Sanntid Ethernet for alle - Elektronikknett
congatec-fig 1
Nøyaktig tidssynkronisering er et viktig krav til det taktile Internett. Pico-ITX-kortet fra congatec er en industriell datamaskinplattform som støtter Time-Sensitive Networking, noe som er avgjørende for å sikre presis synkronisering. Precision Time Protocol håndterer tidssynkronisering mellom noder, med en master som er ansvarlig for å stille inn tiden. Klokkene til individuelle slaver er synkronisert med to-sifret nanosekunders nøyaktighet.

Sanntid Ethernet for alle

Fag_vignett_80x80

Industrial Ethernet er i ferd med å overta for tradisjonelle feltbusser, ikke minst på grunn av krav til sanntidsdata og lav forsinkelse.

Sanntids databehandling for OPC UA (Unified Architecture), så vel som mange andre taktile internett-applikasjoner, kommer raskt opp som viktige nye områder innen industriell kommunikasjon. Dette skyldes i stor grad fremveksten av 5G-teknologier og økningen i fabrikker som installerer 10+ GbE-nettverk. Kvelertaket som mange etablerte proprietære industrielle Ethernet-installasjoner har hatt på industrien i så mange år, begynner nå å bli avløst av Time-Sensitive Networking (TSN), som er i ferd med å innta disse sanntidsapplikasjonene.

Klassisk Fieldbus vs. Industrial Ethernet
Feltbusser har vært et avgjørende element i industrielle kommunikasjonssystemer, og når vi ser fremover de neste årene, kan vi trygt si at denne trenden vil fortsette. Men med fremveksten av ekstremt krevende applikasjoner fra industriell loT (IIoT) og Industri 4.0, vil betydningen til feltbusser absolutt avta. Årsaken er at klassiske feltbussinstallasjoner har vanskelig for å takle båndbredde- og ytelseskrav til disse sanntidsapplikasjonene. Forbindelsen til «sky» og «tåke» i nettverkskanten må også vurderes, så vel som vertikal utveksling av data, helt til toppen av automatiseringspyramiden. Hvis kravene til alle disse faktorene vurderes, i tillegg til den kontinuerlige implementeringen av industriell PC-teknologi, er det lett å se at dominansen til feltbuss innen industrielle kommunikasjonssystemer må erstattes.

Andre generasjon
Det som overtar plassen er Industrial Ethernet, en ny, andre generasjon feltbuss som kan håndtere kravene til dagens moderne industrielle kommunikasjonssystemer. Betydningen og levedyktigheten til denne nye generasjonen ble bekreftet av en markedsundersøkelse fra HMS i 2019, som fant at Industrial Ethernet støttes av omtrent 59% av nylig installerte noder for fabrikkautomatisering, men bare rundt 35% av nylig installerte noder kobler seg til den klassiske feltbussen. Dette er litt av en åpenbaring, og absolutt en sterk bekreftelse på hvor ting er på vei.

Felles overføringsmedium
Applikasjoner med Industrial Ethernet er ekstremt kraftige og effektive, ettersom et felles overføringsmedium deles av både sanntids- og IT-data. Fordelen med Industrial Ethernet, sammenlignet med feltbuss, er at størrelsen på nettverket og tilkoblede enheter er praktisk talt ubegrenset. Kontinuiteten i data i hele produksjonsområdet er garantert på grunn av nettverkstilkobling som er konsistent og fullt integrert. Sikring og kontroll av nettverket kan utføres med implementering av sikkerhetsprotokoller og IT-sikkerhetsadministrasjon. Samtidig blir ikke feltbussene foreldet, siden de kan brukes i felten som underordnede nettverkssystemer, hvis de riktige gatewayene er etablert.

Nedgang for proprietære standarder
En stor ulempe med det nåværende utvalget av Industrial Ethernet-varianter er deres inkompatibilitet med hverandre, fordi hver har sin egen løsning. Det samme problemet gjelder utvalget av tilgjengelige feltbussystemer. Hvis man ser nærmere på utviklingshistorien, er det ikke noe stort mysterium hvorfor denne situasjonen eksisterer. Da standarder for den første feltbussgenerasjonen ble opprettet, introduserte forskjellige selskaper og interessegrupper forskjellige standarder som oppfylte deres egne spesifikke krav. Med lanseringen av den andre feltbussgenerasjonen følger de samme spillerne fortsatt sitt egen proprietære veikart.

