Automation (PDF)

Making Future AFRY GROUP PRESENTATION 1  Digital Management Automation ”Teknik och Ekonomi” Fältbuss PM SJÖSTRÖM [email protected] 2 ...

Making Future AFRY GROUP PRESENTATION 1  Digital Management Automation ”Teknik och Ekonomi” Fältbuss PM SJÖSTRÖM [email protected] 2  Automation Instruktioner och förklaring för utbildningen Instruktion och förklaringar! Kursen bestyr av fyra huvudavsnitt som alla hänger samman och en del repeteras för att ni ska förstå helheten. Läxläsning ligger på er själv och finns inte specificerat mer än den gröna markeringen i varje avsnitt som markerar vad som är viktigt att förstå och kunna. Definitionen ”Automation” är otydlig och under utveckling och hänger samman med Globala klimatmål, digitalisering, Samhälle 5.0 och generell förbättring av samhället. Kursen ska försöka klargöra mycket av detta men en del är visionär och ger möjlighet till fri kreativitet! I slutet på varje område/Avsnitt finns en grönmarkerad sammanfattning med en summering på det viktigaste!!! 1. Historia och Beskrivning 2. Teknik och Ekonomi 3. Människor 4. Vision Alt material finns tillgängligt och även tentakraven. Vitsen med det är att ni kan redan från början lära er vad som krävs för att klara tentan! Tentan kommer att bestå av : På slutet finns en ordlista i varje utbildningsdel finns ordförklaringar. Bokstäverna i det röda hörnet markerar vilken aktivitet som är knuten till det specifika avsnittet i utbildningen. Markeringen i övre högra hörnet betyder: F= Frågor G= Grupparbete/diskussion D=Diskussion allmän 3 3 Automation Fältbuss – Delkursmål Veta fördelarna med att använda en fältbus över analog kommunikation, t ex 4-20mA. Förstå vikten av standarder. Reflektera över utvecklingsarbete då och nu. Känna till några vanliga bussar och egenskaper. 4 4 Automation Fältbuss - Informationslager 5 5  Automation Fältbuss – Vad är Lan? Ett industriellt lokalt nätverk (LAN) hänvisar till en specialiserad nätverksinfrastruktur utformad för att möta de krävande kraven i industriella miljöer. Till skillnad från traditionella kontors-LAN, som i första hand tillgodoser dataöverförings- och kommunikationsbehov, fungerar ett industriellt LAN som ryggraden i industriella automations- och kontrollsystem. Dess primära syfte är att ansluta och samverka olika enheter, maskiner och instrument inom en industriell miljö. De definierande egenskaperna hos ett industriellt LAN inkluderar robusthet, säkerhet, cybersäkerhetspålitlighet och motståndskraft. Industriella miljöer innebär ofta tuffa förhållanden, såsom extrema temperaturer, luftfuktighet, vibrationer och elektromagnetiska störningar, som allvarligt kan påverka standardnätverksutrustning. Därför är industriella LAN byggda med robusta komponenter som klarar dessa utmaningar och upprätthåller oavbruten drift. Det industriella LAN-nätverket måste stödja olika industriella protokoll, såsom Modbus, Profibus, Profinet, Ethernet/IP och andra, för att underlätta sömlös kommunikation mellan programmerbara logiska styrenheter (PLC), distribuerade styrsystem (DCS), sensorer, ställdon och andra enheter som är nödvändiga för processautomation och datainsamling. Säkerhet är också av största vikt i industriella LAN, eftersom all obehörig åtkomst eller störning kan leda till katastrofala konsekvenser. Att implementera robusta säkerhetsåtgärder, inklusive brandväggar, åtkomstkontroller och kryptering, är avgörande för att skydda kritisk infrastruktur och känslig data. Ett industriellt LAN utgör ryggraden i modern industriell automation, vilket möjliggör effektiv och pålitlig kontroll, övervakning och optimering av industriella processer, vilket bidrar till ökad produktivitet och säkerhet inom tillverknings- och processindustrin. 