Sáu gợi ý để giảm chi phí xây dựng mạng IoT trong công nghiệp

Giới thiệu

Xu hướng IoT trong công nghiệp đang tạo điều kiện cho sự phát triển của các thiết bị kết nối trên mạng cũng như tăng phạm vi và sự đa dạng của các mạng điều khiển công nghiệp thường gắn kết với các mạng công nghệ thông tin truyền thống. Hơn bao giờ hết, những lo ngại về an ninh, tính sẵn sàng và hiệu năng đang có ảnh hưởng đến các mạng điều khiển công nghiệp này. Hệ quả của xu hướng IIoT là đơn giản trong việc trao đổi mua bán những thiết bị truyền thông mạng. Và thực tế đây chỉ là sự bắt đầu cho những vấn đề tiếp theo. Các nhà khai thác, vận hành mạng đang phát hiện ra một loạt các loại chi phí phát sinh trực tiếp cũng như gián tiếp liên quan có thể gây vượt các khoản đầu tư ban đầu cho phần cứng của mạng.

Trong tài liệu này, chúng ta sẽ xem xét một số chi phí thường bị bỏ qua và đề xuất một số phương pháp hữu ích để giảm tổng chi phí sở hữu (Total Cost of Ownership-TCO) cho các mạng điều khiển công nghiệp. Sau khi mua một số bộ chuyển mạch mạng (switch), có nhiều yếu tố cần được xem xét trong suốt vòng đời sản phẩm, gồm: cài đặt, cấu hình, vận hành hoạt động, bảo trì, thời gian lỗi, và hỗ trợ kỹ thuật thường trực. Sau khi xem xét tất cả các yếu tố này, các quản trị viên mạng có khả năng để đánh giá đúng tổng chi phí (TCO) của dự án và đưa ra các quyết định đúng đắn để đảm bảo tổng chi phí thấp nhất có thể.

Những thách thức khi mở rộng các mạng phức tạp

Thời gian từ khi bắt đầu dự án đến khi đưa vào hoạt động có thể được chia thành 6 giai đoạn khác nhau. Thách thức đối với các quản trị viên là hiểu sâu về từng giai đoạn của dự án và xác định các tính năng chính mà một thiết bị có hoặc thuận lợi cho giai đoạn cụ thể đó cũng như mức độ mà các tính năng sẽ có ích trong tương lai khi nhu cần của mạng thay đổi. Những tính năng và lợi ích này thường không xuất hiện trong đặc tính phần cứng của sản phẩm, nhưng là yếu tố cần thiết cần lưu ý khi chọn mua sản phẩm. Ví dụ, các nhà cung cấp thiết bị chuyển mạch mạng (switch) cho một dự án có thể cho phép những người đang triển khai và thiết lập mạng hoàn thành nhanh hơn để làm cho báo giá của họ mang tính cạnh tranh hơn. Điều này cũng cho phép những người đang cài đặt và cấu hình mạng có thêm thời gian cho các dự án khác. Sáu giai đoạn được thảo luận dưới đây, với các kịch bản được đề cập để tổng quát hóa các vấn đề cần biết đầy đủ về các yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến tổng chi phí (TCO).

Dựa vào tổng chi phí sở hữu

Sau khi xem xét một số thách thức của mạng, rõ ràng là làm thế nào các chi phí liên quan đến việc vận hành một mạng có thể dễ dàng vượt quá chi phí của các thành phần (thiết bị) mạng. Một số các bước chung liên quan đến vận hành, và hỗ trợ một mạng công nghiệp sẽ được xem xét để hiểu rõ hơn về tổng chi phí.

