اهمیت استفاده از داده‌های بلادرنگ برای کنترل کاربردهای صنعتی مدرن

چرا داده‌های بلادرنگ در کف کارخانه‌های مدرن ضروری شده‌اند

اتوماسیون صنعتی دیگر به کنترلرهای مجزایی که هرکدام یک ماشین را اداره می‌کنند، محدود نیست. تأسیسات مدرن اکنون به سیستم‌های به‌هم‌پیوسته‌ای متکی هستند که به‌طور پیوسته داده‌های عملیاتی را میان PLCها، دستگاه‌های لبه، کنترلرهای توزیع‌شده، حسگرها و پلتفرم‌های سازمانی تبادل می‌کنند.

با روی‌آوردن محیط‌های صنعتی به رایانش لبه و معماری‌های اینترنت اشیای صنعتی (IIoT)، توانایی پردازش داده‌های بلادرنگ با زمان‌بندی قطعی، به‌جای یک مزیت رقابتی، به الزامی اساسی تبدیل شده است.

شکل ۱. سیستم‌عامل‌های صنعتی مدرن باید اجرای قطعی و ارتباط همگام‌شده را در میان تجهیزات متصل اتوماسیون مدیریت کنند.

برخلاف سیستم‌های رایانشی سازمانی سنتی که بهره‌وری CPU و چندوظیفگی را در اولویت قرار می‌دهند، سیستم‌های کنترل صنعتی باید تضمین کنند که عملیات حیاتی در بازه‌های زمانی دقیق اجرا می‌شوند. حتی تغییرات چند میلی‌ثانیه‌ای در تأخیر می‌تواند بر هماهنگی ماشین‌ها، پایداری فرایند یا ایمنی کارکنان تأثیر بگذارد.

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 مشترکی دارند، اما اولویت‌های ارتباطی آن‌ها تفاوت چشمگیری دارد.

ترافیک OT به زمان‌بندی قطعی نیاز دارد

شبکه‌های فناوری عملیاتی، عملکردهای کنترلی حساس به زمان را مدیریت می‌کنند. سیستم‌های حرکت، بازوهای رباتیک، کنترل توربین و همگام‌سازی ورودی/خروجی پرسرعت، همگی به تأخیر قابل‌پیش‌بینی و جیتر بسیار کم وابسته‌اند.

برای نمونه، هنگامی که یک دست‌کاری‌کننده رباتیک فرمان برداشتن را از یک سیستم ردیابی نوار نقاله دریافت می‌کند، تأخیر ارتباطی باید ثابت بماند. هرگونه انحراف زمانی پیش‌بینی‌نشده می‌تواند توالی تولید را مختل کند یا به تجهیزات آسیب بزند.

تأسیسات مجهز به سامانه‌های پیشرفته حفاظت از ماشین‌آلات، اغلب ارتباط قطعی را با پلتفرم‌های پایش وضعیت مانند سیستم‌های حفاظت از ماشین‌آلات Bently Nevada 3500 ترکیب می‌کنند تا قابلیت اطمینان تجهیزات و دید عملیاتی را بهبود دهند.

شکل ۲. زیرساخت ارتباطی صنعتی باید هم از ترافیک کنترلی قطعی و هم از داده‌های سازمانی با توان عملیاتی بالا پشتیبانی کند.

ترافیک IT توان عملیاتی و مقیاس‌پذیری را در اولویت قرار می‌دهد

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

در گذشته، سیستم‌های OT و IT به‌صورت مستقل کار می‌کردند، زیرا الزامات ارتباطی آن‌ها با یکدیگر سازگار نبود. بااین‌حال، تأسیسات صنعتی مدرن به‌طور فزاینده‌ای به همزیستی هر دو نوع ترافیک روی یک زیرساخت شبکه یکپارچه نیاز دارند.

شبکه‌سازی حساس به زمان در حال تغییر شکل اترنت صنعتی است

شبکه‌سازی حساس به زمان (TSN) به‌عنوان یکی از مهم‌ترین فناوری‌های پشتیبان همگرایی OT و IT مطرح شده است. TSN با ایجاد رفتار ارتباطی قطعی برای ترافیک صنعتی، اترنت استاندارد را ارتقا می‌دهد.

با TSN، بسته‌های کنترلی حیاتی پنجره‌های انتقال تضمین‌شده دریافت می‌کنند، درحالی‌که ترافیک غیرحیاتی همچنان از همان شبکه فیزیکی استفاده می‌کند. این معماری در مقایسه با حفظ شبکه‌های کنترلی جداگانه، پیچیدگی سخت‌افزار را کاهش داده و هزینه‌های استقرار را پایین می‌آورد.

تولیدکنندگان صنعتی که معماری‌های توزیع‌شده مقیاس‌پذیر را به‌کار می‌گیرند، اغلب کنترلرهای سازگار با TSN را در کنار پلتفرم‌هایی از سیستم‌های Siemens SIMATIC S7 و زیرساخت اتوماسیون متصل به لبه یکپارچه می‌کنند.

تأخیر و جیتر از سرعت خام مهم‌ترند

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

تأخیر مشخص می‌کند داده با چه سرعتی به مقصد می‌رسد. جیتر، تغییرات زمانی میان انتقال‌ها را اندازه‌گیری می‌کند. در کنترل حرکت، حفاظت توربین و فرایندهای تولید همگام‌شده، کنترل جیتر برای پایداری عملیاتی ضروری است.

