Aktuální vydání

celé číslo

10

2019

Automatizace v chemii a petrochemii

Hladinoměry

celé číslo

Industrie 4.0 Asset Adminstration Shell: koncepce a využití v praxi

Koncepce Industrie 4.01) využívá ke standardizovanému popisu zařízení jejich digitální obálky AAS – Asset Administration Shell. Účelem těchto obálek je zajistit výměnu informací mezi zařízeními navzájem, mezi nimi a systémem koordinace (orchestrace) výroby a inženýrskými nástroji. Tento článek popisuje, jak jsou obálky AAS vytvořeny, uvádí seznam dostupných dokumentů k tomuto tématu a představuje několik příkladů použití. Ty reprezentují použití AAS jako elektronických štítků a k popisu zařízení. 

Koncepce Industrie 4.0 a její dopady na průmysl

Industrie 4.0 popisuje koncept chytré výroby s hlavním cílem zvětšovat objem výroby a konkurenceschopnost zlepšováním efektivity, produktivity, flexibility a agility. Digitalizace může vést také k novým způsobům dosahování příjmů vytvářením nových podnikatelských modelů. Druhotným účelem je podporovat udržitelnost a bezpečnost výroby a umožnit udržitelnou koexistenci bydlení, zemědělství, přírody a průmyslu. Koncepce Industrie 4.0 předpokládá těsnou integraci řízení výroby, správy životního cyklu produktů a procesů a hodnotového řetězce – jinak též nazývanou vertikální a horizontální integrace. K tomu, aby bylo možné optimalizovat hodnotové řetězce v podniku i mezi podniky, je obvykle třeba instalovat více snímačů, využívat takto vzniklé velké objemy dat (big data) pro analýzy a rovněž použitím inženýrských nástrojů typu end-to-end umožnit rychlejší interakci mezi procesy konstruování produktů, technologické přípravy výroby a vlastní výroby. Industrie 4.0 umožňuje optimalizovat výrobu prostřednictvím rekonfigurovatelných výrobních linek, jejichž výrobní moduly je možné snadno přeorganizovat nebo přestavět, aby vykonávaly ty funkce, které jsou pro výrobu třeba. V první etapě vznikají automatizační prostředky typu plug-and-play, s jejichž pomocí je možné následně vytvářet i samoorganizující se a samooptimalizující se výrobní linky a provozy. Uvedený model je zacílen na diskrétní (strojní) výrobu, ale též na jemnou chemii, zvláště na výrobu polymerů nebo farmacii a potravinářství. V dlouhodobém výhledu však může i klasická procesní výroba projít přeměnou na výrobu v malých modulárních výrobních linkách, protože to snižuje kapitálovou náročnost a náklady na instalaci výrobních zařízení. Potom bude moci i tento obor využívat výhody koncepce Industrie 4.0. 

Definice digitálních obálek zařízení – AAS

Industrie 4.0 podporuje spíše než pouhou interpretaci stavu výrobního provozu prostřednictvím odečtů jednotlivých snímačů reprezentaci zařízení jako entit v informační oblasti, protože to umožňuje smysluplnou interakci s informačními systémy podniku. V Industrie 4.0 není výrobním modulem nebo systémem jen zařízení, ale může to být také (diskrétní) výrobek, instalace softwaru, intelektuální vlastnictví nebo lidské zdroje. Zařízení musí být identifikovatelná entita, musí být znám typ zařízení, musí být známo, v jaké etapě životního cyklu se zařízení nachází, v jaké instanci je a jaký je jeho stav. To, jak je zařízení schopno komunikovat, závisí na stupni jeho vybavení měřicí a automatizační technikou. Zařízení bez dostatečných schopností komunikace o svém stavu mohou být modernizována prostřednictvím dodatečných snímačů, které jeho schopnosti zvýší. V Industrie 4.0 se vyžaduje, aby zařízení komunikovala podle standardů Industrie 4.0. Nepřenášejí se jen aktuální parametry, ale také informace o výrobních schopnostech a funkcích a o stavu zařízení. Logické reprezentaci zařízení se říká digitální obálka AAS – Asset Administration Shell. AAS společně s fyzickým zařízením tvoří komponentu Industrie 4.0 (I4.0 Component; obr. 1). Standardizace digitální obálky omezuje složitost řešení a zvyšuje flexibilitu.

Obr. 1. Komponenta I4.0 (zdroj: ZVEI)

Obálka AAS vychází z konceptu submodelů, z nichž každý může charakterizovat zařízení popisem jeho aspektů v různých doménách, např. identifikace, komunikace, inženýrink, bezpečnost, zabezpečení, etapa životního cyklu, energetická účinnost, technický stav, procesní řízení, a popisem jeho funkcí, jako jsou vrtání, frézování, svařování, montáž, míchání, ohřev, průběh reakce atd. Každý submodel je popsán množstvím vlastností definovaných celosvětově unikátním identifikátorem a souborem jednoznačně stanovených charakteristik. Charakteristiky v digitální obálce jsou např. preferované jméno, symbol, fyzikální jednotka měření, definice atd. Při specifikaci vlastností a stanovení jejích hodnot jsou brány v úvahu platné normy IEC a ISO (obr. 2).

