Kiến trúc hệ thống lưu trữ dữ liệu công nghiệp: Thu thập tại chỗ so với qua máy chủ

Vì sao kiến trúc historian quan trọng?

Các hệ thống tự động hóa công nghiệp tạo ra luồng liên tục gồm số liệu đo, trạng thái vận hành, cảnh báo và sự kiện sản xuất. Những hồ sơ này giúp kỹ sư điều tra sự cố, xác minh điều kiện quy trình và tìm hiểu hiệu suất thiết bị.

Tuy nhiên, việc thu thập dữ liệu không tự động đảm bảo hồ sơ lịch sử đầy đủ hoặc hữu ích. Gián đoạn mạng, bảo trì máy chủ, dung lượng lưu trữ hạn chế và cài đặt thu thập không phù hợp có thể tạo ra khoảng trống dữ liệu.

Việc lựa chọn giữa historian cấp máy và historian dựa trên máy chủ nên bắt đầu từ ứng dụng dự kiến. Mỗi kiến trúc đáp ứng các yêu cầu khác nhau về thu thập, lưu giữ và phân tích dữ liệu.

Historian cấp máy ghi lại thông tin chi tiết gần thiết bị sản xuất. Historian dựa trên máy chủ tập trung hồ sơ từ nhiều nguồn và hỗ trợ phân tích trên phạm vi rộng hơn.

Historian cấp máy là gì?

Historian cấp máy thu thập và lưu trữ dữ liệu chuỗi thời gian gần máy riêng lẻ, cụm sản xuất hoặc hệ thống điều khiển. Tùy theo cách triển khai, hệ thống có thể lấy dữ liệu từ PLC và các mạng công nghiệp được hỗ trợ. Các nguồn dữ liệu phổ biến gồm bộ điều khiển như bộ điều khiển PLC Allen-Bradley 1756-L1 ControlLogix và mô-đun bộ điều khiển PLC Siemens 6ES7214.

Cách bố trí này hữu ích khi kỹ sư cần hồ sơ chi tiết về khoảng thời gian quanh lúc máy dừng, thiết bị gặp lỗi hoặc xảy ra chuỗi sự kiện bất ngờ.

• Chẩn đoán máy: Lưu giữ các giá trị bộ điều khiển được chọn trước thời điểm xảy ra lỗi và gián đoạn sản xuất.
• Truy xuất nguồn gốc: Liên kết các phép đo quy trình với chu kỳ sản xuất, lô hàng hoặc từng sản phẩm.
• Xác minh quy trình: Lưu giữ hồ sơ để kiểm tra xem các điều kiện vận hành có đáp ứng yêu cầu đã xác định hay không.
• Thu thập dữ liệu tại chỗ: Giảm sự phụ thuộc vào việc liên lạc liên tục với máy chủ historian từ xa.

Việc thu thập dữ liệu tại chỗ có thể tăng khả năng chống chịu khi máy chủ thượng nguồn hoặc kết nối mạng không khả dụng. Tuy nhiên, lợi ích này phụ thuộc vào kiến trúc thực tế và dung lượng lưu trữ khả dụng của hệ thống historian.

Kỹ sư phải xác minh dung lượng lưu trữ, phương thức xuất dữ liệu, hiệu suất thu thập và cách thức khôi phục. Lưu trữ cục bộ không loại bỏ mọi dạng sự cố có thể xảy ra.

Hệ thống lưu trữ dữ liệu lịch sử trên máy chủ là gì?

Hệ thống lưu trữ dữ liệu lịch sử trên máy chủ thu thập thông tin lịch sử từ nhiều tài sản sản xuất và các nguồn dữ liệu được hỗ trợ khác. Hệ thống này thường có khả năng báo cáo, lập biểu đồ xu hướng, lưu trữ và phân tích rộng hơn.

Kỹ sư nhà máy có thể so sánh hiệu suất thiết bị, tìm hiểu các tổn thất sản xuất tái diễn và đối chiếu các phép đo quy trình giữa những máy khác nhau.

Các hệ thống lưu trữ dữ liệu lịch sử tập trung cũng hỗ trợ những ứng dụng kết hợp bản ghi vận hành với thông tin sản xuất hoặc kinh doanh. Nhờ đó, có thể liên hệ diễn biến của quy trình với lịch sản xuất, lô sản phẩm và kết quả chất lượng.

