จากตัวควบคุมเฉพาะทางสู่การควบคุมที่กำหนดด้วยซอฟต์แวร์: ตัวควบคุม DeltaV IQ พัฒนาสถาปัตยกรรมระบบควบคุมแบบกระจาย (DCS)

01บทนำ

โดยทั่วไปแล้ว ระบบควบคุมแบบกระจาย (Distributed control systems) ถูกออกแบบขึ้นรอบ ตัวควบคุมเฉพาะทาง ที่พัฒนาขึ้นเป็นชุดรวมกันอย่างแน่นหนาของฮาร์ดแวร์ ไฟร์มแวร์ และซอฟต์แวร์ประยุกต์ สถาปัตยกรรมนี้ให้ประสิทธิภาพที่แน่นอนมาเป็นเวลาหลายสิบปี แต่ก็อาจผูกความสามารถในการควบคุม การวางแผนวัฏจักรชีวิตของระบบ และการขยายระบบเข้ากับรุ่นฮาร์ดแวร์เฉพาะเจาะจง ด้วยกลยุทธ์การผลิตที่ยืดหยุ่นมากขึ้นเรื่อยๆ และองค์กรอุตสาหกรรมที่มุ่งสู่การเปลี่ยนผ่านสู่ดิจิทัล โรงงานจำนวนมากจึงจำเป็นต้องมีโครงสร้างพื้นฐานการควบคุมที่สามารถพัฒนาต่อไปได้โดยไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนระบบใหม่ทั้งหมดอย่างกระทันหัน

เอเมอร์สัน DeltaV IQ Controller ตอบโจทย์ความต้องการนี้ด้วยการย้ายการประมวลผลการควบคุมไปยัง โครงสร้างพื้นฐานการประมวลผลระดับเซิร์ฟเวอร์ โดยยังคงรักษาแนวทางวิศวกรรมและสภาพแวดล้อมการปฏิบัติงานที่เกี่ยวข้องกับระบบควบคุมแบบกระจาย DeltaV ไว้ ซอฟต์แวร์ตัวควบคุมสามารถติดตั้งแยกจากอุปกรณ์ควบคุมเฉพาะทางได้ ซึ่งสร้างพื้นฐานสำหรับ การจัดสรรทรัพยากรอย่างยืดหยุ่น ,การแยกตัวของฮาร์ดแวร์ และการปรับปรุงระบบให้ทันสมัยอย่างมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น

การเปลี่ยนแปลงนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อ สถานที่เดิมที่มีโครงสร้างพื้นฐานแล้ว รวมถึงโครงการใหม่ด้วย โรงงานสามารถประเมินการควบคุมที่กำหนดด้วยซอฟต์แวร์เป็นส่วนหนึ่งของกลยุทธ์สถาปัตยกรรมแบบขั้นตอน แทนที่จะมองการปรับปรุงระบบให้ทันสมัยเป็นโครงการเปลี่ยนระบบแบบครบวงจร การเปลี่ยนผ่านนี้จึงเป็นสะพานเชื่อมที่ใช้งานได้จริงระหว่างศาสตร์การควบคุมกระบวนการที่มีมาอย่างยาวนาน กับรูปแบบการประมวลผลที่ยืดหยุ่นและปรับตัวได้ดีกว่า

02การแยกซอฟต์แวร์ควบคุมออกจากฮาร์ดแวร์เฉพาะเจาะจง

หลักการออกแบบหลักของ DeltaV IQ Controller คือการแยกซอฟต์แวร์ควบคุมออกจากแพลตฟอร์มฮาร์ดแวร์เฉพาะที่คงที่ ในระบบ DCS แบบดั้งเดิม ฟังก์ชันการทำงานของตัวควบคุมจะผูกติดแน่นกับตัวควบคุมทางกายภาพ ดังนั้น การเพิ่มกำลังการประมวลผลมักหมายถึงการติดตั้งอุปกรณ์ตัวใหม่ การจัดสรรพื้นที่ในตู้ควบคุม การขยายโครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงานและเครือข่าย รวมทั้งการติดตั้งและกำหนดค่าฮาร์ดแวร์ใหม่ สถาปัตยกรรมที่กำหนดด้วยซอฟต์แวร์เปลี่ยนความสัมพันธ์นี้โดยอนุญาตให้ตัวอย่างการควบคุมทำงานบนโครงสร้างพื้นฐานเซิร์ฟเวอร์ที่ผ่านการรับรองแล้ว

