حافة الإنترنت الصناعية للأشياء منصة I-IoT

ما هي إنترنت الأشياء

بعد إدخال المحرك البخاري في عام 1760 ، تم استخدام البخار لتشغيل كل شيء من الزراعة إلى المنسوجات. أثار ذلك الثورة الصناعية الأولى وعصر التصنيع الميكانيكي. في نهاية القرن التاسع عشر ، ظهرت الكهرباء وطرق جديدة لتنظيم العمل والإنتاج الضخم ، مما يمثل بداية الثورة الصناعية الثانية. في النصف الثاني من القرن العشرين ، أدى تطوير أشباه الموصلات وإدخال وحدات التحكم الإلكترونية إلى ظهور عصر الأتمتة والثورة الصناعية الثالثة. في معرض هانوفر لعام 2011 ، صاغ هينينج كاغرمان ، وولف ديتر لوكاس و فولفجانج والستر مصطلح الصناعة 4.0 لمشروع لتحديث نظام الإنتاج الألماني باستخدام أحدث التقنيات الرقمية.







من المتوقع أن تتمكن الصناعة 4.0 من تنفيذ ما يلي:

• الجمع بين الإنتاج وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات
• دمج بيانات العملاء مع بيانات الإنتاج
• حقق أقصى استفادة من الاتصالات من آلة إلى أخرى
• إدارة الإنتاج بشكل مستقل ومرن وفعال لتوفير الموارد

يعتقد مؤسس ورئيس المنتدى الاقتصادي العالمي كلاوس شواب أن استقلال الثورة الصناعية الرابعة يمكن تبريره بثلاثة عوامل.

• وتيرة التنمية. خلافا للثورة السابقة ، فإن هذه الثورة الصناعية لا تتقدم خطيا ، بل بشكل أسي. هذا نتاج للعالم متعدد الأوجه والترابط العميق الذي نعيش فيه ، بالإضافة إلى حقيقة أن التكنولوجيا الجديدة نفسها تجمع بين التقنيات المتقدمة والفعالة بشكل متزايد.
• . , , , . , «» «» , , «» .
• . , , .

بحكم التعريف ، تعد إنترنت الأشياء هي المفتاح لمزيد من التطوير لهذه الصناعة ، بما في ذلك تقنيات مثل تحليلات البيانات الضخمة ، وتقنيات السحابة ، والروبوتات ، والأهم من ذلك التكامل والتلاقي بين تكنولوجيا المعلومات والتصنيع.



يشير مصطلح I-IoT (الإنترنت الصناعي للأشياء) إلى المجموعة الفرعية الصناعية لإنترنت الأشياء ، وهو التحول الرقمي للأعمال التجارية الطبيعية. I-IoT يجعل الأعمال أكثر مرونة وأكثر ربحية ومفهومة ويخلق سلاسل قيمة رقمية جديدة.



سلاسل الإنتاج التقليدية هي خطوات متسلسلة ومباشرة مثل تطوير المنتج ، وتحديد مصادر المواد الخام وتحديد مصادرها ، وتصنيع المنتجات وتقديم الخدمات لها. جوهر التحول الرقمي الجديد هو أنه يتم إنشاء نظام بيئي للخدمة ونماذج أعمال جديدة حول جوهر رقمي معين ، مما يمنح ميزات جديدة للإنتاج. مثل تخفيض التكلفة بين المراحل المختلفة لإعداد الإنتاج والتكليف والتشغيل. أصبحت الروابط بين الأقسام والمراحل المختلفة أسرع ، مما يجعل من الممكن العمل بشكل أكثر كفاءة وأكثر تنافسية في السوق.







من المتوقع أن يخلق إنترنت الأشياء المزيد من القيمة التجارية ويكون لها تأثير عميق على المجتمع البشري مما سيؤدي إلى الثورة الصناعية الرابعة.

بحسب مجلة فوربس:

• IoT 157 2016 457 2020 , 28,5%
• , , IoT 2020 , 40 .

IoT I-IoT –

• , . , , . , .
• , , ; .
• I-IoT , .
• — , , . I-IoT, , .
• .
• , . , , , .
• . I-IoT .
• , .

CIM (التصنيع المتكامل بالكمبيوتر) هو نموذج منطقي لأنظمة التصنيع تم تطويره في التسعينات لدمج عمليات التصنيع وأنظمة الأتمتة وأنظمة تكنولوجيا المعلومات على مستوى الشركة أو المؤسسة. لا ينبغي النظر إلى CIM كطريقة تصميم لإنشاء مصانع مؤتمتة ، بل كنموذج مرجعي لتنفيذ الأتمتة الصناعية على أساس جمع وتنسيق وتبادل ونقل البيانات والمعلومات بين الأنظمة والأنظمة الفرعية المختلفة من خلال تطبيقات البرمجيات وشبكات الاتصالات. غالبًا ما يتم تصوير CIM على أنه هرم بستة مستويات وظيفية كما هو موضح في الرسم البياني التالي

المستوى 1 - أجهزة الاستشعار والمحولات والمحركات

المستشعر الإلكتروني هو أداة قياس كاملة من الناحية الهيكلية وقادرة على تحويل كمية أو عدة كميات مادية إلى إشارة كهربائية للتحويلات اللاحقة ونقل ومعالجة وعرض معلومات القياس. المحرك (المحرك) هو جهاز يحول أمر التحكم إلى تأثير مادي على العملية. في الواقع ، تكمل وظيفتها وظيفة المستشعر. يقبل المحرك إشارة التحكم كمدخل لنظام التحكم وينقل الطاقة كمخرج للآلية.

