Node-RED و ظهور اتوماسیون صنعتی کم‌کد

چرا Node-RED در اتوماسیون صنعتی مورد توجه قرار گرفته است

اتوماسیون صنعتی برای دهه‌ها به زبان‌های برنامه‌نویسی تخصصی و محیط‌های مهندسی اختصاصی متکی بود. بااین‌حال، امروزه تولیدکنندگان برای استقرار سریع‌تر سیستم‌های متصل و کاهش سربار مهندسی تحت فشار هستند. این تغییر، علاقه به پلتفرم‌های توسعه کم‌کد مانند Node-RED را افزایش داده است.

Node-RED که در ابتدا به‌عنوان ابزاری برای برنامه‌نویسی رویدادمحور و مبتنی بر Node.js توسعه یافت، به یک پلتفرم جدی برای برنامه‌های کاربردی لبه صنعتی تبدیل شده است. مهندسان اکنون از آن برای پل‌زدن میان فناوری عملیاتی (OT) و فناوری اطلاعات (IT)، به‌ویژه در استقرارهای IIoT و کارخانه‌های هوشمند، استفاده می‌کنند.

برخلاف توسعه سنتی نرم‌افزار، Node-RED به مهندسان اجازه می‌دهد با استفاده از گره‌های کشیدن و رها کردن، برنامه‌ها را به‌صورت بصری سرهم‌بندی کنند. نتیجه، استقرار سریع‌تر، یکپارچه‌سازی ساده‌تر و وابستگی کمتر به تخصص پیشرفته برنامه‌نویسی است.

شکل ۱. Node-RED به پلتفرمی شناخته‌شده برای کاربردهای IIoT و رایانش لبه صنعتی تبدیل شده است.

توسعه کم‌کد جای خود را در محیط کارخانه پیدا می‌کند

از منطق نردبانی تا جریان‌های کاری بصری

اتوماسیون صنعتی سال‌هاست برنامه‌نویسی گرافیکی را پذیرفته است. منطق نردبانی PLC، نمودارهای بلوکی تابعی و رابط‌های آموزش ربات، مدت‌ها پیش از رایج شدن اصطلاح «کم‌کد»، پیچیدگی برنامه‌نویسی را کاهش داده بودند.

Node-RED این رویکرد را به حوزه اتوماسیون مدرن و داده‌محور گسترش می‌دهد. مهندسان به‌جای تمرکز صرف بر توالی عملکرد ماشین، اکنون می‌توانند جریان‌های کاری ایجاد کنند که داده‌ها را بین PLCها، HMIها، پایگاه‌های داده، پلتفرم‌های ابری و سیستم‌های سازمانی جابه‌جا می‌کنند.

این قابلیت با مدرن‌سازی سیستم‌های کنترلی قدیمی برای تولیدکنندگان اهمیت ویژه‌ای پیدا کرده است. تأسیسات دارای زیرساخت قدیمی PLC اغلب Node-RED را با پلتفرم‌هایی از Allen-Bradley یا Mitsubishi Electric ترکیب می‌کنند تا جمع‌آوری داده و اتصال به فضای ابری را بدون تعویض تجهیزات موجود ساده‌تر کنند.

رویکردی متفاوت به نرم‌افزار صنعتی

توسعه سنتی نرم‌افزار صنعتی می‌تواند به هفته‌ها کدنویسی، آزمایش و اشکال‌زدایی نیاز داشته باشد. Node-RED این فرایند را به‌طور چشمگیری تغییر می‌دهد. مهندسان می‌توانند با استفاده از گره‌های ارتباطی و داشبوردهای ازپیش‌ساخته، برنامه‌های کاربردی را ظرف چند ساعت مستقر کنند.

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

شکل ۲. پلتفرم‌های توسعه کم‌کد، پیچیدگی نرم‌افزار را کاهش می‌دهند و هم‌زمان استقرار برنامه‌های صنعتی را سرعت می‌بخشند.