Tuy nhiên, đường truyền thu thập dữ liệu làm phát sinh thêm các yếu tố phụ thuộc. Sự cố mạng, bảo trì máy chủ, vấn đề về giao diện và giới hạn lưu trữ có thể làm gián đoạn việc thu thập dữ liệu. Kết nối phía hiện trường thường dựa vào các mô-đun truyền thông Ethernet như Yokogawa ALE111-S51, Schneider 140NOE21100 hoặc Foxboro FBM232, vì vậy cấu hình và tình trạng của chúng ảnh hưởng đến bản ghi.

Đừng cho rằng mọi hệ thống lưu trữ dữ liệu lịch sử đều tự động đệm dữ liệu khi xảy ra sự cố. Hãy xác nhận bộ thu thập dữ liệu cụ thể có hỗ trợ đệm hay không, lưu giữ các bản ghi đang chờ trong bao lâu và xử lý việc khôi phục như thế nào.

Hai kiến trúc này khác nhau như thế nào?

Đây là các xu hướng kiến trúc, không phải cam kết đảm bảo áp dụng cho mọi sản phẩm. Hãy xác minh cách thức hoạt động của nền tảng được chọn trước khi hoàn thiện thiết kế.

Làm thế nào để chọn hệ thống lưu trữ dữ liệu lịch sử phù hợp?

Dữ liệu cần trả lời câu hỏi kỹ thuật nào?

Trước tiên, hãy xác định những quyết định nào cần dựa vào dữ liệu lịch sử. Việc điều tra sự cố có thể cần bản ghi độ phân giải cao quanh một sự kiện ngắn. Phân tích sản xuất có thể cần thời gian lưu giữ dài hơn và dữ liệu nhất quán từ nhiều tài sản.

Ghi lại các thẻ cần thiết, chu kỳ thu thập, điều kiện kích hoạt sự kiện, độ chính xác của dấu thời gian, thời gian lưu giữ và nhu cầu báo cáo.

Dữ liệu có thể bị mất ở đâu trên đường đi thu thập?

Lập sơ đồ đường đi của dữ liệu từ mỗi bộ điều khiển đến nơi lưu trữ. Xác định các bộ chuyển mạch mạng, cổng kết nối, dịch vụ thu thập dữ liệu, máy chủ và các thành phần khác có thể làm gián đoạn việc ghi dữ liệu.

Hãy xác định điều gì sẽ xảy ra khi mạng bị gián đoạn, máy chủ khởi động lại hoặc có lịch bảo trì. Xác nhận xem dữ liệu có được lưu đệm cục bộ hay không và liệu hệ thống có thể bù các khoảng dữ liệu bị thiếu sau khi khôi phục hay không.

Cần bao nhiêu dung lượng lưu trữ?

Ước tính dung lượng lưu trữ dựa trên số điểm dữ liệu, tần suất thu thập, kích thước bản ghi, cách nén và thời gian lưu giữ cần thiết. Tính thêm phần dung lượng dự phòng cho hoạt động vận hành.

Đừng chỉ dựa vào số lượng thẻ để tính dung lượng lưu trữ. Hai hệ thống có số lượng thẻ giống hệt nhau vẫn có thể tạo ra lượng dữ liệu khác nhau do thiết lập thu thập và đặc tính vận hành của quy trình khác nhau.

Dấu thời gian có nhất quán và dễ hiểu không?

Việc phân tích dữ liệu lịch sử trở nên kém tin cậy hơn khi các bản ghi liên quan sử dụng đồng hồ không đồng nhất hoặc có nguồn dấu thời gian chưa được hiểu rõ. Rà soát việc đồng bộ thời gian giữa bộ điều khiển, bộ thu thập dữ liệu và máy chủ.

Xác định dấu thời gian thể hiện thời điểm dữ liệu được ghi nhận tại nguồn, được thu thập hay được máy chủ tiếp nhận. Sự phân biệt này rất quan trọng khi tái dựng thứ tự của các sự kiện xảy ra gần nhau.

An ninh mạng và khôi phục có được đảm bảo không?

