L'alba della rete industriale: sistemi e bus di campo di proprietà

Prima dell'età di ubiquitous Ethernet, il pavimento di fabbrica operava su una patchwork di sistemi fieldbus proprietari e semipropritari. Negli anni '70 e '80, collegando un controller di logica programmabile (PLC) a sensori e attuatori significava correre enormi cablaggi paralleli da ogni dispositivo di ritorno a un armadio di controllo centrale.

L'introduzione di reti di fieldbus digitali a metà degli anni '80 ha segnato il primo grande salto avanti. Standard come Profibus] (Process Field Bus), sviluppato da Siemens e promosso da Profibus & Profinet International, e Modbus, originariamente creato da Modicon (ora Schneider Electric).

Mentre questi fieldbus semplificavano il cablaggio e miglioravano la diagnostica, erano lontani dalla perfezione. Ogni standard richiedeva spesso chip specializzati, software di configurazione proprietaria e cablaggio specifico. L'interoperabilità tra un dispositivo Profibus e una rete DeviceNet era essenzialmente non esistente senza gateway costosi e complessi. I tassi di dati, tipicamente che vanno da 1 Mbps a 12 Mbps, erano presto insufficienti per le crescenti esigenze di automazione di qualità, sistemi di visione

EtherNet/IP: Levare il Protocollo Industriale Comune

La spinta a standardizzare il controllo industriale su Ethernet ha portato allo sviluppo di diversi standard "Industrial Ethernet" alla fine degli anni '90 e all'inizio degli anni 2000. Tra i più riusciti è stato EtherNet/IP, sviluppato congiuntamente da Rockwell Automation e gestito dalle mappe ODVA (Open DeviceNetther Vendors Association) robusto protocollo]].

Questa strategia ha dato a EtherNet/IP diversi vantaggi immediati. Può funzionare su un'interfaccia di rete prontamente disponibile, off-the-shelf Ethernet (interruttori, cavi e schede di interfaccia di rete).

La sfida fondamentale: il determinismo contro il miglior sforzo

Il cuore del problema è la filosofia di progettazione originale dello standard Ethernet IEEE 802.3. Standard Ethernet è una rete non-determinativa, "migliore sforzo". Se due dispositivi tentano di trasmettere i dati simultaneamente, si verifica una collisione. Il vettore Sense Multiple Access con Collision Detection (CSMA/CD) protocollo gestisce questo, avendo entrambi i dispositivi aspettare un intervallo casuale di backoff prima di tentare di retrasmettere.

Sul pavimento della fabbrica, tuttavia, tali jitter e latenza sono catastrofici. Un sistema di controllo del movimento che coordina un braccio robotico ad alta velocità può richiedere un aggiornamento della posizione ogni 31.25 microsecondi. Un pacchetto mancato o ritardato può causare errori di sincronizzazione dell'asse, portando a vibrazioni meccaniche, danni ai pezzi o interruzioni di emergenza.

Ethernet in tempo reale: Soluzioni di Proprietà al problema di Timing

Per ottenere la comunicazione deterministica necessaria per applicazioni in tempo reale difficili, diversi corpi e fornitori standard hanno sviluppato protocolli specializzati. Questi standard "Real-Time Ethernet" (RTE) hanno adottato diversi approcci per aggirare il non-determinazione di Ethernet standard. Tre degli esempi più importanti sono EtherCAT, PROFINET IRT[3]

  • EtherCAT[] (Ethernet for Control Automation Technology), sviluppato da Beckhoff, utilizza un metodo di "elaborazione sul volo"; il master invia un singolo frame telegramma che passa attraverso ogni dispositivo slave. Ogni slave legge i suoi dati di input e inserisce i suoi dati di output nel frame come passa.
  • PROFINET IRT[] (Isochronous Real-Time), sviluppato da Siemens e Profibus & Profinet International, si avvicina in modo diverso: divide il ciclo di comunicazione in una "fase rossa" deterministica per i dati critici e una "fase verde" aperta per il traffico standard TCP/IP.
  • Sercos III[ (Sistema di comunicazione in tempo reale) utilizza un approccio "cornice di sintesi" simile a EtherCAT ma supporta una topologia anelli ridondante per un'elevata disponibilità.

