Członkowie konsorcjum Avnu wyjaśniają, w jaki sposób komunikacja w czasie rzeczywistym, realizowana przez sieci typu TSN (Time Sensitive Networking) wpłynie pozytywnie na systemy przemysłowe.
Przemysłowy Internet Rzeczy umożliwia tworzenie inteligentnych systemów, w których dane są współdzielone w całym przedsiębiorstwie. Ponieważ zainteresowanie technologiami IIoT oraz Przemysłem 4.0 ciągle wzrasta, coraz więcej projektantów, inżynierów i użytkowników końcowych zajmuje się tematem sieci typu TNS. Termin ten odnosi się do zestawu standardów opracowanych przez instytut IEEE w celu rozwiązania problemu potrzeby analizowania w czasie rzeczywistym danych nieprzetworzonych, zmniejszenia opóźnień ich przesyłu, zwiększenia odporności przesyłu danych na zakłócenia i stworzenia fundamentu pod bardziej zaawansowane modele procesów przemysłowych. W rozwiązaniach tych dane byłyby bardziej elastyczne i udostępniane pomiędzy warstwami systemu sterowania.
Aby wspierać te nowe możliwości infrastruktury IIoT oraz łączyć urządzenia sieciowe, istnieje potrzeba posiadania nowego systemu interoperacyjnego, który umożliwi wielu producentom, organizacjom oraz protokołom współdzielenie tej samej sieci. Aby się do tego przygotować, konsorcjum Avnu dobiera i certyfikuje pewien zbiór mechanizmów, tworząc w ten sposób infrastrukturę, na której inne organizacje mogą budować swoje systemy, umożliwiając konwergencję technologii operacyjnej i technologii informatycznej. Ta integracja technologii umożliwia podłączenie większej ilości urządzeń przemysłowych do sieci informatycznych i przyśpiesza drogę firm ku nowym możliwościom. Możliwości te to między innymi analiza Big Data oraz posiadanie inteligentnych systemów i maszyn, podłączonych do sieci informatycznych.
Redakcja Control Engineering (CE) przeprowadziła wywiad z kilkoma przedstawicielami Avnu Alliance, podczas którego rozmawiano na temat wpływu technologii IIoT na informatyczne sieci przemysłowe oraz znaczenia standardów TSN dla przyszłości systemów przemysłowych. Rozmówcami CE byli: Todd Walter – dyrektor ds. marketingu w firmie National Instruments oraz prezes Segmentu Przemysłowego w konsorcjum Avnu Alliance, Ludwig Leurs – dyrektor ds. konwergencji Ethernetu w firmie Bosch Rexroth, Anil Kumar – główny inżynier ds. systemów grupy Internetu Rzeczy w firmie Intel, Paul Brooks – menedżer ds. rozwoju w firmie Rockwell Automation, Bogdan Tenea – specjalista ds. produktu w firmie Ixia, oraz Paul Didier – architekt rozwiązań przemysłowych w firmie Cisco.
CE: W jaki sposób ewolucja Ethernetu zmieniła podejście do projektowania przemysłowych systemów sterowania?
Ludwig Leurs (Bosch Rexroth): Standardowy Ethernet ewoluował, aby umożliwić powstanie następnej generacji systemów sterowania. W tej sytuacji ostatnie prace komitetu LMSC (IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee), należącego do stowarzyszenia IETF (Internet Engineering Task Force) oraz innych grup zajmujących się tworzeniem standardów i norm, rozszerzyły możliwość działania systemów wrażliwych na czas w standardowych sieciach ethernetowych, wspierając różne aplikacje i rynki, w tym profesjonalnego sprzętu audio-wideo, motoryzacyjnego i przemysłowego. Standardy te, tworzone początkowo przez grupę zadaniową TSN IEEE 802.1, definiują nowe mechanizmy tworzenia rozproszonych, synchronizowanych systemów czasu rzeczywistego, wykorzystujących standardowe technologie Ethernetu, co pozwoli na dokonanie konwergencji ruchu danych z niskim opóźnieniem czasowym i standardowego ruchu ethernetowego w tej samej sieci.
