เหตุใดข้อมูลแบบเรียลไทม์จึงกลายเป็นสิ่งจำเป็นในพื้นที่การผลิตสมัยใหม่

ระบบอัตโนมัติในภาคอุตสาหกรรมไม่ได้จำกัดอยู่เพียงคอนโทรลเลอร์แบบแยกส่วนที่ทำงานกับเครื่องจักรแต่ละเครื่องอีกต่อไป ปัจจุบันโรงงานสมัยใหม่พึ่งพาระบบที่เชื่อมต่อถึงกันและแลกเปลี่ยนข้อมูลการดำเนินงานอย่างต่อเนื่องระหว่าง PLC อุปกรณ์เอดจ์ คอนโทรลเลอร์แบบกระจาย เซ็นเซอร์ และแพลตฟอร์มระดับองค์กร

เมื่อสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมนำเอดจ์คอมพิวติ้งและสถาปัตยกรรม Industrial Internet of Things (IIoT) มาใช้ ความสามารถในการประมวลผลข้อมูลแบบเรียลไทม์ด้วยจังหวะเวลาที่กำหนดแน่นอนได้กลายเป็นข้อกำหนดพื้นฐาน แทนที่จะเป็นเพียงข้อได้เปรียบทางการแข่งขัน

รูปที่ 1. ระบบปฏิบัติการอุตสาหกรรมสมัยใหม่ต้องจัดการการทำงานที่มีจังหวะเวลาที่กำหนดแน่นอนและการสื่อสารที่ประสานสอดคล้องกันระหว่างอุปกรณ์ระบบอัตโนมัติที่เชื่อมต่อถึงกัน

แตกต่างจากระบบคอมพิวเตอร์ระดับองค์กรแบบดั้งเดิมที่ให้ความสำคัญกับประสิทธิภาพของ CPU และการทำงานหลายงานพร้อมกัน ระบบควบคุมอุตสาหกรรมต้องรับประกันว่าการทำงานที่สำคัญจะเกิดขึ้นภายในช่วงเวลาที่กำหนดอย่างแม่นยำ แม้ความผันผวนของความหน่วงเวลาเพียงไม่กี่มิลลิวินาทีก็อาจส่งผลต่อการประสานงานของเครื่องจักร เสถียรภาพของกระบวนการ หรือความปลอดภัยของบุคลากร

เครือข่ายอุตสาหกรรมกำลังรองรับทราฟฟิกสองประเภทที่แตกต่างกันอย่างมาก

หนึ่งในความท้าทายด้านสถาปัตยกรรมที่สำคัญที่สุดในระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมคือการหลอมรวมเทคโนโลยีปฏิบัติการ (OT) และเทคโนโลยีสารสนเทศ (IT) ทั้งสองสภาพแวดล้อมใช้โครงสร้างพื้นฐานร่วมกัน แต่มีลำดับความสำคัญด้านการสื่อสารที่แตกต่างกันอย่างมาก

ทราฟฟิก OT ต้องการจังหวะเวลาที่กำหนดแน่นอน

เครือข่ายเทคโนโลยีปฏิบัติการรองรับฟังก์ชันควบคุมที่มีความสำคัญด้านเวลา ระบบควบคุมการเคลื่อนไหว แขนหุ่นยนต์ ระบบควบคุมกังหัน และการประสานข้อมูล I/O ความเร็วสูง ล้วนต้องอาศัยความหน่วงเวลาที่คาดการณ์ได้และความผันผวนของเวลาในระดับต่ำมาก

ตัวอย่างเช่น เมื่อแขนกลได้รับคำสั่งหยิบจากระบบติดตามสายพานลำเลียง ความล่าช้าในการสื่อสารต้องคงที่ ความคลาดเคลื่อนของจังหวะเวลาที่คาดการณ์ไม่ได้อาจขัดจังหวะลำดับการผลิตหรือทำให้อุปกรณ์เสียหาย

