Waarom Deterministische Control Essentieel Is voor Moderne Systemen

De Opbouwende Case voor Deterministische Control

Door Dave Perkon, Technische Editor
Herpubliceerd vanuit Control Design, 27 juni 2019

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

Wat moeten machinebouwers, systeemintegrators en fabrikanten weten over time-sensitive networking (TSN)? In de eenvoudigste termen: het is betere Ethernet.

Wat vroeger veel netwerken en gateways vereiste om prestatie-eisen te halen, zal deterministische controle en informatie op een enkele kabel zijn.

Naast betere prestaties, zal het gemakkelijk te gebruiken zijn, maar integrators en eindgebruikers zijn blij om huidige oplossingen te ondersteunen.

"Ik denk niet dat TSN dingen zal compliceren voor integrators betrokken bij geavanceerde productie en robotica," zegt Brian D McMorris, president bij Futura Automation in Scottsdale, Arizona. "We zijn een fabrieksvloer-integrator. We weten niet veel over de IT-wereld, maar onze bedrijfsstructuur en visie is gericht op Industry 4.0, waarvan veel op de fabrieksvloer wordt uitgevoerd. Bijvoorbeeld, we zijn in de manufacturing-execution-system (MES) wereld op applicatieniveau met de Tulip Interface softwarelijn. We bieden veldservice-mogelijkheden en helpen klanten de voordelen van een MES, computerized maintenance management systems (CMMS) en quality management systems (QMS) te implementeren."

Futura werkt met IT voornamelijk op de beveiligingskant, in termen van hun cloud-gebaseerde oplossing en hoe de cloud-apps beveiligd zijn. "Ik ben er zeker van dat het goed zal zijn om IEEE een bedrijfs-gesponsord protocol zoals EtherCAT om te zetten in een wereldwijde open standaard onder de auspiciën van een branchevereniging, maar ik zie eigenlijk geen tekortkomingen van EtherCAT vandaag, behalve de licentiekosten per apparaat voor het gebruik," zegt McMorris.

Terwijl McMorris ontwikkelingen in netwerktechnologie ondersteunt, heeft hij met EtherCAT niet veel beperkingen gezien. "We gebruiken EtherCAT met onze Servotronix drives voor multi-asbesturing op onze open-ontwerp robots – cartesiaans en delta," zegt hij. "Het is een heel snel proprietair netwerk met jitter aanzienlijk minder dan 1 microseconde, maar het is alleen geschikt voor bepaalde harde en zachte real-time computing vereisten in automatiseringstechnologie."

Doug Putnam-Pite, director of software development bij Owens Design in Fremont, California, waardeert dat proprietaire netwerken zoals EtherCAT en CC-Link IE real-time communicatie bieden, maar 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 fieldbus-netwerken moeten gescheiden worden van andere Ethernet-netwerken in de tool."

TSN kan toestaan dat apparaten die momenteel niet in real-time kunnen communiceren, dit wel kunnen. "Time-sensitive networking geeft integrators meer opties over hoe controle-systemen te architecten," zegt Putnam-Pite. "Een tool met een time-sensitive network kan in staat zijn om controle te decentraliseren, waardoor individuele apparaten direct met elkaar in real-time kunnen communiceren, waardoor een bepaald niveau van controle kan worden afgeladen van een centrale tool-controller. Bovendien kunnen PCs mogelijk op een semi-real-time manier communiceren met time-sensitive network apparaten."

Voortgangsrapport

"Voor machinebouwers, systeemintegrators en fabrikanten om TSN te implementeren, moet het geïntegreerd worden in industriële-automatiseringsprotocollen en ondersteund worden door een voldoende brede set leveranciers om een systeem samen te stellen," zegt Paul Didier, TSN testbed coordinator, Industrial Internet Consortium (IIC, www.iiconsortium.org), en Internet of Things solution architect bij Cisco. "Dat is nog niet het geval, maar de industrie werkt hard om dat doel te bereiken (Figuur 1)."

Figuur 1: Testen van de talrijke onderdelen van TSN is goed bezig door veel van de industrie-leiders in netwerken, automatisering en elektronica.
(Bron: Industrial Internet Consortium)

Er wordt gewerkt aan de definitie van de set van ongeveer 12 IEEE 802 standaarden gericht op het adresseren van de determinisme en kwaliteit van service vereist voor TSN, zegt Dr. Al Beydoun, president van ODVA (www.odva.org). "Daarnaast moet interoperabiliteit behouden blijven. Voltooiing van het IEC/IEEE 60802 industriële profiel voor TSN is cruciaal, en dit is gericht op midden-2021," zegt hij. "In de tussentijd zullen updates aan netwerkspecificaties zoals de EtherNet/IP specificatie niet gefinaliseerd worden totdat de onderliggende standaard van TSN gefinaliseerd is."