6 6 Automation D Fältbuss – Vad är Lan? 7 7  Automation Fältbuss Industriellt LAN med fördelar Industriellt LAN med fördelar Ersätta 4-20, för vissa används samma kabel Ersätta 4-20, för vissa används samma kabel Digital kommunikation Digital kommunikation Större informationsutbyte, diagnostik Större informationsutbyte, diagnostik Besparing kabel Besparing kabel Erbjuder deterministisk kommunikation Erbjuder deterministisk kommunikation för Ethernetbussar Många varianter och standarder Vanligt 4-20 kvar och distribuerat IO Många varianter och standarder Vanligt 4-20 kvar och distribuerat IO 8 8 Automation Fältbuss Exempel kabelbesparing 9 9  Automation Fältbuss However, on September 23, 1999, communication with the spacecraft was permanently lost as it went into orbital insertion. The spacecraft encountered Mars on a trajectory that brought it too close to the planet, and it was either destroyed in the atmosphere or escaped the planet's vicinity and entered an orbit around the Sun. An investigation attributed the failure to a measurement mismatch between two software systems: metric units by NASA and US customary units by spacecraft 1 builder Lockheed Martin. 0 10 Automation Fältbuss 1 1 11  Automation OSI OSI-modellen (Open Systems Interconnection) är ett konceptuellt ramverk som standardiserar funktionerna hos ett telekommunikations- eller datorsystem i sju distinkta lager. OSI-modellen, som utvecklades av International Organization for Standardization (ISO) 1984, fungerar som en referensmodell för att underlätta sömlös kommunikation och interoperabilitet mellan olika nätverksenheter och protokoll. Varje lager i OSI-modellen ansvarar för specifika uppgifter, och tillsammans bildar de ett heltäckande tillvägagångssätt för dataöverföring och nätverk. Det första lagret, känt som det fysiska lagret (Layer 1), handlar om fysisk överföring av råbitar över nätverksmediet, vare sig det är kopparkablar, optiska fibrer eller trådlösa frekvenser. Den definierar specifikationer för hårdvarukomponenter som kablar, kontakter och nätverkskort. Lager 2 är datalänkskiktet, ansvarigt för feldetektering och korrigering inom dataramarna som sänds över nätverket. Det säkerställer tillförlitlig punkt-till-punkt- eller punkt-till-multipunkt- dataöverföring genom att implementera tekniker som MAC-adressering (Media Access Control) och flödeskontroll. När du flyttar uppåt hanterar nätverkslagret (lager 3) routing av datapaket över sammankopplade nätverk. Den använder logisk adressering, som IP (Internet Protocol), för att bestämma den bästa vägen för datapaket att nå sin destination. Lager 4 är transportlagret, som hanterar end-to-end-kommunikation mellan värdenheter. Den övervakar datasegmentering, flödeskontroll och felåterställning för att säkerställa dataintegritet och tillförlitlig leverans. Sessionslagret (lager 5) underlättar att etablera, underhålla och avsluta sessioner mellan applikationer på olika enheter. Det möjliggör synkronisering och kontrollpunkter, vilket möjliggör datautbyte på ett ordnat sätt. Lager 6, presentationslagret, ansvarar för dataöversättning och kryptering. Den säkerställer att data från applikationslagret är i ett läsbart format för mottagaren och hanterar datakomprimering och kryptering efter behov. 1 Slutligen är applikationslagret (lager 7) det översta lagret som interagerar direkt med slutanvändarapplikationer. Det tillhandahåller ett sätt för mjukvaruapplikationer att få tillgång till nätverkstjänster och kommunicerar med de underliggande lagren för att överföra och ta emot data. vanligare, förblir OSI-modellen en viktig referens i nätverksvärlden, som ger en grund för nätverksdesign, implementering och underhåll. 