5 sposobów wykorzystywania technologii TSN w przemysłowych sieciach typu Ethernet

Fot. Pexels

Sieci wrażliwe na czas (TSN) to praktyczna opcja, która pozwala zaspokoić potrzeby aplikacji, w których czas ma krytyczne znaczenie, zapewnia elastyczność w projektowaniu sieci i planowaniu przyszłości, jaką zapewniają koncepcje Przemysłu 4.0 i technologii IIoT. Artykuł opisuje pięć korzyści z zastosowania technologii TSN w przemysłowych sieciach Ethernet.

Sieci wrażliwe na czas (time-sensitive networking ? TSN) w przemyśle będą składać się z podzbioru standardów IEEE 802.1, znanych jako profil IEC/IEEE 60802 TSN dla automatyki przemysłowej, które znajdują się na późniejszych etapach wyboru i zatwierdzania. Znaczne ilości danych diagnostycznych i prognostycznych, oprócz istniejącego ruchu sieciowego związanego ze sterowaniem, które zostaną dodane dzięki konwergencji technologii informatycznej z operacyjną (IT/OT), są kluczowym czynnikiem wpływającym na zbiór standardów przesyłania danych wrażliwych na czas przez przemysłowe sieci Ethernet, określany jako TSN.

TSN będzie praktyczną opcją zaspokojenia potrzeb aplikacji o krytycznym znaczeniu czasowym, stworzenia elastyczności w projektowaniu sieci i planowaniu przyszłości, ukształtowanej przez koncepcję Przemysłu 4.0 i technologie Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT). Ponadto sieci TSN umożliwią większą interoperacyjność komunikacji przemysłowej. Mogą one współpracować z istniejącymi metodami synchronizacji czasu według IEEE 1588, takimi jak CIP Motion i CIP Sync, opracowanymi przez Stowarzyszenie ODVA. Organizacja ta uznaje znaczenie TSN i angażuje się w prace nad tymi standardami za pośrednictwem swoich firm członkowskich, mające na celu dostosowanie protokołu EtherNet/IP do TSN.

1. Spełnienie potrzeb aplikacji, w których czas ma znaczenie krytyczne

Priorytetyzacja danych TSN w celu zapewnienia, że dane dotyczące ruchu nie zostaną spowolnione na przykład przez rutynową diagnostykę, może się odbywać w mostkach sieciowych Ethernet na różne sposoby, w zależności od uruchomienia przez użytkownika. Poniższa struktura kolejkowania IEEE 802.1Qbv przedstawia przykład nadawania priorytetów TSN przy użyciu następujących kluczowych mechanizmów nadawania priorytetów:

  • Kształtowniki (shapers) ? takie jak ścisła priorytetowa jakość usług (quality of service ? QoS) i kształtowanie oparte na kredytach. Algorytmy te dają pierwszeństwo ruchowi o wysokim priorytecie i zapewniają uczciwość w sieci przewodowej. Chociaż te mechanizmy nie są nowe, to istnieje wspólny język ich konfigurowania.
  • Wywłaszczenie (preemption) ? wstrzymuje istniejącą transmisję pakietów, aby przepuścić dane o wyższym priorytecie.
  • Ruch zaplanowany (scheduled traffic) ? możliwość kontrolowania transmisji ruchu na podstawie włączania i wyłączania kolejek przełącznika sieciowego, zgodnie ze skonfigurowanym harmonogramem czasowym.

Te kluczowe mechanizmy ustalania priorytetów TSN zawierają również techniki towarzyszące, które pomagają zapewnić zestaw rozwiązań, w tym:

  • kontrolę ruchu przychodzącego ? znajomość i nadzór nad oczekiwanym ruchem sieciowym przychodzącym do portu, w celu zmniejszenia prawdopodobieństwa, że ??złośliwe lub nieprawidłowo działające urządzenie wpłynie na ogólny determinizm sieci;
  • replikacja i eliminacja ramek w celu zapewnienia niezawodności ? redundancja warstwy 2, która wykorzystuje wiele ścieżek wirtualnych w fizycznie oddzielnej infrastrukturze w sieci kratowej z aktywną kontrolą topologii.
Rys. 1. Diagramy zależności czasowych standardu TSN pokazują, w jaki sposób TSN może zrealizować potrzeby aplikacji o krytycznym znaczeniu czasowym. | Źródło: ODVA

2. Tworzenie projektów sieci elastycznych

TSN otwiera sieciom przemysłowym możliwość wprowadzenia nowych technologii w fabryce, takich jak kamery, które dostarczają sygnał do algorytmów rozpoznawania obrazu w celu kontroli jakości i pracują obok tradycyjnych silników, zaworów i czujników, a nawet istniejących aplikacji do sterowania ruchem z wykorzystaniem przemienników częstotliwości oraz protokołu (technologii) CIP Motion, opracowanej przez organizację ODVA.

