Pět klíčových způsobů, jak může protokol průmyslového Ethernetu využívat TSN

Obrázek 1: Diagramy vztahů časových standardů TSN ukazují, jak může TSN vyhovět potřebám časově kritických aplikací. Diagramy poskytla společnost ODVA. Obrázek 1: Diagramy vztahů časových standardů TSN ukazují, jak může TSN vyhovět potřebám časově kritických aplikací. Diagramy poskytla společnost ODVA.

Časově senzitivní sítě (TSN) pomáhají průmyslovému Ethernetu pěti klíčovými způsoby.

Časově senzitivní sítě (TSN) v průmyslovém prostoru budou tvořeny podmnožinou standardů IEEE 802.1 známých jako profil TSN pro IEC/IEEE 60802 pro průmyslovou automatizaci, které jsou v pozdějších fázích vybírány a schvalovány. Značné množství diagnostických a prognostických dat nad rámec stávajícího řídicího síťového provozu, které přinese sbližování informačních a provozních technologií (IT/PT), je klíčovým hnacím motorem tvorby souboru standardů pro přenos časově senzitivních dat přes průmyslové sítě Ethernet.

Sítě TSN budou praktickou možností, jak vyhovět potřebám časově kritických aplikací, vytvořit flexibilitu při navrhování sítí a plánovat s ohledem na budoucí vývoj v podobě Průmyslu 4.0 a IIoT. Sítě TSN navíc umožní větší interoperabilitu průmyslové komunikace a mohou pracovat s existujícími metodami časové synchronizace IEEE 1588, jako je ODVA CIP Motion a CIP Sync. ODVA uznává důležitost TSN a prostřednictvím svých členských společností se podílí na úpravě EtherNet/IP pro TSN.

Pomoc časově kritickým aplikacím

Prioritizace dat sítí TSN, aby se zajistilo, že například rutinní diagnostika nezpomaluje polohovací data, může probíhat v ethernetových mostech různými způsoby na základě uživatelského nastavení. Níže uvedený diagram struktury řazení do front standardu IEEE 802.1Qbv znázorňuje příklad prioritizace TSN pomocí některých z následujících klíčových mechanismů určování priority:

  • Regulátory (shapers) – Například přísná priorita kvality služeb (QoS) a regulace na bázi kreditů. Tyto algoritmy dávají přednost provozu s vysokou prioritou a zajišťují spravedlivá pravidla na síťovém kabelu. I když tyto mechanismy nejsou nové, sdílený jazyk pro jejich konfiguraci je novinkou.
  • Právo přednosti rámců (preemption) – Pozastaví stávající přenos paketů, aby byl možný průchod dat s vyšší prioritou.
  • Plánovaný provoz – Řídí přenos provozu na základě povolení a deaktivace front přepínačů podle nakonfigurovaného časového plánu. Tyto klíčové mechanismy stanovování priorit TSN mají také doprovodné techniky, které spoluvytvářejí sadu řešení, včetně:

řízení vstupu – znalosti a dohled nad očekávaným vstupním provozem na portu, aby se snížila pravděpodobnost, že škodlivé nebo špatně fungující zařízení ovlivní celkový determinismus sítě;

replikace a eliminace rámců pro vyšší spolehlivost – redundance vrstvy 2, která používá více virtuálních cest na fyzicky oddělené infrastruktuře v síti s aktivním řízením topologie.

Tvorba flexibilních řešení sítě

TSN otevírá možnosti zavádět do průmyslových sítí nové technologie na výrobní úrovni, jako jsou kamery, které dodávají data algoritmům rozpoznávání obrazu pro řízení kvality, vedle tradičních motorů, ventilů a senzorů, a dokonce i stávající aplikace polohování pomocí frekvenčních měničů a protokolu ODVA CIP Motion.

Mějte na paměti, že základní principy segmentovaného řešení sítě a architektury pro spolehlivost a zabezpečení jsou stále doporučenou nejlepší praxí pro optimální výkon. Hodiny jsou klíčovým časovým faktorem pro umožnění flexibility při navrhování sítě s TSN, protože hlavní čas (master) musí být udržován speciálně určenými zařízeními známými jako hodiny grandmaster, přičemž jiná zařízení budou muset být schopna synchronizace s hodinami master, do značné míry stejně, jako je čas udržován pomocí protokolu IEEE 1588 Precision Time Protocol.

CTL2005 MAG2 F2 Ethernet ODVA TSN EIP Fig4 EIPwTSNObrázek 2: Ilustrace k pátému bodu – síťové architektury EtherNet/IP pro CIP Motion a CIP Sync budou spolupracovat s funkcemi TSN.

