Ketterässä tuotannossa kyky mukautua dynaamisesti muuttuviin vaatimuksiin edellyttää saumatonta kommunikaatiota laitoksen automaatiojärjestelmän kaikkien osien välillä. Tämä johtaa nopeasti kasvaviin verkkokokoihin ja tietomääriin teollisen esineiden internetin eli IIoT:n sisällä. Ratkaisu löytyy Ethernet-standardin TSN-laajennuksesta.

Time-Sensitive Networking (TSN) vastaa tähän haasteeseen Ethernet-standardin laajennuksena ja parantaa sitä reaaliaikaisilla ominaisuuksilla. Tämä kehitys mahdollistaa IT:n ja OT:n yhdistämisen yhtenäiseksi verkostoksi. TSN-yhteensopivien tuotteiden kasvava saatavuus luotettavista lähteistä helpottaa Teollisuus 4.0 -konseptien käyttöönottoa.

Kilpailluilla globaaleilla markkinoilla tavoitteena on tuottaa yhä monimutkaisempia ja tasaisen korkealaatuisia tuotteita markkinalähtöisin kustannuksin, usein räätälöityinä muunnelmina. Älykkäät tehtaat, jotka mukautuvat itsenäisesti muuttuviin tuotantovaatimuksiin Teollisuus 4.0 -periaatteiden mukaisesti, ovat välttämättömiä tämän tavoitteen saavuttamiseksi.

Kasvavat tietoliikennevaatimukset

Verkottuneiden tuotantojärjestelmien tulee kommunikoida paitsi keskenään myös muiden yritysten järjestelmien kanssa. Tämä tiedonsiirtovaatimus yltää kenttätason antureista ja toimilaitteista ohjaimien ja isäntätietokoneiden kautta paikallisiin ja keskustietokeskuksiin sekä pilveen. Jokainen näistä pisteistä toimii sekä datalähteenä että määränpäänä.

Jatkuva mikroelektroniikan miniatyrisointi on poistanut ohjaustietokoneiden ja oheislaitteiden välisen selvärajaisen eron. Kun anturit ja toimilaitteet varustetaan yhä enemmän omilla prosessoreilla, älyverkkosolmujen määrä kenttätasolla kasvaa nopeasti. Tietojenkäsittelyn arkkitehtuuri, olipa se keskitetty tai hajautettu, riippuu sekä teknisistä että taloudellisista kriteereistä, mukaan lukien tiedonsiirron kustannukset julkisissa verkoissa, kuten 5G.

Perinteinen hierarkkinen tiedonvaihtomalli on kehittymässä poikkistrukturoiduksi tiedonsiirtomenetelmäksi. Tämä muutos johtuu tarpeesta parantaa tuottavuutta, prosessin vakautta, tuotteiden laatua ja energiatehokkuutta, jotka kaikki edellyttävät laadukasta informaatiota ja lisäävät siten datansiirtomääriä.

Kuva 1. Kontron TSN Starter Kit mahdollistaa TSN-verkkojen konfiguroinnin ja valvonnan. IPC:t voidaan jälkiasentaa TSN:ää varten käyttämällä PCI Express -korttia ja asianmukaista ohjelmistoa.

Ethernet teollisissa sovelluksissa

Perinteisessä tietotekniikassa (IT) Ethernet-verkkostandardista on tullut synonyymi suurten tietomäärien nopealle vaihdolle. Maailman johtavana toimistoympäristöjen tietokoneiden verkkostandardina Ethernet tarjoaa suuren tiedonsiirtokaistanleveyden. Lisäksi TCP/IP-protokollapaketti mahdollistaa maailmanlaajuisesti standardoidun tiedonsiirron yksittäisten lähi- eli LAN-verkkojen rajojen yli.

Teollisuuden koneiden ja järjestelmien jatkuvasti kasvavien tietomäärien vuoksi oli selvää, että Ethernet tulisi ottaa käyttöön myös teollisuuden käyttöverkoissa eli OT-sovelluksissa. Liikeprosessien tarkka synkronointi teollisissa sovelluksissa vaatii kuitenkin reaaliaikaista kykyä monilla alueilla. Tämän saavuttamiseksi ennustettava ajoitus on vähintään yhtä tärkeää kuin riittävän korkea tiedonsiirtonopeus.

