Nagy adatmennyiségek kezelése TwinCAT segítségével

A TwinCAT Analytics feladata folyamat- és gyártásadatok folyamatos gyűjtése, teljes körű elemzése

A PC-alapú vezérlés és a TwinCAT automatizálási szoftver együttese nyújtja a rendkívül intelligens gépek létrehozását lehetővé tevő műszaki hátteret a korszerű, Ipar 4.0 és IoT-architektúrákhoz. Az átfogó elemzési funkciók alapjául szolgáló TwinCAT Analytics az ilyen jellegű architektúrák fontos eleme. Támogatja például a gépoptimalizálás lehetőségeinek vizsgálatát, az előrejelző karbantartás ütemezését és az ahhoz kapcso-lódó viselkedéselemzéseket, valamint az adatok hosszútávú archiválásának kezelését. A TwinCAT Analytics segítségével az innovatív géptervezők teljesen új üzleti modelleket is alkothatnak.

Néha még egy intelligens gép is meghibásodhat. Ilyenkor a valódi intelligencia abban mutatkozik meg, hogy a berendezésnek milyen módszerei vannak a probléma elemzésére. A meghibásodás természetesen mindig pénz- és időigényes dolog, és különösen bosszantó, ha elvesznek a gép fontos adatai és üzemi paraméterei, amelyek alapján elemezni lehetne, a jövőben pedig el lehetne kerülni az ilyen eseteket. Sok esetben nincs mód a problémás viselkedés elemzésére, ezért további adatrögzítő mechanizmusokra van szükség, de még ilyenkor is csak akkor lehet elemezni a problémát, ha az újra fellép. A TwinCAT Analytics éppen ezt az információhiányt szünteti meg: begyűjti minden egyes gépciklus összes folyamatadatát, azaz teljeskörűen naplózza a gép minden eljárását. Az adatok gyűjtése és elemzése történhet akár helyben, az adott gép saját számítógépén, akár felhőalapú megoldással, a vállalat belső hálózatán vagy az interneten keresztül. A felhőalapú megoldások különösen alkalmasak új üzleti modellek kifejlesztésére, mivel a gépek esemény utáni viselkedésének elemzésén túl vizsgálhatóvá teszik magukat az adatokat is, ennek alapján pedig megelőző beavatkozás végezhető a megfelelő gépen. Itt az alapötlet az „előrejelző karbantartás”, amit a gépgyártók új, bevételt generáló szolgáltatásként kínálhatnak végfelhasználóiknak.

Ha nincs adat, nincs elemzés

A hatékony elemzés előfeltétele a fennakadásmentes adatgyűjtés, amit a vezérlő számítógépen futtatott TwinCAT Analytics Logger szoftver hajt végre. A program a TwinCAT 3 fejlesztői környezetben könnyen konfigurálható: a konfigurációs felületen egyszerűen, mezők bejelölésével lehet aktiválni a folyamatkép vagy alkalmazás adatainak ciklikus gyűjtését. Eldönthető, hogy a begyűjtött adatok tárolása helyben vagy adatátviteli protokollal elérhető távoli helyen történjék. Mindkét esetben létre lehet hozni egy gyűrűs puffert, amely garantálja, hogy a tárterület igénybevétele soha ne lépjen túl egy megengedett maximális mértéket. Távoli tárolásnál a gyűrűs puffer a kapcsolat átmeneti megszakadása esetén véd az adatvesztéstől is.

Az IoT-adatátvitel és a felhőtechnológia rendkívül rugalmas elemzési architektúrákat tesz lehetővé

