Почему детерминистическое управление необходимо для современных систем

5 июля

Накопительный аргумент в пользу детерминистического управления

• Автор: Брайан Макморрис
• EtherCAT
• Комментариев: 0

Автор: Дэйв Перкон, технический редактор
Перепечатано из Control Design, 27 июня 2019

https://www.controldesign.com/articles/2019/the-accumulating-case-for-deterministic-control/

Что должны знать конструкторы станков, системные интеграторы и производители о временно-чувствительных сетях (TSN)? Простыми терминами, это лучший Ethernet.

То, что раньше было множеством сетей и шлюзов для удовлетворения требований производительности, станет детерминистическим управлением и информацией на одном кабеле.

Помимо лучшей производительности, это будет легко в использовании, но интеграторы и конечные пользователи с удовольствием поддерживают текущие решения.

«Я не думаю, что TSN будет усложнять вещи для интеграторов, участвующих в передовых производстве и робототехнике», — говорит Брайан Д. Макморрис, президент Futura Automation в Скотсдейле, Аризона. «Мы — интегратор цеха. Мы не знаем много об ИТ-мире, но структура и видение нашей компании сфокусированы на Индустрии 4.0, большая часть которой выполняется на цехе. Например, мы в мире систем выполнения производства (MES) на прикладном уровне с линией программного обеспечения Tulip Interface. Мы предоставляем полевые сервисы и помогаем клиентам внедрять преимущества MES, систем компьютеризированного управления техническим обслуживанием (CMMS) и систем управления качеством (QMS)».

Futura работает с ИТ в основном по стороне безопасности, в терминах своего облачного решения и того, как защищены облачные приложения. «Я уверен, что будет хорошо, когда IEEE возьмет корпоративный протокол, такой как EtherCAT, и превратит его в глобальный открытый стандарт под эгидой отраслевой ассоциации, но я на самом деле не вижу недостатков EtherCAT сегодня, кроме стоимости лицензии на устройство для его использования», — говорит Макморрис.

Пока Макморрис поддерживает разработки в сетевых технологиях, с EtherCAT он не видел многих ограничений. «Мы используем EtherCAT с нашими приводами Servotronix для многоканального управления на наших роботах открытой конструкции — декартовых и дельта», — говорит он. «Это очень быстрая проприетарная сеть с джиттером существенно меньше 1 микросекунды, но она подходит только для определенных жестких и мягких требований реального времени в технологиях автоматизации».

Даг Путнам-Пайт, директор по разработке ПО в Owens Design в Фремонте, Калифорния, ценит, что проприетарные сети, такие как EtherCAT и CC-Link IE, обеспечивают коммуникации в реальном времени, но он также признает их ограничения. «Недостаток этих технологий в том, что они работают только с устройствами управления, поддерживающими протокол», — говорит Путнам-Пайт. «Это означает, что вы не можете иметь устройства в одной сети, которые не поддерживают протокол. Эти полевые шины должны быть отделены от любых других сетей Ethernet в инструменте».

TSN может позволить устройствам, которые в настоящее время не могут коммуницировать в реальном времени, делать это. «Time-sensitive networking дает интеграторам больше вариантов для архитектуры систем управления», — говорит Путнам-Пайт. «Инструмент с time-sensitive сетью может децентрализовать управление, позволяя отдельным устройствам коммуницировать напрямую друг с другом в реальном времени, позволяя некоторый уровень управления быть разгруженным от центрального контроллера инструмента. Кроме того, ПК могут коммуницировать с устройствами time-sensitive сети в полу-реальном времени».

Отчет о прогрессе

«Для конструкторов станков, системных интеграторов и производителей для внедрения TSN, он должен быть включен в промышленные протоколы автоматизации и поддерживаться достаточно широким набором поставщиков для сборки системы», — говорит Пол Дидье, координатор тестбеда TSN, Industrial Internet Consortium (IIC, www.iiconsortium.org), и архитектор решений Интернета вещей в Cisco. «Это еще не так, но индустрия усердно работает над достижением этой цели (Рисунок 1)».

