Представьте себе обширное предприятие, оснащенное умным оборудованием и технологиями, основанными на радиометках, — все машины соединены друг с другом и общаются в рамках производственного процесса с помощью датчиков и исполнительных механизмов. Операторы пользуются планшетами, связываясь с производственными системами для диагностики и управления. Данные о загруженности и работоспособности оборудования, а также диагностика накапливаются в корпоративных системах планирования ресурсов и оптимизации производства. Взамен оборудование получает команды подстройки производственного цикла, оптимизирующие соотношение затрат и качества. Машины также «общаются» со своими производителями, по мере необходимости заказывая ремонт и запчасти, чтобы избежать простоев. Системы, основанные на агентских модулях, распределяют нагрузку между производственными линиями, действующими в разных регионах мира, помогая оптимизировать затраты на цепочку поставок. Все это уже реальность — так называемые умные фабрики, а фабрики будущего смогут адаптироваться к новым требованиям гораздо быстрее, чем нынешние решения для гибкого производства. Умная фабрика соединяет машины, логистику и людей, обеспечивая оперативную повсеместную координацию.

Принципы, по которым различные полевые устройства соединяются с ИТ-системами предприятия, применимы не только к автоматизации и производственной отрасли. В частности, межмашинное взаимодействие (Machine-to-Machine, M2M) уже осуществляется в транспортной индустрии для диагностики автомобилей и их соединения с информационными системами. Средства M2M применяются в имплантируемых медицинских устройствах и глобальных логистических сетях предприятий аэрокосмической отрасли.

Связь «машина-машина»

Для умных фабрик и цепочек поставок нужна связь между всевозможным производственным оборудованием, сервисами, диагностическими средствами, портативными устройствами и корпоративными приложениями в рамках процессов проектирования, производства и обслуживания товаров. Эта потребность очевидна инженерам, но в реальности происходит иное — активно растущее количество произвольно соединенных датчиков, контроллеров и исполнительных механизмов приводит к образованию спонтанных скоплений, которые сложно организовать в промышленную сеть.

Для широкого распространения умных фабрик нужны коммуникационные технологии, обеспечивающие эффективную связь на различных расстояниях — гибко, защищенно, с высокой надежностью и готовностью, а также по низкой стоимости. К примеру, самоорганизующуюся систему логистики сложно реализовать с увеличением типоразмеров изделий и в условиях динамики объемов производства. С ростом сложности повышается риск дефицита поставок или ошибок в цепочке поставок. Решением могут стать регистрация и отслеживание материалов, паллет, грузовиков и т. п. с помощью межмашинной связи, объединяющей средства производства и автоматизации с корпоративной инфраструктурой ИТ. По данным Организации экономического сотрудничества и развития, в 2013 году во всем мире было примерно 2 млрд устройств M2M. А аналитики Cisco и Ericsson прогнозируют, что к 2020 году межмашинное взаимодействие будут поддерживать 100 млрд единиц оборудования и их число будет еще выше, если учесть недорогие коммуникационные модули, встроенные в различные узлы оборудования. Аналитики Forrester Research нынешний мировой объем продаж средств M2M оценивают в 10 млрд долл., а к 2020 году, даже по самым консервативным прогнозам, этот показатель увеличится впятеро.

Кабельные технологии сегодня широко применяются в системах M2M, но они стационарны и замена используемой в них проводки обходится дорого. Кабельные сети имеют ресурсоемкие инфраструктуры и топологии, не рассчитанные на будущие изменения требований, и хотя они широко используются в нынешних системах связи, их долгосрочная применимость сомнительна. Но и беспроводные средства межмашинного взаимодействия медленно внедряются в рамках производственных процессов — RFID и Wi-Fi экономически эффективны, просты в инсталляции и эксплуатации, но не отвечают сегодня всем возможным требованиям производственных сред. Инженеры в автомобильной, транспортной и медицинской отраслях, начиная новые проекты автоматизации, сталкиваются с одними и теми же вопросами: какие беспроводные технологии доступны для различных применений, каковы критерии их выбора, какие из технологий будут простыми и экономически эффективными с точки зрения проектирования, внедрения и эксплуатации?

