OPC UA TSN – nové riešenie priemyselnej komunikácie (1)

Na trhu priemyselnej komunikácie dominujú systémy priemyselných zberníc založené na ethernete. Hoci sa na ne kladú podobné požiadavky a majú podobné trhové segmenty, ich implementácia a ekosystémy sa značne líšia. Väčšina z nich má zodpovedajúcu zastrešujúcu organizáciu, ktorú riadi a financuje jeden veľký hráč na trhu, ktorý zároveň riadi vývoj danej technológie. Zainteresované strany v hodnotovom reťazci nie sú vo svojich rozhodnutiach pre konkrétne technológie zvyčajne dobre zosúladené. Výsledkom je, že koncoví zákazníci a výrobcovia zariadení čelia mnohým technológiám, ktoré treba vyrábať, prevádzkovať, diagnostikovať, udržiavať a skladovať. Zatiaľ čo dostupnosť produktov a služieb je vo veľkej miere uspokojivá, zaoberanie sa viacerými riešeniami prináša vysoké náklady a obmedzuje možnosti internetu vecí (IoT).

Tento spoločný článok zástupcov viacerých významných výrobcov a dodávateľov priemyselnej automatizácie predstavuje OPC UA TSN ako technológiu nezávislú od dodávateľov a zároveň predstavuje aktuálny stav v tejto technológii. Zistili sme, že výberom správnych funkcií dokáže splniť požiadavky dnešnej i budúcej priemyselnej komunikácie, zatiaľ čo v strednodobom horizonte využíva výhody nízkych nákladov štandardného ethernetového hardvéru. Sieťová infraštruktúra TSN ako evolúcia AVB je súčasne schopná vykonávať všetky druhy priemyselnej komunikácie, od tvrdého reálneho času až po najlepšie úsilie (best-effort), pri zachovaní jednotlivých vlastností každej metódy. OPC UA je hlavným evolučným krokom z komunikačných noriem OPC zameraných na zabudované používanie. Najnovší vývoj opísaný ako Publish/Subscription ide ešte ďalej, pričom je zameraný na zabudované zariadenia a optimalizáciu výkonu v malých krokoch. Na opis údajov pridáva meta model, ako aj komunikačnú infraštruktúru na výmenu a prehliadanie informácií. OPC UA je navyše vybavená zabudovaným bezpečnostným modelom, ktorý pomáha implementovať zabezpečené systémy v súlade s najnovšími normami, ako je IEC 62443. Predpokladáme, že OPC UA TSN sa čoskoro stane motorom zmien v oblasti priemyselnej automatizácie, keďže je prvým a jediným kandidátom na vytvorenie holistickej komunikačnej infraštruktúry od snímača až po cloud.

A. Priemyselná komunikácia

Priemyselná komunikácia je dnes organizovaná hlavne podľa automatizačnej pyramídy (obr. 1). Na vrchole sa na úrovni počítača používajú štandardné IT protokoly (Internet Protocol Suite). Pri komunikácii M2M a prevádzkovej komunikácii (úroveň distribuovaných systémov riadenia) naberá OPC UA (IEC 625412) v porovnaní s tradičnými systémami priemyselných zberníc M2M na báze ethernetu (PROFINET, EtherNet/IP, CC-Link IE) rýchlo na význame. Vnútri stroja (úrovne zariadení a senzorov) dominujú protokoly s možnosťami tvrdého reálneho času (tiež známy ako ethernet v reálnom čase). Priemyselné ethernetové siete a tradičné systémy priemyselných zberníc majú v súčasnosti v globálnom pohľade porovnateľný podiel na trhu priemyselnej komunikácie.

Nové projekty využívajú predovšetkým systémy na báze siete ethernet, čo má za následok zvyšovanie podielu týchto riešení na trhu. Zariadenia s tradičnými rozhraniami priemyselnej zbernice sa čoraz viac nahrádzajú a dodávajú iba pre staršie výrobky a prevádzky. Z hľadiska podielu na trhu sú najvýznamnejšími zbernicami EtherCAT, PROFINET IRT, POWERLINK a Sercos III. Aj keď tieto technológie majú spoločné požiadavky, ich implementácia sa podstatne líši. Z tohto dôvodu je ich porovnanie komplikovanou záležitosťou a výrazne závisí od konkrétnej aplikácie (riadenie procesu, pohyb, I/O, centralizované vs. decentralizované riadenie atď.). Úsilie porovnávať výkon rozličných ethernetových protokolov v reálnom čase v niekoľkých kategóriách vykonala spoločnosť Ethernet POWERLINK Standardization Group (EPSG).