Standaard Ethernet is niet deterministisch van ontwerp, zegt Michael Bowne, executive director bij PI North America. "Time-sensitive networking is een toolkit van ruwweg twee dozijn IEEE standaarden die gestandaardiseerde deterministische Ethernet creëren," legt hij uit. "Nu andere industrieën buiten industriële automatisering geïnteresseerd zijn in deterministische Ethernet, is er een grotere markt voor de hardware. Het idee is dat deze technologie uiteindelijk beschikbaar zal zijn van commerciële off-the-shelf (COTS) chips. Van de IEEE standaarden in de TSN toolbox, hebben we ruwweg een half dozijn geïdentificeerd die bijzonder relevant zijn voor industriële automatisering. Deze standaarden adresseren determinisme met functies zoals synchronisatie, lage latentie, hoge beschikbaarheid en robuustheid."

Het is belangrijk de standaard goed te krijgen, en dat zal tijd kosten. "Zoals hierboven vermeld, is TSN een toolbox van veel verschillende standaarden, en niet één ding," zegt Bowne. "Sommige zijn relevant voor industriële automatisering, en sommige niet. Om te garanderen dat we niet eindigen met verschillende smaken van TSN in industriële automatisering, is een inspanning gestart bekend als IEC/IEEE 60802. Het wordt momenteel bemand door ingenieurs van automatiseringsleveranciers groot en klein om harmonisatie tussen bedrijven te garanderen."

De digitale fabriek eist interoperabiliteit en eenvoud in communicatie, zegt Armando Astarloa Cuéllar, CEO, system-on-chip engineering, bij Relyum. "TSN is de nieuwe-generatie Ethernet ontworpen om die vereisten uitdrukkelijk te voldoen," zegt hij. Hoewel de introductie van TSN progressief zal zijn afhankelijk van de sector, nemen sommige kritieke zoals spoorweg, automotive of aerospace, TSN aan als de standaard IT/OT netwerk in hun nieuwe platforms.

Waarom zou je je moeten verzwaren over TSN?

"Van het gebruikersperspectief, op dit moment, is de status van time-sensitive networking een beetje in een stilstand," zegt Paul Brooks, business development manager, networks—IIPA, globale standaarden, OPC en time-sensitive networking, bij Rockwell Automation. "De TSN standaarden in IEEE 802 zijn gepubliceerd, maar ze bieden alleen feature-level interoperabiliteit, geen system-level interoperabiliteit," zegt hij. "Daarom, vanuit het leveranciersperspectief, ontwikkelen we als de industriële automatiseringsgemeenschap IEC/IEEE 60802, wat het industriële automatiseringsprofiel voor TSN zal bepalen om deze system-level interoperabiliteit te leveren."

Erst wanneer deze standaarden vastliggen, zullen protocolorganisaties, zoals ODVA, in staat zijn om dat profiel in specificaties te publiceren, vervolgt Brooks. "Sommige bedrijven hebben pre-standaard producten uitgebracht, en, hoewel ze gebruikerswaarde zullen leveren, is er geen garantie dat deze producten compatibel zullen zijn met de finale standaard," zei hij.

In november 2018 kondigde OPC Foundation de Field Level Communication initiatief aan ondersteund door een heel brede set industriële en IT-spelers: ABB/B&R, Belden, Cisco, Huawei, Intel, Mitsubishi, Moxa, Rockwell Automation, Schneider Electric, Siemens, onder anderen, zegt Cisco's Didier. "De visie is om te streven naar een open, geünificeerde, standaards-gebaseerde IIoT communicatieoplossing tussen sensoren, actuatoren, controllers en cloud die alle vereisten van industriële automatisering adresseren," zegt hij. "De initiatief zal OPC's werk op pub/sub en TSN communicatie incorporeren (Figuur 2)."

Figuur 2: TSN communicatie met OPC UA zal controle-applicaties in staat stellen om te werken op een open, standaard netwerk met een grote verscheidenheid aan ander verkeer en applicaties – sensor naar cloud.
(Bron: Hilscher)

TSN stelt alle controle-applicaties in staat om te vertrouwen op een open, standaard netwerk. "Dat netwerk kan ook een enorme verscheidenheid aan andere typen verkeer en applicaties ondersteunen. Deze convergentie en de mogelijkheid om te communiceren, sensor naar cloud, zijn de sleutelverbeteringen," zegt Didier.

