Заманауи өнеркәсіптік қолданбаларды басқару үшін нақты уақыттағы деректерді пайдаланудың маңыздылығы

Нақты уақыттағы деректер заманауи зауыт цехтарында неліктен маңызды қажеттілікке айналды

Өнеркәсіптік автоматтандыру енді жеке машиналарды басқаратын оқшауланған контроллерлермен ғана шектелмейді. Қазіргі кәсіпорындар PLC, шеткі құрылғылар, таратылған контроллерлер, сенсорлар және кәсіпорын платформалары арасында жұмыс деректерін үздіксіз алмасатын өзара байланысқан жүйелерге сүйенеді.

Өнеркәсіптік орталар шеткі есептеулер мен Өнеркәсіптік заттар интернеті (IIoT) архитектураларын енгізіп жатқандықтан, нақты уақыттағы деректерді детерминирленген уақыт тәртібімен өңдеу бәсекелік артықшылық емес, негізгі талапқа айналды.

1-сурет. Заманауи өнеркәсіптік операциялық жүйелер өзара байланысқан автоматтандыру активтері арасында детерминирленген орындалуды және синхрондалған байланысты басқаруы тиіс.

CPU тиімділігі мен көптапсырмалылыққа басымдық беретін дәстүрлі кәсіпорындық есептеу жүйелерінен айырмашылығы, өнеркәсіптік басқару жүйелері маңызды операциялардың нақты уақыт терезелерінде орындалуына кепілдік беруі керек. Кідіріс ұзақтығының бірнеше миллисекундқа ауытқуының өзі машиналардың үйлесімді жұмысына, процестің тұрақтылығына немесе қызметкерлердің қауіпсіздігіне әсер етуі мүмкін.

Өнеркәсіптік желілер трафиктің екі мүлдем бөлек түрін тасымалдайды

Өнеркәсіптік автоматтандырудағы ең ірі архитектуралық мәселелердің бірі — операциялық технологиялардың (OT) және ақпараттық технологиялардың (IT) тоғысуы. Екі орта да ортақ инфрақұрылымды пайдаланады, бірақ олардың байланысқа қоятын басымдықтары едәуір ерекшеленеді.

OT трафигі детерминирленген уақыт тәртібін талап етеді

Операциялық технологиялар желілері уақытқа тәуелді басқару функцияларын орындайды. Қозғалыс жүйелері, роботтық манипуляторлар, турбиналарды басқару және жоғары жылдамдықты енгізу/шығару жүйелерін синхрондау болжамды кідіріс пен өте төмен джиттерге тәуелді.

Мысалы, роботтық манипулятор конвейерді бақылау жүйесінен алу командасын алған кезде, байланыс кідірісі тұрақты болуы тиіс. Уақыттың кез келген болжанбайтын ауытқуы өндіріс реттілігін бұзуы немесе жабдыққа зақым келтіруі мүмкін.

Жабдықты қорғаудың озық жүйелерін енгізетін кәсіпорындар активтердің сенімділігі мен жұмыс барысының көрінуін жақсарту үшін детерминирленген байланысты Bently Nevada 3500 жабдықты қорғау жүйелері сияқты техникалық күйді бақылау платформаларымен жиі біріктіреді.

2-сурет. Өнеркәсіптік байланыс инфрақұрылымы детерминирленген басқару трафигін де, өткізу қабілеті жоғары кәсіпорын деректерін де қолдауы тиіс.

IT трафигі өткізу қабілеті мен масштабталуға басымдық береді

Ақпараттық технологиялар жүйелері кәсіпорын орталарында үлкен көлемдегі жұмыс деректерін тасымалдауға бағытталған. Бейне ағындары, бұлттық аналитика, техникалық қызмет көрсету дерекқорлары және есеп беру жүйелері детерминирленген уақыт тәртібінен гөрі өткізу қабілеті мен масштабталуға басымдық береді.

Тарихи тұрғыдан OT және IT жүйелері бөлек жұмыс істеді, өйткені олардың байланыс талаптары үйлеспейтін. Алайда қазіргі өнеркәсіптік кәсіпорындар трафиктің екі түрін де бірыңғай желілік инфрақұрылымда қатар ұстауды барған сайын көбірек талап етеді.

Уақытқа сезімтал желілер өнеркәсіптік Ethernet желілерінің бағытын өзгертуде

Уақытқа сезімтал желілер (TSN) OT және IT тоғысуын қолдайтын ең маңызды технологиялардың біріне айналып келеді. TSN өнеркәсіптік трафик үшін детерминирленген байланыс тәртібін енгізу арқылы стандартты Ethernet мүмкіндіктерін кеңейтеді.

TSN қолданылғанда, маңызды басқару пакеттеріне кепілді жіберу терезелері беріледі, ал маңызы төмен трафик сол физикалық желіні ортақ пайдалана береді. Бұл архитектура оқшауланған басқару желілерін бөлек ұстаумен салыстырғанда аппараттық күрделілікті азайтып, енгізу шығындарын төмендетеді.

Масштабталатын таратылған архитектураларды енгізетін өнеркәсіп өндірушілері TSN үйлесімді контроллерлерді Siemens SIMATIC S7 жүйелерімен және шеткі құрылғыларға қосылған автоматтандыру инфрақұрылымымен жиі біріктіреді.

Кідіріс пен джиттер шикі жылдамдықтан маңыздырақ

Көптеген инженерлер өнеркәсіптік желінің өнімділігін тек өткізу қабілетімен қате байланыстырады. Шын мәнінде, детерминирленген уақыт тәртібі абсолюттік өткізу қабілетінен жиі маңыздырақ.

