Қатты сымды релелер мен оқшауланған PLC жүйелерінің алғашқы кезеңдерінен бастап ақылды өндірісті алға жылжытатын ашық әрі өзара үйлесімді архитектураларға дейін өнеркәсіптік коммуникация протоколдарының даму жолы түбегейлі өзгерді. Зауыт еденіндегі автоматтандырудың алғашқы онжылдықтарында басқару контурлары цифрлық аралдар ретінде жұмыс істеді. Контроллерлер детерминирленген логиканы жергілікті деңгейде орындады, бірақ технологиялық шекаралар арқылы телеметриямен алмасу үшін кең көлемде нүктеден нүктеге дейін қатты сым жүргізу немесе арнайы интерфейс карталары қажет болды.

Заманауи технологиялық өндірістер күрделене түскен сайын, нақты уақыттағы диагностикаға, жүйелер арасындағы үйлестіруге және кәсіпорын деңгейіндегі көрнекілікке деген операциялық сұраныс оқшауланған далалық контроллерлердің мүмкіндіктерінен асып түсті. Өзара байланысқан орталарға көшу тек сым арқылы биттерді жіберумен шектелмеді; бұл өнеркәсіптік деректердің құрылымын, контекстік бейнеленуін және далалық құрылғылар, edge контроллерлері мен кәсіпорынның аналитикалық желілері арасында берілуін қайта құруды білдірді.

Зауыттық желілердің негіздері: Modbus, алғашқы PLC жүйелері және протоколдардың бытыраңқылығы

Бағдарламаланатын логикалық контроллерлер 1960 жылдардың соңында өндіріс орындарына енгізілгенде, олар күрделі релелік шкафтарды бағдарламалық жасақтамаға негізделген ladder logic жүйесімен алмастырды. Алайда нысандар кеңейіп, өңдеу желілеріне ондаған дербес PLC орналастырылған кезде, инженерлерге контроллерлердің ішкі регистрлерін аралық релелік сигнал берусіз алмастыруына мүмкіндік беретін стандартталған физикалық және логикалық орта қажет болды.

1979 жылы Modicon (қазіргі Schneider Electric) Modbus стандартын енгізіп, өнеркәсіптік коммуникацияларды түбегейлі өзгертті. RS-485 сияқты сериялық интерфейстер арқылы жұмыс істейтін master/slave (қазіргі client/server) архитектурасы негізінде жасалған Modbus регистр деңгейіндегі деректерді алуды жеңілдететін ашық, роялти төлемін талап етпейтін протокол ұсынды. Оның қарапайымдылығы мен іске асыру жеңілдігі оны кең таралған стандартқа айналдырды — бұл мәртебесін бүгінде миллиондаған жұмыс істеп тұрған endpoint-те сақтап отыр.

Тарихи жетістіктеріне қарамастан, Modbus деректерді көп қажет ететін автоматтандыру орталарында қолданылған кезде құрылымдық шектеулерге тап болады. Modbus-та деректер типтерін, контекстік метадеректерді, уақыт белгісін және pub/sub мүмкіндіктерін қолдайтын жергілікті функциялар жоқ. Аналогтық мәнді алу үшін master контроллері нақты holding register-лерді үздіксіз сұрауы керек. Басқару желілері мыңдаған I/O нүктелерін қамтитындай кеңейген сайын, тұрақты polling өткізу қабілетінің қатты толып кетуіне және кідіріс мәселелеріне әкелді.

Осы шектеулерді еңсеріп, жоғары жылдамдықты детерминирленген басқаруға қол жеткізу үшін ірі автоматтандыру жеткізушілері меншікті fieldbus архитектуралары мен өнімділікке бағдарланған протокол кеңейтімдерін әзірледі:

• Siemens таратылған далалық станциялар, мысалы, Siemens SIMATIC контроллерлері арасында енгізу/шығару деректері мен күрделі диагностикалық жалаушаларды жоғары жылдамдықпен циклдік алмасуды қолдау үшін PROFIBUS (кейінірек PROFINET) технологиясын енгізді.
• Allen-Bradley / Rockwell Automation Data Highway Plus (DH+) және ControlNet технологияларын енгізді, олар кейін Common Industrial Protocol (CIP) арқылы EtherNet/IP технологиясына айналды.
• Mitsubishi Electric шуға төзімді арнайы физикалық қабаттар арқылы жоғары жылдамдықты детерминирленген басқаруды қамтамасыз ету үшін CC-Link технологиясын енгізді.