المستوى 2 - وحدات RTU ، وحدات التحكم الدقيقة ، CNC ، PLC و DCS

• (Remote terminal unit RTU) — , . , , . , .
• (Embedded controller), , , . .
• (CNC) – , . . , - .
• PLC — , . PLC , , , . , , , . 10 100 .
• تستخدم DCS بشكل شائع في العمليات المستمرة مثل المصافي ومحطات الطاقة أو المصانع الكيميائية. تجمع بين كل من وظيفة التحكم المطبقة في PLC ووظيفة نظام التحكم الإشرافي (SCADA). في حين أن PLC و SCADA هما نظامان منفصلان ، لكل منهما مساحات العناوين الخاصة بهما ، في DCS تستخدم هذه الأنظمة نفس المتغيرات وهياكل البيانات.

المستوى 3 - SCADA ، مؤرخ

نظام SCADA عبارة عن حزمة برمجية لجمع ومعالجة وعرض وأرشفة المعلومات حول عنصر المراقبة أو التحكم في الوقت الفعلي. يقوم نظام جمع البيانات (مؤرخ) بجمع معلومات في الوقت الحقيقي حول حالة تشغيل المعدات. ينفذ نظام SCADA الوظائف الرئيسية التالية:

• PLC, , RTU , CIM.
• , .
• , , .
• - (HMI).
• HMI PLC.

4 -MES

MES هو نظام برمجي يقع بين ERP و SCADA أو PLC ، مصمم لإدارة عملية إنتاج الشركة بكفاءة. تتمثل الوظيفة الرئيسية لشركة MES في مزامنة إدارة الأعمال ونظام التصنيع من خلال الجمع بين مستويات التخطيط والتحكم لتحسين العمليات والموارد.



الميزات الرئيسية لنظام MES هي:

• إدارة النظام وتخطيط الإنتاج
• إدارة المواد الخام الواردة والمنتجات نصف المصنعة
• إدارة ومراقبة الأصول
• تتبع الإنتاج
• إدارة الصيانة
• فحص الجودة

المستوى 5 - تخطيط موارد المؤسسات

يتضمن ERP حزم البرامج التي تستخدمها المؤسسة لإدارة الأنشطة اليومية لأعمالهم ، مثل المحاسبة والشراء وإدارة المشاريع والتصنيع. يدمج تخطيط موارد المؤسسات (ERP) ويحدد مجموعة من العمليات التجارية التي تحكم تبادل المعلومات والبيانات بين الأنظمة المعنية. تجمع ERP وتنقل بيانات المعاملات من مختلف إدارات المنظمة ، وبالتالي ضمان سلامة البيانات من خلال العمل كمصدر واحد.

شبكات الإنتاج

يتطلب نظام الإنتاج المتكامل أنواعًا مختلفة من شبكات الاتصال ، كل منها مخصص لمهمة معينة

• المستوى 1: ناقل المجال
• المستوى 2: شبكة وحدات التحكم
• المستوى 3 ، 4 ، 5: شبكة الشركة

تم إدخال الشبكات الميدانية إلى وحدات التحكم في الواجهة وأجهزة الاستشعار والمشغلات ، مما يقلل من الحاجة إلى الأسلاك المعقدة. في الحافلات الميدانية ، تم تجهيز أجهزة الاستشعار والمحركات بمجموعة دنيا من المعالجة لضمان نقل المعلومات بطريقة حتمية.



يجب أن توفر شبكة التحكم اتصالًا بين عقد PLC. يجب أن يحدث نقل البيانات على فترات محددة. غالبًا ما يُشار إلى شبكات التحكم والحافلات الميدانية على أنها شبكات الوقت الفعلي نظرًا لتوقيت إرسال البيانات والمعلومات.



شبكة الشركة هي شبكة تقع بين أنظمة الإدارة وأنظمة التخطيط والإدارة. يجب أن تضمن هذه الطبقة من الشبكة معالجة المعلومات المعقدة ، ولكن في فترات زمنية أقصر. لذلك ، ليست هناك حاجة لإطار زمني ضيق لطبقة الشبكة هذه.

خادم OPC

لم يتلق أي معيار آخر للاتصالات الصناعية قبولًا واسع النطاق بين العديد من الصناعات والشركات المصنعة للمعدات مثل OPC. يتم استخدامه لدمج مجموعة واسعة من النظم الصناعية والتجارية. SCADA وأنظمة الأمن (SIS) ووحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) وأنظمة التحكم الموزعة (DCS) تستخدم OPC للتواصل مع بعضها البعض ، وكذلك مع قواعد البيانات التاريخية وأنظمة MES و ERP. سبب نجاح OPC بسيط للغاية - فهو الواجهة العالمية الوحيدة حقًا التي يمكن استخدامها للتواصل مع مختلف الأجهزة والتطبيقات الصناعية ، بغض النظر عن الشركة المصنعة أو البرامج أو البروتوكولات المستخدمة في نظام التحكم. بعد ظهور معيار OPC ، تمت إعادة تصميم جميع SCADA تقريبًا كعملاء OPC ،وبدأت كل شركة مصنعة للأجهزة في تزويد وحدات التحكم الخاصة بها ووحدات الإدخال / الإخراج وأجهزة الاستشعار الذكية والمحركات بخادم OPC قياسي.

OPC classic (الوصول إلى البيانات DA)

في عام 1995 ، قررت العديد من الشركات إنشاء مجموعة عمل لتحديد معيار التشغيل البيني. هذه الشركات هي: Fisher Rosemount، Intellution، Intuitive Technology، Opto22، Rockwell، Siemens AG.