Tutte queste soluzioni sono efficaci. Una rete EtherCAT o PROFINET IRT configurata correttamente può raggiungere il jitter nella gamma nanoseconda. Tuttavia, questi vantaggi sono a un costo: il lock-in del fornitore, l'affidabilità su hardware specializzato, l'ingegneria di rete complessa e una fondamentale incapacità di convergere senza soluzione di continuità con le reti IT standard standard. Ogni standard RTE parla la propria lingua e la corruzione rimane una sfida persistente.

Networking temporale (TSN): la ricerca di uno standard unificato

La risposta alla frammentazione delle reti di automazione industriale è Reti di tempo-sensitive (TSN)[]. TSN non è un unico protocollo ma un insieme completo di IEEE 802.1 standard Ethernet sviluppati dal IEEE TSN Task Group]. Inizialmente evoluto dallo studio Audio Video Bridging (N)

La filosofia principale di TSN è radicalmente diversa dalle soluzioni proprietarie precedenti. Invece di cambiare la struttura della struttura della struttura Ethernet o richiedere il silicio personalizzato per gestire la pianificazione deterministica, TSN funziona standardizzando il comportamento degli switch di rete. Un interruttore di trasporto TSN-enabled può dare priorità al traffico, modellare i flussi di dati e sincronizzare gli orologi in tutta la rete con estrema precisione, il tutto utilizzando standard 100 Mbps, 1 Gbps, i dati convergenti, o ancora più velocizza.

I sub-sotto-sotto-sotto-sotto-sotto-sotto-sotto-sotto-sotto-sotto-sotto-sotto-sotto-sotto-sotto-saldi che rendono il lavoro di TSN

TSN è definito da una cassetta degli strumenti di standard, ogni aspetto specifico della comunicazione deterministica. Capire alcuni componenti chiave è essenziale per apprezzare la sua potenza.

  • IEEE 802.1AS: Sincronizzazione dell'orologio[] (Generalized Precision Time Protocol, gPTP) Questo è il blocco fondamentale di qualsiasi rete TSN. Fornisce un meccanismo per tutti i dispositivi sulla rete per sincronizzare i loro orologi a una fonte di tempo comune con precisione submicroseconda.
  • IEEE 802.1Qbv: Time-Aware Shaper (TAS)[]. Questo è il meccanismo che impone il determinismo. 802.1Qbv divide il funzionamento di una porta di commutazione di egresso in cicli di tempo di ripetizione. All'interno di ogni ciclo, il traffico coda è recintato.
  • IEEE 802.1Qci: Per-Stream Filtering and Policing[]. Per proteggere la rete da dispositivi non configurati o malfunzionanti, 802.1Qci consente agli switch di monitorare e far rispettare i limiti di banda su specifici flussi di dati. Se un sensore inizia a trasmettere troppi dati, l'interruttore TSN può automaticamente cadere i frame o relegare loro a un controllo di sicurezza più basso livello di priorità.
  • IEEE 802.1CB: Replica del telaio e eliminazione per la affidabilità (FRER)[]. Per i sistemi ad alta disponibilità, 802.1CB fornisce ridondanza senza soluzione di continuità. Il dispositivo di invio duplica ogni pacchetto e invia le due copie su percorsi fisicamente separati attraverso la rete. Il dispositivo di ricezione accetta la prima copia per arrivare e scarta il flusso di recupero.

Questi standard, insieme ad altri per la prenotazione di stream (802.1Qat) e la registrazione di link-local (802.1CS), formano un potente kit di strumenti, consentendo agli ingegneri di rete di progettare sistemi con latenza garantita, perdita di pacchetti zero e tolleranza di guasto, tutti su hardware Ethernet standard.

Come TSN consente la comunicazione di deterministica su Ethernet standard

Il passaggio da Ethernet standard non deterterministica e di maggior sforzo a una rete deterministica TSN è un cambiamento fondamentale nel funzionamento della rete. In una rete di commutazione standard, più flussi di dati competono per la larghezza di banda di uscita. Il buffer di commutazione riempie, e i pacchetti sono in coda "primo in, primo out" o con semplice queuing prioritario (802.1p).

