Jak przetwarzanie brzegowe (edge computing) rewolucjonizuje sterowanie PLC i PAC w przemyśle?

Edge computing, nowe metody komunikacji oraz zaawansowana analityka należą dziś do najgorętszych tematów w obszarze automatyki przemysłowej — dziedziny tradycyjnie kojarzonej raczej z niezawodnością i stabilnością niż z najnowszymi trendami IT.

Mimo dynamicznego rozwoju technologii nadal istnieje fundamentalna potrzeba projektowania deterministycznych systemów sterowania, odpowiednich zarówno dla nowych instalacji, jak i modernizowanych obiektów przemysłowych. Projektanci systemów automatyki często obawiają się rosnącej złożoności interakcji z urządzeniami przemysłowymi, zwłaszcza że sprzęt oraz możliwości komunikacyjne rozwijają się w bardzo szybkim tempie.

Na szczęście gdy zastosujemy odpowiednie narzędzia i strategie abstrakcji danych, praca z nowoczesnymi sterownikami brzegowymi może być niemal tak samo intuicyjna, jak z klasycznymi programowalnymi sterownikami logicznymi (PLC). W przeszłości przekaźniki elektromechaniczne ustępowały miejsca PLC, a te z kolei ewoluowały w kierunku programowalnych sterowników automatyki (PAC). Każdy z tych etapów zmieniał sposób projektowania i programowania systemów sterowania. Podobna ewolucja zachodzi dziś wraz z pojawieniem się sterowników Edge i innych urządzeń brzegowych. Programowanie w erze Edge nie musi oznaczać rewolucji — raczej otwiera drogę do większej elastyczności i nowych scenariuszy zastosowań.

Edge jest już rzeczywistością

Większość użytkowników słyszała już pojęcia takie jak edge computing czy transformacja cyfrowa, jednak nie zawsze jest jasne, w jaki sposób technologie te mogą realnie rozwiązywać problemy w konkretnych aplikacjach przemysłowych. Najbardziej oczywistą korzyścią jest zwiększona widoczność procesów i urządzeń — również z poziomu urządzeń mobilnych. Uproszczone i ustandaryzowane zbieranie danych umożliwia prowadzenie analityki zarówno na brzegu sieci, jak i w chmurze, co otwiera nowe możliwości w zakresie poprawy dostępności, efektywności oraz wykorzystania dostępnych zasobów. W najbardziej zaawansowanych scenariuszach sterowniki brzegowe są w stanie autonomicznie wykorzystywać wyniki analityki do wspierania deterministycznych aplikacji sterujących, zapewniając reakcję w niemal rzeczywistym czasie.

Choć funkcje IIoT stają się coraz bardziej powszechne, nie każda aplikacja jest dziś gotowa na pełne wdrożenie architektury Edge. Dzięki odpowiedniemu projektowi systemu sterowania możliwe jest jednak realizowanie klasycznych funkcji PLC i PAC przy jednoczesnym przygotowaniu i zabezpieczeniu inwestycji na przyszłość — tak, aby w odpowiednim momencie płynnie wykorzystać możliwości przetwarzania brzegowego.

Ewolucja programowania systemów sterowania

Przejście od systemów automatyki opartych na przekaźnikach i licznikach, do programowalnych urządzeń elektronicznych wymagało stworzenia języka drabinkowego Ladder Diagram (LD). Język ten wizualnie nawiązywał do schematów okablowania, ułatwiając inżynierom, technikom i elektrykom łatwe zaadaptowanie nowej technologii,  jednocześnie znacząco upraszczając programowanie, diagnostykę i modyfikację tworzonej logiki.

Wraz ze wzrostem mocy obliczeniowej PLC – oraz rozszerzeniem ich funkcjonalności o obliczenia matematyczne, sterowanie analogowe oraz kontrolowanie ruchu – pojawiły się kolejne języki programowania, takie jak Function Block Diagram (FBD), Instuction List (IL), Structured Text (ST) czy Sequential Function Chart (SFC). Umożliwiły one realizację bardziej złożonych algorytmów sterowania, przy jednoczesnym zachowaniu kompatybilności z LD.

Rozwój PAC oznaczał dalsze rozszerzenie możliwości PLC o zaawansowane przetwarzanie danych i komunikację. W praktyce PAC realizowały wiele funkcji, które dziś kojarzymy z edge computing, choć były ograniczone przez dedykowane systemy czasu rzeczywistego Real Time Oparation System (RTOS), z jakich korzysta się do dzisiaj w sterownikach PLC i PAC. W efekcie użytkownicy często implementowali bardzo złożone algorytmy — takie jak uczenie maszynowe — poza sterownikami PLC/PAC, na komputerach PC lub IPC, które musiały komunikować się z PAC poprzez sieć.

