Node-RED và sự phát triển của tự động hóa công nghiệp ít mã lệnh

Vì sao Node-RED ngày càng được quan tâm trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp

Trong nhiều thập kỷ, tự động hóa công nghiệp phụ thuộc nhiều vào các ngôn ngữ lập trình chuyên dụng và môi trường kỹ thuật độc quyền. Tuy nhiên, ngày nay các nhà sản xuất chịu áp lực phải triển khai hệ thống kết nối nhanh hơn đồng thời giảm chi phí kỹ thuật. Sự chuyển dịch đó đã thúc đẩy mối quan tâm đến các nền tảng phát triển ít mã như Node-RED.

Ban đầu được phát triển như một công cụ lập trình hướng sự kiện xây dựng trên Node.js, Node-RED đã phát triển thành một nền tảng ứng dụng biên công nghiệp chuyên nghiệp. Ngày nay, kỹ sư sử dụng nền tảng này để kết nối công nghệ vận hành (OT) với công nghệ thông tin (IT), đặc biệt trong các hoạt động triển khai IIoT và nhà máy thông minh.

Khác với phát triển phần mềm truyền thống, Node-RED cho phép kỹ sư lắp ráp ứng dụng một cách trực quan bằng các nút kéo và thả. Kết quả là triển khai nhanh hơn, tích hợp đơn giản hơn và giảm sự phụ thuộc vào chuyên môn lập trình nâng cao.

Hình 1. Node-RED đã trở thành một nền tảng ít mã được công nhận rộng rãi cho các ứng dụng IIoT và điện toán biên công nghiệp.

Phát triển ít mã tìm được chỗ đứng trong nhà máy

Từ logic bậc thang đến quy trình trực quan

Tự động hóa công nghiệp đã áp dụng lập trình đồ họa trong nhiều năm. Logic bậc thang PLC, sơ đồ khối chức năng và giao diện hướng dẫn robot đều đã giúp giảm độ phức tạp của việc lập trình từ lâu trước khi thuật ngữ “ít mã” trở nên phổ biến.

Node-RED mở rộng triết lý đó sang lĩnh vực tự động hóa hiện đại lấy dữ liệu làm trung tâm. Thay vì chỉ tập trung vào trình tự máy móc, giờ đây kỹ sư có thể tạo các quy trình chuyển dữ liệu giữa PLC, HMI, cơ sở dữ liệu, nền tảng đám mây và hệ thống doanh nghiệp.

Khả năng này trở nên đặc biệt quan trọng khi các nhà sản xuất hiện đại hóa những hệ thống điều khiển cũ. Các cơ sở sử dụng hạ tầng PLC đời cũ thường kết hợp Node-RED với các nền tảng của Allen-Bradley hoặc Mitsubishi Electric để đơn giản hóa việc thu thập dữ liệu và kết nối đám mây mà không cần thay thế thiết bị hiện có.

Một cách tiếp cận khác đối với phần mềm công nghiệp

Việc phát triển phần mềm công nghiệp truyền thống có thể đòi hỏi nhiều tuần lập trình, kiểm thử và gỡ lỗi. Node-RED thay đổi đáng kể quy trình đó. Kỹ sư có thể triển khai các ứng dụng hoạt động được trong vài giờ bằng cách sử dụng các nút giao tiếp và bảng điều khiển dựng sẵn.

Giao diện dựa trên trình duyệt cũng làm giảm rào cản triển khai. Sau khi được cài đặt trên IPC hoặc máy chủ biên, môi trường kỹ thuật có thể được truy cập thông qua trình duyệt web tiêu chuẩn mà không cần phần mềm máy trạm chuyên dụng.

Hình 2. Các nền tảng phát triển ít mã giúp giảm độ phức tạp của phần mềm đồng thời đẩy nhanh việc triển khai ứng dụng công nghiệp.

Những lợi thế kỹ thuật thúc đẩy sự phát triển của Node-RED

Được thiết kế cho việc di chuyển và kết nối dữ liệu

Về cốt lõi, Node-RED xử lý và định tuyến dữ liệu giữa các thiết bị và các lớp phần mềm. Payload có thể bao gồm các giá trị số, cấu trúc JSON, trạng thái Boolean hoặc các sự kiện máy móc do bộ điều khiển công nghiệp tạo ra.

