Tại sao dữ liệu thời gian thực đã trở nên thiết yếu trong các nhà máy hiện đại

Tự động hóa công nghiệp không còn chỉ giới hạn ở các bộ điều khiển riêng lẻ vận hành từng máy. Các cơ sở hiện đại hiện phụ thuộc vào những hệ thống được kết nối với nhau, liên tục trao đổi dữ liệu vận hành giữa PLC, thiết bị biên, bộ điều khiển phân tán, cảm biến và các nền tảng doanh nghiệp.

Khi các môi trường công nghiệp áp dụng điện toán biên và kiến trúc Internet vạn vật công nghiệp (IIoT), khả năng xử lý dữ liệu thời gian thực với thời gian xác định đã trở thành yêu cầu cốt lõi thay vì một lợi thế cạnh tranh.

Hình 1. Các hệ điều hành công nghiệp hiện đại phải quản lý việc thực thi có tính xác định và hoạt động truyền thông đồng bộ trên các tài sản tự động hóa được kết nối.

Không giống các hệ thống máy tính doanh nghiệp truyền thống vốn ưu tiên hiệu suất CPU và khả năng đa nhiệm, các hệ thống điều khiển công nghiệp phải đảm bảo những hoạt động quan trọng được thực thi trong các khoảng thời gian chính xác. Chỉ vài mili giây biến động về độ trễ cũng có thể ảnh hưởng đến sự phối hợp giữa các máy, độ ổn định của quy trình hoặc an toàn của nhân viên.

Mạng công nghiệp đang truyền tải hai loại lưu lượng rất khác nhau

Một trong những thách thức lớn nhất về kiến trúc trong tự động hóa công nghiệp là sự hội tụ giữa công nghệ vận hành (OT) và công nghệ thông tin (IT). Hai môi trường này dùng chung hạ tầng, nhưng các ưu tiên về truyền thông của chúng khác nhau đáng kể.

Lưu lượng OT đòi hỏi thời gian xác định

Mạng công nghệ vận hành đảm nhiệm các chức năng điều khiển nhạy cảm về thời gian. Hệ thống chuyển động, cánh tay robot, bộ điều khiển tua-bin và hoạt động đồng bộ I/O tốc độ cao đều phụ thuộc vào độ trễ có thể dự đoán và độ dao động cực thấp.

Ví dụ, khi một tay máy robot nhận lệnh gắp từ hệ thống theo dõi băng tải, độ trễ truyền thông phải duy trì ổn định. Bất kỳ sai lệch thời gian không thể dự đoán nào cũng có thể làm gián đoạn trình tự sản xuất hoặc gây hư hỏng thiết bị.

Các cơ sở triển khai thiết bị bảo vệ máy móc tiên tiến thường kết hợp truyền thông có tính xác định với các nền tảng giám sát tình trạng như hệ thống bảo vệ máy móc Bently Nevada 3500 để nâng cao độ tin cậy của tài sản và khả năng quan sát vận hành.

Hình 2. Hạ tầng truyền thông công nghiệp phải hỗ trợ cả lưu lượng điều khiển có tính xác định và dữ liệu doanh nghiệp thông lượng cao.

Lưu lượng IT ưu tiên thông lượng và khả năng mở rộng

Các hệ thống công nghệ thông tin tập trung vào việc truyền một lượng lớn dữ liệu vận hành trong môi trường doanh nghiệp. Luồng video, phân tích đám mây, cơ sở dữ liệu bảo trì và hệ thống báo cáo ưu tiên băng thông và khả năng mở rộng thay vì thời gian xác định.

Trong quá khứ, hệ thống OT và IT hoạt động độc lập vì yêu cầu truyền thông của chúng không tương thích. Tuy nhiên, các cơ sở công nghiệp hiện đại ngày càng cần cả hai loại lưu lượng cùng tồn tại trên một hạ tầng mạng thống nhất.

Mạng nhạy cảm thời gian đang định hình lại Ethernet công nghiệp

Mạng nhạy cảm thời gian (TSN) đang nổi lên như một trong những công nghệ quan trọng nhất hỗ trợ sự hội tụ giữa OT và IT. TSN nâng cao Ethernet tiêu chuẩn bằng cách bổ sung cơ chế truyền thông có tính xác định cho lưu lượng công nghiệp.

Với TSN, các gói điều khiển quan trọng được cấp các khoảng thời gian truyền được đảm bảo, trong khi lưu lượng không quan trọng vẫn tiếp tục dùng chung mạng vật lý. Kiến trúc này làm giảm độ phức tạp của phần cứng và hạ thấp chi phí triển khai so với việc duy trì các mạng điều khiển biệt lập.

Các nhà sản xuất công nghiệp triển khai kiến trúc phân tán có khả năng mở rộng thường tích hợp bộ điều khiển tương thích với TSN cùng các nền tảng từ hệ thống Siemens SIMATIC S7 và hạ tầng tự động hóa kết nối biên.

Độ trễ và độ dao động quan trọng hơn tốc độ tuyệt đối

Nhiều kỹ sư lầm tưởng rằng hiệu suất mạng công nghiệp chỉ gắn với thông lượng. Trên thực tế, thời gian xác định thường quan trọng hơn băng thông tuyệt đối.