Рис. 1. Коммуникации на умной фабрике. Обрабатываемые изделия и технологические установки оснащены коммуникационными радиомодулями, которые в режиме реального времени следят за материалами и оптимизируют прохождение материалов по технологической цепочке (PS — технологическая установка, WP — изделие, PCS — система управления технологическими процессами, AP — точка доступа, WAN — глобальная сеть)
Рис. 1. Коммуникации на умной фабрике. Обрабатываемые изделия и технологические установки оснащены коммуникационными радиомодулями, которые в режиме реального времени следят за материалами и оптимизируют прохождение материалов по технологической цепочке (PS — технологическая установка, WP — изделие, PCS — система управления технологическими процессами, AP — точка доступа, WAN — глобальная сеть)

 

В частности, современные коммуникационные технологии позволили бы внедрять на умных фабриках новые организационные принципы. На схеме, показанной на рис. 1, каждое устройство оснащено индивидуальными средствами связи. В будущем каждое изделие и его отдельные комплектующие будут снабжаться коммуникационными метками, позволяющими отслеживать и управлять объектом даже в случае непредвиденных обстоятельств, таких как изменение маршрутов. Проблемы, связанные с дефицитом и ошибками поставок, будут быстро решаться, поломки оборудования будут легко диагностироваться и устраняться. Реализовать подобное можно только с помощью беспроводной M2M-связи.

Беспроводные или кабельные?

Сегодня нет единого международного стандарта на интерфейс M2M и в каждой отрасли применяют свои интерфейсы — к примеру, автомобили оснащают сетями контроллеров (Controller Area Network, CAN), а в энергетике для дистанционного снятия показаний счетчиков используют M-Bus. В связи с высокой потребностью отраслей в простых средствах соединения оборудования стандарты все чаще создаются альянсами поставщиков ИТ-решений. В частности, недавняя покупка Nest Labs компанией Google подчеркнула актуальность соединения потребительских продуктов с классическими ИТ.

Кабельные технологии M2M сегодня широко применяются благодаря надежности и доступности — качествам, необходимым в критически важных средах, которые требуют повышенной защищенности или, например, характеризуются взрывоопасностью. Но когда подобных ограничений нет, радиотехнологии позволяют снизить затраты на развертывание, предоставить доступ к отдаленным или труднодоступным местам и избавить от вороха кабелей. Самое большое их преимущество — повсеместность, они позволяют выяснить местонахождение и состояние обрабатываемого изделия на любом этапе и без труда соединяются с ERP и другими приложениями предприятия.

Чтобы выяснить, подходит ли для конкретного применения та или иная радиотехнология, нужно знать ее характеристики. Сегодня для физического транспортного уровня используются частоты промышленного, научного и медицинского (Industrial, Scientific, Medical — ISM) диапазона: 2,4 ГГц, 5 ГГц и 868 МГц. Существует ряд стандартов, в том числе на беспроводные локальные сети — IEEE 802.11, на персональные беспроводные сети (Wireless Personal Area Network, WPAN) и Bluetooth — IEEE 802.15.1, а также на WPAN низкой пропускной способности — IEEE 802.15.4. К сожалению, на сегодня еще не решена проблема перекрытия и взаимных помех, вплоть до полной блокировки, технологий, работающих в близких диапазонах частот.

Для M2M нужны не только стандарты физического и канального уровней коммуникаций. Существуют новые стеки протоколов, поддерживающие беспроводные сетевые технологии и интерфейсы для связи с низкой пропускной способностью и ограниченным расходом памяти. Интернет вещей также нуждается в большом адресном пространстве для устройств и предъявляет строгие требования к способам передачи сообщений.

IPv6 принес пользу M2M, решив проблему нехватки адресного пространства, но, учитывая большой объем протокольных накладных расходов, эту версию IP нецелесообразно применять, когда нужна экономия энергии.

Существует ряд специализированных энергоэффективных протоколов M2M, к примеру, Message Queue Telemetry Transport (MQTT) — несложный протокол с малым объемом накладных затрат, разработанный для ограниченных в ресурсах устройств и сетей с малой пропускной способностью, большой задержкой и низкими потребностями в надежности. Протокол появился в 1999 году, и сейчас стандартизуется силами консорциума OASIS. Есть также Constrained Application Protocol (CoAP) — еще один энергоэффективный протокол для интерактивной связи по Интернету, который выполняет трансляцию пакетов HTTP, снижая объем накладных расходов и позволяя соединять с Интернетом вещей датчики, переключатели и другие подобные устройства. Протокол Data Distribution Service (DDS), в свою очередь, реализован с помощью специализированного связующего ПО для M2M, обеспечивающего надежную высокоскоростную связь в режиме реального времени.

Перспективы M2M

Помимо протоколов есть ряд полноценных готовых к промышленному применению беспроводных технологий, различающихся охватом, пропускной способностью и областями применения. Решения подобного рода обычно основаны на стандартах IEEE, но нередко дополняют их собственными спецификациями. Соответствующие альянсы поставщиков предлагают программы проверки продуктов на соответствие техническим требованиям, сертификацию и маркетинговые инициативы.

