Het belang van het gebruik van realtime gegevens om moderne industriële applicaties te besturen

De planner van een conventioneel besturingssysteem (OS) op hoog niveau, zoals Windows of macOS, heeft als doel het CPU-gebruik te maximaliseren. In dit scenario willen meerdere gebruikers mogelijk veel toepassingen tegelijk uitvoeren. Alle onderliggende processen en threads zouden hun behoorlijke deel van de CPU-tijd moeten krijgen.

Figuur 1 . Een afbeelding van een industrieel besturingssysteem. Afbeelding gebruikt met dank aan Pixabay

Een realtime besturingssysteem heeft daarentegen andere doelen. Dit besturingssysteem moet ervoor zorgen dat elke thread strikt binnen een vooraf bepaald tijdsbestek en in een geldige volgorde wordt uitgevoerd. Het maximaliseren van het CPU-gebruik en de gegevensdoorvoer zonder rekening te houden met de timing en uitvoeringsvolgorde is niet voldoende als u te maken hebt met real-world tijdsbeperkingen die vaak worden aangetroffen in industriële toepassingen.

In dit artikel wordt onderzocht wat technici kunnen doen bij het ontwerpen van een toepassing die een hoge gegevensdoorvoer, nauwkeurige latentie en jittercontrole vereist.

Verschillende machines en hun netwerkbehoeften

Een puur realtime systeem is vaak de oplossing als je kijkt naar een enkel apparaat dat geïsoleerd is van de rest van zijn omgeving.

Moderne fabrieksvloeren omvatten echter veel meer dan alleen de machines in de productiehal. Omdat het industriële internet der dingen (IIoT), Industrie 4.0 en edge computing de afgelopen jaren gestaag zijn toegenomen, worden de communicatievereisten binnen één productiehal complexer. Dit komt deels door de toename van aangesloten apparaten, maar de verschillende communicatie-eisen van elk apparaat spelen ook een belangrijke rol.

In deze context gebruiken ingenieurs vaak de termen operations technology (OT) en informatietechnologie (IT) om de twee belangrijkste onderscheiden categorieën van netwerkcommunicatie te classificeren. OT is tijdkritisch verkeer dat bijvoorbeeld van de ene machine naar een robotarm wordt gestuurd wanneer een onderdeel klaar is om opgehaald te worden. Hier moet de informatie alle ontvangers binnen een bepaald tijdsbestek bereiken.

Figuur 2 . Een industrieel netwerk van machines.

IT daarentegen vereist vaak een hogere datadoorvoer. Meestal zijn dit gegevens zoals videostreams van bijvoorbeeld een beveiligingscamera of kantoortoepassingen zoals e-mail. In IT gaat het om de doorvoer. Betrouwbaarheid, latentie en jitter zijn vaak secundaire zorgen.

Ingenieurs willen één enkel netwerk ontwerpen dat in staat is om te voldoen aan de vereisten van zowel IT- als OT-verkeer zonder al te veel complexiteit en kosten toe te voegen - een vorig artikel besprak de twee concepten in meer detail. Het onderzoekt verder hoe tijdgevoelig netwerken (TSN) helpt bij het oplossen van de problemen van het samenvoegen van IT- en OT-verkeer op hetzelfde netwerk en onderzoekt hoe netwerkhardware, zoals de Layerscape LS1028A, ingenieurs helpt bij het ontwerpen van moderne industriële oplossingen.

Waarom OT en IT hand in hand gaan:een toepassingsvoorbeeld

Realtime en niet-realtime functies zijn niet langer gescheiden in moderne industriële controlesysteemomgevingen. In plaats daarvan moeten realtime en niet-realtime functies hand in hand werken om ervoor te zorgen dat een productiefaciliteit efficiënt en correct functioneert.