สำหรับทีมวิศวกรรม การแยกชั้นเช่นนี้สร้างแบบจำลองทรัพยากรที่ยืดหยุ่นมากขึ้น กลยุทธ์การควบคุม ลูปควบคุมตามข้อบังคับ ตรรกะแบบลำดับ ระบบล็อกกัน และโมดูลอุปกรณ์ยังคงอยู่ในสภาพแวดล้อมวิศวกรรม DeltaV ที่คุ้นเคย ในขณะที่เลเยอร์การประมวลผลพื้นฐานสามารถจัดการได้ในฐานะโครงสร้างพื้นฐาน สิ่งนี้ช่วยรักษา พฤติกรรมของกระบวนการที่แน่นอน และเวิร์กโฟลว์การกำหนดค่าที่มีอยู่แล้ว โดยไม่ทำให้การตัดสินใจเกี่ยวกับความสามารถในอนาคตทุกครั้งขึ้นอยู่กับแชสซีคอนโทรลเลอร์เฉพาะ

แนวทางนี้ยังสนับสนุนการมาตรฐานข้ามโครงการ แทนที่จะต้องดูแลรุ่นฮาร์ดแวร์คอนโทรลเลอร์จำนวนมาก องค์กรสามารถจัดแนวการใช้งานระบบควบคุมให้สอดคล้องกับวงจรชีวิตของเซิร์ฟเวอร์ที่ควบคุมได้ สถาปนิกระบบสามารถแยกการตัดสินใจเกี่ยวกับการออกแบบแอปพลิเคชันออกจากคำตัดสินใจเกี่ยวกับแพลตฟอร์มการประมวลผลทางกายภาพ ทำให้การวางแผนรอบการปรับปรุงและการรักษามาตรฐานวิศวกรรมที่สอดคล้องกันข้ามหน่วยการผลิตหลายแห่งเป็นเรื่องง่ายขึ้น

การควบคุมที่กำหนดด้วยซอฟต์แวร์ไม่ได้ทำให้การวางแบบอุตสาหกรรมอย่างมีวินัยสูญเสียความจำเป็นไป ทั้งการแบ่งเครือข่าย การประสานเวลา ความซ้ำซ้อน การสำรองข้อมูล และการจัดการการเปลี่ยนแปลงยังคงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ความปลอดภัยทางไซเบอร์ คุณค่าของแนวทางนี้อยู่ที่ความต้องการเหล่านี้สามารถจัดการได้ภายในสถาปัตยกรรมแบบรวมศูนย์ ซึ่งออกแบบมาเพื่อขยายขอบเขตได้อย่างคาดการณ์ได้มากกว่าการใช้อุปกรณ์ควบคุมแบบแยกส่วน

03ความสามารถในการขยายขอบเขตตามความต้องการการผลิตที่เปลี่ยนแปลงไป

สถานที่อุตสาหกรรมแทบจะไม่คงที่เลย ทั้งการเพิ่มสเก็ดใหม่ การเปลี่ยนสูตรการผลิต แอปพลิเคชันการควบคุมขั้นสูง การขยายขอบเขต และการเพิ่มอุปกรณ์ตรวจวัดส่งผลให้ปริมาณข้อมูลกระบวนการเพิ่มขึ้น ภายใต้สถาปัตยกรรมแบบเดิม ทุกการเปลี่ยนแปลงอาจกระตุ้นให้มีการทบทวนโดยละเอียดเกี่ยวกับภาระงานของตัวควบคุม การจัดสรร I/O ความพร้อมใช้งานของตู้ควบคุม และความต้องการอะไหล่ DeltaV IQ Controller นำเสนอแบบจำลองความสามารถที่ช่วยให้สามารถขยายภาระงานการควบคุมได้ภายในสภาพแวดล้อมเซิร์ฟเวอร์ โดยอยู่ภายใต้กรอบสถาปัตยกรรมระบบและใบอนุญาตที่ผ่านการตรวจสอบแล้ว