Рисунок 1: Тестирование многочисленных частей TSN активно проводится многими лидерами индустрии в сетях, автоматизации и электронике.
(Источник: Industrial Internet Consortium)

Работа ведется по определению набора примерно 12 стандартов IEEE 802, направленных на решение детерминизма и качества обслуживания, требуемых для TSN, говорит доктор Аль Бейдун, президент ODVA (www.odva.org). «Кроме того, должна поддерживаться интероперабельность. Завершение промышленного профиля IEC/IEEE 60802 для TSN является ключевым, и это нацелено на середину 2021 года», — говорит он. «В то же время обновления сетевых спецификаций, таких как спецификация EtherNet/IP, не будут завершены до завершения базового стандарта TSN».

Стандартный Ethernet не является детерминистическим по дизайну, говорит Майкл Бауэн, исполнительный директор PI North America. «Time-sensitive networking — это набор примерно двух десятков стандартов IEEE, создающих стандартизированный детерминистический Ethernet», — объясняет он. «Теперь, когда другие отрасли вне промышленной автоматизации заинтересованы в детерминистическом Ethernet, есть более крупный рынок для оборудования. Идея в том, что в конечном итоге эта технология будет доступна от коммерческих готовых (COTS) чипов. Из стандартов IEEE в наборе инструментов TSN мы выделили примерно полдюжину, которые особенно актуальны для промышленной автоматизации. Эти стандарты адресуют детерминизм с такими функциями, как синхронизация, низкая задержка, высокая доступность и надежность».

Важно получить стандарт правильным, и это займет время. «Как упоминалось выше, TSN — это набор инструментов множества разных стандартов, а не просто одна вещь», говорит Бауэн. «Некоторые актуальны для промышленной автоматизации, а некоторые нет. Чтобы гарантировать, что мы не получим разные вкусы TSN в промышленной автоматизации, была запущена инициатива, известная как IEC/IEEE 60802. В настоящее время она оформлена инженерами от поставщиков автоматизации больших и малых для обеспечения гармонизации между компаниями».

Цифровой завод требует интероперабельности и простоты в коммуникациях, говорит Армандо Астарлоа Куэльяр, CEO, инженерная система на кристалле, в Relyum. «TSN — это Ethernet нового поколения, спроектированный специально для удовлетворения этих требований», — говорит он. Хотя внедрение TSN будет прогрессивным в зависимости от сектора, некоторые критические, مثل железная дорога, автомобилестроение или авиастроение, принимают TSN как стандартную IT/OT сеть в своих новых платформах.

Почему вам должно быть интересно TSN?

«С точки зрения пользователя, на данный момент статус time-sensitive networking находится в некотором застоя», — говорит Пол Брукс, менеджер по развитию бизнеса, сети — IIPA, глобальные стандарты, OPC и time-sensitive networking, в Rockwell Automation. «Стандарты TSN в IEEE 802 были опубликованы, но они обеспечивают только интероперабельность на уровне функций, а не на системном уровне», — говорит он. «Поэтому с точки зрения поставщиков, мы как сообщество промышленной автоматизации разрабатываем IEC/IEEE 60802, который определит промышленный профиль автоматизации для TSN для доставки этой системной интероперабельности».

Только когда эти стандарты будут зафиксированы, организации протоколов, такие как ODVA, смогут опубликовать этот профиль в спецификациях, продолжает Брукс. «Некоторые компании выпускали достандартные продукты, и, хотя они доставят ценность пользователю, нет гарантии, что эти продукты будут совместимы с финальным стандартом», — сказал он.

В ноябре 2018 года OPC Foundation анонсировал инициативу Field Level Communication, поддерживаемую очень широким набором промышленных и ИТ игроков: ABB/B&R, Belden, Cisco, Huawei, Intel, Mitsubishi, Moxa, Rockwell Automation, Schneider Electric, Siemens, среди других, говорит Сиско Дидье. «Визия — нацелиться на открытое, унифицированное, основанное на стандартах решение IIoT коммуникации между датчиками, актуаторами, контроллерами и облаком, адресующее все требования промышленной автоматизации», — говорит он. «Инициатива будет включать работу OPC по pub/sub и TSN коммуникации (Рисунок 2)».