Technologia TSN obsługuje sterowanie i synchronizację w czasie rzeczywistym w jednej sieci standardu Ethernet, na przykład pomiędzy aplikacjami sterowania ruchem maszyn a robotami. TSN potrafi jednocześnie obsługiwać inny ruch sieciowy, występujący zwykle w aplikacjach związanych z produkcją, wspierając tym konwergencję technologii informatycznej i operacyjnej. TSN nie jest technologią zakłócającą, umożliwia ona koegzystencję i wzajemną współpracę przemysłowych aplikacji sterowania w czasie rzeczywistym, takich jak określone w rozszerzeniu standardu OPC UA (OPC Unified Architecture publisher/subscriber), którego tworzenie jest obecnie finalizowane przez Fundację OPC. Ponieważ konsorcjum Avnu wykazało sukces TSN w aplikacjach audio-wideo, to rozwiązanie to wydaje się być pomocne także w nowoczesnych maszynach, wykorzystujących kamery w układach sterowania.
CE: W sytuacji gdy sieci zaczynają być coraz bardziej przeciążone danymi IIoT, jak technologia TSN zapewnia właściwy przesył tych danych, aby uczynić technologię IIoT rzeczywiście pomocną dla użytkowników?
Anil Kumar (Intel): TSN obiecuje nam świat bardziej inteligentnych, połączonych w sieci urządzeń oraz bardziej inteligentnej infrastruktury. Maszyny produkcyjne, systemy transportowe oraz sieć energetyczna będą wyposażone we wbudowane czujniki oraz będą mogły przetwarzać, kontrolować i analizować dane. Chociaż wiele danych zbieranych przez czujniki przemysłowe i systemy sterowania w aplikacjach IIoT nie jest zdeterminowanych czasowo, to jednak istnieje także wiele danych najwyższej wagi, które muszą być przesłane i udostępnione przy zachowaniu ścisłych wymogów dotyczących opóźnień czasowych i niezawodności przesyłu.
Wymagania standardu TSN, takie jak wspólny zegar do transmisji danych, zapewnienie niskich opóźnień czasowych, zarezerwowana przepustowość oraz redundancja, sprawiają, że TSN zapewnia precyzyjną synchronizację czasową wielu strumieni danych. Duże zbiory danych, pochodzące z systemów wizyjnych, skanowania 3D oraz analizy sieci energetycznych, mogą spowodować znaczne ograniczenie przepustowości sieci. TSN będzie wspierać standardowe sieci ethernetowe z pełną transmisją dwukierunkową i opcjami wyższej przepustowości, takimi jak 1 Gb/s, 10 Gb/s, a nawet 400 Gb/s według IEEE 802.3. Ponadto oferuje on najwyższy poziom cyberbezpieczeństwa oraz interoperacyjność ze skalowalnością, co umożliwia budowę bardzo rozległych systemów. TSN może także integrować się z istniejącymi w zakładach przemysłowych starszymi aplikacjami oraz istniejącymi sieciami informatycznymi. Standard ten jest postrzegany jako bardzo obiecujący, przyszłościowy i cały czas rozwijany.
CE: Co spowoduje, że nowa generacja Ethernetu z funkcjami TSN będzie lepsza od poprzednich generacji standardu?
Paul Brooks (Rockwell Automation): Wartość TSN wynika z uproszczenia konwergencji różnych technologii, łatwości dostępu do tej sieci w przemyśle oraz wglądu do kluczowych danych wymaganych w technologii IIoT, napędzanej analizą Big Data. Projektanci mogą wykorzystać postępy w przetwarzaniu danych, komunikacji sieciowej, oprogramowaniu i projektowaniu systemów z różnych obszarów rynku do stworzenia pewnego standardu, który ewoluuje, utrzymując precyzyjną synchronizację czasową w sieciach typu Ethernet.
W zastosowaniach przemysłowych standardy te upraszczają budowę i wdrażanie rozproszonych, zsynchronizowanych systemów sterowania, które powszechnie występują w różnych aplikacjach przemysłowych, takich jak sterowanie maszynami, automatyka przemysłowa, wytwarzanie i rozdział energii elektrycznej, wydobycie ropy naftowej i gazu itd.
