Важность использования данных в реальном времени для управления современными промышленными приложениями

Планировщик обычной высокоуровневой операционной системы (ОС), такой как Windows или macOS, имеет целью максимальное использование ЦП. В этом сценарии нескольким пользователям может потребоваться одновременное выполнение нескольких приложений. Все базовые процессы и потоки должны получать свою справедливую долю процессорного времени.

Рисунок 1 . Изображение промышленной операционной системы. Изображение предоставлено Pixabay

С другой стороны, ОС реального времени преследует другие цели. Эта операционная система должна гарантировать, что каждый поток будет выполняться строго в заранее определенные временные рамки и в допустимом порядке. Максимального использования ЦП и пропускной способности данных без учета времени и порядка выполнения недостаточно при работе с реальными временными ограничениями, обычно встречающимися в промышленных приложениях.

В этой статье исследуется, что могут сделать инженеры при разработке приложения, требующего высокой пропускной способности, точной задержки и контроля джиттера.

Различные машины и их сетевые потребности

Чистая система реального времени часто является решением, если рассматривать отдельную единицу оборудования, изолированную от остальной его среды.

Однако современные производственные цеха - это гораздо больше, чем просто оборудование в производственном цехе. Поскольку промышленный Интернет вещей (IIoT), Индустрия 4.0 и периферийные вычисления в последние годы неуклонно растет, требования к связи в пределах одного производственного цеха становятся все более сложными. Отчасти это связано с увеличением количества подключенных устройств, но ключевую роль также играют различные требования к связи каждого устройства.

В этом контексте инженеры часто используют термины операционная технология (OT) и информационная технология (IT) для классификации двух основных различных категорий сетевых коммуникаций. OT - это критичный ко времени трафик, например, отправляемый с одной машины на роботизированный манипулятор, когда деталь готова к получению. Здесь информация должна быть доставлена ​​всем получателям в течение заданного периода времени.

Рисунок 2 . Промышленная сеть машин.

ИТ, с другой стороны, часто требует более высокой пропускной способности данных. Обычно это такие данные, как видеопотоки, например, с камеры видеонаблюдения или офисных приложений, например электронной почты. В IT важна пропускная способность. Надежность, задержка и дрожание часто являются второстепенными проблемами.

Инженеры хотят спроектировать единую сеть, способную удовлетворить требования как для ИТ-трафика, так и для OT-трафика, не добавляя излишней сложности и стоимости - в предыдущей статье эти две концепции обсуждались более подробно. В нем также исследуется, как сеть, чувствительная ко времени (TSN), помогает решить проблемы слияния ИТ-трафика и трафика OT в одной сети, и изучается, как сетевое оборудование, такое как Layerscape LS1028A, помогает инженерам разрабатывать современные промышленные решения.

Почему ОТ и ИТ идут рука об руку:пример приложения

Функции реального и не реального времени больше не разделяются в средах современных промышленных систем управления. Вместо этого функции в реальном времени и не в реальном времени должны работать рука об руку, чтобы производственное предприятие функционировало эффективно и правильно.

Электростанцию ​​можно рассматривать как конкретный пример, состоящий из сотен устройств, которые могут быть подключены с использованием различных стандартов. Например, различные датчики периодически сообщают свои показания в режиме реального времени. Такие датчики могут включать в себя, помимо прочего, датчики температуры, датчики давления и устройства, обнаруживающие вредные газы, которые могут образовываться в процессе.

Рисунок 3. Манометры на молочном заводе.

Данные от этих датчиков могут быть действительными, точными и полезными только в течение короткого периода - обычно до тех пор, пока устройство не выдаст последующие показания. Следовательно, первая точка входа, которая собирает и объединяет данные датчиков, должна иметь возможность делать это в режиме реального времени.

В этом примере датчики расположены далеко друг от друга и в труднодоступных местах. Они подключаются через беспроводную сеть, и первая точка доступа, которая обменивается данными с датчиками, должна иметь возможность работы в режиме реального времени.

Помимо датчиков, оборудование на предприятии содержит многочисленные модули ввода / вывода (I / O), которые, например, подключаются к исполнительным механизмам. В этом случае инженеры электростанции решили использовать проводную сеть для подключения модулей ввода / вывода и программируемого логического контроллера (ПЛК).

Модули ввода / вывода, приводы и ПЛК работают в режиме реального времени, и для подключения устройств требуется коммуникационный мост с поддержкой реального времени. Модули ввода-вывода, вероятно, потребуют микроконтроллера, на котором запущен чистый код, а ПЛК и коммуникационный мост будут использовать микропроцессор, работающий под управлением операционной системы реального времени, такой как пограничное программное обеспечение реального времени NXP.

ИТ-системы далее по потоку собирают статистику, контролируют систему в целом и передают видеоданные с камер. Эти системы не работают под управлением ОС реального времени. Точно так же передача данных в ИТ-систему и из нее не происходит в режиме реального времени.

Программное решение, поддерживающее ОТ и ИТ

В дополнение к сетевому аспекту было бы полезно объединить операции ИТ и ОТ на одном процессоре. Это снизит общую сложность и стоимость системы по сравнению с выделенным процессором для критических по времени задач и тем, который выполняет только другие, менее важные операции. ОС реального времени играет ключевую роль в критичных ко времени приложениях.

Рисунок 4. Блок-схема пограничного программного обеспечения NXP в режиме реального времени. Изображение предоставлено NXP

Некоторые существующие программные решения позволяют инженерам создавать безопасные, масштабируемые и удобные в обслуживании приложения, критичные по времени, с использованием Linux с открытым исходным кодом. Благодаря своему пограничному программному обеспечению реального времени NXP обеспечивает безопасную и надежную среду реального времени для приложений, требующих детерминированной задержки и предсказуемого джиттера.

Типичные приложения включают подключенные устройства в различных профессиональных областях, таких как промышленное управление, автоматизация зданий, автомобильное управление, безопасность и информационно-развлекательные системы.

Резюме

Многие коммерческие системы требуют точного времени и детерминированной задержки при обмене данными с другим оборудованием. По мере увеличения количества подключенных устройств инженеры ищут способ интегрировать трафик OT и IT в единую сеть. Для трафика OT часто требуется надежная сетевая инфраструктура в реальном времени, а для данных ИТ часто требуется высокая пропускная способность.

Программное обеспечение NXP в реальном времени создает сети, способные объединять трафик OT и IT на одной линии с использованием TSN Ethernet. Это может снизить сложность и общую стоимость сети. NXP также предлагает пограничное программное обеспечение в реальном времени, которое состоит из трех основных строительных блоков, каждый из которых поддерживает различные ключевые аспекты связи в реальном времени.