โรงงานที่ติดตั้งระบบปกป้องเครื่องจักรขั้นสูงมักผสานการสื่อสารที่มีจังหวะเวลาที่กำหนดแน่นอนเข้ากับแพลตฟอร์มตรวจติดตามสภาพ เช่น ระบบปกป้องเครื่องจักร Bently Nevada 3500 เพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือของสินทรัพย์และการมองเห็นข้อมูลการดำเนินงาน

รูปที่ 2. โครงสร้างพื้นฐานการสื่อสารอุตสาหกรรมต้องรองรับทั้งทราฟฟิกควบคุมที่มีจังหวะเวลาที่กำหนดแน่นอนและข้อมูลระดับองค์กรที่มีอัตราการรับส่งข้อมูลสูง

ทราฟฟิก IT ให้ความสำคัญกับปริมาณการรับส่งข้อมูลและความสามารถในการขยายระบบ

ระบบเทคโนโลยีสารสนเทศมุ่งเน้นการถ่ายโอนข้อมูลการดำเนินงานจำนวนมากภายในสภาพแวดล้อมระดับองค์กร สตรีมวิดีโอ การวิเคราะห์บนคลาวด์ ฐานข้อมูลการบำรุงรักษา และระบบรายงาน ล้วนให้ความสำคัญกับแบนด์วิดท์และความสามารถในการขยายระบบ มากกว่าจังหวะเวลาที่กำหนดแน่นอน

ในอดีต ระบบ OT และ IT ทำงานแยกจากกัน เนื่องจากข้อกำหนดด้านการสื่อสารไม่สอดคล้องกัน อย่างไรก็ตาม โรงงานอุตสาหกรรมสมัยใหม่ต้องการให้ทราฟฟิกทั้งสองประเภทอยู่ร่วมกันบนโครงสร้างพื้นฐานเครือข่ายแบบรวมมากขึ้นเรื่อย ๆ

เครือข่ายที่ไวต่อเวลกำลังปรับโฉมอีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรม

Time-Sensitive Networking (TSN) กำลังกลายเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีสำคัญที่สุดที่สนับสนุนการหลอมรวม OT และ IT โดย TSN ยกระดับอีเทอร์เน็ตมาตรฐานด้วยการเพิ่มพฤติกรรมการสื่อสารที่มีจังหวะเวลาที่กำหนดแน่นอนสำหรับทราฟฟิกอุตสาหกรรม

ด้วย TSN แพ็กเก็ตควบคุมที่สำคัญจะได้รับช่วงเวลาการส่งข้อมูลที่รับประกันได้ ขณะที่ทราฟฟิกที่ไม่สำคัญยังคงใช้เครือข่ายกายภาพเดียวกันร่วมกัน สถาปัตยกรรมนี้ช่วยลดความซับซ้อนของฮาร์ดแวร์และลดต้นทุนการติดตั้ง เมื่อเทียบกับการดูแลเครือข่ายควบคุมแบบแยกส่วน

ผู้ผลิตอุตสาหกรรมที่ติดตั้งสถาปัตยกรรมแบบกระจายซึ่งรองรับการขยายระบบ มักผสานคอนโทรลเลอร์ที่รองรับ TSN เข้ากับแพลตฟอร์มจาก ระบบ Siemens SIMATIC S7 และโครงสร้างพื้นฐานระบบอัตโนมัติที่เชื่อมต่อกับเอดจ์

ความหน่วงเวลาและความผันผวนของเวลาสำคัญกว่าความเร็วสูงสุด

วิศวกรจำนวนมากเข้าใจผิดว่าสมรรถนะของเครือข่ายอุตสาหกรรมวัดจากปริมาณการรับส่งข้อมูลเพียงอย่างเดียว ในความเป็นจริง จังหวะเวลาที่กำหนดแน่นอนมักสำคัญกว่าแบนด์วิดท์โดยรวม