Aplikácie v purpurovej a aqua rovine používajú OPC UA Pub/Sub cez základný ethernet s agregáciou rámcov. Potenciálne používanie Pub/Sub nad UDP/IP však ukazuje nerozlíšiteľnú rovinu, zatiaľ čo pri potenciálnom použití jednotlivých rámcov sa zvyšuje čas cyklu užitočného zaťaženia na cca 50 bajtov. Obr. 2e ukazuje, že výhodná implementácia OPC UA TSN s gigabitovou fyzickou vrstvou prekonáva existujúce riešenia (založené na 100 Mbit) približne o faktor 18.

B. Porovnanie času cyklu

V priebehu rokov bola tendencia porovnávať technológie priemyselného ethernetu na základe ich príslušných funkcií. Ešte dôležitejšia je však – najmä v aplikáciách riadenia pohybu – výkonnosť technológie meraná z hľadiska najkratšieho času cyklu [1], ktorú možno dosiahnuť pri konkrétnej aplikácii. Možno ju považovať za najnáročnejšiu metriku a ak technológia spĺňa túto požiadavku, môže byť použitá aj v časovo menej náročných prostrediach. Najkratším dosiahnuteľným časom cyklu je čas potrebný na to, aby PLC posielal všetky výstupy na svoje podriadené zariadenia (všetky snímače a akčné členy sa nazývajú uzly) a naopak, aby prijal všetky ich vstupy. Je dôležité, aby všetky podriadené zariadenia dostávali svoje výstupy z PLC v rámci toho istého cyklu. Existujú aj argumenty v prospech posunutých cyklov, t. j. cyklu začínajúceho sa a končiaceho v podriadenom zariadení s definovaným posunom v porovnaní s PLC. Takéto optimalizácie sú však závislé od technológie a aplikácií, a preto sa pri všeobecnom porovnaní vynechávajú.

V [2] je uvedená základná metóda odhadovania minimálnych časov cyklov pre niekoľko technológií. Ich príspevok zahŕňa 2D diagram znázorňujúci príslušné minimálne časy cyklov ako funkciu počtu zariadení. Nasleduje prehľad základných mechanizmov. Analyzované boli technológie EtherCAT (EC) a Profinet IRT (PN), ako príklady sa používajú technológie s agregáciou rámcov a technológie založené na prepínanom ethernete.

Výraz Označenie Jednotky
Minimálny čas cyklu Γ s
Oneskorenie prenosu τ s
Latencia sieťového zariadenia ι s
Oneskorenie šírenia δ s
Kapacita linky C bitov/s
Užitočné zaťaženie x byty
Počet sieťových zariadení n  -

Tab. 1 Poznámky pre výpočtový čas cyklu


Prvou zložkou času cyklu je oneskorenie prenosu spojenia (tab. 1). Vyjadruje to čas potrebný na odoslanie všetkých rámcov cez jeden kábel s konkrétnou kapacitou linky. Základná rovnica sumárneho rámca je:

Zvyšok je počet bajtov potrebných na vyplnenie ethernetového rámca minimálneho rozmeru (84 bajtov vrátane medzery medzi rámcami). Konkrétne pre ES sa potom vzorec prevádza na:

Konkrétne čísla v rovniciach vždy predstavujú veľkosť záhlavia, priestor na užitočné zaťaženie v minimálnom ethernetovom rámci a veľkosť hlavičky podriadených správ. Podrobné vysvetlenie nájdete v definíciách príslušných protokolov. Treba poznamenať, že tento vzorec uvažuje iba jeden rámec. Ak maximálna veľkosť ethernetového rámca nie je dostatočná, musí sa odoslať aspoň jeden ďalší rámec s minimálnou veľkosťou. Keďže podzáťaž zariadenia navyše nie je možné rozdeliť na viacero rámcov, nedosiahne sa maximálna veľkosť ethernetového rámca a údaje budú odoslané v druhom (treťom…) rámci. Druhou súčasťou času cyklu je oneskorenie šírenia rámcov prostredníctvom sieťovej infraštruktúry vrátane vodičov. Rámec pre EC sa posiela cez celú sieť a späť, čo vedie k minimálnemu času cyklu:

Pre PN treba zvážiť jednotlivé rámce na uzol, čím pre jeden rámec dostávame vzťah:

Predpokladá sa, že rámce prichádzajú plánovane a postupne do PLC a rámec prvého podriadeného zariadenia prechádza cez jedno zariadenie infraštruktúry a cez jeden kábel. Výsledkom je minimálny čas cyklu:

Všetky tu uvedené rovnice predpokladajú zjednodušené prípady, kde sú objemy vstupných a výstupných údajov rovnaké a topológia je ideálna linka. V reálnych aplikáciách však porovnanie závisí od mnohých ďalších parametrov:

  • pomer vstupných a výstupných údajov,
  • percento zariadení s priamym krížovým prenosom,
  • využitie rôznych časov cyklov,
  • topológia (linka, hviezda, kruh), a teda počet preskokov medzi zariadeniami,
  • dostupnosť modulárnych V/V s vlastnou prepojovacou zbernicou.

Výsledky za predpokladu reálnejších hodnôt sú uvedené na obr. 2a, b (s použitím 100 Mbit). Použitie inej kapacity linky (1 Gbit) mení situáciu pomerne dramaticky, pretože len zložka oneskorenia prenosu času cyklu – a nie komponent sieťovej infraštruktúry – môže byť znížená o faktor 10 (obr. 2c, d). Výkon technológií s vyššou závislosťou od infraštruktúry (EtherCAT, Sercos III, POWERLINK) sa vďaka používaniu gigabitu zlepšuje v priemere o faktor 4 – 6. Naproti tomu technológie založené na prepínateľnom ethernete (EtherNet/IP, Profinet IRT) môžu pre dostatočne veľké užitočné zaťaženie využívať faktor 7 – 10. Pri malých užitočných zaťaženiach môže byť oneskorenie prenosu krátkeho rámca menšie ako oneskorenie infraštruktúry, čo má za následok nižšiu hranicu pre minimálny čas cyklu v linke.

Dnešné prepínače COTS pre Gbit majú oneskorenie presmerovania asi 2 µs (obr. 2d), čo sa prejavuje na minimálnej veľkosti rámca 250 bajtov (= 2 000 bitov; pri zanedbaní oneskorenia šírenia na vodiči). Odosielanie menších rámcov ďalej neznižuje čas cyklu. Preto sú v aplikáciách s náročnými požiadavkami na výkon rozhodujúce zariadenia s krátkymi oneskoreniami.

Výpočet času cyklu OPC UA TSN je kombináciou dvoch vyššie uvedených metód. Časové oneskorenie vysielania rámcov s hodnotami pre Pub/Sub – vďaka agregácii rámcov a efektívnemu formátu rámcu – sa vypočíta podľa:

Celkový minimálny čas cyklu je potom:

V tejto súvislosti možno poznamenať, že dosiahnuteľný čas cyklu v porovnaní s dnešnými riešeniami v rámci rôznych kombinácií parametrov je oveľa nižší, zhruba o faktor 18 (obr. 2e). V porovnaní s hypotetickými zariadeniami s gigabitovými obvodmi, založenými na inak nezmenených mechanizmoch dnešnej zbernicovej technológie, je faktor blízky 2 (obr. 2c, d).

C. Typy prenosu v priemyselnej komunikácii

Spoločnosti, ktoré vyvíjajú nové systémy OPC UA TSN, majú rôzne štandardy TSN, z ktorých si môžu vybrať správne funkcie pre aplikáciu. Pritom často ide o snahu čo najlepšie prispôsobiť správanie staršej technológie. Priblíženie sa trhu priemyselnej automatizácie je to, čo nám hovorí, že na to, aby sme boli široko prijateľní, musí riešenie súčasne podporovať všetky súčasné typy prenosov údajov v rámci priemyselných zberníc.

Dnešné technológie implementujú rôzne druhy prenosu. Väčšina z nich umožňuje rozlišovať medzi pravidelnou a neperiodickou prevádzkou, ktorá sa len málo odlišuje od ich skutočných vlastností – od prevádzky v tvrdom reálnom čase s odlišnými časmi odosielania, prenosu a prijímania za jeden cyklus cez pravidelnú prevádzku s časovou synchronizáciou alebo bez nej až po neperiodickú prevádzku, ktorá pochádza z mnohých zdrojov, kde TCP/IP je čoraz významnejším príkladom. V niektorých prípadoch majú riadenie siete, diagnostické informácie a správy o riadení používateľov rôznu prioritu. Vyhodnotili sme ich a dospeli sme k istej nadradenosti. Typy prenosov, ktoré sa komunikujú prostredníctvom priemyselných komunikačných systémov, možno zhrnúť do tab. 2. Konvergovaná sieť musí podporovať všetky tieto typy, aj keď sa nepoužíva v konkrétnej aplikácii. Výber mechanizmov používaných na implementáciu musí byť celosvetovo štandardizovaný; v tomto článku prezentujeme jeden momentálne diskutovaný návrh.