Obecnie na rynku dostępne są sterowniki brzegowe, które łączą przemysłową niezawodność świata OT z elastycznością i otwartością IT, oferując te możliwości w kompaktowej i odpornej na warunki przemysłowe formie. To kolejny etap ewolucji programowania i systemów automatyki, jaki obecnie obserwujemy.

Koncepcje programowania w architekturze Edge

Wielu użytkowników decyduje się na budowanie rozwiązań klasy Edge w oparciu o przypadkowo dobrane platformy sprzętowe i metody programowania. Takie podejście wiąże się jednak z dużym ryzykiem: wymaga długotrwałych testów, skomplikowanej integracji oraz często prowadzi do kosztownych zmian na późnych etapach projektu, co w realiach przemysłowych jest trudne do zaakceptowania.

Znacznie bezpieczniejszym rozwiązaniem jest wybór sprzętu i oprogramowania od jednego producenta automatyki przemysłowej. Kompatybilny zestaw PLC, PAC oraz sterownika Edge umożliwia korzystanie z tych samych narzędzi programistycznych, bibliotek i sprawdzonych fragmentów kodu, a ujednolicone środowisko skraca czas wdrożenia, ułatwia utrzymanie systemu i zapewnia płynny przepływ danych pomiędzy warstwami OT i IT.

Aby skutecznie zabezpieczyć inwestycję na przyszłość, warto wybierać sprawdzone rozwiązania wspierające otwarte standardy programowania i komunikacji. W praktyce oznacza to, że sterownik Edge powinien oferować m.in.:

• deterministyczne silniki sterujące zgodne z normami IEC,
• obsługę różnego rodzaju typy danych — standardowe i definiowane przez użytkownika,
• rozbudowane biblioteki standardowych i własnych bloków funkcyjnych,
• obsługę przemysłowych protokołów komunikacyjnych, takich jak OPC UA, Modbus, Profinet, EtherCAT.
• obsługę protokołów IT, w tym MQTT i HTTPS.
• obsługę systemu operacyjnego dla części obliczeniowej, niezależnej od deterministycznej logiki sterowania (np. Linux),
• możliwość uruchamiania gotowych aplikacji open source (np. Node-RED, Grafana, Portainer), rozwiązań komercyjnych i własnych,
• programowanie w językach wysokiego poziomu, takich jak C/C++ czy Python.

Sterownik Edge spełniający te wymagania stanowi solidną podstawę zarówno dla klasycznego sterowania, jak i dla przyszłych zastosowań związanych z przetwarzaniem brzegowym.

Sterowanie i przetwarzanie danych na brzegu sieci

Choć wielu producentów oferuje dziś urządzenia określane mianem sterowników Edge, różnią się one znacząco pod względem architektury i możliwości. Najbardziej zaawansowane rozwiązania wykorzystują wirtualizację sprzętową, zapewniając ścisłą separację deterministycznej części sterującej oraz warstwy obliczeniowej. Takie podejście umożliwia skuteczne oddzielenie środowisk OT i IT już na poziomie sprzętu.

Naturalne obawy projektantów i programistów dotyczące wdrażania sterowników Edge znikają, gdy deterministyczna część sterownika korzysta z tego samego jądra, środowiska programistycznego i bibliotek, co PLC i PAC danego producenta. W takim przypadku sterownik Edge może pełnić rolę klasycznego PLC lub PAC, wykorzystując znane narzędzia i sprawdzony kod, a jednocześnie oferując nowe możliwości obliczeniowe.

Jeśli warstwa obliczeniowa oparta jest na otwartym systemie Linux, użytkownik zyskuje możliwość stopniowego rozszerzania funkcjonalności — bez ingerencji w deterministyczne sterowanie. Szczególną wartość mają rozwiązania, które dostarczają gotowy zestaw aplikacji odpowiadających najczęstszym potrzebom przemysłowym. W takiej architekturze działają nowoczesne urządzenia sterujące dostarczane przez firmę Emerson.

Emerson CPL410 i PACEdge – kluczowe elementy w kierunku przyszłości automatyki

Aby zilustrować kierunki rozwoju systemów automatyki oraz ich ścisły związek z koncepcją przetwarzania brzegowego, warto odnieść się do konkretnych rozwiązań produktowych, takich jak na przykład Emerson PACSystems CPL410 oraz platforma PACEdge.

CPL410 to sterownik Edge nowej generacji, który w jednym urządzeniu łączy deterministyczne sterowanie klasy PLC/PAC, realizowane na systemie czasu rzeczywistego (PACEngine) zapewniającym niezawodne i przewidywalne wykonywanie logiki sterującej, z funkcjami edge computing opartymi na systemie Linux, umożliwiającymi lokalne przetwarzanie danych, analitykę oraz opcjonalną integrację z chmurą.

