Организация управления мониторингом производственной системы в Индустрии 4.0, с помощью протокола коммуникации Bluetooth Low Energy 6.0

EDN: MEKQRX

В условиях Индустрии 4.0 современное производство все чаще опирается на распределенные системы мониторинга, способные в режиме реального времени отслеживать состояние оборудования и автоматически подстраиваться под изменяющиеся технологические параметры [1-4]. Одним из ключевых решений в этой области является использование протокола Bluetooth Low Energy (BLE), который поддерживает три вида коммуникации: «один-к-одному» (point-to-point), «один-ко-многим» (star) и «многие-ко-многим» (mesh) (рис. 1), что делает его перспективным для различных сценариев мониторинга и диагностики [5-9].

Рис. 1. Основные типы коммуникации в протоколах.

Появление в BLE-датчиках дополнительных вычислительных ресурсов (Edge calculations) открывает новые возможности: наряду с передачей телеметрии они могут выполнять локальный самоконтроль, формировать отдельный аварийный канал и при возникновении критических событий мгновенно передавать приоритетный поток данных в зависимости от выбранной топологии сети (рис. 2). Рассматривая преимущества BLE, в частности, применительно к организации производства, можно отметить - наличие низкого энергопотребления, небольшие габариты модуля и при этом достаточно гибкую архитектуру для обмена данными (что предполагает широкие возможно сти по адаптации мониторинга под разные прои зводственные инфраструктуры) [8, 9, 10].

Рис. 2. Типичные представители портативных датчиков Индустрии 4.0:

cлева Bosch xdk110, справа ABB Ability™ Smart Sensor (которые также поддерживают работу с BLE)

В комплексах мониторинга BLE-модули могут устанавливаться непосредственно на датчики или выступать в роли промежуточных хабов, ретранслирующих информацию в реальном времени. Такая конфигурация позволяет:

• .    оперативно перестраивать сеть датчиков при изменении исследовательской задачи;

• .    снижать нагрузку на энергопотребление (за счёт режима сна и невысокой пиковой передачи) для длительных экспериментов;

• .    расширять радиус действия за счёт сетевых топологий (например, BLE Mesh) [9];

• .    обеспечивать автоматическое обновление прошивки (OTA) и адаптацию системного ПО к новым условиям эксплуатации или меняющимся производственным требованиям (что системно поддерживается в протоколе BLE) [7,8, 9, 10,11].

Таким образом, комплекс, использующий протокол BLE в качестве центрального протокола обмена, отвечает потребностям гибкого и многофункционального мониторинга.

ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТЫ ПРОТОКОЛА BLE В КОМПЛЕКСЕ МОНИТОРИНГА ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СИСТЕМЫ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

Организацию работы протокола BLE в комплексе мониторинга возможно разложить на 3 основных этапа: расчет интегрального индекса актуальности внедрения, выбор эффективного типа коммуникации и непосредственное внедрение. Также, для выявления уровней и принципов взаимодействия модуля BLE с остальными компонентами комплекса мониторинга была предложена концептуальная модель, которая может использоваться при планировании организации производства вместе с данной технологией.

Для организации функционирования протокола BLE в комплексе мониторинга предлагается количественная оценка «готовности» или «сложности» организации его работы, которая представляет собой интегральный индекс, объединяющий четыре ключевых фактора (формула 1):

IBLE   ш1^ specs + ^2^infrastructure + ^3^- personal "I” ^4^- policy , где

• .    Cspecs ^ [0,1] – фактор №1, нормированный индекс сложности технического задания (объём и распределение оборудования);

• .    (-infrastructure ^ [0Д] – фактор №2, индекс готовности инфраструктуры (портативные/ста-ционарные шлюзы, ретрансляторы);

• .    ^personal ^ [0Д] – фактор №3, индекс квалификации и вовлечённости персонала;

• .    ^policy ^ [0,1] – фактор №4, индекс поддержки со стороны политики предприятия по внедрению НТП;

• .    ^Mi – весовые коэффициенты, отражающие относительную важность каждого фактора в конкретном проекте (например, t = 0,3, tD 2 ⁼ 0,25,          ,         ).

При этом интерпретировать формулу 1 возможно следующим образом:

• .    при Isle → 1 система обладает благоприятными условиями для быстрого и надёжного развёртывания BLE-мониторинга;

• .    при I bee → 0 необходима доработка ТЗ, инфраструктуры, обучение персонала или пересмотр политики внедрения.

Исходя из инфраструктуры производственной системы также и вытекает возможность расчета эффективного выбора способа коммуникации внутри данного протокола. На предложенный алгоритм (рис. 3) влияет количество узлов в сети коммуникации, наличие централизованности принятия или передачи данных шлюзом, а также размеры цехов - расстояния между измеряемым объектом и устройством принятия данных (шлюз, мобильный или стационарный).