ID Pracovný názov Garancia Synchronizácia aplikácie so sieťou Fázovo usporia- dané činnosti Periodické / Sporadické Rezervácia šírky pásma Veľkosť údajov Mechanizmus redundancie požadovaný Riade- nie prenosu
I izochrónny čas doručenia ÁNO ÁNO P ÁNO ohra- ničené bezpro- blémový Qbv
II riadenie siete priorita ÁNO  - S/P  - malá nerelevantné SP*
III cyklické hraničené onesko- renie** voliteľné voliteľné P ÁNO ohra- ničené bezpro- blémový Qbv
IV audio/video hraničené onesko- renie** nedostupné nedo- stupné S/P ÁNO *** ohra- ničené normálny Qbv + Qav + SP*
V alarmy / udalosti šírka pásma  -  - S/P ÁNO *** neznáme normálny Qbv + SP*
VI manažment / diagnostika šírka pásma  -  - S ÁNO *** neznáme normálny Qbv + SP*
VII rezervované špecifické pre používateľa
VIII „Best Effort“ žiadna  -  - S/P  - neznáme normálny žiadne

Tab. 2 Typy prenosov v priemyselnej komunikácii. Stĺpce 3 – 9 reprezentujú požiadavky pre každý typ. * Algoritmus výberu prenosu s vysokou prioritou. ** Garancia ohraničeného oneskorenia zahŕňa garanciu šírky pásma. *** Nevyužívaná časť prenosového pásma môže byť pridelená prenosu s nižšou prioritou


Poznámka: Hlavnou črtou TSN je možnosť koexistencie rôznych typov prenosov pri súčasnom zachovaní časových vlastností prevádzky v reálnom čase. Niektoré existujúce technológie pracujúce v reálnom čase (EtherNet/IP, Profinet) využívajú plánovanie prenosu a QoS na zabezpečenie správania v reálnom čase za podmienok dobre fungujúcich zariadení. S technológiou TSN ako vrstvou dátového spojenia môžu tieto technológie využívať lepšiu efektívnosť šírky pásma, pretože TSN bezpodmienečne preferuje prenos s vyššou prioritou (pozri napr. ODVA v [3], tab. 1).

V ďalšej časti sa budeme zaoberať nastavením, normami a technológiami súvisiacimi s OPC UA TSN.

Literatúra

[1] Jasperneite, J. – Schumacher, M. – Weber, K.: Limits of increasing the performance of industrial ethernet protocols. In: IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation (EFTA 2007), Septembre 2007, pp. 17 – 24.

[2] Robert, J. – Georges, J.-P. – Rondeau, É. – Divoux, T.: Minimum cycle time analysis of ethernet-based real-time protocols. In: International Journal of Computers, Communications and Control, 2012, vol. 7, no. 4, pp. 743 – 757.

[3] Zuponcic, S. – Klecka, R. – Hantel, M. – Didier, P.: TSN Influences on ODVA Technologies: IEEE – 802.1, AVnu, IETF. ODVA, Tech. Rep., 2017.

Pokračovanie v ďalšom čísle.

Dietmar Bruckner
B&R Industrial Automation
dietmar.bruckner@br-automation.com

Rick Blair
Schneider Electric
rick.blair@schneider-electric.com

Marius-Petru Stanica
ABB Automation Products
marius-petru.stanica@de.abb.com

Astrit Ademaj
TTTech Computertechnik
astrit.ademaj@tttech.com

Wesley Skeffington
General Electric Company
wesley.skeffington@ge.com

Dirk Kutscher
Huawei Technologies
dirk.kutscher@huawei.com

Sebastian Schriegel
Fraunhofer IOSB-INA
sebastian.schriegel@iosb-ina.fraunhofer.de

R. Wilmes
Phoenix Contact Electronics
rwilmes@phoenixcontact.com

Karl Wachswender
Intel Corporation
karl.wachswender@intel.com

Ludwig Leurs
Bosch Rexroth
ludwig.leurs@boschrexroth.de

M. Seewald
Cisco Systems
maseewal@cisco.com

Rene Hummen
Hirschmann Automation and Control
rene.hummen@belden.com

Eric-C. Liu
Moxa
ericcc.liu@moxa.com

Siddharth Ravikumar
Kalycito Infotech
siddharth.r@kalycito.com