Wiele aplikacji sterowania należących do obecnej generacji jest wdrażanych przy użyciu niestandardowych interfejsów i infrastruktur sieciowych. Aktualne ograniczenia związane z Ethernetem doprowadziły do stworzenia wielu wariantów tego standardu, które działają w czasie rzeczywistym, aby spełniać wymagania aplikacji pomiarów i sterowania. Aby zagwarantować poprawne działanie takich sieci, często konieczna jest modyfikacja komponentów sprzętowych i infrastruktury sieci. Modyfikacje te wprowadzają dodatkowe opóźnienia i obniżają przepustowość sieci, co jest niekorzystne dla obsługiwanych systemów sterowania. Ponieważ wymagały one modyfikacji sprzętu, nie są już dłużej zgodne ze standardowym Ethernetem i są znacznie trudniejsze w dostępie, jeśli w ogóle jest to możliwe.
CE: W jaki sposób konsorcjum Avnu wprowadza nowy standard na rynek?
Todd Walter (National Instruments): Avnu Alliance jest organizacją typu non-profit, która zajmuje się promowaniem, edukacją i umożliwianiem firmom tworzenia takich urządzeń, które mogą być wykorzystane do budowy niezawodnych, zsynchronizowanych sieci deterministycznych. Koncentrujemy się na tworzeniu otwartego ekosystemu interoperacyjnego przez weryfikowanie i testowanie wielu różnych rynków. Ponieważ możliwości Ethernetu są aktualizowane za pomocą nowych standardów, konsorcjum Avnu tworzy pewną społeczność w celu dyskutowania, współpracy, certyfikowania i promowania ciągle ewoluujących możliwości sieci, co umożliwia konwergencję technologii operacyjnej i informatycznej.
Stowarzyszenie Avnu współpracowało z IIC (Industrial Internet Consortium) przy opracowaniu pierwszego na świecie stanowiska badawczego TSN, które ma zademonstrować wartość tej technologii dla standardów i aplikacji produkcyjnych, w tym możliwość objęcia przez technologię IIoT aplikacji wymagających wysokich parametrów działania i wrażliwych na opóźnienia czasowe. Obecnie stanowisko to pracuje w firmie National Instruments.
CE: Czy były ostatnio jakieś postępy w technologii TSN, którymi możecie się podzielić?
Bogdan Tenea (Ixia): Podczas konferencji „Automotive Ethernet & IP Technology Day” we wrześniu 2016 roku kilku członków Avnu po raz pierwszy zademonstrowało nowy standard IEEE TSN zwany „preemption”. Sprzęt testowy firmy Ixia udowodnił obecnym na imprezie interoperacyjność oraz przedstawił wymierne wyniki usprawnień działania urządzeń obsługujących tę nową technologię.
Mechanizm ten opisany w normie: IEEE 802.1Qbu/802.3Qbr, Standard for Local and Metropolitan Area networks – Media Access Control Bridges and Virtual Bridged Local Area Networks-Amendment: Frame Preemption, która jest nowym, opracowanym przez IEEE dodatkiem do standardu Ethernet. Pozwala w transmisji danych na opóźnienie przesyłania ramek o niskim priorytecie przez ramki o wysokim priorytecie oraz minimalizowanie opóźnień czasowych w ruchu sieciowym o wysokim priorytecie. W aplikacjach systemów automatyki przemysłowej rozwiązanie to może wzmacniać konwergencję sieci różnych technologii w celu utworzenia jednej infrastruktury Ethernet/IP, co umożliwi lepszą organizację pracy i bardziej elastyczną produkcję. Poprzez silne ograniczenia wpływu ruchu sieciowego o niskim priorytecie na rzecz ruchu danych o wysokim znaczeniu, obydwa typy ruchu mogą być wymieszane w tym samym połączeniu sieciowym.
CE: Co musi się zdarzyć, aby infrastruktura sieciowa zaspokajała przyszłe oczekiwania systemów przemysłowych?
