Hệ thống điều khiển ảo và vPLC trong tự động hóa hiện đại

Hệ thống điều khiển chuyển từ tủ điều khiển sang lớp tính toán

Điều khiển công nghiệp đang dần chuyển dịch từ phần cứng giá đỡ chuyên dụng sang thực thi định nghĩa bằng phần mềm. PLC ảo, thường gọi là vPLC, hiện chạy bên trong các máy chủ công nghiệp thay vì trong các tủ điều khiển truyền thống.

Sự chuyển dịch này không thay thế logic tự động hóa mà chỉ di chuyển nó. Bộ điều khiển được đưa gần hơn đến hạ tầng CNTT trong khi các thiết bị hiện trường vẫn giữ nguyên trên sàn nhà máy.

Hình 1. Các dây chuyền sản xuất ô tô ngày càng thử nghiệm mô hình thực thi điều khiển định nghĩa bằng phần mềm.

Điều gì thực sự làm cho PLC ảo khác biệt

PLC truyền thống kết hợp phần cứng và logic chạy thời gian thực trong một thiết bị chắc chắn. vPLC tách biệt các lớp này. Runtime chạy trên hạ tầng tính toán tiêu chuẩn hóa.

Sự tách biệt này cho phép linh hoạt trong triển khai. Kỹ sư có thể sao chép, di chuyển hoặc mở rộng các phiên bản điều khiển trên các máy chủ mà không cần thiết kế lại toàn bộ hệ thống điều khiển.

Hình 2. Hệ thống PLC truyền thống vẫn chiếm ưu thế trong môi trường điều khiển cấp trường có tính xác định cao.

Trong một số triển khai, các hệ sinh thái như nền tảng tự động hóa Siemens được mở rộng với các lớp runtime ảo hóa để hỗ trợ kiến trúc lai kết hợp điều khiển biên và điều phối cấp CNTT.

Kiến trúc bị giới hạn ở đâu và mở rộng ở đâu

vPLC mở rộng hiệu quả khi tài nguyên tính toán tăng lên. Bộ nhớ và sức mạnh xử lý có thể được nâng cấp qua các bản nâng cấp máy chủ tiêu chuẩn thay vì chu kỳ thay thế phần cứng.

Mô hình này hỗ trợ tự động hóa mô-đun. Kỹ sư có thể khởi tạo thêm các phiên bản điều khiển cho các dây chuyền sản xuất mới mà không cần thiết kế lại cấu trúc I/O.

Hình 3. I/O phân tán vẫn gần như không thay đổi ngay cả khi điều khiển chuyển sang môi trường định nghĩa bằng phần mềm.

Triển khai tại nhà máy và các giới hạn thực tế

Giao thức Ethernet công nghiệp như PROFINET và EtherNet/IP vẫn kết nối các thiết bị hiện trường. Thay đổi kiến trúc chính xảy ra ở lớp thực thi điều khiển phía trên.

Điều này tạo ra thách thức tích hợp CNTT và OT. Phân đoạn mạng, thiết kế VLAN và phân vùng an ninh mạng trở nên quan trọng để vận hành ổn định.

Hình 4. Máy chủ công nghiệp hiện lưu trữ nhiều tải công việc tự động hóa bao gồm logic điều khiển và dịch vụ IIoT.

Ở quy mô lớn, dự phòng trở nên thiết yếu. Lưu trữ RAID, chuyển đổi VM và cụm máy chủ giảm rủi ro ngừng hoạt động trong môi trường sản xuất lớn.

Tại sao sự chuyển dịch này đang tăng tốc hiện nay

Nhà máy hiện đại đã dựa vào máy tính công nghiệp cho phân tích, theo dõi OEE và thu thập dữ liệu. vPLC mở rộng lớp tính toán này vào điều khiển thời gian thực.

Sự hội tụ này hỗ trợ kiến trúc IIoT. Dữ liệu chảy dễ dàng hơn từ logic điều khiển vào phân tích đám mây mà không gặp nút thắt chuyển đổi giao thức.

Việc áp dụng điện toán biên cũng thúc đẩy xu hướng này. Nhà sản xuất muốn có thông tin nhanh hơn mà không hy sinh hành vi xác định ở cấp hiện trường.

Góc nhìn của kỹ sư hiện trường về sự chuyển đổi

vPLC sẽ không thay thế bộ điều khiển chắc chắn trong các vòng an toàn quan trọng. Chúng sẽ mở rộng hệ thống điều khiển và tiếp nhận các tải công việc tự động hóa không quan trọng.

Giá trị lớn nhất xuất hiện trong hệ thống lai. Các tác vụ xác định tốc độ cao vẫn giữ trên phần cứng PLC chuyên dụng, trong khi điều phối và logic dữ liệu chuyển sang môi trường ảo.

Thực tế, điều này tạo ra kiến trúc phân tách. Một bên đảm bảo điều khiển xác định. Bên kia cho phép mở rộng và tích hợp phân tích.

Ngành công nghiệp đang hướng tới sự cân bằng này thay vì thay thế hoàn toàn.

Michael Grant, Phóng viên Hệ thống Công nghiệp, 14 năm kinh nghiệm trong các dự án tích hợp tự động hóa Siemens và Schneider Electric