Использование реального времени для точного управления современными промышленными системами

Планировщик обычной высокоуровневой ОС (Windows, macOS) максимизирует загрузку CPU. Несколько пользователей хотят запустить много приложений. Все процессы и потоки должны получить справедливую долю CPU-времени.

Рисунок 1. Изображение промышленной ОС. Источник: Pixabay

RTOS (Real-Time OS) имеет другие цели. Должна гарантировать: каждый поток выполняется строго в заданном временном окне и в правильном порядке. Максимизация загрузки CPU и пропускной способности без учёта таймингов и порядка — недостаточно для реальных временных ограничений промышленных приложений.

Статья исследует, что могут инженеры при проектировании приложений, требующих высокую пропускную способность данных, точную латентность и контроль джиттера.

Разные машины и их сетевые потребности

Чистая real-time система — решение для изолированного оборудования.

Но современные цехи — не только станки в производственном зале. С ростом IIoT, Industry 4.0, edge computing коммуникационные требования внутри одного зала сложнеют. Частично из-за роста подключённых устройств, частично — разные требования каждого устройства.

Инженеры используют термины OT (Operational Technology) и IT (Information Technology) для двух категорий сетевого трафика. OT — время-критический трафик, например, от станка к робот-манипулятору: деталь готова к захвату. Информация должна дойти всем получателям в заданном временном окне.

Рисунок 2. Промышленная сеть оборудования.

IT — чаще нуждается в высокой пропускной способности. Видеопотоки (камеры безопасности), офисные приложения (email). В IT важна пропускная способность. Надёжность, латентность, джиттер — второстепенны.

Инженеры хотят единую сеть для OT и IT без лишней сложности и стоимости — предыдущая статья рассматривала концепции детально. Далее — как Time-Sensitive Networking (TSN) решает слияние OT/IT в одной сети и как сетевое железо (Layerscape LS1028A) помогает проектировать современные промышленные решения.

Почему OT и IT идут рука об руку: пример приложения

Real-time и non-real-time функции больше не разделены в современных СКУ. Вместо этого они должны работать вместе для эффективной и правильной работы производства.

Электростанция — конкретный пример: сотни устройств, возможно, разные стандарты связи. Различные сенсоры периодически отчитываются в реальном времени: температура, давление, детекторы вредных газов.

Рисунок 3. Манометры на молочном заводе.

Данные сенсоров валидны/точны/полезны короткий период — обычно до следующего замеру. Первая точка входа, собирающая и агрегирующая данные сенсоров, должна делать это в реальном времени.

Сенсоры далеко и в труднодоступных местах. Беспроводная сеть, первая точка доступа — должна иметь real-time возможности.

Помимо сенсоров, оборудование содержит модули I/O, подключённые к актуаторам. Инженеры выбрали проводную сеть для I/O и PLC.

I/O, актуаторы, PLC — работают в real-time. Нужен real-time communication bridge. I/O модули, вероятно, на микроконтроллерах с bare-metal кодом. PLC и communication bridge — на микропроцессорах с RTOS (например, NXP real-time edge software).

IT-системы выше по потоку собирают статистику, мониторят общую систему, передают видео с камер. Не на RTOS. Передача данных к/от IT — не в real-time.

Программное решение, поддерживающее OT и IT

Помимо сети, полезно объединить IT и OT операции на одном процессоре. Снижает общую сложность и стоимость vs отдельный процессор для time-critical задач и другой для менее критичных. RTOS ключева для time-critical приложений.

Рисунок 4. Блок-схема NXP real-time edge software. Источник: NXP

Существующие программные решения позволяют строить безопасные, масштабируемые, поддерживаемые time-critical приложения на open-source Linux. NXP real-time edge software даёт безопасное и надёжное real-time окружение для приложений, требующих детерминированную латентность и предсказуемый джиттер.

Типичные применения: подключённые устройства в промышленном контроле, автоматизации зданий, автоконтроле, безопасности, инфотейнменте.

Резюме

Многие коммерческие системы требуют точного тайминга и детерминированной латентности при обмене с оборудованием. С ростом подключённых устройств инженеры ищут интеграцию OT и IT трафика в одной сети. OT — надёжная real-time сеть. IT — высокая пропускная способность.

NXP real-time software создаёт сети, способные объединять OT и IT на одной линии через TSN Ethernet. Это может снизить сложность и общую стоимость сети. NXP также предлагает real-time edge software из трёх основных блоков, каждый поддерживающий ключевые аспекты real-time коммуникации.