Почему детерминированный контроль необходим для современных систем

05
Июль

Накопляющийся аргумент в пользу детерминированного управления

• Автор:Брайан МакМоррис.
• EtherCat
• Комментарий:0

Дэйв Перкон, технический редактор
Перепечатано из журнала Control Design, 27 июня 2019 г.

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

Что машиностроителям, системным интеграторам и производителям необходимо знать о сетях, чувствительных ко времени (TSN)? Проще говоря, это лучше Ethernet.

То, что раньше было множеством сетей и шлюзов для удовлетворения требований к производительности, станет детерминированным управлением и передачей информации по одному кабелю.

Помимо повышения производительности, он будет прост в использовании, а интеграторы и конечные пользователи будут рады поддерживать текущие решения.

«Я не думаю, что TSN усложнит жизнь интеграторам, занимающимся передовым производством и робототехникой», — говорит Брайан Д. МакМоррис, президент Futura Automation в Скоттсдейле, штат Аризона. "Мы являемся заводским интегратором. Мы мало что знаем о мире ИТ, но структура и видение нашей компании ориентированы на Индустрию 4.0, большая часть которой выполняется в заводских цехах. Например, мы находимся в мире системы управления производством (MES) на уровне приложения с помощью линейки программного обеспечения Tulip Interface. Мы предоставляем возможности обслуживания на местах и помогаем клиентам реализовать преимущества MES, компьютеризированных систем управления техническим обслуживанием (CMMS) и систем управления качеством (QMS).

Futura работает с ИТ-отделами в основном в сфере безопасности, с точки зрения облачных решений и защиты облачных приложений. «Я уверен, что было бы хорошо, если бы IEEE взял спонсируемый компанией протокол, такой как EtherCAT, и превратил его в глобальный открытый стандарт под эгидой отраслевой ассоциации, но я не вижу сегодня никаких недостатков EtherCAT, кроме стоимости лицензии на одно устройство для его использования», — говорит МакМоррис.

Хотя МакМоррис поддерживает разработки в области сетевых технологий, с EtherCAT он не видит особых ограничений. «Мы используем EtherCAT с нашими приводами Servotronix для многоосного управления нашими роботами с открытой конструкцией — декартовой и дельта-системы», — говорит он. «Это очень быстрая запатентованная сеть с джиттером существенно менее 1 микросекунды, но она подходит только для определенных требований к жестким и мягким вычислениям в реальном времени в технологиях автоматизации».

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

TSN может позволить устройствам, которые в настоящее время не могут обмениваться данными в режиме реального времени, делать это. «Сеть, чувствительная ко времени, дает интеграторам больше возможностей при проектировании систем управления», — говорит Патнэм-Пайт. "Инструмент с чувствительной ко времени сетью может быть в состоянии децентрализовать управление, позволяя отдельным устройствам напрямую взаимодействовать друг с другом в режиме реального времени, позволяя разгрузить некоторый уровень управления с центрального контроллера инструмента. Кроме того, ПК могут иметь возможность взаимодействовать с чувствительными ко времени сетевыми устройствами в режиме полуреального времени".

Отчет о ходе работы

«Чтобы производители машин, системные интеграторы и производители могли развернуть TSN, он должен быть включен в протоколы промышленной автоматизации и поддерживаться достаточно широким кругом поставщиков для создания системы», — говорит Пол Дидье, координатор испытательного стенда TSN Консорциума промышленного Интернета (IIC, www.iiconsortium.org) и архитектор решений Интернета вещей в Cisco. «Пока это не так, но отрасль усердно работает для достижения этой цели (рис. 1)».

Рисунок 1. Тестирование многочисленных частей TSN активно проводится многими лидерами отрасли в области сетевых технологий, автоматизации и электроники.
(Источник:Консорциум промышленного Интернета)

«В настоящее время ведется работа по определению набора примерно из 12 стандартов IEEE 802, направленных на обеспечение детерминизма и качества обслуживания, необходимых для TSN», — говорит д-р Аль Бейдун, президент ODVA (www.odva.org). "Кроме того, необходимо поддерживать совместимость. Завершение промышленного профиля IEC/IEEE 60802 для TSN является ключевым моментом, и это запланировано на середину 2021 года", - говорит он. «Тем временем обновления сетевых спецификаций, таких как спецификация EtherNet/IP, не будут завершены до тех пор, пока не будет окончательно разработан базовый стандарт TSN».

