Ở bài trước chúng ta đã tìm hiểu về công nghệ ảo hoá và những lợi ích của công nghệ này với hệ thống điều khiển công nghiệp. Bài viết này chúng ta cùng nhau tham khảo một ứng dụng thiết kế thực tế để có thể hiểu rõ hơn những lợi ích của công nghệ ảo hoá với hệ thống SCADA – ICS.
Xem thêm : Hệ thống điều khiển công nghiệp SCADA – ICS và công nghệ ảo hoá
Giới thiệu
Mỗi ngày các kỹ sư quá trình được thử thách với các quy định chặt chẽ, các vấn đề bảo mật dữ liệu và cơ sở hạ tầng nhà máy lão hóa. Ngoài ra, ngày càng có nhiều nhà khai thác nhà máy khăng khăng đòi tiếp cận dễ dàng hơn với các hoạt động của khu vực sản xuất , hệ thống kiểm soát và dữ liệu sản xuất. Để đáp ứng những nhu cầu này, các kỹ sư cần tận dụng tối đa tài sản dựa trên CNTT của họ – và ảo hóa có thể giúp ích được điều này.
Vào năm 2013, một nhà sản xuất xi măng đa địa điểm đã tham gia vào quá trình thực hiện ảo hóa hệ thống điều khiển ở hai nhà máy của mình. Hai nhà máy, A và B, chạy các hệ thống điều khiển từ các nhà cung cấp khác nhau, cung cấp một viễn cảnh rộng lớn về quy trình ảo hóa trong tương lai cho toàn bộ hệ thống quản lý sản xuất.
Trong cả hai trường hợp, ảo hóa đã được áp dụng cho các hệ thống điều khiển hiện có. Phần cứng hệ thống kiểm soát lão hóa Plant A đã được thay thế. Do thiếu phần cứng PC tương thích với hệ điều hành Hệ điều hành, nhà máy đã audit nâng cấp hệ thống điều khiển lên phiên bản hiện tại. Chỉ riêng chi phí nâng cấp phần mềm hệ thống điều khiển đã vượt xa tất cả các chi phí khác và ngân sách có sẵn. Tùy chọn ảo hóa đã được khám phá như một phương tiện kéo dài tuổi thọ của phần mềm quản lý hiện có.
Nhà máy A
Sau khi phân tích, Nhà máy A, như minh họa trong Hình dưới, là một ứng cử viên lý tưởng cho việc ảo hóa. Hệ thống điều khiển dựa trên Ethernet, cùng các IO Server độc quyền. Hệ thống điều khiển dựa trên máy tính x86. Gần đây, ảo hóa x86 đã có những bước tiến lớn hơn.
CPU đa lõi là phổ biến và các máy chủ có nhiều lõi và lượng RAM lớn thì rẻ so với một vài thế hệ trước. Điều này cho phép trình ảo hóa loại 1 trên máy chủ hiện đại có thể dễ dàng chạy nhiều máy ảo, đặc biệt nếu máy ảo đang sử dụng hệ điều hành cũ không cần dung lượng RAM lớn. Kết quả là giảm số lượng máy chủ vật lý cần thiết, giảm chi phí. Với lợi ích bổ sung là dễ dàng sao lưu và khôi phục máy ảo hoàn chỉnh, ảo hóa trở thành lựa chọn rõ ràng.
Như với tất cả các công nghệ mới được giới thiệu, nhược điểm của ảo hóa là đào tạo chuyên gia hệ thống điều khiển nhà máy. May mắn thay, các nhân viên yêu cầu đào tạo về máy ảo hóa chỉ giới hạn ở những người phụ trách phòng máy chủ. Đối với các operator và nhân viên văn phòng truy cập hệ thống điều khiển qua Ethernet, không có sự khác biệt về hoạt động giữa hệ thống cũ và hệ thống ảo hóa mới.
Việc Nâng cấp nhà máy A tập trung vào các máy tính phòng máy chủ. Các trạm điều hành bao gồm các PC khá gần đây. Do đó, các trạm HMI của operator không được thay thế bằng giải pháp VDI. Thay vào đó, các PC đã nhận được bản nâng cấp RAM và được tái sử dụng để chạy HMI với tư cách là trình ảo hóa Loại 2.