Zařízení, která nepodporují TSN, lze použít ve stejné síti, ale mohou to být pouze zařízení koncových stanic nebo zařízení technických nástrojů. TSN používá IEEE 802.1AS, který implementuje mechanismus časového zpoždění typu peer-to-peer a je profilem protokolu IEEE 1588 Precision Time Protocol. Metoda CIP Sync používá mechanismus časového zpoždění mezi koncovými body a je výchozím profilem protokolu IEEE 1588 Precision Time Protocol.

Výhodou CIP Sync je, že nevyžaduje, aby si všechna zařízení na cestě od hodin grandmaster k běžným hodinám, která spotřebovávají čas, musela být vědoma času, jak je znázorněno níže na schématu systému hodin. Časové profily CIP Sync a TSN jsou dostatečně přesné, aby vyhovovaly potřebám průmyslové automatizace nyní i v budoucnu, a mohou být vzájemně konvertovány prostřednictvím vyhrazeného zařízení.

Podpora realizace Průmyslu 4.0 a IIoT

Vlivem Průmyslu 4.0 a průmyslového internetu věcí (IIoT) čeká nyní sítě nový příval velkých objemů dat proudících ze základní provozní úrovně k okrajovým zařízením anebo do cloudu a zpět; data slouží pro analýzu systému a prognostické účely. Zvýšená šířka pásma díky technologiím, jako jsou Wi-Fi 6 a gigabitový Ethernet, může zmírnit potenciální zpoždění datových paketů, odchylku v přenosu dat vzhledem k časovým hodinám nebo ztrátu paketů.

Mějte na paměti, že je těžké předvídat všechny nově vytvořené metody produkování a konzumování průmyslových dat v budoucnosti. Kdo mohl předvídat vznik programovatelných automatů (PLC), které zvládly bezpečnostní a standardní řízení v době, kdy existovala jen bezpečnostní relé? Fyzické a digitální silnice nejsou budovány dříve, než dojde k jejich zahlcení provozem, s čímž může pomoci prioritizace.

Zajištění lepší interoperability

Cílem je vytvořit jednu zastřešující sadu standardů TSN v linkové vrstvě, která umožňuje zvýšenou interoperabilitu sítě napříč aplikační vrstvou. To znamená, že může společně v jedné síti existovat datový provoz EtherNet/IP (ODVA), Profinet (PI North America) a OPC-UA (OPC Foundation) a respektovat stejné požadavky na kvalitu služeb (QoS) s přidáním společných hodin a společné prioritizace.

Umožní to datové pakety se společnými hlavičkami a standardizované úrovně priority. Po dokončení bude TSN umožňovat prioritizaci časově kritických dat v průmyslových sítích na základě specifických pravidel a metodik, které budou aplikovány síťovými přepínači a přemosťovacími zařízeními podporujícími TSN.

Spolupráce s jinými metodami synchronizace času

Stále rostoucí požadavky na efektivitu a objem výroby vedly k vývoji sítí průmyslového Ethernetu, jako je EtherNet/IP, které nabízejí vyšší rychlost a šířku pásma, vyšší počty uzlů, jakož i vylepšenou diagnostiku a snadnější vertikální integraci ve srovnání s tradičními sběrnicemi fieldbus. Následně byla vytvořena síťová rozšíření, např. ODVA CIP Motion a CIP Sync, pro řešení potřeb specifických aplikací, k nimž patří použití proporcionálního polohování při polohování dopravníků, které vyžaduje vyšší úroveň determinismu. CIP Motion a CIP Sync budou nadále podporovány i po nástupu sítí TSN. Předpokládá se také funkce časové brány, jež umožní zařízením CIP Motion a CIP Sync spolupracovat v sítích TSN.

Spolu s existujícími síťovými rozšířeními, jako jsou CIP Motion a CIP Sync, jsou standardy TSN pro zasílání časově kritických dat po průmyslovém Ethernetu možností, jak vyhovět potřebám aplikací s vysokým determinismem, přidat možnosti pro navrhování sítě a připravit se na významné budoucí zvýšení datového provozu vyvolané sbližováním IT a PT.

Rovněž bude možná nová úroveň interoperability, protože na Ethernetu mohou společně s TSN existovat i další implementace komunikační sítě. Výhody sítě EtherNet/IP v tom, že jde o široce zavedenou, objektově orientovanou síť kompatibilní s mnoha dodavateli, zůstanou zachovány s další podporou TSN.

Vysoká úroveň standardizace, využití TCP/IP a běžně dostupného hardwaru také zůstanou beze změny. EtherNet/IP bude nadále, stejně jako dnes, naplňovat potřeby kritické průmyslové komunikace a řízení, včetně interoperability a záruky výkonu pro vysoce propracované aplikace s TSN.

Steve Fales je ředitel marketingu organizace ODVA. Upravil Mark T. Hoske, obsahový ředitel časopisu Control Engineering, CFE Media and Technology, 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