Aktuální vydání

celé číslo

04

2022

veletrh Amper 2022
celé číslo

Virtualizace v automatizaci technologických procesů

Do distribuovaného řídicího systému DeltaV® od společnosti Emerson je s použitím platforem VMware® a Hyper-V® jako novinka integrována funkce virtualizace. Virtualizační prostředí DeltaV Virtual Studio je uživatelsky natolik přívětivé, že průměrný správce řídicího systému je schopen celou virtualizaci nastavit, provozovat, a zejména udržovat bez rozsáhlých znalostí IT.

 

Výzva

Typický distribuovaný řídicí systém (DCS) se skládá z pracovních stanic, serverů, řídicích jednotek a subsystémů I/O propojených komunikační sítí. Konfigurování a údržba všech vývojových pracovišť, školicích simulátorů, a především řídicích systémů ve výrobě jsou činnosti časově i finančně značně náročné. Následná údržba je o to složitější, že s postupem času je zařízení nutně částečně obměňováno, přičemž se setkávají různé verze jak hardwaru, tak i softwaru. Nejvýznamnější jsou problémy s operačním systémem a jeho kompatibilitou s novým hardwarem.
 

Způsob řešení

Cestou umožňující překonat či alespoň podstatně zmírnit dopady uvedených problémů je použít metodu zvanou virtualizace (viz vložený text a obr. 1). Virtualizace nabízí mnoho užitečného v podobě např. menšího množství hardwaru, který je třeba nakoupit a udržovat, a také velkou variabilitu při konfigurování, větší dostupnost, významně delší dobu provozního života a tím optimální využití zařízení. V rámci systému DeltaV nyní existuje efektivní způsob, jak virtualizovat vývojové, simulační i výrobní řídicí systémy. Nástroj DeltaV Virtual Studio umožňuje všem pracovníkům vytvořit potřebný virtuální systém bez dlouhého zaškolování.
 

Přínosy virtualizace

V souvislosti s virtualizací počítačů se typicky hovoří o větší flexibilitě, delší životnosti, snížení spotřeby elektrické energie, větší dostupnosti a jednodušším zavádění aktualizací softwaru. V dalším textu bude na tyto i další aspekty virtualizace pohlédnuto z hlediska jejich přínosů k efektivnosti řízení spojitých technologických procesů.
 

Proč používat virtualizaci v systémech distribuovaného řízení technologických procesů

Technika virtualizace rychle proniká do mnoha nejrůznějších odvětví průmyslu. Společnost Emerson, věrna svému hlavnímu zaměření, razantně vstoupila do světa virtualizace při řízení technologických procesů s použitím jejího řídicího systému DeltaV se zcela jasným cílem – nabídnout techniku virtualizace v podobě, která bude pro uživatele řídicího systému zcela transparentní. Transparentnost v tomto případě znamená, že virtualizaci budou moci využívat a těžit z jejích přínosů běžní uživatelé i administrátoři řídicího systému DeltaV, kteří ovšem nejsou specialisty v oboru IT, nadto s hlubokou znalostí
problematiky virtualizace.
 
Než společnost Emerson přistoupila k realizaci svého virtualizačního programu, chtěla mít jistotu, že v něm vezme v úvahu všechny důležité aspekty použití techniky virtualizace ve specifickém odvětví distribuovaného řízení spojitých technologických procesů s jeho požadavky zásadně odlišnými od požadavků v jiných odvětvích průmyslu, která využívají přednosti datových center nebo požadují zpracování velkých objemů dat při transakčních operacích. Ve spolupráci s uživateli byly z hlediska očekávaných přínosů virtualizace určeny jako nejdůležitější aspekty nákladů na provoz pracovních stanic, provozní pružnosti a snadného použití. V druhé řadě za nimi následovala očekávání zdokonalené technické podpory, prodloužené doby provozního života a zvýšené dostupnosti řídicích systémů.
 

Nákladově efektivní provoz

Jedním z důvodů k použití techniky virtualizace je možnost dosáhnout efektivnějšího využití počítačů, které se v praxi projeví zmenšením jejich počtu. Méně pracovních stanic znamená menší požadavky na prostor a menší spotřebu energií (napájení a chlazení). S tím souvisí také méně požadavků na nové instalace i údržbu již existujících, což znamená další úspory. Redukce počtu počítačů je významná zejména v úlohách, kde byl dosud používán větší počet serverů, které ale nebyly efektivně využity.
 

Provozní flexibilita a snadné použití

Přínosem virtualizace je nebývalá provozní flexibilita v podobě přidávání/přemísťování pracovních stanic, důležitá nejen v průmyslových provozech, ale také pro vývoj a školicí účely, kde lze použitím virtuálního systém DCS, včetně virtuálních vstupů a výstupů, dosáhnout mimořádného nárůstu produktivity.
 
Na jednom serveru je přitom možné provozovat několik různých verzí softwaru současně bez nutnosti zabývat se kompatibilitou hardwaru (obr. 2).
 

Dokonalejší podpora

Centralizovaná střediska technické podpory mohou snadno ověřit funkce virtualizovaného systému, aniž by bylo nutné jakkoliv zasahovat do běžících reálných řídicích počítačů. Lze ověřit procedury migrace nebo řešit technické problémy na identickém virtuálním stroji, bez zásahu do řídicího systému.
 

Prodloužení provozního života

Mnoho uživatelů sahá po virtualizaci za účelem prodloužit dobu provozního života jimi používaného řídicího systému, který díky virtualizaci netrpí problémy s kompatibilitou zastarávajícího hardwaru. Díky virtualizaci lze modernizovat hardware, aniž by bylo nutné měnit a migrovat aplikační software.
 