Een energiecentrale kan worden gezien als een concreet voorbeeld dat bestaat uit honderden apparaten die allemaal met verschillende standaarden kunnen worden aangesloten. Zo rapporteren verschillende sensoren periodiek realtime hun meetwaarden. Dergelijke sensoren kunnen omvatten, maar zijn niet beperkt tot, temperatuursensoren, druksensoren en apparaten die schadelijke gassen detecteren die een proces zou kunnen produceren.

Figuur 3. Manometers in een melkfabriek.

De gegevens van die sensoren zijn mogelijk alleen geldig, nauwkeurig en nuttig voor een korte periode, meestal totdat het apparaat de volgende uitlezing levert. Daarom moet het eerste toegangspunt dat de sensorgegevens verzamelt en aggregeert, dit in realtime kunnen doen.

In dit voorbeeld zitten de sensoren ver uit elkaar en op moeilijk bereikbare plekken. Ze zijn verbonden via een draadloos netwerk en het eerste toegangspunt dat met de sensoren communiceert, moet realtime-mogelijkheden hebben.

Naast sensoren bevatten machines in de fabriek tal van input/output (I/O) modules die bijvoorbeeld worden aangesloten op actuatoren. In dit geval besloten de ingenieurs van de energiecentrale om een ​​bekabeld netwerk te gebruiken om de I/O-modules en programmeerbare logische controller (PLC) aan te sluiten.

De I/O-modules, actuatoren en PLC werken allemaal in realtime en er is een realtime communicatiebrug vereist om de apparaten aan te sluiten. De I/O-modules vereisen waarschijnlijk een microcontroller met bare-metal code, en de PLC en communicatiebrug zullen een microprocessor gebruiken waarop een realtime besturingssysteem draait, zoals de realtime edge-software van NXP.

IT-systemen verderop in de stroom verzamelen statistieken, bewaken het algehele systeem en verzenden videogegevens van camera's. Deze systemen hebben geen realtime besturingssysteem. Evenzo gebeurt de overdracht van gegevens van en naar het IT-systeem niet in realtime.

Een softwareoplossing die OT en IT ondersteunt

Naast het netwerkaspect zou het voordelig zijn om IT- en OT-activiteiten op één processor samen te voegen. Dit zou de algehele systeemcomplexiteit en -kosten verminderen in vergelijking met een speciale processor voor tijdkritieke taken en een processor die alleen andere, minder kritieke bewerkingen uitvoert. Een realtime besturingssysteem speelt een sleutelrol in tijdkritische toepassingen.

Figuur 4. Een blokschema van de realtime edge-software van NXP. Afbeelding gebruikt met dank aan NXP

Sommige bestaande softwareoplossingen stellen ingenieurs in staat om veilige, schaalbare en onderhoudbare tijdkritische applicaties te bouwen met behulp van open-source Linux. Met hun realtime edge-software biedt NXP een veilige en betrouwbare realtime-omgeving voor applicaties die een deterministische latentie en voorspelbare jitter vereisen.

Typische toepassingen zijn aangesloten apparaten in verschillende vakgebieden, zoals industriële besturing, gebouwautomatisering, autobesturing, veiligheid en infotainmentsystemen.

Samenvatting

Veel commerciële systemen vereisen nauwkeurige timing en deterministische latentie bij communicatie met andere apparatuur. Naarmate het aantal aangesloten apparaten toeneemt, zoeken technici naar een manier om OT- en IT-verkeer op één netwerk te integreren. OT-verkeer vereist vaak een betrouwbare realtime netwerkinfrastructuur, terwijl IT-gegevens vaak een hoge doorvoersnelheid nodig hebben.

De realtime software van NXP creëert netwerken die OT- en IT-verkeer op één lijn kunnen samenvoegen met behulp van TSN Ethernet. Dit kan de complexiteit en de totale kosten van het netwerk verminderen. NXP biedt ook realtime edge-software die bestaat uit drie hoofdbouwstenen, die elk verschillende belangrijke aspecten van realtime communicatie ondersteunen.