Reaaliaikaisuuteen yltävä 5G-viestintä ja vankat reunapalvelimet kiihdyttävät teollisuuden digitalisointia. Uudet COM-HPC-standardin mukaiset palvelinmoduulit ruokkivat tätä kehitystä poikkeuksellisen kestävän rakenteensa ansiosta. Se mahdollistaa käytön myös ilmastoitujen datakeskusten ulkopuolella tehdassalien ankarissa tuotanto-oloissa ja haastavissa ulkoympäristöissä.

Teollisuudessa sovellettavan esineiden internetin (IIoT) tavoitteena on luoda digitaalinen hermojärjestelmä, joka yhdistää kaikki fyysiset kohteet kuten tuotantotilat, koneet ja kulkuneuvot digitaaliseen ohjaukseen, resurssien suunnitteluun ja logistiikan prosesseihin. Järjestelmä on suunniteltu mahdollistamaan entistä ketterämmin etenevä tavaroiden virta, joka mukautuu kysyntään, sekä reaaliaikainen hallinta, joka syntyy JIT-logistiikan (just-in-time) tarpeesta.

Tämä edellyttää tuotantosoluissa yhteistyötä tekevien robottien ja omatoimisesti liikkuvien ajoneuvojen jatkuvaa kommunikointia toistensa kanssa. Anturien ja konenäköjärjestelmien on siksi kerättävä kaiken tyyppistä dataa, joka sitten analysoidaan käyttäen paikallista reaaliaikaista infrastruktuuria ja tekoälyä hyödyntäviä reunapalvelimia.

Tavoitteena on tehdä ketteriä ja automatisoituja päätöksiä jatkovalmistuksen, materiaalilogistiikan ja ennakoivien huoltoprosessien ohjaamiseksi. Kun todellisen tehdasjärjestelmän digitaalinen kopio on saatu luoduksi, on mahdollista hallita ja optimoida sen suorituskykyä ja energiatehokkuutta reaaliajassa. Datalasit tarjoavat ammattitaitoisille työntekijöille lisätyn todellisuuden tuen, mikä tarjoaa Teollisuus 4.0 -konseptille todellisen tehokeinon lisätä tuotannon ketteryyttä, energiatehokkuutta ja laatua.

5G avaa uuden teollisen aikakauden

Teollisuus 4.0 -sovellukset tarvitsevat kuitenkin valtavan laajan reaaliaikaisen tiedonsiirron, joka taas vaatii erittäin tehokkaan viestintäinfrastruktuurin. Sitä on mahdotonta toteuttaa pelkästään langallisen infran avulla. 5G-verkkojen käyttäminen IIoT-ratkaisun kaikkien laitteiden liittämiseen reaaliaikaisesti voi siksi nopeuttaa teollisuuden digitalisointia valtavasti.

5G-järjestelmä tarjoaa siltayhteyden suuremmille etäisyyksille kuin WLAN ja sitä voi hyödyntää rajoittamaton määrä mobiililaitteita tai kiinteitä päätelaiteita samanaikaisesti, mikä mahdollistaa tuotantolaitokselle täysin verkotetun valmistuksen. Ratkaisu tarjoaa verkon viipaloinnin ansiosta järjestelmälle äärimmäisen lyhyet, millisekuntitason vasteajat.

Kuva 1. Operaattorit, jotka varustavat omat 5G-solunsa palvelinmoduuleilla, voivat skaalata 5G-verkkojen ja reunalaskentainfran suorituskykyä sovelluskohtaisten vaatimusten mukaisesti.

 5G-tekniikka tukee myös tehokasta virtualisointia, joka mahdollistaa itsenäisten verkkojen rinnakkaisen toiminnan yhden fyysisen verkon avulla. Lisäksi 5G tarjoaa välttämättömän infrastruktuurin pilvipohjaisille arkkitehtuureille, jotka perustuvat reaaliaikaisiin reunapalvelimiin (fog server) ja mahdollistavat dataliikenteen yleiskäyttöisten laitteiden kesken.

Yksityinen 5G-kampusverkko nopeuttaa digitalisointia

Tarve yksityisille, tehdasalueen kattaville 5G-kampusverkoille 3,7 – 3,8 GHz taajuusalueella kasvaa teollisuudessa valtavasti, kuten MarketsandMarketsin tuore tutkimus vahvistaa. Niiden tuomat edut ovat ilmeiset: Erilaisten matkaviestinstandardien yhteensopivuus tarjoaa korkean suojan investoinneille ja mahdollistaa pitkän aikavälin suunnittelun.

Verkon laajentamisen kannalta suurin hyöty on kuitenkin se, että yritykset eivät ole riippuvaisia teleoperaattoreista. Verkkoja voidaan vapaasti laajentaa tarpeen mukaan, ja käyttäjällä on ainoastaan oma liikenne verkossa. Tämä tekee paikallisesta infrastruktuurista selvästi paremman ratkaisun kuin turvautuminen julkiseen matkapuhelinverkkoon.

