Časově senzitivní sítě pro průmyslové aplikace

Časově senzitivní sítě pro průmyslové aplikace

Základní informace o profilu TSN IEC/IEEE 60802 pro průmyslovou automatizaci: Časově senzitivní sítě (Time-Sensitive Nsetworking – TSN) snižují latenci komunikace a zvyšují spolehlivost. Sítě TSN jsou klíčovou součástí Průmyslu 4.0.

Pro většinu použití ethernetových technologií není latence nebo doba, kterou data potřebují k průchodu sítí z bodu A do bodu B, obecně problémem v moderních síťových nasazeních, pokud všechny komponenty fungují. Latence 5 ms nebo přijetí několika nefunkčních paketů při streamování videa, stahování souboru nebo třeba hraní on-line videoher si uživatelé často nevšimnou. V systémech, kde je nutné těsné propojení distribuovaných komponent, jako jsou vědecké výpočty, vysokofrekvenční systémy obchodování na burze nebo provoz výrobních linek, již záleží na milisekundách. Nemůže dojít k žádnému zmeškání nebo přenosu dat mimo pořadí. Pro splnění těchto a podobných potřeb vytvořila IEEE pracovní skupinu pro výzkum časově senzitivních sítí (TSN).

Tradiční přenos po síti Ethernet si lze představit jako přenos s nejlepší snahou; odesílatel přenáší data po „plátcích“ a příjemce tyto části znovu skládá do původních dat. Pokud některý plátek chybí nebo dorazí mimo pořadí, příjemce ví, jak si vyžádat další kopii plátku (plátků) anebo jak jej zařadit do správného pořadí. Tyto úkony opětovného odeslání a sestavení částí zaslaných mimo pořadí vyžadují čas a mohou způsobit zpoždění, než bude mít přijímací systém k dispozici data k použití. Výrobci síťových zařízení znají tato omezení tradičního Ethernetu a vytvořili vlastní komunikační protokoly, jako jsou EtherCAT a Profinet, které je řeší. I když tyto implementace velmi dobře rozšiřují funkčnost Ethernetu pro potřeby výroby, komponenty a zařízení musejí splňovat standardní specifikace přidružených obchodních skupin pro snadnější integraci. 

ČÁST 1 – TSN: Synchronizace, kvalita služby a plánování

Pracovní skupina IEEE 802.1 vyvinula TSN s několika konkrétními cíli. Synchronizace hodin s nanosekundovou přesností se provádí ve spojení s protokolem přesného času (IEEE 1588). Rezervace šířky pásma a tvarování síťového provozu umožňují, aby určité typy a klasifikace komunikace měly přednost před ostatními, podobně jako je tomu při použití kvality služeb (QoS) ve standardních sítích Ethernet. Vzhledem k požadavkům na průmyslovou komunikaci jsou taktiky používané v plánovacích a rezervačních systémech mnohem složitější z hlediska návrhu a implementace. V současné době se pracuje na tom, aby tyto funkce byly robustnější a přizpůsobené různým komunikačním aplikacím, jako jsou například automobilové a bezpečnostní systémy. V současné době existuje osm prioritních hodnot, které lze přiřadit síťové komunikaci a jež pomáhají zařízením odesílat a přijímat data na základě jejich důležitosti.

Při analýze v rámci sedmivrstvého modelu OSI se mnoho změn, které TSN přináší, odehrává ve 2. vrstvě. Tyto změny ve 2. vrstvě jsou do jisté míry závislé na fyzických rozhraních, jež tvoří 1. vrstvu, například na podpoře časového značení.

Vzhledem k zásadním rozdílům ve struktuře a způsobu odesílání komunikace vyžaduje síť TSN párování podporovaného hardwaru a operačních systémů. Stručný přehled toho, jak to ovlivňuje model OSI, je uveden v tabulce. Společný projekt s IEC se označuje jako profil IEC/IEEE 60802 TSN pro automatizaci. Podrobnosti najdete ve standardech IEEE 802.1AS, 802.1Q (at, av, br, bu, bv, ca, cc, ch, ci, cp, cr).

