Standard komunikacji na potrzeby Przemysłowego Internetu Rzeczy
Wstępne badania wykazały, że OPC UA over TSN działa średnio 18 razy szybciej niż istniejące rozwiązania w zakresie komunikacji przemysłowej. Może to rodzić pytanie, czy tak ogromny przyrost wydajności jest naprawdę konieczny. Aby rozwiać wątpliwości, poprosiliśmy o rozmowę jednego z czołowych ekspertów w dziedzinie nowych technologii: Dietmara Bruckner.
Sylwetka rozmówcy
Dietmar Bruckner jest autorem prawie 100 publikacji naukowych i posiadaczem kilku patentów w dziedzinie komunikacji przemysłowej w czasie rzeczywistym. Jest aktywnym członkiem różnych komitetów normalizacyjnych i grup roboczych, w tym Fundacji IEEE i OPC. W firmie B&R, specjalizującej się w automatyce, Bruckner odpowiada za badania i rozwój w zakresie komunikacji w czasie rzeczywistym.
Czy widzi pan realną potrzebę stosowania protokołu komunikacyjnego o wydajności takiej, jaką oferuje OPC UA over TSN?
Bruckner: To prawda, że nie mamy dziś aplikacji, które wymagają 18 razy większej wydajności niż wydajność istniejących protokołów przemysłowego Ethernetu. Niemniej jednak na Pańskie pytanie muszę odpowiedzieć zdecydowanie twierdząco.
A jak pan to uzasadni?
Bruckner: Prawdopodobnie przez kolejne dwa lub trzy lata wystarczyłoby wprowadzać stopniowe ulepszenia do istniejących protokołów. Byłoby to jednak działanie krótkowzroczne. Sukces protokołu OPC UA to największy przewrót w komunikacji przemysłowej od czasu wprowadzenia sieci przemysłowych. Na podstawie typowych okresów eksploatacji systemów magistrali przemysłowych i protokołów Ethernetu przemysłowego można stwierdzić, że jeszcze przez całe dziesięciolecia będziemy korzystać z protokołu OPC UA over TSN.
Jakie są tego konsekwencje dla wydajności?
Bruckner: Aby protokół był inwestycją przyszłościową, opłacalną w dłuższej perspektywie czasowej, musi być wyposażony w takie funkcje, aby przez 20 lat mógł spełniać zmieniające się wymagania eksploatacyjne. Nikt nie ma ochoty brać na siebie trudu definiowania nowego standardu, który trzeba będzie gruntownie przerabiać już w perspektywie pięciu lat. Dlatego tak bardzo zależy nam na tym, aby OPC UA over TSN był od samego początku protokołem tak mocnym, jak to tylko możliwe.
Co dokładnie ma pan na myśli, mówiąc o wydajności?
Bruckner: Składa się na nią wiele elementów, ale niewątpliwie jednym z najważniejszych czynników jest możliwość maksymalnego skrócenia czasu cyklu. Jeśli aplikacja ma tylko niewielką liczbę węzłów sieciowych, można uzyskać bardzo krótkie czasy cyklu nawet przy użyciu konwencjonalnego 100-megabitowego protokołu Ethernetu przemysłowego. Zważywszy jednak na obecne tempo zmian, możemy spodziewać się coraz większej liczby linii produkcyjnych i maszyn z wieloma setkami lub tysiącami węzłów sieciowych.
Dlaczego tak się dzieje?
Bruckner: Starając się sprostać dynamicznym wymaganiom rynku, konstruktorzy maszyn tworzą maszyny coraz bardziej inteligentne i elastyczne. W tym celu stosują coraz więcej czujników i siłowników. Wiele z nich jest bezpośrednio zintegrowanych z maszyną, jako tak zwane urządzenia inteligentne. Widzieliśmy już maszyny, które synchronizują ponad 1000 osi. Takie właśnie sytuacje wymagają technologii umożliwiającej czasy cyklu krótsze niż milisekunda. A jest wiele procesów, w przypadku których nawet to tempo jest zbyt wolne. Dlatego potrzebujemy potężnej i wysokowydajnej sieci maszynowej.
Technologia TSN i rola Instytutu Inżynierów Elektryków i Elektroników
Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników (IEEE) odpowiada za standaryzację wielu globalnych technologii komunikacyjnych, w tym Ethernet, WLAN i Bluetooth. Standaryzacja IEEE stanowi gwarancję, że każde dwa urządzenia będą mogły komunikować się ze sobą, niezależnie od tego, kto je wyprodukował.
Technologia Time-Sensitive Networking (TSN) rozszerza standard Ethernet o mechanizmy gwarantujące transmisję danych w czasie rzeczywistym. IEEE uwzględnia powiązane funkcje jako podstandardy w standardzie Ethernet IEEE 802.1. Dzięki temu urządzenia TSN dowolnego producenta mogą komunikować się ze sobą w czasie rzeczywistym.
Jaką rolę odgrywa przepustowość łącza?
Bruckner: Dla użytkownika ma ona coraz większe znaczenie. Systemy wizji maszynowej, analiza dużych ilości danych, konserwacja predykcyjna – te nowe technologie generują olbrzymie ilości danych, które mogą szybko przekroczyć obecne systemy magistrali 100-megabitowych. Jest jeszcze jeden aspekt, którego nie należy lekceważyć: im bardziej otwarta jest sieć, tym ważniejsze staje się utrzymanie komponentów sieci na bieżąco z najnowszymi aktualizacjami zabezpieczeń i poprawkami systemu operacyjnego. Można to zrobić tylko wtedy, gdy użytkownik dysponuje odpowiednią przepustowością łącza.
Jak OPC UA over TSN radzi sobie z rosnącą koniecznością konkurowania o przepustowość łącza?
Bruckner: Technologia TSN ma jeszcze jedną, istotną w tym przypadku zaletę: jest niezależna od przepustowości łącza. Użytkownik ma dostęp do pełnej przepustowości używanego sprzętu ethernetowego, niezależnie od tego, czy jest to 1 Gbit/s, 2,5 Gbit/s, czy nawet więcej.
Czy nie ma sposobu, aby uzyskać to samo z użyciem istniejących systemów sieci przemysłowych?
Bruckner: Nie, ponieważ nie można po prostu skompensować ich ograniczeń, skalując je do 1 lub 10 Gb/s. Nie pozwalają na to sztywne metody arbitrażu w konwencjonalnym systemie magistrali z centralnym urządzeniem nadrzędnym i stałym rozkładem cykli. Trzeba pamiętać, że technologia sieci przemysłowych pochodzi z lat 90. Z drugiej strony, planując sieć TSN i zarządzając nią, można korzystać z bardziej nowoczesnych mechanizmów infrastruktury informatycznej. Właśnie dlatego OPC UA over TSN jest nawet dwa razy szybszy niż najszybszy gigabitowy protokół sieci przemysłowej.
Ostatnie pytanie: Czy protokół OPC UA over TSN jest gotowy na swą wielką rolę? Są opinie, że standaryzacja jest ciągle niezakończona.
Bruckner: OPC UA over TSN jest całkowicie dopracowany i gotowy do użycia. Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników ukończył prace nad normą 802.1AS-2020 w grudniu 2019 r. Dla protokołu OPC UA over TSN był to ostatni ważny element układanki. Już w 2016 roku został przyjęty standard IEEE 802.1Qbv mający zasadnicze znaczenie dla wszystkich kwestii związanych z jakością działania TSN. Od marca 2020 r. B&R jest pierwszym producentem oferującym sterowniki działające bez problemu w technologii OPC UA over TSN.