Należy pamiętać o fundamentalnych zasadach projektowania sieci oraz architekturze sieci z segmentacją, zapewniających niezawodność i bezpieczeństwo, które są nadal zalecaną najlepszą praktyką w celu uzyskania optymalnej wydajności. Zegar jest kluczowym czynnikiem czasu, aby umożliwić elastyczność w projektowaniu sieci z technologią TSN, ponieważ czas nadrzędny musi być utrzymywany przez specjalnie wyznaczone urządzenia, określane jako zegary nadrzędne (grandmaster clock), podczas gdy inne urządzenia będą musiały być w stanie synchronizować się z zegarem nadrzędnym. W większości przypadków w ten sam sposób czas jest utrzymywany za pomocą precyzyjnego protokołu czasowego IEEE 1588.

Urządzenia, które nie obsługują standardu TSN, mogą być używane w tej samej sieci, ale mogą to być tylko urządzenia końcowe lub narzędzia inżynierskie. TSN wykorzystuje standard IEEE 802.1AS, który implementuje mechanizm opóźnienia czasowego typu peer-to-peer i jest profilem precyzyjnego protokołu czasowego IEEE 1588. Protokół (technologia) CIP Sync wykorzystuje mechanizm opóźnienia czasowego od końca do końca i jest domyślnym profilem w precyzyjnym protokole czasowym IEEE 1588.

Technologia CIP Sync ma tę zaletę, że nie wymaga, aby wszystkie urządzenia na ścieżce od zegara nadrzędnego do zegara zwykłego musiały być świadome czasowo, jak pokazano na poniższym schemacie graficznym systemu zegara. Profile czasowe CIP Sync i TSN są wystarczająco precyzyjne, aby sprostać obecnym i przyszłym potrzebom automatyki przemysłowej i mogą być konwertowane do siebie nawzajem za pomocą dedykowanego urządzenia.


DODATKOWE INFORMACJE

Co to jest ODVA? ODVA (Open DeviceNet Vendors Association) to międzynarodowa organizacja zajmująca się opracowywaniem standardów i handlem, której członkami są wiodący producenci automatyki z całego świata. Misją ODVA jest rozwijanie otwartych, interoperacyjnych technologii informatyczno-komunikacyjnych dla automatyki przemysłowej. Te standardy obejmują Wspólny Protokół Przemysłowy (Common Industrial Protocol ? CIP), niezależny od mediów protokół sieciowy ODVA ? oraz przemysłowe technologie komunikacyjne, w tym EtherNet/IP, DeviceNet i inne.

W celu zapewnienia interoperacyjności systemów produkcyjnych oraz ich integracji z innymi systemami, ODVA jako naczelną zasadę przyjmuje komercyjne, gotowe, standardowe technologie internetowe oraz ethernetowe. CIP, CIP Motion, CIP Sync i EtherNet/IP są znakami towarowymi firmy ODVA Inc. Inne znaki towarowe są własnością odpowiednich właścicieli. www.odva.org


3. Wdrożenie koncepcji Przemysłu 4.0 oraz technologii IIoT

Sieci stoją obecnie w obliczu zbliżającego się dodania dużych ilości danych z hal fabrycznych do urządzeń brzegowych i/lub chmury obliczeniowej i z powrotem w celu wykonania analizy systemu i prognozowania sytuacji w przyszłości, ze względu na wykorzystywanie Przemysłu 4.0 i Przemysłowego Internetu Rzeczy. Zwiększona przepustowość, będąca wynikiem wykorzystywania technologii takich jak Wi-Fi 6 i Gigabit Ethernet, pomoże złagodzić takie problemy, jak: potencjalne opóźnienia pakietów danych, odchylenia w transmisji danych w stosunku do zegara czasu czy utratę pakietów.