ความสามารถนี้สามารถย่นระยะทางจากขั้นตอนการออกแบบโครงการไปสู่การเดินเครื่องใช้งานจริงได้ วิศวกรสามารถจัดสรรฟังก์ชันควบคุมใหม่ได้โดยไม่จำเป็นต้องเพิ่มคอนโทรลเลอร์แบบกายภาพอีกตัวทุกครั้งที่มีความต้องการเพิ่มเติมแต่ละรายการ สำหรับสถาน facility แบบโมดูลาร์ โรงงานต้นแบบ และการดำเนินงานแบบผลิตหลายผลิตภัณฑ์ ความยืดหยุ่นนี้มีคุณค่าอย่างยิ่ง เนื่องจากความต้องการระบบควบคุมอาจเพิ่มขึ้นเป็นระยะๆ แทนที่จะเพิ่มขึ้นพร้อมกันทั้งหมดในคราวเดียว

การประมวลผลแบบรวมศูนย์ยังช่วยเพิ่มความชัดเจนในการติดตามการใช้ทรัพยากร โครงสร้างพื้นฐานที่สอดคล้องกันสามารถทำให้การวางแผนกำลังการใช้งานง่ายขึ้น และลดจำนวนรุ่นของฮาร์ดแวร์ที่ทีมบำรุงรักษาต้องรองรับ กลยุทธ์การสำรองอะไหล่สามารถมุ่งเน้นไปที่ชุดส่วนประกอบที่ผ่านการรับรองแล้วจำนวนน้อยลง ในขณะที่ทีมวิศวกรรมสามารถวางแผนการขยายระบบได้โดยอิงจากขีดจำกัดของการประมวลผลและระบบซึ่งวัดค่าได้จริง แทนที่จะประเมินแบบแยกตู้ๆ ไป

สำหรับ โครงการพัฒนาพื้นที่ใหม่ , สถาปัตยกรรมนี้เสนอแนวทางสู่การลดขนาดของระบบควบคุมให้เล็กลง สำหรับสถานที่ที่มีโครงสร้างพื้นฐานเดิมอยู่แล้ว (brownfield sites) มันยังเปิดโอกาสให้สามารถเพิ่มกำลังการผลิตใหม่ได้ควบคู่ไปกับทรัพย์สิน DeltaV ที่มีอยู่แล้ว ในทั้งสองกรณี คุณค่าทางธุรกิจเกิดจากการจัดสรรทรัพยากรการควบคุมให้สอดคล้องกับความต้องการในการผลิตมากยิ่งขึ้น ลดปริมาณกำลังการผลิตที่ไม่ได้ใช้งาน และจำกัดการเพิ่มจำนวนฮาร์ดแวร์โดยไม่จำเป็น

04ความทนทาน ความสำรอง และการปรับปรุงวัฏจักรชีวิตของระบบ

ความพร้อมใช้งานเป็นสิ่งพื้นฐานในระบบอัตโนมัติกระบวนการ โดยการหยุดทำงานของตัวควบคุมอาจส่งผลกระทบต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์ ความปลอดภัยของอุปกรณ์ และอัตราการผลิตของโรงงาน ดังนั้น รูปแบบการควบคุมที่อาศัยเซิร์ฟเวอร์จึงจำเป็นต้องให้มากกว่าเพียงแค่พลังการประมวลผลดิบเท่านั้น DeltaV IQ Controller ถูกออกแบบไว้รอบ ๆ หลักการของการปรับใช้ที่มีความทนทาน , รวมทั้ง โครงสร้างพื้นฐานที่รองรับความผิดพลาดได้ และการออกแบบระบบแบบสำรองซ้ำ (redundant) เพื่อให้ภาระงานด้านการควบคุมยังคงพร้อมใช้งานได้แม้เมื่อองค์ประกอบฮาร์ดแวร์บางส่วนจำเป็นต้องเข้ารับการบำรุงรักษา

สถาปัตยกรรมนี้ยังสามารถปรับปรุง การจัดการวงจรชีวิต การอัปเกรดตัวควบคุมแบบดั้งเดิมอาจจำเป็นต้องเปลี่ยนฮาร์ดแวร์ ดำเนินการเดินสายไฟ ปรับปรุงตู้ควบคุม และจัดช่วงเวลาหยุดระบบให้ตรงตามกำหนดอย่างเคร่งครัด แต่เมื่อซอฟต์แวร์ควบคุมถูกแยกออกจากแพลตฟอร์มเซิร์ฟเวอร์ การอัปเกรดฮาร์ดแวร์และการพัฒนาซอฟต์แวร์สามารถวางแผนได้เป็นกิจกรรมที่เกี่ยวข้องแต่แยกจากกัน ความแยกนี้ทำให้ผู้บริหารสินทรัพย์มีทางเลือกมากขึ้นในการจัดลำดับการทันสมัย และอาจลดผลกระทบต่อการดำเนินงานจากการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างพื้นฐาน

