Industrie 4.0 este o mișcare care are ramificații importante pentru arhitectura sistemelor de calcul industrial. O direcție esențială a Industriei 4.0 este fuziunea tehnologiei informației (IT) cu tehnologia operațională (OT) care coordonează mașinile-unelte și sistemele de control al proceselor din fabrică. Comunicarea mai intensă între aceste două jumătăți ale unei întreprinderi de producție permite furnizorilor să reacționeze mult mai rapid la schimbările de pe piață. Un al doilea motor este integrarea IT-OT pentru a controla procesele din unitatea de producție într-o manieră orientată foarte mult pe date.
În loc să se construiască linii de producție fixe, în care componentele trec printr-o serie de etape prestabilite pe măsură ce produsul este asamblat, traseul este determinat în timp real pe baza cerințelor produsului și a disponibilității utilajelor de producție în acel moment. Două variante pot fi procesate de utilaje sau celule de producție diferite, în funcție de componentele care trebuie integrate și de gradul de finisare aplicat fiecăreia dintre ele. În principiu, fiecare produs finit care iese din fabrică este personalizat în funcție de cerințele specifice ale cumpărătorului. Personalizarea în masă este percepută ca fiind un factor de creștere a profitabilității și a cotei de piață pentru companiile care o adoptă.
Flexibilitatea este esențială pentru Industrie 4.0
Flexibilitatea este un factor crucial valabil atât pentru infrastructura de calcul, care supraveghează unitatea de producție, cât și pentru mașinile-unelte și sistemele care transportă produsele în curs de execuție către diferitele celule de producție. În trecut, accentul era pus pe insule de automatizare autonomă bazate pe mașini și roboți care executau programe fixe pentru a îndeplini sarcini specifice. Sistemele din Industrie 4.0 au nevoie de un grad mult mai mare de coordonare, nu doar la nivelul fabricii, ci și cu sistemele administrative care programează și expediază comenzile. În același timp, rețelele mai rapide necesare pentru a susține această integrare IT-OT pot fi utilizate pentru a îmbunătăți funcționalitatea mașinilor și a roboților deja existenți în fabrică.
În acest mediu, este posibil să se execute sarcini care presupun o putere de procesare mai mare, fără a necesita actualizări majore ale computerelor industriale și ale sistemelor de control care sunt conectate la mașinile-unelte. Un exemplu este inspecția vizuală asistată de inteligență artificială pentru a verifica calitatea asamblării sau a stratului de acoperire. În schimb, sarcinile pot fi transmise către calculatoare flexibile din atelier în situațiile în care latența este importantă. Alternativ, în cazul în care procesarea locală este insuficientă, sarcinile pot fi transmise către sisteme în cloud, puterea de procesare locală fiind utilizată pentru a comprima imaginile și clipurile video cu scopul de a minimiza timpul și costurile de transfer.
Sistemele pot determina care este cea mai bună abordare în timp real pentru a echilibra utilizarea resurselor de calcul locale în raport cu timpii de răspuns. În cazul în care un model de inteligență artificială relativ simplu, care rulează pe un sistem local, detectează o problemă la un proces de acoperire, datele pot fi transmise în cloud pentru a fi analizate și pentru a verifica dacă nu este vorba despre un defect al mașinilor sau al materiilor prime.
Procesare în rețea pentru îmbunătățirea calității produselor
Cu ajutorul procesării în rețea, devine mai ușor să se adauge la celulele de producție senzori suplimentari și algoritmi care pot fi utilizați pentru a îmbunătăți calitatea generală. De exemplu, schimbările de temperatură și umiditate pot afecta procesele chimice care duc la modificări ale calității vopselei sau ale aderenței dintre suprafețe. În loc să modernizeze utilajele pentru a include acești senzori, cei care adoptă practicile Industrie 4.0 pot atașa interfețele senzorilor la module de calculator care procesează datele în formate ce pot fi utilizate de mașinile-unelte existente. Aceasta este o abordare pe care producătorul britanic de biciclete Brompton a adoptat-o la fabrica sa. Compania a folosit module Raspberry Pi pentru a spori urmărirea produselor în cadrul fabricii, fără a fi nevoită să schimbe utilajele de producție de bază. În prezent, compania a instalat în fabrică peste 100 de module Pi ieftine, oriunde a fost nevoie de sisteme suplimentare de detecție și de captare a datelor.
În Singapore, Jabil, specialist în servicii de producție de echipamente și dispozitive electronice, a adoptat Raspberry Pi ca platformă hardware de bază. Programul de digitalizare a fabricii Jabil permite dezvoltarea, testarea și implementarea cu ușurință și în siguranță a aplicațiilor în sistemele de producție, indiferent de locul în care acestea se află. Elementul comun al acestor cazuri de utilizare a tehnologiei Raspberry Pi constă în gradul ridicat de compatibilitate software între diferitele versiuni de hardware și în capabilitățile de bază ale hardware-ului în sine. Acest lucru face mult mai ușoară mutarea aplicațiilor acolo unde este nevoie de ele sau unde sunt disponibile resurse de calcul.
