De bomen en het bos in het IT landschap
Blog 4 geeft uitleg over real-time systemen
Real-time systemen komen oorspronkelijk uit de meet- en regeltechniek. Deze ontwikkelde zich stormachtig gedurende de hele twintigste eeuw en in de eerste decennia daarna. Een belangrijke stap in de technologische ontwikkeling was de introductie van procescomputers vanaf het midden van de jaren ’60. Daarnaast was de ontwikkeling van telecommunicatie van belang, bijvoorbeeld voor de lucht- en ruimtevaart. Vanaf de jaren ’80 werden communicatiekanalen in fabrieken gebaseerd op het zogenaamde fieldbus concept, waardoor men minder afhankelijk werd van allerlei bedrading. In een fabrieksomgeving vormen real-time systemen vaak onderdeel van manufacturing execution systems (MES).
Wat zijn real-time systemen
De basis van de meet- en regeltechniek wordt gevormd door:
- meetinstrumenten of sensoren, die signalen produceren
- communicatiekanalen, waarlangs meetwaarden worden doorgegeven aan regelaars
- actuatoren, waarmee procesinstellingen kunnen worden aangepast
- regelaars, waarin de gewenste bijstelling van actuatoren wordt bepaald.
In real-time systemen staan niet de objecten, zoals producten, machines of facturen centraal, maar signalen vanuit sensoren en signalen naar actuatoren. Sensoren meten fysische of chemische grootheden en sturen de meetwaarden door naar regelaars. Die regelaars stellen d.m.v. actuatoren processen bij zodanig dat de output van die processen voldoet aan een ingestelde norm. Oorspronkelijk werden alle instrumenten en regelaars uitgevoerd in hardware en was alle communicatie analoog, maar allengs werd alles gedigitaliseerd en werden steeds meer componenten in software uitgevoerd. In de procesindustrie is de term SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) gangbaar voor real-time systemen.
Kostendaling & integratie
In de laatste decennia is de prijs van sensoren voortdurend blijven dalen, zodat steeds meer toepassingen economisch verantwoord werden. De snelle kostendaling van sensoren leidde tot een explosie van toepassingen, vaak cyber-physical systems genoemd, maar ook tot de groei van bijvoorbeeld robotica. Deze groei van toepassingen gaat gepaard aan een groei van behoefte aan integratie. In de eerste plaats gaat het om integratie met transactionele systemen: men wil de status van objecten in transactionele systemen graag automatisch updaten vanuit real-time systemen. Maar ook wil men de normen voor output van processen veelal automatisch aanpassen vanuit transactionele systemen.
Enkele voorbeelden van real-time systemen die integratie nodig hebben met transactionele systemen:
- kapitaalgoederen zoals gereedschapswerktuigen, verpakkingsmachines, industriële pompen, generatoren, transformatoren, transmissiesystemen, worden op afstand gemonitord door de fabrikant om goede werking te kunnen garanderen en behoefte aan onderhoud te kunnen signaleren
- automatische transportmiddelen geven aan welke goederen zij inslaan of uitslaan in magazijnen of op de productievloer en welke locaties daarbij in het geding zijn
- koffiemachines en verkooppunten van snacks geven automatisch aan wat de vullingsgraad is en welke goederen moeten worden bijgevuld
- bewakingssystemen in gebouwen monitoren wie de gebouwen betreedt of verlaat en met welke autorisatie.
Integratie met real-time systemen
Hoe de integratie van real-time systemen met transactionele systemen vorm krijgt komt nu aan de orde. Sensoren produceren voortdurend meetwaarden, bijvoorbeeld elke milliseconde. Transactionele systemen raken zwaar overbelast als zij van allerlei sensoren voortdurend een stroom berichten krijgen. Daarom zijn er een aantal verschillende principes, ook wel patronen genaamd, om al deze data in goede banen te leiden:
- Vaak is sprake van het periodiek doorgeven (bemonsteren) van meetwaarden: bijvoorbeeld eenmaal per minuut wordt de temperatuur en druk van een vat doorgegeven; wanneer de combinatie van temperatuur en druk een kritische grens bereikt, wordt de status van een object in een transactioneel systeem veranderd. De programmatuur om de kritische grens te berekenen kan zowel in het real-time systeem als in het transactionele systeem worden geïmplementeerd.
