Waarom deterministische controle essentieel is voor moderne systemen

05
juli

De accumulerende argumenten voor deterministische controle

• Door:Brian McMorris
• EtherCat
• Commentaar:0

Door Dave Perkon, technisch redacteur
Herdruk van Control Design, 27 juni 2019

https://www.controldesign.com/articles/2019/the-accumulated-case-for-deterministic-control/

Wat moeten machinebouwers, systeemintegratoren en fabrikanten weten over tijdgevoelige netwerken (TSN)? In de eenvoudigste bewoordingen is het beter Ethernet.

Wat vroeger veel netwerken en gateways waren om aan de prestatie-eisen te voldoen, zal deterministische controle en informatie op één enkele kabel zijn.

Naast betere prestaties zal het eenvoudig te gebruiken zijn, maar de integrators en eindgebruikers ondersteunen graag de huidige oplossingen.

“Ik denk niet dat TSN de zaken ingewikkelder zal maken voor integrators die zich bezighouden met geavanceerde productie en robotica”, zegt Brian D McMorris, president van Futura Automation in Scottsdale, Arizona. "Wij zijn een integrator op de fabrieksvloer. We weten niet veel over de IT-wereld, maar onze bedrijfsstructuur en visie zijn gericht op Industrie 4.0, waarvan een groot deel op de fabrieksvloer wordt uitgevoerd. We bevinden ons bijvoorbeeld in de wereld van manufacturing-execution-system (MES) op applicatieniveau met de Tulip Interface-softwarelijn. We bieden veldservicemogelijkheden en helpen klanten bij het implementeren van de voordelen van een MES, geautomatiseerde onderhoudsbeheersystemen (CMMS) en kwaliteitsmanagementsystemen (QMS)."

Futura werkt met IT vooral aan de beveiligingskant, in termen van de cloudgebaseerde oplossing en de manier waarop de cloud-apps worden beveiligd. “Ik weet zeker dat het goed zou zijn als IEEE een door het bedrijf gesponsord protocol zoals EtherCAT zou omzetten in een wereldwijde open standaard onder auspiciën van een brancheorganisatie, maar ik zie momenteel niet echt enige tekortkomingen van EtherCAT, afgezien van de licentiekosten per apparaat voor het gebruik ervan”, zegt McMorris.

Hoewel McMorris de ontwikkelingen op het gebied van netwerktechnologie ondersteunt, ziet hij met EtherCAT niet veel beperkingen. “We gebruiken EtherCAT met onze Servotronix-aandrijvingen voor meerassige besturing van onze robots met open ontwerp – cartesiaans en delta”, zegt hij. “Het is een zeer snel bedrijfseigen netwerk met jitter van aanzienlijk minder dan 1 microseconde, maar het is alleen geschikt voor bepaalde harde en zachte real-time computervereisten in de automatiseringstechnologie.”

Doug Putnam-Pite, directeur softwareontwikkeling bij Owens Design in Fremont, Californië, waardeert dat propriëtaire netwerken zoals EtherCAT en CC-Link IE realtime communicatie bieden, maar hij erkent ook hun beperkingen. “Het nadeel van deze technologieën is dat ze alleen werken met besturingsapparaten die het protocol ondersteunen”, zegt Putnam-Pite. "Dit betekent dat je geen apparaten op hetzelfde netwerk kunt hebben die het protocol niet ondersteunen. Deze veldbusnetwerken moeten in de tool gescheiden worden van andere Ethernet-netwerken."

TSN kan apparaten die momenteel niet in realtime kunnen communiceren, dit wel toestaan. “Tijdgevoelige netwerken geven integrators meer opties voor het ontwerpen van besturingssystemen”, zegt Putnam-Pite. "Een tool met een tijdgevoelig netwerk kan mogelijk de controle decentraliseren, waardoor individuele apparaten in realtime rechtstreeks met elkaar kunnen communiceren, waardoor een bepaald niveau van controle kan worden overgedragen van een centrale toolcontroller. Bovendien kunnen pc's mogelijk op een semi-realtime manier communiceren met tijdgevoelige netwerkapparaten."