Hình 1– Chi phí phát sinh trong toàn bộ dự án

Giảm chi phí lắp đặt và tích hợp

Rất hiếm khi thấy được sự hoàn thiện của việc thiết lập, xây dựng mạng hoàn toàn mới trong môi trường công nghiệp. Phần lớn chúng được triển khai bằng cách kết hợp các thiết bị mới và nâng cấp các hệ thống SCADA, mạng điều khiển và thiết bị hiện có. Cần lưu ý rằng vì không có hai mạng giống hệt nhau, mỗi mạng đều có những yêu cầu riêng. Một trong những kỹ năng mà một quản trị viên mạng phải có là khả năng lựa chọn và triển khai các thiết bị phù hợp để đảm bảo đáp ứng với những yêu cầu đáp ứng của mạng ở hiện tại và trong tương lai. Một ví dụ điển hình của điều này là đảm bảo khả năng tương tác tất cả các thiết bị mạng trong cả dự án. Mặc dù có rất nhiều cách để vượt qua những vấn đề nhất định có thể nảy sinh trong dự án, một trong những giải pháp tốt nhất là lựa chọn sản phẩm linh hoạt nhất.

Đối với mạng công nghiệp, những thiết bị thường được lắp đặt trong các bảng điều khiển với các thiết bị khác hoạt động ở các điện áp khác nhau, vậy nên một giải pháp là mua một bộ chuyển đổi nguồn để đảm bảo tính tương thích. Tuy nhiên đây không phải là một giải pháp lý tưởng cho tất cả các quản trị viên do kích thước hạn chế của bảng điều khiển nơi thiết bị đang được lắp đặt hoặc là các chi phí bổ sung phát sinh từ việc mua bộ chuyển đổi nguồn. Đối với một số dự án, chi phí triển khai cáp mới có thể khá đáng kể trong tổng chi phí của dự án. Một lựa chọn tốt hơn là sử dụng một thiết bị hỗ trợ nguồn cấp dải điện áp rộng sẽ đáp ứng nhu cầu hiện tại của mạng, và cung cấp thêm tính linh hoạt cho các thiết bị được thêm vào mạng sau đó. Mặc dù chi phí ban đầu có thể cao hơn một chút cho các switch hỗ trợ những tính năng này, chắc chắn rằng chi phí có thể được giảm trong suốt thời gian của một dự án khi tránh chi phí bổ sung sau đó.

Giảm chi phí cấu hình thiết bị

Một trong những nhiệm vụ tốn nhiều thời gian nhất trong các dự án mảng công nghiệp và là một trong những yếu tố tốn nhiều chi phí, là cấu hình thiết lập bảo mật, dự phòng, khả năng tương tác, và hiệu quả hoạt động cho các thiết bị trên mạng. Một loạt các lựa chọn sẵn có, từ các thiết bị switch cơ bản không có hỗ trợ cấu hình, tất cả các gói phần mềm lớn có chi phí đáng kể mỗi năm nhưng hỗ trợ rất nhiều cho các quản trị viên cho quá trình cấu hình. Khi số lượng thiết bị tăng thêm trên mạng, nên có thể cho việc tiết kiệm. Dưới đây là một số phạm vi chính được xác định có liên quan đến giai đoạn cấu hình của một dự án, tất cả đều có ảnh hưởng mạnh đến tổng chi phí.

• Do sự hội tụ của tự động hóa công nghiệp và các hệ thống CNTT trên các mạng IIoT, các giao thức EtherNet/IP và PROFINET phải có một cách để hoạt động cùng nhau trên cùng một mạng. Các thiết bị được cấu hình sẵn cho các giao thức khác nhau để truyền thông tự động, nên các quản trị viên mạng đơn giản là triển khai một thiết bị cắm và chạy. Những thiết bị này cũng thường được hỗ trợ tự động phát hiện và khả năng gán địa chỉ IP tự động, cho phép tiết kiệm một phần thời gian đáng kể để cấu hình. So sánh việc này với việc sử dụng các thiết bị rẻ tiền hơn sẽ đòi hỏi nhiều công sức hơn để sử dụng các thiết bị cấu hình sau đó trong dự án.

