Znaczenie wykorzystywania danych w czasie rzeczywistym do sterowania nowoczesnymi aplikacjami przemysłowymi

Dlaczego dane w czasie rzeczywistym stały się niezbędne na współczesnych halach produkcyjnych

Automatyka przemysłowa nie ogranicza się już do odizolowanych sterowników obsługujących pojedyncze maszyny. Współczesne zakłady polegają obecnie na połączonych systemach, które nieustannie wymieniają dane operacyjne między sterownikami PLC, urządzeniami brzegowymi, sterownikami rozproszonymi, czujnikami i platformami przedsiębiorstwa.

W miarę jak środowiska przemysłowe wdrażają przetwarzanie brzegowe oraz architektury Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT), możliwość przetwarzania danych w czasie rzeczywistym z deterministycznym taktowaniem stała się podstawowym wymaganiem, a nie przewagą konkurencyjną.

Rysunek 1. Współczesne przemysłowe systemy operacyjne muszą zarządzać deterministycznym wykonywaniem zadań i zsynchronizowaną komunikacją między połączonymi zasobami automatyki.

W przeciwieństwie do tradycyjnych systemów informatycznych przedsiębiorstw, które stawiają na wydajność procesora i wielozadaniowość, przemysłowe systemy sterowania muszą gwarantować wykonywanie krytycznych operacji w precyzyjnych przedziałach czasowych. Nawet różnice w opóźnieniu rzędu milisekund mogą wpływać na koordynację maszyn, stabilność procesu lub bezpieczeństwo personelu.

Sieci przemysłowe przenoszą dwa zupełnie różne rodzaje ruchu

Jednym z największych wyzwań architektonicznych w automatyce przemysłowej jest konwergencja technologii operacyjnej (OT) i informatycznej (IT). Oba środowiska współdzielą infrastrukturę, lecz ich priorytety komunikacyjne znacznie się różnią.

Ruch OT wymaga deterministycznego taktowania

Sieci technologii operacyjnej obsługują funkcje sterowania wrażliwe na czas. Układy ruchu, ramiona robotów, sterowanie turbinami i synchronizacja szybkich modułów wejścia/wyjścia zależą od przewidywalnych opóźnień i niezwykle małego fluktuowania opóźnień.

Na przykład gdy manipulator robotyczny otrzymuje polecenie pobrania elementu z systemu śledzenia przenośnika, opóźnienie komunikacji musi pozostać stałe. Każde nieprzewidywalne odchylenie czasowe może zakłócić sekwencję produkcji lub uszkodzić urządzenia.

Zakłady wdrażające zaawansowaną ochronę maszyn często łączą deterministyczną komunikację z platformami monitorowania stanu, takimi jak systemy ochrony maszyn Bently Nevada 3500, aby zwiększyć niezawodność zasobów i widoczność operacyjną.

Rysunek 2. Infrastruktura komunikacji przemysłowej musi obsługiwać zarówno deterministyczny ruch sterujący, jak i wysokoprzepustowe dane przedsiębiorstwa.

Ruch IT stawia na przepustowość i skalowalność

Systemy informatyczne koncentrują się na przesyłaniu dużych ilości danych operacyjnych w środowiskach przedsiębiorstwa. Strumienie wideo, analityka chmurowa, bazy danych utrzymania ruchu i systemy raportowania priorytetowo traktują przepustowość oraz skalowalność, a nie deterministyczne taktowanie.

Historycznie systemy OT i IT działały niezależnie, ponieważ ich wymagania komunikacyjne były niezgodne. Jednak współczesne zakłady przemysłowe coraz częściej wymagają współistnienia obu rodzajów ruchu w ramach ujednoliconej infrastruktury sieciowej.

Sieci deterministyczne wrażliwe na czas zmieniają przemysłowy Ethernet

Sieci deterministyczne wrażliwe na czas (TSN) wyłaniają się jako jedna z najważniejszych technologii wspierających konwergencję OT i IT. TSN rozszerza standardowy Ethernet, wprowadzając deterministyczne zachowanie komunikacji dla ruchu przemysłowego.

Dzięki TSN krytyczne pakiety sterujące otrzymują gwarantowane okna transmisji, podczas gdy ruch niekrytyczny nadal współdzieli tę samą sieć fizyczną. Taka architektura ogranicza złożoność sprzętu i obniża koszty wdrożenia w porównaniu z utrzymywaniem odizolowanych sieci sterujących.

Producenci przemysłowi wdrażający skalowalne architektury rozproszone często integrują sterowniki zgodne z TSN z platformami systemów Siemens SIMATIC S7 oraz infrastrukturą automatyki połączoną z urządzeniami brzegowymi.

Opóźnienie i fluktuowanie opóźnień są ważniejsze niż sama prędkość

Wielu inżynierów błędnie utożsamia wydajność sieci przemysłowej wyłącznie z przepustowością. W rzeczywistości deterministyczne taktowanie jest często ważniejsze niż bezwzględna przepustowość.