Бұл далалық шина технологиялары детерминирленген циклдік орындалуды сәтті қамтамасыз еткенімен, «өндірушіге тәуелділік» мәселесін туындатты. Allen-Bradley PLC құрылғысын Siemens жетегімен немесе үшінші тараптың электр энергиясы өлшегішімен байланыстыру үшін күрделі протокол түрлендіргіштері, реттелетін жад карталары және сенімсіз шлюз жабдығы қажет болды, бұл бүкіл пайдалану кезеңіндегі техникалық қызмет көрсету шығындарын арттырды.

Өндірушіге тәуелділіктен арылу: OPC Classic-тен платформадан тәуелсіз OPC UA-ға дейін

Протоколдардың бөлшектенуінен туындаған операциялық қиындықтар автоматтандыру саласын бірыңғай абстракция қабаттарына бет бұруға итермеледі. Әрбір PLC–HMI байланысы үшін арнайы бағдарламалық драйвер жазудың орнына инженерлерге стандартталған аударма интерфейсі қажет болды.

1996 жылы автоматтандыру саласындағы бір топ өндіруші Microsoft компаниясымен бірлесіп, Open Platform Communications (OPC) стандартын әзірледі, ол кейін OPC Classic деп аталды. Microsoft компаниясының OLE, COM және DCOM технологияларына негізделген OPC Classic Data Access (OPC DA), Alarms & Events (OPC AE) және Historical Data Access (OPC HDA) үшін стандартталған клиент-сервер интерфейстерін қалыптастырды. Автоматтандыру жабдығын өндірушіге өз құрылғысына арналған OPC Server ұсыну ғана қажет болды; бұдан кейін OPC талаптарына сай кез келген HMI немесе SCADA бағдарламалық құралы деректерді үздіксіз оқып, жаза алатын.

Алайда өнеркәсіптік желілер жаңғыртылған сайын Microsoft DCOM-ға сүйену айқын операциялық қиындықтар туғызды:

• Операциялық жүйеге тәуелділік: OPC Classic серверлері тек Windows операциялық жүйелерінде жұмыс істей алатын, сондықтан кірістірілген Linux контроллерлері, RTOS құрылғылары және Unix негізіндегі кәсіпорын серверлері қолдау аясынан тыс қалды.
• Қауіпсіздік шектеулері: Брандмауэрлер мен ішкі желі шекаралары арқылы DCOM конфигурациялау аса күрделі болды, өйткені ашық порттар ауқымын талап етті, ал бұл киберқауіпсіздікке елеулі осалдықтар туғызды.
• Семантикалық контекстің болмауы: Деректер негізінен кірістірілген контекстсіз, өлшем бірліктерінсіз немесе тасымалдау кадрына тікелей енгізілген семантикалық метадеректерсіз бастапқы мәндер түрінде берілді.

Осы архитектуралық осалдықтарды шешу үшін OPC Foundation ұйымы 2008 жылы OPC Unified Architecture (OPC UA) стандартын шығарды. OPC UA DCOM-нан бас тартып, TCP/IP және HTTP/HTTPS тасымалдау қабаттарын пайдаланатын ашық, сервистік-бағытталған архитектураға (SOA) көшті. Ең маңыздысы, OPC UA платформадан тәуелсіз, сондықтан оны Linux шеткі шлюздеріне, ендірілген контроллерлерге және бұлттық орталарға тікелей бастапқы түрде біріктіруге болады.

Сонымен қатар, OPC UA нысанға бағытталған ақпараттық модельді енгізді. Оқшауланған жылжымалы үтірлі санды жіберудің орнына, OPC UA деректерді өлшем бірліктері, дабылдың жоғарғы/төменгі шектері, уақыт белгісінің дәлдігі және қол жеткізу құқықтары қамтылған күрделі нысандар ретінде инкапсуляциялайды. Кіріктірілген PKI шифрлауы және x509 сертификаты арқылы аутентификациямен бірге OPC UA қауіпсіз IT/OT конвергенциясының негізін құрайды.