Należy jednak pamiętać, że trudno przewidzieć wszystkie nowe sposoby tworzenia i wykorzystywania danych przemysłowych w przyszłości. Kto mógł przewidzieć stworzenie programowalnych sterowników logicznych (PLC), które mogą obsługiwać bezpieczeństwo i sterowanie standardowe w czasach, gdy istniały tylko przekaźniki bezpieczeństwa? Drogi fizyczne i cyfrowe nie są budowane wcześniej, gdy są zatkane ruchem, który może skorzystać na ustalaniu priorytetów.

4. Stworzenie większej interoperacyjności

Celem jest stworzenie jednego nadrzędnego zestawu standardów TSN w warstwie łącza danych, który pozwoli na zwiększoną interoperacyjność sieci w warstwie aplikacji. Oznacza to, że ruch EtherNet/IP (ODVA), Profinet (PI North America) i OPC-UA (OPC Foundation) może współistnieć w jednej sieci i respektować te same wymagania dotyczące jakości usług (QoS), z dodatkiem wspólnego czasu i wspólnego ustalania priorytetów.

Umożliwią to pakiety danych ze wspólnymi nagłówkami i ustandaryzowanymi poziomami priorytetów. Po sfinalizowaniu TSN umożliwi priorytetyzację danych krytycznych czasowo w sieciach przemysłowych w oparciu o określone zasady i metodologie, które będą stosowane przez przełączniki sieciowe i urządzenia mostkujące obsługujące TSN.

5. Praca z istniejącymi metodami synchronizacji czasu w sieci

Stale rosnące wymagania dotyczące wydajności produkcji oraz produktywności doprowadziły do ??rozwoju przemysłowych sieci Ethernet, takich jak EtherNet/IP, które oferują większą szybkość i przepustowość, większą liczbę węzłów, a także lepszą diagnostykę i łatwiejszą integrację pionową w porównaniu z tradycyjną magistralą obiektową fieldbus. Następnie zostały opracowane rozszerzenia sieciowe, takie jak CIP Motion i CIP Sync organizacji ODVA, których celem były konkretne aplikacje, takie jak zastosowanie proporcjonalnego sterowania ruchem w przenośnikach pozycjonujących, które wymagały wyższego poziomu determinizmu. Technologie CIP Motion i CIP Sync będą nadal obsługiwane nawet po pojawieniu się TSN. Przewiduje się również, że funkcja sieciowej bramy czasowej umożliwi urządzeniom CIP Motion i CIP Sync interoperacyjność w sieciach TSN.

Wraz z istniejącymi rozszerzeniami sieci, takimi jak CIP Motion i CIP Sync, standardy TSN do przesyłania danych krytycznych czasowo przez przemysłową sieć Ethernet są opcją spełniającą potrzeby aplikacji o wysokim determinizmie, dodawania opcji projektowania sieci i planowania znacznego przyszłego wzrostu ruchu danych sieci, spowodowanego konwergencją technologii IT z OT.

Możliwy będzie również nowy poziom interoperacyjności, ponieważ inne implementacje sieci komunikacyjnych mogą współistnieć w sieci Ethernet z TSN. Zalety EtherNet/IP, wynikające z bycia dobrze zaadaptowaną, obiektowo zorientowaną oraz interoperacyjną siecią wielu producentów/dostawców, pozostaną w mocy przy dodatkowym wsparciu TSN.

Wysoki poziom standaryzacji, wdrażanie protokołu TCP/IP i wykorzystanie dostępnego w handlu sprzętu, również pozostaną spójne. Sieć EtherNet/IP będzie nadal dziś i jutro spełniać krytyczne potrzeby w zakresie komunikacji przemysłowej i sterowania, w tym interoperacyjność i gwarancję wydajności dla wysoce zaawansowanych technicznie aplikacji ? dzięki TSN.

Rys. 2. Architektury sieciowe EtherNet/IP dla protokołu ruchu CIP Motion oraz protokołu synchronizacji CIP Sync będą działać z funkcjami TSN. | Źródło: ODVA

Steve Fales jest dyrektorem ds. marketingu w organizacji ODVA. Redakcja tekstu: Mark T. Hoske, menedżer treści, Control Engineering, CFE Media, mhoske@cfemedia.com.