ความสำคัญของการใช้ข้อมูลแบบเรียลไทม์เพื่อควบคุมการใช้งานในภาคอุตสาหกรรมสมัยใหม่

เหตุใดข้อมูลแบบเรียลไทม์จึงกลายเป็นสิ่งจำเป็นในพื้นที่การผลิตสมัยใหม่

ระบบอัตโนมัติในภาคอุตสาหกรรมไม่ได้จำกัดอยู่เพียงคอนโทรลเลอร์แยกส่วนที่ทำงานกับเครื่องจักรแต่ละเครื่องอีกต่อไป ปัจจุบันโรงงานสมัยใหม่พึ่งพาระบบที่เชื่อมต่อถึงกัน ซึ่งแลกเปลี่ยนข้อมูลการปฏิบัติงานอย่างต่อเนื่องระหว่าง PLC อุปกรณ์เอดจ์ คอนโทรลเลอร์แบบกระจาย เซนเซอร์ และแพลตฟอร์มระดับองค์กร

เมื่อสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมนำเอดจ์คอมพิวติ้งและสถาปัตยกรรม Internet of Things ภาคอุตสาหกรรม (IIoT) มาใช้ ความสามารถในการประมวลผลข้อมูลแบบเรียลไทม์ด้วยจังหวะเวลาที่กำหนดแน่นอนได้กลายเป็นข้อกำหนดหลัก ไม่ใช่เพียงข้อได้เปรียบทางการแข่งขัน

รูปที่ 1. ระบบปฏิบัติการอุตสาหกรรมสมัยใหม่ต้องจัดการการทำงานที่มีจังหวะเวลาที่กำหนดแน่นอนและการสื่อสารที่ซิงโครไนซ์กันระหว่างอุปกรณ์ระบบอัตโนมัติที่เชื่อมต่อถึงกัน

ต่างจากระบบคอมพิวเตอร์ระดับองค์กรแบบดั้งเดิมที่ให้ความสำคัญกับประสิทธิภาพของ CPU และการทำงานหลายอย่างพร้อมกัน ระบบควบคุมอุตสาหกรรมต้องรับประกันว่าการทำงานที่สำคัญจะเกิดขึ้นภายในช่วงเวลาที่แม่นยำ แม้ความหน่วงที่แตกต่างกันเพียงไม่กี่มิลลิวินาทีก็อาจส่งผลต่อการประสานงานของเครื่องจักร เสถียรภาพของกระบวนการ หรือความปลอดภัยของบุคลากร

เครือข่ายอุตสาหกรรมกำลังรองรับทราฟฟิกสองประเภทที่แตกต่างกันอย่างมาก

หนึ่งในความท้าทายทางสถาปัตยกรรมที่สำคัญที่สุดของระบบอัตโนมัติในภาคอุตสาหกรรมคือการหลอมรวมเทคโนโลยีปฏิบัติการ (OT) และเทคโนโลยีสารสนเทศ (IT) แม้ทั้งสองสภาพแวดล้อมจะใช้โครงสร้างพื้นฐานร่วมกัน แต่ลำดับความสำคัญด้านการสื่อสารแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ

ทราฟฟิก OT ต้องการจังหวะเวลาที่กำหนดแน่นอน

เครือข่ายเทคโนโลยีปฏิบัติการรองรับฟังก์ชันควบคุมที่มีข้อจำกัดด้านเวลา ระบบควบคุมการเคลื่อนไหว แขนหุ่นยนต์ ระบบควบคุมกังหัน และการซิงโครไนซ์ I/O ความเร็วสูง ล้วนต้องพึ่งพาความหน่วงที่คาดการณ์ได้และความแปรปรวนของเวลา (jitter) ที่ต่ำมาก

ตัวอย่างเช่น เมื่อแขนกลได้รับคำสั่งหยิบจากระบบติดตามสายพานลำเลียง ความล่าช้าในการสื่อสารต้องคงที่ ความคลาดเคลื่อนของจังหวะเวลาที่คาดเดาไม่ได้อาจขัดจังหวะลำดับการผลิตหรือทำให้อุปกรณ์เสียหาย

โรงงานที่ติดตั้งระบบป้องกันเครื่องจักรขั้นสูงมักผสานการสื่อสารที่มีจังหวะเวลาที่กำหนดแน่นอนเข้ากับแพลตฟอร์มตรวจสอบสภาพ เช่น ระบบป้องกันเครื่องจักร Bently Nevada 3500 เพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือของสินทรัพย์และการมองเห็นสถานะการปฏิบัติงาน

รูปที่ 2. โครงสร้างพื้นฐานการสื่อสารอุตสาหกรรมต้องรองรับทั้งทราฟฟิกควบคุมที่มีจังหวะเวลาที่กำหนดแน่นอนและข้อมูลระดับองค์กรที่มีปริมาณการรับส่งสูง