Mỗi PC vận hành chạy một máy ảo chứa HMI. Bằng cách chạy HMI trong một máy ảo, chi phí bảo trì trong tương lai sẽ giảm trong trường hợp PC bị lỗi. Một PC Operator thay thế có thể được cài đặt với nỗ lực tối thiểu, cài đặt mạng được định cấu hình, cài đặt bộ ảo hóa và bản sao lưu VM được sao chép vào nó. VM Image đã chứa môi trường HMI.
Nhiệm vụ chính trước khi vận hành là thực hiện cài đặt sạch hệ thống điều khiển trên các máy ảo. Điều này đã được thực hiện ngoại vi và các máy ảo đã được cài trên hypervisors trong quá trình vận hành. Chọn máy chủ chứa dữ liệu lưu trữ rộng rãi không có máy ảo tương đương. Thay vào đó, máy vật lý đã được chuyển đổi thành máy ảo trong quá trình vận hành với các công cụ được cung cấp bởi nhà sản xuất hypervisors .
Trong quá trình chuyển đổi này, máy chủ lưu trữ lưu trữ dữ liệu đã được tăng sức mạnh lên. Công cụ chuyển đổi máy vật lý sang máy ảo cũng tỏ ra có giá trị đối với các máy không thể được xây dựng lại một cách sạch sẽ do các trình cài đặt phần mềm không thể định vị được. Sau khi chuyển đổi vật lý sang máy ảo, mỗi hệ điều hành phải được kích hoạt lại do thay đổi.
Sau khi hoàn thành, hệ thống điều khiển Plant A, nhận ra sự tăng trưởng rõ rệt hiệu suất phần cứng, khả năng lưu trữ, thông lượng IO và khả năng sao lưu. Việc sử dụng bộ ảo hóa Loại 2 trên máy khách HMI dẫn đến nền tảng ảo hóa sẽ được hiển thị trên màn hình cho các operator trong quá trình khởi động lại máy tính. Đây là một bất tiện nhỏ có thể được loại bỏ bằng cách chuyển sang giải pháp VDI khi các PC vận hành đến hết tuổi thọ. Nhà máy A đã hoàn thành một phần tư tổng chi phí nâng cấp toàn bộ.
Nhà máy B
Nhà máy B, như minh họa trong Hình có hoàn cảnh tương tự như Nhà máy A, các máy chủ hệ thống điều khiển đã hết tuổi thọ và bắt đầu gặp sự cố thành phần. Không giống như Plant A, các máy chủ của Plant B, giao tiếp với field bus thông qua các phần giao tiếp độc quyền. Nhà máy đã phát triển nhiều field bus ; nhiều mở rộng nhà máy dẫn đến việc bus bị đẩy đến giới hạn thiết bị của nó. Một giải pháp cho giới hạn field bus là nâng cấp bộ điều khiển để sử dụng giao tiếp dựa trên Ethernet. Vì việc nâng cấp lên Ethernet cũng tạo điều kiện cho ảo hóa, việc nâng cấp field bus đã được phê duyệt và triển khai cùng với ảo hóa theo cách tiếp cận theo từng giai đoạn.
Trong Giai đoạn 1, các bộ điều khiển đã được nâng cấp và phần mềm đã được sửa đổi để trao đổi dữ liệu qua Ethernet IP. Với việc trao đổi dữ liệu được xác minh qua Ethernet, Giai đoạn 2, ảo hóa, đã được thực hiện. Các máy chủ hiện tại của Plant B đã được chuyển đổi thành các máy ảo bằng cách sử dụng tiện ích chuyển đổi của Giải pháp Hypervisors . Các máy ảo bổ sung đã được tạo để các chương trình không phải thuộc về máy chủ có thể được di chuyển khỏi các máy ảo của hệ thống điều khiển. Điều này dẫn đến các máy ảo hệ thống điều khiển sạch hơn và giảm nguy cơ xung đột chương trình.
Như với Nhà máy A, Nhà máy B đã sử dụng một trình ảo hóa Loại 2 cho các máy khách HMI. Sau khi hoàn thành, hệ thống điều khiển Plant Biến cũng nhận ra sự tăng trưởng về hiệu năng phần cứng, khả năng lưu trữ, thông lượng IO và khả năng sao lưu. Nhà máy B đã hoàn thành ít hơn 45% so với tổng chi phí để thực hiện nâng cấp toàn bộ.
