Từ PLC Vật lý đến Điều khiển Ảo: SIMATIC S7-1500V Đẩy mạnh Tự động hóa Định nghĩa bằng Phần mềm

SIMATIC S7-1500V Giới thiệu

01Chuyển các chức năng PLC từ phần cứng chuyên dụng sang phần mềm

Trong một hệ thống tự động hóa truyền thống, mỗi PLC là một gói phần cứng hoàn chỉnh. Bộ xử lý, bộ nhớ, giao diện truyền thông, môi trường vận hành và chương trình điều khiển của nó đều gắn kết chặt chẽ với nhau. Cách bố trí này mang lại hiệu suất dự đoán được, nhưng việc mở rộng khả năng điều khiển thường đòi hỏi thêm một bộ điều khiển khác, nhiều không gian tủ hơn, dây nối bổ sung và kế hoạch dự trữ linh kiện mới.

Thị trường SIMATIC S7-1500V thay đổi mối quan hệ đó bằng cách tách phần runtime PLC ra khỏi thiết bị điều khiển chuyên dụng. Chương trình điều khiển hoạt động như một phiên bản phần mềm ảo trên cơ sở hạ tầng tính toán đã được phê duyệt. Do đó, khả năng điều khiển có thể được tổ chức dựa trên nhu cầu của ứng dụng thay vì bị giới hạn vĩnh viễn bởi các đơn vị phần cứng riêng lẻ.

Mô hình này đặc biệt phù hợp với các nhà sản xuất thường xuyên bổ sung các mô-đun sản xuất, giới thiệu các biến thể sản phẩm mới hoặc điều chỉnh thiết bị để đáp ứng nhu cầu thay đổi. Một công ty có thể tạo ra các cấu hình bộ điều khiển ảo tiêu chuẩn cho nhiều ô sản xuất tương tự nhau. Khi cần tăng thêm năng lực, kỹ sư có thể triển khai một phiên bản đã được phê duyệt khác mà không cần thiết kế lại hoàn toàn tủ điều khiển cho từng ứng dụng.

Sự quen thuộc vẫn giữ vai trò quan trọng đối với các đội tự động hóa. Bộ điều khiển ảo duy trì tính liên tục với môi trường SIMATIC rộng hơn, nhờ đó kỹ sư có thể tiếp tục áp dụng các khái niệm lập trình PLC, phương pháp chẩn đoán và cấu trúc tự động hóa đã được thiết lập. Điều này giúp giảm thiểu sự gián đoạn thường đi kèm khi thực hiện một thay đổi kiến trúc lớn.

Điều khiển ảo cũng hỗ trợ quá trình hiện đại hóa từng bước. Các nhà máy không cần thay thế toàn bộ đội bộ điều khiển hiện hữu trong một dự án duy nhất. Các bộ điều khiển S7 vật lý có thể tiếp tục quản lý các máy yêu cầu độ chính xác cao về mặt thời gian, trong khi pLC ảo được giới thiệu cho các đơn vị quy trình mô-đun, hệ thống phụ trợ, cơ sở thử nghiệm hoặc các ứng dụng yêu cầu triển khai linh hoạt.

Việc chuyển bộ điều khiển sang phần mềm không loại bỏ nhu cầu về kỹ thuật có kỷ luật. Hiệu suất thời gian thực vẫn phụ thuộc vào tài nguyên bộ xử lý, thiết kế mạng, kiến trúc đầu vào/đầu ra (I/O), yêu cầu chu kỳ thời gian và hành vi của hệ thống trong trường hợp sự cố. Mỗi ứng dụng điều khiển ảo đều phải được thiết kế, kiểm tra, đưa vào vận hành và tài liệu hóa một cách đúng đắn.

02Kết nối Industrial Edge, WinCC OA , và Cơ sở hạ tầng CNTT hiện hữu

Một PLC ảo mang lại giá trị lớn nhất khi hoạt động như một phần của môi trường phần mềm công nghiệp được phối hợp. Trong kiến trúc này, Siemens Industrial Edge kết nối các ứng dụng điều khiển với xử lý dữ liệu cục bộ, hệ thống trực quan hóa và tài nguyên CNTT trung tâm.

Thị trường S7-1500V quản lý logic tự động hóa, trong khi Các ứng dụng Industrial Edge xử lý thông tin sản xuất gần máy móc hoặc quy trình. Việc thực thi cục bộ cho phép tính toán các chỉ số hiệu suất, phát hiện các điều kiện bất thường và chuẩn bị thông tin được chọn để gửi tới các hệ thống doanh nghiệp mà không cần gửi mọi tín hiệu thô tới trung tâm dữ liệu từ xa.

WinCC Open Architecture , thường được biết đến là WinCC OA , bổ sung khả năng mở rộng Khả năng SCADA . Khi kết hợp với Industrial Edge và PLC ảo, giải pháp này có thể đặt các chức năng trực quan hóa và giám sát gần hơn với các khối tải công việc điều khiển được ảo hóa. Điều này đặc biệt hữu ích cho các nhà máy phân tán, cơ sở năng lượng, mạng cơ sở hạ tầng và các khu sản xuất lớn cần kiến trúc giám sát linh hoạt.

Một cài đặt thực tế có thể bao gồm i/O phân tán và thiết bị đo lường ở cấp trường, một S7-1500V thể hiện (instance) dành cho điều khiển, Các ứng dụng Industrial Edge để xử lý cục bộ, và WinCC OA để trực quan hóa cho người vận hành. Cơ sở hạ tầng CNTT trung tâm sau đó có thể hỗ trợ quản lý danh tính, kho phần mềm, sao lưu, giám sát hệ thống và lưu trữ dữ liệu lịch sử.