Nền tảng hỗ trợ các giao thức thường gặp trong môi trường công nghiệp, bao gồm OPC UA, MQTT, Modbus TCP, HTTP và giao tiếp WebSocket. Khả năng hỗ trợ giao thức rộng này cho phép Node-RED hoạt động như một lớp phần mềm trung gian nhẹ giữa các tài sản nhà máy và hệ thống phân tích đám mây.

Vì nền tảng này chạy trên Node.js, nó có thể hoạt động trên các nền tảng phần cứng nhỏ gọn, từ thiết bị Raspberry Pi đến IPC công nghiệp và máy chủ ảo.

Điện toán biên không cần hạ tầng cồng kềnh

Các kiến trúc IIoT hiện đại ngày càng dựa vào điện toán biên để giảm độ trễ và hạn chế lưu lượng lên đám mây. Node-RED phù hợp tự nhiên với chiến lược này vì có thể xử lý dữ liệu máy móc cục bộ trước khi chỉ chuyển tiếp những thông tin quan trọng lên hệ thống cấp trên.

Một triển khai điển hình đặt máy chủ biên bên trong tủ điều khiển. Thiết bị đồng thời kết nối với mạng máy móc và mạng doanh nghiệp, hoạt động như một lớp chuyển đổi bảo mật giữa các hệ thống OT và IT.

Đối với các cơ sở đang nâng cấp hạ tầng tự động hóa cũ, phương pháp này mang lại một lộ trình hiện đại hóa tiết kiệm chi phí. Kỹ sư có thể tích hợp PLC cũ, hệ thống I/O phân tán và nền tảng SCADA mà không cần thiết kế lại toàn bộ hệ thống điều khiển.

Hình 3. Các máy tính công nghiệp nhỏ gọn ngày càng được sử dụng làm cổng biên cho các ứng dụng Node-RED trong các nhà máy được kết nối.

Thiết bị biên công nghiệp đang thúc đẩy việc áp dụng

Vì sao phần cứng Raspberry Pi quan trọng

Một lý do chính khiến Node-RED trở nên phổ biến là khả năng tiếp cận phần cứng. Các thiết bị Raspberry Pi giúp việc thử nghiệm công nghiệp trở nên ít tốn kém, cho phép kỹ sư tạo nguyên mẫu ứng dụng IIoT mà không phải chịu chi phí hạ tầng quy mô doanh nghiệp.

Sau đó, các nhà cung cấp thiết bị công nghiệp mở rộng khái niệm này bằng cách giới thiệu các IPC tương thích với thanh DIN, có vỏ gia cường, dải nhiệt độ vận hành rộng hơn và hỗ trợ nguồn điện công nghiệp.

Sau khi được triển khai, Node-RED có thể tương tác trực tiếp với các giao diện GPIO, cảm biến, rơ-le và mô-đun truyền thông công nghiệp. Kỹ sư có thể nhanh chóng tạo bảng điều khiển máy móc, hệ thống giám sát môi trường hoặc các ứng dụng giám sát nhẹ.

Mở rộng vượt ra ngoài giai đoạn tạo nguyên mẫu

Công cụ khởi đầu trong cộng đồng nhà sáng tạo giờ đây đã xuất hiện trong các nền tảng tự động hóa thương mại. Các nhà cung cấp thiết bị công nghiệp ngày càng tích hợp Node-RED vào các hệ sinh thái điều khiển gốc, nhận thấy nhu cầu về các quy trình làm việc low-code linh hoạt.

Một số nhà sản xuất hiện kết hợp Node-RED với các sản phẩm truyền thông công nghiệp và cổng biên để đơn giản hóa việc chuyển đổi giao thức. Trong các dự án tự động hóa phân tán, hạ tầng truyền thông từ các nền tảng như hệ thống mạng công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì luồng dữ liệu OT-to-IT đáng tin cậy.