Jednocześnie urządzenie spełnia wysokie wymagania w zakresie bezpieczeństwa i otwartości, oferując m.in. wbudowany Trusted Platform Module, certyfikację Achilles Level 2 oraz obsługę zarówno protokołów przemysłowych, jak i IT. Dzięki temu CPL410 łączy rolę klasycznego sterownika PLC z rolą platformy obliczeniowej, na której możliwe są:

• uruchamianie aplikacji analitycznych i diagnostycznych bezpośrednio przy źródle danych,
• integracja z gotowymi narzędziami uczenia maszynowego i systemami raportowania,
• elastyczne zarządzanie danymi lokalnie oraz, jeśli to konieczne, przekazywanie ich do systemów chmurowych.

W praktyce oznacza to, że CPL410 nie jest jedynie „PLC z IPC”, lecz spójną platformą OT/IT, która jednocześnie realizuje klasyczne zadania sterujące i pełni rolę urządzenia obliczeniowego, wspierającego analizy predykcyjne oraz podejmowanie decyzji blisko procesu technologicznego.

PACEdge – platforma edge computing w praktyce

PACEdge z kolei to platforma przetwarzania brzegowego od Emerson, która w praktyce dostarcza deweloperom i użytkownikom prekonfigurowany Software toolbox do uruchamiania aplikacji analitycznych, wizualizacyjnych i integracyjnych bezpośrednio na sterowniku brzegowym, bez naruszania deterministycznej logiki PLC/PAC. Umożliwia to lokalne przetwarzanie zebranych danych procesowych, ich filtrowanie, agregację i analizę w czasie rzeczywistym oraz bezpieczną wymianę danych z systemami IT oraz, jeśli potrzeba, z  chmurą obliczeniową, wykorzystując standardowe protokoły, takie jak OPC-UA czy MQTT.

PACEdge pozwala łączyć klasyczne sterowanie PLC z algorytmami analitycznymi i ML, konfigurować i uruchamiać dashboardy, raporty i modele predykcyjne lokalnie na obiekcie oraz, co bardzo istotne, ograniczać ruch sieciowy i zależność od centralnych systemów obliczeniowych. W praktyce jest to warstwa pośrednia między automatyką a IT, wykorzystywana najczęściej do predykcyjnego utrzymania ruchu, optymalizacji procesów i integracji danych operacyjnych z narzędziami analitycznymi biznesu, bez robienia z PLC „komputera PC”.

Przykład zastosowania: sterownik Edge i drony inspekcyjne

Dobrym przykładem potencjału sterowników Edge jest wykorzystanie komercyjnych dronów do inspekcji rozległych rurociągów. W jednym z projektów standardowe środowisko SDK Linux dla drona zostało zintegrowane z warstwą obliczeniową sterownika Edge. Dzięki komunikacji OPC-UA deterministyczna część sterownika inicjowała loty inspekcyjne według harmonogramu lub w odpowiedzi na sygnały alarmowe. Dane wideo i telemetryczne były przesyłane do bezpiecznego pulpitu webowego, umożliwiając operatorom ocenę stanu infrastruktury w czasie rzeczywistym — bez konieczności angażowania dodatkowych systemów IT.

Podsumowanie

Programowanie w architekturze Edge to ewolucja, a nie rewolucja – PLC i PAC przez lata rozwijały się w sposób pozwalający zachować sprawdzone koncepcje, takie jak Ladder Diagram, przy jednoczesnym wprowadzaniu nowych języków, bloków funkcyjnych i metod organizacji aplikacji. Sterowniki Edge naturalnie rozszerzają ten model, udostępniając narzędzia i technologie znane ze świata IT, bez konieczności porzucania dotychczasowych kompetencji OT ani natychmiastowego wdrażania wszystkich nowych funkcji.

Dobrze zaprojektowane sterowniki brzegowe pozostają w pełni kompatybilne z istniejącymi ekosystemami PLC i PAC, umożliwiając stopniowy rozwój aplikacji i kompetencji, a w momencie gotowości organizacji na rozszerzenie funkcjonalności IT stają się platformą ogólnego przetwarzania danych, zabezpieczając rozwiązanie na przyszłość.

Jednocześnie rozwój systemów automatyki przemysłowej coraz wyraźniej zmierza w kierunku architektur rozproszonych, modularnych i hybrydowych, które łączą deterministyczne sterowanie czasu rzeczywistego z lokalnym przetwarzaniem danych, analityką oraz integracją z systemami IT i chmurą, przy czym PLC i PAC nadal odpowiadają za sterowanie procesem, warstwa Edge przejmuje przetwarzanie danych, analitykę i integrację, a chmura realizuje agregację danych, zaawansowaną analitykę i wsparcie decyzji biznesowych, umożliwiając skalowanie systemów, redukcję opóźnień i efektywne wykorzystanie danych bez przeciążania sieci i centralnych systemów IT.