Julkisessa verkossa käytettävien tukiasemien 700 MHz taajuusalue tukee noin 15-20 kilometrin etäisyyksiä. Tämä riittää kattamaan 5G-soluilla suuretkin tehdasalueet, kuten Saksan yhden suurimman autonvalmistajan tuotantoalueen Wolfburgissa. Niiden saavuttama 100-200 Mb/s datansiirtonopeus ei kuitenkaan ole läheskään riittävä digitaalisen valmistuksen vaatimille innovatiivisille Teollisuus 4.0 -sovelluksille. Sen sijaan yksityiset 5G-kampusverkot tarjoavat 100-200 Mb/s nopeuden ylävirtaan ja noin 200-1000 Mb/s alavirtaan solua kohti, kun 5G-mikrosolun kantama ulottuu noin 300 metriin – tai enimmillään kolmeen kilometriin suoralla näköyhteydellä.

Pääsääntöisesti suurten tuotantolaitosten täysi kattavuus vaatii siksi lukuisan määrän näitä pieniä soluja, joita kutsutaan myös femtosoluiksi. Ne ovat fyysisesti pieniä ja kompakteja, kooltaan samaa luokkaa kuin 15-tuumainen sylikone (pieni solu) tai minitabletti (femtosolu) ilman integroitua reunapalvelintekniikkaa. Mitä enemmän tällaisia soluja käytetään, sitä laajempi on käytettävissä oleva kokonaiskaistanleveys. Lisäksi solukohtaista kantamaa voidaan laajentaa edullisilla toistimilla, mikä mahdollistaa suorituskyvyn ja kaistanleveyden skaalauksen entistä joustavammin.

Vankat 5G-reunapalvelimet

Kun rakenteeltaan kestävää reunapalvelintekniikkaa yhdistetään suoraan tai jopa täysin integroituna 5G-mikrosolujen RAN-infrastruktuuriin (Radio Access Network), voidaan saavuttaa reaaliaikainen suorituskyky pienimmin mahdollisin viivein. Sekä reunapalvelimien toiminnot että virtuaaliverkon VNF-funktiot voidaan näin tarjota yhdessä samalle laitealustalle, esimerkiksi 5G:n keskitettyyn CU-yksikköön verkkotoimintojen virtualisoinnin kautta (NFV, Network Function Virtualization). Koska 5G-reunapalvelimen vaatimukset voivat kuitenkin vaihdella sovelluksesta toiseen, palvelinmoduulit (Server-on-Modules) ovat tehokas tapa joustavaan suorituskyvyn skaalaukseen.

PICMG:n uuteen COM-HPC-standardiin perustuvat palvelinmoduulit tarjoavat kenttäkäyttöön aiemmin saavuttamattoman suorituskyvyn ankarissa teollisuusoloissa ja ulkoympäristöissä. Esimerkiksi Intel Xeon D -suorittimilla varustetut COM-HPC-moduulit tarjoavat jopa 20 ydintä, yhden teratavun RAM-muistia enimmillään kahdeksassa DRAM-kannassa sekä suuren kaistanleveyden 32:lla PCIe Gen 4 -kaistalla jopa 100 GbE-luokan nopeuksilla.

Tarvitaan vain viisi tällaista palvelinmoduulia muodostamaan ensimmäinen perustason kampusverkko, joka sisältää verkkotason (backhaul) ydinpalvelimet sekä välitason (midhaul) CU- ja DU-palvelimet. Aiemmin tämä olisi vaatinut järjestelmän laitteille telinekohtaisen ilmastoinnin, minkä vuoksi tällaisia palvelimia ei olisi voitu sijoittaa teollisuusympäristöihin lähelle koneita.

Uusimmat COM-HPC-moduulit on puolestaan suunniteltu toimimaan lämpötila-alueella -40°C - +85°C, mikä eliminoi monimutkaisen ja resursseja vaativan lämmitys- ja ilmastointitekniikan tarpeen. Lisäksi moduulien BGA-asennettavat suorittimet tarjoavat optimaalisen suojan iskuja ja tärinää vastaan. Koska pöly ja kondenssivesi tai jännitteenvaihtelut ja sähkömagneettiset häiriöt eivät myöskään voi vahingoittaa niitä, ne säilyvät toimintakykyisinä vaikeimmissakin käyttöoloissa.

Toinen uusien COM-HPC-moduulien merkittävä etu on natiivi TSN-integrointi (Time-Sensitive Networking). Se mahdollistaa standardoidun reaaliaikaisen tiedonsiirron ja päästä päähän läpinäkyvän viestinnän antureista pilveen – esimerkiksi käyttämällä OPC UA:ta avoimena reaaliaikaisena viestintäprotokollana. Tämä vaatii tietysti myös asianmukaisen tuen 5G-ydinlogiikassa.

Kuva 2. TSN-tuki 5G:n yli mahdollistaa useiden reaaliaikaisten sovellusten hallinnan yhdellä palvelinalustalla, joka isännöi PLC-keskuslogiikkaa.