ความหน่วงเวลาคือระยะเวลาที่ข้อมูลเดินทางถึงปลายทาง ส่วนความผันผวนของเวลาคือความแตกต่างของจังหวะเวลาระหว่างการส่งข้อมูล ในการควบคุมการเคลื่อนไหว การปกป้องกังหัน และกระบวนการผลิตที่ต้องประสานสอดคล้องกัน การควบคุมความผันผวนของเวลาเป็นสิ่งจำเป็นต่อเสถียรภาพในการดำเนินงาน

เครือข่ายที่สามารถส่งข้อมูลปริมาณมากได้จะไม่น่าเชื่อถือสำหรับการควบคุมอุตสาหกรรม หากจังหวะเวลาการสื่อสารเปลี่ยนแปลงอย่างคาดการณ์ไม่ได้

โรงไฟฟ้าแสดงให้เห็นว่าเหตุใดสถาปัตยกรรมแบบเรียลไทม์จึงสำคัญ

โรงไฟฟ้าขนาดใหญ่เป็นตัวอย่างที่ชัดเจนว่าเหตุใดการสื่อสารแบบเรียลไทม์จึงกลายเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม

ภายในโรงไฟฟ้าสมัยใหม่ เซ็นเซอร์แบบกระจายหลายร้อยตัวส่งข้อมูลการดำเนินงานอย่างต่อเนื่อง ซึ่งรวมถึงค่าความดัน ค่าการสั่นสะเทือน ความเข้มข้นของก๊าซ และค่าอุณหภูมิ

รูปที่ 3. การตรวจติดตามอุตสาหกรรมแบบเรียลไทม์ต้องอาศัยการรับข้อมูลจากเซ็นเซอร์ที่ประสานสอดคล้องกันและโครงสร้างพื้นฐานการสื่อสารที่มีจังหวะเวลาที่กำหนดแน่นอน

ข้อมูลส่วนใหญ่เหล่านี้ยังมีคุณค่าเพียงช่วงเวลาสั้น ๆ เท่านั้น หากล่าช้าเกินช่วงเวลาที่ใช้ในการดำเนินงาน ข้อมูลดังกล่าวอาจไม่สามารถสนับสนุนการตัดสินใจควบคุมกระบวนการได้อย่างปลอดภัยหรือมีประสิทธิภาพอีกต่อไป

ดังนั้น เกตเวย์เอดจ์ ระบบ I/O แบบกระจาย และ PLC จึงต้องมีความสามารถด้านการสื่อสารที่มีจังหวะเวลาที่กำหนดแน่นอน เพื่อประมวลผลข้อมูลเซ็นเซอร์แบบเรียลไทม์ ระบบเหล่านี้มักผสานอีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรมแบบใช้สายเข้ากับเครือข่ายการสื่อสารอุตสาหกรรมแบบไร้สายที่ทำงานภายใต้ข้อจำกัดด้านเวลาที่เข้มงวด

ซอฟต์แวร์กำลังมีความสำคัญเทียบเท่าฮาร์ดแวร์

เดิมที วิศวกรระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรมให้ความสำคัญอย่างมากกับการเลือกฮาร์ดแวร์คอนโทรลเลอร์ ปัจจุบัน กลุ่มซอฟต์แวร์ก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน

โปรเซสเซอร์อุตสาหกรรมสมัยใหม่รวมภาระงานทั้งแบบเรียลไทม์และไม่ใช่เรียลไทม์ไว้บนแพลตฟอร์มเดียวกันมากขึ้น วิธีนี้ช่วยลดต้นทุนโครงสร้างพื้นฐานและทำให้การบำรุงรักษาง่ายขึ้น แต่ก็ต้องใช้สภาพแวดล้อมการทำงานที่ได้รับการปรับแต่งอย่างมีประสิทธิภาพสูง

