Teollisuuden verkoissa eri toimittajien tarjoamien ratkaisujen keskinäinen yhteensopimattomuus on ollut pitkään ongelmana. Avun tähän tuo aikaherkkä verkkotekniikka TSN, joka tarjoaa valmiit yhteensopivat ratkaisut aina piisiruista kaapeleihin asti. Toshiban kehittämän liitäntäpiirin avulla Ethernet-pohjainen TSN voidaan laajentaa myös perinteisiin PLC- ja teollisuus-PC-laitteisiin.

Teollisuusautomaatioon keskittyvillä messuilla kävijä saattaa turhautua näyttelyssä esiteltävien erilaisten järjestelmien, kaapeleiden ja liittimien valtavaan määrään. Vaikka standardointi on tuonut kuluttajille ohuita sylikoneita, tabletteja ja älypuhelimia, teollisuuslaitteet näyttävät usein isoilta ja kömpelöiltä. Niiden monet liitännät luottavat teknisiin ratkaisuihin, jotka ovat olleet käytössä jo vuosikymmeniä, mutta tekevät toisaalta niistä edelleen houkuttelevia: ne ovat vakiintuneita, luotettavia ja täyttävät käyttäjien tarpeet.

1980-luvun puoliväliin asti suuri osa käytössä olevista antureista ja toimilaitteista oli analogisia. Esimerkiksi 4-20 mA virtasilmukkaa hyödyntävät järjestelmät kykenivät tuottamaan tarkkoja mittauksia pitkillä kaapelipituuksilla, mutta lisäksi ne toimittivat syöttötehoa päätelaitteille. Korkean kohinaimmuniteetin ansiosta ne ovat myös tarjonneet hyvän turvatason, sillä kaapelikatkos voidaan helposti havaita – tämä on välttämätöntä vaarallisten prosessien turvallisen toteutuksen kannalta.

Yksi tämän tekniikan haittapuolista on ollut tarve vetää oma kaapeli jokaiselle käytettävälle anturille ja toimilaitteelle. Tämä tarkoittaa, että tehtaiden ja laitosten läpi on kulkenut paljon rinnakkaisia johtoja. Tarve kaapeloinnin monimutkaisuuden vähentämiseen ja kustannusten alentamiseen onkin ollut osasyynä verkkotekniikoihin siirtymiselle. Toimintojen yhdistäminen on tapahtunut enimmäkseen joko edullisten mikro-ohjainten tarjoaman sarjaliitännän (UART) ja sopivan lähetin-vastaanottimen (esim. RS-485) avulla tai autoteollisuudessa suositun CAN-tekniikan (Controller Area Networking) ympärille (kuva 1).

Nämä ensimmäisen sukupolven verkot käyttivät erilaisia fyysisen kerroksen (PHY) tekniikoita (OSI-mallin kerros 1) sekä erilaisia siirtoyhteyskerroksen (OSI-mallin kerros 2) lähestymistapoja. Tämä tarkoittaa, että järjestelmät ovat harvoin olleet keskenään yhteensopivia, ellei niissä ole turvauduttu jonkinlaiseen yhdyskäytävälohkoon. Ratkaisujen tarjoamia yhteisiä ominaisuuksia ovat kuitenkin olleet vankka toiminta jopa satojen metrien etäisyydellä, määriteltävät latenssit, deterministisyys ja turvavaatimusten täyttäminen.

Kuva 1. Teollisuuden digitaalisen verkkotekniikan kolmen ensimmäisen sukupolven käyttöönotossa nähdään lähentymistä kansainvälisiin standardeihin.

Tällaista kenttäväylätekniikkaa on asennettu miljooniin solmuihin maailmanlaajuisesti, mutta niiden fyysisen kerroksen tekniikassa ei juuri ole tapahtunut edistystä tänä aikana, mikä on rajoittanut käytettävissä olevaa kaistanleveyttä. Samaan aikaan teollisuusautomaation järjestelmät ovat muuttuneet yhä monimutkaisemmiksi ja luottaneet raskaasti datapainotteisiin antureihin kuten kameroihin, jotka integroituvat prosessointiympäristön reaaliaikaisiin ohjauspiireihin. Kun erilaiset fyysiset kerrokset ovat käytössä, ei ole mahdollista käyttää myöskään erilaisia järjestelmiä saman johdotuksen kautta.

Ethernet-verkko, joka on jo vakiintunutta tekniikkaa ja käytössä lukuisten rakennusten ja tehtaiden IT-ratkaisuna, tarjoaa runsaasti kaistanleveyttä sekä suuren joukon toimittajia kaikelle mahdolliselle aina liittimistä ja kaapeloinneista piisiruihin. Vuoden 2005 paikkeilla alkoi markkinoille tulla Ethernet-pohjaisia ratkaisuja yhden PHY-kerroksen ympärille.

