Node-RED و ظهور اتوماسیون صنعتی کم‌کد

چرا Node-RED در اتوماسیون صنعتی توجه را جلب می‌کند

دهه‌ها اتوماسیون صنعتی به شدت به زبان‌های برنامه‌نویسی تخصصی و محیط‌های مهندسی اختصاصی متکی بود. اما امروزه تولیدکنندگان تحت فشارند تا سیستم‌های متصل را سریع‌تر مستقر کنند و در عین حال بار مهندسی را کاهش دهند. این تغییر علاقه به پلتفرم‌های توسعه کم‌کد مانند Node-RED را تسریع کرده است.

Node-RED که در اصل به عنوان ابزاری برنامه‌نویسی رویدادمحور بر پایه Node.js توسعه یافته بود، به یک پلتفرم جدی برنامه‌های لبه صنعتی تبدیل شده است. مهندسان اکنون از آن برای پل زدن بین فناوری عملیاتی (OT) و فناوری اطلاعات (IT) استفاده می‌کنند، به ویژه در استقرارهای IIoT و کارخانه‌های هوشمند.

برخلاف توسعه نرم‌افزار سنتی، Node-RED به مهندسان اجازه می‌دهد برنامه‌ها را به صورت بصری با کشیدن و رها کردن گره‌ها مونتاژ کنند. نتیجه استقرار سریع‌تر، یکپارچه‌سازی ساده‌تر و کاهش وابستگی به تخصص برنامه‌نویسی پیشرفته است.

شکل ۱. Node-RED به یک پلتفرم کم‌کد شناخته‌شده برای برنامه‌های IIoT و محاسبات لبه صنعتی تبدیل شده است.

توسعه کم‌کد جایگاهی در کف کارخانه یافته است

از منطق نردبانی تا گردش‌کارهای بصری

اتوماسیون صنعتی سال‌هاست که برنامه‌نویسی گرافیکی را پذیرفته است. منطق نردبانی PLC، نمودارهای بلوک عملکرد و رابط‌های آموزش ربات همه پیش از محبوب شدن اصطلاح «کم‌کد» پیچیدگی برنامه‌نویسی را کاهش داده‌اند.

Node-RED این فلسفه را به اتوماسیون مدرن مبتنی بر داده گسترش می‌دهد. به جای تمرکز صرف بر توالی‌بندی ماشین، مهندسان اکنون می‌توانند گردش‌کارهایی ایجاد کنند که داده‌ها را بین PLCها، HMIها، پایگاه‌های داده، پلتفرم‌های ابری و سیستم‌های سازمانی منتقل می‌کند.

این قابلیت به ویژه با مدرن‌سازی سیستم‌های کنترل قدیمی برای تولیدکنندگان اهمیت یافته است. تأسیساتی که زیرساخت PLC قدیمی دارند اغلب Node-RED را با پلتفرم‌های Allen-Bradley یا Mitsubishi Electric ترکیب می‌کنند تا جمع‌آوری داده و اتصال به ابر را بدون جایگزینی تجهیزات موجود ساده کنند.

رویکردی متفاوت به نرم‌افزار صنعتی

توسعه نرم‌افزار صنعتی سنتی ممکن است هفته‌ها کدنویسی، تست و اشکال‌زدایی نیاز داشته باشد. Node-RED این روند را به طور چشمگیری تغییر می‌دهد. مهندسان می‌توانند برنامه‌های کاربردی عملیاتی را در عرض چند ساعت با استفاده از گره‌ها و داشبوردهای ارتباطی پیش‌ساخته مستقر کنند.

رابط مبتنی بر مرورگر آن نیز موانع استقرار را کاهش می‌دهد. پس از نصب روی IPC یا سرور لبه، محیط مهندسی از طریق مرورگر وب استاندارد بدون نیاز به نرم‌افزار اختصاصی در ایستگاه کاری قابل دسترسی می‌شود.

شکل ۲. پلتفرم‌های توسعه کم‌کد پیچیدگی نرم‌افزار را کاهش داده و در عین حال استقرار برنامه‌های صنعتی را تسریع می‌کنند.

مزایای فنی پشت رشد Node-RED

ساخته شده برای انتقال داده و اتصال

در هسته خود، Node-RED داده‌ها را بین دستگاه‌ها و لایه‌های نرم‌افزاری پردازش و مسیریابی می‌کند. بارهای داده می‌توانند شامل مقادیر عددی، ساختارهای JSON، وضعیت‌های بولی یا رویدادهای ماشینی تولید شده توسط کنترل‌کننده‌های صنعتی باشند.

