z tyłu głowy fakt, że tych samych urządzeń używamy w standardowych projektach sterowania automatyki, spowodował, że na dobre zagłębiłem się w lekturę.
Już po pierwszych kilku podrozdziałach zauważyłem ogromną wartość dodaną do tej publikacji, czyli przykładowe projekty. Dosłownie każde zagadnienie poruszane teoretycznie, zostało podparte przykładowym projektem gotowym do wykorzystania. Zebrało się ich aż 30 i wszystkie są szczegółowo opisane i wyjaśnione! Warto dodać,że projekty te nie są wyłącznie przedstawione na screenach w książce, ale można je także swobodnie pobrać w postaci plików projektu z repozytorium GitHub i uruchomić w celach testowych lub implementacji we własnych aplikacjach. Repozytorium jest ogólnodostępne. Jeśli chcesz zobaczyć co ono zawiera, sprawdź poniższy link:
Repozytoriom projektów przykładowych z publikacji
Znajduje się tam między innymi jedna, bardzo użyteczna aplikacja, dedykowana na platformę Edge. Służy do wysyłania powiadomień do aplikacji Telegram. Dzięki niej informacje o stanie systemu uzyskamy nie tylko przez HMI czy SCADA, ale także bezpośrednio na swoim smartfonie, gdziekolwiek będziemy!
Kolejną wartość stanowią bezpośrednie linki do materiałów i plików uzupełniających. Jeśli dany przykład projektu wymaga dodatkowego oprogramowania lub zagadnienie uzupełniają informacje w Internecie, czytelnik w wygodny sposób korzystając z kodu QR może do nich dotrzeć. Nie istnieje nawet potrzeba przypisywania ich ręcznie. A wiemy jakie postacie „krzaczków” potrafią przybierać obecnie adresy URL.
Pamiętaj tylko, że dopiero w połączeniu z informacjami zawartymi w publikacji, dostępne w repozytorium pliki stanowią pełną wartość dodaną! Dlatego w dalszej części artykułu zawarliśmy informacje o tym, jak uzyskać jej własny egzemplarz 🙂
Digitalizacja
Raczej nie spotkamy wielu automatyków i ludzi związanych z branżą, którzy obcują na co dzień lub obcowali z rozwiązaniami pierwszych systemów automatyki przekaźnikowej i analogowej. Przeważnie zostały one już wycofane lub zmodernizowane do postaci znanej obecnie. Sam pochodzę z pokolenia automatyków, gdzie rządzą sieci Ethernetu, programowalne PLC i systemy informatyczne SCADA pracujące na komputerach przemysłowych. Nie można określić tego inaczej jak digitalizacja. Z tym, że żeby ją dobrze zrozumieć, nie wystarczy korzystać z technologii cyfrowych.
Autor Artur Nowocień:
W ogólnym rozumieniu, digitalizacją możemy nazwać przeniesienie pewnych procesów, zadań czy operacji ze świata analogowego do świata cyfrowego. W praktyce mówimy tu m.in. o zwiększeniu automatyzacji
pewnych zadań, procesów biznesowych czy operacji (na przykład automatyczne tworzenie kopii zapasowych programu PLC, diagnostyka predykcyjna zamiast reagowania post-factum czy głęboka analiza danych z sensorów w oparciu o algorytmy) co nieodłącznie wiąże się ze ścisłą integracją systemów automatyki przemysłowej z aplikacjami informatycznymi. Możemy mówić w tym wypadku oczywiście o
współpracy z systemami SCADA, aplikacjami do zarządzania przedsiębiorstwem czy bazą danych produktów czy receptur, wszak tego typu wymiana danych już może nosić znamiona systemu IoT co wpisuje się w pojęcie digitalizacji. Jednakże w dzisiejszym, dynamicznie zmieniającym się świecie tego typu proste integracje przestają być wystarczające. Coraz częściej zachodzi konieczność doposażenia systemu sterowania w skomplikowane algorytmy czy funkcje, których brakuje w konwencjonalnym sprzęcie. Wówczas z pomocą przychodzą nam dedykowane rozwiązania informatyczne jak chmury obliczeniowe,
platformy brzegowe czy moduły do obliczeń na sieciach neurononowych. Mówiąc o digitalizacji mamy na myśli właśnie taki poziom współpracy pomiędzy światem OT i IT.
IT czy OT?
Obracamy się w świecie cyfrowym, zdigitalizowanym, ale napotykamy kolejną ważną granicę. To, że technologie informatyczne coraz częściej przenikają się z technologiami w systemach sterowania, było przez niektórych widziane jako zło konieczne. Bardzo często systemy automatyki, mimo iż oparte na technologiach Ethernetu i cyfrowej wymiany danych, były hermetycznie zamknięte w obrębie swoich własnych sieci lokalnych. Sam sprzęt także uległ zmianie. To już nie tylko sterowniki PLC z zamkniętą przez producenta architekturą, ale częściej komputery przemysłowe działające pod kontrolą standardowych systemów operacyjnych.
