Независимость через виртуализацию

При классической архитектуре АСУ ТП от 50% до 70% затрат приходится на установку и обслуживание физических устройств – от контрольно-измерительных приборов и автоматики (КИПиА) до шкафов управления. Это обусловливает высокую стоимость владения традиционными АСУ ТП. С учетом ограничений, существующей банковской ставки и перехода на локальное оборудование поддержка и модернизация АСУ ТП значительно затрудняются. Решить эти вопросы можно через переход на системы управления на базе современных технологий (ИТ). Такие системы могут стать более гибкими в настройке, доступными в развертывании и обслуживании. Построить их и снять зависимость от определенных вендоров можно с использованием распространенных технологий – TSN и Single Pair Ethernet (SPE). При этом требования, которые промышленность предъявляет к системам автоматизации, показывают, что миграция на новые АСУ ТП может осуществляться только поэтапно. Инициатива уже прорабатывается межотраслевой рабочей группой по промышленным сетям при Минпромторге РФ.

Предпосылки для перехода на АСУ ТП нового поколения

Доля решений ушедших вендоров на рынке промышленной автоматизации в России по-прежнему высока: она достигает 95% в обрабатывающей и 78% в добывающей промышленности. "Освободившийся" рынок открыл дорогу для отечественных производителей, в том числе – для уже реализованного на Западе подхода создания виртуальных ПЛК (vPLC). Вместе с растущими требованиями регуляторов к уровню локализации оборудования российская промышленность предъявляет к современным системам автоматизации и поставщикам ряд требований:

Стабильность поставок лицензированного ПО и оборудования (включая отдельные компоненты). Совместимость решений разных производителей. Соблюдение требований по защите критической информации. Наличие устойчивой сервисной модели для контура автоматизации – от полевых приборов до сетевой и серверной инфраструктуры.

Что в основе новых АСУ ТП?

В основе систем автоматизации нового поколения – виртуализация, программное эмулирование работы модулей ввода-вывода и ПЛК. Решение "отделяет" программное обеспечение АСУ ТП от конкретного оборудования и перемещает логику управления с самих устройств на вычислительную платформу (ПК или сервер). За счет этого возможна гибкая перенастройка всего контура автоматизации – путем реконфигурации ПО вместо ручного изменения режимов работы сотен устройств.

Распределение ролей технологий. Как это работает?

Единовременное использование SPE и TSN позволяет развернуть архитектуру системы управления в рамках единой Ethernet-сети. Роли технологий при этом распределяются. Ethernet-APL дает возможность подключить полевые устройства (в том числе во взрывоопасных зонах) напрямую к сети (без промежуточного слоя в виде шлюзов передачи данных и модулей ввода-вывода). TSN обеспечивает передачу данных в сети в реальном времени – с заданными задержками и синхронизацией.

В такой архитектуре каждое устройство подключается к сети Ethernet через коммутаторы с поддержкой Ethernet-APL и обменивается данными напрямую с вычислительной платформой. TSN позволяет сохранять предсказуемое время доставки данных даже при большом числе узлов в сети. Критичные управляющие команды и показания передаются синхронно и с минимальными задержками. Одновременно по той же сети может идти некритичный трафик – диагностика, сервисные данные, потоковые измерения – без влияния на контуры управления.

Переход: что учитывать?

Нужны не только вычислительные мощности, но и механизмы бесперебойной передачи данных в условиях промышленного производства – в том числе опасного. Это может быть, например, специализированное исполнение широко используемого промышленного протокола Ethernet – Ethernet-Advanced Physical Layer (Ethernet-APL) на базе стандарта 10BASE-TIL. Оно позволяет подключить полевые приборы к одной витой паре проводников, одновременно передавая данные и питание на расстояние ~1 км. Эта технология изначально рассчитана на работу в производственных зонах, поэтому может применяться в химической, нефтегазовой, горнометаллургической и других отраслях с повышенным уровнем опасности. На Ethernet-APL можно сформировать единый сетевой контур – от вычислительной платформы до "полевого" уровня, снизив количество "промежуточного" оборудования и упростив процесс обслуживания всей системы.

Другой важный фактор, который нужно учитывать, – это пригодность протоколов передачи к трансляции критически важных данных в режиме реального времени. Решить эту задачу можно с помощью технологии Time-Sensitive Networking (TSN). Это набор стандартов IEEE, который обеспечивает гарантированную задержку и минимальную волатильность времени между отправкой и приемом данных в промышленной сети.

Маршрут миграции: практичный

Переход на новые АСУ ТП может быть только поэтапным. В упрощенном виде он выглядит так.

Этап 1. Предпроектное обследование: определение участков, где целесообразно применять технологию: оценка длины линий, доступного энергетического бюджета по линии и требований к диагностике оборудования.

Этап 2. Лабораторные испытания: проверка совместимости физического уровня (PHY), кабеля, полевых устройств, драйверов и программных стеков на испытательном стенде, чтобы избежать возможных проблем на объекте.

Этап 3. Пилотный участок: развертка тестового участка с 3-5 типовыми приборами разных производителей, подключение к действующей SCADA/РСУ.