Hình 4. Bảng điều khiển Node-RED có thể kết hợp trực quan hóa quy trình, các nút điều khiển cho người vận hành và phân tích biên trong một giao diện duy nhất trên trình duyệt.

Bên trong môi trường quy trình làm việc của Node-RED

Luồng, Node và xử lý sự kiện

Các ứng dụng Node-RED bao gồm những luồng được xây dựng từ các node liên kết với nhau. Mỗi node thực hiện một tác vụ cụ thể, chẳng hạn như lọc dữ liệu, sửa đổi payload, trì hoãn hành động hoặc giao tiếp với thiết bị bên ngoài.

Dữ liệu di chuyển từ trái sang phải trong ứng dụng. Kỹ sư có thể theo dõi trực quan logic quy trình mà không cần đọc lượng mã nguồn lớn, qua đó cải thiện việc khắc phục sự cố và hợp tác giữa các kỹ sư điều khiển với đội ngũ CNTT.

Nền tảng này cũng hỗ trợ các node hàm JavaScript để tùy chỉnh nâng cao. Cách tiếp cận kết hợp này cho phép kỹ sư kết hợp sự đơn giản của low-code với khả năng lập trình đầy đủ khi cần.

Một hệ sinh thái mở khổng lồ

Một lợi thế lớn khác là hệ sinh thái cộng đồng mở. Hàng nghìn node do cộng đồng đóng góp có sẵn cho các giao thức công nghiệp, API đám mây, cơ sở dữ liệu và nền tảng phân tích.

Không giống nhiều bộ phần mềm công nghiệp độc quyền, Node-RED không yêu cầu giấy phép thời gian chạy tốn kém. Tính linh hoạt này khiến nó hấp dẫn đối với các dự án thử nghiệm, hệ thống giám sát từ xa và các nhà chế tạo máy đang phát triển kiến trúc có khả năng mở rộng.

Hình 5. Các bảng điều khiển trên trình duyệt được tạo bằng Node-RED có thể cung cấp chức năng HMI gọn nhẹ và dữ liệu máy theo thời gian thực cho người vận hành.

Node-RED phù hợp ở đâu trong tương lai của tự động hóa

Node-RED sẽ không thay thế các môi trường lập trình PLC trong điều khiển máy có tính quyết định. Các hệ thống chuyển động thời gian thực, ứng dụng an toàn và điều khiển quy trình tốc độ cao vẫn cần đến các bộ điều khiển công nghiệp truyền thống.

Tuy nhiên, Node-RED đang lấp đầy khoảng trống ngày càng lớn giữa phần cứng tự động hóa và phần mềm doanh nghiệp. Khi các nhà máy đòi hỏi khả năng kết nối, phân tích dự đoán và tích hợp đám mây cao hơn, các nền tảng biên low-code đang trở nên quan trọng về mặt chiến lược.

Trong thập kỷ tới, các nhà sản xuất thành công nhất có thể sẽ kết hợp phần cứng điều khiển đã được kiểm chứng với các lớp phần mềm linh hoạt, có khả năng nhanh chóng thích ứng với yêu cầu vận hành. Node-RED phù hợp với định hướng đó vì giảm trở ngại trong quá trình phát triển mà vẫn duy trì tính linh hoạt khi tích hợp.

Giá trị thực sự của nó không nằm ở việc thay thế kỹ sư. Thay vào đó, nó nâng cao năng suất kỹ thuật bằng cách cho phép các đội ngũ tự động hóa tập trung vào chức năng hệ thống thay vì các tác vụ hạ tầng phần mềm lặp đi lặp lại.

Oliver Grant — Phóng viên cao cấp về hệ thống công nghiệp
Oliver Grant có hơn 14 năm kinh nghiệm đưa tin về tự động hóa công nghiệp, hạ tầng IIoT và công nghệ điện toán biên. Nền tảng chuyên môn của ông bao gồm các dự án tích hợp tự động hóa sử dụng hệ thống điều khiển quy trình của Siemens, Rockwell Automation, Beckhoff Automation và Emerson tại các cơ sở sản xuất và năng lượng.