Từ các bộ điều khiển chuyên dụng đến điều khiển dựa trên phần mềm: Bộ điều khiển DeltaV IQ nâng cao kiến trúc hệ thống điều khiển phân tán (DCS)

01Giới thiệu

Các hệ thống điều khiển phân tán truyền thống thường được xây dựng dựa trên các bộ điều khiển chuyên dụng được thiết kế như những tổ hợp tích hợp chặt chẽ giữa phần cứng, firmware và phần mềm ứng dụng. Kiến trúc này đã đảm bảo hiệu năng xác định trong nhiều thập kỷ, nhưng đồng thời cũng khiến khả năng điều khiển, kế hoạch vòng đời và mở rộng hệ thống phụ thuộc vào một thế hệ phần cứng cụ thể. Khi các chiến lược sản xuất ngày càng linh hoạt hơn và các tổ chức công nghiệp đẩy mạnh chuyển đổi số, nhiều nhà máy cần cơ sở hạ tầng điều khiển có thể phát triển mà không bắt buộc phải thay thế toàn bộ hệ thống một cách gây gián đoạn.

Bộ điều khiển DeltaV IQ của Emerson đáp ứng yêu cầu này bằng cách chuyển việc thực thi điều khiển sang cơ sở hạ tầng tính toán cấp máy chủ trong khi vẫn duy trì các thực hành kỹ thuật và môi trường vận hành gắn liền với hệ thống điều khiển phân tán DeltaV. Phần mềm bộ điều khiển có thể được triển khai độc lập với thiết bị bộ điều khiển chuyên dụng, tạo nền tảng cho việc phân bổ dung lượng linh hoạt ,trừu tượng hóa phần cứng và hiện đại hóa hiệu quả hơn.

Sự tiến hóa này đặc biệt quan trọng đối với các cơ sở hiện hữu cũng như các dự án mới. Các nhà máy có thể đánh giá điều khiển được định nghĩa bằng phần mềm như một phần của chiến lược kiến trúc theo từng giai đoạn, thay vì xem việc hiện đại hóa như một chương trình thay thế toàn bộ. Kết quả là một cầu nối thực tiễn giữa các nguyên tắc điều khiển quy trình đã được thiết lập và mô hình điện toán thích ứng hơn.

02Tách phần mềm điều khiển ra khỏi phần cứng chuyên dụng

Nguyên lý thiết kế cốt lõi đằng sau bộ điều khiển DeltaV IQ là tách phần mềm điều khiển ra khỏi nền tảng phần cứng chuyên biệt và cố định. Trong một hệ thống điều khiển phân tán (DCS) truyền thống, chức năng điều khiển gắn chặt với một bộ điều khiển vật lý, do đó việc tăng dung lượng xử lý thường đồng nghĩa với việc lắp đặt thêm một thiết bị, bố trí không gian trong tủ, mở rộng cơ sở hạ tầng cấp điện và mạng, cũng như hiệu chỉnh phần cứng mới. Một kiến trúc được định nghĩa bằng phần mềm thay đổi mối quan hệ này bằng cách cho phép các phiên bản điều khiển chạy trên cơ sở hạ tầng máy chủ đã được chứng nhận.

Đối với các đội ngũ kỹ thuật, sự trừu tượng hóa này tạo ra một mô hình tài nguyên linh hoạt hơn. Các chiến lược điều khiển, vòng điều tiết quy định, logic tuần tự, liên động và mô-đun thiết bị vẫn nằm trong môi trường kỹ thuật DeltaV quen thuộc, trong khi lớp tính toán nền tảng có thể được quản lý như cơ sở hạ tầng. Điều này giúp duy trì hành vi quy trình xác định và các quy trình cấu hình đã thiết lập mà không làm cho mọi quyết định mở rộng dung lượng trong tương lai phụ thuộc vào một khung điều khiển chuyên dụng.