DeltaV เวอร์ชัน 16 ยิ่งเสริมทิศทางนี้ให้แข็งแกร่งยิ่งขึ้นผ่านความสามารถในการปรับขนาดระบบ ความปลอดภัยทางไซเบอร์ และการทันสมัยที่ดีขึ้น ภายใต้โปรแกรมวงจรชีวิตที่มีการกำกับดูแลอย่างเหมาะสม ตัวควบคุมที่กำหนดด้วยซอฟต์แวร์สามารถรองรับการอัปเดตแพตช์แบบมาตรฐาน การจัดการเวอร์ชันอย่างมีการควบคุม ขั้นตอนการสำรองข้อมูล และการวางแผนการกู้คืน อย่างไรก็ตาม แนวทางปฏิบัติเหล่านี้ยังคงต้องสอดคล้องกับข้อกำหนดการตรวจสอบความถูกต้องของโรงงาน ขั้นตอนการจัดการการเปลี่ยนแปลง และกฎระเบียบอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้อง

ความปลอดภัยทางไซเบอร์ควรได้รับความสนใจเป็นพิเศษ เนื่องจากการรวมระบบจะเปลี่ยนโปรไฟล์ความเสี่ยง โรงงานควรนำหลักปฏิบัติที่เหมาะสมไปใช้ การควบคุมแบบหลายชั้น ปรับปรุงความมั่นคงของโครงสร้างพื้นฐานโฮสต์ จำกัดการเข้าถึงระดับผู้ดูแลระบบ รักษาสำรองข้อมูลที่ได้รับการยืนยัน และตรวจสอบสุขภาพของระบบ เมื่อมาตรการเหล่านี้ถูกผสานเข้ากับขั้นตอนการออกแบบตั้งแต่ต้น โมเดลที่กำหนดด้วยซอฟต์แวร์สามารถรวมความยืดหยุ่นในการปฏิบัติงานเข้ากับความสอดคล้องกันตลอดวงจรชีวิตที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้น

05สรุป

DeltaV IQ Controller แสดงถึงการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในสถาปัตยกรรม DCS: ความสามารถในการควบคุมถือเป็นซอฟต์แวร์ที่สามารถทำงานบนโครงสร้างพื้นฐานการประมวลผลที่ผ่านการรับรองและมีความทนทาน แทนที่จะเป็นฟังก์ชันที่ผูกติดอยู่กับอุปกรณ์เฉพาะเจาะจงอย่างถาวร โมเดลนี้สามารถช่วยให้ผู้ผลิตขยายกำลังการผลิตได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น มาตรฐานโครงสร้างพื้นฐาน และประสานการเปลี่ยนอุปกรณ์ฮาร์ดแวร์เข้ากับการทันสมัยของซอฟต์แวร์

ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดจะเกิดขึ้นจากการดำเนินการอย่างมีวินัย ต้องประเมินประสิทธิภาพ การสำรองข้อมูล ความปลอดภัยทางไซเบอร์ การตรวจสอบความถูกต้อง การเชื่อมต่อเครือข่าย และการจัดการวงจรชีวิตร่วมกันอย่างบูรณาการ สำหรับโรงงานที่กำลังดำเนินการเปลี่ยนผ่านสู่ระบบดิจิทัลแบบค่อยเป็นค่อยไป DeltaV IQ Controller มอบแนวทางที่เหมาะสมจากระบบควบคุมที่ผูกติดกับฮาร์ดแวร์ สู่สภาพแวดล้อมอัตโนมัติที่ยืดหยุ่นและกำหนดด้วยซอฟต์แวร์มากขึ้น โดยไม่ต้องสูญเสียความต่อเนื่องในการออกแบบซึ่งจำเป็นต่อการปฏิบัติการกระบวนการที่สำคัญ