Jste zde

Budoucnost průmyslové komunikace ve znamení TSN

Antonín Vojáček, 28. Březen 2018 - 22:46

Budoucnost průmyslové komunikace a průmyslového internetu věcí IIoT má patřit rychlému a spolehlivému časově garantovanému přenosu dat prostřednictvím sítě Ethernet. To má zajistit technologie TSN, která je již několik let prakticky testována konsorciem velkých výrobců IT i průmyslových systémů.

Velké průmyslové real-time komunikační sběrnice představují při zprovozňování a často i při následném provozu poměrně velkou výzvu pro jejich techniky i provozovatele. Počet připojených bodů (nodes) roste a tím i komplexnost a náklady na provoz, protože často je potřeba společně propojit a integrovat více různých nesourodých protokolů. Rozšíření standardu Ethernet o režim označený jako TSN (Time-Sensitive Networking), navíc v kombinaci s protokolem OPC UA, pak v tomto směru představuje podstatné zlepšení uvedené situace. Aktuálně je již v provozu značné množství testovacích zařízení pro testování implementace protokolu OPC UA TSN.

Jaký je vývoj průmyslové komunikace?

Po dobu jedné a půl dekády se pro rychlou a spolehlivou komunikaci musela průmyslová zařízení spoléhat na celou škálu různých značkových průmyslových protokolů. Během této doby byly provozovatelé výrobních linek a strojů často vystaveni úloze správné integrace směsi těchto různých protokolů do jedné komplexní sítě, což je z pohledu provedení velmi časově i cenově náročné. Samozřejmě by bylo výrazně jednodušší, kdyby všechna zařízení komunikovala jedním společným protokolem. Navíc k těmto nesourodým protokolům se musí započítat také značný růst počtu přípojných/komunikujících jednotek. Konfigurace takové velké v reálném čase komunikující sítě je často značně pracný proces. A s výhledem implementace průmyslového internetu věcí IIoT (Industry Internet of Things), tedy sítě se stovkami jednotek (nodes), se složitost realizace geometrickou řadou dále zvyšuje. Proto v roce 2014 společnosti AT&T, Cisco, General Electric, Intel a IBM zformovaly konsorcium IIC (Industrial Internet Consortium) a zahájily spolupráci. Jedním z hlavních témat tohoto konsorcia je i právě průmyslový internet věcí IIoT. Namísto vývoje svého vlastního protokolu, IIC kooperuje se standardizujícími organizacemi jako IEEE, IETF, AVNU Alliance a OPC Foundation.

Co se týče IoT, je zde jeden aspekt, o které se konsorcium IIC průběžně primárně zajímá. Tím jsou TSN testovací zařízení. To, co je potřeba, je technologie, které umožňuje vytvářet zařízení a výrobní linky jako více modulární systémy, se kterými se lépe a flexibilněji pracuje. A touto technologií se do budoucna jeví protokol OPC UA TSN.

Zatímco vývoj protokolu OPC UA zajišťuje společnost OPC Foundation, konsorcium IIC se zaměřilo na samotnou reálnou implementaci technologie TSN a bylo první organizací, která začala testovat TSN v reálných podmínkách. Na tomto úkolu pak IIC v minulém roce 2017 již spolupracovala i společně se širokou skupinou společností zahrnující všechny významné výrobce a vývojáře v oblasti průmyslové automatizace, jako například: B&R, Bosch Rexroth, Schneider Electric, National Instruments, Kuka, Sick, Cisco, Intel, Belden/Hirschmann, Hilscher, Renesas Electronics, Analog Devices, TTTech, Xilinx, Calnex, Ixia, ISW Stuttgart University a Phoenix Contact.

Co přináší technologie TSN?

Technologie TSN (Time-Sensitive Networking) je rozšířením základního standardu Ethernet IEEE 802.1, která přináší výrazná vylepšení poskytující stávajícímu ethernetu schopnosti práce v reálném čase (real-time capabilities) s garantovaným přenosem časově kritických dat. Jde o další "pokračování", jak zrychlit přenos důležitých prioritních dat mezi zařízeními či jednotkami. Dá se říct, že TSN navazuje na již zavedené rozšíření o standard IEEE 802.1 AVB (Audio Video Bridging), který umožňuje synchronizovat, upřednostňovat (prioritizovat) tok audio a video dat, což umožňuje například v automobilovém průmyslu zasílat v reálném čase obraz z kamer automobilu prostřednictvím ethernetu.

TSN pak konkrétně přináší schopnost časové synchronizace (Time Synchronization), plánování přenosu (traffic scheduling) v podobě přesného časování vysílání datových paketů a rámců a systém automatické konfigurace pomocí centrálního síťového konfigurátoru CNC (Central Network Configurator).

Základním požadavkem pro implementaci TSN pro průmyslovou komunikaci v reálném čase je časová synchronizace ve shodě se standardem 801.1 AS-Rev. TSN režim do něho vkládá definici protokolu přesného čase PTP (Precision Time Protokol), který synchronizuje hodiny všech zařízení připojených v komunikační síti. Při reálných testech pak protokol PTP předčil očekávání schopností přesné synchronizace s přesností pod 100 nanosekund. Další schopnosti TSN ověřená při testech je plánovaný přenos datových paketů a rámců tak , jak je popsáno v normě IEEE 802.1 Qbv. Tzv. Time-Aware Scheduler (časový plánovač) zajišťuje, že časově kritická data jsou vždy upřednostněna tak, že nejsou blokovány obecným provozem na síti. To je potřebné nejen pro urgentní řídící data, ale i pro spolehlivou realizaci bezpečnostních úloh (safety over Ethernet).

Doposud testované komunikační sítě měly statickou konfiguraci. Současné testy pak zkoumají dynamickou konfiguraci sítě tak, jak je specifikována ve standardu IEEE 802.1 Qcc. Když nové zařízení se připojí do sítě, je hned registrováno centrálním síťovým konfigurátorem (Central Network Configurator), který zajistí a naváže jeho spojení s ostatními zařízeními a překonfiguruje podle toho strukturu sítě.

Jednotlivé elementy TSN technologie pracují spolu výborně a to ne pouze v teoretické rovině, ale i při testování v reálných aplikacích a umožní skutečnou real-time komunikaci zařízení přes Ethernet. Současná testovací zařízení se aktuálně sestávají ze dvou sestav. Jedna je umístěna ve firmě National Instruments v Austinu (Texas, USA) a druhá ve společnosti Bosch Rexroth v Erbachu (Německo). V roce 2017 pak oznámila německá asociace Labs Network Industrie 4.0 (LNI 4.0) plány vytvořit vlastní TSN testovací zařízení v kooperaci s Mittelstand 4.0 s centrem v Augsburgu, což je sdružení vytvořené pro podporu digitální transformace německých malých a středních firem. Plánuje se však vzájemná spolupráce všech uvedených testovacích center.

Video - představení OPC UA TSN na výstavě SPC IPC Drive 2017

Závěr

Inovace ethernetové komunikace implementováním TSN technologie do standardu IEEE 802.1 má přinést velké možnosti v podobě snadné realizace i velmi rychlých a časově kritických komunikačních požadavků, realizaci bezpečnostních úloh přes Ethernet a ve spojení s protokolem OPC UA i realizaci více modulárních řešení ve stylu "plug-and-produce" (připoj a vyráběj). Celosvětová standardizace pak umožňuje plné komunikační sjednocení všech zařízení a tedy vzájemné snadné propojení různých jednotek různých výrobců do společné sítě.