Nhà máy A và B chạy các hệ thống điều khiển hoàn toàn khác nhau. Tuy nhiên, vì nền tảng ảo hóa cơ bản là một phương tiện để chạy các máy ảo hỗ trợ Ethernet, nên sự khác biệt trong nền tảng ảo hóa giữa các nhà máy là rất nhỏ. Cả hai hệ thống rất giống với ví dụ trong Hình 4. Điều này cho phép kiến trúc ảo hóa được tiêu chuẩn hóa được sử dụng trên các nhà máy, ngay cả khi các nhà máy có các hệ thống điều khiển khác nhau.
Với kiến trúc được tiêu chuẩn hóa, thay đổi chính giữa các nhà máy là nhân rộng số lượng máy chủ hoặc thông số kỹ thuật của máy chủ để phục vụ số lượng máy ảo cần thiết. Sự khác biệt trong các hệ thống điều khiển được xác định bởi các máy ảo đang chạy.
Kết luận
Lợi ích của ảo hóa áp dụng cho cả doanh nghiệp CNTT và tự động hóa công nghiệp. Chúng bao gồm: củng cố phần cứng, giảm mức tiêu thụ năng lượng, tăng khả năng chịu lỗi, tính sẵn sàng cao, thời gian hoạt động được cải thiện, cân bằng tải ứng dụng, khắc phục thảm họa nhanh, vòng đời kéo dài và hơn thế nữa.
Cho đến nay, lợi ích quan trọng nhất của ảo hóa – ít nhất là đối với ngành process – là sự độc lập về phần cứng. Người dùng không còn bị ràng buộc với phần cứng cụ thể với ảo hóa, vì các máy ảo kéo dài vòng đời phần mềm đến hơn 10 năm nữa. Với lợi ích này, các kỹ sư quá trình đang yêu cầu tư vấn về cách tốt nhất để thực hiện ảo hóa.
VM dành cho SCADA – ICS có các đặc điểm sau, cung cấp một số lợi ích.
• Phân vùng với nhau
• Chạy nhiều hệ điều hành trên một máy vật lý
• Phân chia tài nguyên hệ thống giữa các máy ảo
• Sự cách ly
• Cung cấp cách ly lỗi và bảo mật ở cấp phần cứng
• Duy trì hiệu suất với các điều khiển tài nguyên nâng cao. Có độ co giãn tốt.
Ở bài trước chúng ta đã tìm hiểu về công nghệ ảo hoá và những lợi ích của công nghệ này với hệ thống điều khiển công nghiệp. Bài viết này chúng ta cùng nhau tham khảo một ứng dụng thiết kế thực tế để có thể hiểu rõ hơn những lợi ích của công nghệ ảo hoá với hệ thống SCADA – ICS.
Xem thêm : Hệ thống điều khiển công nghiệp SCADA – ICS và công nghệ ảo hoá
Giới thiệu
Mỗi ngày các kỹ sư quá trình được thử thách với các quy định chặt chẽ, các vấn đề bảo mật dữ liệu và cơ sở hạ tầng nhà máy lão hóa. Ngoài ra, ngày càng có nhiều nhà khai thác nhà máy khăng khăng đòi tiếp cận dễ dàng hơn với các hoạt động của khu vực sản xuất , hệ thống kiểm soát và dữ liệu sản xuất. Để đáp ứng những nhu cầu này, các kỹ sư cần tận dụng tối đa tài sản dựa trên CNTT của họ – và ảo hóa có thể giúp ích được điều này.
Vào năm 2013, một nhà sản xuất xi măng đa địa điểm đã tham gia vào quá trình thực hiện ảo hóa hệ thống điều khiển ở hai nhà máy của mình. Hai nhà máy, A và B, chạy các hệ thống điều khiển từ các nhà cung cấp khác nhau, cung cấp một viễn cảnh rộng lớn về quy trình ảo hóa trong tương lai cho toàn bộ hệ thống quản lý sản xuất.
Trong cả hai trường hợp, ảo hóa đã được áp dụng cho các hệ thống điều khiển hiện có. Phần cứng hệ thống kiểm soát lão hóa Plant A đã được thay thế. Do thiếu phần cứng PC tương thích với hệ điều hành Hệ điều hành, nhà máy đã audit nâng cấp hệ thống điều khiển lên phiên bản hiện tại. Chỉ riêng chi phí nâng cấp phần mềm hệ thống điều khiển đã vượt xa tất cả các chi phí khác và ngân sách có sẵn. Tùy chọn ảo hóa đã được khám phá như một phương tiện kéo dài tuổi thọ của phần mềm quản lý hiện có.