Cách tiếp cận này cũng hỗ trợ chuẩn hóa trên toàn bộ các dự án. Thay vì duy trì nhiều phiên bản phần cứng điều khiển khác nhau, các tổ chức có thể đồng bộ việc triển khai hệ thống điều khiển với chu kỳ sống của máy chủ được kiểm soát. Các kiến trúc sư hệ thống có thể tách biệt các quyết định về thiết kế ứng dụng khỏi các quyết định về nền tảng tính toán vật lý, từ đó dễ dàng hơn trong việc lập kế hoạch chu kỳ nâng cấp và duy trì các tiêu chuẩn kỹ thuật nhất quán trên nhiều đơn vị sản xuất.

Điều khiển được định nghĩa bằng phần mềm không loại bỏ nhu cầu về thiết kế công nghiệp có tính kỷ luật. Phân đoạn mạng, an ninh mạng đồng bộ hóa thời gian, dự phòng, sao lưu và quản lý thay đổi vẫn giữ vai trò thiết yếu. Giá trị của nó nằm ở chỗ những yêu cầu này có thể được đáp ứng trong một kiến trúc tập trung, được thiết kế để mở rộng một cách dự đoán được hơn so với tập hợp các thiết bị điều khiển rời rạc.

03Khả năng mở rộng đáp ứng nhu cầu sản xuất thay đổi

Các cơ sở công nghiệp hiếm khi duy trì trạng thái tĩnh. Các cụm thiết bị mới được bổ sung, quy trình sản xuất thay đổi, các ứng dụng điều khiển nâng cao mở rộng và việc lắp đặt thêm thiết bị đo lường làm gia tăng khối lượng dữ liệu quy trình. Trong kiến trúc truyền thống, mỗi thay đổi có thể kích hoạt việc rà soát chi tiết tải bộ điều khiển, phân bổ I/O, khả dụng tủ điều khiển và nhu cầu phụ tùng dự phòng. Bộ điều khiển DeltaV IQ giới thiệu mô hình dung lượng cho phép mở rộng khối lượng công việc điều khiển trong môi trường máy chủ, tuân theo kiến trúc hệ thống đã được xác thực và khung cấp phép.

Khả năng này có thể rút ngắn hành trình từ thiết kế dự án đến vận hành. Các kỹ sư có thể phân bổ các chức năng điều khiển mới mà không cần ngay lập tức lắp thêm một bộ điều khiển vật lý cho mỗi yêu cầu tăng thêm. Đối với các cơ sở theo mô-đun, các nhà máy thử nghiệm và các hoạt động sản xuất đa sản phẩm, tính linh hoạt này đặc biệt có giá trị vì nhu cầu điều khiển có thể tăng dần theo từng giai đoạn thay vì thông qua một lần mở rộng quy mô lớn.

Việc tính toán tập trung cũng cải thiện khả năng quan sát mức độ sử dụng tài nguyên. Một lớp cơ sở hạ tầng đồng nhất có thể đơn giản hóa việc lập kế hoạch công suất và giảm số lượng biến thể phần cứng mà các đội bảo trì phải hỗ trợ. Chiến lược dự phòng có thể tập trung vào một tập hợp nhỏ các thành phần đã được chứng nhận, trong khi các đội kỹ thuật có thể lên kế hoạch mở rộng dựa trên các giới hạn đo lường được về hiệu năng tính toán và hệ thống thay vì các ước tính riêng lẻ theo tủ.

Cho các dự án xây dựng mới , kiến trúc này cung cấp một giải pháp để thu nhỏ hơn nữa diện tích kiểm soát. Đối với các cơ sở hiện hữu, nó mang lại lựa chọn triển khai công suất mới song song với các tài sản DeltaV hiện có. Trong cả hai trường hợp, giá trị kinh doanh đến từ việc sắp xếp nguồn lực kiểm soát sát hơn với nhu cầu sản xuất, giảm thiểu công suất dư thừa và hạn chế việc nhân rộng thiết bị không cần thiết.

