Real-time data benutten voor nauwkeurige controle van moderne industriële systemen

De scheduler van een conventioneel high-level besturingssysteem (OS) zoals Windows of macOS heeft als doel de CPU-utilisatie te maximaliseren. In dit scenario willen meerdere gebruikers veel applicaties tegelijkertijd uitvoeren. Alle onderliggende processen en threads moeten hun eerlijke deel van CPU-tijd krijgen.

Figuur 1. Een afbeelding van een industriëel besturingssysteem. Afbeelding gebruikt met toestemming van Pixabay

Een real-time OS heeft daarentegen andere doelen. Dit besturingssysteem moet ervoor zorgen dat elke thread strikt binnen een vooraf bepaald tijdsframe en in een geldige volgorde wordt uitgevoerd. Het maximaliseren van de CPU-utilisatie en data-doorvoer zonder rekening te houden met timing en uitvoeringsvolgorde is niet voldoende bij het omgaan met real-world tijdsbeperkingen die vaak in industriële toepassingen voorkomen.

Dit artikel onderzoekt wat ingenieurs kunnen doen bij het ontwerpen van een applicatie die hoge data-doorvoer, nauwkeurige latentie, en jitter-controle vereist.

Verschillende Machines en Hun Netwerkbehoeftes

Een zuiver real-time systeem is vaak de oplossing wanneer gekeken naar een enkel stuk apparatuur geïsoleerd van de rest van de omgeving.

Echter, moderne fabrieksvloeren omvatten veel meer dan alleen de machines in de productiehal. Naarmate het Industrial Internet of Things (IIoT), Industrie 4.0, en edge computing de afgelopen jaren een stijgende trend hebben gezien, worden de communicatievereisten binnen een enkele productiehal complexer. Dit is deels door de toename van verbonden apparaten, maar de verschillende communicatievereisten van elk apparaat spelen ook een sleutelrol.

In deze context gebruiken ingenieurs vaak de termen operations technology (OT) en information technology (IT) om de twee hoofdcategorieën van netwerkcommunicatie te classificeren. OT is tijdskritiek verkeer, bijvoorbeeld gestuurd van één machine naar een robotarm wanneer een onderdeel klaar is voor oppakken. Hier moet de informatie alle ontvangers binnen een gegeven tijdsframe bereiken.

Figuur 2. Een industriëel netwerk van machines.

IT, aan de andere kant, vereist vaak hogere data-doorvoer. Typisch is dit data zoals videostreams, bijvoorbeeld van een beveiligingscamera of kantoortoepassingen zoals e-mail. In IT is de doorvoer wat telt. Betrouwbaarheid, latentie, en jitter zijn vaak secundaire zorgen.

Ingenieurs willen een enkel netwerk ontwerpen dat aan de vereisten van zowel IT- als OT-verkeer voldoet zonder te veel complexiteit en kosten toe te voegen—een vorig artikel besprak de twee concepten in meer detail. Het onderzoekt verder hoe time-sensitive networking (TSN) helpt de problemen van het samenvoegen van IT- en OT-verkeer op hetzelfde netwerk op te lossen en bestudeert hoe netwerkhardware, zoals de Layerscape LS1028A, ingenieurs helpt moderne industriële oplossingen te ontwerpen.

Waarom OT en IT Hand in Hand Gaan: Een Toepassingsvoorbeeld

Real-time en non-real-time functies zijn niet langer gescheiden in moderne industriële besturingssysteemomgevingen. In plaats daarvan moeten real-time en non-real-time functies hand in hand werken om te zorgen dat een productiefaciliteit efficiënt en correct functioneert.

Een elektricacentrale kan gezien worden als een concrete voorbeeld die honderden apparaten omvat die allemaal verbonden kunnen zijn met verschillende standaarden. Verschillende sensoren, bijvoorbeeld, rapporteren periodiek hun metingen in real-time. Dergelijke sensoren kunnen omvatten, maar zijn niet beperkt tot: temperatuursensoren, druksensoren, en apparaten die schadelijke gassen detecteren die een proces kan produceren.

Figuur 3. Drukmeters in een melkfabriek.

De data van die sensoren is mogelijk alleen geldig, nauwkeurig, en nuttig voor een korte periode—typisch tot het apparaat de volgende meting levert. Daarom moet het eerste instapunt dat de sensordata verzamelt en aggregateert, in staat zijn om dit in real-time te 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 communiceert met de sensoren moet real-time mogelijkheden hebben.

Naast sensoren bevatten machines binnen de centrale talloze input/output (I/O) modules die, bijvoorbeeld, verbinden met actuatoren. In dit geval besloten de ingenieurs van de elektricacentrale een bedraad netwerk te gebruiken om de I/O-modules en de programmable logic controller (PLC) te verbinden.

De I/O-modules, actuatoren, en PLC werken allemaal in real-time, en een real-time capable communicatiebrug is vereist om de apparaten te koppelen. De I/O-modules hebben waarschijnlijk een microcontroller nodig die bare-metal code draait, en de PLC en communicatiebrug zullen een microprocessor gebruiken die een real-time besturingssysteem draait, zoals NXP's real-time edge software.

IT-systemen hoger op de stroom verzamelen statistieken, monitoren het algehele systeem, en transmitteren videodata van camera's. Deze systemen draaien geen real-time OS. evenmin vindt de transmissie van data naar en van het IT-systeem in real-time plaats.

Een Software-oplossing die OT en IT Ondersteunt

Naast het netwerkaspect, zou het voordelig zijn om IT- en OT-operaties op een enkele processor te mergeren. Dit zou de algehele systeemcomplexiteit en -kosten verlagen vergeleken met een speciale processor voor tijdskritieke taken en een die uitsluitend minder kritische operaties uitvoert. Een real-time OS speelt een sleutelrol in tijdskritieke toepassingen.

Figuur 4. Een blokdiagram van NXP's real-time edge software. Afbeelding gebruikt met toestemming van NXP

Sommige bestaande software-oplossingen stellen ingenieurs in staat om veilige, schaalbare, en onderhoudbare tijdskritieke applicaties te bouwen met open-source Linux. Met hun real-time edge software biedt NXP een veilige en betrouwbare real-time omgeving voor toepassingen die deterministische latentie en voorspelbare jitter vereisen.

Typische toepassingen omvatten verbonden apparaten over diverse professionele velden, zoals industriële controle, gebouwautomatisering, automobilistische controle, veiligheid, en infotainmentsystemen.

Samenvatting

Veel commerciële systemen vereisen nauwkeurige timing en deterministische latentie bij het communiceren met andere apparatuur. Naarmate het aantal verbonden apparaten toeneemt, zoeken ingenieurs naar een manier om OT- en IT-verkeer op een enkel netwerk te integreren. OT-verkeer vereist vaak betrouwbare real-time netwerkinfrastructuur, terwijl IT-data vaak een hoge doorvoersnelheid nodig heeft.

NXP's real-time software creëert netwerken die in staat zijn OT- en IT-verkeer op een enkele lijn te mergen met behulp van TSN Ethernet. Dit kan de complexiteit en de algehele kosten van het netwerk verminderen. NXP biedt ook real-time edge software die bestaat uit drie hoofdbouwstenen, elk ondersteunende verschillende sleutelaspecten van real-time communicatie.