Doprovodné materiály k Azure v oblasti analýzy průmyslových IoT

Tato série článků ukazuje doporučenou architekturu pro analytické řešení IoT IoT (IIoT) v Azure s využitím komponent PaaS (platforma jako služba) . Průmyslový IoT nebo IIoT je aplikace Internet věcí ve výrobním odvětví.

Řešení IIoT Analytics lze použít k vytvoření nejrůznějších aplikací, které poskytují:

• Monitorování prostředků
• Zpracování řídicích panelů
• Celková efektivita vybavení (celkové efektivity zařízení)
• Prediktivní údržba
• Prognózování

Takové řešení IIoT Analytics spoléhá na data v reálném čase a historické údaje z průmyslových zařízení a řídicích systémů, které se nacházejí v diskrétních a procesních výrobních zařízeních. Patří mezi ně PLCs (programovatelné Logic Controller), průmyslové vybavení, SCADA (řízení dohledu a získávání dat), oddělení (systém spouštění výroby) a proces Historians. Architektura uvedená v této sérii obsahuje pokyny pro připojení ke všem těmto systémům.

Moderní Analytická řešení IIoT překračuje přesun stávajících průmyslových procesů a nástrojů do cloudu. Zahrnuje transformaci vašich operací a procesů, přechodu služeb PaaS a využití síly strojového učení a inteligentního Edge k optimalizaci průmyslových procesů.

V následujícím seznamu jsou uvedeny některé typické osoby , kteří by řešení použili a jak by používali toto řešení:

• Správce podniku , který je zodpovědný za celé operace, produkci a administrativní úlohy výrobního závodu.
• Provozní manažer – odpovědnost za produkci určitého počtu součástí.
• Procesy procesu – zodpovídá za návrh, implementaci, řízení a optimalizaci průmyslových procesů.
• Operations Manager – zodpovídá za celkovou účinnost provozu z důvodů snížení nákladů, doba zpracování, vylepšení procesu atd.
• Data – vědecký pracovník – zodpovědný za vytváření a školení prediktivních modelů Machine Learning s využitím historických průmyslových telemetrie.

Následující diagram architektury znázorňuje základní subsystémy, které tvoří řešení IIoT Analytics.

Tato architektura se skládá z řady subsystémů a služeb a využívá komponenty Azure pro průmyslové IoT . Vaše vlastní řešení nemusí používat všechny tyto služby nebo může mít další služby. Tato architektura také uvádí alternativní možnosti služby, kde je to možné.

Průmyslové systémy a zařízení

V procesu výroby jsou průmyslová zařízení (například monitory toků, čerpadla atd.) často geograficky rozptýlená a musí se monitorovat vzdáleně. Jednotky vzdáleného terminálu (RTUs) spojují vzdálená zařízení s centrálním systémem SCADA. RTUs dobře funguje v podmínkách, kdy je připojení přerušované a neexistuje žádný spolehlivý nepřetržitý zdroj napájení.

V diskrétní výrobě jsou průmyslová zařízení (například továrny, systémy dopravníků atd.) propojená PLC a ovládána. Jeden nebo více PLCs může být připojeno k centrálnímu systému SCADA pomocí protokolů, jako jsou Modbus nebo jiné průmyslové protokoly.

V některých případech jsou data ze systémů SCADA předávána a centralizovaná v softwaru historian nebo softwaru (označované také jako proces historian nebo provozní historian). Tyto historians se často nacházejí v sítích řízených IT a mají nějaký přístup k Internetu.

Často jsou průmyslová zařízení a SCADA systémy v uzavřené síti pro řízení procesů (PCN) za jednou nebo více bran firewall bez přímého přístupu k Internetu. Historians často obsahují průmyslová data z různých zařízení a nacházejí se mimo číslo PCN. Připojení k historian je často cesta k nejmenšímu rezistenci, nikoli připojení k SCADA, programu nebo PLC. Pokud není historian k dispozici, pak se připojení k systému lokality nebo SCADA provede jako další logická volba.

Připojení k historian, TRŽNÍmu systému nebo SCADA systému bude záviset na tom, jaké protokoly jsou v tomto systému k dispozici. Řada systémů teď zahrnuje 4,0 standardů v oboru, jako je například OPC UA. Starší systémy můžou podporovat jenom starší protokoly, jako je Modbus, ODBC nebo SOAP. Pokud ano, budete pravděpodobně potřebovat software pro Překlad protokolu , který běží na inteligentním hraničním zařízení.

Inteligentní hrana

Inteligentní hraniční zařízení provádějí určitá zpracování dat na samotném zařízení nebo v bráně pole. Ve většině průmyslových scénářů nemůže být v průmyslovém zařízení nainstalován další software. Důvodem je, že pro připojení průmyslového zařízení ke cloudu se vyžaduje pole brány.

