שחר הרשתות התעשייתיות: מערכות תעמולה ושדות תעופה

לפני גיל האית'רנט הוויקטורי, רצפת המפעל פעלה על רצף של מערכות שדה תעופה קנייניות ומחצית-פרוטריות למחצה. בשנות ה-70 וה-80, המחברת בקר לוגי הניתן לתוכנה (PLC) לחיישנים ופועלים נועדו לרוץ רתמים מקבילים מסיביים מכל מכשיר חזרה לקבינט בקרה מרכזי.

(המבוא של רשתות שדה דיגיטליות באמצע שנות השמונים ציין את הקפיצה הגדולה הראשונה קדימה. תקנים כמו FLT:0)ProfibusFLT 1 (Process שדה Bus), שפותחה על ידי סימנס וקידמה על ידי פרופ'בוס ופרופ'נט אינטרנשיונל, ו-FLT:2ModbusConFLT 3, אשר נוצרו במקור על ידי Modicon (כיום שניידר אלקטריק), אפשרו להעביר מעל פרוטוקול תקשורת חד-פולנית.

בעוד שדהבוסים אלה היו מאוד מפוצצים ואבחון משופר, הם היו רחוק ממושלם.כל סטנדרטי דרש לעתים קרובות שבבים מיוחדים, תוכנה תצורה קניינית, וקנוניה ספציפית בין מכשיר פרופ'יבוס לבין רשת התקנים נטו למעשה לא קיים ללא שערות יקרות, מורכבות.שיעורי הנתונים, בדרך כלל החל מ 1bps ל 12 Mbps, היו ללא מספיק עבור דרישות גוברות של מערכות ראייה גבוהה ורמת אבטחה מקוונת.

EtherNet/IP: קיצור של Common Industrial Protocol

[ה]הדחיפה לתקינה את השליטה התעשייתית באיתרנט הובילה לפיתוח של כמה סטנדרטים "אינטראטיקה" המתחרים בסוף שנות ה-90 ובתחילת שנות ה-2000.בין המוצלחים ביותר הייתה FLT:0EtherNet/IPIRLT:1, שפותחו במשותף על ידי Rockwell Automation ונוהלו על ידי ה-FLT:2ODVA (Open Device Vendors) LTF:303/IPISTIST, לעומת פרוטוקול UIPDISTISTISTDICIP, לעומת פרוטוקול CSTISTISTICDIC, לעומת TRASTDISTDICDICDICICICDIC VISTISTIC (C) ו-CDISTDISTDISTDISTDISTDIST TRAST TRASTDISTDIC DIST TRAST TRAST TRASTDICSTICDICDISTDIC DISTICDICDICST TRASTDIC DIST TRAST TRAST TRAST TRAST TRASTIC TRASTIC TRAST TRAST TRAST TRAST TRAST TRA

אסטרטגיה זו העניקה EtherNet/IP כמה יתרונות מיידיים.זה יכול לרוץ על זמין, מחוץ ל-Hal-shelf Ethernet חומרה (Switchs, כבלים וכרטיסי ממשק רשת) היא תמכה הן הודעות בלתי-אפשריות (זמן אמת- I/O) באמצעות UDP עבור ביצועים מהירים ופרוטוקולים מהירים יותר (תיקון ואבחון) באמצעות TCP למשלוח מובטח.

האתגר הבסיסי: קביעת דיקטטורה נגד הטוב ביותר

הלב של הבעיה נמצא בפילוסופיה העיצובית המקורית של תקן IEEE 802.3 Ethernet סטנדרטי. Standard Ethernet הוא רשת לא-קבועת, "טובת-המאמץ" (best-effort) אם שני מכשירים מנסים להעביר נתונים בו-זמנית, התנגשות מתרחשת.ה-S Carrier Sense Access with Collision Detection (CS/CD) מטפל בכך על ידי כך שלשני המכשירים מחכים לחוויית החזר אקראי לפני ניסיון להחלמה בסביבה, זה בקושי נראה כמו 20 מ"ח"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"מ"ל"מ"מ"מ"מ"מעשר שניות"ל הוא בקושי נראה"ל.

אולם בקומת המפעל, ג'ייטר ועצלות כאלה הם קטסטרופליים.מערכת בקרת תנועה המתאמת זרוע רובוטית מהירה במהירות גבוהה עשויה לדרוש עדכון עמדה כל 31.25 מיקרו-שניות. A פספס או עיכבת חבילה עלולה לגרום לשגיאות סינכרוניזציה של ציר, מה שמוביל לתנודתיות מכנית, נזקי עבודה או הפסקת חירום.כפי שדוחפים לדיוק גבוה יותר, אקראיות ב-CSMA/CD הפכו לבעיית אחריות בלתי-מקובלת, בעוד שלעתים קרובות.