Eksempler
Noen eksempler som kan nevnes er CANopen, som er en Industrial Ethernet- løsning basert på CAN-feltbussen, samt den Profibus-baserte løsningen kalt Profinet. En annen er Modubus/TCP, som er en versjon av Modus. Flere eksempler finnes, men dette gir en god ide om de forskjellige standardene man står overfor når man kartlegger andre generasjon feltbussløsninger.

Proprietære begrensninger
Når tiden kommer for å migrere til Industrial Ethernet, eller til og med kombinere feltbuss og forskjellige applikasjoner av Industrial Ethernet, kan det oppstå problemer på grunn av begrensninger innført av proprietære løsninger. Disse kan omfatte ikke bare lisensieringsproblemer, men også manglende evne til å oppnå problemfri kommunikasjon i fabrikken. Kommunikasjonsproblemene har utgangspunkt i behovet for å ha dedikert maskinvare for de fleste løsninger, for eksempel behovet for en spesifikk Industrial Ethernet-kontroller. Bare én løsning, EtherCAT-protokollen, skiller seg ut i den proprietære skogen av industrielle Ethernet-løsninger, ved å tilby sanntidsnettverk med bruk av standard Ethernet-kontrollere.

Hyper-hoppet fra Ethernet til Industrial Ethernet
Et stort hinder for utviklerne av andre generasjon feltbuss var å oppnå sanntidskommunikasjon for de forskjellige sanntidsklassene, hvor hver krever forskjellige responstider. Denne utfordringen gjelder på tvers av alle feltbussvarianter på grunn av deterministiske overføringshastigheter som ikke støttes av konvensjonell IT Ethernet som samsvarer med IEEE 802.3. Selv om vi antar at overføringshastighetene er relativt høye mellom varianter, oppstår uregelmessige forsinkelser i datatrafikken mange ganger, da tettheten av datakollisjoner styres av en mekanisme som er basert på tilfeldighetens prinsipp.

Sanntids protokollstakker
For å løse dette problemet legger sanntids Ethernet-løsninger til sine egne sanntids protokollstakker som er betraktelig mindre i størrelse, og dermed forhindrer kollisjoner av datastrømmer. Protokollstakkene er merket i Ethernet-protokolllaget som en spesifikk “EtherType”, som muliggjør prioritering, slik at data som ikke er så tidskritiske kan sendes over postkassekanalen parallelt. På denne måten forstyrres ikke sanntidstrafikk, og garanterer samtidig jevn sømløs Ethernet-tilkobling for standard TCP/IP-kommunikasjon, som webservere, e-post, etc.

Hard sanntid
«Harde» sanntidsapplikasjoner lever opp til navnet sitt ved å kreve eksakte deterministiske responstider, som mange ganger krever nesten null forsinkelser og klokkesykluser helt ned til µs-området. Dette er meget annerledes enn de mer tilgivende, myke sanntidsapplikasjonene som tillater større signalutbredelsesforsinkelser uten at det får noen negative konsekvenser.

congatec-fig 2 Synkronisering av tid, planlegging av trafikk og konfigurering av master- og slaveenheter i systemet er kjernefunksjoner i Time-Sensitive Networking Ethernet-standarden.

Krav til synkronisering
For å oppnå hard sanntidsoperasjon, må synkronisering tidsbestemmes nøyaktig og konsekvent, uten unntak. For å oppnå garantert ventetid må alle noder i kommunikasjonskjeden ha nøyaktig tidssynkronisering. Det er imidlertid viktig å huske at synkronisering i sanntid ikke skal bruke Network Time Protocol (NTP) til å stille dato og klokkeslett på datamaskiner. Den anbefalte protokollen for synkronisering, og den som andre feltbussgenereringssystemer bruker, er IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP), som oppnår tosifret nanosekund-presisjon for klokker på forskjellige noder (master og slaver). For å unngå synkroniseringsavvik ved bruk av denne protokollen, er det nødvendig å integrere PTP i maskinvare i nettverksgrensesnittet.