DCS архитектуралары, O-PAS және заманауи гибридті басқару

PLC жүйелері жоғары жылдамдықты дискретті басқаруда тиімді болғанымен, мұнай-химия өңдеуі, электр энергиясын өндіру және арнайы химикаттар өндірісі сияқты технологиялық салалар тарихи тұрғыда бөлінген басқару жүйелеріне (DCS) сүйеніп келді. DCS контроллерлерді, енгізу/шығару ішкі жүйелерін, тарихшы дерекқорларын және оператор жұмыс станцияларын бірыңғай инженерлік ортаға біріктіреді.

Бұрынғы DCS жүйелері жоғары сенімділікті және басқару контурларының резервтелуін қамтамасыз етті. Алайда мұндай тығыз интеграция модульділікке кері әсер етті. Меншікті контроллер желілері, жабық енгізу/шығару шиналары және арнайы конфигурациялау бағдарламалық жасақтамасы зауыт операторларын ондаған жыл бойы бір өндірушінің экожүйесіне тәуелді етті. Бұрынғы DCS жүйесін кеңейту немесе онлайн режимдегі машиналар дірілін бақылау сияқты арнайы үшінші тарап ішкі жүйелерін біріктіру көбіне қымбат инженерлік өзгерістерді талап етті.

1-сурет. Дәстүрлі иерархиялық басқару қабаттарын көрсететін бөлінген басқару жүйесінің (DCS) функционалдық деңгейлері. Сурет Wikipedia Commons материалынан алынған.

Бұл парадигманы бұзу үшін ExxonMobil бастаған ірі өнеркәсіптік операторлар The Open Group ұйымының OPA Forum аясында Open Process Automation Standard (O-PAS) стандартын әзірлеуге бастамашы болды. O-PAS үш негізгі тірекке негізделген аппараттық құралға тәуелсіз, ашық архитектура құруды көздейді:

1. Өзара әрекеттесу: Әртүрлі аппараттық өндірушілердің компоненттеріне арнайы драйвер әзірлемей-ақ, деректерді бастапқы түрде алмасуға мүмкіндік беретін стандартталған байланыс шиналары (OPC UA мүмкіндіктерін пайдалана отырып).
2. Модульдік: Контейнерленген микросервистер мен бөлінген басқару түйіндері (DCN) арқылы бағдарламалық қолданбаларды базалық аппараттық құралдан ажырату.
3. Қауіпсіздік: Әр құрылғы шекарасында IEC 62443 стандарттарына сәйкес кіріктірілген киберқауіпсіздік қамтамасыз етіледі.

Бүгінде заманауи зауыттар гибридті архитектураларды жиі қолданады. Маңызды технологиялық активтер DCS басқару жүйелері сияқты сенімді DCS платформалары арқылы басқарылады, ал қосалқы жабдық, қоршаған ортаны бақылау құрылғылары және арнайы турбомашиналарды қорғау шкафтары актив күйінің параметрлерін ашық, стандартталған протоколдар арқылы тікелей шеткі платформаларға жібереді.

Оқиғаларға негізделген телеметрия: MQTT және өткізу жолағы төмен шеткі желілер

Далалық аспаптар қарапайым дискретті сенсорлардан жүздеген диагностикалық параметрді хабарлай алатын күрделі смарт-трансмиттерлерге дейін дамыған сайын, дәстүрлі клиент-серверлік сұрау/жауап желілерінің операциялық шектеулері айқындала түсті.

1999 жылы Andy Stanford-Clark (IBM) және Arlen Nipper (Arcom, қазіргі Cirrus Link) мұнай және газ құбырларын спутниктік байланыс арқылы бақылау сияқты қашықтағы SCADA қолданбаларындағы өткізу жолағы мен кідіріс шектеулерін шешу үшін Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) протоколын арнайы әзірледі. Мұндай орталарда кідірісі жоғары байланыстар арқылы үздіксіз сауалнама жүргізу қымбат әрі сенімсіз болды.