Voortgangsrapport

“Als machinebouwers, systeemintegrators en fabrikanten TSN willen inzetten, moet het worden opgenomen in protocollen voor industriële automatisering en worden ondersteund door een voldoende groot aantal leveranciers om een systeem samen te stellen”, zegt Paul Didier, TSN-testbedcoördinator, Industrial Internet Consortium (IIC, www.iiconsortium.org) en Internet of Things-oplossingsarchitect bij Cisco. “Dat is nog niet het geval, maar de industrie werkt er hard aan om dat doel te bereiken (Figuur 1).”

Figuur 1:Het testen van de talrijke onderdelen van TSN is in volle gang bij veel marktleiders op het gebied van netwerken, automatisering en elektronica.
(Bron:Industrieel Internetconsortium)

Er wordt gewerkt aan het definiëren van de set van ongeveer twaalf IEEE 802-standaarden, gericht op het aanpakken van het determinisme en de kwaliteit van de dienstverlening die nodig zijn voor TSN, zegt Dr. Al Beydoun, president van ODVA (www.odva.org). "Bovendien moet de interoperabiliteit behouden blijven. De voltooiing van het IEC/IEEE 60802 industriële profiel voor TSN is van cruciaal belang, en dit is de bedoeling voor medio 2021", zegt hij. “In de tussentijd zullen updates van netwerkspecificaties zoals de EtherNet/IP-specificatie pas worden afgerond als de onderliggende standaard van TSN is afgerond.”

Standaard Ethernet is niet deterministisch van opzet, zegt Michael Bowne, uitvoerend directeur bij PI North America. “Tijdgevoelige netwerken zijn een toolkit van ongeveer twintig IEEE-standaarden die gestandaardiseerd deterministisch Ethernet creëren”, legt hij uit. "Nu andere industrieën buiten de industriële automatisering geïnteresseerd zijn in deterministisch Ethernet, is er een grotere markt voor de hardware. Het idee is dat deze technologie uiteindelijk beschikbaar zal zijn via commerciële off-the-shelf (COTS) chips. Van de IEEE-standaarden in de TSN-toolbox hebben we er ongeveer een half dozijn geïdentificeerd die bijzonder relevant zijn voor industriële automatisering. Deze standaarden pakken het determinisme aan met functies als synchronisatie, lage latentie, hoge beschikbaarheid en robuustheid."

Het is belangrijk om de standaard goed te krijgen, en dat zal tijd vergen. “Zoals hierboven vermeld, is TSN een gereedschapskist met veel verschillende standaarden, en niet slechts één ding”, zegt Bowne. "Sommige zijn relevant voor industriële automatisering, en andere niet. Om ervoor te zorgen dat we niet eindigen met verschillende smaken van TSN in de industriële automatisering, is er een inspanning gestart die bekend staat als IEC/IEEE 60802. Deze wordt momenteel bemand door ingenieurs van grote en kleine automatiseringsleveranciers om harmonisatie tussen bedrijven te garanderen."

De digitale fabriek vereist interoperabiliteit en eenvoud in communicatie, zegt Armando Astarloa Cuéllar, CEO system-on-chip engineering bij Relyum. “TSN is de nieuwe generatie Ethernet die speciaal is ontworpen om aan deze eisen te voldoen”, zegt hij. Hoewel de introductie van TSN progressief zal zijn, afhankelijk van de sector, adopteren sommige cruciale sectoren, zoals de spoorwegen, de automobielsector en de lucht- en ruimtevaart, TSN als het standaard IT/OT-netwerk in hun nieuwe platforms.

Waarom zou je om TSN geven?