ระบบปฏิบัติการแบบเรียลไทม์และดิสทริบิวชัน Linux สำหรับอุตสาหกรรมในปัจจุบันรองรับการสื่อสารที่มีจังหวะเวลาที่กำหนดแน่นอน การจัดตารางเวลาที่ประสานสอดคล้องกัน และการประมวลผลที่เอดจ์อย่างปลอดภัยภายในแพลตฟอร์มฮาร์ดแวร์เดียวกัน

รูปที่ 4. ซอฟต์แวร์เอดจ์แบบเรียลไทม์ผสานการสื่อสารที่มีจังหวะเวลาที่กำหนดแน่นอน ความปลอดภัย และการจัดการแอปพลิเคชันอุตสาหกรรมที่รองรับการขยายระบบ

คอขวดถัดไปของภาคอุตสาหกรรมจะอยู่ที่จังหวะเวลาของข้อมูล

เป็นเวลาหลายปีที่การเปลี่ยนผ่านสู่ดิจิทัลในภาคอุตสาหกรรมมุ่งเน้นการเพิ่มการเชื่อมต่อเป็นหลัก ความท้าทายถัดไปคือการรับประกันความแม่นยำด้านเวลาของการเชื่อมต่อนั้น

โรงงานกำลังเพิ่มเซ็นเซอร์ ระบบแมชชีนวิชัน หุ่นยนต์อัตโนมัติ แพลตฟอร์มการบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ และเครื่องมือวิเคราะห์ที่ขับเคลื่อนด้วย AI เทคโนโลยีเหล่านี้เพิ่มปริมาณทราฟฟิกเครือข่ายและความซับซ้อนในการประสานเวลาอย่างต่อเนื่อง

โรงงานที่ไม่สามารถรักษาสมรรถนะการสื่อสารแบบมีจังหวะเวลาที่กำหนดแน่นอนได้ จะพบปัญหาด้านความน่าเชื่อถือเพิ่มขึ้นเมื่อภาระงานด้านการดำเนินงานขยายตัว

ความคิดเห็นของผู้เขียน

ผู้ดำเนินงานภาคอุตสาหกรรมจำนวนมากยังประเมินความสำคัญของเครือข่ายที่มีจังหวะเวลาที่กำหนดแน่นอนในทศวรรษหน้าไว้ต่ำเกินไป การเพิ่มอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อถึงกันโดยไม่ออกแบบโครงสร้างพื้นฐานการสื่อสารใหม่ จะสร้างสภาพแวดล้อมระบบอัตโนมัติที่ไม่เสถียรและแก้ไขปัญหาได้ยาก

โรงงานอุตสาหกรรมที่ประสบความสำเร็จในการสร้างความยืดหยุ่นด้านการดำเนินงานในระยะยาว จะเป็นโรงงานที่ลงทุนตั้งแต่เนิ่น ๆ ในสถาปัตยกรรม TSN เอดจ์คอมพิวติ้งแบบเรียลไทม์ และกลยุทธ์การสื่อสาร OT/IT แบบบูรณาการ ข้อมูลแบบเรียลไทม์ไม่ได้เป็นเพียงเครื่องมือเพิ่มประสิทธิภาพอีกต่อไป แต่กำลังกลายเป็นรากฐานของการผลิตภาคอุตสาหกรรมที่ปลอดภัยและรองรับการขยายระบบ

เขียนโดย Daniel Mercer ผู้สื่อข่าวอาวุโสด้านระบบอุตสาหกรรม ซึ่งมีประสบการณ์ 14 ปีในการรายงานข่าวเกี่ยวกับเครือข่ายอุตสาหกรรม ระบบควบคุมกังหัน และแพลตฟอร์มระบบอัตโนมัติแบบเรียลไทม์ ประสบการณ์ของเขาครอบคลุมโครงการบูรณาการภาคสนามที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างพื้นฐานของ Siemens, Emerson, Honeywell และ Bently Nevada ในโรงไฟฟ้าและโรงงานแปรรูป