Co znamenají časově senzitivní sítě a ethernetová data v reálném čase pro budoucnost průmyslových systémů?

-- 24.05.17

Členové sdružení Avnu Alliance vysvětlují, jak komunikace v reálném čase zajišťovaná časově senzitivními sítěmi (Time Sensitive Networking – TSN) posílí budoucnost průmyslových systémů. 

Průmyslový internet věcí (Industrial Internet of Things – IIoT) přináší příležitosti vytvářet chytré systémy, které sdílejí data mezi zařízeními napříč podnikem a v cloudu. S narůstajícím zájmem o IIoT a Průmysl 4.0 se stále více projektantů, techniků i konečných uživatelů obrací k časově senzitivním sítím, tj. k souboru standardů připravovanému organizací IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), aby tak řešili potřebu zpracování surových dat včasným způsobem, snížili latenci, zvýšili robustnost a poskytli základ pro pokročilejší výrobní a produktové modely, kde lze data pružně sdílet mezi vrstvami řídicího systému. 

Pro podporu těchto nových funkcí infrastruktury IIoT a pro připojení síťových zařízení je nutný kompatibilní systém, jenž umožňuje, aby stejnou síť TSN sdílelo více výrobců, protokolů a organizací. Sdružení Avnu Alliance se na tuto potřebu připravuje tak, že vybírá a certifikuje soubor podkladových mechanismů splňujících dané tržní požadavky a vytváří tak společnou infrastrukturu, na níž mohou ostatní stavět a zajistit tím sbližování mezi oblastmi provozních technologií (PT) a informačních technologií (IT). Toto sbližování posiluje konektivitu k průmyslovým zařízením a umožňuje rychlejší cestu k novým obchodním příležitostem, včetně analytiky velkých dat a chytrých, k internetu připojených systémů a strojů. Sdružení Avnu Alliance je průmyslovým partnerstvím, které podporuje a vyvíjí ekosystém výrobců a poskytuje kompatibilní zařízení pro průmyslové síťové systémy. 

Redakce časopisu Control Engineering (CE) se setkala s několika členy sdružení Avnu Alliance a položila jim pár otázek, jak průmyslový internet věcí ovlivňuje průmyslové sítě a co časově senzitivní sítě znamenají pro budoucnost průmyslových systémů.  VizTodd Walter je marketingový ředitel společnosti National Instruments a předseda sekce Avnu Industrial Segment; Ludwig Leurs je ředitel pro konvergenci Ethernetu společnosti Bosch Rexroth; Anil Kumar je hlavní systémový technik skupiny pro internet věcí společnosti Intel; Paul Brooks je manažer pro rozvoj obchodu společnosti Rockwell Automation; Bogdan Tenea je produktový specialista společnosti Ixia; Paul Didier je architekt průmyslových řešení společnosti Cisco. 

Jakým způsobem evoluce Ethernetu změnila přístup k navrhování průmyslových řídicích systémů? 

Ludwig Leurs: Standardní Ethernet se vyvinul a umožňuje používat řídicí systémy nové generace. Proto organizace IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee (LMSC), Internet Engineering Task Force (IETF) a další standardizační skupiny rozšířily možnosti používat časově senzitivní systémy na standardních ethernetových sítích s podporou různorodých aplikací a odvětví, včetně profesionálních audiovizuálních aplikací, automobilové výroby a průmyslové výroby. Tyto standardy, podporované především pracovní skupinou IEEE 802.1 pro časově senzitivní sítě, definují nové mechanismy pro vytváření distribuovaných a synchronizovaných systémů reálného času za použití standardních ethernetových technologií, které umožní sbližování řídicího síťového provozu s nízkou latencí a standardního ethernetového provozu na stejné síti. Časově senzitivní sítě podporují řízení a synchronizaci v reálném čase, například mezi polohovacími aplikacemi a roboty, a to po jediné ethernetové síti. Časově senzitivní sítě mohou zároveň podporovat i jiný běžný síťový provoz obvyklý ve výrobních aplikacích, čímž přispívají ke sbližování mezi informačními a provozními technologiemi. Technologie časově senzitivních sítí není disruptivní – umožňuje, aby stávající průmyslové aplikace pro řízení v reálném čase koexistovaly a vzájemně spolupracovaly, jako například nový model OPC UA vydavatel/předplatitel, který momentálně dokončuje sdružení OPC Foundation. Protože sdružení Avnu Alliance zaznamenalo úspěchy v oblasti audiovizuálních aplikací, bude užitečné použít tyto technologie u moderních strojů s využitím videokamer v řídicích smyčkách.

 Sítě začínají být stále více zahlceny daty průmyslového internetu věcí. Jak časově senzitivní sítě zajišťují úspěšný přenos těchto dat, aby byl průmyslový internet věcí pro uživatele použitelný a přínosný? 