Ethernet בזמן אמת: פתרונות תעמולה לבעיה של תזמון

כדי להשיג את התקשורת ה ⁇ סטית הנדרשת עבור יישומים בזמן אמת קשה, כמה גופים סטנדרטיים ומוכרים פיתחו פרוטוקולים מיוחדים.הסטנדרטים "התאיים בזמן אמת" (RTE) נקטו גישות שונות כדי לעקוף את הלא-הקבע של Ethernet סטנדרטי.שלוש מהדוגמאות הבולטות ביותר הן FLT:0EtherCATFLT:1, LT2PROFI IRTIR3, ו-FLT5R:

  • (FLT:0)EtherCATigFLT:1 (Ethernet for Control Automation Technology), שפותחה על ידי Beckhoff, משתמשת בשיטה "מעבדה על זבוב" (המאסטר שולח מסגרת מברק אחת העוברת דרך כל מכשיר עבדים.כל עבד קורא את נתוני הקלט שלו ומוסיף את נתוני הפלט שלו למסגרת כפי שהוא עובר על ידי המאסטר עם כל הנתונים שנאספו זה הוא מהיר מאוד דורש תצורה מסוימת של EATCduCRECRECRECRECRE (אך דורש מסובכת) אך הוא בעל שם באופן מיוחד (אך הוא ראשי תיבות של Eplexs) באופן מיוחד של EATICDICD (אך דורש נתונים מיוחדים).
  • (FLT:0PROFINET IRTFLT:1 (Isochronous Real-Time), שפותחה על ידי סימנס ופרופ'יוינט הבינלאומי, נוקטת בגישה שונה.It מחלק את מחזור התקשורת לשלב "אדום" ⁇ עבור מתגים קריטיים בזמן ו"שלב ירוק" פתוח עבור תעבורת TCP/IP סטנדרטית.
  • (FLT:0)Sercos IIIFLT:1 (מערכת תקשורת בזמן אמת) משתמשת בגישה "מסגרת של זיכרון" דומה ל-EtherCAT אבל תומך בטופולוגיה טבעתית לזמינות גבוהה. כמו PROFINET IRT, זה דורש תמיכה ברמת חומרה עבור תזמון מדויק ונפיחות חמה של מכשירים ללא הפרעה המחזור הקבעיסטי.

כל הפתרונות האלה יעילים.A.הגדרה נכונה של EtherCAT או PROFINET IRT רשת יכולה להשיג Jitter בטווח ננו השני.עם זאת, היתרונות האלה באים בעלות: הספק Lock-in, הסתמכות על חומרה מיוחדת, הנדסת רשת מורכבת, וכדאיות בסיסית להתכנסות חלקה עם רשתות IT סטנדרטיות.כל תקן RTE מדבר את השפה שלו, ו-Ratching אותם נשאר אתגר מתמשך עבור התעשייה הבינלאומית הנדרשת לתקשורת סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, עבור תקשורת סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, היא בעלת סטנדרט תקשורת סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, סטנדרטית, היא בעלת סטנדרט תקשורת סטנדרטית, היא בעלת סטנדרט תקשורת סטנדרטית, סטנדרטית, היא בעלת השפעה.

רשת זמן-רגישה (TSN): The Quest for a Unified Standard

התשובה לפירוק רשתות אוטומציה תעשייתית היא לא פרוטוקול אחד, אלא קבוצה מקיפה של תקן Ethernet IEEE 802.1 שפותחה על ידי ה-FLT:2IEEE TSN היא לא פרוטוקול יחיד, אלא מערכת מקיפה של IEEE 802.1 Ethernet תת-תקני Ethernet שפותחו על ידי ה-FLT:2IEEE TSN Task GroupFLT 3, שפותחה בתחילה מ- Audio Bridging (B) עבור תקני אודיו / טלוויזיות ויזואליות, TSG, , , , TSIE, TSIE TSK, TSIE TSK, TSK, TSK, TSK, TSA, TSK, TSK, TSK, TSK, TSA, TSK, TSE, TSE, TSE, TSK, TSE, TSFLT 3 TSKFLT 3 TSFLT 3, TSK, TSK, TSIE TSN, TSKFLT 3, TSIE TSIE TSIE TSIE TSK, TSIE TSKFLT 3, TSKFLT 3,

הפילוסופיה הליבה של TSN שונה באופן קיצוני מפתרונות קנייניים קודמים.במקום לשנות את מבנה המסגרת Ethernet או לדרוש סיליקון מותאם אישית כדי להתמודד עם לוח זמנים ⁇ סטי, TSN פועל על ידי סטנדרטיזציה ההתנהגות של מתגי רשת. A TSN-enable מתג IoT יכול לתעד את התנועה, לעצב זרימת נתונים, ו synSynctime שעונים ברחבי הרשת עם דיוק קיצוני, תוך שימוש סטנדרטי 100b, 1b, אפילו יותר גבוה יותר, מאפשר חיישנים משרדיים, או מהירות גבוהה יותר, ומאפשרת, כדי שליטה גבוהה יותר, ו-טווח גבוה יותר, ו- סטנדרטית, I.

