Крупные промышленные коммуникационные сети реального времени создают серьезные трудности для пользователей. С ростом числа узлов растет и сложность сети, а вместе с тем расходы на ее обслуживание. Кроме того, зачастую возникает необходимость объединить разнородные сети в одну структуру. Сочетание OPC UA с расширением протокола Ethernet, известным как Time-Sensitive Networking (TSN), обещает существенно улучшить ситуацию. В настоящее время проходят испытания промышленных установок, на которых реализована технология OPC UA TSN.
Уже на протяжении 15 лет в производстве используются различные проприетарные промышленные Ethernet-протоколы. В течение этого времени пользователи оборудования постоянно сталкиваются с необходимостью объединить различные протоколы в общую сеть. "Это чрезвычайно трудоемкая и дорогостоящая задача, - констатирует Себастьян Заксе, руководитель департамента открытых технологий автоматизации B&R. - Было бы гораздо удобнее, если бы все машины говорили на одном языке".
Наряду с несовместимостью протоколов производители также сталкиваются с быстрым ростом числа сетевых узлов. Настройка крупных сетей реального времени - это кропотливый процесс, при котором можно быстро исчерпать доступные технические ресурсы. С началом внедрения Промышленного интернета вещей сети с сотнями узлов на полевом уровне стали обычным явлением.
Консорциум промышленного Интернета
В марте 2014 года пять компаний: AT&T, Cisco, General Electric, Intel и IBM - объявили о создании Консорциума промышленного Интернета (IIC). Среди целей Консорциума - определение эталонных архитектур и платформ, которые обеспечат функциональную совместимость оборудования.
Промышленный интернет вещей - одна из основных тем, которыми занимается IIC. Кроме этого, в поле зрения Консорциума попадают вопросы из области здравоохранения, транспорта и финансов. Вместо того чтобы разрабатывать стандарты самостоятельно, Консорциум сотрудничает с такими организациями, как IEEE, IETF, AVNU Alliance и OPC Foundation.
Экспериментальное оборудование с TSN
"Если говорить о Промышленном интернете вещей, то направление деятельности IIC, представляющее особый интерес, - это тестирование TSN на экспериментальных установках, - отмечает Заксе. - "Нам необходима технология, которая позволила бы сделать промышленные сети более модульными, гибкими и простыми в эксплуатации - и все игроки на рынке практически единогласно уверены, что OPC UA TSN именно та самая технология." В то время как развитие OPC UA происходит силами OPC Foundation, IIC активно участвует в разработке TSN.
Компания B&R одной из первых на рынке осознала потенциал TSN и присоединилась к консорциуму IIC. "Консорциум стал первой организацией, которая начала тестирование TSN в реальных условиях эксплуатации", - поясняет Заксе. С этого момента компания B&R начала активно содействовать развитию технологии, принимая участие в испытаниях OPС UA TSN и тестируя совместимость собственных прототипов протокола с прототипами от других производителей-членов IIC. На май 2017 года в испытаниях принимали участие B&R, Bosch Rexroth, Schneider Electric, National Instruments, Kuka, Sick, Cisco, Intel, Belden/Hirschmann, Hilscher, Renesas Electronics, Analog Devices, TTTech и Xilinx. Среди прочих членов Консорциума – такие компании, как Calnex, Ixia, ISW Stuttgart University и Phoenix Contact.
Успешные испытания базовой интероперабельности TSN
TSN является расширением стандарта Ethernet и привносит в него ряд улучшений, которые позволяют использовать Ethernet для обмена данными в реальном времени. Участники испытаний успешно проверили три ключевых возможности технологии: синхронизацию по времени, планирование трафика (точно синхронизированную передачу кадров и пакетов данных) и автоматизированную настройку системы с помощью центрального конфигуратора сети (CNC).
Основным требованием к реализации TSN для промышленных сетей реального времени является синхронизация в соответствии со стандартом 802.1AS-Rev. Стандарт TSN включает в себя определение Протокола точного времени (PTP), который синхронизирует часы на всех устройствах в сети. Результаты тестирования протокола PTP превзошли ожидания: точность синхронизации составила менее 100 нс.
Вторая успешно проверенная базовая функция TSN - это передача кадров и пакетов данных по графику согласно стандарту IEEE 802.1 Qbv. Так называемый Time-Aware Scheduler (планировщик с приоритизацией по времени) гарантирует, что данные, чувствительные ко времени передачи, всегда будут находиться в приоритете и не будут заблокированы общим сетевым трафиком.
Динамическая конфигурация
Сети, используемые на внутренних испытаниях, имели статическую настройку. На испытаниях, проводимых в настоящее время, проверяется работа динамической конфигурации согласно IEEE 802.1 Qcc. Новое устройство, добавленное в сеть, автоматически регистрируется с помощью центрального конфигуратора сети (CNC), в результате чего устанавливается связь этого устройства с остальными, и сеть перенастраивается соответствующим образом.
Отдельные элементы TSN прекрасно взаимодействуют друг с другом не только в теории, но и на практике, а также обеспечивают связь в режиме реального времени с использованием стандартных компонентов Ethernet. В настоящее время имеется две испытательные установки TSN: одна находится в штаб-квартире National Instruments в Остине, штат Техас, вторая - в Bosch Rexroth в Эрбахе, Германия. В апреле 2017 года немецкая ассоциация Labs Network Industrie 4.0 (LNI 4.0) заявила о намерении построить собственную тестовую установку для TSN совместно с центром компетенции Миттельштанд 4.0 в Аугсбурге. Миттельштанд 4.0 - это государственная программа ФРГ, призванная интегрировать малый и средний бизнес в Промышленность 4.0.
Инициативная группа планирует создать мобильное демонстрационное оборудование, которое можно транспортировать с помощью грузовика. Хотя IIC и LNI 4.0 применяют различные подходы, они преследуют общую цель - добиться полной совместимости. В настоящее время уже планируется сотрудничество этих двух инициатив. Компания B&R тоже собирается принять участие в работе на экспериментальной установке LNI.
Plug-and-produce
"Экспериментальная установка IIC наглядно демонстрирует, как сокращается инновационный цикл", - отмечает Заксе. Подготовка к тестированию началась всего лишь два года назад, а первые базовые функции OPC UA TSN уже достигли технологической отработанности. "Это невероятно короткий срок для принципиально новой технологии".
На рынке наблюдаются фундаментальные перемены. Традиционно поставщики систем управления стремились дифференцировать себя посредством своих коммуникационных технологий. "Но эти дни прошли", - констатирует Заксе. OPC UA TSN послужит единым стандартом для беспрепятственной коммуникации между системами от уровня контроллера и выше.
Благодаря достижению совершенно нового уровня совместимости ввести оборудование в эксплуатацию станет почти так же просто, как воткнуть вилку в розетку. "Добро пожаловать в эпоху "plug-and-produce", - резюмирует Заксе.
 | Себастьян Заксе (Sebastian Sachse) Руководитель департамента открытых технологий автоматизации B&R "Нам необходима технология, которая сделала бы промышленные сети более модульными, гибкими и простыми в эксплуатации, - и представители рынка практически единогласно уверены, что этой технологией должна стать OPC UA TSN". |