این پلتفرم از پروتکل‌هایی که معمولاً در محیط‌های صنعتی یافت می‌شوند پشتیبانی می‌کند، از جمله OPC UA، MQTT، Modbus TCP، HTTP و ارتباط WebSocket. این پشتیبانی گسترده از پروتکل‌ها به Node-RED اجازه می‌دهد به عنوان لایه میان‌افزار سبک‌وزن بین دارایی‌های کارخانه و سیستم‌های تحلیل ابری عمل کند.

از آنجا که پلتفرم روی Node.js اجرا می‌شود، می‌تواند روی پلتفرم‌های سخت‌افزاری جمع‌وجور از دستگاه‌های Raspberry Pi تا IPCهای صنعتی و سرورهای مجازی کار کند.

محاسبات لبه بدون زیرساخت سنگین

معماری‌های مدرن IIoT به طور فزاینده‌ای به محاسبات لبه برای کاهش تأخیر و کمینه کردن ترافیک ابری متکی هستند. Node-RED به طور طبیعی در این استراتژی جای می‌گیرد زیرا می‌تواند داده‌های ماشین را محلی پردازش کند و تنها اطلاعات حیاتی را به سمت بالا ارسال کند.

یک استقرار معمولی سرور لبه را داخل کابینت کنترل قرار می‌دهد. دستگاه به طور همزمان به شبکه ماشین و شبکه سازمانی متصل می‌شود و به عنوان لایه ترجمه امن بین سیستم‌های OT و IT عمل می‌کند.

برای تأسیساتی که زیرساخت اتوماسیون قدیمی را به‌روزرسانی می‌کنند، این رویکرد مسیر مدرنیزه‌سازی مقرون‌به‌صرفه‌ای فراهم می‌کند. مهندسان می‌توانند PLCهای قدیمی، سیستم‌های I/O توزیع‌شده و پلتفرم‌های SCADA را بدون بازطراحی کامل کنترل‌ها ادغام کنند.

شکل ۳. کامپیوترهای صنعتی جمع‌وجور به طور فزاینده‌ای به عنوان دروازه‌های لبه برای برنامه‌های Node-RED در کارخانه‌های متصل خدمت می‌کنند.

دستگاه‌های لبه صنعتی محرک پذیرش هستند

چرا سخت‌افزار Raspberry Pi اهمیت دارد

یکی از دلایل اصلی محبوبیت Node-RED دسترسی آسان به سخت‌افزار است. دستگاه‌های Raspberry Pi آزمایش‌های صنعتی را ارزان کرده‌اند و به مهندسان اجازه می‌دهند بدون هزینه‌های زیرساخت در مقیاس سازمانی، برنامه‌های IIoT را نمونه‌سازی کنند.

تأمین‌کنندگان صنعتی بعداً این مفهوم را با معرفی IPCهای سازگار با ریل DIN با محفظه‌های مقاوم، دامنه دمای عملیاتی گسترده‌تر و پشتیبانی از برق صنعتی گسترش دادند.

پس از استقرار، Node-RED می‌تواند مستقیماً با رابط‌های GPIO، حسگرها، رله‌ها و ماژول‌های ارتباطات صنعتی تعامل داشته باشد. مهندسان می‌توانند به سرعت داشبوردهای ماشین، سیستم‌های پایش محیطی یا برنامه‌های نظارتی سبک‌وزن ایجاد کنند.

گسترش فراتر از نمونه‌سازی اولیه

آنچه که ابتدا به عنوان ابزاری برای جامعه سازندگان شروع شد، اکنون در پلتفرم‌های اتوماسیون تجاری ظاهر می‌شود. فروشندگان صنعتی به طور فزاینده‌ای Node-RED را در اکوسیستم‌های کنترل بومی ادغام می‌کنند و تقاضا برای جریان‌های کاری کم‌کد و انعطاف‌پذیر را می‌شناسند.

برخی تولیدکنندگان اکنون Node-RED را با محصولات ارتباطات صنعتی و دروازه‌های لبه ترکیب می‌کنند تا ترجمه پروتکل را ساده‌تر کنند. در پروژه‌های اتوماسیون توزیع‌شده، زیرساخت ارتباطی از پلتفرم‌هایی مانند سیستم‌های شبکه‌سازی صنعتی نقش مهمی در حفظ جریان داده قابل اعتماد از OT به IT ایفا می‌کند.