ČÁST 2 – Současné problémy s TSN: Hardware

Digitalizace průmyslových procesů, často označovaná jako Průmysl 4.0, probíhá již několik let. Různá průmyslová odvětví přejímají tento koncept různou rychlostí. Mnoho potenciálních problémů, kterým čelí, lze omezit přijetím a integrací softwaru a zařízení, jež podporují TSN. Časové série dat, kritické pro aplikace, jako je strojové učení (ML), vyžadují, aby všechny komponenty, které svá data označují časem, měly přesné a synchronizované časování měřené v řádu nanosekund kvůli vysokým rychlostem, kterými dnešní linky provádějí akce.

Bezpečnostní nebo řídicí systémy musejí mít zajištěnu dostupnou šířku pásma, přes kterou mohou být kritické příkazy odesílány a spolehlivě přijímány navazujícími zařízeními. Inovace zaváděné do závodů prostřednictvím přizpůsobených nebo speciálních zařízení musejí spolupracovat se stávajícími protokoly, aby se předešlo vázanosti na dodavatele systémů předchozí generace. Koncepce průmyslového internetu věcí (IIoT) nabízí řešení pro mnoho různých případů použití sběru dat za různé ceny, což umožňuje nákladově efektivní monitorování a sběr dat dříve nezobrazovaných zařízení nebo aspektů provozu linky.

Chcete-li používat funkce sítí TSN, musí je podporovat hardware. Čipy a komponenty související s komunikací Ethernet musejí podporovat zabudované funkce, jako je například generování časových značek. To bohužel znamená, že mnoho dnes používaných zařízení nepodporuje TSN a bylo by nutné je modernizovat, včetně komunikačních modulů programovatelných automatů (PLC), serverů, pracovních stanic a senzorů. To také vyžaduje novou implementaci síťového kódu, který zpracovává síťovou komunikaci, protože funkce tvarování a priority ve standardním Ethernetu neexistují. Tyto funkce a vlastnosti spotřebují více procesorového času.

V důsledku toho může být tento firmware omezen na aktuálnější hardware s větším množstvím dostupných zdrojů pro využití funkcí TSN, což bude dalším důvodem k modernizaci hardwaru. Kompletní implementace sítě TSN v dané lokalitě by vyžadovala síťové přepínače s podporou TSN, řadiče sítě Ethernet s podporou TSN, servery nebo zařízení s čipovými sadami a softwarem s podporou TSN a případně brány TSN, pokud je nutný přechod nebo převod z proprietárních deterministických sítí. Avnu Alliance je organizace, která se zabývá hodnocením a certifikací zařízení s cílem zajistit kompatibilitu a shodu s normami. 

Výzkum TSN v oblasti bezdrátových sítí IEEE 802.11, sítě 5G

Dalším aspektem při zavádění TSN jako součásti Průmyslu 4.0 je konektivita. Dnes se síť TSN realizuje pomocí drátů a kabelů. Výzkum, jak přenést funkce TSN do bezdrátových zařízení, probíhá, ale organizace by si neměly plánovat, že tyto technologie budou k dispozici dříve než za několik let. Tento výzkum již přináší zkušební produkty, jež fungují ve standardním bezdrátovém prostoru IEEE 802.11, ale také ve spektrech mobilních sítí 5G. Bezdrátová zařízení prozatím nemohou podporovat vlastnosti nebo funkce TSN. Návrháři nebo inženýři sítí by si měli tato omezení uvědomovat při posuzování zařízení, která plánují nasadit, a potřeb konektivity. V současné době se v rámci koncepce Průmysl 4.0 k bezdrátovým technologiím uvažuje o dalších technologiích, jako je LoRaWAN a Bluetooth Low Energy (BLE).