Az adatok TwinCAT Analytics Logger segítségével történő kezelésével új üzleti modellek dolgozhatók ki. Ennek alapját az úgynevezett „IoT-adatátviteli protokollok” jelentik, amelyek kiváló lehetőségeket kínálnak a felhőszolgáltatások használatához. Az IoT-protokollok mindig felépítenek egy kimenő kapcsolatot egy üzenetközvetítő (message broker) felé, amely leválasztja az adatátvitelt, ezért – a hagyományos kliens-szerver alapú mechanizmusokkal ellentétben – az egyes hálózati csomópontoknak nem kell tudniuk egymásról, minden résztvevő ügyfélként működik. Ilyenkor a vezérlő számítógépen futó és IoT-ügyfélként működő TwinCAT Analytics Logger közzétesz adatokat az üzenetközvetítő számára, és az adatokat „témakörökben” tárolja. Fontos, hogy a témakörök hierarchikusak is lehetnek.
Példa: myCloud/CustomerA/WoodWorkingMachine9/PackagingModulB/Data
Az üzenetközvetítő listát vezet az egyes témákban érintett felekről, más IoT-kliensek pedig feliratkozhatnak ezekre a témakörökre, illetve azok adataira. Például, egy elemzést végző szervert vagy akár egy okostelefonon futó mobil alkalmazást is érdekelhetik a Logger adatai. Mindkettő IoT-kliens, mindkettő feliratkozik egy megfelelő témakörre, és mindkettő megkapja az adatok egy példányát. Az IoT-protokollok különös értékét kifelé irányuló átvitelük jelenti, mivel a tűzfalak általában csak a bejövő forgalmat szűrik. Nem kell tehát többé portokat megnyitni a tűzfalon.
Az IoT-technológia további előnye a vele elérhető teljes körű rugalmasság: a felhasználók kihasználhatják a helyi hálózati architektúra azonos mechanizmusait, és kommunikálhatnak internetes szolgáltatásokkal. A felhőszolgáltatók – például az Amazon Web Services és a Microsoft Azure – saját IoT-üzenetközvetítőket üzemeltetnek, amelyek felhasználhatók az adatátvitelhez. Az itt használt legismertebb protokollok jelenleg az MQTT (MQ Telemetry Transport) és az AMQP (Advanced Message Queuing Protocol), a TwinCAT pedig mindkettőt támogatja.

A TwinCAT Analytics számos területen használható, például közvetlenül a helyi vezérlőn, magánhálózatokban vagy nyilvános felhőkben megvalósított adattárolásra és elemzésre. Az Analytics Server segítségével a gyár számos gépe elemezhető. A gépépítő vagy a külső elemző számos fájlformátumban érheti el és dolgozhatja fel az adatokat, illetve a TwinCAT Analytics Cloud Storage tárolóból töltheti be őket

A TwinCAT Analytics infrastruktúrája

Mint korábban említettük, az IoT-felület nagy szabadságot kínál a gépgyártóknak és a felhasználóknak a TwinCAT Analytics használatához. Természetesen a TwinCAT Analytics PLC-könyvtára segítségével bármely gépen helyben is elemezhetők a rögzített adatok. Ha egy gépvezérlő teljesítménye nem elegendő az analízis helyi elvégzéséhez, az elemzés IoT-kapcsolaton keresztül helyi felhőben is elvégezhető. Ilyenkor a gépkezelők saját hálózati környezetükben elemezhetik gépeiket: a TwinCAT Analytics egy szerveren futtatható, az adott gyártóüzem számos gépét analizálva.
Másik lehetőségként a TwinCAT Analytics virtuális gépre is telepíthető. Ennek nyilvánvaló módja egy nyilvános felhő alkalmazása. Ilyenkor a Microsoft Azure vállalattól vagy más felhőszolgáltatótól rugalmasan lehet igénybe venni processzorteljesítményt, tárterületet és informatikai infrastruktúrát. Ez nagymértékben megkönnyíti a gépek csatlakoztatását az analitikai rendszerhez a világ bármely pontjáról. További lehetőség, hogy a gépgyártók saját berendezéseikhez csatolt szolgáltatást nyújtva vagy a felhőben elemzik az előállt adatokat, vagy a felhőt csak átviteli közegként használják, és az elemzést saját infrastruktúrájuk szerverén végzik el. Ha a végfelhasználók – akiknek nyilván érdekük a nagy rendelkezésre állás és termelékenység, továbbá a termékek kiváló minőségének biztosítása – inkább külső elemzőket vesznek igénybe, akkor elegendő, ha megadják nekik az üzenetközvetítőbe való belépéshez szükséges adatokat, a témakör-architektúrát és az adatleírást. Így a külső elemző hozzáfér a szükséges adatokhoz, és biztosíthatja ügyfelének a megfelelő szolgáltatást.