Dostupnost

Virtualizace je často vnímána jako zásadní způsob, jak zvýšit odolnost řídicího systému proti výpadkům počítačů. Virtuální stroj lze snadno a rychle znovu spustit na náhradním hostitelském počítači nebo může být i okamžitě automaticky spuštěn, je-li provozován v dedikovaném prostředí s garantovanou zvýšenou dostupností funkcí systému.
 

Kde v distribuovaných řídicích systémech (DCS) používat virtualizaci?

Z uvedeného je zřejmé, že zájem provozovat virtualizované systémy nadále poroste. Přestože obor průmyslové automatizace je velmi rizikový, a tudíž opatrný při zavádění nové techniky, zájem o používání techniky virtualizace rychle roste i zde. Některé úlohy, jako např. off-line vývoj aplikačního softwaru, těží z možností virtualizace více, jiné, jako je řízení procesů, zatím méně, zejména z důvodu konzervativního přístupu ze strany uživatelů. Výsledky průzkumu, který si nechala udělat společnost Emerson, indikují následující přístup k virtualizaci v oboru automatizační techniky:
  • více než 90 % uživatelů chce používat virtualizaci k off-line vývoji aplikačního softwaru,
  • více než 80 % uživatelů chce virtualizaci používat pro tréninkové a výukové účely,
  • více než 50 % uživatelů je připraveno používat virtualizaci při řízení výrobních procesů.
 

Závěr

Stručně řečeno, potenciálně existuje mnoho přínosů, jichž lze dosáhnout při využití techniky virtualizace v řídicím systému DeltaV, včetně snížení až úplné eliminace nákladů na pracovní stanice, zlepšení flexibility a produktivity při vývoji a testování systémů, vylepšení technické podpory, prodloužení doby provozního života starších systémů, zajištění vysoké dostupnosti a snadného či automatického obnovení po havárii apod.
 
Společnost Emerson dodává pro použití techniky virtualizace v řídicím systému DeltaV integrované nástroje, které jsou snadno ovladatelné a poskytují výkon a spolehlivost očekávané konečnými uživateli. Virtualizační program společnosti Emerson zahrnuje strategická partnerství jak s firmou VMware, tak s firmou Microsoft. Platforma VMware je využívána zejména v systémech DeltaV používaných off-line, které byly certifikovány jako tzv. VMware Ready, a platforma Microsoft Hyper-V pro on-line a off-line integrované virtuální stroje vytvořené v systému DeltaV při použití vývojového prostředí DeltaV Virtual Studio.
 
Mezi virtualizačními produkty vydanými společností Emerson lze nalézt zejména tyto:
  • DeltaV Virtual Studio pro snadné konfigurování a údržbu virtuálních strojů a celých systémů, a to pro on-line i off-line použití,
  • virtualizovaný hardware DeltaV pro vývojové a testovací systémy, včetně virtuálních karet CHARM I/O,
  • simulátory řídicí jednotek,
  • náhrady zastaralých serverů virtuálním serverem DeltaV pro podporu starších systémů,
  • samostatně virtualizovaný nástroj DeltaV Simulate, který lze snadno používat přímo z disku typu flash s rozhraním USB 3.0.
 
Další informace lze získat ve společnosti Emerson Process Management, s. r. o.
 
Ing. Jan Dostál,
Emerson Process Management, s. r. o.
 

Co je to virtualizace

Zjednodušeně řečeno je virtualizace cesta, jak „zapouzdřit“ počítač včetně operačního systému a instalovaného aplikačního softwaru tak, aby mohl být jednoduše provozován jako hostující na jiném, tzv. hostitelském počítači. V praxi to znamená, že např. současný uživatelův řídicí počítač v daném provozu je transformován do virtuálního prostředí tak, aby mohl být zkopírován a spouštěn na jiném počítači. Transformací získaný virtuální stroj (VM – Virtual Machine) je pouze datovým souborem, který obsahuje veškerou informaci potřebnou ke spuštění a provozování uživatelových aplikačních programů, aniž by bylo nutné mít k dispozici hardware uživatelova počítače jako takový. Ke spouštění virtuálního počítače je třeba mít vrstvu virtualizačního softwaru, který mapuje činnost virtuálního stroje na fyzické hardwarové komponenty (síťové karty, porty USB, grafické adaptéry atd.) hostitelského stroje. Celý postup při virtualizaci je ilustrován na obr. 1 v hlavním textu článku. Na hostitelském počítači může být současně spuštěno i několik virtuálních strojů. V takovém případě je většinou hostitelským počítačem počítač typu server s velkou kapacitou paměti a výkonnou procesorovou jednotkou. Virtualizované stroje mohou mít různé verze operačního systému (Windows 7, Server 2008 atd.) a mohou na nich být provozovány nejrůznější aplikační programy.
 
Hostitelský počítač může mít plnohodnotný operační systém (např. Windows Server 2012) nebo to může být počítač se speciálně upraveným operačním systémem umožňujícím současně provozovat několik virtuálních strojů – pak jde o tzv. bare metal operační systém (např. Windows Hyper-V Server 2012). Operační systém podle konceptu bare metal, který nabízí jednodušší konfiguraci a údržbu při nižší ceně, je efektivní platformou k provozování virtuálních strojů.
 
 
Obr. 1. Ilustrace konceptu virtuálního stroje v hostitelském počítači v prostředí DeltaV (VM – Virtual Machine)
Obr. 2. Šasi Dell Power Edge VRTX blade server s integrovaným datovým úložištěm pro provoz až 40 virtualizovaných pracovních stanic DeltaV