Рисунок 2: TSN коммуникация с OPC UA позволит приложениям управления работать на открытой, стандартной сети с большим разнообразием другого трафика и приложений — от датчика до облака.
(Источник: Hilscher)

TSN позволяет всем приложениям управления полагаться на открытую, стандартную сеть. «Эта сеть может также поддерживать огромное разнообразие других типов трафика и приложений. Эта конвергенция и способность коммуницировать, от датчика до облака, являются ключевыми улучшениями», — говорит Дидье.

«TSN спроектирован для обеспечения детерминистических сообщений и способности реального времени через стандартный Ethernet, чтобы обеспечить коммуникацию информации в фиксированном и предсказуемом количестве времени», — объясняет Бейдун. «Ключевые приложения TSN будут теми, требующими точного таймингового управления и детерминистических сетевых поведений. Однако Ethernet TSN желателен в любой промышленной приложении, где желаются более высокая пропускная способность и более быстрый сетевой отклик, как в случае сетевых приложений, передающих аудио и видео информацию. Масштабируемость TSN позволит высокопропускную потоковую передачу пакетов с гарантированной задержкой на более высоких скоростях передачи в гигабитах».

Зачем мне TSN?

«Многие интеграторы и конструкторы станков cuestionan необходимость TSN и утверждают, что существующие промышленные Ethernet и связанные протоколы, такие как EtherNet/IP, EtherCAT и Profinet, удовлетворяют их потребности, так что "Зачем мне TSN?" — общий вопрос», — говорит Бауэн в PI North America. «Это валидный вопрос, особенно потому, что многие техники, используемые TSN — синхронизация, резервирование полосы пропускания, планирование — мы использовали в Profinet более 15 лет. Если бы TSN существовало тогда, мы бы приняли его и сэкономили бы кучу инженерных усилий. И тем не менее Profinet всегда позволял высокоскоростному контрольному трафику сосуществовать явно с другим информационным трафиком».

Точный же принцип применим к TSN, так что снова, зачем вам это нужно? «Ответ тонок и связан с будущим сетевых технологий», — говорит Бауэн. «По мере перехода в область Индустрии 4.0/Промышленного Интернета вещей (IIoT), все больше и больше информации будет предоставляться системам более высокого уровня. В конечном итоге, кажется, может произойти некоторое выпрямление модели Пердью. Хотя TSN может не быть драйвером этого, оно определенно может быть одним из инструментов, помогающих это реализовать».

В будущем мы видим, что по мере того, как все больше полосы пропускания используется IT-протоколами, TSN обеспечит, чтобы time-sensitive — отсюда название — OT-трафик получал детерминизм, который ему требуется, даже в сетях, загруженных другим best-effort IT-трафиком, объясняет Бауэн. «Пока они все разделяют общую базу TSN, производители могут начать внедрять конвергентные IT/OT сети без беспокойства о том, что их OT-трафик будет пожертвован за счет IT-трафика», — говорит он. «Мы хотим продолжить эту давно устоявшуюся философию, потому что мы верим в использование правильного инструмента для правильной задачи: протокол Profinet для перемещения данных, другие протоколы, например OPC UA, для перемещения информации, все на одном проводе».

Дорожная карта интеграции OT/IT не заканчивается в промежуточной ситуации с множеством гетерогенных устройств, подключенных через шлюзы, говорит Куэльяр в Relyum. «Вместо этого она повышает принятие коммуникационной технологии на канальном уровне, которая валидна для обоих миров», — говорит он. «Таким образом, становится возможной топология все-к-всем обмена данными в однородном заводе, похожая на столб (Рисунок 3)».

Рисунок 3: Столб автоматизации показывает четкие высокоскоростные связи между устройствами ввода-вывода цеха и контроллерами до завода, уровня предприятия и до облака.
(Источник: Belden через System-On-Chip Engineering)

Этот столб автоматизации основан на блоге под названием «Что такое TSN? Взгляд на его роль в будущих Ethernet-сетях», Рене Хюммен, старший архитектор — технологии и инновации, в Belden.

В контексте этого столба традиционная слойная коммуникация и схема кибербезопасности больше не валидна. «Элементы, включенные в полевой ввод-вывод, будут коммуницировать напрямую с приложениями и сервисами, включенными в удаленное облако», — объясняет Куэльяр. «Таким образом, критически важно обеспечить безопасность коммуникации между различными устройствами. Требования реального времени TSN представляют одну из великих проблем для обеспечения безопасности такого рода сети, потому что традиционные механизмы кибербезопасности IT не могут гарантировать передачу пакетов с требуемой задержкой».