Vaikka Ethernet mahdollistaa suurten tietomäärien nopean siirron, siitä puuttuu joidenkin teollisten sovellusten edellyttämä deterministinen ajoitus. Tämä edellyttää parannuksia teollisuusympäristön tiukkojen vaatimusten täyttämiseksi.

Kuva 2. Kontron lisää TSN-ominaisuuden vakiona yhä useampiin tuotteisiin kortti- ja moduulivalikoimassaan, mukaan lukien emolevyt, COM Express-, SMARC- ja COM-HPC-moduulit sekä 3,5-tuumaiset korttitietokoneet Intel Atom® x6000E- ja Intel® Core™ -suorittimilla nykyiseen 14. sukupolveen asti.

Tuotannon vaatimat reaaliaikaominaisuudet

Kyky saavuttaa deterministinen, kova reaaliaikainen käyttäytyminen on mahdollista vain yhteisellä aikapohjalla kaikille verkon osallistujille. Saavuttaakseen ennustettavan reaaliaikaisen käyttäytymisen alle millisekunnin isokronisilla sykliajoilla automaatiojärjestelmien valmistajat ovat luoneet joukon erilaisia ​​patentoituja reaaliaikaisia ​​protokollia teollisuus-Ethernetin (Industrial Ethernet) alla.

Näihin protokolliin perustuvat kenttäväyläjärjestelmät mahdollistavat suurten datamäärien nopean siirron ja turvallisuuteen liittyvän tiedon siirtämisen samoilla linjoilla ei-turvatulla kanavalla, jota usein kutsutaan "mustaksi kanavaksi". Nämä järjestelmät poikkeavat kuitenkin usein merkittävästi Ethernet-standardista, eivätkä ne ole yhteensopivia keskenään ja ympäröivien verkkojen kanssa.

Eroon asiakaskohtaisista väyläjärjestelmistä

Institute of Electrical and Electronics Engineers eli IEEEä) on kehittänyt Time-Sensitive Networking Ethernet -standardin, lyhyesti TSN. Tämä on Ethernetin laajennus, joka sisältää reaaliaikaiset ominaisuudet. IEEE 802.1 TSN -standardi säätelee datapakettien lähetyskäyttäytymistä aikasynkronoinnin avulla yhteistä aikakantaa käyttäen ja tarjoaa vaihtoehtoja liikenteen ajoitukseen (scheduling) ja automaattiseen järjestelmän konfigurointiin. Nämä ominaisuudet ovat välttämättömiä kaikkien tietokonepohjaisten järjestelmien yleisen verkottumisen kannalta.

Toinen kriittinen vaatimus on avoin, reaaliaikainen viestintäprotokolla, jolla vältetään monimutkaisuudet ja mahdolliset datan menetykset, jotka liittyvät eri valmistajien järjestelmien väliseen käännökseen. Tähän haasteeseen vastattiin marraskuussa 2018 SPS-messuilla, kun esiteltiin universaali OPC-arkkitehtuuri TSN:n päällä. Tämä on yleinen reaaliaikainen viestintäalusta, joka ulottuu anturitasolle asti.

Tämä standardi, joka nimettiin uudelleen OPC UA FX:ksi (Field eXchange), ratkaisee aiemmat yhteensopivuusongelmat yhdellä, maailmanlaajuisesti standardoidulla protokollalla. Tärkeimpien laitevalmistajien tukema se toimii perustana kaikille IIoT-sovelluksille ja on avain IT:n ja OT:n yhdistämisessä yhdeksi verkoksi. Kontronilla on OPC UA FX:stä tekninen dokumentti, joka löytyy täältä.

Yksi ja sama standardi reaaliaikaiseen tiedonsiirtoon

TSN on nopeasti vakiinnuttanut asemansa reaaliaikaisen tietoliikenteen tärkeimpänä standardina. Ethernetin uudelleenmäärittely on parantanut merkittävästi suorituskykyä, mikä mahdollistaa kymmenientuhansien solmujen verkot. Nämä verkot voivat kommunikoida jopa 18 kertaa nopeammin kuin mikään aikaisempi protokolla, ja niitä on myös erittäin helppo hallita ja määrittää. Tämä edistysaskel mahdollistaa digitaalisen kuvankäsittelyn ja synkronoidun käyttötekniikan yhdistämisen reaaliajassa käyttämällä kustannustehokasta paikan päällä olevaa laitteistoa.

