Виртуальный ПЛК – следующий шаг в цифровой трансформации архитектур автоматизации

Приводим статью Дэвида Хамфри (David Humphrey) – директора по исследованиям аналитического агентства ARC Europe, в которой рассматривается появление программно-определяемой автоматизации на уровне контроллера и ее влияние на то, как АСУ ТП будут проектироваться, развертываться и управляться в будущем. Конкретно речь идет о виртуальных ПЛК (vPLC) – программных средств, эмулирующих функции физических программируемых логических контроллеров.

Информационные технологии оказывают влияние на системы промышленной автоматизации с момента появления Индустрии 4.0 более десяти лет назад. Эта инициатива показала ценности и преимуществам использования подобных ИТ архитектур, например, в процессах непрерывной оптимизации. Она также создала основанное на данных видение будущего, в котором продукты и производственные процессы моделируются и тестируются с использованием цифровых двойников. «ИТ-фикация» архитектур автоматизации началась с промышленных сетей на основе Ethernet и привела к слиянию на производстве классической автоматизации с миром ИТ. Эта тенденция продолжается, и сейчас мы наблюдаем миграцию управления со специализированного оборудования в управляемую ИТ-среду.

Базовые положения:

- Виртуальный ПЛК (vPLC) не заменит полностью классические ПЛК (PLC). Они будут сосуществовать, поскольку пользователи сами решают, какое решение лучше и где его развернуть.

- В программной среде vPLC дает множество преимуществ по сравнению с классическим PLC в таких категориях, как простота развертывания, управляемость, масштабируемость и гибкость. Однако эти преимущества будут реализованы только тогда, когда пользователи перейдут на действительно IT-подобные архитектуры и обучат свой персонал проектированию и эксплуатации.

- vPLC – это всего лишь часть комплексного решения для архитектуры автоматизации, которая также включает инфраструктуру, приложения и сторонние компоненты.

vPLC приобретается и загружается как приложение, а затем устанавливается и интегрируется в периферийную среду. Обычно производители ПЛК оставляют выбор оборудования для хостинга за пользователем, но предоставляют список справочного оборудования. В остальном новый vPLC ничем не отличается по функциональности от классических ПЛК.

Центры обработки данных (ЦОД) были пионерами виртуализации. До виртуализации ЦОДы состояли из выделенных функциональных серверов, на которых работало одно приложение (база данных, электронная почта, файлообмен, CRM, ERP). Каждый сервер должен был администрироваться, настраиваться и масштабироваться индивидуально для поддержки максимального спроса, предъявляемого к его приложению или услуге. Виртуализация значительно сократила количество требуемых физических серверов, снизила потребление энергии и обеспечила лучшую видимость и управляемость ИТ-операций. Виртуализация серверов была первым шагом к сегодняшнему программно-определяемому центру обработки данных и инфраструктуре облачных вычислений.

Технология промышленной автоматизации следует по схожему пути. Для решений автоматизации эта трансформация означает консолидацию нескольких функций, таких как визуализация, управление производством или контроль партий товара, в виртуальных машинах, работающих на общей аппаратной и программной платформе (производственном сервере). В то время как электромеханические устройства, такие как датчики, приводы и двигатели, остаются на машине, традиционная функция ПЛК, установленного в щите автоматики, теперь виртуализирована в контейнере и развернута на сервере завода, рядом с другим программным обеспечением. Для рабочего в цеху ежедневная функция системы автоматизации должна оставаться прежней, но обслуживающему персоналу, возможно, придется освоить новые навыки для решения эксплуатационных проблем.

Концепция виртуального ПЛК поднимает множество вопросов:

- Является ли vPLC прямой заменой классического ПЛК?

- Какова производительность?

- Какие приложения останутся областью классического ПЛК?

- Какие новые возможности создает vPLC?

Ниже приведены описания потенциальных преимуществ и предостережений vPLC.

Виртуальное развертывание

vPLC приобретается в магазине приложений, загружается и затем развертывается в контейнере на промышленной периферии. Платформы периферии обычно поддерживают приложения и устройства из постоянно растущей экосистемы продуктов и решений, в том числе от третьих лиц. Специализированные платформы предлагают инструменты для развертывания и мониторинга производительности активов и служб автоматизации, которые позволяют приложениям и устройствам легко взаимодействовать друг с другом, сохраняя при этом небольшой размер.

Развертывание для конечных пользователей

В то время как традиционные ПЛК развертываются вручную, часто с параметрами, также установленными вручную, vPLC развертываются как цифровые активы посредством «оркестровки», т.е. процесса автоматической настройки, предоставления и управления активами с использованием обычных ИТ-инструментов. После освоения определенных ИТ-навыков инженеры по автоматизации могут развертывать и контролировать целые парки контроллеров на машинах, линиях и целых заводах в смешанной конфигурации программно-определяемых и физических устройств. Крупный завод сегодня может включать несколько сотен ПЛК, поэтому потенциальная экономия средств, возможная при централизованном управлении активами автоматизации, огромна.