Độ trễ cho biết dữ liệu đến đích nhanh đến mức nào. Độ dao động đo mức biến thiên về thời gian giữa các lần truyền. Trong điều khiển chuyển động, bảo vệ tua-bin và các quy trình sản xuất đồng bộ, việc kiểm soát độ dao động là yếu tố thiết yếu để duy trì sự ổn định vận hành.

Một mạng có khả năng truyền lượng dữ liệu lớn sẽ trở nên không đáng tin cậy đối với điều khiển công nghiệp nếu thời gian truyền thông biến động không thể dự đoán.

Nhà máy điện cho thấy vì sao kiến trúc thời gian thực quan trọng

Các cơ sở phát điện quy mô lớn là ví dụ rõ ràng cho thấy vì sao truyền thông thời gian thực đã trở nên không thể thiếu trong tự động hóa công nghiệp.

Trong một nhà máy điện hiện đại, hàng trăm cảm biến phân tán liên tục truyền dữ liệu vận hành, bao gồm số liệu áp suất, giá trị rung, nồng độ khí và phép đo nhiệt độ.

Hình 3. Hoạt động giám sát công nghiệp thời gian thực phụ thuộc vào việc thu thập dữ liệu cảm biến đồng bộ và hạ tầng truyền thông có tính xác định.

Phần lớn dữ liệu này chỉ có giá trị trong một khoảng thời gian rất ngắn. Nếu bị trì hoãn quá khoảng thời gian vận hành đó, thông tin có thể không còn hỗ trợ các quyết định điều khiển quy trình an toàn hoặc hiệu quả.

Do đó, các cổng biên, hệ thống I/O phân tán và PLC cần có khả năng truyền thông có tính xác định để xử lý dữ liệu cảm biến theo thời gian thực. Những hệ thống này thường kết hợp Ethernet công nghiệp có dây với các mạng truyền thông công nghiệp không dây hoạt động dưới các ràng buộc nghiêm ngặt về thời gian.

Phần mềm đang trở nên quan trọng không kém phần cứng

Các kỹ sư tự động hóa công nghiệp trước đây thường tập trung nhiều vào việc lựa chọn phần cứng bộ điều khiển. Ngày nay, ngăn xếp phần mềm cũng quan trọng không kém.

Các bộ xử lý công nghiệp hiện đại ngày càng hợp nhất cả khối lượng công việc thời gian thực và không theo thời gian thực trên cùng một nền tảng. Điều này giúp giảm chi phí hạ tầng và đơn giản hóa việc bảo trì, nhưng cũng đòi hỏi các môi trường vận hành được tối ưu hóa cao.

Hệ điều hành thời gian thực và các bản phân phối Linux công nghiệp hiện hỗ trợ truyền thông có tính xác định, lập lịch đồng bộ và xử lý biên an toàn trên cùng một nền tảng phần cứng.

Hình 4. Phần mềm biên thời gian thực kết hợp truyền thông có tính xác định, bảo mật và quản lý ứng dụng công nghiệp có khả năng mở rộng.

Nút thắt công nghiệp tiếp theo sẽ là thời điểm dữ liệu

Trong nhiều năm, số hóa công nghiệp chủ yếu tập trung vào việc tăng cường khả năng kết nối. Thách thức tiếp theo là đảm bảo độ chính xác về thời gian của khả năng kết nối đó.

Các nhà máy đang bổ sung thêm cảm biến, hệ thống thị giác máy, robot tự hành, nền tảng bảo trì dự đoán và các công cụ phân tích sử dụng AI. Những công nghệ này liên tục làm tăng khối lượng lưu lượng mạng và độ phức tạp của việc đồng bộ hóa.

Các cơ sở không thể duy trì hiệu suất truyền thông có tính xác định sẽ gặp phải ngày càng nhiều vấn đề về độ tin cậy khi khối lượng công việc vận hành mở rộng.

Quan điểm của tác giả

Nhiều đơn vị vận hành công nghiệp vẫn đánh giá thấp mức độ quan trọng mà mạng có tính xác định sẽ đạt được trong thập kỷ tới. Chỉ đơn giản bổ sung các thiết bị được kết nối mà không thiết kế lại hạ tầng truyền thông sẽ tạo ra những môi trường tự động hóa không ổn định và khó khắc phục sự cố.

Các cơ sở công nghiệp đạt được khả năng chống chịu vận hành lâu dài sẽ là những nơi sớm đầu tư vào kiến trúc TSN, điện toán biên thời gian thực và các chiến lược truyền thông OT/IT tích hợp. Dữ liệu thời gian thực không còn chỉ là công cụ tối ưu hóa — nó đang trở thành nền tảng của hoạt động sản xuất công nghiệp an toàn và có khả năng mở rộng.

Biên soạn bởi Daniel Mercer, phóng viên cao cấp về hệ thống công nghiệp với 14 năm kinh nghiệm đưa tin về mạng công nghiệp, hệ thống điều khiển tua-bin và các nền tảng tự động hóa thời gian thực. Ông từng tham gia các dự án tích hợp tại hiện trường liên quan đến hạ tầng của Siemens, Emerson, Honeywell và Bently Nevada trong các cơ sở phát điện và sản xuất chế biến.