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

Điều khiển công nghiệp đang dần chuyển khỏi phần cứng dạng rack chuyên dụng sang phương thức thực thi được định nghĩa bằng phần mềm. PLC ảo, thường được gọi là vPLC, hiện chạy bên trong các máy chủ công nghiệp thay vì các tủ điều khiển truyền thống.

Sự chuyển dịch này không thay thế logic tự động hóa. Nó chỉ di dời logic đó. Công cụ điều khiển được đưa đến gần hạ tầng CNTT hơn, trong khi các thiết bị hiện trường vẫn không thay đổi trên sàn nhà máy.

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

Điều gì thực sự làm PLC ảo khác biệt

PLC truyền thống kết hợp phần cứng và logic thời gian chạy trong một thiết bị bền chắc. vPLC tách biệt hai lớp này. Môi trường thời gian chạy được thực thi trên hạ tầng điện toán tiêu chuẩn.

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

Hình 2. Các hệ thống PLC thông thường vẫn chiếm ưu thế trong những môi trường điều khiển cấp hiện trường yêu cầu tính xác định.

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

Nơi kiến trúc gặp giới hạn và nơi có thể mở rộng

PLC ảo mở rộng hiệu quả khi tài nguyên điện toán tăng lên. Bộ nhớ và năng lực xử lý có thể được nâng cấp thông qua các nâng cấp máy chủ tiêu chuẩn thay vì chờ 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 những dây chuyền sản xuất mới mà không cần thiết kế lại cấu trúc I/O.

Hình 3. I/O phân tán phần lớn vẫn không thay đổi ngay cả khi hệ thống điều khiển chuyển sang các môi trường được định nghĩa bằng phần mềm.

Triển khai trong nhà máy và những ràng buộc thực tế

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

Điều này tạo ra những thách thức trong việc tích hợp CNTT và OT. Phân đoạn mạng, thiết kế VLAN và phân vùng an ninh mạng trở nên quan trọng đối với hoạt động ổn định.

Hình 4. Các máy chủ công nghiệp hiện lưu trữ nhiều khối lượng công việc tự động hóa, bao gồm logic điều khiển và các dịch vụ IIoT.

Ở quy mô lớn, tính dự phòng trở nên thiết yếu. Bộ nhớ lưu trữ RAID, cơ chế chuyển đổi dự phòng VM và các máy chủ dạng cụm giúp giảm nguy cơ ngừng hoạt động trong những môi trường sản xuất lớn.

Vì sao sự chuyển dịch này đang tăng tốc

Các nhà máy hiện đại vốn đã phụ thuộc vào máy tính công nghiệp để phân tích, theo dõi OEE và thu thập dữ liệu. vPLC mở rộng lớp điện toán này sang lĩnh vực điều khiển thời gian thực.

Sự hội tụ này hỗ trợ các kiến trúc IIoT. Dữ liệu có thể truyền từ logic điều khiển đến hoạt động phân tích trên đám mây dễ dàng hơn mà không bị cản trở bởi các nút thắt do chuyển đổi giao thức.

Việc áp dụng điện toán biên cũng thúc đẩy xu hướng này. Các nhà sản xuất muốn có thông tin chuyên sâu nhanh hơn mà không phải hy sinh tính xác định ở cấp hiện trường.

Góc nhìn của kỹ sư hiện trường về quá trình chuyển đổi

PLC ảo sẽ không thay thế các bộ điều khiển bền chắc trong những vòng an toàn quan trọng. Chúng sẽ mở rộng hệ thống phân cấp điều khiển và tiếp nhận các khối lượng công việc tự động hóa không quan trọng.

Giá trị lớn nhất xuất hiện trong các hệ thống lai. Những tác vụ tốc độ cao yêu cầu tính xác định vẫn được thực hiện trên phần cứng PLC chuyên dụng, trong khi hoạt động điều phối và logic dữ liệu chuyển sang các môi trường ảo.

Trên thực tế, điều này tạo ra một kiến trúc phân tách. Một phía đảm bảo điều khiển có tính xác định. Phía còn lại cho phép mở rộng và tích hợp phân tích dữ liệu.

Ngành công nghiệp đang hướng đến 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 của Siemens và Schneider Electric