應(yīng)用案例｜邊緣控制器助力OEM實(shí)現(xiàn)集成數(shù)據(jù)和控制
發(fā)布時(shí)間：2022-08-31 來(lái)源：控制工程網(wǎng)
本文圖片來(lái)源：Opto 22
對(duì)許多石油和天然氣行業(yè)的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，每隔幾周就需要對(duì)防噴器和井控設(shè)備進(jìn)行一次靜水壓測(cè)試，以驗(yàn)證和維護(hù)鉆井設(shè)施的安全性和完整性。這些測(cè)試的執(zhí)行和記錄，通常是手動(dòng)執(zhí)行的，需要數(shù)小時(shí)才能完成。
Engenuity 公司為多個(gè)行業(yè)提供控制自動(dòng)化和數(shù)據(jù)集成解決方案，主要專(zhuān)注于石油和天然氣行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)。根據(jù)該公司的說(shuō)法，在海上鉆井應(yīng)用中操作相關(guān)閥門(mén)陣列的成本可能高達(dá)每秒6 美元。每年的測(cè)試， 可能會(huì)花費(fèi)用戶(hù)數(shù)百萬(wàn)美元。
在與殼牌國(guó)際勘探與生產(chǎn)公司及其它公司合作后， Engenuity 公司開(kāi)發(fā)了一套全自動(dòng)測(cè)試執(zhí)行和報(bào)告產(chǎn)品。自動(dòng)測(cè)試執(zhí)行和報(bào)告，將精確的過(guò)程控制、自動(dòng)文本和電子郵件通知以及過(guò)程歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和復(fù)制功能，整合到一個(gè)使用邊緣可編程工業(yè)控制器（EPIC） 的解決方案中。
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壓力比較和分析
使用測(cè)試軟件，用戶(hù)可以繪制閥門(mén)陣列，并確定系統(tǒng)中每個(gè)組件的驗(yàn)證壓力極限。這將使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，同時(shí)精確測(cè)量注入的流體，并使用獲得專(zhuān)利的恒壓/ 變體積泵送方法，將測(cè)量結(jié)果與驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行客觀比較。
有了可改裝的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，測(cè)試管理器可以通過(guò)多達(dá)30 個(gè)測(cè)試序列，監(jiān)控多達(dá)70 個(gè)閥門(mén)。視覺(jué)讀數(shù)使用聲學(xué)泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，精確定位大型歧管系統(tǒng)中的泄漏位置。收集到的數(shù)據(jù)可以在測(cè)試之間映射，并進(jìn)行比較和可靠性計(jì)算，還可用于生成PDF 格式的數(shù)據(jù)報(bào)告。
該公司的BOPX 測(cè)試軟件可提供復(fù)雜的建模、分析和演示功能。多年來(lái)，雖然增加了許多功能，但Engenuity 的控制工程師Ted Royer 說(shuō)，“所有的測(cè)試軟件都基于EPIC 上。現(xiàn)在，BOPX 只是一個(gè)界面。”
網(wǎng)絡(luò)安全：制造DMZ和可信網(wǎng)絡(luò)
在測(cè)試執(zhí)行中，軟件的主要作用是通過(guò)MODBUS/ TCP 連接，向邊緣控制器發(fā)送配置數(shù)據(jù)。“我們可以做其它事情，但需要一種方式來(lái)顯示數(shù)據(jù)所處的位置， 以滿(mǎn)足客戶(hù)的需求。” Royer 說(shuō)。
Engenuity 公司發(fā)現(xiàn)客戶(hù)希望使用傳統(tǒng)協(xié)議，這樣他們就可以驗(yàn)證配置參數(shù)是否正確傳輸，而不會(huì)遇到太多麻煩。
然而，不安全的Modbus 連接可能會(huì)對(duì)運(yùn)營(yíng)造成風(fēng)險(xiǎn)， 因此Engenuity 使用可配置的防火墻，來(lái)保護(hù)關(guān)鍵控制數(shù)據(jù)。將控制器的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口之一配置為只讀接口，將其連接到名為制造隔離區(qū)（DMZ）的不受信任網(wǎng)絡(luò)。
Engenuity 采用Opto 22 的GroovEPIC 來(lái)控制測(cè)試過(guò)程，生成報(bào)警通知，使用Node -RED 執(zhí)行數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)， 通過(guò)MariaDB 存儲(chǔ)和復(fù)制數(shù)據(jù)，并將可信（藍(lán)色）和不可信的網(wǎng)絡(luò)流量（紅色）隔離。