ทราฟฟิก IT ให้ความสำคัญกับปริมาณการรับส่งและความสามารถในการขยายระบบ

ระบบเทคโนโลยีสารสนเทศมุ่งเน้นการถ่ายโอนข้อมูลการปฏิบัติงานจำนวนมากภายในสภาพแวดล้อมระดับองค์กร สตรีมวิดีโอ การวิเคราะห์บนคลาวด์ ฐานข้อมูลการบำรุงรักษา และระบบรายงาน ให้ความสำคัญกับแบนด์วิดท์และความสามารถในการขยายระบบ มากกว่าจังหวะเวลาที่กำหนดแน่นอน

ในอดีต ระบบ OT และ IT ทำงานแยกจากกันเนื่องจากข้อกำหนดด้านการสื่อสารไม่สอดคล้องกัน อย่างไรก็ตาม โรงงานอุตสาหกรรมสมัยใหม่ต้องการให้ทราฟฟิกทั้งสองประเภททำงานร่วมกันบนโครงสร้างพื้นฐานเครือข่ายแบบรวมมากขึ้น

เครือข่ายที่ไวต่อเวลาจะกำลังปรับโฉมอีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรม

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

ด้วย TSN แพ็กเก็ตควบคุมที่สำคัญจะได้รับช่วงเวลาการส่งข้อมูลที่รับประกันได้ ขณะที่ทราฟฟิกที่ไม่สำคัญยังคงใช้เครือข่ายกายภาพเดียวกันร่วมกัน สถาปัตยกรรมนี้ช่วยลดความซับซ้อนของฮาร์ดแวร์และลดต้นทุนการติดตั้ง เมื่อเทียบกับการดูแลเครือข่ายควบคุมที่แยกจากกัน

ผู้ผลิตภาคอุตสาหกรรมที่ติดตั้งสถาปัตยกรรมแบบกระจายซึ่งขยายระบบได้ มักผสานคอนโทรลเลอร์ที่รองรับ TSN เข้ากับแพลตฟอร์มจาก ระบบ Siemens SIMATIC S7 และโครงสร้างพื้นฐานระบบอัตโนมัติที่เชื่อมต่อกับเอดจ์

ความหน่วงและ jitter สำคัญกว่าความเร็วสูงสุด

วิศวกรจำนวนมากเข้าใจผิดว่าประสิทธิภาพของเครือข่ายอุตสาหกรรมขึ้นอยู่กับปริมาณการรับส่งข้อมูลเพียงอย่างเดียว ในความเป็นจริง จังหวะเวลาที่กำหนดแน่นอนมักสำคัญกว่าแบนด์วิดท์โดยรวม

ความหน่วงกำหนดว่าข้อมูลจะไปถึงปลายทางได้รวดเร็วเพียงใด ส่วน jitter ใช้วัดความแปรปรวนของจังหวะเวลาระหว่างการส่งข้อมูล ในการควบคุมการเคลื่อนไหว การป้องกันกังหัน และกระบวนการผลิตที่ซิงโครไนซ์กัน การควบคุม jitter เป็นสิ่งจำเป็นต่อเสถียรภาพการปฏิบัติงาน

เครือข่ายที่สามารถส่งข้อมูลปริมาณมากจะไม่น่าเชื่อถือสำหรับการควบคุมอุตสาหกรรม หากจังหวะเวลาการสื่อสารเปลี่ยนแปลงอย่างคาดเดาไม่ได้

โรงไฟฟ้าแสดงให้เห็นว่าเหตุใดสถาปัตยกรรมแบบเรียลไทม์จึงสำคัญ

โรงงานผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่เป็นตัวอย่างที่ชัดเจนว่าเหตุใดการสื่อสารแบบเรียลไทม์จึงกลายเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในระบบอัตโนมัติภาคอุตสาหกรรม

ภายในโรงไฟฟ้าสมัยใหม่ เซนเซอร์แบบกระจายหลายร้อยตัวส่งข้อมูลการปฏิบัติงานอย่างต่อเนื่อง ซึ่งรวมถึงค่าความดัน ค่าการสั่นสะเทือน ความเข้มข้นของก๊าซ และค่าการวัดอุณหภูมิ

รูปที่ 3. การตรวจสอบอุตสาหกรรมแบบเรียลไทม์ต้องอาศัยการเก็บข้อมูลจากเซนเซอร์ที่ซิงโครไนซ์กันและโครงสร้างพื้นฐานการสื่อสารที่มีจังหวะเวลาที่กำหนดแน่นอน

ข้อมูลจำนวนมากมีคุณค่าอยู่เพียงช่วงเวลาสั้นมากเท่านั้น หากล่าช้าเกินช่วงเวลาที่ใช้งานได้ ข้อมูลดังกล่าวอาจไม่สามารถสนับสนุนการตัดสินใจควบคุมกระบวนการอย่างปลอดภัยหรือมีประสิทธิภาพได้อีกต่อไป