Anil Kumar: Časově senzitivní sítě slibují svět chytrých, intenzivně propojených zařízení a infrastruktury. Výrobní stroje, přepravní systémy a elektrické sítě budou vybaveny zabudovanými schopnostmi snímání, zpracování a analýzy. I když velká část dat shromážděných průmyslovými senzory a řídicími systémy v aplikacích IIoT není časově senzitivní, existuje rovněž značná část kriticky významných, časově senzitivních dat, která je nutno přenést a sdílet v rámci přísných mezí latence a spolehlivosti. 

Požadavky časově senzitivních sítí, jako jsou společné hodiny pro plánování přenosů, otázky latence, vyhrazená přenosová kapacita a redundance, zajišťují, aby časově senzitivní sítě přinášely přesnou časovou synchronizaci vícenásobných datových toků. Velké soubory dat z počítačového vidění, 3D skenování a analýzy výkonu mohou na přenosovou kapacitu klást velkou zátěž. Časově senzitivní sítě budou podporovat plně duplexní standardní Ethernet s možnostmi vyšší přenosové kapacity, jako je 1Gb, 10 Gb, a dokonce 400 Gb verze standardu IEEE 802.3. Nabízejí také špičková opatření pro zabezpečení IT a kompatibilitu se škálovatelností, která umožňuje expanzi do rozsáhlých systémů. Časově senzitivní sítě se rovněž mohou integrovat se stávajícími aplikacemi typu brownfield a standardním provozem IT, jsou připraveny na budoucnost a neustále se vyvíjejí.

V čem bude nová generace Ethernetu s funkcemi pro časově senzitivní sítě lepší oproti předchozím generacím tohoto standardu? 

Paul Brooks: Hodnota časově senzitivní sítě je dána zjednodušením sbližování a posílením konektivity. Zpřístupňuje tím kriticky významná data potřebná k naplnění příslibu IIoT v podobě zdokonalení operací s využitím analytiky velkých dat. Návrháři mohou využít pokroku v oblasti zpracování dat, komunikace, softwaru a provedení systému, který přichází ze světa spotřebních zařízení, a to se standardem, jenž se neustále vyvíjí a zajišťuje přesné časování. 

Pokud jde konkrétně o průmyslové trhy, tyto standardy podporují schopnost usnadnit vývoj a zavádění distribuovaných a synchronizovaných řídicích systémů, které obvykle nacházíme v nejrůznějších průmyslových aplikacích, včetně řízení strojů, automatizace závodů, výroby a distribuce elektrické energie, těžby ropy a zemního plynu a podobně. Mnoho aplikací dnešní generace se zavádí s využitím nestandardních síťových rozhraní a infrastruktury. Omezení Ethernetu způsobila fragmentaci a vedla k vytvoření různých variant Ethernetu, které zahrnují schopnost fungování v reálném čase, jež je nezbytná pro splnění potřeb měřicích a řídicích aplikací. U těchto variant jsou často modifikovány hardwarové a infrastrukturní komponenty zásobníku Ethernetu, aby se tím dosáhlo zaručeného způsobu chování. Tyto modifikace poskytují vyhrazenou latenci a přenosovou kapacitu potřebné pro řízení. Nicméně protože byla nutná modifikace hardwaru, ztrácejí kompatibilitu se standardním Ethernetem a je mnohem obtížnější, ne-li nemožné, k nim získat přístup po síti. 

Jak sdružení Avnu Alliance a jeho členové prosazují tento standard nové generace? 

Todd Walter: Sdružení Avnu Alliance je neziskovou organizací provozovanou svými členy, jež podporuje, informuje a pomáhá firmám vytvářet zařízení, která poskytují spolehlivé a synchronizované deterministické sítě. Soustředíme se na vytváření otevřeného a kompatibilního ekosystému prostřednictvím ověřování kompatibility a testování napříč nejrůznějšími odvětvími.  V souvislosti s tím, jak se schopnosti Ethernetu díky novým standardům zvyšují, organizace Avnu Alliance poskytuje platformu pro diskusi, spolupráci, certifikování a propagování neustále se rozvíjejících schopností sítí, které umožňují sbližování provozních a informačních technologií. 

Organizace Avnu Alliance ve spolupráci s IIC vyvinula světově první testovací sestavu časově senzitivní sítě, aby prezentovala hodnotu standardů a ekosystému výrobních aplikací, včetně schopnosti IIoT začlenit vysoce výkonné aplikace citlivé na latenci. Tuto testovací sestavu provozujeme ve společnosti National Instruments. 

Můžete se s námi podělit o nějaké aktuální novinky v oblasti technologií časově senzitivních sítí? 

Bogdan Tenea: Loni v září na akcii IEEE Automotive Ethernet & IP Technology Day několik členů organizace Avnu Alliance poprvé demonstrovalo nový standard IEEE pro časově senzitivní sítě označovaný jako právo přednosti (preemption). Na testovacím zařízení společnosti Ixia se zde prezentovala kompatibilita a měřilo zlepšení výkonu prototypových zařízení podporujících tuto technologii. 