OSI-mallin muut kerrokset toivat kuitenkin esiin vakavia kysymyksiä latenssista, kaistanleveyden varaamisesta sekä luotettavuuden ja turvallisuuden takaamisesta. Tämän seurauksena kehitettiin useita kerroksen 2 lähestymistapoja näiden ominaisuuksien tarjoamiseksi fyysisen Ethernet-kerroksen pohjalta, mutta teollisuuden automaatiojärjestelmät jäivät jälleen yhteensopimattomiksi eri toimittajien tarjoamien ratkaisujen kesken (kuva 2).

Kuva 2. Ethernet-pohjaiset teollisuusverkot eivät ole yhteensopivia keskenään, koska kullakin on omat kerroksen 2 toteutustapansa, jotka on suunniteltu tarjoamaan sovellusten vaatima deterministisyys.

Eroon vanhoista rakenteista

Teollisuusautomaation lisäksi on muitakin markkinasegmenttejä, jotka haluavat käyttää Ethernetiä, joskin huolissaan siitä, ettei se täytä kaikkia niiden asettamia teknisiä vaatimuksia. Esimerkiksi audio- ja videoalan ammattilaiset sekä autonvalmistajat ovat valmiita hyödyntämään sen etuja, jos latenssin ja deterministisyyden kaltaiset asiat voidaan ratkaista. Toisen sukupolven teolliset Ethernet-järjestelmät ovat myös sitoutuneet 100 Mb/s PHY:n tasolle ja sen vaatimaan laajaan kaapelointiin, kun taas muut markkinasegmentit ovat jo siirtyneet gigabitin sekuntinopeuksiin.

Keskeiset tekijät, jotka estävät teollisuutta käyttämästä Ethernetiä tehdasympäristöissä, on sittemmin ratifioitu standardityöryhmässä, joka tunnetaan nimellä Time Sensitive Networking eli TSN. Koska kyseessä on standardi, kaupalliset valmiit ratkaisut (COTS) aina piisiruista kaapeleihin voivat toimia keskenään yhdessä, mikä on seurausta useiden tehdasautomaation ulkopuolisten alojen kysynnästä. Standardi kattaa myös yhden gigabitin sekuntinopeuksiin yltävien tiedonsiirtonopeuksien käytön PHY-kerroksessa sekä yhteen pariin perustuvan Ethernet-verkon (SPE) käytön, mikä vähentää merkittävästi kaapelointiin tarvittavan tavaran määrää ja alentaa kustannuksia.

Seuraavassa joitakin tärkeimpiä TSN-standardeja, jotka määrittävät teollisuusverkkojen kaipaamia ominaisuuksia synkronoinnin ja latenssin osalta:

• IEEE 802.1AS – Ajoitus ja synkronointi aikaherkille sovelluksille – Tämä mekanismi jakaa synkronointidatan grandmaster-verkkosolmun ja kaikkien muiden solmujen välillä, jotta yhteinen referenssikello voidaan varmistaa. Sen avulla varmistetaan yhteinen synkroninen aikakanta ja se muodostaa profiilin IEEE 1588 -standardin määrittämälle aikaprotokollalle.
• IEEE 802.1 Qbv – Tämä standardi tarjoaa sovelluksille lisäparannuksia latensseihin verkon yli estämällä vähemmän tärkeää verkkoliikennettämääriteltyjen aikaikkunoiden aikana. Sen tarkoituksena on tukea Ethernetin kautta toimivien suljetun silmukan ohjausten kaltaisia sovelluksia hyödyntämällä aikatietoista liikenteen järjestelyä.
• IEEE 802.1Qbu – Tämä standardi määrittelee OSI-mallin kerroksen 2 esivalintamenetelmät, mikä mahdollistaa standardin IEEE 802.3br mukaisen IET-pikaliikenteen (Interspersing Express Traffic). Tähän sisältyy valitun liikenteen latenssiaikojen lyhentäminensekaliikenneympäristössä esimerkiksi keskeyttämällä pitkään kestävä vähemmän tärkeä liikenne.
• Edellä mainitut muutokset sekä pyrkimykset yhdistää standardit erilaisiin käyttötapauksiin teollisuusautomaation IEC/IEEE 60802 -profiilissa auttavat muodostamaan perustan kolmannen sukupolven teolliselle verkkotekniikalle.

TSN:llä teollisuusverkot haltuun

Pienikokoisiin ja pitkälle integroituihin SoC-piireihin (System-on-Chip) perustuvat ratkaisut ovat ihanteellinen tapa päivittää vanhoja järjestelmiä hyödyntämään TSN-verkkotekniikoita. Toshiban kehittämä TC9562 on liitäntäpiiri, joka PCIe-väylän kautta voi laajentaa suuren SoC-piirin/sovellusprosessorin toiminnot ohjelmoitaviin logiikkaohjaimiin (PLC) tai lisäkortin muodossa teollisuus-PC-laitteisiin (kuva 3).

