Высокая доступность представляет собой современный метод активного обеспечения значительного роста полной эффективности производственных систем. Все современные технологии отказоустойчивости интегрируются в существующие системы управления и применяются прежде всего в предаварийных ситуациях. Вместе с тем, их использование для выполнения критически важных производственных функций продемонстрировало очень высокую инженерно-экономическую эффективность и способствовало значительному повышению общей работоспособности систем. В связи с этим современные технологии высокой доступности получили широкое распространение и стали неотъемлемой составляющей передовых стратегий управления промышленными объектами. Они помогают обойти необходимость сверхурочной работы в выходные и ночные смены, поскольку резервное копирование не будет затрагивать производство в дневную смену.
Главная привлекательность технологии высокой доступности — это обеспечение оперативных, четко определенных и последовательных отказоустойчивостей.
Появление новых технологий высокой доступности позволяет реализовывать более экономичные стратегии резервного копирования для PLC, PAC и пограничных (edge) контроллеров. Ознакомимся с современными возможностями этой концепции подробнее.
Технологии высокой доступности
В связи с тем, что производители находятся в поиске новых путей максимального повышения эффективности и увеличения прибыльности своей деятельности, все большее внимание уделяется таким технологиям систем управления, которые помогают обеспечить непрерывность производства, снизив время простоя. Традиционно замена вышедшего из строя устройства рассматривается как разумная причина простоя, но в рамках современного производства она все чаще считается неприемлемой. Сегодня все более востребованными становятся технологии и системы высокой доступности, включая промышленные контроллеры автоматизации, способные контролировать критически важное оборудование и программное обеспечение.
Функции высокой доступности встраиваются в распределенные системы управления (DCS) уже много лет, потому что крупным технологическим установкам требуется непрерывная работа и любой простой, как правило, является дорогостоящим. Однако в приложениях, контролируемых программируемыми логическими контроллерами (PLC) и программируемыми контроллерами автоматизации (PAC), таких как автоматические машины, функции высокой доступности обычно используются только в самых критических случаях.
Одна из основных причин этого состоит в том, что средняя наработка на отказ PLC, PAC и пограничных контроллеров считается приемлемой для традиционных требований работоспособности. Кроме того, создание и обслуживание избыточных архитектур PLC или пограничных контроллеров часто стоит дорого и связано со сложностью реализации. Поэтому многие организации считают резервное копирование наиболее эффективным с точки зрения затрат средством смягчения последствий сбоев в работе контроллера.
В настоящее время PLC, PAC и пограничные контроллеры начинают играть все более важную роль, в том числе и для анализа данных и связи. Если ранее сбой одного контроллера приводил к отключению лишь одной машины, то сейчас влияние может распространиться на безотказность и эффективность всей производственной линии. По мере распространения непрерывных производственных процессов в таких отраслях, как производство электроники или логистика, растет потребность в решениях постоянного контроля. Это приводит к увеличению спроса на архитектуры высокой доступности.
Резервные контроллеры
Благодаря современным контроллерам технологии высокой доступности теперь можно быстро и легко внедрить в системы автоматизации. При этом стоимость такой работы будет сопоставима с плановыми расходами на запасные части. Данный подход к обеспечению высокой доступности позволяет предприятиям увеличить время безотказной работы, снизить риски и поддерживать более надежную кибербезопасность.
Современные PLC, PAC и пограничные контроллеры должны предусматривать парное сопряжение с возможностью параллельной работы, чтобы, полностью синхронизируясь, выполнять заданные алгоритмы в паре, имея доступ к одним и тем же группам входов/выходов (I/O). В этом случае контроллер перестает быть потенциальной точкой отказа. Если возникнет неисправность в одном устройстве, произойдет плавное переключение работы на второе устройство, что займет несколько миллисекунд. Это достигается за счет технологии отражающей памяти, благодаря которой образ необходимой памяти полностью передается с активного контроллера на сопряженный с ним резервный.
Лучшие в своем классе экономичные и удобные для обслуживания решения высокой доступности обеспечивают последовательное, детерминированное, надежное управление приложениями. Для поддержания всех возможностей необходимо соблюсти ряд условий.
Во-первых, оба контроллера должны иметь доступ ко всем устройствам ввода/вывода (I/O) и полевым устройствам. Это лучше всего реализуется через отказоустойчивую кольцевую сеть Ethernet. По сравнению с традиционными двухлинейными сетями или топологией «звезда», кольцевая сеть может быть создана с минимальными усилиями с незначительным количеством дополнительных материалов (рис.).
Рис. Отказоустойчивая кольцевая сеть PROFINET позволяет обоим контроллерам быть в независимой связи одновременно со всеми входными и выходными сигналами. Предоставлено: Control Engineering Europe
Во-вторых, контроллеры должны взаимодействовать друг с другом по высокопроизводительным каналам связи, предназначенным для поддержки пошаговой синхронизации. Это позволяет резервному контроллеру всегда иметь тот же набор данных, что и активный контроллер. Данные связи способны переключать управление при отказе всего за 3 мс. Однако основное преимущество выделенных каналов синхронизации заключается в том, что время отработки отказа является детерминированным и не зависит от побочных эффектов других сетевых устройств или событий. Когда какие-либо архитектуры пытаются синхронизировать два контроллера через сети ввода/вывода, взаимодействие с другими сетевыми устройствами может привести к задержке переключения управления. В худших случаях недетерминированное переключение при сбое данных архитектур может привести к дополнительным отказам системы или даже к полной остановке обоих контроллеров.