"TSN is ontworpen om deterministische messaging en real-time capaciteit over standaard Ethernet te bieden om communicatie van informatie in een vast en voorspelbaar bedrag tijd te garanderen," legt Beydoun uit. "De sleuteltoepassingen van TSN zullen die zijn die precisie timing controle en deterministisch netwerkgedrag vereisen. Echter, Ethernet TSN is gewenst in elke industriële toepassing waar hogere bandbreedte en snellere netwerkrespons gewenst is, zoals in netwerktopplicaties die audio- en video-informatie transporteren. TSN's schaalbaarheid zal high-bandwidth streaming van pakketten met gegarandeerde latentie bij hogere Gigabit overdrachtsnelheden toestaan."

Waarom heb ik TSN nodig?

"Veel integrators en machinebouwers vragen de noodzaak van TSN en claimen dat de bestaande industriële Ethernet en gerelateerde protocollen, zoals EtherNet/IP, EtherCAT en Profinet, aan hun behoeften voldoen, dus 'Waarom heb ik TSN nodig?' is een veelvoorkomende vraag," zegt Bowne bij PI North America. "Het is een geldige vraag, met name omdat veel van de technieken die door TSN worden gebruikt – synchronisatie, bandbreedtereservering, scheduling – degene zijn die we al meer dan 15 jaar in Profinet gebruiken. Als TSN toen bestond, zouden we het geadopteerd hebben en ons veel engineering-inspanning bespaard. En toch heeft Profinet altijd toegestaan dat hoge-snelheid controle-gerelateerd verkeer naast gewoon informatie-gerelateerd verkeer bestond."

Exact hetzelfde principe geldt voor TSN, dus weer, waarom heb je het nodig? "Het antwoord is subtiel en gerelateerd aan de toekomst van netwerken," zegt Bowne. "Naarmate we in het Industry 4.0/Industrial-Internet-of-Things (IIoT) domein bewegen, zal meer en meer informatie aan hogere systemen worden geleverd. Uiteindelijk lijkt het dat enige verflachting van het Purdue-model kan optreden. Hoewel TSN niet de drijvende kracht hiervan mag zijn, kan het zeker een van de tools zijn om het mogelijk te maken."

In de toekomst verrichten we dat naarmate meer en meer bandbreedte wordt gebruikt door IT-protocollen, TSN zal ervoor zorgen dat time-sensitive – vandaar de naam – OT-verkeer de determinisme ontvangt die het vereist, zelfs op netwerken geladen met ander best-effort IT-verkeer, legt Bowne uit. "Zolang ze allemaal een gemeenschappelijke TSN-foundation delen, kunnen fabrikanten beginnen met geconvergeerde IT/OT-netwerken te implementeren zonder zich zorgen te maken over hun OT-verkeer geoffereerd te zien ten koste van IT-verkeer," zegt hij. "We willen deze langgehechte filosofie voortzetten omdat we geloven in het gebruik van het juiste gereedschap voor de juiste taak: het Profinet-protocol voor het verplaatsen van data, andere protocollen, bijvoorbeeld OPC UA, voor het verplaatsen van informatie, allemaal op een enkele draad."

De OT/IT-integratie roadmap eindigt niet in een intermediaire situatie met een overvloed aan heterogene apparaten verbonden via gateways, zegt Cuéllar bij Relyum. "In plaats daarvan verhoogt het de adoptie van een communicatietechnologie op link-niveau die geldig is voor beide werelden," zegt hij. "Op deze manier zou het haalbaar zijn voor een all-to-all data-uitwisselingstopologie in een homogene plant, vergelijkbaar met een pilaar (Figuur 3)."

Figuur 3: De automatiseringspilaar toont duidelijke, hoge-snelheidsverbindingen tussen de plant vloer I/O-apparaten en controllers naar de fabriek, enterprise-niveau en naar de cloud.
(Bron: Belden via System-On-Chip Engineering)

Deze automatiseringspilaar is gebaseerd op een blogpost getiteld, "What is TSN? A Look at Its Role in Future Ethernet Networks," door René Hummen, senior architect—technology and innovation, bij Belden.