Nagy adatmennyiségek – nagy előnyök

A TwinCAT Analytics nemcsak adatokat visz át az IoT-protokollon keresztül, hanem arra is választ ad, hogy azokat hogyan célszerű használni. A nagy adatmennyiségek előállítása önmagában nem elég; az adattömeget kezelni is kell. Pontosan ezt teszi lehetővé a megoldás kulcseleme, a TwinCAT Analytics Workbench, amellyel az információk futási időben (online) vagy utólagosan (offline) egyaránt közvetlenül elemezhetők. Az előbbi esetben az Analytics Workbench az IoT-átviteli protokollon keresztül feliratkozik az üzenetközvetítőnél az analizálandó géphez rendelt témakörre, míg utólagos feldolgozás akkor lehetséges, ha a gép adatait korábban a Beckhoff Cloud Storage tárolta. A Cloud Storage zökkenőmentesen beépül a fentiekben leírt Analytics infrastruktúra bármely változatába, akár a felhőbe, akár a helyi informatikai hálózati környezetbe. Ezután a Workbench el tudja érni és elemezni tudja az előzőleg rögzített adatokat.

A jellegzetes pontok a könnyebb megtalálás érdekében kiemelhetők a diagramrajzoló eszközkészlettel

A TwinCAT Analytics Workbench

A TwinCAT Analytics Workbench alapja a TwinCAT Engineering Environment környezetben konfigurálható és programozható TwinCAT-futtatórendszer. E megközelítés nagy előnye, hogy a gépgyártóknak semmin nem kell változtatniuk, amikor átváltanak a vezérlő programozási és elemző szoftverkörnyezete között: a Workbench használatakor közvetlenül alkalmazhatják a több év alatt felhalmozott programozási háttérbázisukat. Ezáltal könnyen létrehozhatják saját, egyedi elemzési algoritmusaikat, ismételten felhasználhatják más gépekhez használt algoritmusaikat, vagy a TwinCAT Analytics PLC-könyvtár kész algoritmusait. Utóbbi moduljai lehetővé teszik az élszámlálást, a maximum- és minimumértékek elemzését, a gépciklusok időzítésének értékelését, valamint egy kiválasztott egység fajlagos energiafogyasztásának kiszámítását is.
Különösen a gépciklusok időzítésének kiértékelésénél fontos meghatározni a legrövidebb, a leggyorsabb és az átlagos futási időt, mert ezek alapján lehet felismerni az optimalizálási lehetőségeket, és mérőszámokat nyerni az előrejelző karbantartáshoz. Például állapotelemzéssel könnyen meghatározható, hogy egy forgó marófej gyakran áll-e, hogy milyen sebességgel működik, és hibaállapotban van-e. Az ilyen eredmények áttekinthetően ábrázolhatók hisztogramon, ezért az Analytics Workbench fontos összetevője a jól ismert TwinCAT Charting Tool (grafikonrajzoló eszköz). Ez hangsúlyozottan vonatkozik az Analytics Configurator nevű konfiguráló eszközzel való munkavégzésre, amely szintén be van ágyazva a TwinCAT tervezőkörnyezetébe. A korábban rögzített adatokból utólagos megjelenítés állítható össze, amivel az adatgörbék új grafikonon ábrázolhatók.

Az Analytics Configurator

Az adatok ábrázolásához az Analytics Configurator ugyanazokat az algoritmusokat használja, mint az Analytics könyvtár. A Configurator elemzi és közvetlenül megjeleníti a kiválasztott időintervallumok adatfolyamait. Az így nyert fontos értékek egérműveletekkel könnyen rávihetők a TwinCAT Scope grafikonrajzoló felületére. A Scope ezután automatikusan a megfelelő helyekre navigál, és grafikusan ábrázolja más jelekkel való viszonyukat. Ez nagyon megkönnyíti a „tű megkeresését a nagy adatkazalban”, és az Analytics Configurator jelentősen megkönnyíti a műszaki munkát. Mivel minden algoritmus egyazon forrásból származik, a Configurator eszközzel létrehozott beállítások, valamint az összes kiválasztott változó és azok határértékei egyszerűen betölthetők a PLC-be. Utólagos (offline) elemzésről tehát futási idejű (online) elemzésre lehet váltani a felhőből érkező adatfolyam felhasználásával.