“Vanuit het perspectief van de gebruiker staat de status van tijdgevoelige netwerken op dit moment een beetje stil”, zegt Paul Brooks, business development manager, netwerken – IIPA, mondiale standaarden, OPC en tijdgevoelige netwerken, bij Rockwell Automation. “De TSN-standaarden in IEEE 802 zijn gepubliceerd, maar ze bieden alleen interoperabiliteit op functieniveau, niet op systeemniveau”, zegt hij. “Daarom ontwikkelen wij, vanuit het perspectief van de leveranciers, als industriële automatiseringsgemeenschap IEC/IEEE 60802, dat het industriële automatiseringsprofiel voor TSN zal bepalen om deze interoperabiliteit op systeemniveau te leveren.”

Alleen als deze standaarden worden vastgelegd, kunnen protocolorganisaties, zoals ODVA, dat profiel in specificaties publiceren, vervolgt Brooks. "Sommige bedrijven hebben pre-standaardproducten uitgebracht, en hoewel ze gebruikerswaarde zullen opleveren, is er geen garantie dat deze producten compatibel zullen zijn met de uiteindelijke standaard", zei hij.

In november 2018 kondigde OPC Foundation het Field Level Communication-initiatief aan, ondersteund door een zeer brede groep industriële en IT-spelers:onder meer ABB/B&R, Belden, Cisco, Huawei, Intel, Mitsubishi, Moxa, Rockwell Automation, Schneider Electric en Siemens, zegt Didier van Cisco. “De visie is om te streven naar een open, uniforme, op standaarden gebaseerde IIoT-communicatieoplossing tussen sensoren, actuatoren, controllers en de cloud die aan alle eisen van industriële automatisering voldoet”, zegt hij. “Het initiatief zal het werk van de OPC op het gebied van pub/sub- en TSN-communicatie omvatten (Figuur 2).”

Figuur 2:TSN-communicatie met OPC UA zorgt ervoor dat besturingsapplicaties kunnen werken op een open standaardnetwerk met een grote verscheidenheid aan ander verkeer en applicaties, van sensor tot cloud.
(Bron:Hilscher)

TSN zorgt ervoor dat alle besturingstoepassingen kunnen vertrouwen op een open, standaardnetwerk. "Dat netwerk kan ook een grote verscheidenheid aan andere soorten verkeer en applicaties ondersteunen. Deze convergentie en het vermogen om te communiceren, van sensor tot cloud, zijn de belangrijkste verbeteringen", zegt Didier.

“TSN is ontworpen om deterministische berichtenuitwisseling en real-time mogelijkheden via standaard Ethernet te bieden om de communicatie van informatie binnen een vaste en voorspelbare hoeveelheid tijd te garanderen”, legt Beydoun uit. "De belangrijkste toepassingen van TSN zullen die zijn die nauwkeurige timingcontrole en deterministisch netwerkgedrag vereisen. Ethernet TSN is echter gewenst in elke industriële toepassing waar een hogere bandbreedte en een snellere netwerkreactie gewenst zijn, zoals het geval is bij netwerktoepassingen die audio- en video-informatie overbrengen. De schaalbaarheid van TSN zal het streamen van pakketten met hoge bandbreedte met een gegarandeerde latentie bij hogere Gigabit-overdrachtssnelheden mogelijk maken."

Waarom heb ik TSN nodig?

“Veel integrators en machinebouwers twijfelen aan de noodzaak van TSN en beweren dat het bestaande industriële Ethernet en aanverwante protocollen, zoals EtherNet/IP, EtherCAT en Profinet, aan hun behoeften voldoen, dus ‘Waarom heb ik TSN nodig?’ is een veel voorkomende vraag”, zegt Bowne van PI North America. "Dit is een terechte, vooral omdat veel van de technieken die door TSN worden gebruikt (synchronisatie, bandbreedtereservering, planning) degene zijn die we al meer dan 15 jaar in Profinet gebruiken. Als TSN destijds had bestaan, zouden we het hebben overgenomen en onszelf veel technische inspanningen hebben bespaard. En toch heeft Profinet er altijd voor gezorgd dat snel controlegerelateerd verkeer naast ander informatiegerelateerd verkeer kon bestaan."