In deze pilaar-context is het traditionele laag-gebaseerde communicatie- en cybersecurity-schema niet langer geldig. "De elementen inbegrepen in de field I/O zouden direct communiceren met applicaties en diensten ingeschakeld in remote cloud," legt Cuéllar uit. "Dus het is kritiek om communicatie tussen de verschillende apparaten te beveiligen. De real-time vereisten van TSN vertegenwoordigen een van de grote uitdagingen voor het beveiligen van dit soort netwerk omdat traditionele cybersecurity IT-mechanismen de transmissie van pakketten met de vereiste latentie niet kunnen garanderen."

TSN is geen protocol

TSN is gewoon een andere, betere versie van Ethernet; het is geen protocol. "Wat verbetert is de infrastructuur waarop alle Ethernet-gebaseerde protocollen bestaan," zegt PI's Bowne. "TSN leeft op de data link layer (Laag 2) van het IOS/OSI-model (Figuur 4). Protocollen leven op de application layer (Laag 7) van het ISO/OSI-model. Gateways vertalen data tussen de verschillende protocollen, of talen."

Figuur 4: TSN resideert in de Data Link Layer 2 van het IOS/OSI-model en is geen protocol, wat resideert in Application Layer 7.
(Bron: Pi North America)

TSN is ontworpen om additief te zijn aan bestaande netwerkfunctionaliteit. "Netwerkfuncties die vandaag beschikbaar zijn en betrouwbare operaties leveren, zouden op dezelfde manier beschikbaar moeten zijn na de introductie van TSN," zegt Brooks bij Rockwell. "Het zou geen verandering in gedrag moeten forceren tenzij er nieuwe waarde is die die verandering rechtvaardigt (Figuur 5)."

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

Gefocust op EtherNet/IP, is time-sensitive networking volledig onafhankelijk van het communicatieprotocol, vervolgt Brooks. "De taak voor protocolorganisaties zoals 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 bestaande quality-of-service mechanismen zoals DSCP (differentiated services code point) een acroniem maken dat de meeste machinebouwers en systeemintegrators nooit hoeven te begrijpen!"

Hoe zal TSN een applicatie helpen?

"Als we allemaal ons werk goed doen, hoeft een machinebouwer of systeemintegrator niet veel met TSN te interacteren," zegt Bowne bij PI North America. "Het zal gemakkelijk te employeren zijn en transparant voor hun Profinet-gerelateerde taken van engineering, configureren en inbetriebname. Het is gewoon een betere versie van de Ethernet die vandaag gebruikt wordt."

Time-sensitive networking is een tool die verflachting van netwerken makkelijker maakt, maar het is slechts een van de tools die dit mogelijk en praktisch maken, zegt Brooks bij Rockwell. "Bijvoorbeeld, netwerksegmentatie is het hart van een veilige netwerkarchitectuur," legt hij uit. "Time-sensitive networking helpt niet met segmentatie. Hiervoor heb je geroute protocollen nodig, en TSN ondersteunt geen routing."

Echter, als je meerdere hoge-bandbreedte streams hebt die door een enkele kabel gaan, kan TSN zeker de engineering-inspanningen reduceren die nodig zijn om te weten dat de netwerklink zal opereren zoals verwacht, legt Brooks uit. "Elk van de apparaten op een netwerk kan het volume verkeer en de periodieke snelheid waarmee dat verkeer naar de netwerkinfrastructuur wordt gestuurd, aankondigen," zegt hij. "De netwerkinfrastructuur kan netwerklading plannen op basis van het totale volume verkeer dat door het netwerk vloeit. Het kan ook netwerkbronnen beschermen om te helpen garanderen dat dit volume verkeer door het netwerk kan vloeien."

TSN stelt de diverse IE-protocollen in staat om een enkel, geïntegreerd netwerk te gebruiken voor alle industriële controle-applicaties, zoals I/O, veiligheid en motion, en te co-existeren met andere apparaten, bijvoorbeeld videocamera's, en applicaties terwijl de deterministische netwerkvereisten waarop controle-applicaties vertrouwen, behouden blijven, zegt Paul Didier bij Cisco. "Op deze manier kunnen Industrial IoT-applicaties direct en veilig toegang krijgen tot eindapparaten om zeer relevante data en informatie te extraheren die vaak niet door een gateway kunnen worden behandeld," zegt hij.

Over de auteur: Dave Perkon

Dave Perkon is technical editor voor Control Design. Hij heeft automatiseringsprojecten ge-engineerd en gemanaged voor Fortune 500-bedrijven in de medische, automotive, semiconductor, defensie en zonne-energie industrieën.