MQTT бұл қиындықтарды орталық хабар брокерін пайдаланатын оқиғаларға негізделген жариялау/жазылу (Pub/Sub) архитектурасы арқылы шешті:

• Бөлінген байланыс: Шеткі түйіндер (жариялаушылар) мен корпоративтік бағдарламалық жасақтама (жазылушылар) нүктеден нүктеге тікелей байланыс орнатпайды. Олар MQTT брокері арқылы асинхронды түрде байланысады.
• Минималды үстеме шығын: Ықшам 2 байттық тақырыбының арқасында MQTT HTTP/REST API интерфейстерімен немесе күрделі RPC протоколдарымен салыстырғанда өткізу жолағының пайдаланылуын айтарлықтай азайтады.
• Ерекше жағдай бойынша есеп беру (RBE): Далалық құрылғылар деректерді мән анықталған өлі аймақтан немесе күй шегінен асқан жағдайда ғана жариялайды, бұл желі арқылы қажетсіз сауалнама трафигін жояды.
• Күй туралы хабардарлық: «Keep Alive» таймерлері және «Last Will and Testament» (LWT) сияқты мүмкіндіктер шеткі құрылғы кенеттен ажыратылса, брокерге жазылушыларға дереу хабарлауға мүмкіндік береді.

2-сурет. Шеткі түйіндерді орталық қолданбалар брокерлерімен байланыстыратын MQTT желілік архитектурасындағы жариялау/жазылу моделі. Сурет Wikipedia Commons ұсынған.

Қарапайым MQTT икемді деректер жүктемесін тасымалдау механизмін ұсынғанымен, тақырып құрылымдары немесе деректер жүктемелері қалай пішімделетінін стандарттамайды. Осы мәселені шешу үшін өнеркәсіп қауымдастығы Sparkplug B спецификациясын әзірледі. Sparkplug B стандартталған тақырыптар атаулар кеңістігін, ықшам Google Protocol Buffer (Protobuf) деректер жүктемесінің құрылымын және күйді басқару механизмдерін анықтайды. Осылайша, бастапқы MQTT корпоративтік деңгейдегі өнеркәсіптік тасымалдау қабатына айналады.

Заманауи өнеркәсіптік парадигма: Бірыңғай атаулар кеңістігі (UNS) архитектурасы

Ескі сауалнама протоколдарының, оқшауланған OPC серверлерінің және нүктеден нүктеге API қосылымдарының жинақталуы көбіне күрделі «спагетти архитектурасына» әкеледі. Мұндай ортада бір ғана жаңа аналитикалық құралды қосу үшін нысандағы әрбір SCADA түйініне, тарих базасына және MES дерекқорына арнайы қосылымдар орнату қажет болады.

Осы интеграциялық тар орындарды жою үшін заманауи автоматтандыру инженерлері Бірыңғай кеңістік (UNS) архитектурасын енгізіп жатыр. Бірыңғай кеңістік кәсіпорындағы барлық операциялық және бизнес деректері үшін «ақиқаттың бірыңғай дереккөзі» қызметін атқаратын орталықтандырылған, нақты уақыттағы бағдарламалық абстракция қабаты болып табылады.

3-сурет. Барлық ISA-95 кәсіпорын қабаттарындағы нақты уақыттағы деректер ағынын үйлестіретін Бірыңғай кеңістік (UNS) құрылымы. Сурет Wikipedia Commons ұсынған.

