Virtuelizacija u razvodnim postrojenjima

Virtuelizacija je uobičajena tehnologija u informacionoj tehnologiji (IT), gde dolazi do unapređenja performansi, isplativosti i jednostavne upotrebe u poslednjih pedeset godina. Međutim, u operativnoj tehnologiji, virtuelizaciji je trebalo duže vreme da se uspostavi.

Kako su velike industrijske aplikacije kao što su sistemi za izvršenje proizvodnje (MES) migrirale na centre za podatke, tehnike virtuelizacije su usvojene. Virtuelizacija je sada prisutna na nadzornim kontrolnim sistemima (SCADA) koji ne predstavljaju podatke u realnom vremenu.

U ekstremnim primerima, virtuelizacija se koristi za kontrolu u realnom vremenu, sa operativnim sistemom (OS) u realnom vremenu i standardnom Windows ili Linux sredinom koja radi na istom hardveru, što pokazuje koliko ova tehnologija može biti praktična. Jedna oblast primene koja je do sada izbegavala virtuelizaciju, ali to se brzo menja, doduše, jeste uobičajeno bezbedni i konzervativni svet inženjeringa razvodnih postrojenja.

Virtuelizacija

Reč virtuelno ne implicira nedostatak fizičke dimenzije: umesto toga, u pitanju je logičko predstavljanje fizičkih zadataka. U računarskoj virtuelizaciji, logički uređaji koji su definisani u softveru, kao što su računari, prekidači, ruteri i diskovi za skladištenje, ponašaju se kao da su fizički uređaji.

Fizički uređaj ima fizičke karakteristike, kao što je određeni broj jezgara na CPU, određena količina prostora na disku, i određene opcije povezivanja; međutim, u virtuelnom svetu, virtuelni računar može posedovati bilo koji broj jezgara, virtuelni disk može čuvati daleko više od kapaciteta jednog fizičkog diska, i povezanost između različitih elemenata može biti izvršena od strane softvera.

Dokle god zaista postoji fizička oprema iza virtuelnog front end-a, programeri mogu implementirati svoje aplikacije i korisnici ih mogu koristiti bez brige o hardveru. Kako se virtuelizacija dešava na nivou softvera, omogućava laku rekonfiguraciju.

Fizički hardver može ostati isti, ali se virtuelni hardver može menjati po vremenu, različitim korisnicima i novim aplikacijama.

Podjednako, aplikacije mogu ostati iste, ali hardver može iskoristiti napredak tehnologije. Nadogradnja dovodi do značajnog unapređenja performansi tokom upotrebnog veka aplikacije, dodajući više korisnika i više podataka bez potrebe da se aplikacija menja.

Virtuelizacija funkcioniše tako što izdvaja hardver od softvera. Instalira se Linux Hypervisor i iznad njega više virtuelnih mašina pušta svoje sopstvene operativne sisteme. Svaka VM se tako može ponašati kao računar. Između VM, virtuelni komunikacioni uređaji kao što su prekidači i ruteri kontrolišu prenos podataka među njima i sa spoljašnjim svetom.

Kontejnerizacija je poslednji korak u razvoju u ovom polju. Umesto podrške više VM, od kojih svaka poseduje sopstvenu računarsku sredinu, kontejner obezbeđuje svu neophodnu podršku za aplikacije, bez troška ili kompleksnosti operativnog sistema.

Kontejneri će preuzeti većinu aktivnosti koje zahtevaju Windows aplikacije.

Zašto još nije primenjeno u razvodnim postrojenjima?

Virtuelizacija predstavlja određene komercijalne izazove, i raširila se po celokupnom modelu poslovanja usluge Cloud, ali u tehničkom svetu ima najviše problema. Računarskim sistemima se relativno lako upravlja dok je svaki njihov aspekt upisan u softveru i radi na jednom CPU.

Međutim, kada ta aplikacija mora da stupi u interakciju sa stvarnim svetom, sa mašinama, senzorima, podacima koje unose ljudi, pokretačima, tada dolazi do pojave niza kompleksnosti. Prva je da računari nisu homogeni uređaji. Izrađeni su od velikog broja kompleksnih komponenti, od kojih se neke čak ponašaju i kao mini računari. Računari takođe nose sa sobom dosta istorijskog prtljaga iz vremena mainframe računara i prvih IBM PC.

Moderni laptopovi, radne stanice i serveri ne moraju imati serijske portove, ali u sredini operativne tehnologije (OT) ovo je i dalje prisutan zahtev. Industrijska oprema i dalje koristi COM port tehnologiju, pa čak i starije sisteme kao što su analogni, bakarne žice, kao i moderne digitalne ulaze i izlaze, industrijske sabirnice na razini polja i mreže. Oni imaju mehaničke i električne osobine koje se teško modeluju i simuliraju, pa ih je prema tome teško replicirati u logičkom svetu softvera.

