Co se děje mezi senzorem a podnikovým systémem?

Při prezentaci projektu průmyslové digitalizace obvykle zaujmou dvě věci: fyzické zařízení, které měří, a obrazovka, na které se zobrazí výsledek. Cesta mezi nimi často zvenku vypadá jako jediná šipka.

Právě v této šipce se přitom skrývá podstatná část práce.

Ze surového signálu senzoru se automaticky nestane spolehlivá obchodní informace. Cestou je třeba vyřešit elektrický signál, protokol, časové razítko, identitu zařízení, měrnou jednotku, výpadky sítě, kvalitu dat, oprávnění, ukládání, kontext a nakonec i to, jaký proces mají data spustit.

Měřicí bod: místo, kde se fyzický svět mění v data

Cesta dat začíná u senzoru, měřidla nebo řídicí jednotky. Může jít o elektroměr či analyzátor výkonu, teplotní čidlo, snímač vibrací, vodoměr, střídač, PLC, impulzní vysílač nebo zakázkovou elektroniku.

Už zde se rozhoduje o několika zásadních otázkách:

• co ve skutečnosti měříme;
• s jakou přesností a rozlišením;
• jak často je třeba vzorkovat;
• v jakém fyzickém a elektromagnetickém prostředí zařízení pracuje;
• jaké komunikační rozhraní je k dispozici;
• zda smí dojít ke ztrátě dat, když je spojení dočasně přerušeno.

Měření výkonu každé dvě sekundy a teplotní údaj přicházející jednou za pět minut nevyžadují stejné zpracování dat. Vysokofrekvenční řada vzorků potřebná pro analýzu vibrací pak může znamenat úplně jinou zátěž a jiné lokální zpracování než denní odečet vodoměru.

Komunikace v terénu: realita je jen zřídka REST API

V kancelářském IT se síť IP a zdokumentované API považují za samozřejmost. V terénu jsou naproti tomu běžné RS-485, Modbus RTU, Modbus TCP, impulzní signály, digitální či analogové I/O, proprietární protokoly výrobců a desítky let staré vybavení.

Zde nestačí vědět, že jde o „Modbus“. Je třeba znát mimo jiné:

• identifikátor jednotky (unit ID);
• adresování registrů;
• datový typ, pořadí bajtů a pořadí slov;
• měřítkový koeficient;
• četnost dotazování;
• fyzické uspořádání sběrnice a její zakončovací rezistor;
• ošetření komunikačních chyb.

Z chybně interpretované 32bitové hodnoty s plovoucí řádovou čárkou může snadno vzniknout fyzikálně nemožný naměřený údaj. Pokud ji systém předá dál bez kontroly, chyba se rozšíří celým datovým řetězcem.

Brána (gateway): překladač, vyrovnávací paměť a místní rozhodovací bod

Brána propojuje svět provozu v terénu se světem IT. Mezi její úlohy může patřit překlad mezi protokoly a také normalizace, opatřování časovými razítky, ukládání do vyrovnávací paměti, šifrování a předávání dat.

Průmyslová brána však musí počítat i s tím, že síť není vždy dostupná. Prosté zahození dat v takové situaci není dobré řešení. Může být zapotřebí místní ukládání, řazení do fronty a pozdější synchronizace.

Některá rozhodnutí je rovněž nutné přijímat lokálně. Pokud překročení mezní hodnoty vyžaduje okamžité odpojení nebo alarm, nemá smysl čekat na výsledek cesty do cloudu a zpět. Proto je brána v mnoha případech zároveň zařízením pro edge computing.

Zprostředkování zpráv: události místo dat

MQTT a další řešení pro zprostředkování zpráv umožňují, aby zdroj dat a zpracovávající systém nebyly propojeny přímou a pevnou vazbou. Brána publikuje a oprávněné systémy se přihlašují k odběru topiců, které potřebují.

Systém tak může být pružnější, návrhové otázky však nemizí:

• jak je vystavěna struktura topiců;
• jak lze identifikovat zařízení a lokalitu;
• jaká úroveň QoS (záruka doručení) je potřeba;
• zda je přípustné opakované doručení zpráv;
• jak probíhá autentizace a správa oprávnění;
• co zaručuje původ a integritu zprávy.

Dobrá zpráva není jen číslo. Obsahuje, nebo jednoznačně umožňuje určit, odkud přišla, kdy, v jaké kvalitě a s jakým významem.

Zpracování a normalizace

Příchozí data je často nutné vyčistit a interpretovat. Sem může patřit:

• škálování surové hodnoty;
• převod měrných jednotek;
• rozpoznání chybných nebo chybějících hodnot;
• ošetření duplicit;
• přiřazení údajů o zařízení a umístění;
• logika mezních hodnot a stavů;
• výpočet odvozených ukazatelů.

Hodnota 23871 sama o sobě nic neříká. Může jít o okamžitý výkon 23 871 W, při měřítku 0,1 o 2 387,1 kW, o kumulativní stav počitadla energie nebo o chybový kód. Data se stávají interpretovatelnými teprve spolu s odpovídajícími metadaty a provozním kontextem.

Ukládání: ne všechna data patří do stejné databáze

Kmenová data zařízení, zákazníků, lokalit a smluv mají jinou povahu než řádky měření přicházející každou sekundu. Proto průmyslová platforma často využívá více různých způsobů ukládání dat.

Relační (transakční) databáze je silná ve správě vztahů, oprávnění a obchodních objektů. Úložiště časových řad nebo sloupcově orientované úložiště se hodí k rychlé analýze velkých objemů naměřených dat. Úložiště dokumentů pak poskytuje místo pro protokoly, obrázky a související soubory.

Dobrý systém není ten, který na všechno vnucuje stejnou databázi, ale ten, který nad různými úlohami ukládání vybuduje jednotný obchodní model.

Obchodní kontext: to, co datům dává hodnotu

Naměřená hodnota se stává podnikovou informací tehdy, když je s něčím propojena:

• se zařízením;
• s místností nebo lokalitou;
• se zákazníkem;
• s nákladovým střediskem;
• se smlouvou;
• s výrobní operací;
• s historií údržby.

Jednou ze základních zásad platformy OrigSmart je, aby se data z fyzického a obchodního světa setkávala ve společném prostředí. Z naměřené hodnoty tak může vzniknout nejen graf, ale také alarm, úkol, pracovní příkaz, vyúčtování nebo podklad pro rozhodování vedení.

Zdroje

• NIST SP 800-82 Rev. 3 – Guide to Operational Technology Security
• OASIS MQTT Version 5.0
• Modbus Organization – Technical Resources
• OrigSmart – Webový podnikový operační systém