- Bij het meten van stromen van vloeistof, gas of elektriciteit wil men de meetwaarden van stroomsterkte integreren om tot volumina te komen; hierbij wordt bijvoorbeeld per uur of per dag bemonsterd en worden volumina doorgegeven.
- Tenslotte komt het vaak voor dat aan bepaalde condities moet zijn voldaan om een meetwaarde door te geven. Bijvoorbeeld: een truck is gearriveerd bij de poort van het volgende bezoekadres. Dit resulteert dan in een transactie van het object ‘geplande rit’ binnen een transactioneel systeem.
Cyber-physical systems
De combinatie van real-time systemen met transactionele systemen wordt soms cyber-physical systems genoemd. Het gaat hierbij om fysieke systemen waarvan de monitoring en aansturing op afstand gebeurt. Rond de eeuwwisseling werden internetprotocollen geïntroduceerd om communicatie in cyber-physical systems te vergemakkelijken. Met bijbehorende risico’s voor beveiliging.
Internet of things
Daarbij krijgen steeds meer fysieke objecten hun eigen internet adres (IP-adres), zodat zij ook onderling kunnen communiceren. Dit noemt men wel: het internet of things. Hierbij is dus sprake van integratie tussen verschillende real-time systemen.
Door fysieke objecten uit te rusten met kunstmatige intelligentie kunnen deze objecten meer autonomie krijgen en kan het onderlinge verkeer tussen fysieke objecten verder groeien. Daarbij is ongetwijfeld veel aandacht nodig voor de veiligheid van levende wezens en voor de beveiliging van steeds complexere systemen.
Digital twin
In onze vorige blog over documentaire systemen vertelden wij dat de historie van fysieke objecten in toenemende mate wordt vastgelegd in een zgn. digital twin. Dit is een systeem waarin allereerst de ontwerp documenten van het betreffende fysieke product worden vastgelegd en vervolgens ook de parameters en meetwaarden vanuit sensoren tijdens productie en gebruik van het fysieke product. Hoe deze meetwaarden worden vastgelegd, verloopt ongeveer volgens dezelfde principes als uiteengezet bij integratie van real-time systemen naar transactionele systemen.
Daarnaast is er nog een vorm van integratie waarbij de normen vanuit diverse systemen worden doorgegeven aan real-time systemen. Denk maar aan CAD-CAM integratie, waarbij het voorschrift voor een bewerkingsmachine in de vorm van een CAM file wordt gedownload vanuit een documentair systeem. Maar ook kan de norm voor een geregeld systeem in de procesindustrie worden ingebracht vanuit een transactioneel systeem.
Advanced planning
Tenslotte is er behoefte om integraties van real-time systemen met advanced planning systems te realiseren. Zulke systemen plannen bijvoorbeeld intern transport met Automated guided vehices (AGVs) en moeten dan wel precies op de hoogte zijn van de actuele status van een AGV en de getransporteerde goederen; iets soortgelijks geldt voor extern transport, waarbij het van groot belang is of een truck voor sluitingstijd binnen de poort is van een bezoekadres. Vergelijkbare behoefte aan real-time informatie bestaat bij productieplanning m.b.t. de status van machines en gereedschappen, de beschikbaarheid van mensen, materialen en hulpmiddelen enzovoorts. De principes voor integratie zijn veelal vergelijkbaar met de principes die zijn besproken voor transactionele systemen. In onze volgende en tevens laatste blog van deze serie, gaan we dieper op dit onderwerp in.
Tot slot
Real-time systemen nemen een enorme vlucht en ontstaan op allerlei gebied. Real-time systemen verschillen van transactionele systemen en van documentaire systemen, omdat in real-time systemen niet zozeer objecten centraal staan, maar signalen vanuit sensoren en signalen naar actuatoren. De vele sensoren genereren een massale hoeveelheid data, waarmee voortdurend rekening moet worden gehouden bij het ontwerpen van integraties.
Omdat deze serie blogs gaat over typen applicaties in een applicatielandschap is hier vooral aandacht gegeven aan deze integratie problematiek.
Meer weten?
Lees dan ook onze andere blogs. Of neem contact op met Mobina via insights@mobina-services.nl.
En lees onze andere blogs over het IT-landschap:
Blog 1: Een introductie in de bomen en het bos van het IT-landschap
Blog 2: Helderheid over Transactionele systemen
Blog 3: Helderheid over Documentaire systemen
Mobina
Mastering complexity