Opóźnienie określa, jak szybko dane docierają do miejsca przeznaczenia. Fluktuowanie opóźnień mierzy zmienność czasu między transmisjami. W sterowaniu ruchem, ochronie turbin i zsynchronizowanych procesach produkcyjnych kontrolowanie tej zmienności ma kluczowe znaczenie dla stabilności operacyjnej.

Sieć zdolna do przesyłania dużych ilości danych staje się zawodna w sterowaniu przemysłowym, jeśli czas komunikacji zmienia się w nieprzewidywalny sposób.

Elektrownie pokazują, dlaczego architektury czasu rzeczywistego mają znaczenie

Duże zakłady wytwarzania energii są dobrym przykładem tego, dlaczego komunikacja w czasie rzeczywistym stała się nieodzowna w automatyce przemysłowej.

W nowoczesnej elektrowni setki rozproszonych czujników nieustannie przesyłają dane operacyjne, w tym odczyty ciśnienia, wartości drgań, stężenia gazów i pomiary temperatury.

Rysunek 3. Monitorowanie przemysłowe w czasie rzeczywistym zależy od zsynchronizowanego pozyskiwania danych z czujników i deterministycznej infrastruktury komunikacyjnej.

Wiele z tych danych zachowuje wartość tylko przez bardzo krótki czas. Jeśli informacja dotrze po upływie odpowiedniego okna operacyjnego, może już nie wspierać bezpiecznych ani skutecznych decyzji dotyczących sterowania procesem.

Bramy brzegowe, rozproszone systemy wejścia/wyjścia i sterowniki PLC wymagają zatem deterministycznych możliwości komunikacyjnych, aby przetwarzać dane z czujników w czasie rzeczywistym. Systemy te często łączą przewodowy przemysłowy Ethernet z bezprzewodowymi przemysłowymi sieciami komunikacyjnymi działającymi w warunkach ścisłych ograniczeń czasowych.

Oprogramowanie staje się równie ważne jak sprzęt

Inżynierowie automatyki przemysłowej tradycyjnie koncentrowali się przede wszystkim na wyborze sprzętu sterowników. Obecnie stos oprogramowania ma równie duże znaczenie.

Współczesne procesory przemysłowe coraz częściej konsolidują obciążenia czasu rzeczywistego i pozostałe obciążenia na jednej platformie. Obniża to koszty infrastruktury i upraszcza utrzymanie, ale wymaga również wysoko zoptymalizowanych środowisk operacyjnych.

Systemy operacyjne czasu rzeczywistego i przemysłowe dystrybucje Linuksa obsługują obecnie deterministyczną komunikację, zsynchronizowane planowanie zadań i bezpieczne przetwarzanie brzegowe w ramach tej samej platformy sprzętowej.

Rysunek 4. Oprogramowanie brzegowe czasu rzeczywistego łączy deterministyczną komunikację, bezpieczeństwo i skalowalne zarządzanie aplikacjami przemysłowymi.

Wąskim gardłem przemysłu przyszłości będzie taktowanie danych

Przez wiele lat cyfryzacja przemysłu koncentrowała się przede wszystkim na zwiększaniu poziomu łączności. Kolejnym wyzwaniem jest zapewnienie dokładności czasowej tej łączności.

Fabryki dodają coraz więcej czujników, systemów wizyjnych, autonomicznych robotów, platform konserwacji predykcyjnej i narzędzi analitycznych opartych na sztucznej inteligencji. Technologie te nieustannie zwiększają natężenie ruchu sieciowego i złożoność synchronizacji.

Zakłady, które nie będą w stanie utrzymać deterministycznej wydajności komunikacji, napotkają coraz większe problemy z niezawodnością w miarę rozszerzania obciążeń operacyjnych.

Opinia autora

Wielu operatorów przemysłowych nadal nie docenia tego, jak kluczowe znaczenie deterministyczne sieci będą miały w nadchodzącej dekadzie. Samo dodawanie połączonych urządzeń bez przeprojektowania infrastruktury komunikacyjnej tworzy niestabilne środowiska automatyki, które trudno diagnozować.

Zakłady przemysłowe osiągające długoterminową odporność operacyjną będą tymi, które odpowiednio wcześnie zainwestują w architektury TSN, przetwarzanie brzegowe w czasie rzeczywistym oraz zintegrowane strategie komunikacji OT/IT. Dane w czasie rzeczywistym nie są już tylko narzędziem optymalizacji — stają się fundamentem bezpiecznej i skalowalnej produkcji przemysłowej.

Autor: Daniel Mercer, starszy reporter ds. systemów przemysłowych z 14-letnim doświadczeniem w relacjonowaniu tematów związanych z sieciami przemysłowymi, systemami sterowania turbinami i platformami automatyki czasu rzeczywistego. Jego doświadczenie obejmuje projekty integracji w terenie z wykorzystaniem infrastruktury firm Siemens, Emerson, Honeywell i Bently Nevada w zakładach wytwarzania energii oraz zakładach produkcji procesowej.