اهمیت استفاده از داده‌های زمان واقعی برای کنترل برنامه‌های صنعتی مدرن

چرا داده‌های زمان واقعی در کارخانه‌های مدرن ضروری شده‌اند

اتوماسیون صنعتی دیگر محدود به کنترل‌کننده‌های جداگانه‌ای که ماشین‌آلات منفرد را اداره می‌کنند نیست. تأسیسات مدرن اکنون بر سیستم‌های متصل به هم تکیه دارند که به‌طور مداوم داده‌های عملیاتی را بین PLCها، دستگاه‌های لبه، کنترل‌کننده‌های توزیع‌شده، حسگرها و پلتفرم‌های سازمانی تبادل می‌کنند.

با پذیرش محاسبات لبه و معماری‌های اینترنت صنعتی اشیاء (IIoT) در محیط‌های صنعتی، توانایی پردازش داده‌های زمان واقعی با زمان‌بندی قطعی به یک نیاز اساسی تبدیل شده است، نه صرفاً یک مزیت رقابتی.

شکل ۱. سیستم‌های عامل صنعتی مدرن باید اجرای قطعی و ارتباط همزمان بین دارایی‌های اتوماسیون متصل را مدیریت کنند.

برخلاف سیستم‌های رایانه‌ای سنتی سازمانی که کارایی CPU و چندوظیفگی را اولویت می‌دهند، سیستم‌های کنترل صنعتی باید تضمین کنند که عملیات حیاتی در بازه‌های زمانی دقیق اجرا شوند. حتی میلی‌ثانیه‌های تغییر در تأخیر می‌تواند هماهنگی ماشین‌ها، پایداری فرآیند یا ایمنی پرسنل را تحت تأثیر قرار دهد.

شبکه‌های صنعتی دو نوع ترافیک کاملاً متفاوت را حمل می‌کنند

یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های معماری در اتوماسیون صنعتی، همگرایی فناوری عملیاتی (OT) و فناوری اطلاعات (IT) است. هر دو محیط زیرساخت مشترک دارند، اما اولویت‌های ارتباطی آن‌ها به طور قابل توجهی متفاوت است.

ترافیک OT نیازمند زمان‌بندی قطعی است

شبکه‌های فناوری عملیاتی وظایف کنترل حساس به زمان را مدیریت می‌کنند. سیستم‌های حرکتی، بازوهای رباتیک، کنترل‌های توربین و همگام‌سازی ورودی/خروجی با سرعت بالا همه به تأخیر پیش‌بینی‌پذیر و نوسان بسیار کم وابسته‌اند.

برای مثال، وقتی یک بازوی رباتیک فرمان برداشتن از سیستم ردیابی نقاله دریافت می‌کند، تأخیر ارتباطی باید ثابت بماند. هر انحراف زمانی غیرقابل پیش‌بینی می‌تواند ترتیب تولید را مختل کرده یا به تجهیزات آسیب برساند.

تأسیسات مجهز به حفاظت پیشرفته ماشین‌آلات معمولاً ارتباط قطعی را با پلتفرم‌های پایش وضعیت مانند سیستم‌های حفاظت ماشین‌آلات بنتلی نوادا ۳۵۰۰ ترکیب می‌کنند تا قابلیت اطمینان دارایی‌ها و دید عملیاتی را بهبود بخشند.

شکل ۲. زیرساخت ارتباطات صنعتی باید هم ترافیک کنترل قطعی و هم داده‌های سازمانی با توان بالا را پشتیبانی کند.

ترافیک IT اولویت را به توان عملیاتی و مقیاس‌پذیری می‌دهد

سیستم‌های فناوری اطلاعات بر انتقال حجم زیادی از داده‌های عملیاتی در محیط‌های سازمانی تمرکز دارند. جریان‌های ویدئویی، تحلیل‌های ابری، پایگاه‌های داده نگهداری و سیستم‌های گزارش‌دهی پهنای باند و مقیاس‌پذیری را به جای زمان‌بندی قطعی اولویت می‌دهند.

در گذشته، سیستم‌های OT و IT به دلیل ناسازگاری نیازهای ارتباطی، به طور مستقل عمل می‌کردند. اما امروزه تأسیسات صنعتی مدرن به طور فزاینده‌ای نیازمند همزیستی هر دو نوع ترافیک در یک زیرساخت شبکه یکپارچه هستند.

شبکه‌بندی حساس به زمان در حال بازتعریف اترنت صنعتی است

شبکه‌بندی حساس به زمان (TSN) به عنوان یکی از مهم‌ترین فناوری‌ها در حمایت از همگرایی OT و IT ظهور کرده است. TSN اترنت استاندارد را با معرفی رفتار ارتباطی قطعی برای ترافیک صنعتی بهبود می‌بخشد.

با TSN، بسته‌های کنترل حیاتی پنجره‌های انتقال تضمین‌شده دریافت می‌کنند در حالی که ترافیک غیرحیاتی به اشتراک‌گذاری همان شبکه فیزیکی ادامه می‌دهد. این معماری پیچیدگی سخت‌افزاری را کاهش داده و هزینه‌های استقرار را نسبت به حفظ شبکه‌های کنترل جداگانه پایین می‌آورد.

تولیدکنندگان صنعتی که معماری‌های توزیع‌شده مقیاس‌پذیر را پیاده‌سازی می‌کنند، اغلب کنترل‌کننده‌های سازگار با TSN را در کنار پلتفرم‌های سیستم‌های زیمنس SIMATIC S7 و زیرساخت اتوماسیون متصل به لبه ادغام می‌کنند.

تأخیر و نوسان مهم‌تر از سرعت خام هستند

بسیاری از مهندسان به اشتباه عملکرد شبکه صنعتی را تنها با توان عملیاتی مرتبط می‌دانند. در واقع، زمان‌بندی قطعی اغلب از پهنای باند مطلق مهم‌تر است.