Nhà máy A
Sau khi phân tích, Nhà máy A, như minh họa trong Hình dưới, là một ứng cử viên lý tưởng cho việc ảo hóa. Hệ thống điều khiển dựa trên Ethernet, cùng các IO Server độc quyền. Hệ thống điều khiển dựa trên máy tính x86. Gần đây, ảo hóa x86 đã có những bước tiến lớn hơn.
CPU đa lõi là phổ biến và các máy chủ có nhiều lõi và lượng RAM lớn thì rẻ so với một vài thế hệ trước. Điều này cho phép trình ảo hóa loại 1 trên máy chủ hiện đại có thể dễ dàng chạy nhiều máy ảo, đặc biệt nếu máy ảo đang sử dụng hệ điều hành cũ không cần dung lượng RAM lớn. Kết quả là giảm số lượng máy chủ vật lý cần thiết, giảm chi phí. Với lợi ích bổ sung là dễ dàng sao lưu và khôi phục máy ảo hoàn chỉnh, ảo hóa trở thành lựa chọn rõ ràng.
Như với tất cả các công nghệ mới được giới thiệu, nhược điểm của ảo hóa là đào tạo chuyên gia hệ thống điều khiển nhà máy. May mắn thay, các nhân viên yêu cầu đào tạo về máy ảo hóa chỉ giới hạn ở những người phụ trách phòng máy chủ. Đối với các operator và nhân viên văn phòng truy cập hệ thống điều khiển qua Ethernet, không có sự khác biệt về hoạt động giữa hệ thống cũ và hệ thống ảo hóa mới.
Việc Nâng cấp nhà máy A tập trung vào các máy tính phòng máy chủ. Các trạm điều hành bao gồm các PC khá gần đây. Do đó, các trạm HMI của operator không được thay thế bằng giải pháp VDI. Thay vào đó, các PC đã nhận được bản nâng cấp RAM và được tái sử dụng để chạy HMI với tư cách là trình ảo hóa Loại 2.
Mỗi PC vận hành chạy một máy ảo chứa HMI. Bằng cách chạy HMI trong một máy ảo, chi phí bảo trì trong tương lai sẽ giảm trong trường hợp PC bị lỗi. Một PC Operator thay thế có thể được cài đặt với nỗ lực tối thiểu, cài đặt mạng được định cấu hình, cài đặt bộ ảo hóa và bản sao lưu VM được sao chép vào nó. VM Image đã chứa môi trường HMI.
Nhiệm vụ chính trước khi vận hành là thực hiện cài đặt sạch hệ thống điều khiển trên các máy ảo. Điều này đã được thực hiện ngoại vi và các máy ảo đã được cài trên hypervisors trong quá trình vận hành. Chọn máy chủ chứa dữ liệu lưu trữ rộng rãi không có máy ảo tương đương. Thay vào đó, máy vật lý đã được chuyển đổi thành máy ảo trong quá trình vận hành với các công cụ được cung cấp bởi nhà sản xuất hypervisors .
Trong quá trình chuyển đổi này, máy chủ lưu trữ lưu trữ dữ liệu đã được tăng sức mạnh lên. Công cụ chuyển đổi máy vật lý sang máy ảo cũng tỏ ra có giá trị đối với các máy không thể được xây dựng lại một cách sạch sẽ do các trình cài đặt phần mềm không thể định vị được. Sau khi chuyển đổi vật lý sang máy ảo, mỗi hệ điều hành phải được kích hoạt lại do thay đổi.
Sau khi hoàn thành, hệ thống điều khiển Plant A, nhận ra sự tăng trưởng rõ rệt hiệu suất phần cứng, khả năng lưu trữ, thông lượng IO và khả năng sao lưu. Việc sử dụng bộ ảo hóa Loại 2 trên máy khách HMI dẫn đến nền tảng ảo hóa sẽ được hiển thị trên màn hình cho các operator trong quá trình khởi động lại máy tính. Đây là một bất tiện nhỏ có thể được loại bỏ bằng cách chuyển sang giải pháp VDI khi các PC vận hành đến hết tuổi thọ. Nhà máy A đã hoàn thành một phần tư tổng chi phí nâng cấp toàn bộ.
