Zmiana oblicza automatyzacji dzięki TSN

Technologia cyfrowa zawładnęła wieloma aspektami naszego życia i nie inaczej jest w przypadku hali fabrycznej.

Dzięki Przemysłowi 4.0 (zwanemu również "inteligentną fabryką") technologia cyfrowa stała się priorytetem dla przemysłu produkcyjnego w ciągu ostatnich kilku dekad. Zmiana ta zapewnia lepszą widoczność i łączność między czujnikami w hali fabrycznej a szkieletem fabryki, umożliwiając przepływ danych z dużą prędkością i ich dostępność tam, gdzie są potrzebne do świadczenia usług o wartości dodanej, takich jak analiza danych.

W tego typu wysoce zautomatyzowanych systemach komunikacja w czasie rzeczywistym jest niezbędna, a czasami wręcz kluczowa. Wyobraźmy sobie samojeżdżący samochód, który waha się, czy zahamować przed pieszym na swojej drodze lub roboty na linii montażowej otrzymujące opóźnione instrukcje od komputera, który synchronizuje ich ruchy.

Aby zapewnić terminową komunikację, stosuje się kilka technologii komunikacji w czasie rzeczywistym, w tym EtherCAT, PROFINET IRT i Sercos III. Jednakże, mają one również problemy z kompatybilnością i oferują ograniczone wsparcie (jeśli w ogóle) dla bezpośredniego wykorzystania bieżących i przyszłych ulepszeń podstawowej technologii IEEE 802 Ethernet, takich jak zwiększona przepustowość.

3 Najważniejsze cechy sieci wrażliwej na czas (TSN)

Niezawodną komunikację w czasie rzeczywistym i pozbawioną sprzężeń zwrotnych transmisję ruchu krytycznego i niekrytycznego w tej samej sieci.
Wysoką przepustowość umożliwiającą obsługę ogromnej ilości danych z czujników i danych źródłowych, które przepływają przez sieci automatyki i są skalowane wraz z dalszym rozwojem sieci Ethernet.
Kompatybilność wsteczna z urządzeniami standardowymi Ethernet.

Co to jest TSN?

TSN umożliwia sieciom transmisję ruchu tła o niższym priorytecie w sposób, który nie wpływa na ruch krytyczny dla czasu.

Jednym z przykładów ruchu krytycznego czasowo jest ruch wykorzystywany w sterowaniu w zamkniętej pętli: czujniki reagują na podstawie danych sterujących otrzymanych ze sterowników PLC, a następnie zwracają swoje informacje zwrotne do sterowników PLC, zamykając pętlę. Jednocześnie dane generowane przez czujniki na poziomie pola, które nie są wrażliwe na czas, są przesyłane przez tę samą infrastrukturę sieciową i są agregowane w lokalnej chmurze automatyki oraz poddawane analizie big-data.

Proces ten jest realizacją wizji czujnika w chmurze. Sieci automatyki zaczynają się od czujnika, który jest bezpośrednio podłączony do głównego procesu produkcyjnego, a w najbardziej złożonym wariancie kończą się w ramach usługi infrastruktury chmury w szkielecie fabryki lub nawet w zdalnej chmurze do globalnej optymalizacji lub analizy. Komunikaty w tych sieciach różnią się pod względem ważności: Począwszy od ruchu krytycznego dla misji, poprzez mniej pilne, aż do czystego ruchu w tle. Ruch kontrolny o znaczeniu krytycznym jest wykorzystywany do sterowania procesem produkcyjnym i często ma ścisłe wymagania dotyczące terminowości i odporności na zakłócenia. Mniej pilne dane z czujników są wykorzystywane do analizy i optymalizacji procesów i zazwyczaj nie mają wymagań dotyczących czasu lub gwarancji dostarczenia.

Dzięki TSN wszystkie dane poruszają się po tej samej superszybkiej autostradzie informacyjnej, przy czym dane pilne mają wysoki priorytet. Przypomina to pas dla pojazdów służb ratunkowych lub pas dla autobusów na autostradzie, z tą różnicą, że TSN nie rezerwuje odrębnych pasów ruchu, ponieważ takie rozwiązanie powodowałoby nieefektywność w sytuacji, gdy nie występuje ruch o znaczeniu krytycznym. TSN kieruje ruchem w celu maksymalnego wykorzystania dostępnej przepustowości i ściśle kontroluje dostęp do medium sieciowego.