04Độ bền, dự phòng và hiện đại hóa vòng đời

Tính khả dụng là yếu tố nền tảng trong tự động hóa quy trình, nơi một lần gián đoạn bộ điều khiển có thể ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, an toàn thiết bị và năng lực vận hành nhà máy. Do đó, mô hình kiểm soát dựa trên máy chủ phải cung cấp nhiều hơn chỉ đơn thuần là sức mạnh tính toán thô. Bộ điều khiển DeltaV IQ được xây dựng dựa trên các nguyên tắc triển khai bền bỉ , bao gồm cơ sở hạ tầng chịu lỗi và thiết kế hệ thống dự phòng, nhằm đảm bảo khối lượng công việc kiểm soát vẫn duy trì khả dụng ngay cả khi từng thành phần phần cứng riêng lẻ cần bảo trì.

Kiến trúc này cũng có thể cải thiện quản lý vòng đời . Việc nâng cấp bộ điều khiển truyền thống có thể yêu cầu thay thế phần cứng, thực hiện các công việc đi dây, lắp đặt tủ điều khiển và các cửa sổ tắt máy được lên lịch chặt chẽ. Khi phần mềm điều khiển được tách biệt khỏi nền tảng máy chủ, việc làm mới phần cứng và phát triển phần mềm có thể được lập kế hoạch như những hoạt động liên quan nhưng riêng biệt. Sự tách biệt này mang lại cho chủ sở hữu tài sản nhiều lựa chọn hơn trong việc sắp xếp trình tự hiện đại hóa và có thể giảm tác động vận hành do các thay đổi cơ sở hạ tầng.

DeltaV Phiên bản 16 tiếp tục củng cố định hướng này thông qua khả năng mở rộng hệ thống, an ninh mạng và hiện đại hóa được cải thiện. Trong một chương trình vòng đời được quản trị tốt, các bộ điều khiển được định nghĩa bằng phần mềm có thể hỗ trợ việc cập nhật chuẩn hóa, quản lý phiên bản kiểm soát, quy trình sao lưu và lập kế hoạch khôi phục. Các thực hành này vẫn phải tuân thủ các yêu cầu xác nhận tại nhà máy, quy trình quản lý thay đổi cũng như các quy định công nghiệp áp dụng.

An ninh mạng cần được đặc biệt chú ý vì việc hợp nhất làm thay đổi hồ sơ rủi ro. Các nhà máy nên áp dụng các biện pháp kiểm soát theo nhiều lớp , tăng cường bảo mật cơ sở hạ tầng máy chủ, hạn chế quyền truy cập quản trị, duy trì các bản sao lưu đã được xác minh và giám sát tình trạng hoạt động của hệ thống. Khi những biện pháp này được tích hợp ngay từ giai đoạn thiết kế, mô hình được định nghĩa bằng phần mềm có thể kết hợp khả năng phục hồi vận hành với tính nhất quán cao hơn trong toàn bộ vòng đời.

05Kết luận

Bộ điều khiển DeltaV IQ đại diện cho một bước chuyển quan trọng trong kiến trúc hệ thống điều khiển phân tán (DCS): khả năng điều khiển được xem như phần mềm có thể chạy trên cơ sở hạ tầng tính toán đủ tiêu chuẩn và bền bỉ, thay vì là một chức năng cố định gắn liền với một thiết bị chuyên dụng duy nhất. Mô hình này có thể giúp các nhà sản xuất mở rộng quy mô hiệu quả hơn, chuẩn hóa cơ sở hạ tầng và đồng bộ hóa việc thay thế phần cứng với việc hiện đại hóa phần mềm.

Kết quả mạnh nhất sẽ đạt được nhờ việc triển khai một cách kỷ luật. Hiệu suất điều khiển, dự phòng, an ninh mạng, xác thực, kết nối mạng và quản trị vòng đời phải được đánh giá đồng thời. Đối với các nhà máy theo đuổi chuyển đổi số từng bước, Bộ điều khiển DeltaV IQ cung cấp một lộ trình thực tiễn để chuyển từ hệ thống điều khiển phụ thuộc phần cứng sang môi trường tự động hóa linh hoạt hơn và được định nghĩa bằng phần mềm—mà không từ bỏ tính liên tục trong thiết kế kỹ thuật vốn cần thiết cho các hoạt động quy trình then chốt.