Hình 2-Khả năng kết hợp nhiều giao thức giúp dễ dàng tích hợp PLC với hệ thống SCADA

• Chi phí cấu hình không bị giới hạn khi mạng được thiết lập lần đầu tiên. Bất kỳ tính năng nào cho phép sao chép và lưu trữ cấu hình thiết bị sẽ giúp cho người quản trị mạng có khả năng sử dụng lại những thiết lập cấu hình đó trong tương lai và loại bỏ việc tự cấu hình thủ công cho thiết bị mới khi thêm vào mạng.
• Cấu hình cũng được thực hiện dễ dàng hơn nhiều thông qua giao diện đồ họa người dùng trực quan (GUI-Graphical User Interface). Một số công ty cung cấp một bộ kiểm tra thiết bị tiên tiến, cho phép người dùng kiểm tra giao diện đồ họa này và xác nhận độc lập rằng nó là trực quan trước khi cài đặt thiết bị trên một mạng. Một giao diện người dùng trực quan có thể tiết kiệm cho các nhà khai thác một khoản thời gian đáng kể cho dự án.

Hình 3-Cấu hình hàng loạt là một trong những cách hiệu quả nhất để giảm chi phí cấu hình. Vì số lượng thiết bị nối mạng tăng lên, cả thời gian và tiền bạc đều có thể được tiết kiệm bằng cách sử dụng cấu hình đồng loạt, thay vì cấu hình từng thiết bị một

Giảm chi phí vận hành

Một điểm mấu chốt để giảm chi phí vận hành là thiết kế mạng đó chỉ yêu cầu tối thiểu lượng công việc thủ công trong quá trình vận hành để giữ cho các thiết bị switch và mạng hoạt động. Ngoài ra, phải đảm bảo tính phù hợp của sản phẩm khi triển khai trong môi trường công nghiệp cũng sẽ giúp đạt được hiệu suất hoạt động tối ưu. Hai lý do chính khiến thiết bị trên mạng lưới công nghiệp bị hỏng là các phần di chuyển và các đầu vào nguồn cấp của chúng, đây thường là các điểm yếu. Các switch có một bộ phận di động tuyệt đối ít va có khả năng bị trục trặc hoặc hư hỏng, do đó giảm thời gian chết của mạng và giảm chi phí. Tương tự, nếu thiết bị hỗ trợ nguồn cấp kép thì khi một trong các nguồn cấp điện lỗi, nguồn cấp khác sẽ giữ cho thiết bị hoạt động tiếp tục, cho phép thay thế nguồn cấp bị lỗi mà không bị gián đoạn mạng. Việc triển khai kéo dài tuổi thọ hơn 10 năm, là định mức cho các mạng IIoT, một cơ hội khá cao mà các quản trị viên mạng sẽ phải gặp một trong những vấn đề này trong suốt 10 năm đó.

Giảm chi phí bảo trì

Phần lớn các mạng IIoT được điều khiển bởi bộ điều khiển logic khả trình (PLC-Programmable Logic Controller). Khi nào thực hiện bảo trì định kỳ mạng và thực hiện khởi động lại, một PLC thường sẽ mất khoảng 20 giây để khởi động lại. Nếu một PLC khởi động trước khi mạng đã sẵn sàng để vận hành, lỗi xảy ra có thể gây ra chậm trễ hơn nữa. Các Switch có thể khởi động lại trong khoảng 10 giây, 100 giây sẽ sẵn sàng để hoạt động ngay khi PLC đã khởi động lại, do đó tránh được các vấn đề nói trên.

Có thể xem trạng thái hiện tại của mạng một cách rất nhanh theo phần mềm hoặc một ứng dụng là một trong những cách đơn giản nhất để giám sát mạng. Các ứng dụng và phần mềm đôi khi kết hợp một hệ thống cảnh báo cho quản trị viên rằng một sự kiện đang xảy ra có khả năng gây ra sự cố trên mạng trừ khi vấn đề được sửa chữa. Một hệ thống cảnh báo quản trị viên rằng một vấn đề có thể xảy ra sau đó, như trái ngược với một hệ thống mà chỉ đơn thuần là thông báo cho các quản trị viên rằng có một vấn đề ngay lúc đó, là một cách tuyệt vời để giảm chi phí bảo trì. Các tính năng này có thể làm tăng giá mua của bộ switch nhưng cả quá trình thực hiện dự án có thể tiết kiệm đáng kể.

