Эволюция стандартов промышленных сетей: от Ethernet/ip до временных сетей

Рассвет промышленных сетей: частные системы и полевые шины

До эпохи повсеместного Ethernet заводская площадка работала на лоскутном одеяле проприетарных и полупринадлежащих полевых шинных систем. В 1970-х и 1980-х годах подключение программируемого логического контроллера (PLC) к датчикам и приводам означало запуск массивных параллельных проводных ремней от каждого устройства обратно к центральному шкафу управления. Такой подход был дорогостоящим, трудным для устранения неполадок и не хватал гибкости, необходимой для быстро меняющихся производственных линий.

Внедрение цифровых сетей полевых шины в середине 1980-х годов ознаменовало первый большой скачок вперед. Такие стандарты, как Profibus (Process Field Bus), разработанные Siemens и продвигаемые Profibus & Profinet International, и Modbus, первоначально созданные Modicon (ныне Schneider Electric), позволили устройствам обмениваться данными по одному последовательному кабелю. Эти сети использовали протоколы, прокладывающие мастер-раб или токены, для опосредования доступа к среде связи. Другие известные игроки включали DeviceNet и ControlNet, управляемые Rockwell Automation, которые предлагали надежную связь для дискретного производства и управления движением.

В то время как эти полевые шины значительно упростили проводку и улучшили диагностику, они были далеки от совершенства. Каждому стандарту часто требовались специализированные чипы, фирменное программное обеспечение конфигурации и конкретные кабели. Совместимость между устройством Profibus и сетью DeviceNet по существу отсутствовала без дорогих сложных шлюзов. Скорости передачи данных, обычно варьирующиеся от 1 Мбит/с до 12 Мбит/с, вскоре были недостаточны для растущих требований высокоскоростной автоматизации, систем видения и интенсивных данных обеспечения качества. Стадия была установлена для новой парадигмы: конвергенция промышленного и коммерческого сетей. Благодаря растущей волне Интернета и массивной экономии масштаба, достигнутой ИТ-индустрией, стандартный Ethernet появился как логический кандидат для вытеснения фрагментированного ландшафта полевых шины.

EtherNet/IP: использование общего промышленного протокола

Стремление стандартизировать промышленный контроль на Ethernet привело к разработке нескольких конкурирующих стандартов «Промышленного Ethernet» в конце 1990-х и начале 2000-х годов. Среди наиболее успешных был EtherNet/IP, совместно разработанный Rockwell Automation и управляемый ODVA . EtherNet/IP означает «Промышленный протокол Ethernet». Вместо того, чтобы заново изобретать физические или связанные с данными уровни, он умело отображает зрелый, надежный протокол прикладного уровня — Common Industrial Protocol (CIP) — непосредственно на стандартные стеки TCP/IP и UDP/IP.

Эта стратегия дала EtherNet/IP несколько непосредственных преимуществ. Она могла работать на легкодоступном, готовом к эксплуатации оборудовании Ethernet (коммутаторы, кабели и сетевые интерфейсные карты). Она поддерживала как неявные (в реальном времени I/O) сообщения с использованием UDP для высокоскоростной производительности, так и явные (конфигурация и диагностика) сообщения с использованием TCP для гарантированной доставки. Эта двухрежимная архитектура позволяла одной сети обрабатывать критически важные по времени данные управления наряду с менее срочным трафиком конфигурации. Устройства могли быть динамически обнаружены с использованием стандартных протоколов, упрощая настройку. Его неотъемлемая открытость и зависимость от стандартной инфраструктуры Ethernet способствовали широкому распространению в автомобильной, упаковочной и обрабатывающей промышленности. Несмотря на его успех, EtherNet/IP, как и все стандартные протоколы Ethernet, боролся с одним фундаментальным промышленным требованием: истинным детерминированным поведением.

Основная проблема: детерминизм против лучших усилий

Суть проблемы заключается в оригинальной философии дизайна стандарта IEEE 802.3 Ethernet. Стандартный Ethernet - это недетерминированная, "наилучшая" сеть. Если два устройства пытаются передавать данные одновременно, происходит столкновение. Протокол Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) обрабатывает это, имея оба устройства ждать случайный интервал обратной связи, прежде чем пытаться повторно передать. В офисной среде эта случайная задержка едва заметна. Электронное письмо, занимающее 10 миллисекунд против 20 миллисекунд, не имеет отношения к пользовательскому опыту.