Precies hetzelfde principe is van toepassing op TSN, dus nogmaals, waarom heb je het nodig? “Het antwoord is subtiel en gerelateerd aan de toekomst van netwerken”, zegt Bowne. "Naarmate we het Industrie 4.0/Industrial-Internet-of-Things (IIoT)-domein betreden, zal er steeds meer informatie worden verstrekt aan systemen op een hoger niveau. Uiteindelijk lijkt het erop dat er enige afvlakking van het Purdue-model zal optreden. Hoewel TSN hier misschien niet de drijvende kracht achter is, kan het zeker een van de hulpmiddelen zijn om dit mogelijk te maken."

In de toekomst voorzien we dat naarmate steeds meer bandbreedte wordt gebruikt door IT-protocollen, TSN ervoor zal zorgen dat tijdgevoelig (vandaar de naam) OT-verkeer het determinisme krijgt dat het vereist, zelfs op netwerken die zijn geladen met ander IT-verkeer dat de beste inspanningen levert, legt Bowne uit. “Zolang ze allemaal een gemeenschappelijke TSN-basis delen, kunnen fabrikanten beginnen met het implementeren van geconvergeerde IT/OT-netwerken zonder zich zorgen te hoeven maken dat hun OT-verkeer wordt opgeofferd ten koste van IT-verkeer”, zegt hij. “We willen deze al lang bestaande filosofie voortzetten omdat we geloven in het gebruik van de juiste tool voor de juiste taak:het Profinet-protocol voor het verplaatsen van gegevens, andere protocollen, bijvoorbeeld OPC UA, voor het verplaatsen van informatie, allemaal op één draad.”

De routekaart voor OT/IT-integratie eindigt niet in een tussensituatie met een overvloed aan heterogene apparaten die via gateways zijn verbonden, zegt Cuéllar van Relyum. “In plaats daarvan verhoogt het de adoptie van een communicatietechnologie op linkniveau die voor beide werelden geldt”, zegt hij. “Op deze manier zou het haalbaar zijn voor een allesomvattende data-uitwisselingstopologie in een homogene fabriek, vergelijkbaar met een pijler (Figuur 3).”

Figuur 3:De automatiseringspijler toont duidelijke, snelle verbindingen tussen de I/O-apparaten en controllers op de fabrieksvloer met de fabriek, het bedrijfsniveau en de cloud.
(Bron:Belden via System-On-Chip Engineering)

Deze automatiseringspijler is gebaseerd op een blogpost met de titel "Wat is TSN? Een blik op zijn rol in toekomstige Ethernet-netwerken", door René Hummen, senior architect-technologie en innovatie, bij Belden.

In deze pijlercontext is het traditionele, op lagen gebaseerde communicatie- en cyberbeveiligingsplan niet langer geldig. “De elementen in het veld I/O zouden rechtstreeks communiceren met applicaties en services die mogelijk zijn in de externe cloud”, legt Cuéllar uit. "Het is dus van cruciaal belang om de communicatie tussen de verschillende apparaten te beveiligen. De real-time vereisten van TSN vormen een van de grote uitdagingen voor het beveiligen van dit soort netwerken, omdat traditionele IT-mechanismen voor cyberbeveiliging de overdracht van pakketten met de vereiste latentie niet kunnen garanderen."

TSN is geen protocol
TSN is gewoon weer een betere versie van Ethernet; het is geen protocol. “Wat verbetert is de infrastructuur waarop alle op Ethernet gebaseerde protocollen bestaan”, zegt Bowne van PI. "TSN bevindt zich op de datalinklaag (laag 2) van het IOS/OSI-model (Figuur 4). Protocollen bevinden zich op de applicatielaag (laag 7) van het ISO/OSI-model. Gateways vertalen gegevens tussen de verschillende protocollen of talen."