TSN elimina questa contesa attraverso la programmazione definita in 802.1Qbv (Time-Aware Shaper). Tutti gli switch e le stazioni finali sono sincronizzati con un orologio master tramite 802.1AS. Basato sulla latenza e la larghezza di banda richiesta del flusso, uno strumento di configurazione centrale calcola un programma preciso.

Inoltre, TSN è progettato per la convergenza. Poiché il traffico di controllo è strettamente programmato e protetto da 802.1Qci, la larghezza di banda rimanente e le fasce orarie possono essere liberamente utilizzate da altri protocolli. Un singolo cavo può trasportare un flusso di controllo del movimento PROFINET, un aggiornamento di configurazione OPC UA, una pagina web HTTP standard e una chiamata voice-over-IP senza che nessuno di loro interferisca con il loop di controllo deterministico.

L'impatto di TSN sul paesaggio industriale e professionale

Per i proprietari di fabbrica, il vantaggio principale è la convergenza delle reti di tecnologia operativa (OT) e tecnologia dell'informazione (IT). TSN permette al pavimento di fabbrica di parlare la stessa lingua aperta del data center aziendale. Questo semplifica l'architettura di rete, riduce i costi hardware e consente potenti nuove applicazioni come connettività cloud diretto per la manutenzione predittiva e gemellaggio digitale.

Per i fornitori di automazione, TSN rappresenta un cambiamento nei modelli aziendali. Invece di bloccare i clienti in un protocollo proprietario in tempo reale, i fornitori possono ora concentrarsi sul valore aggiunto dei loro controller e sensori, sfruttando lo strato di trasporto aperto TSN. Le principali organizzazioni come il Avnu Alliance[]]] stanno guidando la conformità e il test di interoperabilità per garantire che i dispositivi TSN di diversi produttori funzionino senza soluzione di continuità.

Uno dei vantaggi più pragmatici di TSN è che non richiede l'abbandono dei protocolli esistenti a livello di applicazione, ma i leader nell'automazione stanno adattando i loro protocolli per eseguire su TSN.

  • PROFINET su TSN[[]: PI sta sviluppando "PROFINET over TSN" (conosciuto anche come "Profinet RTC") per rimuovere il requisito per i sistemi IRT PROFINET specializzati. Questo permette a PROFINET di eseguire su switch TSN-capable standard, riducendo notevolmente i costi hardware mantenendo gli stessi livelli di prestazioni.
  • CC-Link IE TSN[[]: Il consorzio di automazione giapponese CLPA è stato il primo a combinare la larghezza di banda gigabit con le caratteristiche TSN.
  • OPC UA su TSN[[: L'Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) è lo standard de facto per lo scambio di dati sicuro e indipendente dalla piattaforma. Quando combinato con TSN (OPC UA FX), diventa capace di interoperabile, in tempo reale, di comunicazione "peer-to-peer", collegando direttamente sensori, fondazioni, piattaforme ampiamente considerate cloud.

Il futuro delle reti industriali: TSN, 5G e la strada per l'industria 4.0

TSN fornisce la spina dorsale deterministica cablata, ma la moderna fabbrica richiede flessibilità wireless. La convergenza di TSN con 5G Ultra-Reliable Low-Latency Communications (URLLC)] è la prossima frontiera principale. La scheda 3GPP Release 16 integra TSN con 5G, consentendo una stazione di collegamento a 5G completamente attivata.

Sicurezza in un mondo convergente

Senza una sicurezza rigorosa, un computer portatile per ufficio compromesso potrebbe influire teoricamente su una cella robotizzata controllata da TSN. Le implementazioni di TSN future si affidano sempre più a standard di sicurezza robusti, come ad esempio la IEC 62443 serie per la sicurezza della rete di comunicazione industriale.

Conclusioni

La traiettoria da fieldbus proprietari a EtherNet/IP, e ora all'ecosistema aperto e deterministico di Time-Sensitive Networking, riflette la domanda industriale incessante per sistemi più veloci, più intelligenti e più affidabili.