Однако на заводском цехе такие джиттер и задержка катастрофические. Система управления движением, координирующая высокоскоростную роботизированную руку, может требовать обновления позиции каждые 31,25 микросекунды. Пропущенный или отложенный пакет может вызвать ошибки синхронизации оси, приводящие к механической вибрации, повреждению заготовки или аварийным остановкам. Поскольку промышленные системы настаивали на более высокой точности, случайность, присущая CSMA/CD, стала неприемлемой ответственностью. Промышленность ответила разработкой собственных решений, которые модифицировали сам стандарт Ethernet, часто жертвуя совместимостью и стандартным оборудованием. В то время как эти решения решали проблему задержки, они создали новую: фрагментацию.

Ethernet в реальном времени: решения проблем с временем

Для достижения детерминированной связи, необходимой для приложений в реальном времени, несколько стандартных органов и поставщиков разработали специализированные протоколы. Эти стандарты «Real-Time Ethernet» (RTE) использовали различные подходы, чтобы обойти недетерминизм стандартного Ethernet. Три из наиболее заметных примеров: EtherCAT , PROFINET IRT и Sercos III .

Все эти решения эффективны. Правильно настроенная сеть EtherCAT или PROFINET IRT может достичь джиттера в наносекундном диапазоне. Однако эти преимущества приходятся по цене: вендорская блокировка, опора на специализированное оборудование, сложная сетевая инженерия и фундаментальная неспособность беспрепятственно сходиться со стандартными ИТ-сетями. Каждый стандарт RTE говорит на своем языке, и их преодоление остается постоянной проблемой. Промышленность нуждалась в универсальном, открытом стандарте для детерминированной связи по стандартному, немодифицированному Ethernet.

Сетевые системы с чувствительной во времени (TSN): поиск единого стандарта

Ответом на фрагментацию сетей промышленной автоматизации является Сетевые технологии с чувствительной ко времени (TSN) . TSN — это не единый протокол, а комплексный набор подстандартов IEEE 802.1 Ethernet, разработанный IEEE TSN Task Group. Первоначально разработанный из стандарта Audio Video Bridging (AVB) для профессиональных аудио/видео студий, TSN был реинжинирингован для удовлетворения строгих требований промышленной автоматизации, автомобильного управления и телекоммуникаций 5G.

Основная философия TSN радикально отличается от более ранних запатентованных решений. Вместо изменения структуры кадра Ethernet или требования пользовательского кремния для обработки детерминированного планирования, TSN работает путем стандартизации поведения сетевых коммутаторов. Коммутатор с поддержкой TSN может расставлять приоритеты трафика, формировать потоки данных и синхронизировать часы по сети с чрезвычайной точностью, все при использовании стандартного оборудования Ethernet мощностью 100 Мбит/с, 1 Гбит/с или даже более высокой скорости. Это позволяет единой конвергентной сети нести стандартный офисный трафик, большие объемы данных от датчиков IIoT и жесткие пакеты управления движением в реальном времени.

Ключевые подстандарты, которые заставляют работать TSN

TSN определяется набором стандартов, каждый из которых касается конкретного аспекта детерминированной коммуникации. Понимание нескольких ключевых компонентов имеет важное значение для оценки его мощности.

Эти стандарты, наряду с другими для резервирования потоков (802.1Qat) и регистрации ссылок (802.1CS), образуют мощный инструментарий. Они позволяют сетевым инженерам проектировать системы с гарантированной задержкой, нулевой потерей пакетов и отказоустойчивостью, все на стандартном оборудовании Ethernet.

Как TSN обеспечивает детерминистическую связь через стандартный Ethernet

Переход от недетерминированного, наиболее эффективного стандартного Ethernet к детерминированной сети, управляемой TSN, является фундаментальным изменением в том, как работает сеть. В стандартной коммутируемой сети несколько потоков данных конкурируют за пропускную способность порта выхода. Буфер коммутатора заполняет, и пакеты стоят в очереди «первым в, первым в очереди» или с простой очерёдностью приоритета (802.1p). Внезапный всплеск данных из высокоприоритетного видеопотока может задержать критический по времени пакет управления движением, вызывая всплеск джиттера.