Integrare software și hardware
Raspberry Pi oferă avantaje esențiale pentru următoarea etapă a Industriei 4.0. Rețelele de calculatoare cu costuri reduse, dar cu capabilități ridicate, trebuie să se integreze pentru a forma un centru de date al fabricii în care aplicațiile se pot muta acolo unde este nevoie de ele și chiar pot migra de la un sistem la altul pe măsură ce se schimbă cerințele. În acest mediu, instrumentele și componentele software dezvoltate inițial pentru centrele de date în cloud sunt adaptate pentru a fi utilizate în sistemele care rulează la marginea fabricii, indiferent dacă aceste sisteme periferice sunt atașate direct la utilajele de producție, amplasate în dulapuri în fabrică sau în microcentre de date din apropiere.
Bazat pe seria de nuclee de microprocesoare Cortex-A dezvoltată de ARM, fiecare Raspberry Pi este un computer multi-nucleu echipat cu o unitate completă de gestionare a memoriei, care include suport pentru sisteme de operare, precum Linux. Aceste sisteme de operare dispun de suport de memorie virtuală și de un număr mare de porturi I/O de mare viteză, toate acestea putând fi alimentate prin intermediul unui simplu port USB. Raspberry Pi 4, de exemplu, se bazează pe un SoC Broadcom cu patru nuclee, cu 1 MB de cache de nivel doi, combinat cu ieșiri video HDMI duale pentru a susține interfețele operatorului și Gigabit Ethernet.
Suportul pentru Linux specific lui Raspberry Pi este vital pentru a permite clienților industriali să beneficieze de avantajele dezvoltării și implementării tehnologiilor de tip ‘cloud computing’. Un element cheie al sistemelor cloud actuale este virtualizarea și containerizarea. Virtualizarea oferă o modalitate de a separa aplicațiile unele de altele mai eficient decât în cazul în care acestea sunt găzduite de același sistem de operare.
În cadrul virtualizării, aplicațiile care rulează într-un sistem de operare nu pot accesa memoria celor care rulează în alt sistem de operare. Toate accesările la I/O sau la memorie în afara propriului spațiu de adrese virtuale sunt supravegheate de un hipervizor. Acesta este un avantaj major în sistemele industriale în care unele programe vor fi esențiale pentru funcționarea unei mașini, dar ar putea avea nevoie să ruleze alături de programe terțe pentru a asigura alte funcții. În cazul în care sunt necesare actualizări pentru unul dintre programe, acestea pot fi efectuate fără a afecta celelalte componente. În plus, suportul pentru Trustzone specific arhitecturii ARM Cortex-A oferă mecanisme de verificare a autenticității imaginilor software înainte ca acestea să fie instalate, precum și de control al accesului acestora la I/O în timpul execuției.
Puterea containerizării și a orchestrării
Virtualizarea impune o supraîncărcare a procesorului din cauza necesității de a intercepta accesările la memorie și I/O. Ca răspuns, industria de ‘cloud-computing’ a dezvoltat tehnologia de containerizare, mai eficientă din punct de vedere al resurselor. Există o serie de caracteristici de securitate integrate direct în Linux care pot fi utilizate pentru a împiedica aplicațiile să corupă memoria din afara spațiului de adrese propriu și care nu antrenează costuri suplimentare generate de intervențiile hipervizorului. O a doua caracteristică importantă a tehnologiilor de tip container, cum ar fi Kata sau Docker, este posibilitatea de a împacheta toate bibliotecile și funcțiile sistemului de care are nevoie o aplicație într-o singură imagine ce poate fi transferată către orice mașină compatibilă din rețea. Aceste biblioteci pot fi complet diferite de cele necesare unui container care rulează pe aceeași mașină. Deoarece containerul izolează aplicația de diferențele de hardware și de software de sistem, rezultatul este un mecanism care garantează că aplicațiile pot rula oriunde există resurse de calcul disponibile.
În cloud, Kubernetes, un instrument de orchestrare open-source creat de Google, este utilizat pentru a încărca, rula, muta și elimina containere în mod automat, pe baza unor reguli stabilite de administratorii de sistem. Instrumente similare se mută acum în sisteme ‘edge’ prin proiecte precum Cassini de la ARM și altele. Combinația dintre containerizare și orchestrare oferă utilizatorilor industriali posibilitatea de a maximiza utilizarea sistemelor lor informatice și de a le face să fie pregătite pentru viitor. O nouă capacitate poate fi adăugată cu ușurință prin adăugarea sau modernizarea modulelor de procesare. Prin intermediul platformei Raspberry Pi, utilizatorii pot face acest lucru într-o manieră extrem de rentabilă și pot profita de capabilitățile de I/O și de rețea integrate pentru a se asigura că toate sistemele din acest centru de date industrial distribuit pot comunica între ele.
Rezultatul arată că Raspberry Pi este mult mai mult decât o platformă ieftină pentru procesare de mare viteză. Datorită migrării tehnologiilor cloud în spațiul de producție, acesta poate deveni fundamentul centrului de date industrial atât de necesar pentru a unifica IT și OT sub umbrela Industrie 4.0.
Autor:
Cliff Ortmeyer, Director Global de Marketing Tehnic, Farnell
https://ro.farnell.com