تمت دعوة أعضاء Microsoft أيضًا لتقديم الدعم اللازم. كانت مهمة مجموعة العمل تحديد معيار الوصول إلى المعلومات في بيئة Windows بناءً على التقنيات الحديثة في ذلك الوقت. سميت التكنولوجيا المطورة ربط الكائنات وتضمينها (OLE) للتحكم في العمليات (OPC). في أغسطس 1996 ، تم تعريف النسخة الأولى من OPC.









COM عبارة عن بنية برمجية تم تطويرها بواسطة Microsoft لبناء تطبيقات المكونات. في ذلك الوقت ، سمح هذا للمبرمجين بتغليف أجزاء من التعليمات البرمجية القابلة لإعادة الاستخدام بطريقة يمكن أن تستخدمها التطبيقات الأخرى دون القلق بشأن تفاصيل تنفيذها. يمكن استبدال كائنات COM بإصدارات أحدث دون الحاجة إلى إعادة كتابة التطبيقات التي تستخدمها. DCOM هي إصدارات شبكية من COM. يحاول DCOM إخفاء الاختلافات بين كائنات COM التي تعمل على أحد أجهزة الكمبيوتر وكائنات COM التي تعمل عن بعد على كمبيوتر آخر من مطوري البرامج. لهذا ، يجب تمرير جميع المعلمات بالقيمة. هذا يعني أنه عند استدعاء دالة يوفرها كائن COM ، يجب على المتصل تمرير المعلمات المرتبطة حسب القيمة. من ناحية أخرى،سوف يستجيب كائن COM للمتصل بتمرير النتائج حسب القيمة أيضًا. تسمى عملية تحويل المعلمات إلى البيانات المرسلة عبر الشبكة تنظيم. بعد اكتمال التعبئة ، يتم تسلسل دفق البيانات ونقله واستعادته إلى ترتيب البيانات الأصلي الخاص به في الطرف الآخر من الاتصال.



يستخدم DCOM آلية RPC لنقل المعلومات بين مكونات COM على نفس الشبكة وتلقيها بشفافية. تم تطوير آلية RPC بواسطة Microsoft للسماح لمطوري النظام بطلب تنفيذ البرامج البعيدة دون الحاجة إلى تطوير إجراءات خاصة للخادم. يرسل برنامج العميل رسالة إلى الخادم باستخدام الوسيطات المناسبة ، ويقوم الخادم بإرجاع رسالة تحتوي على النتائج من البرنامج الذي تم تنفيذه.



يحتوي OPC Classic على عدد من القيود:

• متوفر فقط على أنظمة تشغيل عائلة Microsoft Windows ؛
• اتصال مع تقنية DCOM ، والتي تم إغلاق رمز المصدر الخاص بها.
• مشاكل التكوين المتعلقة DCOM ؛
• رسائل انقطاع اتصالات DCOM غير دقيقة ؛
• عدم قدرة DCOM على تبادل البيانات عبر الإنترنت ؛
• عدم قدرة DCOM على ضمان أمن المعلومات.

نموذج OPC Classic للحصول على البيانات

أهداف المعيار OPC Classic هي كما يلي:

• هيكلة البيانات على جانب الخادم لتسهيل جمع البيانات من جانب العميل.
• تحديد خدمات الاتصال وآليات الاتصال القياسية

في الجوهر ، يعمل معيار OPC Classic على النحو التالي.



يدير الخادم جميع البيانات المتاحة.



يرسل الخادم طلبات البيانات من الأجهزة عند الطلب ويقوم بتحديث ذاكرة التخزين المؤقت الداخلية بانتظام. يقوم الخادم بتهيئة وإدارة ذاكرة التخزين المؤقت لكل مجموعة من المتغيرات التي يطلبها عميل OPC. لا يمكن أن يكون معدل المسح على جانب عميل OPC أقل من معدل المسح الضوئي لخادم OPC لجمع البيانات من الأجهزة وتحديث ذاكرة التخزين المؤقت الداخلية. نوصي بتكوين عميل OPC للقراءة من ذاكرة التخزين المؤقت وتحديثه بمعدل مرتين يفحصه خادم OPC بحثًا عن الأجهزة. كل قطعة من البيانات التي يتم تبادلها لها معنى خاص بها ، محدد بالختم الزمني والجودة. يشمل تبادل البيانات القراءة والكتابة والتحديث التلقائي عندما تتغير القيم. يتم إجراء القراءة أو الاقتراع من قبل عميل OPC ، الذي يرسل بانتظام طلبات بيانات المجموعة.يمكن أن تكون مرحلة التسجيل متزامنة أو غير متزامنة. تستخدم التحديثات التلقائية معدل الطلب المقدم من عميل OPC. يقوم خادم OPC بالتحقق من كل تحديث لمعرفة ما إذا كانت القيمة المطلقة للقيمة المخزنة مؤقتًا ناقصًا القيمة الحالية أكبر من المنطقة الميتة المحددة من قبل العميل مضروبة في النطاق الذي تم تكوينه لهذا المتغير. يمكن كتابتها على النحو التالي:

if (abs(last_cached_value – current_value) > (PERCENT_DEAD_BAND/100) * range) {
//cache is updated, and the client is notified through a callback mechanism 
}

يتم تنظيم المعلومات من خادم OPC في مجموعات من العناصر ذات الصلة لتحقيق الكفاءة. هناك نوعان مختلفان من المجموعات:

• المجموعات العامة: متاحة لأي عميل
• المجموعات المحلية: متاحة فقط للعميل الذي قام بإنشائها

OPC UA

كانت الاستجابة الأولى لمؤسسة OPC للقيود المتزايدة لاعتماد COM و DCOM هي تطوير OPC XML-DA. احتفظت بخصائص OPC ، لكنها اعتمدت بنية تحتية للاتصالات غير مرتبطة إما بالشركة المصنعة أو منصة برمجيات محددة. لقد ثبت أن تحويل مواصفات OPC-DA إلى إصدارات قائمة على خدمات الويب غير كافٍ لتلبية احتياجات الشركات التي تتفاعل بشكل متزايد وتتكامل مع الشركات والعالم الخارجي.