 

Právo přednosti rámců (IEEE 802.1Qbu/802.3 Qbr) [Standard for Local and Metropolitan Area Networks – Media Access Control Bridges and Virtual Bridged Local Area Networks-Amendment: Frame Preemption] je novým doplněním ethernetového standardu od IEEE, které umožňuje, aby rámec s vysokou prioritou přerušil přenos rámce s nízkou prioritou, čímž se minimalizuje latence provozu s vysokou prioritou. U aplikací řídicích systémů pro průmyslovou automatizaci může právo přednosti přispět k dalšímu sbližování několika sítí odlišných technologií do jedné infrastruktury Ethernetu a IP, což umožňuje samostatnou organizaci operací závodu a výrobu řízenou pomocí příkazů. Díky výraznému snížení vlivu provozu s nízkou prioritou na důležitý provoz je možné na stejném spojení realizovat oba typy provozu. 

Jaké změny potřebuje síťová infrastruktura, aby podporovala budoucí požadavky průmyslových systémů? 

Paul Didier: Prostřednictvím časově senzitivních sítí jsme položili základ pro průmyslové dodavatele, aby nyní mohli přicházet se zařízeními připravenými pro internet věcí a s aplikacemi, které využívají konvergovanou síť. Standardy jsou zde stále ve vývoji. Musíme ještě dokončit standardy týkající se: pružnosti sítě, a to bez ztráty paketů ve vícecestných sítích; schopnosti hlídání provozu za účelem další ochrany provozu časově senzitivních sítí; přednostního práva, schopnosti rozdělit velké pakety a dalších otázek. 

Kromě časově senzitivních sítí pracujeme na mnoha dalších otázkách přímo spojených s průmyslovými systémy. V rámci fyzické vrstvy přicházíme s dalšími variantami Ethernetu: lehčí měděná kabeláž (např. jednoduchá kroucená dvojlinka), delší/kratší vzdálenosti (desítky až tisíce metrů) a více možností pro PoE, například slabší napájení pro jiskrově bezpečná prostředí. To umožňuje zavádět tuto technologii v nepříznivých průmyslových prostředích. V pracovní skupině IETF DetNet rozšiřujeme tyto „deterministické“ schopnosti časově senzitivních sítí na větší škálovatelné sítě, které mohou obsluhovat mnohem rozsáhlejší systémy. Časově senzitivní sítě přineseme také do standardních otevřených bezdrátových sítí. 

To vše je dobře koordinováno s klíčovými iniciativami na poli obecných sítí, včetně průběžných snah o přinesení vyšší přenosové kapacity do většího počtu zařízení. Zejména bych ale vyzdvihl tlak na koncepci automatizace konfigurace a správy sítě, která se často označuje jako softwarově definované sítě (Software-Defined Networks). 

Co můžeme od Avnu Alliance a v oblasti časově senzitivních sítí očekávat v roce 2017? 

Todd Walter: S tím, jak se poslední generace projektů dokončuje a stává se formální součástí standardu, vidíme rostoucí zájem téměř všech dodavatelů. První průmyslové produkty časově senzitivních sítí byly dostupné pro vybrané zákazníky v roce 2016, včetně řídicích prvků společnosti National Instruments s čipy a ovladači společnosti Intel pro TSN a s přepínači společnosti Cisco pro TSN. V roce 2017 uvidíme na trhu další produkty mnoha členů Avnu Alliance. Díky tomu, že je tato technologie založena na otevřených ethernetových standardech, přispívají k jejímu masovému rozšíření investice všech firem a značek, které ji podporují, a není omezena obchodním plánem jedné firmy nebo budoucím rozhodnutím o způsobu vývoje a podpory technologie. Výrobci ze všech průmyslových odvětví mohou těžit z kolektivní zkušenosti členů Avnu Alliance z mnoha oborů a ze zkušeností v oblasti sítí a urychlit tím implementaci pokročilých sítí, což nakonec povede k rychlejší cestě na trh. 

Standardy a sítě se neustále vyvíjejí a stejně tak se rozvíjí práce organizace Avnu Alliance na definování a certifikování základů standardu. Ten bude nakonec obsahovat mechanismy, jako je přednostní právo rámců, redundance, řízení vstupu a zabezpečení. Základy definované organizací Avnu Alliance budou navíc nadále podporovat další schopnosti, včetně podpory mnohočetných profilů IEEE 1588, pokynů pro škálování na velmi rozsáhlé síťové architektury a agregování/skládání několika sítí do jedné síťové domény podporující časově senzitivní sítě. 

Upravila Emily Guentherová, zástupkyně obsahového ředitele, Control Engineering, CFE Media, eguenther@cfemedia.com.