V minulém díle našeho seriálu jsme si objasnili, proč v oblasti tolik rozšířený ethernet není až tolik vhodný pro využití v průmyslové automatizaci i jaká úskalí přináší nekompatibilita protokolů používaných v operačních technologiích navzájem i vůči ethernetu pro slučování IT s OT. Dnes se podíváme na to, kde hledat vhodné řešení.
Přenos dat v reálném čase, tolik důležitý pro operační technologie (OT), dovedou v současnosti zajistit zavedené sběrnice jako Profinet IRT, Ethernet IP, Sercos III nebo Eterhnet Powerlink. To ovšem mohou činit pouze na úrovni fyzické vrstvy 2, která byla upravena pro tyto účely (specifický hardware). Jedná se tedy o ohraničená řešení, která nejsou vzájemně kompatibilní a nejsou v souladu ani s vrstvou 2 ethernetového standardu.
Řešením by mohl být standard Time-sensitive networking (TSN) definovaný v IEEE 802.1 a založený na standardní vrstvě 2 pro ethernet se synchronizací, malou nebo fixní latencí datových balíčků a jejich zanedbatelnou ztrátovostí.
Standard TSN
Ačkoliv nejrozšířenější síťová technologie ethernet přenáší datové balíky výhradně na principu "best-effort", o niž jsme si již dříve sdělili, že není pro OT příliš vhodná, díky standardu TSN je možné ethernet přeměnit na deterministickou síťovou technologii. Mezi nejdůležitější vlastnostmi TSN patří:
- synchronizace síťových prvků, tedy koncových bodů, přepínačů a bran,
- kontrolovaná, kalkulovatelná zpoždění (latence),
- prioritizace datových provozů,
- garantovaná rezervace šířky pásma,
- redundance (kruh)
- a spolehlivost
TSN sestává z mnoha standardů, které byly vyvinuty (nebo jsou vyvíjeny) speciálně pro různé vlastnosti a funkce. V tabulce přinášíme přehled standardů, které byly vyvinuty, nebo jsou vyvíjeny pro potřeby TSN.
TSN se zaměřuje na standardizující funkce vrstvy 2 modelu OSI, aby mohl umožnit různým protokolům využívat stejnou infrastrukturu. TSN je proto plně kompatibilní s konvenčními sítěmi IT a všechny vyšší vrstvy mohou těžit z dostupnosti funkcí TSN. Pravou výzvou je zorganizování koexistence stěžejního a nestěžejního provozu v jedné síti tak, aby nedošlo k narušení reálného času a výkonu. Jakmile je toto zajištěno, výroba a sítě IT mohou využívat společnou infrastrukturu.
TSN však nebude ustanoven jako obecný standard pro ethernet s reálným časem. Spíše by na něj mělo být nahlíženo jako na sadu nástrojů, přičemž každá nová funkce rozšíří možnosti nasazení ethernetu. Na základě toho můžeme předpokládat, že dojde k přidružení mnoha dalších projektů, které jsou zatím stále ještě ve vývoji.
Existence velkého množství oddělených standardů je vysvětlena faktem, že TSN Task Group se zaměřuje na možnost ponechání jednotlivých samostatných systémů. Můžete je kombinovat, jak si přejete, ale zároveň můžete zavést pouze jeden z nich a docílit tím jednostranného zaměření, které bude ve výsledku jednodušší a levnější.
Mnoho systémů TSN musí být přímo implementováno do hardwaru přepínačů a mikroprocesorů. Výrobci čipů, jako Broadcom, Intel, Marvell, Texan Instruments, NXP, Renesas a Hilscher, je již zapojeno do vývoje standardů TSN. Výrobci relevantních produktů se pak spojili do Avnu Alliance (https://avnu.org/), aby společně vytvořili ekosystém pro TSN, garantující kompatibilitu hardwaru a aplikací. Tato aliance rovněž certifikuje produkty.