«Стандартный Ethernet не является детерминированным по своей конструкции», — говорит Майкл Боун, исполнительный директор PI North America. «Сети, чувствительные ко времени, — это набор инструментов, включающий примерно два десятка стандартов IEEE, которые создают стандартизированный детерминированный Ethernet», — объясняет он. "Теперь, когда другие отрасли, помимо промышленной автоматизации, заинтересованы в детерминированном Ethernet, существует более широкий рынок оборудования. Идея состоит в том, что в конечном итоге эта технология будет доступна в виде коммерческих готовых чипов (COTS). Из стандартов IEEE в наборе инструментов TSN мы определили примерно полдюжины, которые особенно актуальны для промышленной автоматизации. Эти стандарты касаются детерминизма благодаря таким функциям, как синхронизация, низкая задержка, высокая доступность и надежность".

Очень важно правильно определить стандарт, а это займет время. «Как упоминалось выше, TSN — это набор инструментов из множества различных стандартов, а не какой-то один», — говорит Боун. "Некоторые из них имеют отношение к промышленной автоматизации, а некоторые нет. Чтобы гарантировать, что мы не столкнемся с разными вариантами TSN в промышленной автоматизации, была начата работа, известная как IEC/IEEE 60802. В настоящее время в ней работают инженеры от крупных и мелких поставщиков средств автоматизации, чтобы обеспечить гармонизацию между компаниями".

«Цифровая фабрика требует совместимости и простоты коммуникаций», — говорит Армандо Астарлоа Куэльяр, генеральный директор по разработке систем на кристалле в Relyum. «TSN — это Ethernet нового поколения, разработанный специально для удовлетворения этих требований», — говорит он. Хотя внедрение TSN будет постепенным в зависимости от отрасли, некоторые важные отрасли, такие как железнодорожная, автомобильная или аэрокосмическая, принимают TSN в качестве стандартной сети ИТ/ОТ на своих новых платформах.

Почему вас должна волновать TSN?

«С точки зрения пользователя, в настоящее время статус чувствительных ко времени сетей находится в некоторой степени в застое», — говорит Пол Брукс, менеджер по развитию бизнеса, сети — IIPA, глобальные стандарты, OPC и чувствительные ко времени сети в Rockwell Automation. «Стандарты TSN в IEEE 802 были опубликованы, но они обеспечивают совместимость только на уровне функций, а не на уровне системы», — говорит он. «Поэтому, с точки зрения поставщиков, мы, как сообщество промышленной автоматизации, разрабатываем стандарт IEC/IEEE 60802, который определит профиль промышленной автоматизации для TSN и обеспечит совместимость на уровне системы».

Только когда эти стандарты будут заблокированы, организации, занимающиеся протоколами, такие как ODVA, смогут публиковать этот профиль в спецификациях, продолжает Брукс. «Некоторые компании выпускают предстандартные продукты, и, хотя они будут полезны для пользователей, нет никакой гарантии, что эти продукты будут совместимы с окончательным стандартом», — сказал он.

В ноябре 2018 года OPC Foundation объявил об инициативе Field Level Communication, поддержанной очень широким кругом промышленных и ИТ-игроков:ABB/B&R, Belden, Cisco, Huawei, Intel, Mitsubishi, Moxa, Rockwell Automation, Schneider Electric, Siemens и другими, говорит Дидье из Cisco. «Идея состоит в том, чтобы стремиться к созданию открытого, унифицированного, основанного на стандартах решения связи IIoT между датчиками, исполнительными механизмами, контроллерами и облаком, отвечающего всем требованиям промышленной автоматизации», — говорит он. «Инициатива будет включать в себя работу OPC по коммуникациям pub/sub и TSN (рис. 2)».

Рисунок 2. Связь TSN с OPC UA позволит приложениям управления работать в открытой стандартной сети с большим количеством другого трафика и приложений — от датчика до облака.
(Источник:Хилшер)

TSN позволяет всем приложениям управления использовать открытую стандартную сеть. "Эта сеть также может поддерживать огромное количество других типов трафика и приложений. Эта конвергенция и возможность взаимодействия между датчиком и облаком являются ключевыми улучшениями", - говорит Дидье.