Szybki rozwój IT bardzo powoli przekładał się na rozwój technologii systemów sterowania, ale jesteśmy obecnie świadkami, jak te technologie wzajemnie się przeplatają. Autor książki przedstawił dowód na tę tezę. Okazuje się, jak w łatwy sposób wykorzystać takie technologie jak GIT do wersjonowania kodu programu. Do tej pory środowisko to było stosowane jedynie podczas tworzenia ściśle informatycznych aplikacji, podczas gdy teraz możemy skorzystać z niego także tworząc program sterownika PLC w TIA Portal.
Zahaczamy też o szeroko pojęty świat IoT. Mimo, iż dostęp do sieci jest coraz tańszy, to nadal warto redukować zużycie wymiany danych. Przykłady optymalizacji oparte o protokoły MQTT czy HTTP znajdziemy w publikacji wraz z ich implementacją na sterownikach PLC i integracją do systemów IT. W przypadku Siemens nie uświadczymy z tego tytułu żadnych dodatkowych kosztów licencyjnych. Dzięki przykładom wdrożenie z pewnością okaże się dużo prostsze, niż mogłoby się wydawać!
Oprócz wydajnej komunikacji ważne jest też magazynowanie danych. W tej materii oczywiście również nie zabrakło wsparcia w publikacji, odnosząc się do obsługi FTP, a nawet baz danych SQL czy NoSQL wprost z programu użytkownika sterownika PLC.
Autor Artur Nowocień:
Przemysłowe systemy sterowania przeszły długą drogę. Począwszy od elektromechanicznych urządzeń łączeniowych, na których tworzona była logika maszyn na początku XX wieku, poprzez oparte na tranzystorach programowalne sterowniki PLC, aż po zaawansowane, silnie skomputeryzowane jednostki o olbrzymiej mocy obliczeniowej. Rosnące zapotrzebowanie na coraz szybsze, precyzyjniejsze i inteligentniejsze maszyny przekłada się także na ofertę systemów sterowania. Aktualnie na rynku dostępne są jednostki mogące łączyć rolę komputera przemysłowego, sterownika PLC, panelu HMI i platformy „mobilnej” do uruchamiania aplikacji, zupełnie jak w smartfonach. Z jednej strony niesie to ze sobą konieczność zwiększenia wiedzy automatyków o zagadnienia rodem ze studiów informatycznych, z drugiej zaś może niesamowicie ułatwić im pracę dzięki możliwości wdrożenia gotowych rozwiązań dostępnych w formie lokalnych aplikacji czy usług chmurowych, bez konieczności czasochłonnego wypracowywania własnego know-how.
Cyberbezpieczeństwo w układach automatyki
Otwarcie się na świat (czytaj: podłączenie do Internetu) systemów automatyki spowodowało powstanie możliwości i zarazem problemów wcześniej niespotykanych. Zaczynając od tych drugich i uwzględniając wcześniejszą hermetyczną infrastrukturę sieciową i urządzeń, dużej wagi nie odgrywało cyberbezpieczeństwo. Protokoły wymiany danych, oprócz wymagań dotyczących spójności, prędkości i ilości przesyłanego wolumenu, zyskały wymagania dotyczące szyfrowania komunikacji oraz w warstwie aplikacji uprawnionego dostępu do danych. Pomimo że obecnie korzystamy z tych mechanizmów czasami nieświadomie, stanowią one podstawę bezpiecznego funkcjonowania.
Wszelkie aspekty niebezpieczeństw zostały oczywiście technicznie rozwiązane, co zostało przedstawione w publikacji. Szczególnie interesujące jest przybliżenie istotnych z punktu widzenia programistów i integratorów systemów sterowania, zapisów z normy IEC62443. Dzięki temu nie ma potrzeby zapoznawania się ze wszystkimi 14 dokumentami składowymi tej normy, żeby wiedzieć o co w nich chodzi. Ich interpretacja, ponownie podparta przykładami, obrazuje to znacznie lepiej. Nie ważne czy chodzi o ochronę dostępu lokalnego do aplikacji, czy o szyfrowanie komunikacji. Warto to wiedzieć!
Autor Artur Nowocień:
Jeszcze do niedawna temat cyberbezpieczeństwa przemysłowych systemów sterowania nie był stawiany wysoko na liście priorytetów – liczyła się przede wszystkim niezawodna i ciągła praca maszyn. W erze coraz płynniejszego przenikania się hermetycznych dotychczas systemów sterowania z systemami informatycznymi oraz częstej potrzeby dostępu do Internetu także z poziomu szafy sterowniczej, nie możemy jednak pomijać kwestii właściwego zabezpieczania sieci i urządzeń. Wszak niepowołany dostęp do maszyny to nie tylko ryzyko strat finansowych, ale przede wszystkim zagrożenie dla pracowników czy nawet większej społeczności (zwłaszcza w przypadku ataków na infrastrukturę krytyczną jak elektrownie czy wodociągi). Mając to na uwadze, w większości aplikacji przemysłowych powinniśmy kwestie cyberbezpieczeństwa stawiać praktycznie na równi z bezpieczeństwem maszynowym.