Этап 4. Масштабирование: переход на TSN- и APL-совместимые приборы в плановые окна модернизации, тиражирование решения на другие участки и их синхронизация с действующими регламентами ИБ и КИИ.

Как результат – снижение стоимости владения АСУ ТП, повышение качества диагностических данных, ускорение изменений в технологических схемах.

Эффекты при переходе

Один из важных практических эффектов – сокращение количества "промежуточных" устройств и кабельной продукции. В традиционной архитектуре между полем и сервером АСУ ТП обычно присутствуют уровни модулей ввода-вывода, шлюзы передачи данных и пр. В АСУ ТП с использованием TSN и Ethernet-APL значительная часть этих звеньев становится избыточной: данные с полевых устройств могут передаваться по Ethernet сразу на вычислительную платформу, без многократных преобразований.

Логика управления в такой системе может размещаться на серверах или распределенных промышленных ПК, связанных по Ethernet-сети. Это упрощает дальнейшее развитие контура управления или его реконфигурацию. Новые устройства добавляются в сеть путем подключения к ближайшему коммутатору. Отпадает необходимость в развертывании дополнительных управляющих узлов с модулями ввода-вывода. Расширение функционала или увеличение мощности перестают быть крупными проектами модернизации и становятся управляемой операцией по настройке сети и ПО.

Капитальные затраты снижаются, так как уменьшается количество специализированного физического оборудования и кабельной инфраструктуры. Основная часть инвестиций переносится в сетевую инфраструктуру и программные компоненты, которые – при необходимости – проще модернизировать и перенастроить.

Операционные расходы тоже сокращаются: меньше физического оборудования – меньше работ по обслуживанию, сокращается риск отказов и проще управление жизненным циклом всей системы.

Так, предприятие создает сквозную сеть – "от датчика до сервера", которая управляется как единое целое, обеспечивает нужное время отклика для контуров управления и поддерживает современные механизмы защиты данных. Такая сеть объединяет в одном пространстве информационные и операционные технологии (ИT и OT). Это облегчает внедрение решений промышленного интернета вещей (IIoT), продвинутой аналитики (в том числе на базе ИИ) и других компонентов.

Совместное использование SPE и TSN дает несколько практических эффектов:

Единое коммуникационное пространство – от полевого прибора до верхнего уровня систем управления: все работает в одной сетевой среде Ethernet, без разнообразия протоколов. Меньше "промежуточного" оборудования – сокращается количество шлюзов передачи данных, преобразователей и отдельных модулей ввода-вывода – интеграция упрощается, вероятность ошибок снижается и затраты на обслуживание и развертывание уменьшаются. Диагностика на "полевом" уровне до уровня прибора – подключение полевых КИПиА к цифровому контуру позволяет передавать в систему управления детальную информацию о каждом устройстве. Режимы работы, фактические значения производственных параметров и привязка к конкретному узлу производственного процесса становятся видимыми для оператора. Источник возможных отклонений выявляется заранее – на уровне конкретного устройства, а обслуживание становится более точечным и занимает меньше времени. Надежная передача критических данных – применение механизмов TSN позволяет задавать приоритеты для важных сообщений (таких, как управляющие команды и сообщения об авариях) и ограничивать время их доставки. Даже при высокой загрузке такие пакеты данных приходят вовремя и не "теряются" в общем потоке трафика.

Законодательное регулирование новой инициативы

Российские поставщики систем автоматизации уже прорабатывают концепцию новых АСУ ТП и "перевооружение" промышленных предприятий. В межотраслевой рабочей группе по промышленным сетям при Минпромторге РФ есть техническая подгруппа. Она занимается формированием требований для применения систем автоматизации SPE и TSN на промышленных объектах. Сейчас у нее несколько основных задач, в том числе:

формирование экосистемы решений для реализации профилей полевых шин из технологий, поддерживаемых и развиваемых на территории РФ и дружественных стран, пилотирование экосистемы решений на производственных объектах российских промышленных компаний, определение планов и форм развития экосистемы решений.

Решение и открытая АСУ ТП

Реализация технологий TSN и SPE обеспечивается в результате использования микропроцессоров и микросхем, разрабатываемых на базе стандартов IEEE Std 802.3 TM-2022, что позволяет считать данную технологию открытой в рамках подходов об АСУ ТП. Она не привязана к конкретному производителю микросхем, микропроцессоров (к конкретной фабрике) и позволяет обеспечить подход к вендорной независимости.

Что это даст предприятиям?

Предприятия смогут сократить капитальные и эксплуатационные затраты, быстрее вводить в эксплуатацию новые участки и мощности за счет гибко конфигурируемой сети, а также повысят эффективность производства и управляемость технологических процессов.

Как это произойдет? Комплекс решений на базе TSN и Ethernet-SPE даст основу для модернизации архитектуры АСУ ТП. Единый сетевой контур, предсказуемая интеграция компонентов, подтвержденная совместимость и поддержка детерминированного обмена данными. Такое сочетание технологий – это практический путь перехода российских предприятий к масштабируемым и устойчивым промышленным сетям.