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

Tại sao Node-RED lại thu hút sự chú ý trong Tự động hóa Công nghiệp

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

Ban đầu được phát triển như công cụ lập trình sự kiện dựa trên Node.js, Node-RED đã phát triển thành nền tảng ứng dụng biên công nghiệp nghiêm túc. Kỹ sư hiện dùng nó để kết nối công nghệ vận hành (OT) và công nghệ thông tin (IT), đặc biệt trong 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 trực quan bằng cách kéo-thả các nút. 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 nền tảng mã thấp được công nhận rộng rãi cho các ứng dụng IIoT và điện toán biên công nghiệp.

Phát triển Mã thấp Tìm thấy Chỗ đứng trên Sàn Nhà máy

Từ Logic Thang đến Luồng Công việc Trực quan

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

Node-RED mở rộng triết lý đó vào tự động hóa tập trung dữ liệu hiện đại. Thay vì chỉ tập trung vào trình tự máy móc, kỹ sư giờ đây có thể tạo các luồng công việc di 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 hệ thống điều khiển cũ. Các cơ sở sử dụng hạ tầng PLC cũ thường kết hợp Node-RED với các nền tảng từ Allen-Bradley hoặc Mitsubishi Electric để đơn giản hóa thu thập dữ liệu và kết nối đám mây mà không cần thay thế thiết bị hiện có.

Một Cách Tiếp cận Khác với Phần mềm Công nghiệp

Phát triển phần mềm công nghiệp truyền thống có thể mất hàng tuần để viết mã, kiểm thử và gỡ lỗi. Node-RED thay đổi quy trình đó một cách đáng kể. Kỹ sư có thể triển khai ứng dụng chức năng trong vài giờ bằng cách sử dụng các nút giao tiếp và bảng điều khiển có sẵn.

Giao diện dựa trên trình duyệt của nó cũng giảm rào cản triển khai. Khi đã cài đặt trên IPC hoặc máy chủ biên, môi trường kỹ thuật trở nên truy cập được qua trình duyệt web tiêu chuẩn mà không cần phần mềm máy trạm chuyên dụng.

Hình 2. Các nền tảng phát triển mã thấp giảm độ phức tạp phần mềm đồng thời tăng tốc triển khai ứng dụng công nghiệp.

Lợi thế Kỹ thuật Đằng sau Sự phát triển của Node-RED

Được thiết kế cho Di chuyển Dữ liệu và Kết nối

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

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

Vì nền tảng 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 nặng

Kiến trúc IIoT hiện đại ngày càng dựa vào điện toán biên để giảm độ trễ và tối thiểu lưu lượng đám mây. Node-RED phù hợp tự nhiên với chiến lược này vì nó có thể xử lý dữ liệu máy tại chỗ trước khi chỉ chuyển tiếp thông tin quan trọng lên trên.

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

Đối với các cơ sở nâng cấp hạ tầng tự động hóa cũ, phương pháp này cung cấp con đường 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. Máy tính công nghiệp nhỏ gọn ngày càng được sử dụng làm cổng biên cho các ứng dụng Node-RED trong các nhà máy kết nối.

Thiết bị Edge công nghiệp đang thúc đẩy việc áp dụng

Tại sao phần cứng Raspberry Pi lại quan trọng

Một lý do chính khiến Node-RED được ưa chuộng là khả năng tiếp cận phần cứng. Thiết bị Raspberry Pi giúp thử nghiệm công nghiệp trở nên tiết kiệm chi phí, cho phép kỹ sư tạo mẫu ứng dụng IIoT mà không cần chi phí hạ tầng quy mô doanh nghiệp.

Các nhà cung cấp công nghiệp sau đó mở rộng khái niệm bằng cách giới thiệu các máy tính IPC tương thích ray DIN với vỏ bọc chắc chắn, phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng hơn và hỗ trợ nguồn công nghiệp.

Khi được triển khai, Node-RED có thể tương tác trực tiếp với các giao diện GPIO, cảm biến, rơ le và các 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 việc tạo mẫu

Ban đầu là công cụ dành cho cộng đồng người làm, giờ đây Node-RED xuất hiện trong các nền tảng tự động hóa thương mại. Các nhà cung cấp công nghiệp ngày càng tích hợp Node-RED vào hệ sinh thái điều khiển gốc, nhận thấy nhu cầu về các quy trình làm việc mã thấp linh hoạt.

Một số nhà sản xuất hiện nay 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, điều khiển người vận hành và phân tích biên trong một giao diện duy nhất trên trình duyệt.

Bên trong môi trường làm việc Node-RED

Luồng, Node và Xử lý sự kiện

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

Dữ liệu chảy từ trái sang phải qua ứng dụng. Kỹ sư có thể theo dõi logic quy trình một cách trực quan mà không cần đọc mã nguồn dài dòng, cải thiện việc khắc phục sự cố và hợp tác giữa kỹ sư điều khiển và nhóm CNTT.

Nền tảng 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 mã thấp với tính linh hoạt lập trình đầy đủ khi cần.

Một hệ sinh thái mở rộng lớn

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

Không giống như nhiều bộ phần mềm công nghiệp độc quyền, Node-RED tránh được chi phí cấp phép thời gian chạy đắt đỏ. Tính linh hoạt này làm cho nó trở nên hấp dẫn cho các dự án thí điểm, hệ thống giám sát từ xa và các nhà sản xuất máy móc phát triển kiến trúc có thể mở rộng.

Hình 5. Bảng điều khiển trình duyệt được tạo bằng Node-RED có thể cung cấp cho người vận hành chức năng HMI nhẹ và dữ liệu máy móc trực tiếp.

Vị trí của Node-RED trong tương lai của tự động hóa

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

Tuy nhiên, Node-RED lấp đầy khoảng trống ngày càng lớn giữa phần cứng tự động hóa và phần mềm doanh nghiệp. Khi các nhà máy yêu cầu nhiều kết nối hơn, phân tích dự đoán và tích hợp đám mây, các nền tảng điện toán biên mã thấp ngày càng trở nên quan trọng về mặt chiến lược.

Các nhà sản xuất thành công nhất trong thập kỷ tới có khả năng sẽ kết hợp phần cứng điều khiển đã được chứng minh với các lớp phần mềm linh hoạt có khả năng thích ứng nhanh với yêu cầu vận hành. Node-RED phù hợp với hướng đi đó vì nó giảm ma sát phát triển trong khi vẫn giữ được tính linh hoạt tích hợp.

Giá trị thực sự của nó không phải là thay thế kỹ sư. Thay vào đó, nó tăng cường năng suất kỹ thuật bằng cách cho phép các nhóm tự động hóa tập trung vào chức năng hệ thống thay vì các nhiệm 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 trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, hạ tầng IIoT và công nghệ điện toán biên. Kinh nghiệm của ông bao gồm các dự án tích hợp tự động hóa liên quan đến Siemens, Rockwell Automation, Beckhoff Automation và hệ thống điều khiển quy trình Emerson tại các cơ sở sản xuất và năng lượng.