TSN — это не протокол

TSN — это просто еще одна лучшая версия Ethernet; это не протокол. «Что улучшается — это инфраструктура, на которой существуют все Ethernet-базированные протоколы», — говорит Бауэн из PI. «TSN живет на канальном уровне (Layer 2) модели IOS/OSI (Рисунок 4). Протоколы живут на прикладном уровне (Layer 7) модели ISO/OSI. Шлюзы переводят данные между различными протоколами, или языками».

Рисунок 4: TSN находится на Data Link Layer 2 модели IOS/OSI и не является протоколом, который находится на Application Layer 7.
(Источник: Pi North America)

TSN спроектирован как аддитивный к существующей функциональности сети. «Сетевые функции, доступные сегодня и доставляющие надежные операции, должны быть доступны так же после внедрения TSN», — говорит Брукс в Rockwell. «Это не должно принуждать к изменению поведения, если нет новой ценности, оправдывающей это изменение (Рисунок 5)».

Рисунок 5: Большинство сетевого оборудования и функциональной надежности останется прежним после внедрения TSN, но будет добавлена ценность для оправдания изменения.
(Источник: Rockwell Automation)

Фокусируясь на EtherNet/IP, time-sensitive networking полностью независим от протокола коммуникации, продолжает Брукс. «Задача для организаций протоколов, таких как ODVA и OPC Foundation — просто определить, как их протоколы работают с TSN и сделать TSN настолько прозрачным для пользователя, насколько возможно», — говорит он. «И они должны делать это, сохраняя существующие механизмы качества обслуживания, такие как DSCP (differentiated services code point) — акроним, который большинство конструкторов станков и системных интеграторов никогда не придется понимать!»

Как TSN поможет приложению?

«Если мы все сделаем свою работу правильно, конструктору станка или системному интегратору не придется взаимодействовать с TSN вообще много», — говорит Бауэн в PI North America. «Это будет легко в использовании и прозрачным для их задач по Profinet — инженерии, конфигурированию и вводу в эксплуатацию. Это просто лучшая версия Ethernet, используемой сегодня».

Time-sensitive networking — это инструмент, делающий выпрямление сетей легче, но это только один из инструментов, делающих это возможным и практичным, говорит Брукс в Rockwell. «Например, сегментация сети — сердце безопасной сетевой архитектуры», — объясняет он. «Time-sensitive networking не помогает с сегментацией. Для этого нужно использовать маршрутизируемые протоколы, и TSN не поддерживает маршрутизацию».

Однако, если у вас есть несколько высокопропускных потоков, идущих через один кабель, тогда TSN определенно может снизить инженерные усилия, необходимые для знания, что сетевая связь будет работать как ожидается, объясняет Брукс. «Каждое из устройств в сети может анонсировать объем трафика и периодическую частоту, с которой этот трафик будет отправлен в сетевую инфраструктуру», — говорит он. «Сетевая инфраструктура может планировать загрузку сети на основе общего объема трафика, текущего через сеть. Она также может защищать сетевые ресурсы, чтобы помочь обеспечить, что этот объем трафика может течь через сеть».

TSN позволяет различным IE-протоколам использовать одну интерсоединенную сеть для всех промышленных приложений управления, таких как ввод-вывод, безопасность и движение, и сосуществовать с другими устройствами, например, видеокамерами, и приложениями, сохраняя детерминистические сетевые требования, на которых полагаются приложения управления, говорит Пол Дидье в Cisco. «Таким образом, Industrial IoT приложения могут напрямую и безопасно обращаться к конечным устройствам для извлечения очень релевантных данных и информации, которые часто не могут быть обработаны шлюзом», — говорит он.

Об авторе: Дэйв Перкон

Дэйв Перкон — технический редактор Control Design. Он инженерно разрабатывал и управлял проектами автоматизации для компаний Fortune 500 в медицинской, автомобильной, полупроводниковой, оборонной и солнечной отраслях.