Kaikki keskeiset TSN-ominaisuudet on toteutettu aina IEEE 802.1AS:n aikasynkronoinnista IEEE 802.1Qbv:n aikatietoiseen muotoiluun (TAS), jossa on kuusi jonoa sekä joustava puskurinhallinta kaikissa jonoissa. Porttiohjauslistan laitetuki antaa TAS-järjestelmälle suuren tarkkuuden määriteltyjen aikavälien ohjaamiseen yhden konejakson aikana. IEEE 802.1Qbu ja IEEE 802.3br toteuttavat kehysten esivalinnan ja varmistavat, että aikakriittisiä datapaketteja käsitellään ensisijaisesti.

Kuva 3. Teollisuuden perinteiset PC- ja PLC-laitteet voidaan jälkiasennusten avulla nykyaikaistaa soveltuviksi TSN-toteutuksiin.

Toiminnan edellyttämä laiteohjelmisto ladataan PCIe-väylän kautta alustuksen aikana, mikä mahdollistaa myös päivitykset, kun myöhemmin tehdään muutoksia tai ratifiointeja TSN:n kannalta merkityksellisiin standardeihin (kuva 4). Liitännät SGMII, RGMII, RMII ja MII ovat kaikki tuettuja, mikä sallii 10, 100 ja 1000 megabitin sekuntinopeudet sekä SPE T1 PHY -liitännät. Näin tuetaan voimistuvaa suuntausta entistä kevyempään ja yksinkertaisempaan johdotukseen.

Kuva 4. TC9562-piiri toimii yhdessä PCIe-yhteensopivan isäntäprosessorin kanssa yksinkertaistaen TSN-verkkojen toteutusta.

Piirin alustava evaluointi voidaan suorittaa PCIe-referenssikortilla, jota voi käyttää yhdessä teollisuus-PC Fedora 27:n kanssa. Toshiba tarjoaa tähän valikoiman ajureita ja muita apuohjelmia sekä sovellusesimerkkejä ja TSN-demoja (kuva 5). Niihin sisältyy esimerkkejä toimivasta TSN-funktiosta, jonka avulla esivalintaominaisuudet voidaan visualisoida samalla, kun vaikutusta bittinopeuteen voidaan analysoida vakiotyökaluilla kuten iPerf-nopeusmittarilla.

Kuva 5. TC9562-referenssikortti ja TAS-demosovelluksen tulokset.

Kun hyödynnetään standardoituja PHY-tekniikoita ja kerroksen 2 Ethernet-toteutuksia, jotka vastaavat teollisuusautomaation reaaliaikatarpeita, voidaan kohtuudella kysyä, mitä odotetaan neljännen sukupolven teolliselta verkkotekniikalta. Muiden alojen tapaan OSI-mallin ylempien kerrosten odotetaan tässäkin siirtyvän kohti standardointia.

OPC Foundation ja muut vastaavat organisaatiot ovat muodostaneet työryhmän käsittelemään kenttätason FLC-viestintää tavoitteenaan luoda yhtenäiseen OPC UA -arkkitehtuuriin perustuva, koneiden välisen viestinnän (M2M) tietoliikenneprotokolla. Tämä alustojen välinen avoin lähestyminen voi yhdessä vankan tietoturvan kanssa merkittävästi yksinkertaistaa sitä monimutkaisuutta, jonka suunnittelijat nykyään kohtaavat.

Esimerkiksi uuden laitteen liittäminen järjestelmään vaatisi vain ilmoituksen sen toimintakyvystä (esim. robotin vapausasteet ja hyötykuorma) käyttäen yksinkertaisia ja standardoituja datarakenteita. Näin annettaisiin samalla muille järjestelmille mahdollisuus nopeasti tunnistaa liitettävän laitteen toimintakyky ja kytkeä se parhaillaan suoritettavaan tehtävään.

Vaikka Ethernet on alkanut syrjäyttää monia perinteisiä verkkotekniikoita teollisuuden automaatiojärjestelmien fyysisen kerroksen tasolla, erilaiset kerroksen 2 toteutukset Ethernetin perinteisen heikkouden voittamiseksi ovat monissa kohdesovelluksissa rajoittaneet sen käyttöönottoa.

Aikaherkän TSN-verkkotekniikan käyttöönotto tuo järjestelmiin tarvittavan standardoinnin eri toimittajien laitteiden yhteensopivuuden varmistamiseksi, mikä myös vähentää kustannuksia. Tukemalla avoimen lähdekoodin ohjelmistoja TC9562-piirin kaltaiset ratkaisut muodostavat erinomaisen perustan TSN-yhteensopiviin teollisuusverkkoihin siirtymiselle.

Artikkeli on Toshiba Electronics Europen tuottama.