Rà soát xác thực, kiểm soát truy cập, phân đoạn mạng, quản lý bản vá, quy trình sao lưu và kiểm tra khôi phục. Hệ thống lưu trữ dữ liệu lịch sử có thể chứa thông tin vận hành có giá trị và cần được bảo vệ thích hợp.

Kiểm tra quy trình khôi phục thực tế. Bản sao lưu chỉ hữu ích khi có thể khôi phục dữ liệu và cấu hình cần thiết trong giới hạn vận hành chấp nhận được.

Khi nào nên kết hợp thu thập dữ liệu tại chỗ và tập trung?

Một số ứng dụng được lợi từ cả hai kiến trúc. Hệ thống lưu trữ dữ liệu lịch sử cấp máy có thể lưu giữ các bản ghi chi tiết gần thiết bị, trong khi hệ thống lưu trữ dữ liệu lịch sử dựa trên máy chủ tổng hợp thông tin được chọn để phân tích trên toàn nhà máy.

Ví dụ: một dây chuyền sản xuất được xây dựng xoay quanh các bộ điều khiển như mô-đun bộ điều khiển PLC GE Mark VIe IS400AEBMH3A có thể cần các bản ghi sự kiện chi tiết để chẩn đoán lỗi và lịch sử theo lô tập trung để rà soát chất lượng. Lưu trữ tại chỗ và tổng hợp tập trung có thể cùng đáp ứng các yêu cầu này.

Hãy thiết kế cơ chế truyền dữ liệu cẩn thận. Xác định những bản ghi nào được chuyển lên hệ thống trung tâm, cách bảo toàn dấu thời gian, cách xử lý bản ghi trùng lặp và điều gì sẽ xảy ra khi liên lạc bị gián đoạn.

Ngoài ra, hãy cân nhắc liệu hệ thống tại chỗ và hệ thống trung tâm có lưu giữ cùng mức độ chi tiết hay không. Việc tổng hợp hoặc nén có thể làm thay đổi thông tin có sẵn cho các cuộc điều tra sau này.

Danh sách kiểm tra nghiệm thu và bảo trì cần bao gồm những gì?

• Xác minh rằng các thẻ bộ điều khiển cần thiết đang được thu thập.
• So sánh các giá trị trong hệ thống lưu trữ dữ liệu lịch sử với các giá trị nguồn đáng tin cậy.
• Xác nhận chu kỳ thu thập và hành vi kích hoạt theo sự kiện.
• Kiểm tra việc đồng bộ thời gian giữa các thiết bị liên quan.
• Kiểm tra cách hệ thống xử lý sự cố gián đoạn mạng và khôi phục sau đó.
• Rà soát dung lượng lưu trữ, chính sách lưu giữ và việc luân phiên kho lưu trữ.
• Xác minh các biện pháp kiểm soát truy cập, bản sao lưu và quy trình khôi phục.
• Ghi lại các đường dẫn thu thập dữ liệu và trách nhiệm quản lý từng thành phần.

Ghi lại kết quả thử nghiệm và tiêu chí nghiệm thu. Lặp lại các kiểm tra quan trọng sau những thay đổi đáng kể đối với mạng, bộ điều khiển hoặc cấu hình hệ thống lưu trữ dữ liệu lịch sử.

Kết luận: Biến dữ liệu lịch sử thành nguồn lực kỹ thuật đáng tin cậy

Hãy chọn hệ thống lưu trữ dữ liệu công nghiệp dựa trên bằng chứng mà hoạt động của bạn cần lưu giữ và những quyết định mà bằng chứng đó cần hỗ trợ. Thu thập dữ liệu tại chỗ rất hữu ích cho việc chẩn đoán máy móc chi tiết, trong khi thu thập qua máy chủ hỗ trợ báo cáo trên phạm vi rộng hơn và phân tích chéo các tài sản. Kết hợp cả hai có thể mang lại lợi ích bổ trợ khi việc truyền dữ liệu, lưu trữ và khôi phục được thiết kế cẩn thận. Trước khi triển khai, hãy ghi lại các yêu cầu dữ liệu, kiểm tra cách hệ thống xử lý sự cố gián đoạn, xác minh chất lượng dấu thời gian và chứng minh rằng có thể khôi phục dữ liệu từ bản sao lưu. Những bước này giúp biến dữ liệu lịch sử thành một nguồn lực kỹ thuật đáng tin cậy.