OPC UA TSN – nové riešenie priemyselnej komunikácie (2)

V prvej časti seriálu sme popísali vývoj koncepcie automatizačnej pyramídy, porovnávali sme cykly časov rôznych priemyselných zberníc a typy prenosu v priemyselných sieťach.

Nastavenie

Výpočty teoretických odhadov výkonnosti a definovanie požiadaviek na dopravnú triedu sú jedna vec – implementácia v reálnom svete s hardvérovými a/alebo softvérovými obmedzeniami je niečo úplne iné. 100 Mbit priemyselné ethernetové technológie dosiahli veľmi vysokú úroveň zrelosti, čo znamená, že takmer všetky súčasné zariadenia sú schopné poskytovať plnú sieťovú výkonnosť. Pre Gbit technológie to zatiaľ neplatí. Ako bolo spomenuté vyššie, Gbit zvyšuje výkon približne o faktor 10 v prepínateľných sieťach. Agregácia rámcov, optimalizované záhlavia a veľmi nízke oneskorenie prerušenia môžu priniesť ďalšie zlepšenie približne o faktor 2.

Aby bolo možné využiť tento výkon v skutočnom produkte, treba optimalizovať mnohé jeho súčasti.
Mnohé prototypové zariadenia už implementovali a testovali aj autori tohto príspevku, napríklad v testovacom prípravku IIC. Pre potreby tohto príspevku boli použité dva z týchto prototypov: jeden založený na jednoportovom priemyselnom počítači s operačným systémom Linux a jeden ako zabudovaný v podobe hlavnej stanice modulárneho V/V bloku s dvomi externými sieťovými portmi, tiež bežiaci na Linuxe.

Obr. 3 znázorňuje hlavnú topológiu testovacieho zariadenia pomocou týchto zariadení, zatiaľ čo obr. 4 znázorňuje fotografiu testovacieho zariadenia. Skladá sa z 200 zabudovaných uzlov (B&R) s digitálnymi V/V modulmi a jedným priemyselným počítačom. Okrem toho obsahuje päť kamier Full HD (Mobotix) a štandardný priemyselný operátorský panel. Použili sa aj priemyselné TSN prepínače (TTTEch). V štyroch linkách po 50 zariadeniach je rozmiestnených celkovo 200 zariadení. Dosiahnuteľný výkon bude uvedený v ďalšom pokračovaní seriálu.

Normy a technológie

Na obr. 5 sú znázornené protokoly a služby, ktoré používa OPC UA TSN, a ich prepojenie s vrstvami referenčného modelu ISO/OSI. V nasledujúcej časti budú uvedené požiadavky a vlastnosti jednotlivých vrstiev.

Fyzická vrstva

Nasledujúce fyzické médiá sú najrozšírenejšie v priemyselných sieťach, a preto ich ponúka väčšina dodávateľov:

Na báze medi:

  • Fast Ethernet (100BASE-T/T1),
  • gigabitový ethernet (1000BASE-T/T1).

Na báze optických vlákien:

  • Fast Ethernet (100BASE-SX),
  • gigabitový ethernet (1000BASE-SX).

Na automatizáciu procesov bola založená pracovná skupina na vývoj 10-Mbit ethernetu využívajúceho skrútenú dvojlinku (10SPE). Toto prenosové médium by mohlo uľahčiť nasadenie ethernetu aj na menšie a lacnejšie snímače a ovládacie zariadenia, ako aj do nebezpečnej zóny 1.

Linková údajová vrstva

Označenie TSN [4, 5] sa vzťahuje na skupinu noriem, ktoré sa aktuálne kreujú v rámci pracovnej skupiny IEEE 802.115 zameranej na časovo citlivé siete (http://www.ieee802.org/1/pages/tsn.html). Treba poznamenať, že norma 802.1 sa zaoberá štandardizáciou ethernetových prepínačov (nazýva ich mosty) a 802.3 štandardizuje ethernetové koncové body.

V nasledujúcej časti sú uvedené normy týkajúce sa priemyselnej komunikácie:

IEEE 802.1AS-Rev

Profil na časovú synchronizáciu opísaný v IEEE 1588-2008 bol vyvinutý a prijatý na riešenie väčších ethernetových systémov, pričom výsledkom bola norma IEEE 802.1AS [6]. Bohužiaľ, tieto dve normy nie sú kompatibilné. Preto bola v rámci pracovnej skupiny TSN vytvorená revízia IEEE 802.1AS (.1AS-Rev [7]), ktorá sa zaoberá mechanizmami redundancie hlavných systémov a domén viacerých hodín [napr. súčasná distribúcia pracovného času (základ izochrónneho prenosu) a hlavné hodiny (napríklad správy o zázname údajov)]. V súvislosti s. 1AS-Rev aktuálne prebieha hlasovanie na úrovni sponzorov; dôrazne odporúčame výrobcom strojov, prevádzkovým a procesným manažérom automatizácie implementovať. 1AS (namiesto IEEE 1588) pre schopnosť vzájomnej spolupráce a lepšej previazanosti na očakávané finálne riešenie. 802.1AS je predvolené riešenie podporované združením AVnu a pracovnou skupinou IEEE TSN.