Pored toga što se bave tokovima podataka iz stvarnog sveta, industrijski sistemi se takođe bave odzivima u realnom vremenu. IT sistem u osiguravajućem društvu može imati koristi od procesa visoke brzine kojim rešava zahteve za odštetu, ali proces rešavanja zahteva za odštetu neće propasti ukoliko OCR skeniranje potraje sekundu duže nego inače.

U industrijskim procesima, sa druge strane, kašnjenje od jedne sekunde kod naredbe koja se daje pokretaču da pomeri prepreku može dovesti do problema u proizvodnji, štete na opremi i može zapretiti bezbednosti operatora.

Kako sistemi virtuelizacije imaju malo direktne kontrole nad hardverom na kojem se koriste, predviđanje vremena odziva i kašnjenja je teško.

Još jedan problem pred kojim se nalaze administratori industrijskih računarskih sistema jeste da su oni najčešće instalirani na udaljenim lokacijama na kojima nema ljudi. Dok administrator u centru za podatke može u svakom momentu doći do servera i povezati se na port za konzolu direktno, restartovati računar ili ga jednostavno odvojiti i ponovo spojiti, ovo nije praktično za mnoge OT administratore.

Računari koji se koriste u industriji su često stari, zadržavaju se jer imaju specifične funkcije koje su neophodne za upravljanje mašinerijom na koju su povezani, i ne mogu se nadograditi u virtuelnu sredinu. Mnogi takvi uređaji i ne liče na računare, i obično se nazivaju ugrađenim jer imaju veoma blisko integrisan hardver i softver.

Konačno, uvek postoje pitanja bezbednosti, pouzdanosti i sigurnosti. Ovo naročito važi za kritične infrastrukture, ali i za produkciju visoke vrednosti. Bezbednost, sigurnost i pouzdanost se lakše mere i prema tome njima se lakše upravlja kada je svaka funkcija predstavljena jednom kutijom. Iako to matematički nema smisla, postoji dirljivo verovanje da ukoliko je jedna kutija u kvaru, samo ta funkcija odlazi sa njom.

U realnosti, kod modernih aplikacija, jedna kutija sa sobom može da ponese celu mrežu. Drugi problem je pitanje sajber bezbednosti. Mnogo toga u inženjeringu razvodnih postrojenja ima veze sa identifikacijom i upravljanjem rizicima, i ta količina posla će biti veća uz novu tehnologiju.

Međutim, kao i kod većine takvih sistema, sposobnost da se sistemi izmene na daljinu i neočekivano automatski dodaje više bezbednosti, a centralizovana orkestracija daje lakše metode primećivanja i evidencije upada.

Zašto sada?

Migracija na IP tehnologije u razvodnim postrojenjima nakon usvajanja IEC-61850 približava mogućnost virtuelizacije. Nova digitalna razvodna postrojenja koja se projektuju u skladu sa IEC-61850 koriste IP tehnologiju, koja se lako simulira u softveru, tako da virtuelizovani elementi lako prebacuju podatke sa jednog na drugi.

Čak i starija razvodna postrojenja mogu iskoristiti novu generaciju jedinica za spajanje (MU) koje konvertuju staru opremu u IP tehnologije.

Ukoliko je tehnologija bitna za podsticaj usvajanja virtuelizacije u razvodnim postrojenjima, zahtev za novim aplikacijama je takođe bitan. Nove aplikacije inače zahtevaju dodatni hardver, prostor koji zauzima, napajanje električnom energijom, hlađenje, grejanje i ventilaciju, održavanje, lanac nabavke i celokupno upravljanje životnim ciklusom.

Svaka nova aplikacija zahteva svoj novi set resursa, resursa za kojima potražnja sve više raste, a kojih je sve manje i manje. U Evropi, razvodna postrojenja se lako grade pod zemljom, uz pomoć gasno izolovanih rasklopnih uređaja radi manjeg zauzimanja prostora; razvodna postrojenja nižeg napona se izrađuju u kontejnerima, ili u ormanima, sve uz minimalni utrošak prostora, i bez imalo prostora za postavku nove opreme.

Razvodno postrojenje ima dosta administrativnih funkcija koje bi mogle da rade na virtuelizovanim računarima. Bezbednosni servisi kao što su autentikacija i kontrola pristupa, inženjerske radne stanice i terminali operatora, istorijski podaci i osnovne funkcije komunikacione mreže, i u široj i lokalnoj mreži, mogu raditi na virtuelnim sistemima. SCADA funkcije kao što su automatizacija razvodnih postrojenja i gateway takođe obično rade na jednom računaru, iako virtuelizacija ne mora biti neophodna ukoliko rade na istom operativnom sistemu. Moderne aplikacije, kao što su odzivi na zahteve, pronalaženje grešaka i rad nekih tradicionalnih zaštitnih funkcija se takođe sada mogu osmisliti na virtuelnim mašinama.

Same aplikacije se sve više mogu koristiti na VM u otvorenim i zatvorenim verzijama.

Kakvo je iskustvo kompanije Advantech u virtuelizovanim razvodnim postrojenjima?

