Ключевой момент в развитии промышленной автоматизации: как виртуальный ПЛК изменит автоматизацию?

С момента появления Индустрии 4.0 более десяти лет назад информационные технологии (ИТ) постоянно влияют на системы промышленной автоматизации. Эта инициатива позволила промышленным участникам, избегающим рисков, осознать ценность и преимущества использования «ИТ-архитектуры», например, для непрерывной оптимизации за счёт получения исходных данных процесса. Она также создала основанное на данных видение будущего, в котором моделирование и тестирование продуктов и производственных процессов осуществляется с помощью цифровых двойников.

　　«ИТ-изация» архитектуры автоматизации началась с промышленных сетей на базе Ethernet и привела к созданию промышленного периферийного уровня — пространства, где традиционная автоматизация цеха пересекается с ИТ-миром. По мере развития этой тенденции мы сейчас наблюдаем переход управления в реальном времени с специализированного оборудования на управляемую ИТ-среду.

　　 Начало с дата-центра

　　Дата-центры — одна из областей применения технологий виртуализации. До виртуализации дата-центры состояли из специализированных серверов, работающих с одним приложением (базы данных, электронной почты, файлового обмена, управления взаимоотношениями с клиентами, планирования ресурсов предприятия). Каждый сервер требовал отдельного управления, настройки и масштабирования для удовлетворения потребностей своего приложения или сервиса. Виртуализация значительно сократила количество необходимых физических серверов, снизила энергопотребление и обеспечила лучшую видимость и управляемость ИТ-операций. Виртуализация серверов стала шагом к современным программно-определяемым дата-центрам и облачной инфраструктуре.

　　Промышленные технологии автоматизации, похоже, движутся по аналогичному пути. Третий завод автоматических приборов Шанхая Для автоматизационных решений этот переход означает интеграцию нескольких функций автоматизации, таких как визуализация, управление производством или пакетное управление, в виртуальные машины, работающие на универсальных аппаратных и программных платформах (заводских серверах). Хотя такие мехатронные устройства, как датчики, исполнительные механизмы и двигатели, остаются на машинах, традиционные функции программируемых логических контроллеров (ПЛК), установленных в электрических шкафах управления, теперь могут виртуализироваться в контейнерах и развертываться на заводских серверах рядом с другим программным обеспечением. Для операторов машин повседневные функции автоматизации должны оставаться неизменными, но техническому персоналу, возможно, потребуется освоить новые навыки для решения эксплуатационных проблем.

　　 Как виртуальные ПЛК изменят автоматизацию?

Появление виртуальных ПЛК (vPLC) вызвало множество вопросов. Могут ли виртуальные ПЛК полностью заменить традиционные? Как они сравниваются по производительности? Какие приложения останутся прерогативой традиционных ПЛК? Какие новые возможности создают виртуальные ПЛК? Ниже приведены некоторые потенциальные преимущества и моменты, требующие внимания при использовании виртуальных ПЛК в промышленности.

　　 Виртуальное развертывание

　　В отличие от некоторых программных ПЛК, виртуальные ПЛК можно приобрести и загрузить как приложение, а затем установить и интегрировать в промышленной периферийной среде без привязки к промышленному ПК. Периферийные платформы обычно поддерживают приложения и устройства из постоянно расширяющейся экосистемы продуктов и решений (включая сторонние). Например, специализированные платформы, такие как Siemens Industrial Edge, предоставляют инструменты для развертывания и мониторинга автоматизационных активов и производительности сервисов, позволяя приложениям и устройствам легко взаимодействовать при минимальном занимаемом пространстве.

　　 Развертывание для конечных пользователей

　　Традиционные ПЛК обычно развертываются вручную, а параметры часто настраиваются вручную, тогда как виртуальные ПЛК развертываются как ИТ-активы с помощью «оркестрации» — процесса автоматической настройки, поставки и управления активами с использованием универсальных ИТ-инструментов. Освоив определённые ИТ-навыки, инженеры по автоматизации могут развертывать и контролировать полный набор контроллеров на машинах, производственных линиях и в целых заводах с гибридной конфигурацией программно-определяемых и физических устройств. Сегодня крупный производственный завод может содержать сотни и тысячи ПЛК, поэтому потенциал экономии за счёт централизованного управления автоматизационными активами огромен.
 

　　 Развертывание для производителей машин

　Хотя большинство производителей машин предпочитают поставлять машины с одинаковой конфигурацией и программами ПЛК, на практике даже стандартные машины часто требуют модификаций для удовлетворения потребностей и требований клиентов. Виртуальные ПЛК предоставляют производителям машин значительные преимущества: традиционное аппаратное обеспечение ПЛК имеет различные размеры и ёмкости, тогда как виртуальные ПЛК представлены в едином «моделе», которую можно масштабировать вверх или вниз в зависимости от потребностей каждой машины.
 

　　 Снижение капитальных затрат

　　Виртуальные ПЛК работают на серверах, и если на одном хостинговом устройстве установлено несколько виртуальных ПЛК, пользователи могут снизить капитальные затраты. Сколько виртуальных ПЛК можно установить на одном сервере и каковы ограничения? Обычно возможно развертывание вычислительного кластера с 10–20 виртуальными ПЛК на сервер, но это зависит от конкретных задач виртуальных ПЛК. Ключевым испытанием для ПЛК является жёсткое управление движением с детерминированной производительностью. Некоторые виртуальные ПЛК могут выполнять стандартные задачи управления движением так же, как аппаратные аналоги, но для управления движением (координации нескольких сервоприводов) специалисты рекомендуют использовать традиционные ПЛК и специализированные технические модули для большей надёжности.