Nhà máy B
Nhà máy B, như minh họa trong Hình có hoàn cảnh tương tự như Nhà máy A, các máy chủ hệ thống điều khiển đã hết tuổi thọ và bắt đầu gặp sự cố thành phần. Không giống như Plant A, các máy chủ của Plant B, giao tiếp với field bus thông qua các phần giao tiếp độc quyền. Nhà máy đã phát triển nhiều field bus ; nhiều mở rộng nhà máy dẫn đến việc bus bị đẩy đến giới hạn thiết bị của nó. Một giải pháp cho giới hạn field bus là nâng cấp bộ điều khiển để sử dụng giao tiếp dựa trên Ethernet. Vì việc nâng cấp lên Ethernet cũng tạo điều kiện cho ảo hóa, việc nâng cấp field bus đã được phê duyệt và triển khai cùng với ảo hóa theo cách tiếp cận theo từng giai đoạn.
Trong Giai đoạn 1, các bộ điều khiển đã được nâng cấp và phần mềm đã được sửa đổi để trao đổi dữ liệu qua Ethernet IP. Với việc trao đổi dữ liệu được xác minh qua Ethernet, Giai đoạn 2, ảo hóa, đã được thực hiện. Các máy chủ hiện tại của Plant B đã được chuyển đổi thành các máy ảo bằng cách sử dụng tiện ích chuyển đổi của Giải pháp Hypervisors . Các máy ảo bổ sung đã được tạo để các chương trình không phải thuộc về máy chủ có thể được di chuyển khỏi các máy ảo của hệ thống điều khiển. Điều này dẫn đến các máy ảo hệ thống điều khiển sạch hơn và giảm nguy cơ xung đột chương trình.
Như với Nhà máy A, Nhà máy B đã sử dụng một trình ảo hóa Loại 2 cho các máy khách HMI. Sau khi hoàn thành, hệ thống điều khiển Plant Biến cũng nhận ra sự tăng trưởng về hiệu năng phần cứng, khả năng lưu trữ, thông lượng IO và khả năng sao lưu. Nhà máy B đã hoàn thành ít hơn 45% so với tổng chi phí để thực hiện nâng cấp toàn bộ.
Nhà máy A và B chạy các hệ thống điều khiển hoàn toàn khác nhau. Tuy nhiên, vì nền tảng ảo hóa cơ bản là một phương tiện để chạy các máy ảo hỗ trợ Ethernet, nên sự khác biệt trong nền tảng ảo hóa giữa các nhà máy là rất nhỏ. Cả hai hệ thống rất giống với ví dụ trong Hình 4. Điều này cho phép kiến trúc ảo hóa được tiêu chuẩn hóa được sử dụng trên các nhà máy, ngay cả khi các nhà máy có các hệ thống điều khiển khác nhau.
Với kiến trúc được tiêu chuẩn hóa, thay đổi chính giữa các nhà máy là nhân rộng số lượng máy chủ hoặc thông số kỹ thuật của máy chủ để phục vụ số lượng máy ảo cần thiết. Sự khác biệt trong các hệ thống điều khiển được xác định bởi các máy ảo đang chạy.
Kết luận
Lợi ích của ảo hóa áp dụng cho cả doanh nghiệp CNTT và tự động hóa công nghiệp. Chúng bao gồm: củng cố phần cứng, giảm mức tiêu thụ năng lượng, tăng khả năng chịu lỗi, tính sẵn sàng cao, thời gian hoạt động được cải thiện, cân bằng tải ứng dụng, khắc phục thảm họa nhanh, vòng đời kéo dài và hơn thế nữa.
Cho đến nay, lợi ích quan trọng nhất của ảo hóa – ít nhất là đối với ngành process – là sự độc lập về phần cứng. Người dùng không còn bị ràng buộc với phần cứng cụ thể với ảo hóa, vì các máy ảo kéo dài vòng đời phần mềm đến hơn 10 năm nữa. Với lợi ích này, các kỹ sư quá trình đang yêu cầu tư vấn về cách tốt nhất để thực hiện ảo hóa.
VM dành cho SCADA – ICS có các đặc điểm sau, cung cấp một số lợi ích.
• Phân vùng với nhau
• Chạy nhiều hệ điều hành trên một máy vật lý
• Phân chia tài nguyên hệ thống giữa các máy ảo
• Sự cách ly
• Cung cấp cách ly lỗi và bảo mật ở cấp phần cứng
• Duy trì hiệu suất với các điều khiển tài nguyên nâng cao. Có độ co giãn tốt.