Hỗ trợ các công nghệ như Microsoft Hyper-V và Red Hat OpenShift cũng giúp kết nối các khối lượng công việc công nghiệp với cơ sở hạ tầng mà các đội ngũ CNTT doanh nghiệp đã quen thuộc. Dẫu vậy, trách nhiệm vẫn phải được xác định rõ ràng. Các kỹ sư điều khiển hiểu rõ rủi ro quy trình và hành vi của máy móc, trong khi các chuyên gia CNTT đóng góp kinh nghiệm về ảo hóa, tài nguyên tính toán, quản lý truy cập và an ninh mạng.

An ninh mạng phải được tích hợp ngay từ giai đoạn thiết kế kiến trúc. Phân đoạn mạng, truy cập dựa trên vai trò giao tiếp an toàn, quản lý chứng chỉ, quy trình cập nhật bản vá và sao lưu đáng tin cậy là những yếu tố thiết yếu. Ảo hóa nâng cao tính linh hoạt, nhưng khả năng sẵn sàng trong môi trường công nghiệp tuyệt đối không được coi như một khối lượng công việc CNTT văn phòng thông thường.

03Một cách tiếp cận linh hoạt hơn đối với việc mở rộng, nâng cấp và quản lý vòng đời

Một trong những lợi ích rõ ràng nhất của điều khiển dựa trên phần mềm là khả năng mở rộng hệ thống tự động hóa một cách hiệu quả hơn. Trong một dự án tập trung vào phần cứng, việc mở rộng có thể đòi hỏi thêm một bộ điều khiển lập trình (PLC), thay đổi tủ điều khiển, nguồn điện bổ sung, phần cứng truyền thông mới và công việc điện được lên lịch trước. Với một pLC ảo , dung lượng điều khiển bổ sung có thể được tạo ra thông qua một phiên bản phần mềm mới, miễn là tài nguyên tính toán, hiệu năng mạng, giấy phép và dự phòng đã được lên kế hoạch đầy đủ.

Điều này đặc biệt hữu ích đối với sản xuất theo mô-đun . Các hệ thống thiết bị chuyên dụng trong ngành dược phẩm, các đơn vị xử lý nước, hệ thống quản lý năng lượng, thiết bị vận chuyển vật liệu và các trạm lắp ráp linh hoạt thường được xây dựng từ các đơn vị chức năng có thể lặp lại. Các mẫu bộ điều khiển ảo tiêu chuẩn giúp rút ngắn thời gian kỹ thuật và nâng cao tính nhất quán khi triển khai các đơn vị tương tự trên nhiều dây chuyền hoặc nhà máy.

Việc điều khiển dựa trên phần mềm cũng làm thay đổi cách quản lý các bản nâng cấp. Vì thời gian chạy của bộ điều khiển không gắn cố định với một thiết bị vật lý nào, nên các phiên bản phần mềm và phần cứng tính toán có thể tuân theo các chu kỳ vòng đời khác nhau. Các đội kỹ thuật có thể chuẩn bị một môi trường cập nhật, kiểm tra nó trong điều kiện kiểm soát, tài liệu hóa thay đổi và triển khai trong khoảng thời gian bảo trì đã được phê duyệt.

Sao lưu và khôi phục cũng có thể trở nên hệ thống hơn. Các cấu hình đã được phê duyệt, chương trình điều khiển và các phiên bản ảo có thể được quản lý tập trung, giúp đội bảo trì có cái nhìn rõ ràng hơn về những thành phần đang được cài đặt tại từng địa điểm. Nếu nền tảng tính toán cần được thay thế, môi trường điều khiển đã được xác thực có thể được khôi phục mà không cần xây dựng lại toàn bộ ứng dụng từ đầu.

Những lợi thế này không khiến việc nâng cấp công nghiệp trở nên không có rủi ro. Mọi thay đổi vẫn đòi hỏi kiểm tra tính tương thích, kiểm thử chức năng, đánh giá an ninh mạng và quy trình khôi phục được xác định rõ ràng. Lợi ích thực sự trong vòng đời là khả năng kiểm soát độ phức tạp tốt hơn, bao gồm quản lý phiên bản rõ ràng hơn, triển khai minh bạch hơn và phụ thuộc ít hơn vào nhiều biến thể phần cứng bộ điều khiển.

04Kết luận

SIMATIC S7-1500V đại diện cho nhiều hơn một PLC vật lý được chuyển sang môi trường ảo. Nó báo hiệu một sự thay đổi rộng lớn hơn về cách thiết kế, mở rộng và bảo trì các hệ thống điều khiển công nghiệp.

Bằng cách làm việc cùng Siemens Industrial Edge, WinCC OA và cơ sở hạ tầng CNTT đã được thiết lập, PLC ảo kết nối logic tự động hóa với xử lý dữ liệu cục bộ, trực quan hóa có thể mở rộng và quản lý hệ thống tập trung. Năng lực điều khiển mới có thể được triển khai linh hoạt hơn, các bản nâng cấp phần mềm có thể được chuẩn bị bài bản hơn và thông tin vòng đời có thể được quản lý minh bạch hơn.

Tương lai thực tế nhất là lai. Các bộ điều khiển logic khả trình (PLC) vật lý sẽ tiếp tục cung cấp khả năng điều khiển đáng tin cậy ở cấp độ máy móc, trong khi pLC ảo thêm tính linh hoạt tại những nơi triển khai nhanh, cấu hình tiêu chuẩn và khả năng mở rộng về mặt tính toán là ưu tiên hàng đầu. Với S7-1500V , Siemens đang kết hợp hai thế giới này lại với nhau và cung cấp cho các nhà sản xuất một lộ trình thực tiễn hướng tới tự động hóa được định nghĩa bằng phần mềm .

05Các sản phẩm đề xuất