Afbeelding 4:TSN bevindt zich in de Data Link Layer 2 van het IOS/OSI-model en is geen protocol dat zich in Applicatielaag 7 bevindt.
(Bron:Pi Noord-Amerika)

TSN is ontworpen als aanvulling op de bestaande netwerkfunctionaliteit. “Netwerkfuncties die vandaag de dag beschikbaar zijn en betrouwbare werking leveren, zouden na de introductie van TSN op dezelfde manier beschikbaar moeten zijn”, zegt Brooks van Rockwell. “Het mag geen gedragsverandering afdwingen, tenzij er een nieuwe waarde is die die verandering rechtvaardigt (Figuur 5).”

Figuur 5:Een groot deel van de netwerkhardware en functionele betrouwbaarheid zullen na de introductie van TSN hetzelfde blijven, maar er zal waarde worden toegevoegd om de verandering te rechtvaardigen.
(Bron:Rockwell Automation)

Door de focus op EtherNet/IP zijn tijdgevoelige netwerken volledig onafhankelijk van het communicatieprotocol, vervolgt Brooks. “De taak van protocolorganisaties als ODVA en OPC Foundation is simpelweg om te definiëren hoe hun protocollen met TSN werken en TSN zo transparant mogelijk te maken voor de gebruiker”, zegt hij. “En ze moeten dit doen terwijl ze van bestaande quality-of-service-mechanismen zoals DSCP (differentiated services code point) een acroniem maken dat de meeste machinebouwers en systeemintegrators nooit zullen hoeven te begrijpen!”

Hoe kan TSN een aanvraag helpen?

“Als we allemaal ons werk goed doen, hoeft een machinebouwer of systeemintegrator helemaal niet veel met TSN te communiceren”, zegt Bowne van PI North America. "Het zal gemakkelijk te gebruiken zijn en transparant voor hun Profinet-gerelateerde taken op het gebied van engineering, configuratie en inbedrijfstelling. Het is gewoon een betere versie van het Ethernet dat vandaag de dag wordt gebruikt."

Tijdgevoelig netwerken is een hulpmiddel dat het afvlakken van netwerken eenvoudiger maakt, maar het is slechts een van de hulpmiddelen die dit mogelijk en praktisch maken, zegt Brooks van Rockwell. “Netwerksegmentatie is bijvoorbeeld het hart van een veilige netwerkarchitectuur”, legt hij uit. "Tijdgevoelig netwerken helpt niet bij segmentatie. Hiervoor moet je gerouteerde protocollen gebruiken, en TSN ondersteunt geen routering."

Als u echter meerdere streams met hoge bandbreedte door één enkele kabel laat gaan, kan TSN zeker de technische inspanningen verminderen die nodig zijn om te weten of de netwerkverbinding naar verwachting zal werken, legt Brooks uit. “Elk apparaat in een netwerk kan het verkeersvolume aankondigen en de periodieke snelheid waarmee dat verkeer naar de netwerkinfrastructuur wordt gestuurd”, zegt hij. "De netwerkinfrastructuur kan de netwerkbelasting plannen op basis van het totale verkeersvolume dat door het netwerk stroomt. Het kan ook netwerkbronnen beschermen om ervoor te zorgen dat dit verkeersvolume door het netwerk kan stromen."

TSN zorgt ervoor dat de verschillende IE-protocollen één enkel, onderling verbonden netwerk kunnen gebruiken voor alle industriële besturingstoepassingen, zoals I/O, veiligheid en beweging, en naast andere apparaten kunnen bestaan, bijvoorbeeld videocamera's en toepassingen, terwijl de deterministische netwerkvereisten behouden blijven waar besturingstoepassingen op vertrouwen, zegt Paul Didier van Cisco. “Op deze manier kunnen industriële IoT-toepassingen direct en veilig toegang krijgen tot eindapparaten om zeer relevante gegevens en informatie te extraheren die vaak niet door een gateway kunnen worden verwerkt”, zegt hij.

Over de auteur:Dave Perkon
Dave Perkon thumbDave Perkon is technisch redacteur voor Control Design. Hij heeft automatiseringsprojecten ontworpen en beheerd voor Fortune 500-bedrijven in de medische, automobiel-, halfgeleider-, defensie- en zonne-energie-industrie.