TSN v automatizaci
Jak už bylo napsáno, v automatizačním průmyslu je dnes nasazeno několik, vzájemně nekompatibilních, sběrnic založených na ethernetu. Coby nový standard pro nižší komunikační vrstvy, však TSN odemyká širší možnosti kompatibility a zpřístupňuje implementaci determinismu v ethernetových sítích. Ve spolupráci se standardy OPC UA pro aplikační vrstvu vytváří otevřenou architekturu. OPC UA TSN spojuje svět informačních technologií, stojící na IP, s protokoly vyhovující náročným požadavkům na reálný čas. S TSN mohou uživatelé odesílat časově citlivá data skrze stejnou síť a za stejných podmínek, jako standardní data, a to až do rychlosti 10 Gb/s.
Na veletrhu SPS IPC Drives 2018 oznámila nadace OPC Foundation mnoho detailů týkajících se provozu OPC UA s TSN: Probíhá rozšíření standardizačních a harmonizačních aktivit pro OPC UA s cílem začlenit ethernetové sítě s TSN do průmyslového pole; podařilo se získat podporu společnosti Siemens. To znamená, že iniciativa Field Level Communications Initiative, vytvořená nadací OPC Foundation, stojí na pevných základech se širokým okruhem podporovatelů.
V souhrnu se k podpoře od 27. 11. 2018 přidalo celkem 22 společností včetně ABB, Beckhoff, Bosch-Rexroth, B&R, Cisco, Hilscher, Hirschmann, Huawei, Intel, Kalycito, Kuka, Mitsubishi Electric, Molex, Omron, Phoenix Contact, Pilz, Rockwell Automation, Schneider Electric, Siemens, TTTECH, Wago a Yokogawa.
Výrobci všech v současnosti rozšířených ethernetových sběrnic tudíž uznávají TSN jakožto společnou přenosovou vrstvu budoucnosti.
Profinet přes TSN
Provoz Profinetu (průmyslová komunikační sběrnice určená pro řídící systémy v oblasti průmyslové automatizace, vystavěná na základech průmyslového ethernetu) přes TSN vyžaduje následující čtyři dodatky IEEE, z nichž tři již byly dokončeny: IEEE 802.1Qbv, IEEE 802.1br, IEEE 802.1AS-Rev (viz Tabulku 2) a IEEE 802.1Qbu (definice probíhá). TSN bude vždy využit jako 2. vrstva. Profinet RT (PN V2.3) může být rovněž integrován do sítě Profinet over TSN. Profinet IRT (PN V2.3) zůstane konzistentní v podobě oddělené vrstvy 2 a nebude kompatibilní s TSN.
Služby a mapování Profinetu jsou definovány v OPC UA Companion Specification. V roce 2017 vydala PI OPC Working Group hloubkovou analýzu založenou na případech použití za účelem nalezení komplexního řešení. Základními cíli jsou diagnostika asset management, vedoucí ke vzniku přidané hodnoty pro vertikální integraci.
Bezdrátový ethernet 5G
Zlepšení problematiky nejednoty komunikačních standardů v oblasti průmyslových aplikacích by mohl přinést bezdrátový přenos využívající technologii 5G. V delším časovém horizontu by díky ní mohlo dojít ke sloučení mnoha komunikačních technologií, které dnes využíváme. To by vedlo k významné redukci množství řešení nutných k realizaci průmyslové konektivity. Využitelnost TSN pro služby 5G je v současnosti posuzována Mezinárodní telekomunikační unií ITU-T/IEEE.
Díky existenci dvou přenosových frekvencí 3,7-3,8 GHz a 26 GHz pro privátní sítě mohou provozovatelé vybudovat nezávislé základní stanice 5G (podle konference ZVEI "Industrie 4.0" z 12. prosince 2018). Funkční spolehlivost bude jedním z klíčových aspektů 5G aplikací v průmyslovém prostředí.
Více se o síťových protokolech, ale i konkrétních jednotlivých síťových prvcích dozvíte v dokumentu
Síťové technologie: Zjednodušení konektivity v průmyslovém poli switche, konektorové kabely a panelová rozhraní,
který je ke stažení zde,
případně z dokumentu White paper TSN zde.
V příštím díle se zaměříme na problematiku kvality síťových kabeláží a konektorů.