ZVEI-työryhmä 5G-ACIA (5G Alliance for Connected Industries and Automation) kehittää parhaillaan asianmukaisia verkkoturvallisuuden, palvelulaadun (QoS) ja TSN-integroinnin spesifikaatioita. Lopullisena tavoitteena on värinätön isokroninen reaaliaikaisuus, joka sisältää kiinteät tiedonsiirtojaksot ja keskinäisen synkronoinnin välillä 100 µs -2 ms.

Pilvipohjainen virtualisointi deterministisille sovelluksille

Jos hajautetut koneet liitetään keskusreunapalvelimiin 5G:n kautta, palvelimien tasapainotus- ja yhdistämispalveluilla voidaan ajaa useita reaaliaikaisia sovelluksia täysin itsenäisesti ja rinnakkain yhden reunapalvelimen muodostamalla alustalla. Jotta tämä olisi mahdollista, alustan on tuettava reaaliaikaista palvelimen virtualisointia. Tähän sopivan ratkaisun tarjoaa Real-Time Systemsin kehittämä hypervisor-ohjelmistokerros, joka allokoi erilliset laiteresurssit yksittäisille prosesseille tai virtuaalikoneille deterministisen toiminnan varmistamiseksi.

Congatecin kehittämät palvelinmoduulit tukevat myös tällaista palvelinvirtualisointia ja tarjoavat näin sovellusten kehittäjille ja järjestelmien integraattoreille teknologisen perustan keskitettyjen reaaliaikaisten yhdistämispalvelujen muodostamiseen laitosautomaatiota, tuotannonohjausta tai älykästä logiikkaa varten samalla palvelimella. Jos 5G-kampusverkko tukee myös verkon viipalointia taatulla kaistanleveydellä, näitä virtuaalisia 5G-aliverkkoja voidaan myös käyttää liittämään hajautetut 5G-laitteet reaaliaikaisesti järjestelmään.

Kuva 3. Käytössä voi olla jopa asiakaskohtaisia kantakortteja 5G-solujen asentamiseksi tehdasalueen lyhtypylväisiin.

Kuva 4. Palvelinmoduulin jopa 20 ytimen ansiosta tehoa riittää monenlaisten 5G-NFV-toimintojen ja reaaliaikaisten teollisuussovellusten isännöimiseen.

Tulevaisuudessa COM-HPC-moduulien spesifikaatioita aiotaan laajentaa kattamaan toiminnallinen turvallisuus. Moduuleja voidaan sitten käyttää myös yhteistuotannossa olevien robottien tai alueen sisäisen logistiikan autonomisten ajoneuvojen keskusohjaimina. Nämä voivat olla esimerkiksi vetovaunuja, lavatrukkeja tai kokoonpanolinjojen kuljetusvaunuja. Tämä helpottaa laitosoperaattorien turvavaatimusten täyttämistä ja SIL/ASIL-turvaluokan ratkaisujen käyttöönottoa huomattavasti nopeammin.

COM-HPC-moduuli kuin luotu 5G-mikrosoluun

Luomalla uuden standardin reunapalvelimien suunnitteluun COM-HPC-palvelinmoduulit avaavat aivan uusia näkökulmia tuotannon digitalisoinnille. Luonnollisesti moduulit on varustettu korkealuokkaisilla palvelinominaisuuksilla: Esimerkiksi tehtävä- ja turvakriittisiin ratkaisuihin tarjolla ovat tehokkaat laitetason turvaominaisuudet kuten Intelin Boot Guard, TME-MT (Total Memory Encryption - Multi Tenant) ja SGX (Software Guard Extensions).

Kuva 5. Uudet COM-HPC Server Size D -moduulit sekä vakiintuneet COM Express Type 7 -moduulit toimitetaan viidellä eri Intel Xeon D 17xx LCC -prosessorilla, joihin on valittavissa 4-10 ydintä. Conga-B7Xl COM Express palvelinmoduulit tukevat jopa 128 gigatavun DDR4 2666 MT/s RAM-muistia neljän SODIMM-kannan kautta, kun taas conga-HPC/SILL COM-HPC Server Size D -moduuli sisältää 4 DIMM-kantaa jopa 256 gigatavun DDR4 2933 MT/s tai 128 gigatavun ECC UDIMM -muistille. Molemmat moduuliperheet tarjoavat 16x PCIe Gen 4- ja 16x PCIe Gen 3 -kaistat. Nopeaa verkottumista varten ne antavat jopa 50 GbE -tasoisen suorituskyvyn ja TSN TCC -tuen 2,5 Gb/s Ethernetin yli. Prosessorien tehonkulutus vaihtelee välillä 40-67 wattia.

Laitteiston etähallintatoimintoja (kuten IPMI ja Redfish) tuetaan kattavilla RAS-toiminnoilla (Remote Application Server). Tällaisten toteutusten yhteensopivuuden varmistamiseksi tarjolla on jopa oma PICMG-spesifikaatio. Congatec tarjoaa lisäksi kokonaisvaltaisia palveluja yksittäisten järjestelmien kehitystyöhön ja asiakaskohtaisiin toteutuksiin – aina COM-HPC-suunnittelukoulutuksesta henkilökohtaiseen integraatiotukeen ja asiakaskohtaisten kantakorttien vaatimustenmukaisuuden testaamiseen.