EEE 802.1Qbv

Používa sa na izochrónny prenos s garanciou reálneho času. Špecifikuje prenosové okná (z hľadiska časových hodnôt „otvorené a zatvorené brány“), aby sa zaručilo ohraničené oneskorenie a nízke kolísanie rýchlosti reakcie (jitter) [8]. Qbv tiež dáva výstupom pravidelne uprednostňovaný prístup na linku, takže sa môže použiť aj na poskytovanie záruk na šírku pásma.

IEEE 802.1Qav

Možno použiť na periodický prenos, na zaručenie rezervácie šírky pásma a obmedzeného oneskorenia pre určité prenosové triedy [9]. Primárnou aplikačnou oblasťou je audio/video vysielanie. Vzhľadom na použitý protokol na rezerváciu vysielania by bolo lákavé použiť tento profil aj na cyklickú výmenu procesných údajov bez predchádzajúcej konfigurácie, ale dynamicky dopĺňané vysielanie ovplyvňujú záruky tých, ktoré sú už nakonfigurované (bez ich upozornenia), čo znemožňuje predpovedať správanie v dlhších časových úsekoch v konvergovaných sieťach, kde sa aktualizuje systém (a prevádzkové zaťaženie).

IEEE 802.1Qcc

Táto norma špecifikuje protokoly, postupy a spravované objekty používané na konfiguráciu TSN, hlavne v už spustenom systéme.

Existujú tri modely konfigurácie:

  1. plne centralizovaný model – vhodný pre všetky TSN mechanizmy a potrebný pri použití Qbv (pozri obr. 6),
  2. plne distribuovaný model – vhodný vtedy, ak nie sú potrebné žiadne plánované zmeny (alebo ak nie sú použité žiadne mechanizmy Qbv),
  3. model Centralizovaná sieť/Distribuovaný používateľ.

Keďže sa v priemyselných sieťach často používa izochrónna prevádzka (obr. 7), použitie mechanizmu Qbv je nevyhnutné, a preto používame úplne centralizovaný konfiguračný model. Tento model špecifikuje funkcie CUC (Centralized User Configuration) a CNC (Centralized Network Configuration) [10]. CUC špecifikuje požiadavky používateľov týkajúce sa času cyklov a prenášaných procesných dát a odovzdáva ich CNC. Následne CNC vypočítava konfiguráciu TSN vrátane plánov komunikácie potrebných na splnenie požiadaviek použitím štandardizovaných modelov YANG (https://tools.ietf.org/html/rfc6020).

CNC distribuuje konfiguráciu na prepínače (mosty) pomocou protokolu správy založeného na modeli YANG (ako napríklad NETCONF – cez bezpečnostný protokol transportnej vrstvy TLS20). CNC posiela konfiguráciu koncového bodu do CUC. Na komunikáciu medzi CUC a CNC (ak sú oba umiestnené na jednom zariadení, napríklad inžiniersky nástroj alebo PLC, komunikácia CUC – CNC nemusí nutne zahŕňať protokol) sa použije protokol RESTCONF (https://tools.ietf.org/html/rfc8040) postavený na technológii http. CUC potom distribuuje konfiguráciu koncového bodu na zodpovedajúce koncové body.

IEEE 802.1CB

Používa sa na zabezpečenie bezproblémovej redundancie sietí s kruhovou topológiou a samoorganizujúcich sa sietí [11]. .1CB umožňuje plánovanie redundancie na základe dátového toku, čo umožňuje oveľa lepšiu efektívnosť šírky pásma ako staršie riešenia redundancie.
V ďalšej časti sa budeme zaoberať opisom ďalších noriem, aplikačnou vrstvou a dodatočne vyžadovanými funkciami.

Literatúra

[4] Gardiner, E.: Theory of Operation for TSN-enabled Systems. In: AVnuAlliance, Tech. Rep., 2017, č. 2.
[5] Hummen, R. – Kehrer, S. – Kleineberg, O.: White paper: TSN – Time Sensitive Networking. In: Belden, Tech. Rep., 2017, č. 2.
[6] IEEE Std 802.1AS-2011: Standard for local and metropolitan area networks – timing and synchronization for time-sensitive applications in bridged local area networks. In: IEEE, New York, USA, Standard, 2011, č. 3.
[7] IEEE Std 802.1AS-Rev-2018: Standard for local and metropolitan area networks – timing and synchronization for time-sensitive applications. In: IEEE, New York, USA, Standard.
[8] IEEE Std 802.1Qbv-2016: Standard for local and metropolitan area networks-media access control (mac) bridges and virtual bridged local area networks amendment: Enhancements for scheduled traffic. In: IEEE, New York, USA, Standard, 2016, č. 3.
[9] IEEE Std 802.1Qav-2010: Standard for local and metropolitan area networks – virtual bridged local area networks – amendment: Forwarding and queuing enhancements for time-sensitive streams. In: IEEE, New York, USA, Standard, 2010, č. 1.

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