Кідіріс деректердің межелі жерге қаншалықты жылдам жететінін көрсетеді. Джиттер жіберілімдер арасындағы уақыт ауытқуын өлшейді. Қозғалысты басқаруда, турбиналарды қорғауда және синхрондалған өндірістік процестерде джиттерді бақылау жұмыс тұрақтылығы үшін аса маңызды.

Көп көлемдегі деректерді жіберуге қабілетті желі байланыс уақыты болжанбайтындай өзгерсе, өнеркәсіптік басқару үшін сенімсіз болып қалады.

Электр станциялары нақты уақыттағы архитектуралардың маңызын көрсетеді

Ірі электр энергиясын өндіру нысандары нақты уақыттағы байланыстың өнеркәсіптік автоматтандыруда неліктен таптырмас болғанын айқын көрсетеді.

Заманауи электр станциясында жүздеген таратылған сенсор қысым көрсеткіштері, діріл мәндері, газ концентрациялары және температура өлшемдерін қоса алғанда, жұмыс деректерін үздіксіз жібереді.

3-сурет. Нақты уақыттағы өнеркәсіптік мониторинг сенсорлардан деректерді синхронды жинауға және детерминирленген байланыс инфрақұрылымына тәуелді.

Бұл деректердің едәуір бөлігі өте қысқа уақыт ішінде ғана құнды болады. Егер ол жұмыс терезесінен кешіксе, ақпарат процесті қауіпсіз әрі тиімді басқару шешімдерін қабылдауға жарамсыз болуы мүмкін.

Сондықтан шеткі шлюздерге, таратылған енгізу/шығару жүйелеріне және PLC құрылғыларына сенсор деректерін нақты уақытта өңдеу үшін детерминирленген байланыс мүмкіндіктері қажет. Бұл жүйелер көбіне қатаң уақыт шектеулерімен жұмыс істейтін сымды өнеркәсіптік Ethernet желілерін сымсыз өнеркәсіптік байланыс желілерімен біріктіреді.

Бағдарламалық жасақтама аппараттық құрал сияқты маңызды бола түсуде

Дәстүрлі түрде өнеркәсіптік автоматтандыру инженерлері контроллер аппараттық құралын таңдауға көп көңіл бөлетін. Бүгінде бағдарламалық стек те дәл сондай маңызды.

Қазіргі өнеркәсіптік процессорлар нақты уақыттағы және нақты уақытқа жатпайтын жүктемелерді бір платформаға барған сайын жиі біріктіреді. Бұл инфрақұрылым құнын азайтып, техникалық қызмет көрсетуді жеңілдетеді, бірақ жоғары деңгейде оңтайландырылған операциялық орталарды талап етеді.

Нақты уақыттағы операциялық жүйелер мен өнеркәсіптік Linux дистрибутивтері енді бір аппараттық платформа аясында детерминирленген байланысты, синхрондалған жоспарлауды және қауіпсіз шеткі өңдеуді қолдайды.

4-сурет. Нақты уақыттағы шеткі бағдарламалық жасақтама детерминирленген байланысты, қауіпсіздікті және масштабталатын өнеркәсіптік қолданбаларды басқаруды біріктіреді.

Өнеркәсіптегі келесі тар орын деректердің уақыттылығы болады

Көп жыл бойы өнеркәсіптік цифрландыру негізінен байланыстылықты арттыруға бағытталды. Келесі міндет — сол байланыстылықтың уақыт дәлдігін қамтамасыз ету.

Зауыттар көбірек сенсорларды, машиналық көру жүйелерін, автономды роботтарды, болжамды техникалық қызмет көрсету платформаларын және жасанды интеллектке негізделген аналитикалық құралдарды қосып жатыр. Бұл технологиялар желідегі трафик көлемі мен синхрондау күрделілігін үздіксіз арттырады.

Детерминирленген байланыс өнімділігін сақтай алмайтын кәсіпорындар операциялық жүктемелер ұлғайған сайын сенімділік мәселелеріне жиі тап болады.

Автор пікірі

Көптеген өнеркәсіп операторлары алдағы онжылдықта детерминирленген желілердің қаншалықты маңызды болатынын әлі де жете бағаламайды. Байланыс инфрақұрылымын қайта жобаламай, жалғанған құрылғыларды жай ғана көбейту ақауларын анықтау қиын тұрақсыз автоматтандыру орталарын қалыптастырады.

Ұзақ мерзімді операциялық орнықтылыққа қол жеткізетін өнеркәсіп кәсіпорындары TSN архитектураларына, нақты уақыттағы шеткі есептеулерге және OT/IT байланысын біріктіретін стратегияларға ертерек инвестиция салатын болады. Нақты уақыттағы деректер енді жай ғана оңтайландыру құралы емес — ол қауіпсіз әрі масштабталатын өнеркәсіптік өндірістің негізіне айналып келеді.

Авторы — өнеркәсіптік желілерді, турбиналарды басқару жүйелерін және нақты уақыттағы автоматтандыру платформаларын 14 жыл бойы зерттеп келе жатқан аға өнеркәсіптік жүйелер тілшісі Дэниел Мерсер. Оның тәжірибесіне электр энергиясын өндіру және технологиялық өндіріс кәсіпорындарындағы Siemens, Emerson, Honeywell және Bently Nevada инфрақұрылымдарына қатысты далалық интеграция жобалары кіреді.