Ewolucja telekomunikacji cyfrowej w ciągu ostatnich kilku lat była szybka i zapewnia komunikację w czasie zbliżonym do rzeczywistego.
Technologie cyfrowe ewoluowały w ciągu ostatnich 20 lat, a rzeczy, które były nie do pomyślenia kilka dekad temu, obecnie są przyjmowane i traktowane jako powszechne standardy. Telekomunikacja, sprzęt komputerowy, miniaturyzacja układów scalonych, przetwarzanie w chmurze, uczenie maszynowe, zaawansowana analityka, kryptografia i inne powiązane technologie ewoluują, zapewniając większą funkcjonalność po przystępnych kosztach.
Ewolucja telekomunikacji cyfrowej postępuje bardzo szybko. Obecnie komunikacja bezprzewodowa 5G zapewnia nam superszybkie prędkości i ogromne przepustowości na urządzeniach mobilnych i stacjonarnych. Zainstalowane już wszędzie kable światłowodowe o wielu częstotliwościach zapewniają ultraszybkie autostrady danych na całym świecie, co zapewnia komunikację wideo w czasie zbliżonym do rzeczywistego w różnych krajach, w tym możliwość strumieniowego przesyłania filmów w wysokiej rozdzielczości. Ta ekspansja systemu telekomunikacyjnego będzie kontynuowana.
Miniaturyzacja sprzętu i nowe techniki produkcji chipów przynoszą nam tańsze, szybsze, mniejsze i energooszczędne urządzenia obliczeniowe, które możemy wdrożyć praktycznie wszędzie – w urządzeniach, w terenie lub w klastrach w wysokowydajnych układach przetwarzania w chmurze. Wraz z eksplozją telekomunikacji, możliwości obliczeniowe są elastyczne i wszechobecne i stają się niemal nieograniczone.
Uczenie maszynowe (ML), głębokie uczenie, kryptografia i inne zaawansowane algorytmy mogą być dziś wdrażane w systemach komputerowych, a także w małych inteligentnych urządzeniach, zapewniając ogromny wgląd i wartość. Wszystko to jest możliwe dzięki ewolucji sieci telekomunikacyjnych i sprzętu komputerowego.
Wyzwania związane z technologią cyfrową
Podczas gdy technologia cyfrowa eksplodowała, pojawiają się nowe poważne wyzwania. Ludzie są bardziej połączeni i wymagają dostarczania większej ilości informacji w czasie rzeczywistym. Branże prowadzą analitykę, rynki są bardzo płynne, a decyzje biznesowe muszą być podejmowane w ułamku sekundy. Istnieje bardzo ścisły związek między ewolucją technologiczną a nadchodzącymi wyzwaniami.
Świat automatyki korzysta z tych technologicznych impulsów. Widzimy bardziej wyrafinowane urządzenia, inteligentne instrumenty bezprzewodowe, potężne programowalne sterowniki logiczne (PLC), urządzenia do przetwarzania brzegowego, systemy nadzoru i akwizycji danych (SCADA) oraz rozproszone systemy sterowania (DCS) i historyki, działające na ogromnych serwerach lub w środowiskach przetwarzania w chmurze, obsługujące użytkowników na stacjach roboczych, tabletach i innych urządzeniach przenośnych.
Niezależnie od postępów w technologiach telekomunikacyjnych i obliczeniowych, architektury automatyzacji nie uległy większym zmianom. Podczas gdy wiele komponentów zostało udoskonalonych, ich podstawowe architektury w dużej mierze pozostały takie same.
Przykładowo, branża naftowo-gazowa tradycyjnie była konserwatywna pod względem wdrażania technologii, również ze względu na fakt, że stoi ona w obliczu specyficznych wyzwań, które różnią się od innych branż. Niemniej jednak, wraz z rozwojem technologii, operacje stały się bardziej złożone, rynki są bardziej niestabilne, konkurencja jest ostra, a plany i kwestie związane ze środowiskiem i zrównoważonym rozwojem muszą zostać uwzględnione. Branża ta w pełni zdaje sobie sprawę z wartości technologii w obecnym środowisku operacyjnym. Wydobycie węglowodorów staje się coraz trudniejsze, marże operacyjne kurczą się, obowiązują bardziej restrykcyjne przepisy dotyczące ochrony środowiska, a polityka bezpieczeństwa wymaga mniejszego narażenia personelu na warunki panujące w terenie. Wszystkie te zmiany popychają tę branżę nie tylko do szerokiego wdrażania większej liczby rozwiązań w zakresie automatyzacji i cyfryzacji, ale także do przyjmowania nowych zaawansowanych architektur systemów, które najlepiej rozwiązują obecne i nadchodzące wyzwania operacyjne i biznesowe w tej branży.
Sześć paradygmatów architektonicznych
Klasyczne architektury automatyzacji nie nadążają za nowymi wyzwaniami, przed którymi stoi branża. Należy przyjąć nowe architektury systemów automatyzacji, które lepiej pasują do nowych wyzwań operacyjnych i biznesowych w branży.