للحصول على معلومات حول بنية OPC UA ، راجع opcfoundation.org/developer-tools/specifications-unified-arch architecture .



لذلك ، تم تطوير بروتوكول OPC UA ليحل محل جميع الإصدارات الحالية المستندة إلى COM والتغلب على مشكلات الأمان والأداء. يعالج المعيار الحاجة إلى واجهات مستقلة عن النظام الأساسي ويسمح بإنشاء نماذج بيانات قابلة للتوسيع لوصف الأنظمة المعقدة دون فقدان الوظائف. يعتمد OPC UA على النهج الموجه نحو الخدمة المحدد في معيار IEC 62451. وله الأهداف التالية:

• استخدام مكونات OPC على الأنظمة الأساسية بخلاف Windows
• يسمح لك بدمج مكوناته الرئيسية في الأجهزة الصغيرة
• تنفذ الاتصالات القياسية عبر الأنظمة القائمة على جدار الحماية

من وجهة نظر فنية ، يعمل OPC UA على النحو التالي:

• يعزل API رمز العميل والخادم من مكدس OPC UA
• مكدس UA يحول مكالمات API إلى الرسائل
• يستقبل مكدس UA الرسائل عن طريق إرسالها إلى العميل أو الخادم عبر API

نموذج معلومات OPC UA

المبادئ الأساسية لنمذجة المعلومات في OPC UA:

• استخدام طرق موجهة للكائنات بما في ذلك التسلسل الهرمي للوراثة.
• يتم استخدام نفس الآلية للوصول إلى الأنواع والمثيلات.
• يتم توفير المعلومات من خلال استخدام العقد المتصلة بالكامل في الشبكة.
• يمكن توسيع التدرجات الهرمية لنوع البيانات والروابط بين العقد.
• لا توجد قيود على كيفية نمذجة المعلومات.
• تتم استضافة نمذجة المعلومات دائمًا من جانب الخادم.

مجموعة العناصر والمعلومات ذات الصلة التي يوفرها خادم OPC UA للعملاء هي مساحة العنوان. يمكنك التفكير في مساحة العنوان كتطبيق لنموذج معلومات OPC UA.



مساحة عنوان OPC UA عبارة عن مجموعة من العقد المرتبطة بالارتباطات. لكل عقدة خصائص تسمى السمات. يجب أن توجد مجموعة معينة من السمات على جميع العقد. تظهر العلاقة بين العقد والصفات والروابط في الرسم البياني التالي







يمكن أن تنتمي العقد إلى فئات مختلفة من العقد ، اعتمادًا على غرضها المحدد. يمكن أن تمثل بعض العقد المثيلات ، ويمكن أن تمثل أخرى أنواعًا ، وهكذا. يحتوي OPC UA على ثماني فئات عقدة قياسية: المتغير ، والكائن ، والطريقة ، والعرض ، ونوع البيانات ، ونوع المتغير ، ونوع الكائن ، ونوع المرجع. في OPC UA ، أهم فئات العقدة هي الكائن والمتغير والطريقة.

جلسات OPC UA

يوفر OPC UA نموذج اتصال بالخادم والعميل يتضمن معلومات الحالة. معلومات الحالة هذه مرتبطة بالجلسة. يتم تعريف الجلسة على أنها اتصال منطقي بين العميل والخادم. كل جلسة مستقلة عن بروتوكول الاتصال الأساسي ؛ لا تؤدي أي مشكلة على مستوى البروتوكول إلى إنهاء الجلسة تلقائيًا. تنتهي الجلسة بعد طلب صريح من العميل أو بسبب عدم نشاط العميل. يتم تعيين فترات الخمول أثناء إنشاء الجلسة.

نموذج الحماية OPC UA

يتم تنفيذ نموذج الأمان OPC UA من خلال تحديد القناة الآمنة التي تستند إليها الجلسة. تتبادل القناة الآمنة البيانات على النحو التالي:

• يضمن سلامة البيانات باستخدام التوقيعات الرقمية.
• يوفر الخصوصية من خلال التشفير.
• يصادق ويفوض التطبيقات باستخدام شهادات X.509.

يوضح الشكل الطبقات التالية: طبقة التطبيق وطبقة الجلسة وطبقة النقل.



يتم استخدام طبقة التطبيق لنقل المعلومات بين العملاء والخوادم التي أنشأت جلسة OPC UA. يتم تأسيس جلسة OPC UA على قناة آمنة. طبقة النقل هي الطبقة المسؤولة عن إرسال البيانات واستلامها عبر اتصال مأخذ التوصيل ، حيث يتم تطبيق آليات معالجة الأخطاء لضمان حماية النظام من الهجمات مثل رفض الخدمة (DoS).

تبادل البيانات OPC UA

إن أسهل طريقة لتبادل البيانات بين عميل OPC UA والخادم هي استخدام خدمات القراءة والكتابة. تم تحسين خدمات القراءة والكتابة لنقل مجموعة من البيانات ، بدلاً من قطعة واحدة من البيانات أو قيم متعددة. تسمح لك بقراءة وكتابة قيم العقد أو سماتها. تحتوي خدمة القراءة على المعلمات التالية:

maxAge: هذا هو أقصى وقت يستغرق للحصول على القيم. يشار إلى ذلك من قبل العميل. يفرض الخادم الاتصال بجهاز (مثل جهاز استشعار) إذا كانت النسخة الموجودة في ذاكرة التخزين المؤقت الخاصة به أقدم من معلمة maxAge التي قام العميل بتكوينها. إذا تم تعيين maxAge على صفر ، فيجب على الخادم توفير القيمة الحالية ، وقراءتها دائمًا مباشرةً من الجهاز.