ČÁST 3 – Využití TSN a přínosy pro Průmysl 4.0: Standardy a determinismus

Zařízení s podporou TSN budou řídit řešení, jako je prediktivní údržba, metriky výkonu strojů, řízení kvality a modelování účinnosti, s cílem využít umělou inteligenci nebo strojové učení. Jedno rozhraní umožní vysokorychlostní řízení, sběr dat a funkce dohledu a zjednoduší aplikace, které dříve vyžadovaly více rozhraní a mnohem složitější implementace, což umožní rychlejší vývoj a nasazení.

Vzhledem k tomu, že se jedná o standard IEEE, odpadají pro organizace, které chtějí zavést nové komunikační technologie a funkce, obavy z vázanosti na jednoho dodavatele a proprietární protokoly. Síťové přepínače s podporou TSN budou k dispozici od různých dodavatelů. Zařízení lze zakoupit od jakéhokoli dodavatele, jenž implementuje TSN do svých produktů. Použití standardní ethernetové kabeláže odstraňuje některé složitosti a může umožnit sdílení technických zdrojů IT a PT odpovědných za podporu infrastruktury. Jako koncoví uživatelé TSN se nemusíte obávat žádných licencí, poplatků ani jiných ročních nákladů ze strany IEEE, protože produkty jsou vyvíjeny na základě zveřejněných standardů a primárním cílem je interoperabilita.

Schopnost mít standardní síťová řešení pro přenos deterministických dat by měla snížit složitost řešení zaváděných v závodech. Díky vyšší spolehlivosti plánování a prioritním funkcím může být TSN cestou k přechodu ze starších řešení. Dodavatelé také představí brány, které umožní časově citlivým komunikačním protokolům, jako je SERCOS na TSN, přejít na Ethernet založený na TSN, což jim umožní využívat výhody Ethernetu, aniž by byla nutná kompletní výměna komponent za značné náklady.

Současné metody redundance dosahované pomocí topologie Device Level Ring (DLR), protokolu Parallel Redundancy Protocol (PRP) a Media Redundancy Protocol (MRP), mohou být nahrazeny dalšími funkcemi doplněnými od sítí TSN. Ty sice ještě nejsou zavedeny, ale diskutuje se o nich, a pokud by byly do normy začleněny, dále by snížily složitost a proprietární strukturu průmyslových sítí. Organizace využívající tyto stávající technologie by měly být i nadále informovány o vývoji v těchto oblastech, protože mohou ovlivnit výběr řešení a technologií pro upgrady projektů v příštích 5 až 7 letech. 

ČÁST 4 – Nastal čas pro přínosy a funkce TSN

Krátkodobá i dlouhodobá budoucnost průmyslových sítí bude velice zajímavá. Může trvat několik let, než se všechny vlastnosti a funkce popsané v tomto článku rozvinou a budou v zařízeních k dispozici. Některé funkce, jako například protokol přesného času, se používají již dnes a firmám přinášejí hodnotu. Časově senzitivní sítě jsou klíčovou součástí transformačního úsilí Průmyslu 4.0. Jejich možné využití a aplikace, které se daly realizovat díky přesnosti a konzistentnímu charakteru TSN, jsou omezeny jen představivostí uživatele.

Alan Raveling je architekt PT ve společnosti Interstates a držitel ocenění 2021 Engineering Leader Under 40, které bylo zveřejněno ve vydání časopisu Control Engineering v září 2021. Společnost Interstates je obsahovým partnerem vydavatelství Control Engineering. Upravil Mark T. Hoske, obsahový ředitel, Control Engineering, CFE Media, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript..

Control Engineering Česko

Control Engineering Česko je přední časopis o průmyslové automatizaci. Je vydáván v licenci amerického Control Engineering, které poskytuje novinky z této oblasti více než 60 let.

www.controlengcesko.com