Рис. 3. Алгоритм выбора наиболее эффективного способа коммуникации по средством BLE, исходя из инфраструктуры производственной системы и технического задания

Помимо всего прочего, из-за наличия в датчиках индустрии 4.0 дополнительных вычислительных мощностей – на их базе возможно внедрить также и специальную адаптированную под мониторинг систему потоков данных, которая включает в себя 3 основных канала коммуникации – управленческий, телеметрии и аварийный.

Их сочетание на примере типа коммуникации один к одному показано на рисунке 4. Как видим показан типичные для мониторинга операции – снятие показаний с датчика и, если они превышают норму – получение аварийного уведомления. Также возможно из-за воздействия внешних или внутренних факторов датчик может снижать свою точность, для компенсации данного явления иногда необходимо прибегнуть к калибровке.

Central                              Peripheral

(Клиент)                                            (Сервер)

Запрос на снятие псказаний

Телеметрия

Снятие показаний с датчика

Аварийное уведомление

Отправка калибровочного коэффициента

Калибровка

Сервисное обслуживание датчика

Запрос на самодиагностику

Отчет после самодиагностики

Рис. 4. Диаграмма последовательности (sequence-диаграмма) работы BLE коммуникации 1 к 1

При этом процесс мониторинга в данном случае будет носить точечный и ручной характер, так как для обмена данных потребуется поиск, подключение и в некоторых случаях ввод пароля пэй-ринга (Pairing, Bonding функционал) BLE устройства.

Свойство коммуникации 1 ко многим, диктует наличие одного Сервера (broadcaster) и множества Клиентов (observer), «слушающих» потоки данных (Рис. 5). В данном случае наличие надежного подключения не требуется – достаточно сканировать полезную нагрузку BLE датчика с нужной частотой, а для его определения необходимо заранее настроить Сервер для вещания нужного паттерна данных (Manufacture ID, MAC-адрес, первичные флаги в полезной нагрузке). Процесс мониторинга в данном случае носит пассивный характер, так как для проверки состояния цехового оборудования достаточно пройти по цеху – принимающее устройство шлюз за это время успеет отсканировать полезные нагрузки вещающих датчиков (прикрепленных к оборудованию), без наличия прямого подключения к ним.

Время

Observer А (Клиент А)

Аварийное уведомление

Телеметрия

Observer В

Broadcaster

Телеметрия

Телеметрия

Телеметрия

Телеметрия

Health check

Рис. 5. Диаграмма последовательности работы типа BLE коммуникации 1 к многим

Рис. 6. Диаграмма последовательности работы типа BLE коммуникации многие ко многим

Также данный тип коммуникации позволяет контролировать сразу множество датчиков одномоментно, не тратя энергию на поддержку постоянного подключения к каждому из них.

Сетевой характер типа коммуникации многие ко многим может применяться для снятия показаний одного оборудования сразу с нескольких его участков, или в качестве ретранслятора каждой ноды его системы, и транслирования сигнала на дальние расстояния (рис. 6). В мониторинге его применение подразумевает фокусирование на самообслуживание комплекса контроля производственной системы или в вариантах ретранслирования данных диагностики.

КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОТЫ BLE КОММУНИКАЦИИ

Рассматривая порядок организации мониторинга на базе коммуникации с BLE, с большего масштаба – основываясь на ГОСТ 17359-2015 (Контроль состояния и диагностика машин), и его рисунка под номером 1 (блок-схема программы контроля состояния оборудования), предлагается концептуальная модель взаимодействия, структуры влияния модулей BLE (и выбранных типов коммуникации) на основные этапы организации работы комплекса мониторинга, контроля состояния оборудования (Рис. 7).

Наибольшее влияние использование BLE типов коммуникации может оказать на 5-8 этапы. После выбора метода измерений и подготовки будущей инфраструктуры датчиков предлагается сконфигурировать сбор данных, управленческо-информационные потоки и определить способ проведения анализа собранных данных (удаленно или на месте измерений). За счет наличия встроенного центра для длительных кастомиризованных вычислений в модуле датчика, требуется следить за поддержкой его автономности, калибровать RSSI (для более точного определения расположения датчиков), поддерживать актуальность ПО (в следствии возможности программирования поведения модуля датчика в течении мониторинга), производить резервирование важных данных (паролей, json скриптов для коммуникации с сервером) и базово проверять его крепление.

В IIoT-системах с распределёнными BLE-датчиками решения о ТО (техническом обслуживании) формируются автоматически на основании телеметрии и аналитики в облаке. При относительно «мягких» отклонениях (например, колебаниях температуры или вибрации до уровня предупреждения) мо -жет быть решено просто продолжить наблюдение, оставив штатный интервал опроса датчиков .

Однако при уверенном выявлении деградации или аномалии по прогнозным моделям облачной аналитики принимаются следующие меры:

• .    Ускоренный сбор данных

Шлюз автоматически уменьшает интервал опроса BLE-датчиков и повышает частоту уведомлений (GATT-Notify) для более детальной картины состояния.