«TSN разработан для обеспечения детерминированного обмена сообщениями и работы в режиме реального времени через стандартный Ethernet, чтобы обеспечить передачу информации в фиксированный и предсказуемый промежуток времени», — объясняет Бейдун. "Ключевыми приложениями TSN будут те, которые требуют точного управления синхронизацией и детерминированного поведения сети. Однако Ethernet TSN желателен в любом промышленном приложении, где требуется более высокая пропускная способность и более быстрый отклик сети, как в случае с сетевыми приложениями, передающими аудио- и видеоинформацию. Масштабируемость TSN позволит осуществлять потоковую передачу пакетов с высокой пропускной способностью с гарантированной задержкой и более высокими гигабитными скоростями передачи".

Зачем мне нужен TSN?

«Многие интеграторы и производители оборудования ставят под сомнение необходимость TSN и заявляют, что существующие промышленный Ethernet и связанные с ним протоколы, такие как EtherNet/IP, EtherCAT и Profinet, удовлетворяют их потребностям, поэтому «Зачем мне нужен TSN?» — это распространенный вопрос», — говорит Боун из PI North America. "Это обоснованно, особенно потому, что многие из методов, используемых TSN - синхронизация, резервирование полосы пропускания, планирование - мы используем в Profinet уже более 15 лет. Если бы TSN существовал тогда, мы бы приняли его и сэкономили себе много инженерных усилий. И тем не менее Profinet всегда позволял высокоскоростному трафику, связанному с управлением, просто сосуществовать с другим информационным трафиком".

Точно такой же принцип применим и к ТСН, так опять же, зачем оно вам? «Ответ тонкий и связан с будущим сетевых технологий», — говорит Боун. "По мере того, как мы переходим в сферу Индустрии 4.0/Промышленного Интернета вещей (IIoT), все больше и больше информации будет предоставляться системам более высокого уровня. В конце концов, похоже, что может произойти некоторое выравнивание модели Purdue. Хотя TSN, возможно, и не является движущей силой этого, он, безусловно, может быть одним из инструментов, которые помогут реализовать это".

«В будущем мы предвидим, что по мере того, как ИТ-протоколы будут использовать все большую и большую пропускную способность, TSN будет обеспечивать чувствительный ко времени (отсюда и название) OT-трафик, получающий требуемую детерминированность, даже в сетях, загруженных другим ИТ-трафиком с максимальной эффективностью», — объясняет Боун. «Пока все они имеют общую основу TSN, производители могут начать внедрение конвергентных сетей ИТ/ОТ, не беспокоясь о том, что их ОТ-трафик будет принесен в жертву за счет ИТ-трафика», — говорит он. «Мы хотим продолжить эту давнюю философию, потому что верим в использование правильного инструмента для правильной задачи:протокола Profinet для передачи данных, других протоколов, например OPC UA, для передачи информации, и все это по одному проводу».

Дорожная карта интеграции OT/IT не заканчивается промежуточной ситуацией с множеством разнородных устройств, подключенных через шлюзы, говорит Куэльяр из Relyum. «Вместо этого это требует принятия коммуникационной технологии на уровне канала, которая действительна для обоих миров», — говорит он. «Таким образом, можно было бы реализовать топологию обмена данными «все со всеми» на однородном предприятии, похожем на колонну (рис. 3)».

Рисунок 3. Компонент автоматизации демонстрирует четкие высокоскоростные соединения между устройствами ввода-вывода и контроллерами на заводе с уровнем завода, предприятия и облаком.
(Источник:Belden через System-On-Chip Engineering)

Этот принцип автоматизации основан на сообщении в блоге Рене Хаммена, старшего архитектора по технологиям и инновациям компании Belden, под названием "Что такое TSN? Взгляд на его роль в будущих сетях Ethernet".

В этом ключевом контексте традиционная многоуровневая схема связи и кибербезопасности больше не действует. «Элементы, включенные в полевой ввод-вывод, будут напрямую взаимодействовать с приложениями и сервисами, включенными в удаленном облаке», — объясняет Куэльяр. "Поэтому крайне важно обеспечить безопасность связи между различными устройствами. Требования TSN в режиме реального времени представляют собой одну из серьезных проблем для обеспечения безопасности сети такого типа, поскольку традиционные ИТ-механизмы кибербезопасности не могут гарантировать передачу пакетов с необходимой задержкой".

