Wirtualne uruchomienie systemów automatyki

Aalto Factory of Future

W niniejszym case study wyjaśniono, w jaki sposób Uniwersytet Aalto, wdrażając platformę OPC UA Forge, osiągnął uproszczoną konfigurację węzłów, spójne przepływy danych, doskonałą skalowalność, a także usprawnił współpracę wewnątrz własnego zespołu. Zobacz również, jak Uniwersytet Aalto wykorzystał swoją licencję typu site na platformę Forge w innych projektach.

„Z pełnym przekonaniem możemy polecić Prosys OPC UA Forge jako rozwiązanie zapewniające niezawodną i prostą integrację OPC UA w przypadku rozproszonych systemów sterowania.”

O Aalto Factory of the Future (AFoF)

Aalto Factory of the Future (AFoF) to środowisko laboratoryjno-demonstracyjne prowadzone przez Wydział Elektrotechniki i Automatyki Uniwersytetu Aalto. Służy ono jako platforma dla innowacji, badań oraz edukacji. W jego obiektach ludzie, roboty i jednostki produkcyjne współpracują ze sobą, umożliwiając rozwój różnorodnych technologii w kontekście produkcji przemysłowej.

U podstaw tej inicjatywy leży modularność: celem jest budowa elastycznych, inteligentnych jednostek produkcyjnych, które błyskawicznie adaptują się do nowych potrzeb i dynamicznie łączą w spójne systemy. Kluczową rolę odgrywa tu standard IEC 61499 dla rozproszonego sterowania, ponieważ to on umożliwia ponowne użycie komponentów, pełną niezależność od dostawców sprzętu oraz automatyczne działanie wyzwalane zdarzeniami.

Wyzwania

Prowadzone badania dotyczą takich wyzwań, jak synchronizacja danych wejścia/wyjścia (I/O) z wielu sterowników, zapewnienie niezawodnego działania w czasie rzeczywistym oraz integracja z zewnętrznymi usługami IT, w tym z procesami opartymi na chmurze. Wyzwania te są realizowane poprzez skonteneryzowane środowiska wykonawcze systemów sterowania, orkiestrację chmurową oraz zaawansowany monitoring, co umożliwia ciągłe doskonalenie zarówno istniejących systemów starszego typu, jak i Greenfield.

Przykładem zastosowania AFoF w praktyce jest realizacja elastycznej produkcji zorientowanej na zasoby: w takim układzie robot AGV transportuje elementy do maszyny produkcyjnej, gdzie są one przetwarzane, a na koniec większy pojazd AGV przewozi je do magazynu. Sterowanie opiera się na rozwiązaniach modułowych, a system komunikuje się za pomocą protokołu OPC UA i działa zgodnie z normą IEC 61499. Działalność AFoF została również rozszerzona na środowiska wirtualne dzięki technologiom cyfrowych bliźniaków i symulacji.

Platforma wirtualnego rozruchu oparta na chmurze

W ramach badań nad automatyzacją rozproszoną i modułową, prowadzonych w Aalto Factory of the Future, platforma CloViC (Cloud-based Virtual Commissioning) stanowi znaczący krok w kierunku chmurowej inżynierii systemów sterowania (cloud-native). Opracowana na Uniwersytecie Aalto platforma CloViC to środowisko webowe oparte na infrastrukturze Microsoft Azure, które koordynuje skonteneryzowane instancje programowych sterowników SoftPLC i zapewnia zaawansowane możliwości symulacji wejść/wyjść (I/O). Również umożliwia ona inżynierom projektowanie,
symulowanie oraz walidację aplikacji sterujących opartych na standardzie IEC 61499 przed ich wdrożeniem na fizycznym sprzęcie.

CloViC usprawnia tradycyjny proces rozruchu, zapewniając wizualizację danych w czasie rzeczywistym, analitykę oraz automatyczną koordynację kontenerów sterowania za pośrednictwem Kubernetes. To podejście typu cloud-native zmniejsza nakład pracy inżynierskiej, zwiększa niezawodność i skraca cykle programistyczne. Inżynierowie mogą testować zachowanie systemów rozproszonych w całkowicie zwirtualizowanym środowisku, upewniając się, że logika sterowania jest solidna i spójna, zanim wejdzie w interakcję z rzeczywistym sprzętem produkcyjnym.