Inkompatible IE-standarder
Tidligere har proprietære maskinvare- eller protokollutvidelser blitt brukt av forskjellige Industrial Ethernet-løsninger for å oppnå sanntidsoperasjoner mellom de enkelte nodene. Denne praksisen har ført til utbredelse av inkompatible Industrial Ethernet-standarder, noe som har gitt økt etterspørsel etter sanntids Ethernet-kommunikasjonsstandarder som er åpne og kan fungere sømløst sammen. Dette er spesielt viktig for fabrikker som beveger seg mer og mer mot lloT- og Industry 4.0 baserte automatiserings- og prosesstyringsteknologier.

Tilpasser lag
Disse fabrikkene tilpasser sitt eget lag i automatiseringspyramiden, som krever sanntidsprotokoller, for eksempel OPC UA, for å oppnå standardisert datautveksling. Man trenger bare se på tilgjengeligheten av 5G og 10+ GbE-nettverk innen fabrikker som tillater bruk av taktile Internett-applikasjoner for energinett og autonome kjøretøy innen logistikk.

congatec-fig 3 Industrielle applikasjoner for TSN synkronisert taktilt Internett er ikke begrenset til skybasert kontrollstasjonsteknologi og fjernstyrte roboter som utfører telekirurgi. De er i stadig større grad på vei inn i konvensjonelle styringsløsninger som tidligere var avhengige av klassiske feltbusser og Industrial Ethernet-applikasjoner, på grunn av en betydelig økning i skalerbarhet og båndbredde, samt fordelene med produsentnøytralitet og høyere fleksibilitet.

TSN møter det taktile, sanntids internett
Den komplette kompatibiliteten til TSN med harde sanntidsapplikasjoner skimtes i horisonten. Man trenger bare se på noen få IEEE-standarder som allerede er publisert av en TSN-arbeidsgruppe som opererer innenfor IEEE 802.1, som har fått i oppgave å forbedre ytelsen til kommersielle nettverk i sanntid. En av disse standardene er IEEE 802.1Qbv. Denne standarden muliggjør tidsdeling (slicing) av prosesser via en Time-Aware Shaper (TAS) som gjør at nettverkstrafikk kan planlegges nøyaktig. Profiler for syklisk synkronisering av TSN-noder implementeres deretter av IEEE 802.1AS TSN-standarden. Denne løsningen kan nå brukes som en standardkomponent for industriell bruk, på grunn av integrasjonen av IEEE 802.1AS på PTP-basis for harde sanntidsapplikasjoner i standard Intel i210- og i219 Ethernet-kontrollere.

Implementering
congatec viser et godt eksempel på hvordan du implementerer denne løsningen for industrielle applikasjoner med bruk av en i210-kontroller på et Pico-ITX-kort med Intel Atom E3900-prosessorer. Faktisk er et proof of concept (PoC) allerede implementert av congatec for å integrere TSN-protokollen i samsvar med IEEE 1588 PTP-spesifikasjonen. Som et resultat av denne integrasjonen støttes løsninger som MQTT, DDS, OPC UA og ekstra industrielle Ethernet-protokoller i sanntid innenfor de øvre lagene i kommunikasjonsprotokollene.

Demo
congatecs PoC muliggjør en Ethernet-baselast med høyoppløselig videostrømming med parallell generering og overføring av kritiske sanntidsdata. En demonstrasjon stoppet og startet IEEE 1588 PTP-synkronisering ved hjelp av en digital bryter slik at målinger kunne gjøres av distribuerte enheter og tåkeservere over Ethernet. Resultatene av demonstrasjonen var imponerende og avgjørende. cognatecs PoC har bevist at jitter kan reduseres maksimalt, helt ned til den svært presise nanosekundskalaen, uavhengig av tilstedeværelsen av ekstremt krevende nettverkslast.

Med denne vellykkede demonstrasjonen på hånden er det klart at vi kan forvente veldig spennende tider fremover, og at tiden er inne for at det taktile internett kan ta av!

Kommentarer