Advantech je bila jedna od prvih kompanija koja je prikazala virtuelizovanu sredinu za električna razvodna postrojenja, tokom učešća u CIGRe 2018. Sistem koji je prikazala kompanija Advantech pokazao je kombinovanu virtuelnu komunikaciju i automatizaciju.

Komunikaciona infrastruktura podrazumevala je virtuelne prekidače (vSwitch), virtuelne rutere (vRouter) i firewall koji je podrazumevao deep-packet inspekciju protokola razvodnih postrojenja kao što je IEC-60870-5-104. Komunikacija je radila na Linux virtuelnim mašinama (VM), ali automatizacija tradicionalno koristi Windows kao operativni sistem.

SCADA softver prema tome poseduje posebnu VM koja radi na Windows 7. Opšte posmatrano, sistem ima koristi od orkestratora koji podržava laku replikaciju arhitekture kada se izgrađuju nova razvodna postrojenja i dodaju u širu mrežu.

Instalacija razvodnog postrojenja je simulirana uz pomoć Advantech ECU-4784. Ovo je server za razvodna postrojenja koji je sertifikovan prema IEC-61850-3 za rad u teškim uslovima a koji se može pronaći u električnoj infrastrukturi, sa mnogo višim nivoom zaštite od udara, vibracija i elektro-magnetnog ometanja. ECU-4784 je sada dostupan kao 4. generacija računara za razvodna postrojenja kompanije Advantech, sa svim iskustvima svojih globalnih klijenata koji obezbeđuju dug i pouzdan rad.

Kasnije iste godine, partner kompanije Advantech, Inorks iz Kolumbije, prikazao je svoje Quantum SDN rešenje na IEC-61850 Globalnom forumu u Nemačkoj. Velike mreže razvodnih postrojenja se sada mogu kreirati na način koji se definiše softverom, i njima se može upravljati sa druge virtuelizovane aplikacije.

Inženjeri za razvodna postrojenja takođe zahtevaju kontrolu u realnom vremenu, te je Advantech razvila prilagođenu verziju koja obezbeđuje garantovano vreme odziva za prekide kod kojih je vreme kritično. Tako se omogućava upotreba ECU-4784 za aplikacije zaštite u realnom vremenu koje takođe mogu biti virtuelizovane.

ECU-4784 je rešenje bez ventilatora koje koristi jedan CPU koji minimalizuje potrošnju energije i proizvodnju toplote, i dozvoljava rad u ekstremnim uslovima sredine do 70C, što je neophodno na otvorenom ukoliko klimatizacija nije dostupna ili je u kvaru. Iako su dostupni u različitim CPU sa 4 jezgra, energetski štedljiva priroda ovih elemenata znači da postoji granica snage obrade i broja VM koje može podržati. Međutim, virtuelizacija obećava dobre prednosti u modernim razvodnim postrojenjima.

Server virtuelnih razvodnih postrojenja

Ove godine, Advantech lansira sledeću generaciju računara za razvodna postrojenja, ECU-500, najmoćniji računar sertifikovan za razvodna postrojenja na svetu.

Sposoban da rukuje svim virtuelizovanim aplikacijama u razvodnom postrojenju, na Windows i Linux, uključujući aplikacije u realnom vremenu, ECU-500 koristi znanje kompanije Advantech u vezi sa računarima u razvodnim postrojenjima uz tehniku koja se koriste u serverima telekomunikacionih baznih stanica na izgradnji moćne, ali pouzdane opreme.

ECU-500 je zasnovan na serverskim CPU koji rade na do 24 Intel Xeon jezgara, omogućavajući do deset puta veći kapacitet obrade u odnosu na prethodni ECU-4784, u jednoj 2U 19“ rek jedinici.

Ovaj kapacitet obrade, koji se tipično instalira u redundantnoj arhitekturi, je dovoljan za rad sa virtuelizovanom sredinom, sa operativnim sistemom u realnom vremenu (RTOS) za funkcije koje su kritične za misiju kao što su VM sa zaštitnim relejem i standardnim OS za SCADA i administrativne funkcije za celo razvodno postrojenje.

Potpuno digitalizovano razvodno postrojenje, sa fleksibilnošću da se dodaju nove funkcije koje se vremenom razvijaju tokom upotrebnog veka razvodnog postrojenja, sada predstavlja mogućnost u okviru virtuelizovane sredine.

Hot-swap hardvera i nadogradnja softvera se sada mogu izvoditi daljinski za veliki broj razvodnih postrojenja, bez dodatnih troškova pojedinačnih poseta postrojenjima za instaliranje novih aplikacija, i bez brige o softveru kada se nadograđuje hardver.

Virtuelizovana razvodna postrojenja – njihovo vreme je došlo.

Za više informacija kontaktirajte
Kolektor Sisteh d.o.o. na:
tel: +386 (0)5 372 06 65
e-pošta: erik.lakner@kolektor.com
www.kolektorsisteh.com