Виртуални PLC

• Виртуалните програмируеми логически контролери, макар и в ранна фаза на развитие, обещават да доведат до мащабна трансформация в света на автоматизацията
  
  
• Те пренасят функциите на класическите контролери в софтуерна среда, преодолявайки редица традиционни ограничения
  
  
• Използването им позволява по-бързо, лесно и гъвкаво тестване, конфигуриране и внедряване на приложения “в движение” – без спиране на производството

От десетилетия насам програмируемият логически контролер е основен градивен блок на съвременната индустриална автоматизация, тъй като позволява надеждно управление на процеси, машини и цели производствени линии. PLC контролерите заменят в практиката сложните релейни системи от миналото и осигуряват гъвкавост, прецизност и лесни софтуерни промени без необходимост от съпътстваща хардуерна модификация. С напредването на цифровизацията и възможностите за дигитализиране на физически системи експертите все по-често насочват вниманието към т. нар. виртуални контролери (vPLC). Макар и още в ранна фаза на технологично развитие, те обещават да доведат до мащабна трансформация в света на автоматизацията.

Виртуалните програмируеми логически контролери пренасят функциите на класическите си аналози в софтуерна среда – върху индустриални компютри, периферни изчислителни устройства или в облачна среда. Те осигуряват по-гъвкаво внедряване, скалируемост, по-ниски разходи за хардуер, лесна интеграция с IT и IoT инфраструктури, както и по-бързо тестване и обновяване на приложения. Допълнително предимство е преодоляването на редица предизвикателства, свързани с конвенционалните контролери.

Какво представлява vPLC

vPLC е своеобразно виртуално (но пълнофункционално) копие на един традиционен хардуерен контролер, което може да функционира на виртуална машина (VM).
Поради множеството си теоретични преимущества пред традиционните системи, виртуалните PLC реплики набират все по-голяма популярност, а редица големи производители разработват свои варианти, базирани на различни подходи към виртуализацията. Изборът на решение зависи от спецификите на конкретното приложение, а водещи са изискванията за управление в реално време, мащабиране и интеграция с други платформи.

За разлика от PLC симулаторите – софтуерни приложения, които пресъздават (имитират) действието на контролера в компютърна среда, виртуалните контролери са създадени за реални сценарии в областта на управлението и изпълняват функциите си в операционна система, която се хоства във виртуална среда. Едва през последните няколко години vPLC контролерите достигат до етап на по-забележима пазарна реализация в глобален план.

Предимствата на vPLC контролерите включват повишена ефективност, икономии на разходи, по-висок иновационен потенциал по отношение на дигитализацията и подобрена сигурност и надеждност на приложенията. Използването им позволява по-бързо внедряване, тестване и конфигуриране на програми “в движение” – без спиране на производството, безопасно симулиране на различни сценарии, намаляване на зависимостта от физически PLC хардуер за разработване и изпитване, по-ниски разноски за поддръжка и обучение. Чрез замяната на конвенционалните контролери с виртуални става възможна по-широка интеграция с IIoT, облачни и интелигентни производствени платформи, както и по-висока сигурност и надеждност чрез опции за изпробване на актуализации в изолирана среда. Гъвкавостта се изразява в безпроблемно разширяване и мащабиране на системата, имплементиране на нови функционалности и по-лесно адаптиране към различни изисквания.

Развитието на пазара на такива системи обаче е изправено и пред немалко предизвикателства, сред които са сравнително високата първоначална инвестиция, потенциалната сложност на интеграцията, необходимостта от въвеждане на работната сила в тази материя и осигуряването на специализирани обучения и ресурси за допълнителна квалификация.

Прилики, разлики с конвенционалните решения и основни типове

Виртуализацията е ключов фактор за консолидирането на софтуера и хардуера в управлението на автоматизирани производствени и индустриални системи. Конвергенцията между IT и OT слоевете премества полето на иновациите към оперативните технологии, а виртуалните машини достигат до все повече OT устройства като индустриалните компютри. Виртуалните контролери постепенно се обособяват като самостоятелен тип, наред с хардуерните и софтуерните PLC платформи, като по-адекватно адресират лимитите по отношение на оперативната съвместимост при специфичните за конкретен доставчик архитектури.

vPLC системите поддържат т. нар. контейнеризация (или “опаковане” на контролера и свързаните с него приложения в самостоятелни единици), както и известните като хипервайзорни (hypervisor) технологии, които им позволяват да внедряват контролна логика независимо от прилежащия хардуер. На пазара вече се предлагат различни типове виртуални програмируеми логически контролери – контейнеризирани или за виртуална машина, както се срещат и разнообразни подходи за интегрирането им. Възможностите включват инсталиране върху базово перифернo изчислително устройство, в контролен панел на полево оборудване, във висок клас периферен компютър, на корпоративен сървър в IT центъра на предприятието или пък в облачна архитектура.