Paul Didier (Cisco): Dzięki technologii TSN stworzyliśmy kluczowy element dla producentów urządzeń i aplikacji przemysłowych, budujących sprzęt do obsługi technologii Internetu Rzeczy, który wykorzystuje sieci konwergentne. Tutaj standardy ciągle ewoluują. Nadal musimy je dopracowywać pod względem: odporności na zakłócenia, zabezpieczenia utraty pakietów danych w sieciach wielościeżkowych, zdolności do regulowania ruchu sieciowego, aby w większym stopniu zabezpieczać ruch TSN, możliwości dzielenia dużych pakietów danych i innych.
Ale poza technologią TSN pracujemy obecnie nad wieloma innymi wyzwaniami, bezpośrednio związanymi z systemami przemysłowymi. W warstwie fizycznej będzie to więcej wariantów Ethernetu: cieńsze kable miedziane (takie jak pojedyncza skrętka), dłuższe i krótsze odległości (od dziesiątek do tysięcy metrów) oraz więcej opcji technologii PoE (ang. Power over Ethernet, zasilanie urządzeń peryferyjnych przez skrętki sieciowe) dla środowisk zagrożonych wybuchem. Wszystko to umożliwia instalowanie sieci w trudniejszych warunkach przemysłowych. W grupie roboczej DetNet (Deterministic Networking) stowarzyszenia IETF obecnie rozszerzamy możliwości deterministyczne technologii TSN w dużych, skalowalnych sieciach, aby obsługiwały one znacznie większe systemy. Ponadto dostosowujemy TSN do standardowych, otwartych sieci bezprzewodowych.
Wszystko to pasuje dobrze do kluczowych inicjatyw dotyczących technologii sieciowych, obejmując trwające wysiłki mające na celu zapewnienie większej przepustowości dla większej liczby urządzeń. Ale chciałbym szczególnie wskazać na tendencję do automatyzowania konfiguracji i zarządzania sieciami, często określaną jako technologia programowalnych sieci komputerowych (ang. Software-Defined Networks – SDN).
CE: Czego możemy oczekiwać od konsorcjum Avnu i TSN w bieżącym roku?
Todd Walter (National Instruments): W miarę jak realizacja naszych najnowszych projektów jest na ukończeniu i stają się one formalnymi częściami standardu TSN, obserwujemy zwiększone zainteresowanie nim ze strony prawie wszystkich producentów.
Pierwsze produkty przemysłowe TSN klientów udostępniliśmy klientom w 2016 roku. Były to sterowniki firmy National Instruments obsługujące technologię TSN, komponenty firmy Intel oraz przełączniki ethernetowe firmy Cisco. W 2017 roku zobaczyliśmy więcej produktów, pochodzących od firm będących członkami konsorcjum Avnu. Fakt, że ta nowa technologia oparta jest na otwartych standardach ethernetowych oznacza, że jest korzystna dla wszystkich firm i branż ją wspierających oraz nie jest ograniczona do planów rozwojowych jednej firmy i jej sposobu rozwijania i wspierania tej technologii. Producenci z branży przemysłowej czerpią korzyści z kolektywnego doświadczenia członków Avnu w wielu gałęziach przemysłu oraz ich wiedzy fachowej na temat sieci informatycznych, aby przyśpieszyć wdrażanie zaawansowanych technologii sieciowych, co w ostatecznym rozrachunku prowadzi do szybszej drogi produktów na rynek.
Ponieważ standardy i sieci ciągle ewoluują, prace konsorcjum Avnu koncentrują się nad tworzeniem i badaniem nowych rozwiązań. Obejmą takie mechanizmy, jak ograniczanie zakłóceń, redundancja, regulacja ruchu w sieci oraz cyberbezpieczeństwo. Ponadto zdefiniowane przez Avnu podstawy nowego standardu otwierają dodatkowe możliwości, w tym obsługę wielu profili IEEE 1588, wytyczne budowy dla bardzo dużych architektur sieci oraz przekształcanie wielu sieci w jedną domenę sieciową, umożliwione przez technologię TSN.
Redakcja tekstu: Emily Guanther, Control Engineering, CFE Media.