2 OSI-modellens lager-för-lager-strategi hjälper till att förstå nätverksprotokoll, felsöka kommunikationsproblem och utveckla nya protokoll eller teknologier. Även om verkliga protokoll som TCP/IP är 12 Automation OSI 1 3 13  Automation OPC OPC (OLE for Process Control) är ett allmänt antaget kommunikationsprotokoll inom domänen för industriell automation och kontrollsystem (IACS). OPC, som utvecklades av OPC Foundation i mitten av 1990-talet, har utvecklats under åren till att bli en av de vanligaste standarderna för att underlätta datautbyte mellan olika enheter och applikationer inom industriella miljöer. OPC-protokollet är baserat på principerna OLE (Object Linking and Embedding) och COM (Component Object Model), som ursprungligen utvecklades av Microsoft för kommunikation mellan processer i Windows-operativsystemet. OPC utnyttjar dessa teknologier för att möjliggöra sömlös interoperabilitet mellan olika hårdvaru- och mjukvarukomponenter, oavsett leverantör eller plattform. Denna kompatibilitet mellan leverantörer är en av nyckelfaktorerna som bidrog till det breda antagandet av OPC. OPC-protokollet är klassificerat i två huvudspecifikationer: OPC Data Access (OPC DA) och OPC Unified Architecture (OPC UA). OPC DA är den tidigare versionen och fokuserar på datautbyte i realtid, vilket ger ett standardiserat sätt att komma åt processdata från fältenheter och sensorer. Å andra sidan är OPC UA en mer modern och robust version, designad med en serviceinriktad arkitektur. Den erbjuder inte bara dataåtkomst i realtid utan också bredare funktioner som historisk dataåtkomst, alarmering och händelser, och integrerade säkerhetsfunktioner, vilket gör den lämplig för industri 4.0 och Industrial Internet of Things (IIoT) applikationer. Device Onboarding: Nya tjänster har utvecklats för att hantera säkerhetskonfigurationen av enheter under hela deras livscykel, från tillverkning till avveckling. OPC UA över MQTT: Demonstratorer visar hur OPC UA kan användas över MQTT för att skapa interoperabla IoT/IIoT-scenarier. OPC UA över 5G: UAFX-specifikationer för Controller-to-Controller (C2C) inkluderar nu även OPC UA över 5G, vilket möjliggör snabb och pålitlig kommunikation. OPC UA Field eXchange (UAFX) är en utvidgning av OPC UA-standarden som fokuserar på att förbättra kommunikationen mellan olika styrsystem och fältenheter i industriella miljöer. OPC har spelat en viktig roll för att förbättra automations- och kontrollsystem genom att möjliggöra sömlös integration mellan hårdvaru- och mjukvarukomponenter från olika tillverkare. Det har avsevärt minskat integrationsarbetet, vilket gör att ingenjörer kan fokusera mer på systemdesign och funktionalitet. Dessutom har OPC:s förmåga att tillhandahålla säker och tillförlitlig datakommunikation gjort det till ett föredraget val för verksamhetskritiska industriella applikationer där dataintegritet och tillgänglighet är av största vikt. OPC (OLE for Process Control) är ett kraftfullt och allmänt antaget kommunikationsprotokoll som har revolutionerat den industriella automations- och styrindustrin. Dess leverantörskompatibilitet, datautbyte i realtid och starka säkerhetsfunktioner har gjort det till en integrerad del av moderna industrisystem, vilket banar väg för mer avancerade och uppkopplade industriella applikationer i framtiden. 