Giảm chi phí liên quan đến thời gian mạng lỗi

Để tìm ra nguyên nhân cốt lõi gây ra thời gian chết trên mạng quy mô lớn tốn rất nhiều thời gian, vì vậy bất kỳ công cụ hỗ trợ quản trị viên mạng xác định điểm gây lỗi cho phép họ nhanh chóng sửa chữa nó sẽ có lợi đáng kể. Một kỹ năng khác của người quản trị mạng có kinh nghiệm là có thể tính được liệu các chi phí bổ sung của các tính năng có thể giúp giảm thời gian chết có lớn hơn chi phí khi mạng gặp thời gian chết.

• Các thiết bị có thể được truy cập từ xa và cấu hình rất có lợi vì chúng cho phép nhân viên không được đào tạo thực hiện nhiệm vụ tốn thời gian đi đến hiện trường trong khi chuyên gia được đào tạo có thể xử lý sự cố và cấu hình từ xa từ trung tâm điều khiển. Ngoài ra một thiết bị cung cấp hỗ trợ tính năng phát lại cho phép chuyên gia xác định những gì xảy ra vào thời điểm switch xảy ra lỗi, và giúp cải thiện thiết kế của mạng tránh kiểu lỗi này trong tương lai.

Hình 4-Một công cụ có thể lưu lại sự kiện để giúp nhanh chóng thu hẹp vùng nguyên nhân có thể xảy ra với các vấn đề mạng.

• Các thiết bị sao lưu cấu hình của switch trên một thiết bị dongle là đặc biệt hữu ích nếu switch lỗi. Để tự động nhập tất cả các cài đặt, bạn cần cắm dongle vào switch. Vì không cần cấu hình bằng tay, thời gian chết của mạng giảm đi.
• Các quản trị viên mạng không phải luôn luôn ở tại phòng điều khiển, các ứng dụng di động hỗ trợ thông báo sự kiện cung cấp cho người quản trị khả năng phản hồi nhanh hơn các sự kiện diễn ra trên mạng, họ có thể làm cho mạng bình thường nhanh hơn.
• Công nghệ dự phòng tự phục hồi đảm bảo rằng các mạng luôn hoạt động và chạy trong trường hợp một nút đơn lẻ bị lỗi. Triển khai công nghệ dự phòng thường nhanh hơn, tính sẵn sàng và khả năng mở rộng mạng lưới cho việc mở rộng trong tương lai.

Hỗ trợ kỹ thuật

Khi mua một sản phẩm switch, một loạt các lựa chọn sẵn có, từ các thiết bị giá rẻ không được hỗ trợ liên tục, cập nhật firmware… đến các switch mà trong quá trình của dự án việc hỗ trợ kỹ thuật đang diễn ra sẽ tốn kém chi phí đáng kể so với một switch. Khi các switch thường được triển khai trên mạng trong hơn 10 năm, sự hỗ trợ kỹ thuật đi kèm với một switch sẽ ảnh hưởng đến chi phí triển khai dài hạn. Ví dụ, các mối đe dọa an ninh mới thường xuyên được xác định và các công ty cung cấp hỗ trợ kỹ thuật thường xuyên phát hành cập nhật bảo mật thông qua nâng cấp phần mềm để loại bỏ các mối đe dọa mạng mới. Ngược lại, khi một thiết bị trên mạng bị tổn hại và việc hỗ trợ kỹ thuật hoặc nâng cấp firmware hiện tại là không sẵn, người quản trị mạng sẽ phải thay thế thiết bị hoặc có nguy cơ bảo mật toàn bộ mạng lưới. Thiết bị chuyển mạch đáng tin cậy cung cấp hỗ trợ kỹ thuật miễn phí liên tục được bổ sung bởi thời gian bảo hành dài có những lợi thế đáng kể cho các quản trị viên mạng muốn tổng chi phí thấp nhất cho các dự án của họ.