Tầm quan trọng của việc sử dụng dữ liệu thời gian thực để kiểm soát các ứng dụng công nghiệp hiện đại

Vì 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 độc lập vận hành từng máy riêng lẻ. Các cơ sở hiện đại hiện dựa vào những hệ thống 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 môi trường công nghiệp áp dụng điện toán biên và các kiến trúc Internet vạn vật công nghiệp (IIoT), khả năng xử lý dữ liệu thời gian thực với thời gian định trước 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 hoạt động thực thi có tính xác định và giao tiếp đồng bộ giữa các tài sản tự động hóa được kết nối.

Không giống các hệ thống điện toán 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 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 hai loại lưu lượng rất khác nhau

Một trong những thách thức kiến trúc lớn nhất 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 cơ sở hạ tầng, nhưng ưu tiên giao tiếp của chúng khác nhau đáng kể.

Lưu lượng OT đòi hỏi thời gian xác định

Các mạng công nghệ vận hành xử lý những 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 giao tiếp phải được 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 hệ thống bảo vệ máy móc tiên tiến thường kết hợp giao tiếp 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. Cơ sở hạ tầng giao tiếp 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 lượng lớn dữ liệu vận hành trong các 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.

Trước đây, hệ thống OT và IT hoạt động độc lập vì yêu cầu giao tiếp 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 cơ sở hạ tầng mạng thống nhất.

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

Mạng nhạy cảm về 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 giao tiếp 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 một mạng vật lý. Kiến trúc này giảm độ phức tạp phần cứng và hạ thấp chi phí triển khai so với việc duy trì các mạng điều khiển tách biệt.

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

Độ trễ và độ dao động quan trọng hơn tốc độ thô

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

Độ trễ xác định tốc độ dữ liệu đến đích. Độ dao động đo mức biến thiên 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 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 giao tiếp 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 giao tiếp 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 chỉ số áp suất, giá trị rung, nồng độ khí và số 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 cơ sở hạ tầng giao tiếp có tính xác định.

Phần lớn dữ liệu này chỉ có giá trị trong một khoảng thời gian rất ngắn. Nếu bị trì hoãn vượt 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 giao tiếp xác định để xử lý dữ liệu cảm biến theo thời gian thực. Các hệ thống này thường kết hợp Ethernet công nghiệp có dây với các mạng giao tiếp công nghiệp không dây hoạt động dưới những ràng buộc thời gian nghiêm ngặt.

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 thời gian thực trên cùng một nền tảng. Điều này giảm chi phí cơ sở hạ tầng và đơn giản hóa việc bảo trì, nhưng cũng đòi hỏi môi trường vận hành được tối ưu hóa cao.

Các hệ điều hành thời gian thực và bản phân phối Linux công nghiệp hiện hỗ trợ giao tiếp 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 giao tiếp có tính xác định, bảo mật và khả năng quản lý ứng dụng công nghiệp có thể mở rộng.

Nút thắt công nghiệp tiếp theo sẽ là thời gian 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 công cụ phân tích dựa trên AI. Những công nghệ này liên tục làm tăng lưu lượng mạng và độ phức tạp của việc đồng bộ hóa.

Các cơ sở không thể duy trì hiệu suất giao tiếp có tính xác định sẽ gặp phải những vấn đề về độ tin cậy ngày càng tăng 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 của mạng có tính xác định trong thập kỷ tới. Chỉ đơn giản bổ sung các thiết bị kết nối mà không thiết kế lại cơ sở hạ tầng giao tiếp sẽ tạo ra 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 giao tiếp OT/IT tích hợp. Dữ liệu thời gian thực không còn chỉ là một công cụ tối ưu hóa — nó đang trở thành nền tảng cho hoạt động sản xuất công nghiệp an toàn và có khả năng mở rộng.

Biên soạn bởi Daniel Mercer, phóng viên cấp cao 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. Kinh nghiệm của ông bao gồm các dự án tích hợp tại hiện trường liên quan đến cơ sở hạ tầng của Siemens, Emerson, Honeywell và Bently Nevada trên khắp các cơ sở phát điện và sản xuất quy trình.