14  Automation MQTT –MQTT Sparkplug (Message Queuing Telemetry Transport) MQTT MQTT är ett lätt, öppet och effektivt meddelandeprotokoll designat för maskin-till-maskin-kommunikation (M2M) och Internet of Things (IoT)-applikationer. Det uppfanns 1999 av Andy Stanford-Clark från IBM och Arlen Nipper från Arcom (nu Cirrus Link Solutions). Protokollet fungerar ovanpå TCP/IP-protokollet, vilket gör det tillförlitligt och allmänt kompatibelt med olika nätverksteknologier. En av nyckelfunktionerna i MQTT är dess publicerings-/prenumerationsmeddelandemodell. I den här modellen kan enheter eller klienter publicera meddelanden till en mäklare (server) om specifika ämnen, och andra klienter kan prenumerera på dessa ämnen för att få relevanta meddelanden. Denna frikopplade arkitektur möjliggör skalbar och effektiv kommunikation, eftersom klienter bara får data de är intresserade av, vilket minskar nätverkskostnader. MQTT innehåller också QoS-nivåer (Quality of Service), vilket säkerställer leverans av meddelanden enligt applikationens tillförlitlighetskrav. Det finns tre QoS-nivåer: 1. QoS 0 (högst en gång): Meddelandet levereras en gång men garanteras inte att det kommer fram. 2. QoS 1 (minst en gång): Meddelandet kommer garanterat fram minst en gång men kan dupliceras. 3. QoS 2 (Exakt en gång): Meddelandet levereras garanterat exakt en gång. MQTT Sparkplug-protokollet är en förlängning av standard MQTT-protokollet, speciellt anpassat för industriella IoT-applikationer. Det utvecklades av Cirrus Link Solutions för att möta de unika utmaningarna inom industriell automation, kontrollsystem och SCADA-miljöer (Supervisory Control and Data Acquisition). Sparkplug-protokollet förbättrar MQTT genom att definiera ett standardmeddelandeformat och ämnesnamnområde för industriella enheter och data. Denna standardisering förenklar enhetsintegration, interoperabilitet och datatolkning i komplexa industriella miljöer. Nyckelfunktioner i MQTT Sparkplug-protokollet inkluderar: 1. Enhetens födelse och död: Sparkplug definierar specifika MQTT-ämnen för enhetens födelse (anslutning) och död (frånkoppling), vilket möjliggör snabb upptäckt av enhetsstatusändringar. 2. Tillståndshantering: Protokollet inkluderar mekanismer för att rapportera enhetstillstånd, hälsa och larm. Det möjliggör effektiv övervakning och kontroll av industriella processer. 3. Effektiv datainkapsling: Sparkplug optimerar data serialisering och nyttolaststorlek, minskar bandbreddsförbrukningen och förbättrar den totala nätverkseffektiviteten. 4. Skalbarhet: MQTT Sparkplug är designad med skalbarhet i åtanke, vilket gör den lämplig för storskaliga industriella installationer med tusentals enheter och sensorer. 1 utökar MQTT Sparkplug sina möjligheter med fokus på de specifika kraven för industriella applikationer, vilket främjar ett mer uppkopplat och intelligent industriellt ekosystem. 5 MQTT och MQTT Sparkplug är kraftfulla protokoll för att möjliggöra effektiv och pålitlig kommunikation i IoT och industriella automationsscenarier. Medan MQTT utgör grunden för lättviktsmeddelanden över branscher, 15  Automation D OPC UA MQTT MQTT Sparkplug OPC UA, MQTT, MQTT Sparkplug och MQTT Sparkplug B är protokoll som används inom industriell automation och IoT, vart och ett med distinkta funktioner och syften: OPC UA MQTT Sparkplug - Plattformsoberoende, tjänsteorienterad arkitektur för industriell automation - Byggd på MQTT 3.1.1, vilket ger en standardiserad metod för MQTT för industriell IoT - Stöder omfattande informationsmodellering och komplexa datastrukturer - Säkerställer flexibel och effektiv basdatamodellering - Ger integrerade säkerhetsmekanismer (autentisering, auktorisering, kryptering) - Uppnår stark interoperabilitet och nätverksstatsmedvetenhet - Möjliggör kommunikationsmodeller för både klient-server och publicera- prenumerera MQTT Sparkplug B - Lämplig för realtidskontroll och höghastighetsrörelseapplikationer - En förbättring jämfört med MQTT Sparkplug, speciellt designad för industriella MQTT applikationer - Ger en definierad nyttolaststruktur och tillståndshantering - Lätt, publicera-prenumerera nätverksprotokoll för IoT-enheter - Förbättrar MQTT med funktioner som är skräddarsydda för industriella - Effektiv för miljöer med begränsade resurser och scenarier med låg bandbredd användningsfall - Skalbar för att stödja miljontals enheter och abonnenter - Överlåter datakodning och objektmodellering till användaren De huvudsakliga skillnaderna ligger i deras designmål och tillämpningsområden. OPC UA 1 - Väl lämpad för IIoT-applikationer och fjärrdatainsamling fokuserar på standardiserad industriell kommunikation med komplexa informationsmodeller, medan MQTT prioriterar lätta, effektiva meddelanden för IoT. 6 Sparkplug och Sparkplug B bygger på MQTT för att bättre passa industriella IoT-behov genom att lägga till struktur och statlig förvaltning. 16 Automation MQTT –MQTT Sparkplug (Message Queuing Telemetry Transport) 1 7 17 Automation D OPC middleware exempel Middleware har drivrutiner för PLC och andra system som saknar OPC server Bilden är från Aveva kan ansluta till PLC från Siemens, Rockwell, ABB m fl Middleware är i sin tur en server 1 8 18 Automation D Middelware 1 9 19 Automation D Middelware 2 0 20 Automation D AI och OPC UA o MQTTe AI har stor påverkan av utvecklingen av OPC UA- och MQTT-protokoll.Genom att utnyttja AI med OPC UA och MQTT kan industrier uppnå mer effektiva, intelligenta och användarvänliga automationssystem: OPC UA och AI-integration OPC Foundation bildar en "OPC UA for AI"-grupp för att överbrygga klyftan mellan automationssystem och artificiell intelligens. Initiativet syftar till att: - Presentera OPC UA-information i AI-kompatibla format - Förbättra effektiviteten i mjukvaruutvecklingen med hjälp av AI - Aktivera AI att lära av standardiserade OPC UA Companion Specifications - Förbättra dataanalys och hämtning utan omfattande inblandning av domänexperter - Bemyndiga slutanvändare med naturliga språkgränssnitt för maskininteraktion AI-drivna framsteg - Engineering Efficiency: AI kan göra utvecklare mer effektiva genom att snabbt förstå tillhandahållna informationsgränssnitt. - Domain Knowledge Integration: AI kan lära sig av OPC UA Companion Specifications, vilket automatiserar tråkiga uppgifter för ingenjörer. - Förbättrad dataanalys: Standardiserade OPC UA-dataformat tillåter AI att utföra dataanalys utan konstant inblandning av domänexperter. - Naturligt språkinteraktion: AI gör det möjligt för operatörer att interagera med maskiner med naturligt språk, vilket påskyndar interaktion mellan människa och maskin. MQTT och AI Synergy Även om det inte nämns direkt i samband med AI-utveckling, kan MQTT:s roll inom IoT förbättras av AI: 2 – – MQTT:s effektiva dataöverföringsmöjligheter kompletterar AI:s behov av realtidsdata i IoT-scenarier. Kombinationen av OPC UA för dataabstraktion och MQTT för distribuerat datautbyte skapar kraftfulla AI-drivna IoT-system. 1 21 BEGREPPSFÖRKLARINGAR Se bilaga: Begreppsförklaringar230113 22 Länkar Läsa mer för vetgiriga https://www.clarify.io/learn/industrial-automation https://research-and-innovation.ec.europa.eu/research-area/industrial-research-and-innovation/industry-50_en https://www.youtube.com/watch?v=ndc6at_d7uQ&t=7s https://en.developmentscout.com/industry/automation/effective-communication/11030-fieldbus-system-technology https://www.cisco.com/site/us/en/products/networking/switches/index.html https://www.googleadservices.com/pagead/aclk?sa=L&ai=DChcSEwij4Zv8_- qJAxWKR5EFHRQACtAYABAAGgJscg&co=1&ase=2&gclid=CjwKCAiArva5BhBiEiwA- oTnXY1uvE1V3h3Qz5EQc5khyUxYHLJFZhbq2e13GYlFflJ2tn_Zm-IYFhoCIrcQAvD_BwE&ohost=www.google.se&cid=CAESVuD2bf- Sdmm37S2owGOHP24w52g9uwY3WycWgV8Cl6lZ6-rtXvSG62gPgkspz9xbwo- Ok539W4lIKr9377c5w8x1SSJ_nXfkB_ioyVKyOMf3rNM06S7p&sig=AOD64_1chs9H4rMzBNHmBFeyUBle7Bm1Xw&q&nis=4&adurl&ved=2ah UKEwjowpT8_-qJAxWQHXcKHfrLBPkQ0Qx6BAgVEAE https://corsosystems.com/posts/mqtt-and-sparkplug-b-simplified 23