شبکه‌ای که توانایی انتقال حجم زیادی از داده را دارد، اگر زمان‌بندی ارتباطی آن به‌طور غیرقابل‌پیش‌بینی تغییر کند، برای کنترل صنعتی غیرقابل‌اعتماد می‌شود.

نیروگاه‌ها نشان می‌دهند چرا معماری‌های بلادرنگ اهمیت دارند

تأسیسات بزرگ تولید برق نمونه‌ای روشن از دلیل ضروری‌شدن ارتباطات بلادرنگ در اتوماسیون صنعتی هستند.

در یک نیروگاه مدرن، صدها حسگر توزیع‌شده به‌طور پیوسته داده‌های عملیاتی، ازجمله قرائت‌های فشار، مقادیر ارتعاش، غلظت گازها و اندازه‌گیری‌های دما را ارسال می‌کنند.

شکل ۳. پایش صنعتی بلادرنگ به دریافت همگام‌شده داده‌های حسگر و زیرساخت ارتباطی قطعی وابسته است.

بخش زیادی از این داده‌ها فقط برای مدت بسیار کوتاهی ارزشمند باقی می‌مانند. اگر اطلاعات پس از گذشت پنجره عملیاتی آن دریافت شود، ممکن است دیگر از تصمیم‌گیری ایمن یا مؤثر برای کنترل فرایند پشتیبانی نکند.

بنابراین دروازه‌های لبه، سیستم‌های ورودی/خروجی توزیع‌شده و PLCها برای پردازش بلادرنگ داده‌های حسگر به قابلیت‌های ارتباطی قطعی نیاز دارند. این سیستم‌ها اغلب اترنت صنعتی سیمی را با شبکه‌های ارتباطی صنعتی بی‌سیم که تحت محدودیت‌های زمانی سخت‌گیرانه کار می‌کنند، ترکیب می‌کنند.

نرم‌افزار به‌اندازه سخت‌افزار اهمیت پیدا می‌کند

مهندسان اتوماسیون صنعتی به‌طور سنتی تمرکز زیادی بر انتخاب سخت‌افزار کنترلر داشتند. امروزه پشته نرم‌افزاری به همان اندازه حیاتی است.

پردازنده‌های صنعتی مدرن به‌طور فزاینده‌ای بارهای کاری بلادرنگ و غیربلادرنگ را روی یک پلتفرم واحد یکپارچه می‌کنند. این کار هزینه زیرساخت را کاهش داده و نگهداری را ساده‌تر می‌کند، اما در عین حال به محیط‌های عملیاتی بسیار بهینه‌شده نیاز دارد.

سیستم‌عامل‌های بلادرنگ و توزیع‌های لینوکس صنعتی اکنون از ارتباطات قطعی، زمان‌بندی همگام‌شده و پردازش امن لبه در همان پلتفرم سخت‌افزاری پشتیبانی می‌کنند.

شکل ۴. نرم‌افزار لبه بلادرنگ، ارتباطات قطعی، امنیت و مدیریت مقیاس‌پذیر برنامه‌های صنعتی را ترکیب می‌کند.

گلوگاه صنعتی بعدی، زمان‌بندی داده خواهد بود

سال‌ها دیجیتالی‌سازی صنعتی عمدتاً بر افزایش اتصال تمرکز داشت. چالش بعدی، تضمین دقت زمانی این اتصال است.

کارخانه‌ها حسگرهای بیشتر، سیستم‌های بینایی ماشین، ربات‌های خودکار، پلتفرم‌های نگهداری پیش‌بینانه و ابزارهای تحلیل مبتنی بر هوش مصنوعی اضافه می‌کنند. این فناوری‌ها به‌طور پیوسته حجم ترافیک شبکه و پیچیدگی همگام‌سازی را افزایش می‌دهند.

تأسیساتی که قادر به حفظ عملکرد ارتباطی قطعی نباشند، با گسترش بارهای کاری عملیاتی، با مشکلات فزاینده قابلیت اطمینان مواجه خواهند شد.

دیدگاه نویسنده

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

تأسیسات صنعتی که به تاب‌آوری عملیاتی بلندمدت دست خواهند یافت، آن‌هایی هستند که از همان ابتدا در معماری‌های TSN، رایانش لبه بلادرنگ و راهبردهای یکپارچه ارتباطی OT/IT سرمایه‌گذاری می‌کنند. داده‌های بلادرنگ دیگر فقط ابزاری برای بهینه‌سازی نیستند — بلکه به زیربنای تولید صنعتی ایمن و مقیاس‌پذیر تبدیل می‌شوند.

نوشته دنیل مرسر، گزارشگر ارشد سیستم‌های صنعتی با ۱۴ سال تجربه در پوشش شبکه‌سازی صنعتی، سیستم‌های کنترل توربین و پلتفرم‌های اتوماسیون بلادرنگ. سوابق او شامل پروژه‌های یکپارچه‌سازی میدانی با زیرساخت‌های Siemens، Emerson، Honeywell و Bently Nevada در تأسیسات تولید برق و تولید فرایندی است.