A TwinCAT Analytics Workbench Base

A fent leírt funkcionalitás az alapfelépítésű TwinCAT Analytics Workbench Base rendszerre vonatkozik, amelyet egy TwinCAT PLC-futtatórendszer, az Analytics PLC-könyvtár, egy adatára-moltatásra szolgáló IoT adatkapcsolati-modul, az Analytics Configurator és a ScopeView Professional alkot. A Workbench kibővíthető a Condition Monitoring, a C++ és a MATLAB®/Simulink® szoftvercsomag telepítésével. Különösen a MATLAB®/Simulink®-et a TwinCAT futtató rendszerbe integrálva válnak elérhetővé hasznos eszközkészletek, amelyekkel számos nehéz analitikai kérdés kezelhető – például az egyik ilyen eszközkészlet a gépi tanuláshoz és a gépoptimalizáláshoz tartalmaz funkciókat.
A TwinCAT Analytics célorientált szoftvercsomagjain kívül használhatók más, általános TwinCAT-modulok is. A TwinCAT Database Server a futási idejű és az utólagos adatokat különböző adatbázisokban tudja tárolni. Az Analytics-rendszer az elterjedten használt OPC UA automatizálási protokollon keresztül is képes adatokat fogadni. Ezenkívül a Beckhoff nyújtotta konverterekkel az OPC UA-protokoll IoT-protokollokra konvertálható, amelyet felhasználva más gyártók vezérlői is hozzáférhetnek az analitikai funkciókhoz. További fontos elem még a TwinCAT 3 kezelőfelület, amellyel HTML5-alapú intuitív műszerfalak tervezhetők az Analytics Workbench eszközhöz. Ezzel egy olyan elemzőközpont (Analysis Cockpit) hozható létre, ahol megjeleníthető egy vagy több gép összes eredménye. A hierarchikus struktúra sokkal mélyebben részletezett megjelenítést tesz lehetővé.

A felhő feloldja a kommunikációs alrendszerek hagyományos hierarchiáját

TwinCAT Analytics: a jövőorientált automatizálás

Az Ipar 4.0 és az IoT-technológia következtében egyre inkább megszűnik a hagyományos adatátviteli architektúrák hierarchikus jellege, és ezt a tendenciát tovább erősíti a felhők használata. Most már minden hálózati csomópont képes kommunikálni egymással, a valósidejű terepi eszközöktől a vállalatirányítási rendszerekig. A nem csupán egyetlen terméket, hanem teljes körű megoldást kínáló TwinCAT Analytics rendkívül jól illeszkedik ebbe a tendenciába. Az alkalmazott IoT-protokollok kezelik az adatátvitelt és garantálják az infrastruktúra maximális rugalmasságát. Maga az Analytics Workbench átveszi a gépekkel kapcsolatos kiértékeléseket, a megjelenítést, az adatok előfeldolgozását, valamint az adatbázisok hosszú idejű tárolását. A gépoptimalizálást szolgáló kibővített adatelemzés és gépi tanulás a TwinCAT-rendszerben a MATLAB®/Simulink® vagy más, IoT-protokollokon keresztül elérhető felhőszolgáltatások tökéletes integrálásával valósítható meg. Az Analytics Workbench biztosítja mindezeket a funkciókat, és maga is közvetlenül beintegrálódik a jól ismert TwinCAT környezetbe, a Microsoft Visual Studio® alá. A gépadatok itt ismertetett, igen hatékony elemzése számos új üzleti modell, valamint jövőbiztos és hatékonyságra optimalizált automatizálás kulcstényezője lehet.

BECKHOFF Automation Kft.
1097 Budapest, Gubacsi út 6., Tel.: + 36 1 501 9940
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát., www.beckhoff.hu

Még több Beckhoff

Címkék: automatizálás | TwinCAT