　　 Сортировка (первичная упаковка)

　　Высокоскоростные роботы для подбора и размещения могут обрабатывать продукты, требующие упаковки. Эти роботы могут загружать блистерные упаковочные блоки или другие упаковочные материалы, управлять подачей на подушечные упаковочные машины и формировать матрицу на выходном конвейере. Используя специализированное программное обеспечение для сортировки, интегрированное с визуальной системой, роботы могут распознавать положение, ориентацию и тип деталей и назначать задачи соответствующим роботам для обработки.

　　 Масштабируемость и гибкость

　　Виртуальные ПЛК делают автоматизационные системы более гибкими и масштабируемыми. Размер системы можно легко увеличить или уменьшить, изменяя количество используемых экземпляров виртуальных ПЛК без необходимости установки или удаления оборудования. Пользователи платят только за контроллеры, которые они фактически используют — что является привлекательной моделью для производителей машин, регулярно изготавливающих и транспортирующих оборудование. Традиционные ПЛК из-за своих размеров и занимаемого пространства создают определённые сложности для заводов, желающих быстро масштабироваться. Виртуализация позволяет разрабатывать и тестировать новые стратегии управления до их внедрения на физических ПЛК, обеспечивая гибкое расширение автоматизационных линий завода. Это значительно снижает затраты и риски ошибок при масштабировании.

　　 Управление устройствами и приложениями

　　Виртуализированные системы «оркестрируются», что означает, что приложения и устройства могут быстро развертываться, распределяться и настраиваться с помощью автоматических задач. Таким образом, вся программно-определяемая автоматизация, интеллектуальные устройства и приложения могут развертываться, контролироваться и управляться с использованием универсальных инструментов.

　　 Поддержка системы

　　Производители машин часто вкладывают значительные средства в разработку кода ПЛК, поэтому неудивительно, что виртуальные ПЛК обычно поддерживают существующий код и структуры данных, позволяя пользователям использовать их интеллектуальную собственность и знакомые инженерные инструменты. Например, виртуальный контроллер Simatic S7-1500V от Siemens конфигурируется так же, как традиционные ПЛК с помощью программного обеспечения TIA Portal, что позволяет пользователям продолжать использовать существующий код, разработанный для нескольких поколений ПЛК Siemens. Это также работает в обратном направлении: при необходимости пользователи могут легко переключиться обратно на традиционные ПЛК, чтобы снизить риски изменений и поддержать поэтапное внедрение.

　　 Повышенная эффективность

　　Виртуальные ПЛК развертываются на промышленном краю, то есть в области интеграции старых и новых автоматизированных систем в ИТ-среде. Например, Simatic S7-1500V работает на промышленной краевой платформе Siemens, где в этой универсальной среде можно централизованно контролировать приложения и устройства. Эта среда способствует открытости и обмену данными, принося ряд преимуществ. Пользователи могут управлять и обслуживать производственное оборудование, опираясь на полученные на основе данных инсайты, что помогает оптимизировать процессы и даже прогнозировать непредвиденные простои и сбои. Эти функции могут быть дополнительно усилены другими приложениями, работающими на той же краевой платформе (например, мониторинг Profinet).

　　 Закупочные и жизненные затраты

　　Являются ли автоматизированные системы с использованием виртуальных ПЛК дешевле по закупочной стоимости по сравнению с традиционными системами автоматизации? А как насчёт их жизненных затрат по сравнению с традиционными ПЛК? Пока нет окончательных выводов по сравнению стоимости виртуальных ПЛК и традиционных ПЛК. Хотя виртуальные ПЛК всё ещё требуют аппаратного обеспечения для работы, пользователи могут развернуть несколько виртуальных ПЛК на одном сервере, что уменьшает общее количество устройств и экономит пространство в шкафах управления. Однако виртуальный ПЛК лишь заменяет центральный процессор (CPU) автоматизированной системы. Модули ввода-вывода (I/O), датчики, исполнительные механизмы и панели управления по-прежнему необходимы, и они могут составлять значительную часть общей стоимости системы управления.

　　Снижение инженерных затрат достигается за счёт применения методологии DevOps для бережливой разработки программного обеспечения, что сокращает время разработки при обеспечении качества и согласованности кода, а также позволяет добиться дополнительных экономий.

　　Внедрение виртуальных ПЛК знаменует собой ключевой момент в развитии промышленной автоматизации. Объединяя надёжность традиционных ПЛК с гибкостью виртуализационных технологий, виртуальные ПЛК предлагают гибкость, масштабируемость и интеграционные возможности. По мере того как различные отрасли продолжают цифровую трансформацию, использование виртуальных ПЛК обещает повысить эффективность, снизить затраты и открыть новые возможности для инноваций в производственной сфере.

　　Смысл виртуальных ПЛК не в замене традиционных ПЛК, Шанхайская компания автоматизации и приборостроения   а в развертывании и управлении функциями ПЛК в среде, ориентированной на данные, с полным использованием всех преимуществ современных ИТ-инструментов и развития. Понимание тонкостей виртуализации и её влияния на архитектуру автоматизации будет крайне важным. Принятие этих достижений не только позволит создать промышленную эксплуатацию, ориентированную на будущее, но и проложит путь к более взаимосвязанной и интеллектуальной промышленной среде.