В-третьих, несмотря на то, что два контроллера могут быть установлены в одном и том же месте, лучше всего разделить их локации, чтобы избежать общих проблем, таких как перебои в подаче электроэнергии, пожар или наводнение. Новейшие решения высокой доступности используют выделенные каналы связи между контроллерами и поддерживают сети ввода/вывода на расстоянии до 10 км по оптоволокну.
И наконец, новейшие решения высокой доступности предназначены для бесперебойной работы даже с разными версиями программного обеспечения, установленными на сопряженных контроллерах. Если программа нуждается в обновлении, например для установки исправлений кибербезопасности, основной контроллер можно обновить во время работы вторичного контроллера, и наоборот. Это означает, что во время инсталляции критических обновлений машину или процесс не обязательно останавливать. Такая возможность приносит дополнительные экономические выгоды. Пользователи могут выполнять плановое обслуживание или обновление, не останавливая работу управляющей программы. Те действия, которые когда-то выполнялись в ночные смены и смены выходного дня, что приводило к дорогостоящим сверхурочным работам, теперь могут быть реализовать в дневные смены без потери производительности.
Эволюция высокой доступности
Предприятиям больше не нужно жертвовать производительностью и вкладывать много средств, чтобы воспользоваться многочисленными преимуществами архитектур управления высокой доступностью. Современные архитектуры резервирования систем управления обеспечивают экономичные решения высокой доступности с быстрым, детерминированным и последовательным аварийным переключением. Теперь эксплуатационная готовность может быть максимальной, а затраты на техническое обслуживание сведены к минимуму. В свою очередь, это все приведет к увеличению и ускорению окупаемости инвестиций. Очевидно, что благодаря дополнительному преимуществу повышенной устойчивости к кибербезопасности архитектуры управления высокой доступностью стали критически важной эволюцией современных стратегий управления производственными процессами.
Для любознательных
Чтобы производственная система работала лучше и выдерживала внешние удары, действительно есть целый набор технологий — и технических, и управленческих. Я подобрала основные группы: часть напрямую бьёт в эффективность (скорость, затраты, качество), а другая делает систему устойчивее к сбоям. Часто их комбинируют — так эффект сильнее.
Для повышения эффективности
- Автоматизация и роботизация. Передают рутину, тяжёлые или опасные задачи машинам. Это сокращает время цикла, снижает число ошибок и нагрузку на людей.
- Цифровые системы управления. ERP (планирование ресурсов предприятия), MES (управление производственными операциями) собирают данные со всего цеха в одном месте. Это даёт прозрачность, помогает балансировать загрузку линий, планировать запасы и контролировать выполнение планов в реальном времени.
- Интернет вещей (IoT) и периферийные вычисления (Edge Computing). Датчики на оборудовании собирают телеметрию (температура, вибрация, нагрузка). А Edge-вычисления позволяют обрабатывать часть данных прямо на месте (у станка), а не гнать всё в далёкий дата-центр — это снижает задержки и повышает отказоустойчивость. На основе этих данных строят предиктивную аналитику: система заранее сигнализирует о риске поломки, и обслуживание планируют до сбоя.
- Искусственный интеллект и машинное обучение. ИИ анализирует огромные массивы данных: прогнозирует спрос, оптимизирует расписания, находит скрытые закономерности в браке, помогает в проектировании.
- Аддитивные технологии (3D-печать). Полезны для быстрого прототипирования, мелкосерийного производства или изготовления сложных деталей, которые традиционными методами делать невыгодно.
- Методы организации процессов. Например, бережливое производство (Lean) нацелено на устранение всех видов потерь: лишних запасов, простоев, перепроизводства, брака, ненужных перемещений. Теория ограничений (TOC) помогает найти «узкие места» в цепочке и сфокусировать ресурсы на их «расшивке». Six Sigma использует статистический анализ, чтобы снизить вариативность процессов и повысить стабильность качества. SMED — методика быстрой переналадки оборудования, которая сокращает время перехода с одной партии продукта на другую.
- Оптимизация логистики и управления запасами. Системы помогают минимизировать складские запасы, избегать дефицита и излишков, выстраивать эффективные маршруты.
Для повышения устойчивости
- Резервирование и дублирование. Создают запасные элементы (узлы, линии, каналы связи), чтобы при выходе из строя одного компонента система продолжала работать.
- Гибкие и модульные архитектуры. Позволяют быстро перестраивать производственный процесс под новые задачи или менять поставщиков компонентов без полной переделки всей системы.
- Планы на случай ЧП. Продумывают сценарии безаварийной остановки, способы быстрого восстановления, создают страховые фонды документации и ключевых узлов.
- Устойчивость инфраструктуры. Это и физическая защита (усиление конструкций, заглубление коммуникаций, защитные кожухи для ценного оборудования), и надёжность инженерных систем (дублирующие источники энергии, воды, альтернативные каналы связи).
- Управление цепочками поставок. Цифровые инструменты повышают прозрачность цепочки, позволяют быстрее замечать риски (задержки, рост цен) и оперативно искать альтернативные пути.
- Энергоэффективность и «зелёные» технологии. Системы мониторинга помогают выявлять и устранять потери энергии, внедрять рекуперацию, оптимизировать циклы — это снижает зависимость от колебаний тарифов и экологический след.
Успех зависит от контекста. Нельзя просто «воткнуть» IoT на старом заводе — часто нужна комплексная модернизация: и оборудование обновить, и процессы перестроить, и людей обучить. Иногда лучший эффект даёт синергия: например, данные с IoT-датчиков подаются в систему на базе ИИ для предиктивного обслуживания, а результаты влияют на план в ERP.
Авторы: Дэрилл Хальтермен (Darrell Halterman). Перевод: Николай Бойправ
Источник: https://controleng.ru/