ТСН - это не протокол
TSN — это еще одна улучшенная версия Ethernet; это не протокол. «Что улучшается, так это инфраструктура, на которой существуют все протоколы на основе Ethernet», — говорит Боун из PI. "TSN находится на уровне канала передачи данных (уровень 2) модели IOS/OSI (рис. 4). Протоколы находятся на прикладном уровне (уровень 7) модели ISO/OSI. Шлюзы переводят данные между различными протоколами или языками".

Рисунок 4. TSN находится на уровне канала передачи данных 2 модели IOS/OSI и не является протоколом, который находится на уровне приложения 7.
(Источник:Пи Северная Америка)

TSN разработан как дополнение к существующей функциональности сети. «Сетевые функции, доступные сегодня и обеспечивающие надежную работу, должны быть доступны таким же образом и после внедрения TSN», — говорит Брукс из Rockwell. «Не следует принуждать к каким-либо изменениям в поведении, если не появится новая ценность, оправдывающая это изменение (рис. 5)».

Рисунок 5. Большая часть сетевого оборудования и функциональная надежность останутся прежними после внедрения TSN, но будут добавлены дополнительные преимущества, оправдывающие изменения.
(Источник:Rockwell Automation)

«Что касается EtherNet/IP, то чувствительные ко времени сети полностью не зависят от протокола связи», — продолжает Брукс. «Задача таких протокольных организаций, как ODVA и OPC Foundation, состоит в том, чтобы просто определить, как их протоколы работают с TSN, и сделать TSN максимально прозрачным для пользователя», — говорит он. «И им необходимо сделать это, превратив существующие механизмы качества обслуживания, такие как DSCP (код дифференцированных услуг), в аббревиатуру, которую большинству машиностроителей и системных интеграторов никогда не придется понимать!»

Как TSN поможет приложению?

«Если мы все будем правильно выполнять свою работу, машиностроителю или системному интегратору вообще не придется слишком много взаимодействовать с TSN», — говорит Боун из PI North America. "Он будет прост в использовании и прозрачен для задач, связанных с Profinet по проектированию, настройке и вводу в эксплуатацию. Это просто улучшенная версия Ethernet, используемая сегодня".

Чувствительные ко времени сети — это инструмент, который упрощает выравнивание сетей, но это лишь один из инструментов, которые делают это возможным и практичным, — говорит Брукс из Rockwell. «Например, сегментация сети — это основа безопасной сетевой архитектуры», — объясняет он. "Сеть, чувствительная ко времени, не помогает при сегментации. Для этого необходимо использовать маршрутизируемые протоколы, а TSN не поддерживает маршрутизацию".

Однако если у вас есть несколько потоков с высокой пропускной способностью, проходящих по одному кабелю, то TSN, безусловно, может сократить инженерные усилия, необходимые для уверенности в том, что сетевой канал будет работать должным образом, объясняет Брукс. «Каждое устройство в сети может объявлять объем трафика и периодическую скорость, с которой этот трафик будет отправляться в сетевую инфраструктуру», — говорит он. "Сетевая инфраструктура может планировать загрузку сети на основе общего объема трафика, проходящего через сеть. Она также может защищать сетевые ресурсы, чтобы гарантировать, что этот объем трафика может проходить через сеть".

TSN позволяет различным протоколам IE использовать единую взаимосвязанную сеть для всех приложений промышленного управления, таких как ввод-вывод, безопасность и движение, а также сосуществовать с другими устройствами, например, видеокамерами и приложениями, сохраняя при этом детерминированные сетевые требования, на которые полагаются приложения управления, — говорит Пол Дидье из Cisco. «Таким образом, приложения промышленного Интернета вещей могут напрямую и безопасно получать доступ к конечным устройствам для извлечения очень важных данных и информации, которые часто не могут быть обработаны шлюзом», — говорит он.

Об авторе:Дэйв Перкон
Дэйв Перкон большой палецДэйв Перкон — технический редактор журнала Control Design. Он разрабатывал и управлял проектами автоматизации для компаний из списка Fortune 500 в медицинской, автомобильной, полупроводниковой, оборонной и солнечной промышленности.