تأخیر نشان می‌دهد داده‌ها چقدر سریع به مقصد می‌رسند. نوسان میزان تغییر زمان‌بندی بین انتقال‌ها را اندازه‌گیری می‌کند. در کنترل حرکت، حفاظت توربین و فرآیندهای تولید همگام، کنترل نوسان برای پایداری عملیاتی ضروری است.

یک شبکه که قادر به انتقال حجم زیادی از داده‌ها است، اگر زمان‌بندی ارتباط به طور غیرقابل پیش‌بینی تغییر کند، برای کنترل صنعتی غیرقابل اعتماد می‌شود.

نیروگاه‌ها نشان می‌دهند چرا معماری‌های زمان واقعی اهمیت دارند

تأسیسات بزرگ تولید برق نمونه‌ای قوی از اهمیت ارتباطات زمان واقعی در اتوماسیون صنعتی ارائه می‌دهند.

در یک نیروگاه مدرن، صدها حسگر توزیع‌شده به طور مداوم داده‌های عملیاتی شامل فشار، لرزش، غلظت گاز و دما را ارسال می‌کنند.

شکل ۳. پایش صنعتی زمان واقعی به همگام‌سازی جمع‌آوری حسگر و زیرساخت ارتباطی قطعی وابسته است.

بخش زیادی از این داده‌ها تنها برای مدت کوتاهی ارزشمند هستند. اگر پس از بازه عملیاتی خود تأخیر داشته باشند، ممکن است دیگر برای تصمیم‌گیری‌های ایمن یا مؤثر در کنترل فرآیند قابل استفاده نباشند.

درگاه‌های لبه، سیستم‌های ورودی/خروجی توزیع‌شده و PLCها بنابراین نیازمند قابلیت‌های ارتباطی قطعی برای پردازش داده‌های حسگر در زمان واقعی هستند. این سیستم‌ها اغلب اترنت صنعتی سیمی را با شبکه‌های ارتباطی بی‌سیم صنعتی که تحت محدودیت‌های زمانی سخت‌گیرانه عمل می‌کنند، ترکیب می‌کنند.

نرم‌افزار به اندازه سخت‌افزار اهمیت پیدا کرده است

مهندسان اتوماسیون صنعتی به طور سنتی تمرکز زیادی بر انتخاب سخت‌افزار کنترل‌کننده داشتند. امروزه، پشته نرم‌افزاری به همان اندازه حیاتی است.

پردازنده‌های صنعتی مدرن به طور فزاینده‌ای بارهای کاری زمان واقعی و غیرزمان واقعی را روی یک پلتفرم واحد تلفیق می‌کنند. این امر هزینه زیرساخت را کاهش داده و نگهداری را ساده می‌کند، اما نیازمند محیط‌های عملیاتی بسیار بهینه‌شده است.

سیستم‌های عامل زمان واقعی و توزیع‌های لینوکس صنعتی اکنون از ارتباط قطعی، زمان‌بندی همگام و پردازش امن لبه در همان پلتفرم سخت‌افزاری پشتیبانی می‌کنند.

شکل ۴. نرم‌افزار لبه زمان واقعی ارتباط قطعی، امنیت و مدیریت مقیاس‌پذیر برنامه‌های صنعتی را ترکیب می‌کند.

گلوگاه صنعتی بعدی، زمان‌بندی داده‌ها خواهد بود

برای سال‌ها، دیجیتالی شدن صنعتی عمدتاً بر افزایش اتصال تمرکز داشت. چالش بعدی اطمینان از دقت زمان‌بندی آن اتصال است.

کارخانه‌ها حسگرهای بیشتری، سیستم‌های بینایی ماشین، ربات‌های خودران، پلتفرم‌های نگهداری پیش‌بینی و ابزارهای تحلیل مبتنی بر هوش مصنوعی اضافه می‌کنند. این فناوری‌ها به طور مداوم حجم ترافیک شبکه و پیچیدگی همگام‌سازی را افزایش می‌دهند.

تأسیساتی که قادر به حفظ عملکرد ارتباط قطعی نباشند، با گسترش بارهای کاری عملیاتی با مشکلات روایی فزاینده‌ای مواجه خواهند شد.

نظر نویسنده

بسیاری از اپراتورهای صنعتی هنوز اهمیت شبکه‌بندی قطعی را در دهه آینده دست کم می‌گیرند. صرفاً افزودن دستگاه‌های متصل بدون بازطراحی زیرساخت ارتباطی، محیط‌های اتوماسیون ناپایداری ایجاد می‌کند که عیب‌یابی آن‌ها دشوار است.

تأسیسات صنعتی که به مقاومت عملیاتی بلندمدت دست می‌یابند، آن‌هایی خواهند بود که زودهنگام در معماری‌های TSN، محاسبات لبه زمان واقعی و استراتژی‌های ارتباطی یکپارچه OT/IT سرمایه‌گذاری می‌کنند. داده‌های زمان واقعی دیگر فقط یک ابزار بهینه‌سازی نیستند — بلکه پایه تولید صنعتی ایمن و مقیاس‌پذیر شده‌اند.

نوشته دنیل مرسر، خبرنگار ارشد سیستم‌های صنعتی با ۱۴ سال تجربه در پوشش شبکه‌های صنعتی، سیستم‌های کنترل توربین و پلتفرم‌های اتوماسیون زمان واقعی. سابقه او شامل پروژه‌های یکپارچه‌سازی میدانی با زیرساخت‌های زیمنس، امرسون، هانیول و بنتلی نوادا در تأسیسات تولید برق و فرآیندهای تولید است.