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

ซอฟต์แวร์กำลังมีความสำคัญเทียบเท่าฮาร์ดแวร์

ในอดีต วิศวกรระบบอัตโนมัติในภาคอุตสาหกรรมให้ความสำคัญอย่างมากกับการเลือกฮาร์ดแวร์คอนโทรลเลอร์ ปัจจุบันซอฟต์แวร์สแตกมีความสำคัญไม่แพ้กัน

โปรเซสเซอร์อุตสาหกรรมสมัยใหม่ผสานงานที่ต้องการการตอบสนองแบบเรียลไทม์และงานที่ไม่ต้องการการตอบสนองแบบเรียลไทม์ไว้บนแพลตฟอร์มเดียวกันมากขึ้น วิธีนี้ช่วยลดต้นทุนโครงสร้างพื้นฐานและทำให้การบำรุงรักษาง่ายขึ้น แต่ก็ต้องอาศัยสภาพแวดล้อมการทำงานที่ได้รับการปรับแต่งอย่างมีประสิทธิภาพสูง

ระบบปฏิบัติการแบบเรียลไทม์และดิสทริบิวชัน Linux สำหรับอุตสาหกรรมในปัจจุบันรองรับการสื่อสารที่มีจังหวะเวลาที่กำหนดแน่นอน การจัดตารางเวลาที่ซิงโครไนซ์กัน และการประมวลผลที่เอดจ์อย่างปลอดภัยบนแพลตฟอร์มฮาร์ดแวร์เดียวกัน

รูปที่ 4. ซอฟต์แวร์เอดจ์แบบเรียลไทม์ผสานการสื่อสารที่มีจังหวะเวลาที่กำหนดแน่นอน ความปลอดภัย และการจัดการแอปพลิเคชันอุตสาหกรรมที่ขยายระบบได้

คอขวดถัดไปของภาคอุตสาหกรรมจะอยู่ที่จังหวะเวลาของข้อมูล

เป็นเวลาหลายปีที่การเปลี่ยนผ่านสู่ดิจิทัลในภาคอุตสาหกรรมมุ่งเน้นการเพิ่มการเชื่อมต่อเป็นหลัก ความท้าทายถัดไปคือการรับประกันความแม่นยำด้านเวลาของการเชื่อมต่อนั้น

โรงงานกำลังเพิ่มเซนเซอร์ ระบบแมชชีนวิชัน หุ่นยนต์อัตโนมัติ แพลตฟอร์มการบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์ และเครื่องมือวิเคราะห์ที่ขับเคลื่อนด้วย AI มากขึ้น เทคโนโลยีเหล่านี้เพิ่มทั้งปริมาณทราฟฟิกเครือข่ายและความซับซ้อนในการซิงโครไนซ์อย่างต่อเนื่อง

โรงงานที่ไม่สามารถรักษาประสิทธิภาพการสื่อสารแบบมีจังหวะเวลาที่กำหนดแน่นอนได้ จะพบปัญหาด้านความน่าเชื่อถือเพิ่มขึ้นเมื่อภาระงานการปฏิบัติงานขยายตัว

ความคิดเห็นของผู้เขียน

ผู้ปฏิบัติงานในภาคอุตสาหกรรมจำนวนมากยังคงประเมินความสำคัญของเครือข่ายที่มีจังหวะเวลาที่กำหนดแน่นอนในทศวรรษข้างหน้าต่ำเกินไป การเพิ่มอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อกันโดยไม่ออกแบบโครงสร้างพื้นฐานการสื่อสารใหม่ จะสร้างสภาพแวดล้อมระบบอัตโนมัติที่ไม่เสถียรและแก้ไขปัญหาได้ยาก

โรงงานอุตสาหกรรมที่สร้างความยืดหยุ่นในการปฏิบัติงานระยะยาวได้สำเร็จ จะเป็นโรงงานที่ลงทุนตั้งแต่เนิ่น ๆ ในสถาปัตยกรรม TSN เอดจ์คอมพิวติ้งแบบเรียลไทม์ และกลยุทธ์การสื่อสาร OT/IT แบบผสานรวม ข้อมูลแบบเรียลไทม์ไม่ได้เป็นเพียงเครื่องมือเพิ่มประสิทธิภาพอีกต่อไป แต่กำลังกลายเป็นรากฐานของการผลิตภาคอุตสาหกรรมที่ปลอดภัยและขยายระบบได้

เขียนโดย Daniel Mercer ผู้สื่อข่าวอาวุโสด้านระบบอุตสาหกรรม ผู้มีประสบการณ์ 14 ปีในการรายงานข่าวเกี่ยวกับเครือข่ายอุตสาหกรรม ระบบควบคุมกังหัน และแพลตฟอร์มระบบอัตโนมัติแบบเรียลไทม์ ประสบการณ์ของเขาครอบคลุมโครงการผสานรวมภาคสนามที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างพื้นฐานของ Siemens, Emerson, Honeywell และ Bently Nevada ในโรงงานผลิตไฟฟ้าและโรงงานการผลิตแบบกระบวนการ