מפתחי משנה שגורמים ל-TSN לעבוד

TSN מוגדר על ידי ארגז כלים של סטנדרטים, כל אחד מתייחס היבט מסוים של תקשורת ⁇ יסטית.הבנת כמה מרכיבים מרכזיים חיוני להעריך את כוחו.

  • (FLT:0)IEEE 802.1AS: שעון סינכרוניזציה של TSN1 (פרוטוקול זמן חובה כללי, gPTP) זהו בלוק הבסיס של כל רשת TSN. זה מספק מנגנון עבור כל המכשירים ברשת כדי לסנכרן את השעונים שלהם למקור זמן משותף עם דיוק תת-מיקרו-שני.
  • IEEE 802.1Qbv: Time-Aware Shaper (TAS)OVAFLT:1 [זהו המנגנון שאכיפת הדטרמיניזם. 802.1Qbv מחלק את פעולתו של נמל מתג פאס לתוך מחזורי זמן חוזרים.בתוך כל מחזור, התנועה התורד היא שערה.
  • (FLT:0IEEE 802.1Qci: Per-Stream Filtering ו- Policingph1 ; כדי להגן על הרשת מפני מכשירים לא מתוכנתים או פגומים, 802.1Qci מאפשר מתגים לפקח ולכפות גבולות רוחב פס על זרמי נתונים ספציפיים.אם חיישן מתחיל לשדר יותר מדי נתונים, מתג TSN יכול באופן אוטומטי טיפות או לשחזר אותם לשורה התחתונה, בתנאי הגנה על בטיחותית הנדרשת.
  • (FLT:0)IEEE 802.1CB: שכפול וחיסול של Reliability (FRER)FLT:1 . עבור מערכות זמינות גבוהה, 802.1CB מספק חלק באדום.המכשיר שולח לשכפל כל חבילה ושולח את שני העותקים על פני נתיבים נפרדים פיזית דרך הרשת.

סטנדרטים אלה, יחד עם אחרים עבור הזמנה לסטרימינג (802.1Qat) ורישום קישורים (802.1CS), יוצרים ערכת כלים רבת עוצמה.הם מאפשרים מהנדסי רשת לעצב מערכות עם שקיפות מובטחת, אובדן אפס, וסובלנות אשמה, הכל על חומרה Ethernet סטנדרטית.

כיצד התקשורת הניתנת ל-TSN על תקן Ethernet

המעבר מסטנדרט האינטנסיבי, הטוב ביותר לרשת TSN-Managed הוא שינוי מהותי כיצד הרשת פועלת.ברשת סטנדרטית, זרימת נתונים מרובים מתחרים על רוחב פס נמל פאסיבי.ה- TSN-Manated buffer ממלא, וחבילות תורות "קודם, ראשון" או עם עדיפות פשוטה (80p) באופן פתאומי של זרם נתונים של לחץ גבוה, יכול לגרום להורדת זמן של לחץ דם בשלב מוקדם.

TSN מבטל את התוכן הזה באמצעות לוח הזמנים המוגדר ב 802.1Qbv (Time-Aware Shaper) כל מתגים ותחנות הקצה מסונכרנים לשעון מאסטר באמצעות 802.1AS. בהתבסס על הגמישות הנדרשת של הזרם ורוחב הפס, כלי תצורה מרכזי מחשב לוח זמנים מדויק.זה קובע בדיוק כאשר חפיסות של זרם מסוים יעברו כל אחד לאורך הנתיב.

יתר על כן, TSN מיועד להתכנסות. כי התנועה לשליטה מתוכננת ומוגן על ידי 802.1Qci, רוחב הפס הנותרים ומזל מזל יכול לשמש בחופשיות על ידי פרוטוקולים אחרים. כבל אחד יכול לשאת זרם בקרת תנועה PROFINET, עדכון תצורה OPC UA, דף אינטרנט HTTP סטנדרטי, ושיחות קוליות ללא כל אחד מהם להפריע לקביעת השליטה הניטרלית זה להפחית באופן דרמטי את המורכבות של רשת תעשייתית.