Софтуерните (софтуерно базирани или дефинирани) логически контролери се явяват предшественици на виртуалните, като фокусът е върху програмните аспекти, без зависимост от специфична хардуерна платформа. Особеност при тях е, че се изпълняват директно върху оперативната система (OS), която служи за хост.
Новост при vPLC системите е контейнеризацията – усъвършенствана форма на виртуализация, която представлява абстракция от операционната система или изолиране от нея. “Контейнерите” използват ядрото на хостинговата OS, но имат собствени файлови системи, потребители, групи, процеси, мрежи, устройства и т. н.

Те са много по-бързи и се отличават със значително по-малко натоварване на ресурсите от виртуалните машини. Контейнеризация или VM всъщност е основният въпрос, на който трябва да си отговори едно предприятие преди избора на един от двата типа стратегии за внедряване. Важен въпрос е дали съответното предприятие планира да използва собствен хардуер или да наеме облачен сървър.

По всеобщо мнение на специалистите, контейнеризираните решения са “по-леки” и ефективни от виртуалните машини. Те осигуряват висока производителност дори при нисък клас хардуер. Ето защо са се превърнали в стандарт в редица модерни софтуерни архитектури, като допринасят за тяхната гъвкавост със скорост, портативност и възможности за разширяване.

За внедряване на виртуален контролер върху периферно изчислително устройство се използва специална платформа за контейнеризация. Тя може да е предварително инсталирана или да се добави допълнително. Основен принцип на виртуалните PLC системи е да могат да се изпълняват практически навсякъде, без да биват “заключвани” от конкретен бранд или производител.

Мотиви за преход към виртуализирано програмно управление
Експертите посочват, че в наши дни много компании излишно преоразмеряват софтуера в PLC системите си – “за всеки случай”. Виртуалните контролери използват вече наличния хардуер, като приложимите услуги остават адаптируеми и мащабируеми спрямо моментните потребности. Това осигурява непостигана досега гъвкавост и намалява оперативните разходи чрез реализиране на решение по модела “Pay-per-Use” (плащаш само за това, което използваш) по отношение на свързаните услуги.

Преходът към vPLC улеснява администрирането на софтуера за автоматизация и добавянето на нови функционалности – автоматично и централизирано (например на ниво клъстер), вместо ръчно и поотделно за всеки хардуерен контролер. В допълнение, сливането на физическия слой на полевите/оперативните устройства и дигиталния свят на информационните технологии осигурява на предприятията много повече данни за вземане на по-информирани решения относно ефективността, производителността, устойчивостта и т. н.

При вертикална интеграция производствените инженери и мениджъри се нуждаят от бърз достъп до данните и по-висока производителност при тяхната обработка и анализ. С vPLC данните могат да бъдат достъпвани на виртуалния контролер много по-безпроблемно, отколкото при хардуерно базиран PLC, както и препращани към периферни приложения за по-нататъшно обработване.

За да постигнат по-голяма прозрачност на операциите, IT специалистите се стремят да оптимизират специфични задачи от сегмента на автоматизацията. В такива сценарии различни действия по отношение на OT технологиите произтичат от IT приложенията и от изводите на софтуера, оценяващ данните. Един виртуален контролер, работещ на същата платформа като IT системите, е отлично решение за изпълнение на ориентираните към OT слоя задачи.

Industry 4.0 акцентира върху специализирани решения за всеки процес или предприятие. Персонализацията по отношение на хардуерните логически контролери би означавала препрограмиране за всеки нов продукт или услуга, което би удължило и утежнило разработката. При виртуалните им аналози е възможно тестването едновременно на множество конфигурации, което пести време и оптимизира използването на критични ресурси.

Една от най-значимите ползи, които експертите посочват като мотив за виртуализация, е потенциалът за бърз скок в ефективността. vPLC системите се интегрират в архитектурата на индустриалните периферни изчисления, отделяща хардуера от софтуера. Това осигурява централизирано управление на приложения, както и ефективна процесна автоматизация – в софтуерна среда и въз основа на данни. Характерни за виртуалния подход към програмируемото управление са и опциите за отдалечен достъп и мониторинг. Те свеждат до минимум необходимостта от постоянно наличие на персонал на място, минимизират разходите и са особено полезни в обекти с неблагоприятни или директно опасни за човека условия.