4 Wspólne opcje sieciowe:

Budując sieć, która ma obsługiwać zarówno ruch pilny, jak i niepilny, masz cztery opcje:

Użycie TSN do ścisłego kontrolowania dostępu do sieci dla ruchu pilnego i niepilnego.
Zbudowanie całkowicie oddzielnych sieci dla ruchu pilnego i niepilnego, co jest opcją o wysokich kosztach.
Masowo przewymiarować przepustowość infrastruktury sieciowej, co jest szeroko stosowanym, ale niezwykle kosztownym podejściem, zwanym nadprowizją pasma (ang. bandwidth overprovisioning). Dodatkowo zapewni to rozwiązanie statystyczne, ale nie takie, które jest w 100% deterministyczne.
Zaakceptuj możliwe opóźnienia ruchu w przypadku pilnych danych o znaczeniu krytycznym, co zazwyczaj nie jest realną opcją.

Spośród tych opcji, oczywistym wyborem jest pierwsza: użycie TSN.

TSN jest najlepszą opcją nie tylko dlatego, że działa, ale także dlatego, że ma niższe koszty, ponieważ wymaga tylko jednej sieci.

Wykorzystanie TSN w sieciach automatyki

Dzięki zdolności do separacji ruchu w sieciach automatyki, TSN umożliwia konwergencję wielu małych, rozłącznych sieci w jedną zunifikowaną strukturę sieciową. Ta nowa sieć może spełniać wymagania komunikacji w czasie rzeczywistym na większą skalę, zapewniając jednocześnie korzyści płynące z konwergencji sieci: widoczność zasobów i danych. Odnosi się to do wielu różnych rynków sieci automatyki:

Automatyka fabryczna

W automatyce fabrycznej konwergencja sieci umożliwia rozproszone sterowanie w czasie rzeczywistym; duże maszyny i liczne roboty mogą współdziałać ze sobą bardziej precyzyjnie i elastycznie niż było to wcześniej możliwe. Organizacje mogą umożliwiać aplikacje, takie jak konserwacja predykcyjna, które wymagają analizy znacznych ilości danych z czujników. Sieć konwergentna od chmury do czujnika umożliwia również bezpieczny zdalny dostęp z Internetu do maszyn produkcyjnych w celu zdalnego wykonywania czynności konserwacyjnych i innych zadań.

Automatyka energetyczna

W automatyce energetycznej - na przykład w podstacjach elektrycznych - sieć TSN może być wykorzystywana do umożliwienia przesyłania przez sieć danych o znaczeniu krytycznym, takich jak próbkowane wartości napięcia i prądu, do elektrycznych urządzeń zabezpieczających. TSN można również wykorzystać do poprawy wydajności powiadamiania o ważnych zdarzeniach, Generic Object-Oriented Substation Events (GOOSE), gdy protokół GOOSE wykorzystuje tę samą infrastrukturę sieciową, która jest używana na przykład do przesyłania danych z czujników lub nadzoru sieci przez system SCADA.

Zastosowania w transporcie

W transporcie - na przykład w sieciach kolejowych - aplikacje zapewniające wygodę, takie jak rozrywka dla pasażerów, mogą współdzielić sieć z innymi aplikacjami, takimi jak informacje dla pasażerów lub funkcje sterowania, które nie są istotne dla bezpieczeństwa. Z kolei funkcje bezpieczeństwa mogą być połączone z innymi, mniej krytycznymi funkcjami sterowania w dedykowanych sieciach sterowania.

Sieci pokładowe w pojazdach samochodowych

TSN umożliwia konwergencję i zastąpienie wielu różnych pokładowych sieci komunikacyjnych w celu utworzenia ujednoliconej warstwy łączności. TSN, dzięki możliwości łączenia ruchu o różnych priorytetach, bez sprzężenia zwrotnego, w jeden kabel, idealnie nadaje się jako technologia komunikacji szkieletowej w samochodach. Producenci samochodów mogą wykorzystywać TSN na różne sposoby, w zależności od swojej architektury. W niektórych przypadkach TSN łączy tylko różne domeny aplikacji wewnątrz pojazdu, takie jak układ napędowy, sterowanie nadwoziem i rozrywka dla pasażerów. W innych przypadkach TSN jest również wykorzystywana w poszczególnych obszarach zastosowań i całkowicie zastępuje samochodową sieć magistralną.

Autor: Oliver Kleineberg