مزایای فنی پشت رشد Node-RED

ساخته‌شده برای جابه‌جایی و اتصال داده‌ها

Node-RED در هسته خود، داده‌ها را میان دستگاه‌ها و لایه‌های نرم‌افزاری پردازش و مسیریابی می‌کند. محموله‌ها می‌توانند شامل مقادیر عددی، ساختارهای JSON، وضعیت‌های بولی یا رویدادهای ماشینی تولیدشده توسط کنترلرهای صنعتی باشند.

این پلتفرم از پروتکل‌های رایج در محیط‌های صنعتی، از جمله ارتباطات OPC UA، MQTT، Modbus TCP، HTTP و WebSocket، پشتیبانی می‌کند. این پشتیبانی گسترده از پروتکل‌ها به Node-RED اجازه می‌دهد به‌عنوان یک لایه میان‌افزار سبک میان تجهیزات کارخانه و سامانه‌های تحلیل ابری عمل کند.

از آنجا که این پلتفرم بر پایه Node.js اجرا می‌شود، می‌تواند روی پلتفرم‌های سخت‌افزاری فشرده، از دستگاه‌های Raspberry Pi گرفته تا IPCهای صنعتی و سرورهای مجازی، اجرا شود.

رایانش لبه بدون زیرساخت سنگین

معماری‌های مدرن IIoT برای کاهش تأخیر و به حداقل رساندن ترافیک ابری، بیش‌ازپیش به رایانش لبه متکی هستند. Node-RED به‌طور طبیعی با این راهبرد سازگار است، زیرا می‌تواند داده‌های ماشین را پیش از ارسال تنها اطلاعات حیاتی به لایه‌های بالادستی، به‌صورت محلی پردازش کند.

در یک استقرار معمول، سرور لبه داخل تابلو کنترل قرار می‌گیرد. دستگاه به‌طور هم‌زمان به شبکه ماشین و شبکه سازمانی متصل می‌شود و به‌عنوان یک لایه ترجمه امن میان سامانه‌های OT و IT عمل می‌کند.

برای تأسیساتی که زیرساخت قدیمی اتوماسیون خود را ارتقا می‌دهند، این رویکرد مسیری مقرون‌به‌صرفه برای نوسازی فراهم می‌کند. مهندسان می‌توانند PLCهای قدیمی، سامانه‌های I/O توزیع‌شده و پلتفرم‌های SCADA را بدون بازطراحی کامل سیستم کنترل یکپارچه کنند.

شکل ۳. رایانه‌های صنعتی فشرده به‌طور فزاینده به‌عنوان دروازه‌های لبه برای برنامه‌های Node-RED در کارخانه‌های متصل به کار می‌روند.

دستگاه‌های لبه صنعتی محرک پذیرش هستند

چرا سخت‌افزار Raspberry Pi اهمیت دارد

یکی از دلایل اصلی محبوبیت Node-RED، دسترسی‌پذیری سخت‌افزار است. دستگاه‌های Raspberry Pi آزمایش‌های صنعتی را کم‌هزینه کردند و به مهندسان اجازه دادند بدون هزینه‌های زیرساختی در مقیاس سازمانی، برنامه‌های IIoT را نمونه‌سازی کنند.

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

پس از استقرار، Node-RED می‌تواند مستقیماً با رابط‌های GPIO، حسگرها، رله‌ها و ماژول‌های ارتباطی صنعتی تعامل داشته باشد. مهندسان می‌توانند داشبوردهای ماشین‌آلات، سامانه‌های پایش محیطی یا برنامه‌های سبک نظارتی را به‌سرعت ایجاد کنند.

فراتر رفتن از نمونه‌سازی

آنچه به‌عنوان ابزاری برای جامعه سازندگان آغاز شد، اکنون در پلتفرم‌های تجاری اتوماسیون دیده می‌شود. فروشندگان صنعتی به‌طور فزاینده Node-RED را در اکوسیستم‌های کنترل بومی ادغام می‌کنند و به تقاضا برای گردش‌کارهای انعطاف‌پذیر کم‌کد پاسخ می‌دهند.

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

شکل ۴. داشبوردهای Node-RED می‌توانند بصری‌سازی فرایند، کنترل‌های اپراتور و تحلیل لبه‌ای را در یک رابط واحد مبتنی بر مرورگر ترکیب کنند.