نوع الطابع الزمني: يحدد OPC UA طابعتين زمنيتين: الطابع الزمني المصدر والطابع الزمني للخادم. الطابع الزمني الأصلي هو الطابع الزمني الذي يأتي من الجهاز ، والطابع الزمني للخادم هو الطابع الزمني الذي يأتي من نظام التشغيل الذي يعمل عليه خادم OPC UA.



تبدو قائمة العقد والسمات كما يلي:

• العقدة
• AttributeId لقيمة المثال
• DataEncoding: يسمح هذا للعميل باختيار ترميز البيانات المناسب ، والافتراضية هي XML ، UA ثنائي

ميزات بروتوكول OPC

لا يمكن استدعاء بروتوكول OPC مجانًا تمامًا. لتطوير البرامج باستخدام OPC SDK ، يجب أن تكون عضوًا في OPC Foundation. ومع ذلك ، هناك الآن تطبيقات مجانية لمكتبة العميل والخادم ، على سبيل المثال freeopcua.github.io ، ولكن ليس لديهم حتى الآن تطبيق حانة / فرعي.



بالمقارنة مع البروتوكولات الأخرى مثل MQTT ، OPC ليس خفيف الوزن.

تحكم منطقي قابل للبرمجة PLC

تم تعريف مصطلح PLC (وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة ، PLC) لاحقًا في معايير EN 61131 (IEC 61131). PLC هو نظام تحكم إلكتروني رقمي موحد مصمم خصيصًا للاستخدام في البيئات الصناعية. يراقب PLC باستمرار حالة أجهزة الإدخال ويتخذ القرارات بناءً على برنامج المستخدم للتحكم في حالة أجهزة الإخراج.



متطلبات PLC:

• يجب أن يكون قادرًا على العمل في الظروف الصناعية القاسية ، مثل درجات الحرارة القصوى ، والأوساخ ، وشبكة إمدادات الطاقة ذات الجودة الرديئة.
• يجب أن تعمل مع إشارات الإدخال والإخراج المنفصلة 24VDC أو الصناعة 240VAC ، بالإضافة إلى الإشارات التناظرية (± 10V ، 4-20mA ، إلخ.)
• يجب أن يفهم مهندسو الأتمتة لغة البرمجة
• يجب أن يقوم المجلس التشريعي الفلسطيني بمراقبة تشغيل المنشأة الصناعية باستمرار
• يجب أن يكون نظام التشغيل سريعًا بما يكفي لإجراء دورة مسح ضوئي (20 - 100 مللي ثانية)

يوضح الشكل التالي بنية وضع التشغيل الأساسي لـ PLC (باستخدام مثال CPU Simatic).

OPC UA مع SIMATIC S7-1500

المتطلبات الأساسية - سيماتيك TIA البوابة V13-16 يجب تثبيت



لمحاكاة وحدة تحكم مع خادم OPC، يجب تثبيت نسخة SIMATIC S7-PLCSIM المتقدم 2 أو 3 وتكوينها.

Support.industry.siemens.com/cs/document/109772889/trial -تحميل٪ 3A-simatic-s7-plcsim-advanced-v3-0؟ dti = 0 & lc = en-WWلقد قمت بتثبيت الإصدار 3 من جهاز محاكاة على نظام يحتوي على حزمة Simatic TIA Portal V14 SP1 موجودة. قبل التثبيت ، أبلغ المثبت أن PLCSIM V14 غير متوافق مع SIMATIC S7-PLCSIM V3 ويجب إزالته. اتبعت هذه الخطوات ، وبعد ذلك تم تعليق التثبيت. تم إنشاء مشروع اختبار في بوابة TIA باستخدام CPU 1512C-1 PN. ومن الميزات الخاصة أنه أصبح من المستحيل إجراء المحاكاة باستخدام زر "بدء المحاكاة" ، ولكن زر "التنزيل إلى الجهاز" يعمل عند تشغيل PLCSIM Advanced.



للوصول إلى المحاكي عبر الشبكة ، يجب تمكين PLCSIM Virtual Eth. المحول ، الذي يجب عليك أولاً تثبيت برنامج WinPcap. فيما يلي إعدادات Ethernet القياسية.









علاوة على ذلك ، فإن عملية تحميل البرنامج إلى PLCSIM Advanced تشبه التحميل إلى جهاز محاكاة قياسي ، باستثناء ما تم وصفه سابقًا.



في مشروع اختبار TIA Portal ، تم إنشاء DB1 بعلامة "ضغط" واحدة وتم تعيين الإخراج الرقمي "Q0.1 Tag_2".



للاتصال بخادم OPC ومراقبة الشبكة والعقد والعلامات ، يمكنك استخدام عميل UaExpert OPC ، والذي يمكن تنزيله من www.unified-automation.com/products/development-tools/uaexpert.html .