Referenční model architektury pro Industrie 4.0 (RAMI 4.0; [1]) používá etapy životního cyklu zařízení ve shodě s IEC 62890 (Life-cycle management for systems and products used in industrial-process measurement, control and automation). V praxi se rozlišují konstrukce zařízení a fyzická zařízení. Ve fázi, v níž je zařízení konstruováno, je vytvářen typ, reprezentující konstrukci zařízení. Jakmile je zařízení fyzicky vyrobeno, stává se instancí, tedy identifikovatelnou entitou určitého typu. Vztah mezi typeminstancí musí být udržován v průběhu celého života instance zařízení. Zvláště je třeba, aby se aktualizace typu přenesly i do příslušných instancí. Příkladem může být aktua­lizace firmwaru.

Obr. 2. Struktura metamodelu AAS

Druhým aspektem vztahu typuinstance může být zpětná vazba, která vzniká při použití produktu jako instance v reálném provozu a je zavedena do jeho typu pro zlepšování jeho konstrukce a výroby. Zatřetí, výměna dat mezi zařízeními různých tříd může být použita pro návrh nových typů produktů nebo výrobních zařízení. A nakonec vztahy mezi zařízeními na různých hierarchických úrovních určují systém složený ze subsystémů: např. řídicí systém je subsystémem celého stroje.

Struktura AAS musí být pro výměnu informací standardizovaná. Příklady a pokročilé definice standardu je možné najít v dokumentu německého sdružení Industrie 4.0 Platform Details of the Asset Administration Shell [2] (tento dokument, vydaný v listopadu 2018, je možné vřele doporučit nejen pro uvedené příklady, ale také pro obsáhlý seznam literatury).

AAS instancí mohou být pro výměnu informací namapovány do OPC UA, MQTT nebo jiných formátů. AAS typů je vhodné vyjádřit ve standardním jazyku AutomationML.

Scénáře využití v praxi

Existuje mnoho různých scénářů použití komponent I4.0 a jejich digitálních obálek. Jedním z nich je spolupráce mezi výrobci strojů a jejich integrátory (obr. 3). Digitální obálka AAS typu výrobce komponenty je použita k vytvoření AAS instance, která je dodána integrátorovi. Integrátor použije AAS instance komponent pro vytvoření AAS instance složeného stroje, která je založena na AAS typu složeného stroje.

Obr. 3. Výměna informací mezi dodavatelem a integrátorem


Jiným scénářem může být komunikace mezi vrstvou orchestrace procesů (POL – Process Orchestration Layer) nebo systémem MOM (Manufacturing Operations Management) a výrobními moduly vyhovujícími standardům I4.0, která umožňuje konfigurovat výrobní procesy a realizovat výrobu.

Ve sféře měřicí a automatizační techniky popisuje příklad implementace prototypu, jak je snímač teploty po fyzickém připojení k řídicí síti automaticky zjištěn serverem správy zařízení, konfigurován a integrován do distribuovaného řídicího systému (DCS; obr. 4). Server správy zařízení je komponenta I4.0 obsahující nód FDI. Snímač teploty, řídicí modul a DCS jsou prostřednictvím AAS implementovány jako další komponenty I4. 0. V systému jsou prostřednictvím LAN k dispozici protokol DHCP, validace certifikátů a autentizační služby.

Celkový proces integrace je realizován v několika krocích, jak bude ukázáno dále. Každý krok je podrobněji popsán v již uvedeném dokumentu ZVEI (obr. 4).

Obr. 4. Komponenty I4.0 ve scénáři integrace zařízení (zdroj: ZVEI)

V březnu 2019 publikovalo sdružení ZVEI první reálné aplikace AAS. AAS se používají jako elektronické etikety nebo elektronické štítky zařízení. Etikety mohou číst jen oprávněné osoby a jsou dostupné prostřednictvím internetu. Výhodou je, že digitální etiketa, na rozdíl od etikety umístěné fyzicky na zařízení v provozu, zůstává vždy čitelná. Nicméně k přečtení informací je třeba identifikátor nebo odkaz asociovaný s daným zařízením.

Obr. 5. Scénář dynamické integrace zařízení (zdroj: ZVEI)

Závěry

Definice a standardizace digitální obálky AAS pro Industrie 4.0 ještě není stoprocentně hotová, ale přesto jsou AAS již použitelné pro vývoj prototypů. Jejich koncept je velmi dobře promyšlen a lze je použít v mnoha různých scénářích. Tvůrci AAS sdružení v Industrie 4.0 Platform vyzývají dodavatele i uživatele, aby se podíleli na implementaci prototypů a pomohli tak objevit případné nedostatky definice.

Standardizační osoby, jako např. NAMUR, pracují na modulech MTP (Module Type Package), které umožňují realizovat koncepci plug-and-produce, a sdružení OpenGroup’s Open Process Automation Forum ujišťují, že jejich standardy zůstanou kompatibilní s definicí AAS, pokud to bude možné a výhodné. 

Valentijn de Leeuw, ARC Advisory Group. Překlad a úprava: Petr Bartošík

 Literatura:

[1] Referenční model struktury Industrie 4.0 RAMI 4. 0. Automa [online]. Děčín: Automa – ČAT, 2015, (11), 43–44 [cit. 2019-08-16]. ISSN 1210-9592. Dostupné z: http://www.automa.cz/Aton/FileRepository/pdf_articles/54254.pdf

[2]            Plattform Industrie 4.0. Specification: Details of the Asset Administration Shell. Berlin: BMWi, 2018 [cit. 2019-08-14]. Dostupné z: 
https://www.zvei.org/en/subjects/industrie-4-0/details-of-the-asset-administration-shell/