قابلیت همکاری در لبه: چگونه یک سیستم کنترل فرآیند مدولار بسازیم

در سال 2022، یک نظرسنجی جهانی از بیش از 2000 توسعه‌دهنده اینترنت اشیا (IoT) درباره بزرگ‌ترین مانع رشد IoT پرسید. قابلیت همکاری (Interoperability) سومین پاسخ رایج بود و 22 درصد از پاسخ‌دهندگان آن را نگرانی اصلی خود دانستند. اینجاست که نیاز به ساخت سیستم‌های کنترل فرآیند مدولار (PCS) مطرح می‌شود.

رایانش لبه (Edge Computing) نیز در اینترنت اشیا صنعتی (IIoT) به طور قابل‌توجهی رایج‌تر شده است. در سال 2022، حدود 638 میلیون دستگاه مجهز به فناوری لبه در IoT سازمانی وجود داشت و پیش‌بینی می‌شود این رقم تا سال 2030 به بیش از 1.2 میلیارد دستگاه برسد.

این روندها نشان می‌دهند که تا زمانی که استانداردهای جهانی برای سیستم‌های لبه IoT ایجاد نشود، تحقق کامل پتانسیل IIoT دشوار خواهد بود. برای درک بهتر این موضوع، بیایید نگاهی دقیق‌تر به یکی از عناصر اصلی سیستم‌های اتوماسیون صنعتی، یعنی سیستم‌های کنترل فرآیند (PCS)، بیندازیم.

لبه IoT صنعتی ناسازگار

فناوری کنترل فرآیند طی دهه‌ها برای پاسخگویی به نیازهای بی‌شمار برنامه‌های کاربردی نهایی تکامل یافته است. به ناچار، نیازهای متفاوت موارد استفاده از کنترل فرآیند منجر به ایجاد اکوسیستمی از راه‌حل‌های ناسازگار شد که توسط تأمین‌کنندگان فناوری به‌صورت جداگانه و در سیلوهای مستقل تولید می‌شدند.

این موضوع در نهایت ارتقا یا مهاجرت یک سیستم کنترل فرآیند را بدون تخریب کامل و بازسازی دشوار کرد. کافی است از مهندسان سیستم‌های کنترل در اکسون‌موبیل (ExxonMobil) بپرسید. این شرکت نفت، گاز و مواد شیمیایی دهه‌هاست که در خط مقدم فناوری اتوماسیون فرآیند قرار دارد. اگر مانعی در مسیر صنعت 4.0 وجود داشته باشد، تیم اکسون‌موبیل با آن روبرو شده است.

حدود سال 2018، چالش‌های بزرگ این تیم به کمبود انعطاف‌پذیری خلاصه می‌شد. بدون حداقل قابلیت همکاری، امکان ترکیب و تطبیق اجزا وجود نداشت.

استیو بیتار (Steve Bitar)، مدیر وقت برنامه تحقیق و توسعه در اکسون‌موبیل، می‌گوید: «در آن زمان ناامیدی زیادی وجود داشت. ما در جهانی از سیستم‌های کنترل صنعتی کار می‌کردیم که همه دستگاه‌ها اختصاصی (Proprietary) بودند.»

چگونه شرکت‌هایی مانند اکسون‌موبیل می‌توانند به سمت استانداردسازی اجزای رایانش لبه IoT، شبکه و ذخیره‌سازی حرکت کنند تا سیستم‌های کنترل فرآیند به‌صورت تدریجی ارتقا یابند؟ چگونه می‌توانید سیستم IIoT انعطاف‌پذیر و قابل به‌روزرسانی خود را ایجاد کنید؟ به‌طور خاص، برای دستیابی به قابلیت پلاگ‌اند‌پلی (Plug-and-Play) واقعی در IoT صنعتی در لبه چه چیزی لازم است؟

در ادامه، آنچه برای ساخت یک سیستم PCS مدولار نیاز است که به شما امکان انتخاب از میان راه‌حل‌های قابل همکاری متنوع را می‌دهد، بررسی می‌کنیم.

چرا صنعت فرآیند به معماری‌های PCS مدولار نیاز دارد

در سال 2018، بهبود یک بخش از PCS بدون جایگزینی کل سیستم دشوار بود.

استیو بیتار می‌گوید: «برای تغییر هر چیزی، باید کل سیستم کنترل را مهاجرت می‌کردید. دوست داشتید یک عنصر را ارتقا دهید، مثلاً قدرت پردازش یا حافظه بیشتری داشته باشید. شاید می‌خواستید یک آسیب‌پذیری امنیتی (Cybersecurity Vulnerability) را برطرف کنید، اما این کار مستلزم تعویض تمام سخت‌افزارها بود.»

بسیاری از کاربران PCS مجبور بودند فناوری‌های جدید را به سیستم‌های قدیمی پیوند بزنند، که منجر به راه‌حل‌های پیچیده و غیرمنسجم می‌شد.