لتنفيذ تفاعل عميل وخادم OPC برمجيًا ، يمكنك استخدام تطبيق مفتوح المصدر للمكتبة في Python github.com/FreeOpcUa/python-opcua ، وهناك أيضًا أمثلة برمز. قبل الاستخدام ، تحتاج إلى تثبيت التبعيات اللازمة:

pip install freeopcua
pip install cryptography

أبسط مثال على إنشاء خادم OPC مع ثلاث علامات

from opcua import Server
from random import randint
import datetime
import time

class Opc:
    def __init__(self):
        self.server = Server()
        self.url = "opc.tcp://127.0.0.1:4848"
        self.server.set_endpoint(self.url)
        self.namespace_uri = "OPCUA_SIMULATION_SERVER"
        self.namespace = self.server.register_namespace(self.namespace_uri)
        self.root_node = self.server.get_objects_node()
        self.parameters = self.root_node.add_object(self.namespace, "Parameters")

    def create_variable(self, name, initial=0):
        variable = self.parameters.add_variable(self.namespace, name, initial)
        variable.set_writable()
        return variable

def main():

    opc = Opc()
    tag_1 = opc.create_variable("Temperature", 25)
    tag_2 = opc.create_variable("Pressure")
    tag_3 = opc.create_variable("Time")

    opc.server.start()
    print("Server started at {}".format(opc.url))

    while True:
        #tag_1.set_value(randint(10, 50))
        tag_2.set_value(randint(200, 999))
        tag_3.set_value(datetime.datetime.now())

        time.sleep(2)

if __name__ == '__main__':
   main()

نفس أبسط مثال على جزء العميل

from opcua import Client
import time

url = "opc.tcp://127.0.0.1:4848"

client = Client(url)

client.connect()
print("Client connected")

Temp = client.get_node("ns=2;i=2")
Temp.set_value(25)

if __name__ == '__main__':
    while True:
        temperature = Temp.get_value()
        print(temperature)
        time.sleep(1)

من الممكن أيضًا مراقبة الاتصال باستخدام عميل UaExpert

مفهوم I-IoT Edge

الحافة هي المحور بين بيئة الإنتاج وعالم إنترنت الأشياء في السحابة. يمكن أن تتحلل Edge إلى ثلاثة مكونات ماكرو: Edge Gateway ، و Edge Tools ، و Edge Computing







في عام 2017 ، أعلنت شركة Gartner ما يلي: "The Edge سوف تأكل السحابة". في حين أن هذا البيان قد يبدو مثيرًا للجدل بعض الشيء ، إلا أنه يسلط الضوء على الدور الذي لعبته Edge على مر السنين. أدركت الشركات الصناعية ، بعد مرحلة الانتقال إلى السحابة ، أنه ليس من الممكن دائمًا القيام بكل شيء في مكان بعيد. وأسباب ذلك هي على النحو التالي:

• . . , , . .
• : . , , , , 1 50 .
• زمن الوصول إلى الشبكة: تعاني عناصر التحكم أو العمليات المتقدمة للتحليلات المرتبطة بتغيير البيانات في سلوك معدات الملف الشخصي في فترة زمنية صغيرة من ارتفاع وقت استجابة الشبكة ومتغيره. يعد تحسين المعدات أمرًا ضروريًا لتنفيذ أسرع في غضون فترة زمنية معينة.
• اتصال البيانات. لتحسين سير العمل أو خدمة المعدات ، يلزم استبدال المكونات دون الوصول إلى اتصال الإنترنت.

بوابة الحافة

بوابة الحافة هي جوهر جهاز الحافة. يتمثل الواجب الرئيسي لبوابة الحافة في الاتصال بمصدر صناعي لجمع البيانات وإرسالها إلى محور I-IoT باستخدام بروتوكول نقل مثل MQTT أو CoAP أو HTTPS أو AMQP.



أهم المكونات لبوابة الحافة هي المحول الصناعي ومحول إنترنت الأشياء. عادة ما يشترك المحول الصناعي في البيانات من منطقة الحقل وينشرها على ناقل البيانات. عادةً ، تقوم بتنفيذ الموصل للجهاز المحدد ، وتعمل كمصدر في دفق بيانات I-IoT وإتاحته على ناقل بيانات Edge. من ناحية أخرى ، يستقبل محول IoT القيم من ناقل البيانات وينقلها إلى IoT Data Hub. جزء مهم من Gateway Edge هو مكون Store and Forward. إنها آلية عامة لتخزين البيانات في التخزين المحلي المؤقت. يوفر قوة نقل البيانات ضد عدم استقرار الشبكة. في الشبكة العالمية ، فإن عدم استقرار وتأخير قناة الاتصال مرتفع للغاية. يمكن أن تكون آلية التخزين والشحن على النحو التالي:

• ذاكرة تخزين مؤقت محدودة تغطي فترة قصيرة من عدم النشاط
• مساحة تخزين مخصصة على القرص يمكن أن تستوعب فترات طويلة من عدم النشاط أو حركة البيانات الضخمة.

يعتمد نطاق الإطار الزمني الذي يجب خلاله ضمان نقل البيانات على السيناريوهات المحددة والموارد المادية لذاكرة الحافة والتخزين.

أدوات التهيئة (أدوات Edge)

يجب أن تحتوي أدوات Edge على الميزات التالية:

• القدرة على إدارة وتكوين جمع البيانات بسهولة عن بعد ومحليًا
• إمكانية التسجيل للإصلاحات والتحديثات
• إمكانية إجراءات التسجيل
• القدرة على عرض وتعديل البيانات باستخدام واجهة المستخدم
• التكوين الذاتي والتسجيل الذاتي في السحابة عند بدء التشغيل
• القدرة على تلقي وتنفيذ الأوامر من السحابة

الحوسبة الحافة

تتميز حوسبة الحواف بالميزات التالية:

• القدرة على تنفيذ الإجراءات باستخدام برنامج I-IoT (البرمجيات الوسيطة) ، سواء عبر الإنترنت أو عبر الإنترنت.
• إمكانية استضافة التطبيقات المخصصة
• القدرة على تشغيل التحليلات في وضع عدم الاتصال ، بالتزامن مع I-IoT الوسيطة أو عن بعد.
• القدرة على تنفيذ الإجراءات أو تحميل التحليلات من البرمجيات الوسيطة I-IoT
• القدرة على إرسال بيانات غير منظمة ومحددة إلى البرمجيات الوسيطة I-IoT عند الطلب أو عند بدء التشغيل المشروط

تطبيقات الحافة

يقوم موردو السحابة ومصنعي المعدات الأصلية (OEMs) بتطوير حلول متنوعة استنادًا إلى نظام التشغيل الخاص بهم أو تقديم مجموعات تطوير برامج مستقلة عن السحابة (SDK).