Päätteet, joissa ei ole TSN-ominaisuuksia, voivat toimia saumattomasti myös TSN-verkoissa. Tämä näyttää viittaavan siihen, että Ethernet-asennukset tukevat lopulta TSN-toimintoja vakiona. Tämä muutos poistaa nykyiset korkeat kustannukset, jotka liittyvät yhteensopivuusongelmien ratkaisemiseen, mikä helpottaa aikakriittisten järjestelmäkomponenttien integrointia esineiden Internetiin. Näin tämä mahdollistaa Teollisuus 4.0 -konseptien toteuttamisen. Lisäksi tietoliikenteen deterministinen ajoituskäyttäytyminen tarjoaa merkittäviä etuja monissa sovelluksissa tuotantokoneiden ja järjestelmien lisäksi.

Nopeasti liikkeelle TSN:ssä

Johtava sulautettujen IIoT-tuotteiden valmistajana Kontron on myös Euroopan markkinajohtaja tällä alalla. TSN:n edelläkävijänä yritys lanseerasi aloituspaketin aikaherkkään verkkoon huhtikuussa 2018. Tämä kattava ohjelmistoympäristö tukee ohjelmoijia ja käyttäjiä ja vastaa TSN:n vaatimaan huomattavasti monimutkaisempaan verkkokokoonpanoon verrattuna tavalliseen Ethernetiin. Aloituspakkaus sisältää myös sopivan laitteiston TSN-yhteensopivilla liitännöillä realistista testausta varten, mikä helpottaa järjestelmän valmistajien omaksumista tekniikan käyttöön.

Yksi Kontronin ensimmäisistä TSN-yhteensopivista tuotteista oli PCIe-laajennuskortti, joka tarjoaa jopa neljä ulkoista TSN-kanavaa. Näitä kanavia voidaan käyttää yksittäin, redundantteina pareina tai rengaskonfiguraatioina, mikä tukee topologiasta riippumattomien TSN-verkkojen luomista. Kontron toteutti nopean tietoliikennelogiikan FPGA:n avulla, mikä mahdollistaa nopean ja helpon reagoinnin standardien muutoksiin antamalla mahdollisuuden ladata uudempia versioita.

Kompakti SMARC sAL28 -moduuli sisältää jopa viisi Gigabit Ethernet -porttia ja integroidun TSN-kytkimen, mikä tekee siitä ihanteellisen datan keskittämiseen reunalaitteena.

Tuotteiden parantaminen TSN:llä

Kontron integroi TSN-ominaisuuden vakio-ominaisuutena yhä suurempaan määrään tuotteitaan, mukaan lukien uusimmat Box PC:t, räkkipalvelimet, työasemat ja paneelitietokoneet sekä COM Express -moduulit, emolevyt ja 3,5-tuumaiset korttitietokoneet. Tämä onnistuu sulauttamalla TSN-toimintoja eri valmistajien puolijohteisiin, kuten Intelin Core-prosessoreihin nykyiseen 14. sukupolveen asti. Nämä prosessorit tukevat Intelin TCC-tekniikkaa, joka mahdollistaa TSN-toteutukset.

Esimerkiksi COMh-ccAS COM-HPC -asiakasmoduuli 12. sukupolven Intel Core S -prosessoreilla tarjoaa suorituskyvyn, joka tarvitaan monipuolisiin, intensiivistä grafiikkaa ja laskentaa vaativiin verkko-, automaatio-, mittaus- ja lääketieteellisen teknologian sovelluksiin. Teollinen A-koon COM HPC -asiakasmoduuli COMh-caRP, joka on varustettu 13. sukupolven Intel Core -suorittimilla, jopa 64 gigatavun DDR5 RAM -muistilla ja jopa 2,5 gigabitin Ethernetillä ja TSN-tuella, sopii myös teollisuussovelluksiin.