بیتار ادامه می‌دهد: «شما در نهایت لایه‌های دفاعی را اضافه می‌کردید، مثلاً فایروال‌ها و فرآیندهای کاری برای محافظت از تجهیزات. این کار شما را محدود می‌کرد.»

ماژول محاسباتی یک تولیدکننده با دستگاه ورودی/خروجی (I/O) تولیدکننده دیگر کار نمی‌کرد. منبع تغذیه یک شرکت با ماژول سوئیچ دیگری سازگار نبود. شما نمی‌توانستید سیستم کنترلی خود را فراتر از آنچه فروشنده ارائه می‌داد بهینه کنید.

این شرایط نیازهای اپراتورهای صنعتی را برآورده نمی‌کرد و همچنان هم نمی‌کند.

دیوید دباری (David DeBari)، مهندس سیستم‌های کنترل در اکسون‌موبیل، می‌گوید: «آنچه ما می‌خواهیم پلاگ‌اند‌پلی است. ماوس خود را وصل می‌کنید، کیبورد خود را وصل می‌کنید و آن‌ها به‌خوبی کار می‌کنند. من همین را برای کنترل‌کننده‌هایم می‌خواهم.»

دو اصل طراحی مرتبط می‌توانند این وعده پلاگ‌اند‌پلی را محقق کنند: قابلیت همکاری (Interoperability) و قابلیت تعویض (Interchangeability).

دو ویژگی کلیدی سیستم‌های کنترل فرآیند مدولار

دیوید دباری می‌گوید: «پلاگ‌اند‌پلی دو جنبه دارد. باید یک کانکتور داشته باشید که همه روی آن توافق دارند و باید پروتکل‌هایی داشته باشید—یک مدل رفتاری استاندارد و پارامترهایی که اکنون مدل‌های داده (Data Models) می‌نامیم.»

مدل‌های داده و کانکتورها نمونه‌های ملموسی از قابلیت همکاری و قابلیت تعویض هستند. در ادامه نگاهی دقیق‌تر به این مفاهیم مهم برای سیستم‌های کنترل فرآیند مدولار می‌اندازیم:

• قابلیت همکاری (Interoperability): این امکان را فراهم می‌کند که چندین جزء در یک سیستم محاسباتی بتوانند داده‌های معناداری را با یکدیگر تبادل کنند. کلمه کلیدی اینجا معنادار است—در یک سیستم قابل همکاری، همه اجزا یکدیگر را درک می‌کنند.
  این نیازمند روش مشترکی برای نمایش داده‌هاست. به فرمت مشترکی برای ارتباطات نیاز دارد. به عبارت دیگر، به مشخصات مشترک (Common Specifications) نیاز است. قابلیت همکاری در سطح نرم‌افزار و فریمور رخ می‌دهد.
• قابلیت تعویض (Interchangeability): این مفهوم به سخت‌افزار مربوط است. موضوع کانکتورها، باس‌ها، پورت‌ها و پلاگ‌هاست. دستگاه‌هایی که از فناوری اتصال یکسانی استفاده می‌کنند، قابل تعویض هستند.

برای ایجاد یک PCS واقعاً مدولار، هر جزء باید با بقیه سیستم قابل همکاری و قابل تعویض باشد. شما به هر دو نیاز دارید.

تنها راه دستیابی به قابلیت همکاری و قابلیت تعویض این است که بازار روی مشخصات مشترک توافق کند.

دباری می‌گوید: «قابلیت همکاری به یک روش استاندارد و مورد توافق نیاز دارد. باید روی نمایش داده‌ها و روش ارتباطی توافق کنیم. همچنین به قابلیت تعویض نیاز دارید: آیا این کانکتور مناسب است؟ اگر توافق نکنیم، کار نمی‌کند.»

در حالت ایده‌آل، مشخصاتی که اجزای PCS را استاندارد می‌کنند، باید برای همه ذی‌نفعان صنعت باز باشند. استانداردهای باز IoT انتخاب‌های بیشتری، نوآوری بیشتر و شرایط اقتصادی مطلوب‌تری برای خریداران ایجاد می‌کنند. این استانداردها نیروهای بازار را تولید کرده و آن‌ها را به سمت حل تمام چالش‌های صنعت 4.0 هدایت می‌کنند.

استانداردهای باز برای دستگاه‌های لبه IoT و معماری‌های PCS در حال حاضر در دسترس هستند و بخش بزرگی از راه‌حل چالش انعطاف‌پذیری اکسون‌موبیل را تشکیل داده‌اند.

استانداردهای باز و مدولار برای سیستم‌های کنترل فرآیند

مشخصات InterEdge از کنسرسیوم غیرانتفاعی PICMG—که استانداردهای باز برای IoT صنعتی توسعه می‌دهد—یک معماری PCS کاملاً مدولار را تعریف می‌کند. InterEdge بخشی از راه‌حل چالش انعطاف‌پذیری اکسون‌موبیل بود، همراه با استانداردهای باز از انجمن اتوماسیون فرآیند باز (OPAF)، گروه استانداردسازی دیگر.