Poniżej zidentyfikowano kilka paradygmatów architektury systemów, które odniosły sukces w innych architekturach obliczeniowych, ale które zostały przeoczone w świecie automatyki.
1. Bardziej płaska architektura: nawet jeśli nowe systemy automatyki wykorzystują obecnie zaktualizowaną technologię, ich architektury są zbyt pionowe. Urządzenia terenowe, podłączone poprzez infrastrukturę telekomunikacyjną do SCADA/DCS, następnie powiązane z systemem historycznym, a następnie podłączone do aplikacji i systemów analityki biznesowej, w sposób przypominający totem, stwarzają problemy poprzez posiadanie różnorodnych interfejsów użytkownika, wielu interfejsów pomiędzy warstwami i korzystanie z wielu baz danych (rysunek 1). Nowe architektury muszą być bardziej płaskie, z mniejszą liczbą warstw baz danych i mniejszą liczbą interfejsów między poziomami. Cały system powinien opierać się na ujednoliconej platformie cyfrowej, która obejmuje większość funkcji na mniejszej liczbie poziomów (rysunek 2). Ta platforma cyfrowa musi być również wystarczająco elastyczna, aby w jak największym stopniu wykorzystać istniejące instrumenty, urządzenia automatyki i systemy.
2. Wysoka dostępność i odporność na awarie: niektóre systemy automatyzacji nadal przyjmują klasyczną konfigurację ciepłej gotowości. Zasadniczo, użytkownik kupuje dwa systemy tylko po to, by korzystać z jednego, na wypadek awarii działającego systemu. Architektura automatyzacji może ulec poprawie dzięki wprowadzeniu nowych systemów odpornych na awarie, które automatycznie dostosowują się w przypadku awarii jednego z komponentów sprzętowych, przy minimalnym lub zerowym czasie przełączania awaryjnego.
3. Elastyczność: w korporacji scenariusze biznesowe i operacyjne mogą nagle ulec zmianie, a architektura automatyzacji musi szybko dostosować się do tych zmian. Tradycyjne architektury są sztywne i odporne na zmiany. Nowa architektura musi szybko rozszerzać się wraz z rozwojem biznesu lub kurczyć się, jeśli wymaga tego biznes. Musi być elastyczna, aby szybko rozszerzać się lub kurczyć w ciągu kilku minut i bez utraty operacyjności.
4. Bezpieczeństwo od podstaw: cyberbezpieczeństwo nie może być warstwą instalowaną na klasycznej architekturze systemu automatyki. Architektura automatyki musi uwzględniać mechanizmy cyberbezpieczeństwa od samego początku, przyjmując strategie cyberbezpieczeństwa, takie jak architektura zerowego zaufania (ZTA), już na wczesnych etapach projektowania. W dzisiejszych czasach potencjalne cyberataki na systemy automatyki, które kontrolują krytyczne zasoby (w każdej branży), stanowią wyraźne zagrożenie, które musi być odpowiednio uwzględnione w nowych architekturach.
5. Pojedynczy punkt konfiguracji: w obecnej praktyce, jak pokazano na rysunku 1, dodanie nowego urządzenia polowego lub zmiana konfiguracji musi być wykonana na każdej z warstw, aby zachować integralność systemu. Nowe architektury muszą przyjąć projekt “skonfiguruj raz”. Instalując nowe urządzenie lub zmieniając jego konfigurację, zmiany muszą być automatycznie propagowane w całym systemie.
6. Proszę umieścić inteligencję jak najniżej w architekturze: “głupie” zdalne terminale (RTU) lub sterowniki PLC o ograniczonej funkcjonalności należą już do przeszłości. Gromadzenie danych, analityka, inteligentne przetwarzanie, uczenie maszynowe (ML) i sztuczna inteligencja (AI) muszą być wykonywane jak najbliżej procesu. Urządzenia brzegowe mogą przejąć znaczną część przetwarzania w nowych architekturach.
Chociaż są to jedne z kluczowych paradygmatów, które muszą zostać przyjęte przez nowe architektury systemów automatyzacji i cyfryzacji, istnieje wiele innych, które pomogą projektantom i konstruktorom systemów w jak najlepszym rozwiązywaniu aktualnych i nadchodzących wyzwań w przemyśle naftowym i gazowym.
Paradygmaty projektowania systemów automatyki uległy zmianie. Nowa technologia jest powszechnie dostępna, ale pojawiły się też nowe wyzwania biznesowe.
Trend ten musi skłonić ludzi do zastanowienia się nad nowymi sposobami tworzenia systemów i rozwiązań automatyzacji. Ostatecznym wyzwaniem jest zaprojektowanie, opracowanie, wdrożenie i wdrożenie systemów automatyzacji opartych na tych nowych paradygmatach. Pomoże to sprostać wyzwaniom operacyjnym w branży, zapewniając szybszy i lepszy zwrot z inwestycji (ROI).
Mario Torre jest architektem cyfrowym w firmie Sensia (spółka joint venture Rockwell Automation i SLB).
