Duże przemysłowe sieci komunikacyjne działające w czasie rzeczywistym stawiają przed ich operatorami poważne wyzwania. Wraz ze wzrostem liczby stacji wzrasta również złożoność i koszt projektowania. Wyzwania te są często potęgowane koniecznością integracji niejednorodnego schematu protokołów. Nadzieję na znaczną poprawę w tym względzie daje połączenie technologii OPC UA z rozszerzeniem standardu Ethernet znane jako rozwiązania sieciowe zmienne w czasie (Time-Sensitive Networking, TSN). Obecnie przeprowadzane są liczne testy związane z wdrażaniem OPC UA TSN.
Od kilkunastu lat produkcja przemysłowa opiera się na różnych zastrzeżonych protokołach przemysłowego Ethernetu, mających zapewnić szybką i niezawodną komunikację. W tym czasie operatorzy maszyn i urządzeń, aż nazbyt często musieli mierzyć się z zadaniem zintegrowania szeregu protokołów w kompleksową sieć. To niezwykle czasochłonne i kosztowne przedsięwzięcie", mówi Sebastian Sachse, kierownik ds. technologii w dziale automatyki otwartej w B&R. „Byłoby o wiele łatwiej, gdyby wszystkie maszyny po prostu mówiły tym samym językiem.”
Oprócz kwestii odmiennych protokołów, producenci muszą również zmagać się z problemem szybko rosnącej liczby stacji sieci. Konfigurowanie dużej sieci w czasie rzeczywistym jest pracochłonnym procesem, który może szybko wyczerpać możliwości narzędzi inżynieryjnych. Wraz z wdrażaniem Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT), sieci z setkami stacji sieci fieldbus stają się coraz bardziej powszechne.
Konsorcjum Internetu Przemysłowego
W marcu 2014 r. pięć firm – AT&T, Cisco, General Electric, Intel i IBM – utworzyło Konsorcjum Przemysłowego Internetu (IIC). Wśród celów niekomercyjnych Konsorcjum jest definiowanie rekomendowanych architektur i ram umożliwiających współdziałanie.
Jednym z głównych problemów, którymi zajmuje się IIC jest Przemysłowy Internet Rzeczy. Inne obszary to opieka zdrowotna, transport i finanse. Działalność IIC polega nie tyle na opracowaniu samych standardów, co na współpracy z takimi organizacjami jak IEEE, IETF, AVNU Alliance i OPC Foundation.
Platforma testowa TSN
„Jeśli chodzi o Przemysłowy Internet Rzeczy, jeden aspekt IIC jest szczególnie interesujący, mianowicie platforma TSN”, zauważa Sachse. „Potrzebna jest nam technologia, która sprawia, że sieci maszyn i urządzeń stają się bardziej modułowe, elastyczne i łatwiejsze w obsłudze. Na rynku panuje dość zgodna opinia, że technologią taką jest OPC UA TSN”. Rozwój OPC UA to domena OPC Foundation, natomiast Konsorcjum Internetu Przemysłowego mocno angażuje się we wdrażanie TSN.
Firma B&R wcześnie dostrzegła potencjał TSN, stąd jej decyzja o włączeniu się w działania IIC. „Konsorcjum było pierwszą organizacją, która rozpoczęła testowanie TSN w warunkach rzeczywistych”, wyjaśnia Sachse. Od tego czasu, jako firma będąca specjalistą w automatyzacji, B&R wspiera rozwój technologii poprzez udział w testowaniu TSN i ocenianiu zgodności operacyjnej własnych prototypów OPC UA TSN z prototypami innych członków Konsorcjum. Od maja 2017 r. członkami są: B&R, Bosch Rexroth, Schneider Electric, National Instruments, Kuka, Sick, Cisco, Intel, Belden/Hirschmann, Hilscher, Renesas Electronics, Analog Devices, TTTech i Xilinx. Pozostali uczestnicy to między innymi: Calnex, Ixia, ISW Stuttgart University i Phoenix Contact.
Sukcesywne testowanie podstawowych możliwości TSN
TSN jest rozszerzeniem standardu Ethernet, przynoszącym szereg udoskonaleń, których efektem będzie rozszerzenie możliwości standardu związanych z pracą w czasie rzeczywistym. Uczestnicy platformy testowali kolejno trzy podstawowe funkcje: synchronizację czasową, harmonogramowanie ruchu (precyzyjnie zsynchronizowane wysyłanie pakietów danych i ramek) oraz automatyczną konfigurację systemu z centralnym konfiguratorem sieci (CNC).