درون محیط گردش‌کار Node-RED

جریان‌ها، گره‌ها و پردازش رویدادها

برنامه‌های Node-RED از جریان‌هایی تشکیل می‌شوند که از گره‌های به‌هم‌پیوسته ساخته شده‌اند. هر گره وظیفه‌ای مشخص انجام می‌دهد؛ مانند پالایش داده‌ها، تغییر محموله‌ها، به‌تعویق انداختن اقدامات یا برقراری ارتباط با دستگاه‌های خارجی.

داده‌ها در برنامه از چپ به راست جریان می‌یابند. مهندسان می‌توانند منطق فرایند را به‌صورت بصری دنبال کنند، بدون آنکه مجبور باشند کد منبع گسترده‌ای را بخوانند؛ این امر عیب‌یابی و همکاری میان مهندسان کنترل و تیم‌های فناوری اطلاعات را بهبود می‌دهد.

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

یک اکوسیستم متن‌باز عظیم

یکی دیگر از مزیت‌های مهم، اکوسیستم جامعه متن‌باز آن است. هزاران گره ارائه‌شده توسط مشارکت‌کنندگان برای پروتکل‌های صنعتی، APIهای ابری، پایگاه‌های داده و پلتفرم‌های تحلیل در دسترس است.

برخلاف بسیاری از مجموعه‌های نرم‌افزاری صنعتی اختصاصی، Node-RED از صدور مجوزهای گران‌قیمت زمان اجرا اجتناب می‌کند. این انعطاف‌پذیری آن را برای پروژه‌های آزمایشی، سامانه‌های پایش از راه دور و سازندگان ماشین که در حال توسعه معماری‌های مقیاس‌پذیر هستند، جذاب می‌سازد.

شکل ۵. داشبوردهای مرورگری ایجادشده با Node-RED می‌توانند قابلیت‌های سبک HMI و داده‌های زنده ماشین را در اختیار اپراتورها قرار دهند.

جایگاه Node-RED در آینده اتوماسیون

Node-RED جایگزین محیط‌های برنامه‌نویسی PLC برای کنترل قطعی ماشین‌آلات نخواهد شد. سیستم‌های حرکت بلادرنگ، کاربردهای ایمنی و کنترل فرایند پرسرعت همچنان به کنترلرهای صنعتی سنتی نیاز دارند.

بااین‌حال، Node-RED شکاف رو‌به‌رشدی را میان سخت‌افزار اتوماسیون و نرم‌افزار سازمانی پر می‌کند. با افزایش نیاز کارخانه‌ها به اتصال‌پذیری، تحلیل پیش‌بینانه و یکپارچه‌سازی ابری، پلتفرم‌های لبه‌ای کم‌کد از نظر راهبردی اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند.

موفق‌ترین تولیدکنندگان در دهه آینده احتمالاً سخت‌افزارهای کنترل اثبات‌شده را با لایه‌های نرم‌افزاری انعطاف‌پذیری ترکیب خواهند کرد که بتوانند به‌سرعت با نیازهای عملیاتی سازگار شوند. Node-RED با این مسیر هم‌خوانی خوبی دارد، زیرا اصطکاک توسعه را کاهش می‌دهد و در عین حال انعطاف‌پذیری یکپارچه‌سازی را حفظ می‌کند.

ارزش واقعی آن در جایگزین کردن مهندسان نیست؛ بلکه با کمک به تیم‌های اتوماسیون برای تمرکز بر قابلیت‌های سیستم، به‌جای وظایف تکراری زیرساخت نرم‌افزار، بهره‌وری مهندسی را افزایش می‌دهد.

الیور گرانت — خبرنگار ارشد سیستم‌های صنعتی
الیور گرانت بیش از ۱۴ سال سابقه در پوشش‌دهی حوزه‌های اتوماسیون صنعتی، زیرساخت IIoT و فناوری‌های رایانش لبه‌ای دارد. سوابق او شامل پروژه‌های یکپارچه‌سازی اتوماسیون با استفاده از سیستم‌های کنترل فرایند زیمنس، راک‌ول اتومیشن، بکهوف اتومیشن و امرسون در تأسیسات تولیدی و انرژی است.