Kontronin sitoutuminen TSN:ään ulottuu Intel-prosessoreita laajemmalle. Piirikortille juotettavalle OSM-S i.MX8M Plus -moduulilla on tehokas neliytiminen i.MX8M Plus Quad -prosessori, jossa on neljä 1,6 gigahertsin suoritinydintä ja AI-prosessori, 64 gigatavua eMMC-muistia ja 4 gigatavua LPDDR4 RAM -muistia. Yhdessä sen kahdesta GbE-LAN-portista on TSN-toiminto, ja koko moduuli on vain 30 x 30 millimetrin kokoinen.

Kuva 3. Vain 30 mm x 30 mm:n kokoinen juotettava OSM-S i.MX8M Plus SoM-järjestelmämoduuli tarjoaa kaksi gigabitin LAN-yhteyttä (1x TSN-toiminnolla).

Pienimmistä moduuleista sulautettuihin box- ja paneelitietokoneisiin ja KISS V4 ADL -perheen teollisiin räkkijärjestelmiin ja KWS-työasemaan asti Kontronin teollisuustietokonelaitteistovalikoima laajennetuilla lämpötila-alueilla ja TSN-ominaisuuksilla täyttää monenlaisia ​​vaatimuksia. Lisäksi Kontron tarjoaa mukautettuja kehitysversioita ja variantteja, jotka tukevat asiakkaita tiettyjen automaatioprojektien toteuttamisessa Kontron AIS:n kautta.

Avainkomponentti: Ethernet-kytkimet

Monimutkaisten ratkaisujen käyttöönotto ankarissa teollisuusympäristöissä vaatii virheetöntä vuorovaikutusta laitteiston ja ohjelmiston välillä, sekä liitettävyyden tuotantojärjestelmiin. Tämä saumaton integraatio on ratkaisevan tärkeää digitaalisen murroksen (transformation) onnistuneelle toteuttamiselle valmistusteollisuudessa. Siksi teollisuuskytkimet ovat olennaisia ​​rakennuspalikoita tehokkaille Industry 4.0- ja IIoT-sovelluksille.

Kuva 4. Kontronin järjestelmätuotevalikoimaan kuuluvat korkean suorituskyvyn Box PC:t, telineeseen asennettavat järjestelmät ja paneeli-PC:t teollisiin sovelluksiin sekä teollisuuden Ethernet-kytkimet.

Teollisuuskorttien, moduulien ja järjestelmien lisäksi Kontronin tuotevalikoimaan kuuluu myös teollisia Ethernet-kytkimiä. KSwitch D10 MMT on vankka ja kustannustehokas kahdeksan portin hallittu TSN-kytkin, joka on suunniteltu nopeisiin ja gigabittisiin verkkoihin. Tässä teollisuusluokan laitteessa on korkealaatuinen metallikotelo, joka tekee siitä kestävän ympäristön vaikutuksilta. Se toimii laajalla lämpötila-alueella -40…+75 °C ja tukee laajennettua virtalähdealuetta 12 - 58 V DC.

KSwitch D10 MMT sisältää kuusi Fast & Gigabit Ethernet -porttia RJ45-liittimillä sekä kaksi lisäporttia, joissa on RJ45- ja SFP-kuituliitännät 2,5 GbE/s asti. Se on varustettu täydellä TSN-ominaisuussarjalla ja hallintaominaisuuksilla IEEE 802.1 TSN -standardien mukaisesti.

Kuva 5. Erityisesti teollisuusympäristöihin suunniteltu KSwitch D10 MMT -tuoteperhe sopii nopeisiin ja gigabittisiin verkkoihin ja tarjoaa mahdollisuuden liittää koneita, ohjausjärjestelmiä ja muita komponentteja tulevaisuuden kannalta kestävällä tavalla IEEE 802.1 TSN -standardin (Time Sensitive Network Ethernet) pohjalta.

Integroimalla TSN:n täysin laitteistoon, myös kytkimiin, Kontron yksinkertaistaa konvergoitujen Ethernet-pohjaisten verkkojen käyttöönottoa. Nämä verkot mahdollistavat aikasynkronoidun, deterministisen viestinnän ajamisen rinnakkain tavallisen IT-liikenteen kanssa, mikä mahdollistaa todellisen IIoT- tai Industry 4.0 -ympäristön, joka perustuu yleisiin Ethernet-protokollastandardeihin.