Azure IoT Edge

Pro připojení průmyslového zařízení a systémů ke cloudu doporučujeme použít Azure IoT Edge jako bránu pole pro:

• Překlad protokolů a identit;
• Zpracování a analýza hran; ani
• Dodržování zásad zabezpečení sítě (ISA 95, ISA 99).

Azure IoT Edge je bezplatný Open Source software brány, který běží na různých podporovaných hardwarových zařízeních nebo na virtuálním počítači.

IoT Edge umožňuje spouštění hraničních úloh jako modulů kontejneru Docker. Moduly je možné vyvíjet v několika jazycích pomocí sad SDK, které jsou k dispozici pro Python, Node.js, C#, Java a C. Předem připravené Azure IoT Edge moduly od Microsoftu a partnerů třetích stran jsou k dispozici na webu Azure IoT Edge Marketplace.

Průmyslová data v reálném čase jsou šifrovaná a streamovaná prostřednictvím Azure IoT Edge do Azure IoT Hub pomocí protokolů AMQP 1,0 nebo MQTT 3.1.1. IoT Edge může pracovat v režimu offline nebo přerušované síťové podmínky poskytující možnosti ukládání a předávání .

V rámci IoT Edge modulu runtime jsou k dispozici dva systémové moduly.

• Modul EdgeAgent zodpovídá za to, že se z cloudu odvolá specifikace orchestrace kontejneru (manifest), aby věděl, které moduly se mají spustit. Konfigurace modulu je poskytována jako součást vlákna modulu.
• Modul EdgeHub spravuje komunikaci ze zařízení do Azure IoT Hub a také komunikaci mezi moduly. Zprávy jsou směrovány z jednoho modulu do dalšího pomocí konfigurace JSON.

Azure IoT Edge automatické nasazení lze použít k určení stálé konfigurace pro nová nebo existující zařízení. To poskytuje jedno umístění pro konfiguraci nasazení v tisících Azure IoT Edgech zařízení.

V katalogu zařízení Azure Certified for IoT je k dispozici řada zařízení IoT Edge brány třetích stran.

Vzorce brány

Existují tři způsoby připojení zařízení k Azure přes bránu IoT Edge pole (nebo virtuální počítač):

1. Transparentní – zařízení již mají schopnost odesílat zprávy IoT Hub pomocí AMQP nebo MQTT. Místo posílání zpráv přímo do centra jim místo toho odesílají zprávy do IoT Edge, což jim zase předává IoT Hub. Každé zařízení má v Azure IoT Hubu identitu a zařízení .

2. Překlad protokolu , označovaný také jako neprůhledný model brány. Tento model se často používá k připojení staršího zařízení brownfield (například Modbus) do Azure. Moduly jsou nasazeny do Azure IoT Edge k provedení převodu protokolu. Zařízení musí pro bránu poskytnout jedinečný identifikátor.

3. Překlad identity – v tomto modelu nemohou zařízení komunikovat přímo s IoT Hub (například OPC UA Pub/sub, Devices). Brána je dostatečně inteligentní, aby porozuměla protokolu používanému v podřízených zařízeních, poskytla jim identitu a přeložila primitiva IoT Hubu. Každé zařízení má v Azure IoT Hubu identitu a zařízení.

I když můžete použít některý z těchto vzorů ve vašem řešení IIoT Analytics, na základě vašeho výběru se bude protokol instalovat v průmyslových systémech. Pokud například váš systém SCADA podporuje Ethernet/IP, budete muset použít software pro překlad protokolu pro převod sítě Ethernet/IP na MQTT nebo AMQP. Další pokyny najdete v části připojení k Historians .

IoT Edge brány je možné zřídit ve velkém měřítku s využitím Azure IoT Hub Device Provisioning Service (DPS). DPS je pomocná služba pro IoT Hub, která umožňuje nulovému zřizování za běhu do správného služby IoT Hub bez nutnosti zásahu člověka, takže zákazníci můžou zřizovat miliony zařízení zabezpečeným a škálovatelným způsobem.

OPC UA

OPC UA je následníkem OPC Classic (OPC da, AE, HDA). Standard OPC UA je spravován společností OPC Foundation. Společnost Microsoft byla členem OPC Foundation od 1996 a podporovala OPC UA v Azure od 2016.

Modely informací v oboru a v doméně je možné vytvořit na základě datového modelu OPC UA. Specifikace těchto informačních modelů (označované také jako standardní modely , protože obvykle řeší problém s vyhrazeným oborem) se nazývají doprovodné specifikace. Součinnost infrastruktury OPC UA za účelem výměny těchto průmyslových informačních modelů umožňuje interoperabilitu na sémantické úrovni. OPC UA může používat řadu přenosových protokolů, včetně MQTT, AMQP a UADP.