امروزه هر تولیدکننده IoT، یکپارچه‌ساز سیستم یا مهندس سیستم‌های کنترل می‌تواند به InterEdge دسترسی داشته باشد. این استاندارد باز مشخصاتی را برای موارد زیر ارائه می‌دهد:

• ماژول‌های محاسباتی (Compute Modules)
• ماژول‌های سوئیچ (Switch Modules)
• ماژول‌های ورودی/خروجی (I/O Modules)
• ماژول‌های منبع تغذیه (Power Supply Modules)
• پروتکل‌های ارتباطی باس (Bus Communication Protocols)
• مدل‌های داده طراحی‌شده برای کنترل فرآیند

مشخصات InterEdge ویژگی‌های فیزیکی ماژول‌ها، از جمله الزامات الکتریکی و پین‌اوت‌ها را تعریف می‌کند. این موضوع سیستم را قابل تعویض نگه می‌دارد. در عین حال، مدل‌های داده InterEdge قابلیت همکاری را تضمین می‌کنند.

InterEdge دارای چندین لایه انتزاع است که از مدل‌های رفتاری در سطح فریمور شروع می‌شود. برای اتوماسیون فرآیندهای فیزیکی، این مدل‌های رفتاری هم سنسورها و هم عملگرها را پوشش می‌دهند؛ یعنی هم‌زمان از جمع‌آوری داده‌ها و کنترل ماشین‌آلات خودکار پشتیبانی می‌کنند.

مدل‌های داده مشارکتی

در سطح بالاتر از فریمور، InterEdge از همان پروتکل‌های ارتباطی و تکنیک‌های مدل‌سازی داده که در اینترنت استفاده می‌شوند (البته بدون افشای سیستم‌های IoT به وب جهانی) بهره می‌برد. این پروتکل‌ها فراگیر و شناخته‌شده هستند، بنابراین توسعه سیستم‌های IoT صنعتی را ساده‌تر می‌کنند.

مشخصات باز PICMG برای IoT صنعتی از روش دیگری نیز از اختراع دوباره چرخ جلوگیری می‌کند. این کنسرسیوم با سازمان استانداردسازی مدیریت توزیع‌شده (DMTF)—یک سازمان استانداردسازی دیگر—همکاری می‌کند تا قابلیت‌هایی را به رابط‌های برنامه‌نویسی برنامه Redfish و طرح‌واره‌های آن اضافه کند.

این همکاری بین PICMG و DMTF به مدل‌های داده Redfish مانند گره‌های اتوماسیون (Automation Nodes) و نقاط کنترل (Control Points) منجر شده است که از کنترل حرکت رباتیک کاملاً همگام با پروفایل حرکت پشتیبانی می‌کنند. مدل داده Redfish دیگر PICMG تأیید کارهایی را که به ماشین‌های جداگانه اختصاص داده شده‌اند بهبود می‌بخشد، مثلاً اطمینان می‌دهد که یک ماشین CNC قبل از شروع توالی کار خودکار با بیت مناسب مجهز شده است.

اهمیت این رویدادها ساده است: چندین سازمان استانداردسازی—OPAF، PICMG، DMTF و غیره—در حال همکاری برای ساخت سیستم‌های قابل همکاری و قابل تعویض برای IoT صنعتی هستند.

داگلاس سندی (Douglas Sandy)، مدیر فناوری در PICMG، می‌گوید: «فلسفه ما در PICMG این است که چیزهایی را توسعه می‌دهیم که نیاز به توسعه دارند. ما از آنچه قبلاً کار می‌کند استفاده می‌کنیم. هر جا که بتوانیم با سازمان‌های دیگر همکاری می‌کنیم، و همکاری با DMTF برای Redfish واقعاً خوب بوده است.»

این اتفاق تصادفی نیست که IIoT مدولار با همکاری آغاز می‌شود. در نهایت، هدف این است که تولیدکنندگان IoT دستگاه‌هایی بسازند که مستقیماً از جعبه با یکدیگر کار کنند. اجماع هم هدف است و هم وسیله رسیدن به آن هدف.

وقتی به اجماع بر استانداردهای لبه IoT برسیم، قابلیت همکاری و قابلیت تعویض چندفروشنده‌ای به سادگی به هنجار تبدیل خواهد شد. این همان بازاری است که اکسون‌موبیل، PICMG، DMTF، OPAF و بسیاری دیگر در حال ساخت آن هستند—و دقیقاً همان چیزی است که شما برای ساخت یک PCS مدولار و چندفروشنده‌ای و دیگر پلتفرم‌های رایانش لبه باز و قابل همکاری نیاز دارید که بازار IoT را به جلو خواهد برد.

 

منبع: iotforall