另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口，則連接到一個(gè)單獨(dú)的、可信任的網(wǎng)絡(luò)，被稱(chēng)為制造區(qū)，所有輸入/ 輸出（I/O）和控制通信都在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。控制器防止在其兩個(gè)端口之間的路由通訊，因此不存在不受信任的連接，篡改受信任網(wǎng)絡(luò)上額配置、執(zhí)行或處理歷史數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)。
過(guò)程控制和報(bào)警通知
在配置數(shù)據(jù)安全傳輸后，邊緣控制的實(shí)時(shí)控制引擎就開(kāi)始執(zhí)行測(cè)試場(chǎng)景。通常情況下，自動(dòng)閥組和連接直接集成到本地I/O 模塊中，但如果需要大量高速處理（通常在3 到4 毫秒范圍內(nèi)），公司將使用單獨(dú)的邊緣控制器作為遠(yuǎn)程I/O。在這種情況下，遠(yuǎn)程EPIC 獨(dú)立處理控制并向主邊緣控制器報(bào)告。
隨著測(cè)試的推進(jìn)，主控制器可以監(jiān)控該過(guò)程。“經(jīng)過(guò)幾十年，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)非常完善的報(bào)警系統(tǒng)。”Royer 說(shuō)，它在控制器中而不是在HMI 中運(yùn)行，因此其它系統(tǒng)也可以使用。這包括外部郵件和消息服務(wù)，控制程序會(huì)聯(lián)系這些服務(wù)，以針對(duì)各種情況生成通知。
過(guò)程歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
主控制器還將測(cè)試期間生成的任何過(guò)程數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。Engenuity 利用邊緣控制器操作系統(tǒng)的安全外殼接口，使用供應(yīng)商提供的加密簽名軟件包，下載并安裝此開(kāi)源軟件。簽名應(yīng)用可以防止惡意軟件冒充合法軟件。
為了將數(shù)據(jù)從控制引擎?zhèn)鬏數(shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)，Engenuity 使用了一個(gè)開(kāi)源物聯(lián)網(wǎng)（IoT）引擎，該引擎由供應(yīng)商預(yù)先安裝在邊緣控制器上。它提供了數(shù)以千計(jì)的功能， 用于連接和處理來(lái)自不同來(lái)源的數(shù)據(jù)，包括設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)和Web 服務(wù)。Engenuity 將引擎配置為監(jiān)視I/O、過(guò)程變量和事件，然后將這些數(shù)據(jù)點(diǎn)傳輸?shù)絻?nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。
數(shù)據(jù)完整性和可用性
由于測(cè)試數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證用戶(hù)系統(tǒng)的安全性和有效性， 因此客戶(hù)需要頻繁訪問(wèn)過(guò)程歷史數(shù)據(jù)，并且通常需要額外的保護(hù)以確保數(shù)據(jù)完整性。這是通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)置復(fù)制功能完成的。
“通常情況下，在石油鉆井平臺(tái)上，客戶(hù)只能通過(guò)Wi-Fi連接到設(shè)備，這不是特別可靠，他們希望能夠登錄并查看以前的運(yùn)行數(shù)據(jù)。”Royer說(shuō)，“有時(shí)他們希望將大量記錄，甚至整個(gè)工作數(shù)據(jù)，拷貝到微軟的Excel電子表格中……但它不必是實(shí)時(shí)的，因此我們?cè)谵k公室中設(shè)置了另一個(gè)控制器，作為現(xiàn)場(chǎng)控制器的副本。”
岸上副本控制器中的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，定期向離岸主控制器請(qǐng)求數(shù)據(jù)復(fù)制。作為響應(yīng)，主數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器向副本控制器發(fā)送一個(gè)事務(wù)日志，用于更新自身。客戶(hù)可以連接到副本控制器，為其提供數(shù)據(jù)冗余和高可用性，而不是給主控制器增加大量數(shù)據(jù)請(qǐng)求負(fù)擔(dān)。Royer說(shuō)，“我們（在辦公室）有充足的帶寬，因此，這樣就可以?xún)烧呒骖櫋！?/div>
在遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)之間，傳輸敏感數(shù)據(jù)會(huì)帶來(lái)安全問(wèn)題。為了促進(jìn)與主邊緣控制器的安全數(shù)據(jù)交換，Engenuity通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)（VPN）連接，將副本控制器連接到離岸制造區(qū)網(wǎng)絡(luò)，并向客戶(hù)授予此專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)的只讀憑據(jù)。Royer說(shuō)，為了使裝置盡可能簡(jiǎn)單、可靠，公司辦公室的每個(gè)副本控制器，都通過(guò)單獨(dú)的專(zhuān)用VPN設(shè)備與外部連接。
在他們的辦公室里，Engenuity 使用一個(gè)復(fù)制的Groov Epic 和MariaDB 服務(wù)器來(lái)存儲(chǔ)復(fù)制的測(cè)試數(shù)據(jù)， 并將其傳輸?shù)皆拼鎯?chǔ)以進(jìn)行全球分發(fā)。
如果希望將過(guò)程數(shù)據(jù)分發(fā)到一個(gè)站點(diǎn)之外，客戶(hù)可以使用嵌入式連接軟件，向副本控制器添加云注入功能。該平臺(tái)的模塊化架構(gòu)，允許Engenuity 安裝一系列組件，這些組件允許控制器將OPC 標(biāo)簽數(shù)據(jù)直接發(fā)送到云服務(wù)。在那里，客戶(hù)可以訪問(wèn)世界各地的測(cè)試數(shù)據(jù)。
采用邊緣控制的好處
對(duì)于許多客戶(hù)來(lái)說(shuō)，為了符合法規(guī)要求需要經(jīng)常進(jìn)行測(cè)試，每小時(shí)的停機(jī)成本在15000 美元到20000 美元之間。測(cè)試軟件必須可以快速可靠地執(zhí)行，以實(shí)現(xiàn)其價(jià)值。
根據(jù)裝置的規(guī)模和運(yùn)營(yíng)情況，Engenuity的BOPX測(cè)試系統(tǒng)可以通過(guò)一個(gè)完全集成的系統(tǒng)為每次完整的測(cè)試節(jié)省10-20個(gè)小時(shí)。憑借高更長(zhǎng)的正常運(yùn)行時(shí)間和更高效的自動(dòng)化測(cè)試，該公司的客戶(hù)可以減少現(xiàn)場(chǎng)工作人員的數(shù)量，而且更容易適應(yīng)遠(yuǎn)程操作。
“一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，可以告訴你哪里出了問(wèn)題，這會(huì)帶來(lái)很多好處。”Royer說(shuō)，“我會(huì)在午夜時(shí)收到一個(gè)來(lái)自控制器的文本。在客戶(hù)給我打電話(huà)的時(shí)候，我已經(jīng)登錄到系統(tǒng)……我可以準(zhǔn)確地告訴他們問(wèn)題出在哪里，而且，通常是一些簡(jiǎn)單的問(wèn)題。”
對(duì)于傳統(tǒng)的PLC，Engenuity的解決方案需要IT部門(mén)的持續(xù)支持，但采用了邊緣控制器，他們能夠自行管理整個(gè)解決方案。
“很多用戶(hù)沒(méi)有空間來(lái)安裝服務(wù)器機(jī)架，這些空間是處在危險(xiǎn)區(qū)域中的非機(jī)密地區(qū)，它們被設(shè)計(jì)為半滿(mǎn)而通常是全滿(mǎn)的，所以現(xiàn)在你要用那些安裝在NEMA 4箱內(nèi)，可以布置在外面的東西來(lái)替換……我們的EPIC上有9個(gè)服務(wù)器，我們甚至沒(méi)有占用1英尺的空間。”Royer說(shuō)。
通過(guò)邊緣控制，Engenuity消除了復(fù)雜的多產(chǎn)品集成需求，并提供無(wú)縫運(yùn)營(yíng)和即時(shí)數(shù)據(jù)訪問(wèn)。Engenuity的總裁Jeff Hilpert 表示：“在單個(gè)背板上集成數(shù)據(jù)和控制，對(duì)于大幅降低成本、改善正常運(yùn)行時(shí)間、訪問(wèn)數(shù)據(jù)和擴(kuò)大利用率至關(guān)重要。”（作者 | Josh Eastburn）
關(guān)鍵概念：
■ 邊緣控制可以為用戶(hù)提供無(wú)縫運(yùn)營(yíng)和更好的數(shù)據(jù)訪問(wèn)。
■ 石油和天然氣公司依賴(lài)恒定的數(shù)據(jù)流， 以避免因設(shè)備損壞和故障而停機(jī)。
■ 通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)有助于維護(hù)安全。
思考一下：
邊緣控制可以為貴公司帶來(lái)哪些好處？
標(biāo)簽：邊緣控制,控制器,測(cè)試軟件,PLC
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