Обзор беспроводных технологий
Обзор беспроводных технологий

 

В таблице перечислены девять технологий, используемых сегодня для M2M. Указаны типичные случаи применения, сведения о коммерческой доступности оборудования, возможности шифрования, радиус действия, пропускная способность, инфраструктура, энергоэффективность, размеры чипов, затратность подключения устройств к сетям, стоимость и возможности масштабирования.

Основные факторы, учитываемые при выборе продуктов, — стоимость оборудования, а также затраты ресурсов на переконфигурирование, расширение сети и интеграцию новых устройств. На окончательное решение также влияют энергоэффективность, размер чипов и защищенность.

К примеру, если выбирать глобальную беспроводную сеть для соединения автомобилей — для нужд диагностики, организации временных сетей машина-машина, а также для управления автопарками, то лучше всего сегодня подойдет LTE, в том числе благодаря неплохому покрытию во многих регионах.

Технологии Wi-Fi и ZigBee идеально подойдут для наладчиков промышленного оборудования, работающих с мобильными устройствами доступа. Обе технологии обеспечивают высокую пропускную способность, не нуждаются в централизованной коммуникационной инфраструктуре, характеризуются низкими непроизводительными затратами, защищены и могут обеспечить достаточное покрытие на производственных объектах. NanoLOC, технология на основе ZigBee, подойдет для отслеживания обрабатываемых изделий на крупных производственных предприятиях.

В некоторых случаях нужна идентификация объектов на малых расстояниях или связь ближнего действия (Near-Field Communication, NFC). Для идентификации обрабатываемых изделий традиционно применяется RFID, а NFC можно использовать для обмена данными между объектами, находящимися в тесном соседстве друг с другом.

Беспроводные технологии M2M развиваются целым рядом отраслевых альянсов, участники которых совершенствуют и продвигают различные решения. В частности, в альянс Bluetooth Special Interest Group входит больше 20 тыс. компаний, а ZigBee Alliance построил процветающую глобальную экосистему коммерческих предприятий, университетов и госструктур, занимающихся развитием стандарта ZigBee и соответствующего пространства решений.

Стандарт, развиваемый альянсом HART Communication Foundation, и системы Industrial-WLAN ориентированы в основном на применение в промышленной автоматизации. Если на предприятии уже используется кабельная инфраструктура HART или Profinet, то внедрять Wireless-HART или Industrial-WLAN имеет смысл по соображениям совместимости — с новой сетью будет легко соединить кабельную, в том числе охваченные ею датчики и средства диагностики, размещенные в труднодоступных местах. Участники EnOcean Alliance предлагают решения с малым энергопотреблением: переключатели, оснащенные передатчиками EnOcean, могут питаться от батарей или работать на собранной энергии.

Важнейший фактор успеха протоколов M2M — энергоэффективность, и батареи нельзя признать оптимальным выбором (их нужно обслуживать, утилизовать). Bluetooth и ZigBee имеют режимы экономии энергии, включающиеся при перерывах в обмене информацией между главным и зависимым устройством. А метки RFID можно для повышения энергоэффективности активизировать индуктивно непосредственно перед записью или считыванием данных.

***

Благодаря стремительному распространению оборудования, способного в любой момент устанавливать межмашинные соединения, уже скоро нормой станут умные фабрики и автомобили, связывающиеся с сетями. Новые способы взаимного соединения машин и изделий приведут к изменению всей инженерной среды — перемены затронут производство, а затем охватят все стадии жизненного цикла продуктов. Умные фабрики и Большие Данные уже дают определенные преимущества, а повсеместная связь позволит многократно их приумножить по сравнению с нынешними коммуникационными системами, устанавливаемыми вручную.

Михаэль Вейрих (michael.weyrich@ias.uni-stuttgart.de) — профессор, директор Института промышленной автоматизации и разработки программного обеспечения Штутгартского университета, Ян-Филипп Шмидт (jan-philipp.schmidt@ias.uni-stuttgart.de) — научный сотрудник Института промышленной автоматизации и разработки программного обеспечения Штутгартского университета, Кристоф Эберт (christof.ebert@vector.com) — управляющий директор Vector Consulting Services.

Michael Weyrich, Jan-Philipp Schmidt, Christof Ebert, Machine-to-Machine Communication. IEEE Software, July/August 2014, IEEE Computer Society. All rights reserved. Reprinted with permission.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями

Купить номер с этой статьей в PDF