Защо данните в реално време станаха жизненоважни в съвременните производствени предприятия

Индустриалната автоматизация вече не се ограничава до изолирани контролери, управляващи отделни машини. Съвременните предприятия разчитат на взаимосвързани системи, които непрекъснато обменят оперативни данни между PLC контролери, периферни устройства, разпределени контролери, сензори и корпоративни платформи.

С навлизането на периферните изчисления и архитектурите на Индустриалния интернет на нещата (IIoT) способността за обработка на данни в реално време с детерминирано времево поведение се превърна в основно изискване, а не просто в конкурентно предимство.

Фигура 1. Съвременните индустриални операционни системи трябва да управляват детерминираното изпълнение и синхронизираната комуникация между свързаните компоненти за автоматизация.

За разлика от традиционните корпоративни изчислителни системи, които поставят акцент върху ефективното използване на процесора и многозадачността, индустриалните системи за управление трябва да гарантират, че критичните операции се изпълняват в точно определени времеви интервали. Дори вариации в закъснението от няколко милисекунди могат да повлияят на координацията на машините, стабилността на процеса или безопасността на персонала.

Индустриалните мрежи пренасят два много различни типа трафик

Едно от най-големите архитектурни предизвикателства в индустриалната автоматизация е сливането на оперативните технологии (OT) и информационните технологии (IT). Двете среди споделят инфраструктура, но комуникационните им приоритети се различават значително.

OT трафикът изисква детерминирано времево поведение

Мрежите за оперативни технологии обслужват критични по време функции за управление. Системите за управление на движението, роботизираните ръце, управлението на турбини и синхронизацията на високоскоростни входове/изходи зависят от предвидимо закъснение и изключително малък джитър.

Например, когато роботизиран манипулатор получи команда за захващане от система за проследяване на конвейер, забавянето на комуникацията трябва да остане постоянно. Всяко непредвидимо отклонение във времето може да прекъсне производствената последователност или да повреди оборудването.

Предприятията, внедряващи усъвършенствана защита на машините, често комбинират детерминирана комуникация със системи за мониторинг на състоянието, като системите за защита на машини Bently Nevada 3500, за да подобрят надеждността на активите и оперативната видимост.

Фигура 2. Индустриалната комуникационна инфраструктура трябва да поддържа както детерминиран управляващ трафик, така и корпоративни данни с висок пропускателен капацитет.

IT трафикът поставя акцент върху пропускателната способност и мащабируемостта

Информационните технологии се фокусират върху прехвърлянето на големи количества оперативни данни в корпоративни среди. Видео потоците, облачните анализи, базите данни за поддръжка и системите за отчетност поставят на първо място пропускателната способност и мащабируемостта, а не детерминираното времево поведение.

В миналото OT и IT системите работеха независимо едни от други, тъй като комуникационните им изисквания бяха несъвместими. Съвременните индустриални предприятия обаче все по-често изискват двата типа трафик да съществуват едновременно в обединена мрежова инфраструктура.

Мрежите с чувствителност към времето променят индустриалния Ethernet

Мрежите с чувствителност към времето (TSN) се утвърждават като една от най-важните технологии, подпомагащи сближаването на OT и IT. TSN усъвършенства стандартния Ethernet, като въвежда детерминирано комуникационно поведение за индустриалния трафик.

При TSN критичните управляващи пакети получават гарантирани времеви интервали за предаване, докато некритичният трафик продължава да използва същата физическа мрежа. Тази архитектура намалява сложността на хардуера и понижава разходите за внедряване в сравнение с поддържането на изолирани управляващи мрежи.

Индустриалните производители, внедряващи мащабируеми разпределени архитектури, често интегрират контролери, съвместими с TSN, заедно с платформи като системите Siemens SIMATIC S7 и инфраструктура за автоматизация, свързана с периферни устройства.

Закъснението и джитърът са по-важни от необработената скорост

Много инженери погрешно свързват производителността на индустриалните мрежи единствено с пропускателната способност. В действителност детерминираното времево поведение често е по-важно от абсолютната честотна лента.