Rola technologii OPC UA

Sercem platformy CloViC jest standard komunikacyjny OPC UA, który pełni funkcję ujednoliconej warstwy danych między instancjami SoftPLC a usługami chmurowymi. Każdy sygnał wejścia/wyjścia (I/O) w systemie jest konwertowany na węzeł OPC UA, co zapewnia spójną i bezpieczną obsługę danych. Model ten wspiera skalowalność oraz interoperacyjność, umożliwiając wielu kontenerom sterowania na płynną wymianę informacji w chmurze. Dzięki oparciu na OPC UA, CloViC niweluje lukę między przemysłowymi systemami sterowania a infrastrukturą IT, co pozwala na bezproblemową integrację z analityką danych, dashboardami oraz zewnętrznymi systemami przedsiębiorstwa.

Integracja Prosys OPC UA Forge

Aby utrzymać spójność danych w czasie rzeczywistym pomiędzy wirtualnymi sterownikami, platforma CloViC integruje rozwiązanie Prosys OPC UA Forge jako główny silnik synchronizacji. Forge stale zbiera i aktualizuje wartości węzłów OPC UA z każdej skonteneryzowanej instancji SoftPLC, zapewniając, że najnowsze dane są zawsze dostępne dla modułów analitycznych i wizualizacyjnych. Eliminuje to konieczność ręcznej konfiguracji, a także zapobiega niezgodnościom między węzłami, co znacznie upraszcza zarządzanie całym systemem.

Integracja Prosys OPC UA Forge bezpośrednio z architekturą CloViC sprawia, że platforma ta zyskuje jedno, pewne źródło prawdy (source of truth) dla wszystkich danych z symulacji. Dzięki temu narzędzia takie jak wykresy czy analizatory wydajności zawsze bazują na precyzyjnych i najświeższych informacjach. Efekt? Otrzymujesz niezwykle stabilne środowisko symulacyjne, które idealnie odwzorowuje pracę prawdziwych systemów sterowania.

Architektura systemu CloViC z wykorzystaniem platformy Forge

Korzyści i skutki

Dzięki integracji z Prosys OPC UA Forge oraz wykorzystaniu standardów OPC UA, CloViC zapewnia kilka kluczowych korzyści:

• Uproszczona konfiguracja: Ręczna konfiguracja węzłów została ograniczona do minimum, co skraca czas konfiguracji i zmniejsza ryzyko błędów ludzkich. Interfejs Forge API umożliwia automatyczne tworzenie węzłów, a rozbudowana dokumentacja API zapewnia znaczną oszczędność czasu.
• Spójny przepływ danych: synchronizacja węzłów w czasie rzeczywistym zapewnia symulację o wysokiej wierności bez nieaktualnych lub niezsynchronizowanych wartości dzięki funkcji agregacji serwera Forge OPC UA.
• Zwiększona skalowalność: dodawanie nowych kontenerów SoftPLC lub projektów symulacyjnych pozostaje łatwe, ponieważ Forge automatycznie zarządza procesem synchronizacji węzłów.
• Ulepszona współpraca: jako platforma webowa, CloViC pozwala wielu inżynierom pracować jednocześnie nad projektami sterowania, ułatwiając wspólne testowanie i procesy walidacji przepływów.

Dodatkowe projekty

Aalto Factory of the Future w pełni wykorzystuje licencję typu Site na oprogramowanie Forge i stosuje ją w wielu projektach.

• Farma wertykalna: Forge pełni rolę centralnego serwera OPC UA, z którego niestandardowy skrypt w języku Python pobiera dane w czasie rzeczywistym z sprzętowych serwerów OPC UA.
• Proces uzdatniania wody: Po pozytywnych doświadczeniach Forge został wykorzystany jako centralny węzeł do zarządzania procesem uzdatniania wody. W tym systemie wiele serwerów potrzebowało dostępu do odczytu/zapisu, a dane były przesyłane do procesu cyfrowego bliźniaka.
• Monitorowanie energii: Data Logger dostępny w oprogramowaniu Forge został wykorzystany do gromadzenia danych dotyczących zużycia energii z wielu sterowników PLC systemu przenośnika taśmowego. Następnie Forge został podłączony do oprogramowania wizualizacji danych w celu przeglądania i optymalizacji danych trendów.