Развертывание для машиностроителей

Хотя большинство производителей предпочли бы поставлять устройства с идентичными конфигурациями и программами ПЛК, в реальности даже стандартные контроллеры часто модифицируются для удовлетворения требований клиентов. vPLC предлагает производителям несколько преимуществ: в то время как классическое оборудование ПЛК предлагается в разных форм-факторах и мощностях, vPLC поставляется только в одной «модели», которую можно масштабировать для соответствия требованиям каждого устройства.

Снижение капитальных затрат

vPLC работает на сервере, и пользователи могут сократить капитальные затраты, если несколько vPLC установлены на одном хост-устройстве. Выбор хостингового оборудования остается за пользователем, что возлагает на него ответственность за обеспечение соответствия требованиям приложений. Но сколько vPLC можно установить на сервере и каковы ограничения? Пользователи рекомендуют следующее: вычислительный кластер из 10 – 20-ти vPLC на сервер является реалистичным, но это зависит от того, какие функции выполняют vPLC. Жесткое управление движением с детерминированной производительностью – это испытание на прочность ПЛК. Виртуальный ПЛК выполняет стандартные задачи управления движением также, как и его аппаратные собратья, но для расширенного управления движением (координация нескольких сервоосей) производители рекомендуют применять классический PLC и использование выделенного технологического модуля (T-CPU).

Масштабируемость и гибкость

vPLC делают системы автоматизации более гибкими и масштабируемыми. Размер системы можно увеличивать или уменьшать, просто изменяя количество используемых экземпляров виртуальных ПЛК, а не устанавливая или удаляя физическое оборудование. Пользователи, которые платят только за контроллеры, используемые в данный момент – весьма привлекательная модель для производителей.

Управление устройствами и приложениями

Виртуализированные системы «оркестрируются» – это означает, что приложения и устройства могут быть быстро развернуты с помощью автоматизированных задач по настройке. Это позволяет эффективно развертывать, контролировать и управлять целыми парками программно-определяемых систем автоматизации, интеллектуальных устройств и приложений с использованием общих инструментов.

Поддержка прежних версий

Производители вложили огромные суммы в разработку кода ПЛК, поэтому неслучайно vPLC обычно поддерживают устаревший код и структуры данных, позволяя пользователям использовать свою существующую интеллектуальную собственность и знакомые инженерные инструменты. (Например, Simatic S7-1500V настраивается так же, как традиционный ПЛК). Это также работает в обратном направлении: пользователи могут легко переключиться на классический ПЛК, если это необходимо с тем, чтобы снизить риск изменений и осуществлять пошаговое развертывание.

Более высокая эффективность

Виртуальный ПЛК развертывается в промышленной среде – пространстве, где новые и устаревшие системы автоматизации интегрируются в ИТ-инфраструктуру. vPLC работает в среде, в которой приложения и устройства могут контролироваться централизованно, и которая способствует открытому обмену данных. Например, пользователи могут управлять и обслуживать производственное оборудование с помощью аналитических данных, которые помогают оптимизировать процессы и даже предсказать остановки и поломки до того, как они произойдут (предикативная аналитика). Эти возможности могут быть дополнительно расширены другими приложениями, такими как мониторинг, работающими на той же периферийной платформе.

Расходы на закупку и жизненный цикл

Является ли система автоматизации, использующая vPLC, менее дорогой в приобретении, чем традиционная система автоматизации? Как затраты на жизненный цикл сравниваются с затратами на традиционную систему PLC? Пока еще не решен вопрос о сравнении стоимости виртуального и классического PLC. Хотя vPLC по-прежнему требует аппаратного обеспечения для работы, пользователи могут развертывать несколько экземпляров vPLC на одном сервере, что сокращает общее количество устройств и экономит место в шкафу автоматики. Однако vPLC просто заменяет центральный процессор системы автоматизации. Модули ввода-вывода, датчики, исполнительные механизмы и панели оператора по-прежнему необходимы, и они могут составлять большую часть общей стоимости системы. Дополнительная экономия средств может быть достигнута за счет снижения затрат на проектирование с помощью подхода DevOps к созданию ПО, который сокращает время разработки, обеспечивая при этом качество и согласованность кода.

В то время как виртуальный ПЛК является относительно новый продуктом на достаточно зрелом рынке дискретного управления, появление виртуально развернутого контроллера является частью более широкой картины в русле цифровой трансформации. По мере появления новых вариантов использования vPLC бизнес-кейс для систем автоматизации станет более убедительным.

Виртуальный ПЛК следует по давно устоявшемуся пути в области информационных технологий: «переносить hard в soft на столько, насколько это возможно», более того применяет этот принцип к критическому управлению, осуществляемому в режиме реального времени.

Цель vPLC заключается не в замене классического ПЛК, а в развертывании и управлении функциями ПЛК в среде, ориентированной на данные, со всеми преимуществами современных ИТ-инструментов.

Материал подготовлен Московским заводом тепловой автоматики