TSN устраняет это противоречие через расписание, определенное в 802.1Qbv (Time-Aware Shaper). Все переключатели и конечные станции синхронизируются с основными часами через 802.1AS. На основе требуемой задержки потока и пропускной способности центральный инструмент конфигурации вычисляет точное расписание. Он определяет, когда пакеты конкретного потока будут пересекать каждый переключатель по пути. Врата на портах переключателя открываются и закрываются в соответствии с этим расписанием, гарантируя, что задержка пакета не будет задерживаться в очереди. Наихудшее время ожидания становится известным, вычисляемым значением, а не статистической догадкой. Это известно как «жесткая производительность в реальном времени».

Кроме того, TSN предназначен для конвергенции. Поскольку контрольный трафик строго запланирован и защищен 802.1Qci, оставшаяся полоса пропускания и временные интервалы могут свободно использоваться другими протоколами. Один кабель может нести поток управления движением PROFINET, обновление конфигурации OPC UA, стандартную веб-страницу HTTP и вызов по IP-адресу без какого-либо из них, мешающего детерминированной петле управления. Это резко снижает стоимость и сложность промышленных сетей.

Влияние TSN на промышленный и профессиональный ландшафт

Внедрение TSN меняет промышленную автоматизацию, автомобильные автомобильные сети и профессиональные аудио / видео. Для владельцев заводов основным преимуществом является сближение сетей операционных технологий (OT) и информационных технологий (IT). TSN позволяет заводскому цеху говорить на том же открытом языке, что и корпоративный центр обработки данных. Это упрощает сетевую архитектуру, снижает затраты на оборудование и позволяет создавать мощные новые приложения, такие как прямое облачное подключение для прогнозного обслуживания и цифровых двойников.

Для поставщиков автоматизации TSN представляет собой сдвиг в бизнес-моделях. Вместо того, чтобы запирать клиентов в проприетарный протокол в реальном времени, вендоры теперь могут сосредоточиться на добавленной стоимости своих контроллеров и датчиков, используя открытый транспортный уровень TSN. Крупные организации, такие как Альянс Avnu ], проводят тестирование соответствия и совместимости, чтобы гарантировать, что устройства TSN от разных производителей работают бесшовно вместе.

TSN и эволюция существующих протоколов (Profinet, CC-Link, OPC UA)

Одним из наиболее прагматичных преимуществ TSN является то, что он не требует отказа от существующих протоколов прикладного уровня. Вместо этого лидеры в области автоматизации адаптируют свои протоколы для работы над TSN.

Будущее промышленных сетей: TSN, 5G и путь к Индустрии 4.0

Эволюция промышленных сетей далека от завершения. TSN обеспечивает проводной детерминированный костяк, но современный завод требует беспроводной гибкости. Конвергенция TSN с 5G Ultra-Reliable Low-Latency Communications (URLLC) является следующим крупным рубежом. Спецификация 3GPP Release 16 интегрирует TSN с 5G, позволяя базовой станции 5G действовать как мост TSN. Это позволяет мобильным роботам, автоматизированным управляемым транспортным средствам (AGV) и беспроводным датчикам участвовать в той же детерминированной сети, что и проводные машины. Точная синхронизация времени TSN гарантирует, что беспроводные конечные точки полностью синхронизированы с проводной системой управления.

Безопасность в конвергентном мире

Конвергенция ИТ- и ОТ-сетей также расширяет поверхность атаки. Без строгой безопасности скомпрометированный офисный ноутбук теоретически может повлиять на роботизированную ячейку с управлением TSN. Будущие развертывания TSN все больше полагаются на надежные стандарты безопасности, такие как серия 62443 [FLT: 1]] для безопасности промышленной сети связи. Сегментация сети, аутентификация устройства (802.1X) и зашифрованная связь (IPsec или TLS) интегрируются в проект сети TSN, чтобы гарантировать, что увеличение подключения не происходит за счет безопасности и надежности.

Заключение

Траектория от проприетарных полевых шишек до EtherNet/IP, а теперь и открытой детерминированной экосистемы Time-Sensitive Networking отражает неустанный промышленный спрос на более быстрые, умные и надежные системы. В то время как специализированные протоколы Ethernet в реальном времени успешно решают проблему синхронизации для конкретных поставщиков, TSN достигает ее универсально. Стандартизируя поведение самой сети, TSN обеспечивает истинную совместимость, упрощает проектирование системы и обеспечивает надежную конвергентную сетевую инфраструктуру, необходимую для заводов будущего. По мере того, как TSN созревает и интегрируется с беспроводными 5G и безопасными OPC UA фреймворками, он, несомненно, станет единым единым стандартом, который устраняет разрыв между цифровым миром и физической производственной линией.