IIoT, chmury, systemy brzegowe
Dostęp do sieci otwiera możliwości integracji z rozwiązaniami chmurowymi zarówno do zdalnej operacji układami, agregacji danych jak i monitoringu. Ogromna ilość danych, nie jest w stanie być przetwarzana przez standardowe sterowniki PLC ze względu na małą moc obliczeniową. Jednakże, przetwarzanie to można powierzyć chmurom obliczeniowym jak AWS czy Azure. Książka przekazuje podstawową wiedzę związaną z praktycznym zastosowaniem chmur obliczeniowych, uzupełniając to zagadnienie o przykłady możliwe do implementacji bezpośrednio w sterownikach PLC
Mimo iż technologie IT i OT się przenikają, nierzadko potrzebujemy urządzenia na styku tych branż, aby efektywnie zarządzać przepływem informacji. Stąd konieczność stosowania systemów brzegowych, które skupiają i wstępnie przetwarzają informacje, zanim trafią one do chmury. Często rolę tę pełnią nowoczesne sterowniki PLC. Lecz spotkamy jeszcze takie sterowniki, których funkcjonalność na to nie pozwala. W takich wypadkach wykorzystać możemy dedykowane bramy IoT, będące pośrednikiem w wymianie danych. Zastanawiasz się jak to wygląda od strony praktycznej? Ponownie odsyłam do przykładów w książce.
Autor Artur Nowocień:
Często dyskutowana jest kwestia zasadności wdrażania chmur obliczeniowych w system automatyki – pojawiają się obawy o koszty transferu czy prywatność danych. Właściwie zaprojektowany system,
wyposażony w rozwiązania takie jak choćby platformy brzegowe Edge pozwala wyeliminować wszelkie wady chmur, dodając tym samym ogromną wartość do układu sterowania. Weźmy za przykład niezwykle popularną ostatnio sztuczną inteligencję i scenariusz jej zastosowania w aplikacji przemysłowej, na przykładzie algorytmu kontrolującego jakość wyrobu. Aby ten działał prawidłowo, musi najpierw zostać „nauczony” naszego procesu, a to wiąże się z koniecznością przetworzenia olbrzymiej ilości danych. Takie operacje potrzebują dużo mocy obliczeniowej, którą bardzo łatwo i tanio możemy zapewnić na poziomie chmury. Samo uruchomienie już nauczonego algorytmu poza maszyną nie jest jednak dobrym pomysłem, choćby z uwagi na dużą latencję w wymianie danych – wówczas dobrym pomysłem jest przeniesienie go na urządzenie brzegowe, gdzie dane w dalszym ciągu pozostają w granicach firmy, a komunikacja z maszyną jest szybka i niezawodna.
IT dla przemysłu?
Publikacja, dzięki zawartym w niej przykładom, stanowi niemal kompendium wiedzy o wdrażaniu rozwiązań IT w aplikacjach przemysłowych. Poszczególne fragmenty i poruszane zagadnienia pozwalają na znalezienie kilku ścieżek integracji ze światem IT. Jednak dopiero patrząc z lotu ptaka, jesteśmy w stanie obrać najbardziej optymalną drogę. Też chcesz ją poznać? Zajrzyj do publikacji.
Podsumowanie
Może nie jest to dokładnie taka recenzja, jaką przygotowują krytycy, ale przekrój tematyki jest naprawdę solidny. Zauważ, że w całym artykule tylko kilka razy nawiązuję do urządzeń firmy Siemens. Nie bez powodu! Wiedza zawarta w publikacji „Digitalizacja w systemach automatyki SIMATIC” odnosi się do poszczególnych technologii, ich wpływu oraz możliwości zastosowania w przemyśle. Technologie te mogą być wdrożone za pośrednictwem różnych urządzeń. Tutaj otrzymujemy kompletny zbiór instrukcji, ćwiczeń i przykładów wraz z podanymi źródłami wszelkich niezbędnych aplikacji i materiałów potrzebnych do ich wdrożenia, oraz przetestowania na urządzeniach marki Siemens.
Mój początkowy sceptycyzm co do tej publikacji, po zapoznaniu się z nią, przerodził się w chęć posiadania jej w moich zbiorach bibliotecznych. Zupełnie szczerze, to pozycja dla świadomych Inżynierów Automatyków, Programistów PLC i wszystkich tych, którzy mają potrzebę integracji swoich systemów z aplikacjami IT lub chcą dążyć do tworzenia przemysłowego IoT. Ze swojej strony, z czystym sumieniem mogę ją polecić!