Әдетте MQTT Sparkplug B немесе оқиғалар ағыны платформалары арқылы іске асырылатын жариялау/жазылу моделіне негізделген UNS деректерді ISA-95 сияқты стандартты физикалық иерархияларға сәйкес семантикалық түрде құрылымдайды:

Кәсіпорын / Нысан / Аймақ / Желі / Ұяшық / Актив

Толық іске асырылған UNS құрылымында:

• Далалық PLC қозғалтқыш күйін тікелей мынаған жариялайды: Enterprise/Plant_A/Line_2/Mixer/Motor_Speed күй өзгерген кезде.
• SCADA жүйесі нақты уақыттағы операторлық графикаларды көрсету үшін тақырыптар құрылымына жазылады.
• Кәсіпорын активтерін басқару (EAM) жүйесі сол тақырыптар ағынын тыңдап, жұмыс сағаттарын қадағалайды және профилактикалық техникалық қызмет көрсетуді автоматты түрде жоспарлайды.
• Бұлтқа негізделген машиналық оқыту модельдері бірыңғай деректер ағынын қабылдап, далалық контроллерге қосымша сауалнама жүктемесін түсірмей, ақауларды болжамды түрде анықтайды.

UNS арқылы деректер өндірушілерін деректер тұтынушыларынан ажырату арқылы өнеркәсіптік кәсіпорындар қолданыстағы басқару циклдерін қайта жобаламай-ақ, бағдарламалық құралдар мен шеткі сенсорларды қоса, өзгерте немесе масштабтай алады.

Далалық деңгей протоколдарының матрицасы және техникалық салыстыру

Оңтайлы протокол стратегиясын таңдау үшін операциялық экожүйедегі әрбір желі қабатының техникалық өнімділік сипаттамаларын, жүктеме үстеме шығындарын және мақсатты қолданбаларын түсіну қажет:

Нақты архитектураны инженерлік тұрғыдан жобалау: ескі зауыт операцияларын жаңғырту

Жұмыс істеп тұрған brownfield өндірістік зауытын бұрынғы polling желілерінен ашық, оқиғаға негізделген архитектураға көшіру толық жүйелік қайта құруды емес, кезең-кезеңімен жүргізілетін инженерлік тәсілді талап етеді.

PLC-5 немесе ерте ControlLogix жүйелерімен қатар дербес айналмалы механизмдерді қорғау жабдықтары жұмыс істейтін үздіксіз өңдеу нысанын қарастырайық. Барлық ескі жабдықты бір мезетте ауыстыру тоқтап қалу тәуекелдері мен күрделі шығындардың жол берілмейтін деңгейде өсуіне әкеледі. Құрылымдалған үш кезеңді жаңғырту жол картасы практикалық шешім ұсынады:

1. 1-кезең: Edge хаттамаларын түрлендіру қабаты
   Өнеркәсіптік edge-шлюздерді ескі PLC шкафтарының жанына орнатыңыз. Edge-шлюз жергілікті holding-регистрлерді сериялық немесе бұрынғы fieldbus хаттамалары арқылы сұрау салып оқиды да, бастапқы мәндерді құрылымдалған OPC UA түйіндеріне немесе MQTT Sparkplug B тақырыптарына түрлендіреді.
2. 2-кезең: Брокерді орналастыру және UNS құрылымын қалыптастыру
   Жоғары қолжетімділігі бар, резервтелген MQTT брокерін жергілікті инфрақұрылымда орналастырыңыз. Цех аумағында ISA-95 негізіндегі бірыңғай тақырыптар кеңістігін анықтаңыз. Edge-шлюз телеметриясын брокерге бағыттап, базалық PLC сканерлеу уақыттарын немесе басқару логикасын өзгертпей, активтердің нақты уақыттағы көріну мүмкіндігін бірден іске қосыңыз.
3. 3-кезең: Жетілдірілген аналитика мен гибридті басқаруды біріктіру
   Кәсіпорынның деректер тарихнамаларын, бұлттық аналитика қозғалтқыштарын және заманауи HMI жүйелерін жазылушы ретінде UNS жүйесіне тікелей қосыңыз. Бұрынғы контроллерлердің қызмет ету мерзімі аяқталған сайын, оларды OPC UA және MQTT орталарында табиғи түрде жұмыс істейтін, ашық архитектуралы заманауи PAC құрылғыларымен ауыстырыңыз.

Осы модульдік стратегия арқылы өнеркәсіптік нысандар қолданыстағы далалық жабдықтарға салынған инвестицияларын қорғай отырып, заманауи Industry 4.0 операцияларына қажетті деректер икемділігіне, киберқауіпсіздік талаптарына сәйкестікке және масштабталуға қол жеткізеді.