Podstawowy wymóg wdrożenia TSN w komunikacji przemysłowej w czasie rzeczywistym to synchronizacja czasowa zgodnie ze standardem 802.1AS-Rev. Standard ten zawiera definicje precyzyjnego protokołu czasu (PTP), który synchronizuje zegary wszystkich urządzeń w sieci. W konfiguracjach testowych PTP wykazał lepsze wyniki od spodziewanych, umożliwiając uzyskanie dokładności poniżej 100 nanosekund.
Drugą podstawową możliwością TSN ocenianą w testach była zaplanowana transmisja pakietów danych i ramek, określona w standardzie IEEE 802.1 Qbv. Program szeregujący (A Time-Aware Scheduler) zapewnia stałe priorytetowe traktowanie danych, dla których czynnik czasu jest krytyczny i zapobiega ich blokowaniu przez ogólny ruch sieciowy.
Konfiguracja dynamiczna
Sieć używana w pierwotnych testach miała konfigurację statyczną. W obecnie przeprowadzanych testach badana jest konfiguracja dynamiczna zdefiniowana w standardzie IEEE 802.1 Qcc. Po dodaniu do sieci nowego urządzenia jest ono rejestrowane w centralnym konfiguratorze sieci, który nawiązuje połączenie z innymi urządzeniami i odpowiednio zmienia konfigurację sieci.
Poszczególne elementy TSN doskonale współpracują ze sobą – nie tylko w teorii, ale także w testach rzeczywistych – umożliwiając komunikację w czasie rzeczywistym z użyciem standardowych komponentów Ethernet. Platforma testowa TSN składa się obecnie z dwóch instalacji – jedna znajduje się w National Instruments w Austin w Teksasie, a druga w firmie Bosch Rexroth w Erbach w Niemczech. W kwietniu 2017 roku niemieckie stowarzyszenie Labs Network Industrie 4.0 (LNI 4.0) ogłosiło plan utworzenia własnej platformy testowej TSN we współpracy z centrum kompetencyjnym Mittelstand 4.0 w Augsburgu. Mittelstand 4.0 jest niemiecką inicjatywą mającą na celu wspieranie transformacji cyfrowej małych i średnich przedsiębiorstw w Niemczech.
Zespół zakłada skonstruowanie mobilnej instalacji demo, którą będzie można przewozić samochodem ciężarowym. Mimo różnicy w stosowanych podejściach, IIC i LNI 4.0 mają wspólny cel: osiągnięcie 100-procentowej zgodności operacyjnej. Współpraca między tymi dwoma ośrodkami jest już na etapie planowania. B&R będzie również uczestniczyć w platformie testowej LNI.
Technologia „plug-and-produce” („podłącz i produkuj”)
„Platforma testowa IIC wyraźnie wykazuje tendencję skracania cyklów innowacji”, mówi Sachse. Przygotowania do uruchomienia platformy testowej rozpoczęły się zaledwie dwa lata temu, a tymczasem pierwsze podstawowe funkcje już osiągnęły etap dojrzałości technologicznej. „Jak na całkowicie nową technologię, tempo jest zdumiewająco szybkie.”
Rynek przechodzi zasadniczą metamorfozę. Dostawcy układów sterowania zawsze starali się wyróżniać na tle innych stosowaną technologią komunikacyjną. „To należy już do przeszłości”, twierdzi Sachse. OPC UA TSN będzie służyć jako jednolity standard na potrzeby bezproblemowej komunikacji powyżej poziomu kontrolera.
Dzięki nowo zyskanej zgodności operacyjnej, oddanie urządzenia do eksploatacji będzie sprowadzać się praktyczne do podłączenia kabla do sieci. „Witamy w epoce plug-and-produce”, uśmiecha się Sachse.
 | Sebastian Sachse, Kierownik ds. technologii w dziale otwartej automatyzacji B&R „Potrzebna jest nam technologia, która sprawia, że sieci maszyn i urządzeń stają się bardziej modułowe, elastyczne i łatwiejsze w obsłudze. Na rynku panuje dość zgodna opinia, że technologią taką jest OPC UA TSN”. |