ההשפעה של TSN על הנוף התעשייתי והמקצועי

רול של TSN הוא לעצב מחדש אוטומציה תעשייתית, כלי רכב ברשתות מיילדות, אודיו מקצועי / וידאו. עבור בעלי המפעל, היתרון העיקרי הוא ההתכנסות של טכנולוגיית תפעול (OT) וטכנולוגיית מידע (IT) TSN מאפשר רצפת המפעל לדבר את אותה שפה פתוחה כמו מרכז הנתונים התאגידי.זה מפשט את עלויות החומרה, ומאפשר יישומים חזקים כגון קישוריות דיגיטלית וחיזוי.

עבור ספקי אוטומציה, TSN מייצג שינוי במודלים עסקיים.במקום לנעול לקוחות לפרוטוקול זמן אמתי קנייני, ספקים יכולים להתמקד כעת על הערך של הבקרים והחיישנים שלהם, תוך מינוף שכבת התחבורה הפתוחה TSN. ארגונים מרכזיים כמו FLT:0Avnu AllianceFLT:1 הם מניעים תאימות ובדיקה בין-operability כדי להבטיח כי TS מיצרנים עובדים באופן חלק.

אחד היתרונות הפרגמטיים ביותר של TSN הוא כי זה לא דורש לנטוש פרוטוקולים קיימים של יישומים. במקום זאת, מנהיגים באוטומציה מתאימים את הפרוטוקולים שלהם לרוץ מעל TSN.

  • (FLT:0PROFINET Over TSNFLT:1; PI מפתחת "PROFINET Over TSN" (הידוע גם בשם "Profinet RTC") כדי להסיר את הדרישה ל-ProFINET IRT ASICs מיוחדים.זה מאפשר PROFINET לרוץ על מתגים סטנדרטיים של TSN-capable, להפחית באופן דרמטי את עלויות החומרה תוך שמירה על רמות ביצועים דומות.
  • CC-Link IE TSNNNNFIRLT:1]: ה-Hicic אוטומציה של יפן CLPA היה הראשון לשלב רוחב פס ג'יגהביט עם תכונות TSN. הוא משתמש 802.1Qbv לתקשורת ⁇ סטית תוך תמיכה בתנועת TCP/IP סטנדרטית באותה רשת.
  • (FLT:0) UA מעל TSNNNFIRLT:1: The Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) הוא תקן דה- Facto עבור שיתוף נתונים עצמאי, מאובטח.כאשר בשילוב עם TSN (OPC UA FX), הוא הופך להיות מסוגל למגוון רחב, בזמן אמת תקשורת "pe-to-peer", חיבור ישיר, חיישנים, , חיישנים, ופלטפורמות תקשורת 4.0 זה נחשב בסיס נרחב ל-P.

עתיד הרשתות התעשייתיות: TSN, 5G, והדרך לתעשיית 4.0

האבולוציה של רשתות תעשייתיות רחוקה ממעל. TSN מספקת עמוד השדרה הקבעי, אבל המפעל המודרני דורש גמישות אלחוטית.התכנסות של TSN עם FLT:05G Ultra-Reliable Low-Latency Communications (URC)FLT:1 הוא הגבול העיקרי הבא של TSGPP לשחרר 16 אינטגרציות ספציפיותN עם 5G, ומאפשרת תחנת דלק מדויקת של תאים ניידים (AG) ו-VTS) היא הגבול המהיר הבא.

ביטחון בעולם מוגן

ההתכנסות של רשתות IT ו-OT מרחיבה גם את פני השטח של ההתקפה.ללא אבטחה קפדנית, מחשב נייד במשרד נפגע יכול להשפיע באופן תיאורטי על תא רובוטי הנשלט על ידי TSN. פריסות TSN מסתמכות יותר ויותר על תקני אבטחה חזקים, כגון FLT:0IEC 62443FLT:1 עבור אבטחת תקשורת תעשייתית, אימות (80X), ותקשורת מוצפנת או מוצפנתית) אינה משולבת לרשת אבטחה מוגברת.

מסקנה

המסלול משדות קנייניים ל-EtherNet/IP, וכעת אל המערכת האקולוגית הפתוחה, ה-DIS של רשת הזמן-רגישטיבית, משקף את הדרישה התעשייתית הבלתי פוסקת של מערכות חכמות יותר, חכמות יותר ואמינה יותר. בעוד פרוטוקולים Ethernet מיוחדים בזמן אמת יפתרו בהצלחה את אתגר התזמון עבור ספקים ספציפיים, TSN משיגה אותו באופן אוניברסלי.