Společnost Microsoft vyvinula open source komponenty Azure pro průmyslové IoT založené na OPC UA, který implementuje vzor překladu identit:

• OPC se skládá z mikroslužeb a modulu Azure IoT Edge pro připojení cloudu a sítě továrny. OPC s dvojitou platností poskytuje zjišťování, registraci a synchronní vzdálené řízení průmyslových zařízení přes rozhraní REST API.
• OPC Publisher je modul Azure IoT Edge, který se připojuje k existujícím serverům OPC UA a publikuje telemetrická data ze serverů OPC UA ve formátu OPC UA PubSub ve formátu JSON i binárním formátu.
• OPC Vault je mikroslužba, která může konfigurovat, registrovat a spravovat životní cyklus certifikátů pro server OPC UA a klientské aplikace v cloudu.
• Discovery Services je Azure IoT Edge, který podporuje kontrolu sítě a zjišťování OPC UA.

Řešení Microsoft Azure IIoT obsahuje také řadu služeb, rozhraní REST API, skriptů nasazení a konfiguračních nástrojů, které můžete integrovat do analytického řešení IIoT. Ty jsou open source dostupné na GitHub.

Úlohy Edge

Možnost spouštět vlastní moduly nebo moduly třetích stran na hraničních zařízeních je důležitá.

• Pokud chcete na vzniky reagovat co nejrychleji, můžete spustit detekci anomálií nebo spustit Machine Learning v úzce kontrolních smyčkách na hraničních zařízeních.
• Pokud chcete snížit náklady na šířku pásma a vyhnout se přenosu terabajtů nezpracovaných dat, můžete data vyčistit a agregovat místně a pak do cloudu odeslat pouze přehledy k analýze.
• Pokud chcete převést starší průmyslové protokoly, můžete si vyvinout vlastní modul nebo zakoupit modul třetí strany pro překlad protokolů.
• Pokud chcete rychle reagovat na událost v továrně, můžete k detekci této události použít hraniční modul a další modul, který na událost reaguje.

Microsoft a naši partneři na webu Azure Marketplace řadu hraničních modulů, které můžete použít ve svém řešení analýzy IIoT. Překlad protokolů a identit jsou nejběžnější hraniční úlohy používané v rámci analytického řešení IIoT. V budoucnu očekáváte, že se zobrazí další úlohy, jako je řízení pomocí uzavřených smyček pomocí hraničních ML modelů.

Připojení k historii

Běžným vzorem při vývoji analytického řešení IIoT je připojení k historii procesů a streamování dat v reálném čase z historie do Azure IoT Hub. To, jak se to dělá, bude záviset na tom, které protokoly jsou nainstalované a přístupné (to znamená, že nejsou blokované branami firewall) na historii.

Řada partnerů Microsoftu vyvinula moduly nebo řešení pro překlad protokolů a identit, která jsou k dispozici na webu Azure Marketplace.

Někteří dodavatelé historie také poskytují prvotřídní možnosti pro odesílání dat do Azure.

Po nahánění streamování dat v reálném čase mezi vaší historiemi a Azure IoT Hub je důležité exportovat historická data historie a importovat je do analytického řešení IIoT. Pokyny k tomu, jak toho dosáhnout, najdete v tématu Historický příjem dat.

Cloudová brána

Cloudová brána poskytuje cloudové centrum pro zařízení a brány pole, které umožňuje zabezpečené připojení ke cloudu a odesílání dat. Poskytuje také možnosti správy zařízení. Pro cloudovou bránu doporučujeme použít Azure IoT Hub. IoT Hub je hostovaná cloudová služba, která ingestuje události ze zařízení a IoT Edge bran. IoT Hub zajišťuje zabezpečené připojení, příjem událostí, obousměrnou komunikaci a správu zařízení. Když IoT Hub v kombinaci s komponentami Azure Industrial IoT, můžete průmyslových zařízení řídit pomocí cloudových rozhraní REST API.

IoT Hub podporuje následující protokoly:

• MQTT 3.1.1,
• MQTT přes WebSockets
• AMQP 1.0,
• AMQP přes WebSockets a
• HTTPS.

Pokud průmyslové zařízení nebo systém některý z těchto protokolů podporuje, může odesílat data přímo do IoT Hub. Ve většině průmyslových prostředí to není přípustné kvůli branám firewall PCN a zásadám zabezpečení sítě (ISA 95, ISA 99). V takových případech je Azure IoT Edge hraniční brána nainstalovaná v hraniční síti mezi PCN a internetem.

Další kroky

Pokud se chcete se službou doporučenou pro tuto architekturu se se dozvědět víc, přečtěte si sérii se službami v analytickém řešení IIoT.