شکل ۴. داشبوردهای Node-RED می‌توانند تجسم فرآیند، کنترل‌های اپراتور و تحلیل‌های لبه‌ای را در یک رابط مبتنی بر مرورگر ترکیب کنند.

درون محیط کاری Node-RED

جریان‌ها، گره‌ها و پردازش رویداد

برنامه‌های Node-RED از جریان‌هایی ساخته شده‌اند که از گره‌های به هم پیوسته تشکیل شده‌اند. هر گره وظیفه خاصی مانند فیلتر کردن داده‌ها، تغییر بار، تأخیر در اقدامات یا ارتباط با دستگاه‌های خارجی را انجام می‌دهد.

داده‌ها از چپ به راست در برنامه جریان می‌یابند. مهندسان می‌توانند منطق فرآیند را به صورت بصری دنبال کنند بدون اینکه کد منبع گسترده‌ای بخوانند، که عیب‌یابی و همکاری بین مهندسان کنترل و تیم‌های فناوری اطلاعات را بهبود می‌بخشد.

این پلتفرم همچنین از گره‌های تابع جاوااسکریپت برای سفارشی‌سازی پیشرفته پشتیبانی می‌کند. این رویکرد ترکیبی به مهندسان اجازه می‌دهد سادگی کم‌کد را با انعطاف‌پذیری کامل برنامه‌نویسی در صورت نیاز ترکیب کنند.

یک اکوسیستم باز عظیم

یکی دیگر از مزایای بزرگ، اکوسیستم جامعه باز است. هزاران گره مشارکتی برای پروتکل‌های صنعتی، APIهای ابری، پایگاه‌های داده و پلتفرم‌های تحلیلی در دسترس است.

برخلاف بسیاری از مجموعه‌های نرم‌افزاری صنعتی اختصاصی، Node-RED از مجوزهای زمان اجرا پرهزینه اجتناب می‌کند. این انعطاف‌پذیری آن را برای پروژه‌های آزمایشی، سیستم‌های نظارت از راه دور و سازندگان ماشین که معماری‌های مقیاس‌پذیر توسعه می‌دهند، جذاب می‌کند.

شکل ۵. داشبوردهای مرورگر ایجاد شده با Node-RED می‌توانند عملکرد HMI سبک و داده‌های زنده ماشین را به اپراتورها ارائه دهند.

جایگاه Node-RED در آینده اتوماسیون

Node-RED جایگزین محیط‌های برنامه‌نویسی PLC برای کنترل قطعی ماشین نخواهد شد. سیستم‌های حرکت بلادرنگ، برنامه‌های ایمنی و کنترل فرآیند با سرعت بالا همچنان به کنترل‌کننده‌های صنعتی سنتی نیاز دارند.

با این حال، Node-RED شکاف رو به رشد بین سخت‌افزار اتوماسیون و نرم‌افزار سازمانی را پر می‌کند. با افزایش نیاز کارخانه‌ها به اتصال بیشتر، تحلیل‌های پیش‌بینی و یکپارچه‌سازی ابری، پلتفرم‌های کم‌کد لبه‌ای اهمیت استراتژیک پیدا می‌کنند.

موفق‌ترین تولیدکنندگان در دهه آینده احتمالاً سخت‌افزار کنترل اثبات‌شده را با لایه‌های نرم‌افزاری انعطاف‌پذیر که قادر به سازگاری سریع با نیازهای عملیاتی هستند، ترکیب خواهند کرد. Node-RED با این جهت‌گیری هماهنگ است زیرا اصطکاک توسعه را کاهش می‌دهد و در عین حال انعطاف‌پذیری یکپارچه‌سازی را حفظ می‌کند.

ارزش واقعی آن جایگزینی مهندسان نیست. بلکه با اجازه دادن به تیم‌های اتوماسیون برای تمرکز بر عملکرد سیستم به جای وظایف تکراری زیرساخت نرم‌افزاری، بهره‌وری مهندسی را افزایش می‌دهد.

اولیور گرانت — خبرنگار ارشد سیستم‌های صنعتی
اولیور گرانت بیش از ۱۴ سال تجربه در زمینه پوشش اتوماسیون صنعتی، زیرساخت IIoT و فناوری‌های محاسبات لبه‌ای دارد. سابقه او شامل پروژه‌های یکپارچه‌سازی اتوماسیون با سیستم‌های کنترل فرآیند زیمنس، راکول اتوماسیون، بکهوف اتوماسیون و امرسون در تأسیسات تولید و انرژی است.