Azure IoT Edge

Azure IoT Edge هو حل Microsoft Edge لـ Azure IoT. يدعم النظام الأساسي التخزين وإعادة التوجيه ، و Edge Analytics ، ومحولات متعددة لتحويل البروتوكولات الأصلية أو القياسية إلى بروتوكولات الإنترنت. يدعم Azure IoT Edge أيضًا خادم OPC في تطبيقات OPC Classic و OPC-UA. نظرة عامة على المنتج:

• يعمل مع أجهزة Linux أو Windows التي تدعم الأنظمة الفرعية للحاويات.
• وقت تشغيل مجاني ومفتوح المصدر مرخص من MIT
• حاويات متوافقة مع Docker من خدمات Azure أو من واجهة Microsoft Cloud Cloud الأمامية. يتيح لك إدارة أحمال العمل ونشرها عن بعد باستخدام السحابة باستخدام IoT Hub

عشب اخضر

Greengrass هو الجيل التالي من IoT Edge من AWS. توفر AWS حزمة تطوير البرامج (SDK) لإنشاء AWS Edge وتوسع إمكانات السحابة لتضمين الأجهزة باستخدام Greengrass. يسمح هذا للأجهزة باتخاذ الإجراءات محليًا مع الاستمرار في استخدام السحابة للإدارة والتحليلات والتخزين المستمر. يدعم Greengrass OPC UA ولا يدعم OPC Classic. فوائد:

• بالقرب من استجابة الحدث في الوقت الحقيقي
• العمل دون اتصال
• يقوم AWS IoT Greengrass بمصادقة وتشفير بيانات الجهاز ، عبر شبكة LAN والشبكة السحابية
• برمجة الجهاز المبسطة مع دعم الحاوية

أشياء الروبوت

توفر Google حزمة SDK لتطوير Edge. وهي ترعى Android باعتباره الجيل التالي من أجهزة Edge. ميزات المنصة:

• التطوير باستخدام Android SDK و Android Studio
• الوصول إلى الأجهزة مثل العرض والكاميرا من خلال نظام Android الأساسي
• ربط التطبيق بخدمات Google
• تكامل الأجهزة الطرفية الإضافية عبر I / O API الطرفية (GPIO و I2C و SPI و UART و PWM)
• استخدام Android Things Console لإرسال التحديثات عبر الأثير وتحديثات الأمان

العقدة الحمراء

إنها أداة برمجة مرئية لإنترنت الأشياء تسمح للأجهزة وواجهات برمجة التطبيقات والخدمات عبر الإنترنت بالاتصال ببعضها البعض. تم بناء وقت تشغيل Node-RED في أعلى Node.js وبالتالي يستفيد إلى أقصى حد من نموذجه الذي لا يحظره الحدث. Node-RED هي أداة برمجة تدفق تم تطويرها في الأصل من قبل فريق IBM Emerging Technology Services وحالياً جزء من JS Foundation.



الميزات:

• إنشاء منطق البرنامج مباشرة في المستعرض
• تم بناء وقت تشغيل Node-RED أعلى Node.js
• يتم حفظ التدفقات (الوحدات المنطقية) التي تم إنشاؤها في Node-RED إلى ملفات JSON التي يمكن تصديرها واستيرادها بسهولة
• يمكن تشغيل أي جهاز يدعم node.js
• عدد كبير من الامتدادات

بوابة Intel IoT

الميزات:

• الاتصال عبر السحابة والمشاريع.
• قابل للتوصيل بأجهزة استشعار ووحدات تحكم موجودة.
• التصفية المسبقة للبيانات المحددة للتسليم.
• صنع القرار المحلي لضمان سهولة الاتصال بالأنظمة القديمة.
• تشفير بيانات الأجهزة وقفل البرامج.
• الحوسبة والتحليلات المحلية على الجهاز.

Flogo iot

يعد Project Flogo نظامًا بيئيًا خفيف الوزن ومفتوح المصدر يستند إلى Go لبناء تطبيقات تعتمد على الأحداث. يتم استخدام المشغلات والإجراءات لمعالجة الأحداث الواردة. توفر واجهة التفاعل إمكانات رئيسية مثل تكامل التطبيقات ومعالجة التدفق وما إلى ذلك.

• محرك تطبيقات التكامل مع التدفقات المشروطة وبيئة التطوير المرئي
• الدفق هو إجراء معالجة دفق بسيط قائم على خط الأنابيب مع القدرة على تجميع الأحداث عبر مشغلات متعددة وتجميع عبر النوافذ الزمنية.
• قواعد تعريفية للقرارات السياقية في الوقت الحقيقي
• نمط البوابة الصغيرة للتوجيه الشرطي المستند إلى المحتوى ، والتحقق من JWT ، والحد من المعدل ، وكسر الدائرة ، والمزيد

كسوف كورا

Eclipse Kura هو إطار مفتوح المصدر وقابل للتوسع لـ IoT Edge Framework قائم على Java / OSGi. تقدم Kura وصول API إلى واجهات أجهزة بوابة IoT (المنافذ التسلسلية ، GPS ، مؤقت المراقبة ، GPIO ، I2C ، إلخ). يتضمن بروتوكولات ميدانية جاهزة للاستخدام (بما في ذلك Modbus و OPC-UA و S7) وحاوية التطبيق والبرمجة المرئية المستندة إلى الويب للحصول على البيانات ومعالجتها ونشرها على الأنظمة الأساسية السحابية.