Закъснението определя колко бързо данните достигат до местоназначението си. Джитърът измерва вариацията във времето между предаванията. При управление на движението, защита на турбини и синхронизирани производствени процеси контролирането на джитъра е от съществено значение за оперативната стабилност.

Мрежа, способна да предава големи количества данни, става ненадеждна за индустриално управление, ако времето за комуникация се променя непредвидимо.

Електроцентралите показват защо архитектурите в реално време са важни

Големите съоръжения за производство на електроенергия са ярък пример защо комуникацията в реално време се е превърнала в незаменима част от индустриалната автоматизация.

В съвременната електроцентрала стотици разпределени сензори непрекъснато предават оперативни данни, включително показания за налягане, стойности на вибрациите, концентрации на газове и измервания на температурата.

Фигура 3. Индустриалният мониторинг в реално време зависи от синхронизираното събиране на данни от сензори и детерминирана комуникационна инфраструктура.

Голяма част от тези данни остават ценни само за много кратък период. Ако бъдат забавени извън оперативния си времеви прозорец, те може вече да не подпомагат безопасните или ефективни решения за управление на процеса.

Поради това периферните шлюзове, разпределените системи за входове/изходи и PLC контролерите се нуждаят от детерминирани комуникационни възможности, за да обработват данните от сензорите в реално време. Тези системи често комбинират кабелен индустриален Ethernet с безжични индустриални комуникационни мрежи, работещи при строги времеви ограничения.

Софтуерът става също толкова важен, колкото и хардуерът

Традиционно инженерите по индустриална автоматизация се фокусираха основно върху избора на хардуер за контролерите. Днес софтуерният стек е също толкова критичен.

Съвременните индустриални процесори все по-често обединяват натоварванията в реално време и тези извън реално време на една платформа. Това намалява разходите за инфраструктура и опростява поддръжката, но изисква и силно оптимизирани операционни среди.

Операционните системи в реално време и индустриалните дистрибуции на Linux вече поддържат детерминирана комуникация, синхронизирано планиране и сигурна периферна обработка на една и съща хардуерна платформа.

Фигура 4. Периферният софтуер в реално време съчетава детерминирана комуникация, сигурност и мащабируемо управление на индустриални приложения.

Следващото индустриално тясно място ще бъде времето на данните

В продължение на много години индустриалната цифровизация се фокусираше основно върху увеличаването на свързаността. Следващото предизвикателство е да се гарантира точността във времето на тази свързаност.

Фабриките добавят все повече сензори, системи за машинно зрение, автономни роботи, платформи за прогнозна поддръжка и инструменти за анализи, базирани на изкуствен интелект. Тези технологии непрекъснато увеличават обема на мрежовия трафик и сложността на синхронизацията.

Предприятията, които не могат да поддържат детерминирана комуникация, ще се сблъскват с все повече проблеми с надеждността с разрастването на оперативните натоварвания.

Мнение на автора

Много индустриални оператори все още подценяват колко важни ще станат детерминираните мрежи през следващото десетилетие. Простото добавяне на свързани устройства без преосмисляне на комуникационната инфраструктура създава нестабилни среди за автоматизация, които са трудни за диагностициране.

Индустриалните предприятия, които постигнат дългосрочна оперативна устойчивост, ще бъдат тези, които инвестират отрано в TSN архитектури, периферни изчисления в реално време и интегрирани стратегии за OT/IT комуникация. Данните в реално време вече не са просто инструмент за оптимизация — те се превръщат в основата на безопасното и мащабируемо индустриално производство.

Автор: Даниел Мърсър, старши репортер, отразяващ индустриалните системи, с 14 години опит в областта на индустриалните мрежи, системите за управление на турбини и платформите за автоматизация в реално време. Професионалният му опит включва проекти за интеграция на място с инфраструктура на Siemens, Emerson, Honeywell и Bently Nevada в електроцентрали и предприятия за преработваща промишленост.