• .    Адаптивная нагрузка оборудования

Пярт им

Поддержка актуального ПО

Поддержка автономности (замы а батарей ■ МЕ-тета»)

Калибровка RSSI (пмммвма твмносы пожиониоовмма)

1. Анализ эффективности

I ВО 224002:2014

I Automation systems

2. Обследование оборудования

ISO 17359:2018

Condition monitoring

3. Анализ надёжности и критичности оборудования

! ГОСТ Р 2 7.303-2021

' Надёжность в технике

7. Определение мероприятий по техническому обслуживанию:

Резервирование

8. Анализ программы

ISO 50001 2018

ГОСТ Р 57330-2016 Ключевые покамтели эффективности лктемыЮиЕ—

4. Выбор стратегии технического обслуживания

Предиктивная

Корректирующая

Превентивная (Профилактика)

5. Выбор метода измерений

150 55001:2014

Asset Management - Management Systems i — — i Bluetooth Core i Specification • (Low Energy) | IEC 62591:2016-i WirelessHART

(радьосеть для • датчиков)

’ 150 10012:2003-i Measurement i management systems i ГОСТ 8.586/

I ГОСТ 8.568 (ГСИ)

Непрерывно

I Анализ:     удаленный i я»тсяе|

На сервере, микросервисе

; Орхаимыци* управа*нмвсхон1нформацж>мны«

' потоков

S. Сбор и анализ данных          пар!»»»»

Сбор данных:

На датчике на устройств* поерььжне |гиартфо|

Рис. 7. Концептуальная модель организации мониторинга производственной системы с использованием протокола BLE и его трех основных типов

Контроллер производственной линии снижает скорость конвейера или мощность приводов в ответ на рост виброуровня, подтопленность или перегрузку.

• .    Визуальный и дистанционный осмотр

В SMS- или push-уведомлении технику приходит просьба подойти к узлу, где приложение автоматически показывает последние 3–5 точек данных и карту Mesh-топологии для локализации неисправности.

• .    Перенос регламентного обслуживания

Центр мониторинга автоматически планирует выезд бригады, выбирая ближайший свободный слот, а приложение напоминает о предстоящем ТО за 24 ч.

• .    Удалённая перепрошивка OTA

После ТО или замены узла BLE-датчика можно дистанционно обновить прошивку по BLE OTA— без физического доступа к модулю.

Если та же точечная BLE-метка фиксирует повторяющиеся отказы, алгоритмы IIoT-аналитики автоматически пересматривают стратегию мониторинга: увеличивают пороги предупреждения, меняют тип характеристики (например, добавляют shock-pulse помимо RMS), либо инициируют обсуждение с производителем узла о конструктивных изменениях.

Учитывая цифровой характер мониторинговой системы с BLE и соответственно производственной системы, необходимо также производить мероприятия по поддержке стабильности ее работы:

• 1.    Аудит используемых методов

• 2.    Пересчёт пороговых значений

• 3.    Дублирование и защита данных

• 4.    Автоматическая корректировка warning-уровней

• 5.    Поддержка квалификации обслуживающего персонала

Каждый квартал платформа формирует отчёт об эффективности сенсорных алгоритмов и их стоимости (BLE-пакеты, облачные вычисления, объёмы хранения). Низкопроизводительные режимы опроса автоматически отключаются на шлюзах.

После крупного ремонта, замены узлов или изменения режима работы система автоматически обновляет базовые RMS- и shock-pulse-пороги. Разовые выбросы сигналов, связанные с изменением условий, не приводят к немедленным перенастройкам.

Вся телеметрия с BLE-датчиков одновременно поступает на шлюз (Edge) и в облачное хранилище, что исключает потерю данных при сбоях связи или оборудования.

Пороги, при достижении которых система инициирует ускоренный сбор данных или безопасную остановку, автоматически пересматриваются после каждого серьёзного обновления оборудования — будь то новый привод, изменение загрузки или параметров процесса.

В связи с нетривиальным устройством работы цифрового мониторинга, следует поддерживать уровень знаний персонала на должном уровне, чтобы использовать цифровые инструменты в полной мере.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Внедрение протокола BLE в комплексы мониторинга производственных систем позволяет существенно повысить гибкость и адаптивность организации производства. За счет низкого энергопотребления, многообразия топологий сети и встроенных вычислительных ресурсов BLE-датчики формируют основу для реализации концепции распределенного мониторинга и предиктивного обслуживания оборудования. Предложенный интегральный индекс актуальности (формула 1) обеспечивает возможность количественной оценки готовности предприятия к внедрению технологии и выделяет ключевые организационные факторы успеха. Концептуальная модель BLE-коммуникаций согласуется с этапами контроля состояния машин по ГОСТ 17359-2015 и подтверждает возможность интеграции в действующие производственные регламенты.

Практическая значимость предложенного подхода заключается в создании универсальной методики планирования и эксплуатации ПАК, поддерживающих функции автоматической диагностики, дистанционного обновления ПО (OTA) и адаптивного управления производственными процессами. Таким образом, использование BLE в системах мониторинга отвечает стратегическим задачам развития организации производства в условиях Индустрии 4.0, обеспечивая повышение надежности оборудования, сокращение времени простоев и оптимизацию эксплуатационных затрат.