مسبك EdgeX

EdgeX FoundryTM هو مشروع مفتوح المصدر محايد من قبل البائع تدعمه مؤسسة Linux ويخلق بيئة مفتوحة مشتركة لحوسبة الحوسبة في إنترنت الأشياء. في قلب المشروع ، هناك بنية تحتية للتشغيل البيني مستضافة على منصة برمجية مرجعية مستقلة عن نظام التشغيل لإنشاء نظام للتوصيل والتشغيل يعمل على توحيد السوق وتسريع نشر حلول إنترنت الأشياء.

خيارات اتصال الحافة لمصادر البيانات الصناعية

• الحافة على ناقل المجال
• حافة على OPC DCOM
• Edge على OPC Proxy
• الحافة على OPC UA
• OPC UA على وحدة التحكم

الحافة على OPC UA وعلى وحدة التحكم

يعد الاتصال بخادم OPC UA هو السيناريو المفضل لأنه يزيد من قدرات OPC UA. يمكن نشر الاتصال بخادم OPC بطريقتين مختلفتين. في الحالة الأولى ، تتصل Edge بخادم OPC UA من خلال واجهة عميل OPC UA. يمكن أن يكون مصدر البيانات أحد: PLC أو DCS أو SCADA أو مؤرخ.







في الحالة الثانية ، تتصل Edge بخادم OPC المثبت مباشرة على PLC ، كما تمت مناقشته مسبقًا مع وحدة المعالجة المركزية Simatic CPU 1500.

بروتوكول MQTT

Pub / sub هي طريقة لفصل عميل يرسل رسالة من عميل آخر يتلقى رسالة. على عكس نموذج خادم العميل ، لا يدرك العملاء أي معرفات فعلية مثل عنوان IP أو المنفذ. MQTT هي بنية حانة / فرعية وليست قائمة انتظار رسائل. قوائم انتظار الرسائل ، بحكم طبيعتها ، تخزن الرسائل ، بينما لا تقوم MQTT بذلك. في MQTT ، إذا لم يشترك أحد في موضوع (أو يستمع إليه) ، فسيتم تجاهله وفقدانه.







العميل الذي يرسل الرسالة يسمى الناشر ؛ العميل الذي يتلقى الرسالة يسمى المشترك. في المركز يوجد وسيط MQTT ، وهو المسؤول عن ربط العملاء وتصفية البيانات. توفر هذه المرشحات:

• التصفية حسب المواضيع - حسب التصميم ، يشترك العملاء في الموضوعات وفروع موضوعات معينة ولا يتلقون بيانات أكثر مما يريدون. يجب أن تحتوي كل رسالة منشورة على موضوع والوسيط مسؤول عن إعادة إرسال هذه الرسالة إلى المشتركين أو تجاهلها ؛
• تصفية المحتوى - يتمتع السماسرة بالقدرة على فحص البيانات المنشورة وتصفيتها. وبالتالي ، يمكن للوسيط إدارة أي بيانات غير مشفرة قبل تخزينها أو نقلها إلى عملاء آخرين ؛
• التصفية حسب النوع - يمكن للعميل الذي يستمع إلى دفق من البيانات التي يشترك فيها أن يطبق أيضًا عوامل التصفية الخاصة به. يمكن تحليل البيانات الواردة ، وبناءً على ذلك ، تتم معالجة دفق البيانات بشكل أكبر أو يتم تجاهله.

هناك ثلاثة مستويات من جودة الخدمة في MQTT:

• QoS-0 ( ) – QoS. « », . ;
• QoS-1 ( ) – . , PUBACK;
• QoS-2 ( ) – QoS, , . - . QoS-2, PUBREC. , PUBREL. PUBREL . PUBREL PUBCOMP. PUBCOMP , .

في الوقت الحالي ، هناك إصداران من مواصفات بروتوكول MQTT: 3.1.1 و 5.0 . يمكن العثور على وصف أكثر تفصيلاً للبروتوكول هنا أو تسجيل عرضي التقديمي github.com/vladipirogov/Message-Queue-Telemetry-Transport و www.youtube.com/watch؟v=fYoGubQFz5c&t=5s و www.youtube.com/watch؟v=8mupuCjedlc .



في المقالة التالية سأحاول إظهار مثال على تنفيذ منصة Edge I-IoT مخصصة باستخدام Node-red كبوابة Edge ، و Apache Kafka كمدير بيانات وتخزين مؤقت ، و Kafka Streams كمحرك قواعد ، و Mosquitto (يمكن تنفيذ آخر) كموصل MQTT ... سيتم استخدام تقنيات InfluxData لتخزين بيانات السلاسل الزمنية.

رابط إلى فيديو اللقاء.

مصادر المعلومات

• منصة التحول الرقمي
• مواصفات العمارة الموحدة OPC
• موسوعة ACS TP
• FreeOpcUa هو مشروع لتنفيذ مكدس OPC-UA مفتوح المصدر (LGPL) والأدوات المرتبطة به.
• GR Kanagachidambaresan إنترنت الأشياء للصناعة 4.0
• وكلاء Max Hoffmann Smart Industry 4.0
• فولفجانج Mahnke OPC العمارة الموحدة
• كلاوس شواب الثورة الصناعية الرابعة
• بيري لي إنترنت الأشياء العمارة
• إسماعيل بوتون الصناعية إنترنت الأشياء
• مواصفات MQTT